第九章特殊条件下的巷道施工

第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工12019/8/9井巷工程第九章特殊条件下的巷道施工第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工22019/8/9第九章特殊条件下的巷道施工第一节软岩巷道施工第二节揭开煤与瓦斯突出煤层的施工方法第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工32019/8/9第一节松软岩层巷道施工一、软岩概念地质软岩：四种属性：松、散、软、弱。“松”，指岩石结构疏松、密度小，孔隙度大；“散”，则指岩石胶结程度很差或指未胶结的颗粒状；“软”，指岩石强度很低，塑性大或粘土矿物质易膨胀；“弱”，则指受地质构造的破坏，形成许多弱面，如节理、片埋、裂隙等破坏了原有的岩体强度，易破碎，易滑移冒落的不稳定。强度软岩：国际岩石力学协会，“25MPa”。工程软岩：何满潮教授，1993。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工42019/8/9第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工52019/8/9二、软岩巷道围岩变形和压力特征1．软岩巷道围岩变形特征⑴围岩变形有明显的时间效应。⑵围岩变形具有明显的空间效应。⑶软岩巷道不仅顶板下沉量大和容易冒落，而且底板也强烈鼓起，并常拌有两帮剧烈位移。⑷围岩变形对应力扰动和环境变化非常敏感。此外，软岩巷道的自稳时间短。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工62019/8/9第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工72019/8/92．巷道围岩变形量的构成图10-1软岩巷道围岩变形量的组成围岩变形量组成：⑴掘巷引起的围岩变形量；⑵围岩流变引起的变形量；⑶巷道受各种扰动引起的变形量。iutvuu000U0—掘巷引起的变形；v0t0—巷道流变量；∑ui—扰动和浸水引起的变形量。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工82019/8/93．影响软岩巷道围岩的自稳能力的因素⑴巷道的形状和尺寸；⑵地应力；⑶岩体的残余强度；⑷施工工艺；⑸水的影响。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工92019/8/9㈠合理选择巷道位置㈡巷道断面形状的选择㈢破岩方式的选择软岩巷道治理㈣支护方式和支护结构的选择㈥软岩巷道的联合支护㈦巷道底板的管理㈧重视围岩的量测监控㈨借鉴新奥法指导软岩巷道施工第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工102019/8/9㈠合理选择巷道位置1．岩石性质2．支承压力的影响（1）避开支承移动压力的影响；（2）避开采场上下固定支承压力的影响；（3）布置在应力降低区或原岩应力区内。如图10-2所示。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工112019/8/9㈠合理选择巷道位置3．巷道走向与最大地应力方向的关系；与断层破碎带的关系。4．避免巷道空间上的重叠、密集交叉。㈡巷道断面形状的选择㈢破岩方式的选择湖南湘永煤矿-360运输大巷，图10.2光面爆破，机械破岩。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工122019/8/9㈣支护方式和支护结构的选择支护结构：“先柔后刚”，两次支护。初始支护应按照围岩与支架共同作用的原理，选用刚度适宜、具有一定柔性或可缩性支架。它既允许围岩产生一定量的变形移动，以发挥围岩自承能力，同时又能限制围岩发生过大的变形移动。可以采用锚喷支护、U形金属可缩性支架等。二次支护的作用在于进一步提高巷道的稳定性和安全性，应采用刚度较大的支护结构。可采用锚喷支护，砌碹。在喷射混凝土中还应增加钢筋网和金属骨架，即构成锚喷网金属骨架联合支护结构。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工132019/8/9采用料石或混凝土块砌碹作为二次支护时，应选用异形料石或异形混凝土块作为砌体材料，图10-3是舒兰设计采用的异形混凝土块碹；图10-4是前屯煤矿使用的异形料石圆碹。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工142019/8/9第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工152019/8/9采用料石和混凝上块砌碹，只要提高施工质量，调整砌块的规格，保证壁后充填密实，或在砌块之间加入可缩性木板，均能大大提高碹体的支护效果。在苏联、比利时等国支护软岩巷道，尤其是采深较大的巷道，常采用预制混凝土块支护，并向大型钢筋混凝土块发展，用吊装机械安装。近年来我国少数煤矿，如沈阳矿务局大桥煤矿也已开始使用这种钢筋混凝土块来支护软岩巷道并取得了一定的效果。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工162019/8/9二次支护应在围岩地压得到释放、初始支护与围岩组成的支护系统基本稳定之后进行。为了保证二次支护的效果，最好进行围岩位移速度和位移量的量测，并绘出相应的变化曲线，如图10-5所示。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工172019/8/9㈥软岩巷道的联合支护1．锚喷和U形钢联合支护2．锚喷和砌碹联合支护3．锚喷和弧板联合支护㈦巷道底板的管理1．巷道底鼓的类型和机理⑴挤压流动性底鼓⑵挠曲褶皱性底鼓⑶剪切错动性底鼓⑷遇水膨胀性底鼓第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工182019/8/9第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工192019/8/92．底鼓的防治防治底鼓的方法或措施有：①保持底板干燥无水，防止膨胀性底鼓；②安设底拱(浇筑或砌筑)；③底板注浆加固；④锚杆加固；⑤底板钻孔卸压或卸压槽卸压；⑥底板松动爆破卸压；⑦底板先松动爆破，后注浆加固等。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工202019/8/9㈧重视围岩的量测监控在松软岩层巷道采用锚喷支护，一定要配合进行量测监控：1）可用收敛计量测巷道的收敛变形，亦可用水准仪测量顶板下沉量和底鼓量；2）可用各种多点式位移计量测岩层内不同深度的位移，从而可以算出位移速度。通过这些量测数据，有助于评价围岩的稳定程度，可以论证各设计参数是否合理和锚喷效果，也是修改设计和确定二次支护时间的依据，3）锚杆的锚固力可用中空千斤顶式的锚杆拉力计来量测；4）锚杆的应力状态可用专门设计的空心“锚杆”(它的构造是聚氯乙烯塑料管内壁用101号胶粘贴电阻片)来测定，以检验锚杆不同深度处的受力状态，从而能推知围岩内应力重新分布的情况，进而可调整锚杆的设计参数。5）对于大断面的重要工程还要进行接触应力和喷层内切向应力的量测，可采用电阻应变砖和钢弦压力盒等测试元件。根据测量结果，可以了解喷层的受力状态，有助于设计喷射混凝土的厚度。6）地应力特别大的矿区，还应量测构造应力场，这对巷道合理布置，减轻地应力对巷道支护的破坏影响具有重要意义。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工212019/8/9㈨借鉴新奥法指导软岩巷道施工新奥法是1964年由奥地利L·V·Labcewicz教授根据本国多年隧道施工经验总结发表的，称为“新奥地利隧道施工法”(NewAustrianTunnelingMethod)，简称“新奥法”(NATM)。新奥法是隧道施工科学方法的总结，主要针对软岩隧道施工，重点在支护方面。但新奥法又不是单纯的支架结构改革或支护方法的改进，而一套综合的隧道施工方法，更确切地说是一套适用在断面为50~150m2的隧道及大断面地下工程设计、掘进、衬砌及量测监控相结合的完整的隧道科学施工新概念。新奥法的思想核心基于岩石力学围岩支架共同作用原理，其主要意图是调动围岩自承载能力，使得围岩与支架共同作用，控制围岩变形破坏，以达到最大安全度和最好经济效果。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工222019/8/9新奥法的基本观点：—隧道支护必须遵循“支架与围岩共同作用”这一基本原理，以调动围岩的自承载能力，尽可能地控制围岩变形防止围岩松动，从而达到隧道施工的最大安全度和最佳技术经济效益。新奥法三要素：——喷射混凝土、锚杆支护、量测监测。新奥法认为喷射混凝土最能紧贴围岩，充分利用围岩自身强度。喷层开裂并非坏事，而是表现出一定的让压性，必要时第一次支护加用锚杆或少量钢拱支架；根据实测资料及理论分析，合理地选用和设计第二次支护的材料、结构型式及规格尺寸。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工232019/8/9第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工242019/8/9新奥法维护软岩巷道的要点：一次支护应采用最能密贴围岩的喷射混凝土支护，必要时加用锚杆或少量钢拱支架。①一次支护要及时，否则围岩先行破坏，不能实现“支架与围岩”共同作用；②一次支护要密贴围岩，这是因为岩石为脆性材料，其极限变形量很小，普通支架由于不能密贴围岩，可能导致围岩和支架被各个击破，无法实现共同承载作用；③一次支护要有适当的柔性，以适当释放压力，避免破坏支护结构(喷层可能开裂，这不一定是坏事，而是锚喷支护具有一定的“让压”性能的表现)；④一次支护后要对围岩变形进行监测，以便确定二次支护的时机及支护形式与支护结构。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工252019/8/9二次支护刚度要足够大，时机要成熟，同时要注意封底的作用。①二次支护结构应具有足够的刚度，以对抗围岩残余变形，保证设计断面要求；②二次支护要等围岩位移速度稳定或减缓至一定程度时进行，做到“适时支护”；③巷道顶帮支护后底板可能成为薄弱环节，围岩是一个整体，底板不稳易导致顶板失稳，故必须重视底板，必要时要对底板进行加固；④二次支护后，仍然要继续对围岩变形情况进行监测，必要时应及时调整支护参数或支护结构，或进行补强加固。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工262019/8/9三、松软岩层巷道施工实例㈠北皂煤矿软岩巷道施工方法•1.地质概况•北皂煤矿位于山东龙口矿区黄县煤田的西北部。•含煤地层属于下第三纪，煤系地区主要岩石有：炭质泥岩、油页岩、含油泥岩、砂质页岩及粘土岩等。•岩石的强度都很低，普氏系数f=0.6～2.8。•煤1顶板炭质泥岩、煤2顶板含油泥岩及煤3底板粘土岩，均含有粘土质矿物—蒙脱石，开巷后易风化脱水，再遇水就产生膨胀。•含油泥岩，蒙脱石含量多，而且层厚大，开巷后膨胀压力大。•炭质泥岩和粘土岩虽含有蒙脱石，但因强度略大，厚度略小，故膨胀压力显现也较小。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工272019/8/9三、松软岩层巷道施工实例㈠北皂煤矿软岩巷道施工方法•2.施工方法•棚式支架和料石砌碹锚喷支护+光爆（较稳定岩层）。•泥岩和粘土岩•小断面：锚喷网（4mm）；•大断面：锚喷+钢筋网（12mm钢筋）。•炭质泥岩和含油泥岩—锚喷网架联合支护；开心炮+风镐掘进。锚杆2.0m+钢筋网+初喷；槽钢钢架，间距0.5m，复喷。二次支护，修复破损支护，喷射混凝土。•底鼓料石砌筑底拱，和二次支护一起施工。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工282019/8/9锚喷网架联合支架。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工292019/8/9㈡舒兰矿区松岩层巷道施工吉林舒兰矿区为第三纪中新统含煤地层。构成含煤地层的岩石均为松软岩石，以未胶结的疏松含水砂岩为主，其次为半胶结的粉砂岩、半坚硬的砂页岩以及粘土质页岩。其中半胶结和未胶结的砂岩，质地疏松，开挖后易溃散；未胶结的粉砂岩遇水后呈片状崩解；粘土质页岩具有塑性膨胀的特点。同时随着开采深度的增加，地压有明显的增大。在遇水膨胀的围岩中，底鼓现象也很严重，一般巷道底鼓速度为60～l00mm/月。采场动压对相邻巷道的影响也很严重，动压波及范围远大于一般矿井，片盘斜井一侧的保护煤柱宽达60～70m，仍能受到采动压力的影响。第页山东科技大学资源与环境工程学院第九章特殊条件下的巷道施工302019/8/9⑴暗斜井井筒断面选用曲墙、半圆拱加底拱