第一章基本知识

第一章基本知识第一节岩石基本力学特性与工程分级岩石是由一种或几种矿物颗粒组成的集合体。大范围的岩石称为岩体。岩石是井巷施工的主要对象，它的物理力学性质对凿岩爆破及支护有很大影响，了解这些影响有利于在实际工作中采用合理的施工方法。一、构造岩体的非均质性、岩石的层理性以及岩石的裂隙性是岩石最突出的结构特性。均质性好的岩石强度高，透水性差，对掘进安全施工有利，均质性差的岩石则强度差，透水性好，对掘进施工安全不利。岩石的层理性是煤岩的重要构造特征。垂直层理面方向的岩石抗压强度大于平行层理面方向的岩石抗压强度，二者比值，岩石约为1.3，煤约为1.5。层理面方向不同，巷道冒顶的形状也不同。岩体的裂隙性对巷道施工安全影响最大，岩体内由于存在着大大小小的裂隙（原生裂隙与次生裂隙），在岩体中就形成了明显的弱面，所以在掘进过程中，经常会在没有预兆的情况下，发生冒顶事故。同时，裂隙也是导水和泄出瓦斯的通道。节理和裂隙发育的岩石，钻眼时很容易夹钎子并会不同程度地降低爆破效果等。二、岩石的力学性质岩石的力学性质是指岩石在静力或动力的作用下所产生的岩石的变形特征。包括：应力-应变-时间关系的全过程；岩石的强度特性，如抗拉强度、抗压强度、抗剪强度；岩石的破坏性能，如抗工具压入性能、抗炸药破坏性能；岩石的动力性质，如波在岩石中传播的特征等所表现的一些性能。这些性能，不仅取决于岩石的成分和结构等因素，还与岩石的受力条件有很大关系。（一）岩石的变形特征岩石的变形特征，反映岩石在载荷作用下改变自己的形状或体积直至破坏的情况。岩石在载荷作用下，首先发生变形，当载荷增大或者超过某一数值（极限强度）时，就会导致岩石的破坏。就是说，变形阶段包含着岩石破坏因素，而破坏则是不断变形的结果。根据受力情况不同，岩石的变形有以下几种状态：（1）弹性变形。岩石在载荷作用下，改变自己的形状或体积，当去掉载荷以后，又能恢复其原来形状或体积，这种变形称作弹性变形。如井下石灰岩板受压弯曲，在岩层折断后，会出现弹性恢复。（2）塑性变形。岩石在载荷作用下发生变形，当去掉载荷后变形不能恢复，这种变形称作塑性变形。如在软岩中掘进巷道时出现的底鼓，就是明显的塑性变形。（3）脆性破坏。岩石在载荷作用下，没有明显的塑性变形就突然破坏，这种破坏称作脆性破坏，这种岩石称作脆性岩石。煤矿井下大部分岩石均为脆性岩石。（4）弹、塑性变形。岩石同时具有弹性变形和塑性变形，这种变形称作岩石的弹、塑性变形。煤矿巷道、硐室周围的煤或岩体处于三向（或双向）受力状态，发生破坏后，虽然其结构发生了变化，但仍然保留一定的承载能力，其侧向应力愈大，其残余强度也愈大。这个规律对于在井下控制煤柱和岩体的稳定性很有现实意义。（5）流变。许多岩石的变形并非在一瞬间完成，它与时间有密切关系。通常把岩石在长期载荷作用下的应力应变随时间而变化的性质称为岩石的流变性。不同的岩石，其流变速率差异很大。如位于软岩中的巷道，由于软岩流变速率大，开掘后，巷道断面很快就会缩小到难以通行；而位于坚硬岩石（如石灰岩）中的巷道可以不支护，也能保证安全生产。岩石的流变性质可分为蠕变、弹性后效和松弛几类。①蠕变，是指在恒定载荷持续作用下，应变随时间增长而变化的现象。它又可分为稳定蠕变和不稳定蠕变两类。稳定蠕变是指岩石在恒定载荷作用下，应变量增加，然后逐渐减缓，最后趋于稳定值；不稳定蠕变是指岩石在恒定载荷作用下，应变量随时间增长而不断增加，直到岩石破坏。如立井井筒在马头门上10m-15m处经常裂，多是蠕变的结果。②弹性后效，是指岩石加载后需要经过一定时间后，弹性变形才能完全恢复的现象。③松弛，是指在变形量一定的条件下，应力随时间的持续而逐渐减少的现象。（二）岩石的强度特性岩石的强度特性反映岩石抵抗破坏的能力。用单位面积上所受的力的大小来表示，其单位为Pa（帕）。岩石强度的大小，一般按下列顺序排列：三向等压三向非等压双向压力单向压力剪切弯曲单向拉伸一般岩石的单向抗拉强度仅为单向抗压强度的1/5-1/30，双向抗压强度为单向抗压强度的1.5-2.0倍。岩石的强度越高，其抵抗外力使其变形、破坏的能力越强，则巷道就越稳定。有的巷道处在轻度较高的围岩中，不支护（裸巷）就可维持巷道的稳定。（三）岩石的破坏特性岩石的破坏方式主要是拉断、剪断、塑性变形等。在井巷掘进施工中，常见的破坏方式有：较软岩体出现曲线形破裂面，坚硬岩体沿结构面滑动，脆性岩体出现突然岩块式张拉破裂；坚固岩层内夹有软岩层时，软弱夹层呈现塑性挤出的破坏。三、岩石的工程分级为了能有效地破岩和合理地进行井巷维护，就必须在研究岩石与岩体的物理力学性质的基础上制定出岩石的工程分级，并以此为选择破岩和井巷维护方法的科学依据。岩石工程分级方法较多。我国煤矿常用的是按岩石坚固性和围岩稳定性对岩石进行分级、分类。按岩石坚固性进行分级的方法，即普氏分级法，至今仍然使用。普氏认为，岩石的坚固性对于各种破岩方法的表现是趋于一致的，因此普氏提出一个表示岩石坚固性的综合指标“岩石的坚固系数f”，并以此来表示岩石破坏的相对难易程度。f值在数值上等于岩石单向抗压强度Rc（kg/cm2）的1%，即f=Rc/100根据f值的大小，将岩石分为10级共15种。为了简化，我国煤炭系统按岩石坚固性将煤岩分类为：软煤：f=1-1.5；硬煤：f=2-3；软岩：f=2-3；中硬岩：f=4-6；硬岩：f=8-10；坚硬岩石：f=12-14；最坚硬岩石：f=15-20。第二节巷道断面及布置一、巷道断面形状我国煤矿巷道常用断面形状是梯形和直墙拱形（如半圆拱形、圆弧拱形、三心拱形简称拱形），其次是矩形。只是在某些特定的岩层或地压情况下，才选用不规则形（如半梯形）、封闭拱形、椭圆形和圆形。几种断面形状见图1-1。矩形断面利用率高，承载能力低，一般用于顶压、侧压都小，服务年限短的巷道，如侧压大，两帮支架将发生移动或破坏。梯形的断面利用率较拱形高，但承压性能较拱形差，常用于服务年限不长、断面较小或围岩稳定、地压不大的巷道。拱形断面则常用于服务年限长或围岩不稳定、地压大的巷道。在特别松软或膨胀性大的岩层中开掘巷道，当顶压、侧压都很大时，可采用曲墙拱形；底臌严重时，可用带底拱的封闭拱形；四周压力都很大且不均匀时，可采用椭圆形；四周压力均匀时，可采用圆形。沿煤层掘进巷道时，为了不破坏顶板，常根据煤层赋存情况，将巷道开掘成各种不规则形。巷道断面形状往往取决于矿区富有的支架材料和习惯采用的支护方式。木棚子和钢筋混凝土棚子适用于梯形和矩形等断面；料石和混凝土砌碹适用于拱形、圆形等曲线形断面；而金属支架、锚杆支护适用于任何形状断面。二、巷道断面尺寸巷道断面尺寸主要依据用途来决定的，并用所需通过风量来校正，以人员通过方便为原则，《煤矿安全规程》规定：巷道净断面，必须满足行人、运输、通风和安全设施及设备安装、检修、施工的需要。巷道开掘出后不加支护的断面称为荒（毛）断面，支护后的断面称为净断面。巷道断面尺寸主要考虑巷道的净高和净宽。（一）巷道的净宽度矩形巷道（直墙巷道）的净宽度，是指巷道两侧壁或锚杆露出长度终端之间的水平间距。对听性巷道，当巷道内通行矿车、电机车时，净宽度指车辆顶面水平的巷道宽度。当巷道内设置运输机械时，净宽指从巷道底板起1.6m高水平的巷道宽度；当巷道不放置和不通行运输设备时，净宽指净高的二分之一处的水平距离。巷道净宽主要取决于运输设备本身的宽度，人行道宽度和相应的安全间隙，无运输设备的巷道可根据通风及行人的需要来选取。巷道内人行道的宽度和相应的安全间隙在《煤矿安全规程》内都有明确的规定：（1）新建矿井、身缠矿井新掘运输巷的一侧，从巷道道碴面起1.6m的高度内，留有0.8m（综合机械化采煤矿井为1m）以上的人行道，管线吊挂高度不得低于1.8m；巷道另一侧的宽度不得小于0.3m（综合机械化采煤矿井为0.5m）。巷道内安设输送机时，输送机与巷帮支护的距离不得小于0.5m；巷道内移动变电站或平板车上综采设备的最突出部分，与巷帮支护的距离不得小于0.3m；输送机机头和即为处与巷帮支护的距离应满足设备检查和维修的需要，并不得小于0.7m。（2）在生产矿井已有巷道中，人行道的宽度不符合上述要求时，必须在巷道的一侧设置躲避硐。两个躲避硐之间的距离，不得超过40m。躲避硐宽度不得小于1.2m，深度不得小于0.7m，高度不得小于1.8m，躲避硐内严禁堆积物料。（3）在人车停车地点的巷道上下人侧，从巷道道碴面起1.6m的高度内，必须留有宽1m以上的人行道，管道吊挂高度不得低于1.8m。在巷道曲线段，车辆四角要外伸或内移，应将安全间隙适当加大，一般外侧加宽200mm，内侧加宽100mm。（二）巷道的净高度矩形、梯形巷道的净高度是指道自道碴面或底板至顶梁或顶部喷层面、锚杆露出长度终端的高度。拱形断面的净高是指自道碴面至拱顶内沿或锚杆露出长度终端的高度，由壁高和拱高组成，半圆拱的拱高为巷道净宽的一半，圆弧拱及三心拱的拱高常取巷道净宽的三分之一。《煤矿安全规程》规定：主要运输巷和主要风巷的净高自轨面起不得低于2m。采区（包括盘区）内的上山、下山和平巷的净高不得低于2m,薄煤层内不得低于1.8m。采煤工作面运输巷、回风巷及采区内溜煤眼等的净断面净高，由煤矿企业同一规定。三、水沟及管线布置水沟通常布置在人行道一侧，并尽量少穿越运输路线，只有在特殊情况下，才将水沟布置在巷道中间或非人行道一侧。平巷水沟坡度可取3‰-5‰，或与巷道的坡度相同，但不应小于3‰，以利水流畅通。运输大巷的水沟可用混凝土浇灌，也可用钢筋混凝土预制成构件，然后送到井下铺设。采区中间巷道的水沟，可根据巷道底板性质、服务年限长短、排水量大小和运输条件等因素，考虑是否需要支护。回采巷道的服务年限短、排量小，故其水沟不用支护。棚式支架巷道水沟一侧的边缘距棚腿应不小于300mm。为了行人方便，主要运输大巷和倾角小于15°的斜巷的水沟，应铺放钢筋混凝土预制盖板，盖板顶面与道碴面齐平。只有在无运输设备的巷道或倾角大于15°的斜巷以及采区中间巷道和平巷中，可不设盖板。管线布置原则，主要是保证安全和便于维修，其要点如下：电力电缆与管道应布置在巷道的不同侧。在梯形巷道内，电力电缆布置在人行道一侧的棚腿上部；管道则布置在另一侧下部，细管在上、粗管在下，与道碴面保持150mm距离，以利安装和检修，而且任何管子与运行车辆的距离都不得小于200mm。在拱形巷道内，管道布置在人行道一侧，而下部与道碴面或水沟盖板面保持1.8m和1.8m以上的距离，若不得小于250mm，力求布置在车辆高度之上。电话和信号电缆应布置在电力电缆的另一侧，若不得已必须布置在同一侧时，则应在电力电缆上方100mm以外。当电缆与管道同侧布置时，也应将电缆布置在管道之上不小于300mm的地方。四、巷道施工在巷道掘进工作中，要保证巷道断面的规格、尺寸、巷道的坡度、方向符合设计的要求，必须按巷道的中心线、腰线进行施工。中心线是巷道掘进走向方向的基准线。一般按巷道中心标在巷道顶板或支架上，主要采准巷道应使用激光定向仪。腰线是指示巷道坡度的基准线，一般按距巷道底板或永久轨面以上1m高为准，标在巷道侧帮或支架上。根据断面煤岩所占比例不同，把巷道分为煤巷、半煤岩巷及岩巷，按巷道坡度的不同又可分为平巷、斜巷、立井三大类。施工中根据不同类型巷道的特点，进行破、通、装、运、支等工序的作业。