项目五 特殊条件下的井巷施工技术任务1

阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第1页任务1施工准备教学目标★知识与能力目标1.松软岩层、煤和瓦斯突出的概述；2.支护方式的选择；3.工作面遇断层的预兆；4.含水层的分类与性质；★素质目标1.强调做人与做事相结合，做人通过做事体现，做事通过做人保证；2.在培养过程中注重人文精神的熏陶；3.培养优秀的职业道德、正直、富有责任感;4.使学生具有较强的实践操作能力;5.培养学生发散思维的创新能力阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第2页5.1.1松软岩层概述松软岩层本身具有松、散、软、弱四种不同属性。所谓“松”，系指岩石结构疏松、密度小，孔隙度大的岩层；“散”，则指岩石胶结程度很差或指未胶结的颗粒状岩层；“软”是指岩石强度很低，塑性大或粘土矿物质易膨胀的岩层；“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岩层，但其岩石单轴抗压强度还是较高的。在松软岩层中施工巷道，掘进较容易，维护却极其困难。阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第3页阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第4页5.1.2松软岩层巷道施工涉及的几个问题㈠松软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。阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第5页阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第6页2．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其围岩变形量主要有以下三部分组成（图10-1）：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。阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第7页㈡合理选择巷道位置1．岩石性质2．支承压力的影响除了要避免支承移动压力的影响外，还必须避开采场上下固定支承压力的影响范围，应把巷道布置在应力降低区或原岩应力区内为最好。如图10-2所示。㈢巷道断面形状的选择㈣破岩方式的选择阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第8页㈤支护方式和支护结构的选择对于这种特殊的不良地层，其支护结构应有“先柔后刚”的特性，一般需要二次支护。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。阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第9页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是前屯兰煤矿使用的异形料石圆碹。阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第10页阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第11页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。阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第12页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。阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第13页㈥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遇水膨胀性底鼓阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第14页阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第15页2．底鼓的防治㈧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，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；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，锚杆的锚固力可用中空千斤顶式的锚杆拉力计来量测。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汁参数。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。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。阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第16页㈨借鉴新奥法指导软岩巷道施工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。新奥法不是单纯的支架结构改革或支护方法的改进，而是一套综合的隧道施工方法，更确切地说是一套适用在断面50～150㎡的遂道及大断面地下工程设计、掘进、衬砌、测试相结合的完整新概念。新奥法的概念是按岩石力学围岩支架共同作用基本原理制定的，其主要意图是调动围岩自身的承载能力，尽可能地控制围岩变形，防止围岩松动，以达到施工隧道的最大安全度和最好经济效果。新奥法认为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轮分析，合理地选用和设计第二次支护的材料，结构型弍及规格尺寸。阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第17页5.1.3煤和瓦斯突出概述煤和瓦斯突出是在煤矿井下采掘过程中发生的一种煤和瓦斯的突然运动，它是一种极复杂的动力现象，即在极短的时间内，由煤体向巷道中突然喷出大量的煤和瓦斯。分析大量的实验资料可以得出，煤和瓦斯突出的原因主要是由地压构造应力和矿山压力，瓦斯含量及瓦斯压力、岩石及煤的物理机械性质这三方面因素作用的结果。我国煤和瓦斯突出煤层具有下列特征：煤和瓦斯突出往往发生在地质变化比较剧烈、地应力较大的地区，例如褶曲向、背斜的轴部和断层破碎带；煤质松软，干燥且瓦斯含量多、压力高就容易突出：开采深度愈大，煤层愈厚，倾角愈大，突出的次数就愈多，强度愈大，煤体受到外力震动，冲击时，也容易发生突出。预防煤和瓦斯突出的措施可分两大类，即区域性预防措施和局部性预防措施。区域性预防措施主要是开采解放层。阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第18页5.1.4工作面遇断层前的预兆采煤工作面遇断层前，一般有以下预兆：煤(岩)层的走向、倾向发生明显变化，顶、底板的完整程度破坏严重，裂隙增多；煤质变软，光泽变暗，煤层层理不清；有时还有滴水和瓦斯涌出量增多的现象。阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第19页5.1.5含水层的分类与性质1．按埋藏条件划分按含水层埋藏条件划分，含水层可分为上层滞水、潜水和承压水。①上层滞水：分水局限，水量少，季节性明显，对煤矿生产无影响。②潜水：埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上，且具有自由水面的重力水。潜水时矿井充水重要来源之一，必须高度重视。③承压水：充满于上、下两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水，又称为自流水。承压水是矿井充水重要来源之一，需高度重视。2．按含水层空隙性质划分按含水层空隙性质划分，含水层可分：孔隙水：储存于疏松岩层孔隙中的水称为孔隙水。裂隙水：埋藏于基岩裂隙中的地下水。按裂隙成因分三类：①风化裂隙水。②成岩裂隙水。③构造裂隙水。赋存在构造裂隙中的地下水。分为两类：层状裂隙水；脉状裂隙水；构造裂隙水对煤矿安全生产威胁很大。喀斯特水：埋藏于溶洞中的重力水，称为喀斯特水，又称为岩溶水。阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第20页2．按含水层空隙性质划分按含水层空隙性质划分，含水层可分：（1）孔隙水：储存于疏松岩层孔隙中的水称为孔隙水。（2）裂隙水：埋藏于基岩裂隙中的地下水。按裂隙成因分三类：①风化裂隙水。②成岩裂隙水。③构造裂隙水。赋存在构造裂隙中的地下水。分为两类：A层状裂隙水；B脉状裂隙水；构造裂隙水对煤矿安全生产威胁很大。（3）喀斯特水：埋藏于溶洞中的重力水，称为喀斯特水，又称为岩溶水。阳泉职业技术学院井巷工程项目五特殊条件下的井巷施工技术2020/1/21山西煤炭教育基金会资助项目（晋煤教金字[2009]9号）第21页5.1.5掘进工作面涌水量的预测涌水量预测计算方法主要有近似方法、地下水动力学法、水均衡法、数值法等，目前多采用近似方法。近似方法主要包括涌水量曲线方程（一般称Q-S曲线）外推法和水文地质比拟法2种。预测时前者以勘探阶段抽（放）水试验的成果为依据，后者则应用类似巷道水文地质资料来计算，但两者共同的应用前提是水文地质资料相似性，前者要求试验阶段与未来掘进阶段条件相似，后者则立足于勘探区与借以比拟的施工区条件一致，因此属于近似的预测方法。