第8章 岩石与瓦斯突出防治措施

中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第1页第8章岩石与瓦斯突出防治措施8.1打眼爆破方法沿突出危险砂岩掘进巷道8.1.1打眼爆破作业最佳参数的本质8.1.2打眼爆破作业参数8.1.3沿突出危险砂岩巷道掘进工艺8.1.4切割卸压缝沿突出危险砂岩掘进巷道8.2掘进机械沿突出危险岩层掘进巷道8.2.1准备巷道掘进时矿山压力控制利用的方法参数8.2.2沿突出危险岩层的掘进机掘进巷道工艺8.2.3沿突出危险岩层掘进巷道的掘进机8.2.4应用范围中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第2页8.1打眼爆破方法沿突出危险砂岩掘进巷道8.1.1打眼爆破作业最佳参数的本质为了研究沿突出危险岩层巷道掘进的最佳方法，研究了矿山技术因素对打眼爆破作业效果的影响，其中包括炮眼炸药爆炸时在矿山岩体中产生的动态应力对岩石与瓦斯突出的概率、频率和强度的影响。在斯科钦斯基矿井的研究表明，动态应力对突出的发生、发展和强度没有重大影响。经过研究表明，动态应力在钻孔壁上达到最大，随着远离钻孔壁，则动态应力急剧减小■中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第3页8.1打眼爆破方法沿突出危险砂岩掘进巷道炸药爆炸引起的弹性波，在两种介质接触面上反射或急剧衰减。当在炸药布置在粘土页岩中（图8.1）和当弹性波顺序有粘土页岩进入砂岩，然后进入粘土页岩夹层，进入砂岩，再次进入页岩夹层，最后又重新进入砂岩时，发生了砂岩和瓦斯突出■中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第4页8.1打眼爆破方法沿突出危险砂岩掘进巷道记录爆破时危险突出岩体的弹性波动，可以查明炸药爆炸引起的岩石破坏和突出过程中岩石破坏之间的时间间隔。研究表明，钻孔炸药扩巷爆炸时突出发生的概率和强度都很低。当工作面扩巷时，进行爆破作业的钻孔通常平行与巷道顶板、侧壁或底板布置，距巷道轮廓一定距离，处低应力带内。在这种情况下，钻孔炸药爆炸时的岩体脱离并为导致潜能的大量释放，这就成为扩巷爆破时突出发生概率和强度低的原因。■中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第5页8.1打眼爆破方法沿突出危险砂岩掘进巷道统计研究表明，突出发生的强度和概率与布置爆破钻孔的工作面面积几乎是函数关系，在其他条件相同的情况下，突出发生的概率由矿山岩体的弹性恢复变形量决定。如果给予巷道和工作面这样的形状，以使他们的整个轮廓只出现数值相等的低应力，则弹性恢复变形量将减小，此时发生的概率也将最小具有封闭椭圆形的巷道周边的切向应力按下式确定：（8.1）式中R—垂直压力；Hб—侧向抗力a和b—分别为水平和垂直半轴的长度Q—从水平轴向算起的角度■22222()(sincos)sincos)()()RHaQbQaQbQabRHabRHббб（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第6页8.1打眼爆破方法沿突出危险砂岩掘进巷道为了简易，我们来研究轮廓上最典型的应力—在侧壁的中间点（Q=0°和Q=180°），在巷道的顶板和底板（Q=90°和Q=270°）。将公式（8.1）变换之后，我们得到(8.2)(8.3)为使弹性恢复变形沿巷道整个轮廓相同和最小，在巷道的轮廓上的所有点，应力应该为数值相同的压缩应力：(8.4)则b/a=R/H所以，如果采用爆破作业形成的巷道断面长短轴的比值等于非破坏岩体的初始应力值之比，则突出的概率最小。研究表明，工作面必须为半球形形状。■2abRHR2abHRH22aaRHRHRHbb中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第7页8.1打眼爆破方法沿突出危险砂岩掘进巷道考虑到横断面面积和巷道形状对突出发生概率的影响，对在突出危险岩石条件下的打眼爆破作业参数提出下列主要要求：a)为降低岩石突出的发生概率和强度，钻孔炸药应布置在最小可能的工作面面积内，这样可使他们爆炸形成的崩落巷道轮廓近似于椭圆，工作面具有球形形状b)在扩大巷道断面时，钻孔应布置在裂隙发育区范围内，以使岩体的脱离不会引起潜能的大量释放■中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第8页8.1打眼爆破方法沿突出危险砂岩掘进巷道8.1.2打眼爆破作业参数■在塔式工作面形状条件下沿突出危险砂岩掘进的准备巷道工作面的爆破作业第一阶段：引爆巷道周边（扩巷）的做空炸药第二阶段：根据岩石的突出危险程度，引爆12~18个掏槽和辅助钻孔（图8.2）中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院8.1打眼爆破方法沿突出危险砂岩掘进巷道第8章第9页不同工作面的钻孔设置方式超前工作面：断面应为掘进巷道断面的1/3左右，第2工作面（扩巷）工作面滞后超前工作面的距离应比钻孔深度大1~2m。滞后工作面：钻孔应单排布置，距超前工作面的周边不大于0.6m，如果单排钻孔不足以将巷道扩大到设计尺寸，之后工作面钻孔炸药的爆炸可分几次进行，并遵守钻孔布置要求在突出危险性严重的区带，建议在超前工作面施工的钻孔不超过12个，掏槽眼沿椭圆周边布置在低和中等突出危险性程度的区带，超前工作面的钻孔布置并非必须沿椭圆周边，钻孔可为18个中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第10页8.1打眼爆破方法沿突出危险砂岩掘进巷道在突出危险性严重区带，仅改变打眼爆破作业参数，不可避免大型突出。为此，研究、试验推荐了打眼爆破作业参数优化方案与阻拦绳墙配合使用。钢筋混凝土支架的阻拦绳墙，如图8.3设计断面巷道（扩巷工作面）滞后与超前工作面距离的依据：在滞后工作面落后超前工作面的距离为2倍的巷道直径（设计断面最大直线尺寸）时，滞后工作面对超前工作面的应力状态几乎没有影响设计断面的巷道滞后于超前工作面的距离按照下式确定：■2LDlkшпш中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第11页8.1打眼爆破方法沿突出危险砂岩掘进巷道8.1.3沿突出危险砂岩巷道掘进工艺针对砂岩突出危险性严重区带而推荐的架设拦绳墙的打眼爆破作业参数的最佳值，要求两道工序①架设拦绳墙②突出之后拆除：进行爆破作业后发生岩石和瓦斯突出，工作面和拦绳墙之间的区段巷道充满破坏的岩石，拦绳绷紧。用装载机清理拦绳墙前的岩石，同时由于巷道底板到拦绳墙最下部的距离为1~1.2m，来自拦绳墙内的岩石也被清理掉■中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第12页8.1打眼爆破方法沿突出危险砂岩掘进巷道8.1.4切割卸压缝沿突出危险砂岩掘进巷道采用卸压缝防突措施，其实质如下：除了巷道底板，沿巷道轮廓形成卸压缝，然后用打眼爆破方法崩落由卸压缝圈定的岩体，此时只能破坏由卸压缝限定的岩体部分，卸压缝之外非卸压岩体的破坏将导致岩石和瓦斯突出为保证岩体卸压，卸压缝应是连续的。卸压缝的主要参数（图8.4）：a)卸压缝的宽度ab)卸压缝深度c)长度Bd)卸压缝最小超前距■ll△中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第13页8.1打眼爆破方法沿突出危险砂岩掘进巷道卸压缝B的确定：应使掘进准备巷道时突出危险矿山岩体的采落面积（巷道断面）位于卸压缝周围的卸压带和排放瓦斯的范围内（图8.5）(8.5）采用沿巷道周边卸压缝的方法掘进巷道，提高了巷道的稳定性，可将承重等级的支架转变为防护等级，降低了架设支架的费用在形成卸压缝沿突出危险砂岩掘进巷道时，支架作为支架结构失去作用，在这种情况下其作用变为隔离和预防工人免遭个别岩块可能冒落的伤害■1.380.0030.65Bl0.93r中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第14页8.2掘进机沿突出危险岩层掘进巷道旋转型掘进机沿突出危险砂岩掘进巷道时，通过使巷道具有圆形断面、工作面为半球形状，调节岩石破坏状态和降低巷道周边应力，这样能减小岩体弹性恢复变形速度，达到防治突出的目的。掘进机掘进巷道的工艺参数如下：a)沿突出危险性严重的岩层，巷道掘进速度应不超过0.5m/h，中等危险煤层1m/hb)掘进机工作机构形状为半球形巷道掘进的机械化方法优点：a)提高巷道的稳定性b)降低掘进成本c)实现机械化d)防治岩石和瓦斯突出■中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第15页8.2掘进机沿突出危险岩层掘进巷道8.2.1准备巷道掘进时矿山压力控制利用的方法参数从安全的角度规定掘进参数细则和确定它们的数值，在工作面监测岩石的自我破坏来控制利用矿山压力工作面的形状和巷道断面是描述巷道在掘进和生产过程中稳定性的参数利用量纲理论原理，确定准备巷道掘进的工艺参数—安全掘进速度主要影响因素：岩体中的作用应力γH，岩石的单向抗压强度R，用弹性模量E表示的岩弹性性能，岩石的突出危险程度，在工作面破坏岩石的深度h和岩石破坏带形成时间经验解析关系：(8.6)在表8.1中列出了对于采深H=800～1500m、岩石硬度f=8～15时的安全掘进速度■ttan()bRrhH中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第16页8.2掘进机沿突出危险岩层掘进巷道8.2.2沿突出危险岩层掘进机掘进巷道工艺工艺包括工艺设备和其计算好的指标、设备装置布置图和工艺状态监测方法（图8.6和图8.7）砂岩突出危险性预测方法的基础：在掘进机工作机构破岩过程中，对在工作面附近岩体中激发的信号观察其振幅变化情况根据试验研究结果表明，在岩石破坏带中形成的声学信号其参数由工作面附近砂岩性质和状态决定，几乎不取决于砂岩岩层的波导性质声学信号特征主要取决于岩体的应力状态，而矿山的应力状态是砂岩突出危险性的主要因素研究表明，可靠的信息识别标志是指标KП(预测准则）：■200030020001300iiHiAfAfiAfHnAfHiKKKп中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第17页8.2掘进机沿突出危险岩层掘进巷道矿井试验确定了岩层突出危险性声学预测准则的定量如下：当KП1时，岩体处于危险状态当1≤KП2时，砂岩处于中等突出危险状态当KП≥2时，砂岩处于严重突出危险状态发出工作面附近的砂岩状态结论的时间间隔是一个重要参数，其由工作机构的破岩循环决定，根据下列关系式导出：(8.8)■./()otHhyп中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第18页8.2掘进机沿突出危险岩层掘进巷道■勘探观测声学观测（1）沿巷道轴向打一个岩芯勘探钻孔（2）利用掘进机在已勘探的岩体区域进行巷道掘进（3）掘进机没工作5min，读出声学信号的读数，确定安全带振幅比值（4）检验区段声学预测准则数量值（1）在预测区段掘进机每工作5min，测量声学信号在2000hz和300hz的振幅日常值（2）确定预测区段振幅日常值的比值（3）确定砂岩突出危险性声学预测准则的日常数值（4）根绝预测结果确定掘进速度中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第19页8.2掘进机沿突出危险岩层掘进巷道8.2.3沿突出危险岩层掘进巷道的掘进机为沿坚硬岩层掘进巷道，可以采用国外公司生产的打钻作用掘进机在德国煤矿打钻作用的掘进机的应用结果，如表8.2所示旋转型掘进机和综合掘进机的技术性能如表8.3所示国外旋转型掘进机的技术性能如表8.4所示8.2.4应用范围岩石和瓦斯突出防治的爆破方法和其实现的工艺方案可以在矿井中应用，在突出危险岩层中进行准备作业旋转型掘进机和综合掘进机的应用范围——巷长度1km以上，由掘进机技术性能决定的掘进机转弯时的曲线半径较小■中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第20页图8.2掏槽和辅助站钻孔布置示意图返回中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院第8章第21页图8.3钢筋混凝土支架的阻拦绳墙结构返回中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院图8.4在突出危险砂岩中沿巷道周边卸压缝1布置示意图返回第8章第22页中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院图8.5在突出危险砂岩中平面卸压缝布置示意图返回第8章第23页中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院表8.1沿突出危险砂岩巷道掘进的安全速度返回第8章第24页中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院图8.6沿突出危险岩层水平巷道掘进工艺系统图返回第8