井巷工程第九章特殊條件下的巷道施工

2023/1/161第九章特殊條件下的巷道施工第一節軟巖巷道施工第二節揭開煤與瓦斯突出煤層的施工方法

2023/1/162第一節松軟巖層巷道施工一、軟巖概念地質軟巖：四種屬性：松、散、軟、弱。“松”，指巖石結構疏松、密度小，孔隙度大；“散”，則指巖石膠結程度很差或指未膠結的顆粒狀；“軟”，指巖石強度很低，塑性大或粘土礦物質易膨脹；“弱”，則指受地質構造的破壞，形成許多弱面，如節理、片埋、裂隙等破壞了原有的巖體強度，易破碎，易滑移冒落的不穩定。強度軟巖：國際巖石力學協會，“25MPa”。工程軟巖：何滿潮教授，1993。2023/1/1632023/1/164二、軟巖巷道圍巖變形和壓力特征1．軟巖巷道圍巖變形特征⑴圍巖變形有明顯的時間效應。

⑵圍巖變形具有明顯的空間效應。

⑶軟巖巷道不僅頂板下沉量大和容易冒落，而且底板也強烈鼓起，并常拌有兩幫劇烈位移。

⑷圍巖變形對應力擾動和環境變化非常敏感。

此外，軟巖巷道的自穩時間短。

2023/1/1652023/1/1662．巷道圍巖變形量的構成

圖10-1軟巖巷道圍巖變形量的組成圍巖變形量組成：⑴掘巷引起的圍巖變形量；⑵圍巖流變引起的變形量；⑶巷道受各種擾動引起的變形量。U0—掘巷引起的變形；v0t0—巷道流變量；∑ui—擾動和浸水引起的變形量。2023/1/1673．影響軟巖巷道圍巖的自穩能力的因素

⑴巷道的形狀和尺寸；⑵地應力；⑶巖體的殘余強度；⑷施工工藝；⑸水的影響。2023/1/168㈠合理選擇巷道位置

㈡巷道斷面形狀的選擇㈢破巖方式的選擇軟巖巷道治理㈣支護方式和支護結構的選擇㈥軟巖巷道的聯合支護㈦巷道底板的管理

㈧重視圍巖的量測監控

㈨借鑒新奧法指導軟巖巷道施工2023/1/169㈠合理選擇巷道位置

1．巖石性質

2．支承壓力的影響

（1）避開支承移動壓力的影響；（2）避開采場上下固定支承壓力的影響；（3）布置在應力降低區或原巖應力區內。如圖10-2所示。

2023/1/1610㈠合理選擇巷道位置

3．巷道走向與最大地應力方向的關系；與斷層破碎帶的關系。4．避免巷道空間上的重疊、密集交叉。㈡巷道斷面形狀的選擇㈢破巖方式的選擇湖南湘永煤礦-360運輸大巷，圖10.2光面爆破，機械破巖。2023/1/1611㈣支護方式和支護結構的選擇支護結構：“先柔后剛”，兩次支護。

初始支護應按照圍巖與支架共同作用的原理，選用剛度適宜、具有一定柔性或可縮性支架。它既允許圍巖產生一定量的變形移動，以發揮圍巖自承能力，同時又能限制圍巖發生過大的變形移動。可以采用錨噴支護、U形金屬可縮性支架等。

二次支護的作用在于進一步提高巷道的穩定性和安全性，應采用剛度較大的支護結構。可采用錨噴支護，砌碹。在噴射混凝土中還應增加鋼筋網和金屬骨架，即構成錨噴網金屬骨架聯合支護結構。

2023/1/1612采用料石或混凝土塊砌碹作為二次支護時，應選用異形料石或異形混凝土塊作為砌體材料，圖10-3是舒蘭設計采用的異形混凝土塊碹；圖10-4是前屯煤礦使用的異形料石圓碹。2023/1/16132023/1/1614

采用料石和混凝上塊砌碹，只要提高施工質量，調整砌塊的規格，保證壁后充填密實，或在砌塊之間加入可縮性木板，均能大大提高碹體的支護效果。

在蘇聯、比利時等國支護軟巖巷道，尤其是采深較大的巷道，常采用預制混凝土塊支護，并向大型鋼筋混凝土塊發展，用吊裝機械安裝。近年來我國少數煤礦，如沈陽礦務局大橋煤礦也已開始使用這種鋼筋混凝土塊來支護軟巖巷道并取得了一定的效果。

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二次支護應在圍巖地壓得到釋放、初始支護與圍巖組成的支護系統基本穩定之后進行。為了保證二次支護的效果，最好進行圍巖位移速度和位移量的量測，并繪出相應的變化曲線，如圖10-5所示。2023/1/1616㈥軟巖巷道的聯合支護1．錨噴和U形鋼聯合支護2．錨噴和砌碹聯合支護3．錨噴和弧板聯合支護㈦巷道底板的管理

1．巷道底鼓的類型和機理⑴擠壓流動性底鼓⑵撓曲褶皺性底鼓

⑶剪切錯動性底鼓

⑷遇水膨脹性底鼓2023/1/16172023/1/16182．底鼓的防治防治底鼓的方法或措施有：①保持底板干燥無水，防止膨脹性底鼓；②安設底拱(澆筑或砌筑)；③底板注漿加固；④錨桿加固；⑤底板鉆孔卸壓或卸壓槽卸壓；⑥底板松動爆破卸壓；⑦底板先松動爆破，后注漿加固等。2023/1/1619

㈧重視圍巖的量測監控

在松軟巖層巷道采用錨噴支護，一定要配合進行量測監控：1）可用收斂計量測巷道的收斂變形，亦可用水準儀測量頂板下沉量和底鼓量；2）可用各種多點式位移計量測巖層內不同深度的位移，從而可以算出位移速度。通過這些量測數據，有助于評價圍巖的穩定程度，可以論證各設計參數是否合理和錨噴效果，也是修改設計和確定二次支護時間的依據，3）錨桿的錨固力可用中空千斤頂式的錨桿拉力計來量測；4）錨桿的應力狀態可用專門設計的空心“錨桿”(它的構造是聚氯乙烯塑料管內壁用101號膠粘貼電阻片)來測定，以檢驗錨桿不同深度處的受力狀態，從而能推知圍巖內應力重新分布的情況，進而可調整錨桿的設計參數。5）對于大斷面的重要工程還要進行接觸應力和噴層內切向應力的量測，可采用電阻應變磚和鋼弦壓力盒等測試元件。根據測量結果，可以了解噴層的受力狀態，有助于設計噴射混凝土的厚度。6）地應力特別大的礦區，還應量測構造應力場，這對巷道合理布置，減輕地應力對巷道支護的破壞影響具有重要意義。2023/1/1620㈨借鑒新奧法指導軟巖巷道施工

新奧法是1964年由奧地利L·V·Labcewicz教授根據本國多年隧道施工經驗總結發表的，稱為“新奧地利隧道施工法”(NewAustrianTunnelingMethod)，簡稱“新奧法”(NATM)。新奧法是隧道施工科學方法的總結，主要針對軟巖隧道施工，重點在支護方面。但新奧法又不是單純的支架結構改革或支護方法的改進，而一套綜合的隧道施工方法，更確切地說是一套適用在斷面為50~150m2的隧道及大斷面地下工程設計、掘進、襯砌及量測監控相結合的完整的隧道科學施工新概念。

新奧法的思想核心基于巖石力學圍巖支架共同作用原理，其主要意圖是調動圍巖自承載能力，使得圍巖與支架共同作用，控制圍巖變形破壞，以達到最大安全度和最好經濟效果。2023/1/1621新奧法的基本觀點：—隧道支護必須遵循“支架與圍巖共同作用”這一基本原理，以調動圍巖的自承載能力，盡可能地控制圍巖變形防止圍巖松動，從而達到隧道施工的最大安全度和最佳技術經濟效益。新奧法三要素：——噴射混凝土、錨桿支護、量測監測。新奧法認為噴射混凝土最能緊貼圍巖，充分利用圍巖自身強度。噴層開裂并非壞事，而是表現出一定的讓壓性，必要時第一次支護加用錨桿或少量鋼拱支架；根據實測資料及理論分析，合理地選用和設計第二次支護的材料、結構型式及規格尺寸。2023/1/16222023/1/1623新奧法維護軟巖巷道的要點：一次支護應采用最能密貼圍巖的噴射混凝土支護，必要時加用錨桿或少量鋼拱支架。①一次支護要及時，否則圍巖先行破壞，不能實現“支架與圍巖”共同作用；②一次支護要密貼圍巖，這是因為巖石為脆性材料，其極限變形量很小，普通支架由于不能密貼圍巖，可能導致圍巖和支架被各個擊破，無法實現共同承載作用；③

一次支護要有適當的柔性，以適當釋放壓力，避免破壞支護結構(噴層可能開裂，這不一定是壞事，而是錨噴支護具有一定的“讓壓”性能的表現)；④

一次支護后要對圍巖變形進行監測，以便確定二次支護的時機及支護形式與支護結構。2023/1/1624二次支護剛度要足夠大，時機要成熟，同時要注意封底的作用。

①

二次支護結構應具有足夠的剛度，以對抗圍巖殘余變形，保證設計斷面要求；②二次支護要等圍巖位移速度穩定或減緩至一定程度時進行，做到“適時支護”；③巷道頂幫支護后底板可能成為薄弱環節，圍巖是一個整體，底板不穩易導致頂板失穩，故必須重視底板，必要時要對底板進行加固；④二次支護后，仍然要繼續對圍巖變形情況進行監測，必要時應及時調整支護參數或支護結構，或進行補強加固。2023/1/1625三、松軟巖層巷道施工實例㈠北皂煤礦軟巖巷道施工方法1.地質概況北皂煤礦位于山東龍口礦區黃縣煤田的西北部。含煤地層屬于下第三紀，煤系地區主要巖石有：炭質泥巖、油頁巖、含油泥巖、砂質頁巖及粘土巖等。巖石的強度都很低，普氏系數f=0.6～2.8。煤1頂板炭質泥巖、煤2頂板含油泥巖及煤3底板粘土巖，均含有粘土質礦物—蒙脫石，開巷后易風化脫水，再遇水就產生膨脹。含油泥巖，蒙脫石含量多，而且層厚大，開巷后膨脹壓力大。炭質泥巖和粘土巖雖含有蒙脫石，但因強度略大，厚度略小，故膨脹壓力顯現也較小。2023/1/1626三、松軟巖層巷道施工實例㈠北皂煤礦軟巖巷道施工方法2.施工方法棚式支架和料石砌碹錨噴支護+光爆（較穩定巖層）。泥巖和粘土巖小斷面：錨噴網（4mm）；大斷面：錨噴+鋼筋網（12mm鋼筋）。炭質泥巖和含油泥巖—錨噴網架聯合支護；開心炮+風鎬掘進。錨桿2.0m+鋼筋網+初噴；槽鋼鋼架，間距0.5m，復噴。二次支護，修復破損支護，噴射混凝土。底鼓料石砌筑底拱，和二次支護一起施工。2023/1/1627錨噴網架聯合支架。2023/1/1628㈡舒蘭礦區松巖層巷道施工吉林舒蘭礦區為第三紀中新統含煤地層。構成含煤地層的巖石均為松軟巖石，以未膠結的疏松含水砂巖為主，其次為半膠結的粉砂巖、半堅硬的砂頁巖以及粘土質頁巖。其中半膠結和未膠結的砂巖，質地疏松，開挖后易潰散；未膠結的粉砂巖遇水后呈片狀崩解；粘土質頁巖具有塑性膨脹的特點。同時隨著開采深度的增加，地壓有明顯的增大。在遇水膨脹的圍巖中，底鼓現象也很嚴重，一般巷道底鼓速度為60～l00mm/月。采場動壓對相鄰巷道的影響也很嚴重，動壓波及范圍遠大于一般礦井，片盤斜井一側的保護煤柱寬達60～70m，仍能受到采動壓力的影響。2023/1/1629⑴暗斜井井筒斷面選用曲墻、半圓拱加底拱，形成近似圓形斷面，如圖10-9所示。

2023/1/1630⑵“條帶碹”代替常用的料石碹。

2023/1/1631㈢沈北前屯煤礦軟巖巷道施工遼寧沈北前屯煤礦煤層頂板為厚80的黑灰色泥質頁巖，底板為40～100m的粘土頁巖和亞粘土質頁巖，含有蒙脫石和伊利石。風干脫水后再遇到水的作用時，均產生膨脹和崩解現象，當含水率增大時，其力學強度降低，塑性增大，最后變為流動狀態。巷道開掘后，圍巖向巷道空間大量移動，如不采用封閉支架，巷道頂板一直不停的冒落，甚至波及地表，難以形成較穩定的平衡狀態。2023/1/1632采用木板砌縫的花崗巖料石碹，以柔剛結合的支架結構形式來適應較大的變形地壓；采用風鎬法掘進，防止圍巖受到震動而失穩；及時排除巷道中的積水，減少巖石遇水膨脹的程度；合理選擇巷道位置，減少支承壓力的影響。2023/1/1633

㈣金川二礦區松散圍巖巷道施工甘肅金川礦區為震旦系古老結晶變質巖系，歷次造造運動給本區留下了以斷裂為主的構造形跡，大小斷層裂隙縱橫交錯，整體性差，地應力大，開掘后呈現嚴重松散和內向擠壓，圍巖變形量大，具有明顯的流變性，給巷道維護帶來極大的困難，嚴重地影響礦區建設速度。

巷道支護由初始支護和二次支護組成。初始支護采用鋼筋網噴射混凝土和錨桿，

初始支護后，巷道變形仍處于等速發展時，應考慮用錨桿補補墻，調整初始支護參數。當變形速度處于明顯減小或月收斂量為幾毫米時，再進行二次支護比較合適。在金川的地質條件下，二次支護的時間大約在120天以后。2023/1/16342023/1/1635第二節揭開煤與瓦斯突出煤層的施工方法一、煤和瓦斯突出概述

煤和瓦斯突出是在煤礦井下采掘過程中發生的一種煤和瓦斯的突然運動，它是一種極復雜的動力現象，即在極短的時間內，由煤體向巷道中突然噴出大量的煤和瓦斯。煤和瓦斯突出的原因：地壓構造應力和礦山壓力，瓦斯含量及瓦斯壓力，巖石及煤的物理力學性質。

我國煤和瓦斯突出煤層具有下列特征：煤和瓦斯突出往往發生在地質變化比較劇烈、地應力較大的地區，例如褶曲向、背斜的軸部和斷層破碎帶；煤質松軟，干燥且瓦斯含量多、壓力高就容易突出：開采深度愈大，煤層愈厚，傾角愈大，突出的次數就愈多，強度愈大，煤體受到外力震動，沖擊時，也容易發生突出。2023/1/1636二、石門揭開突出煤層的施工方法預防煤和瓦斯突出的措施可分兩大類，即區域性預防措施和局部性預防措施。區域性預防措施主要是開采解放層。

《煤礦安全規程》規定：石門的位置應盡量避免選擇在地質變化區，掘進工作面距煤層10m以外時，至少打兩個穿透煤層全厚的鉆孔以便確切掌握煤層賦存條件和瓦斯情況，掘進工作面距煤層5m以外，應測定煤層的瓦斯壓力；掘進工作面距煤層之間必須保持一定的巖柱，急傾斜煤層為2m，緩傾斜及傾斜煤層為1.5m。2023/1/1637

㈠震動放炮震動放炮的實質就是在掘進工作面上多打眼、多裝藥，全斷面一次爆破，揭開煤層，并且利用放炮所產生的強裂震動，在人員撤離到安全地點的條件下，來誘導煤和瓦斯突出，以保證作業的安全。

為了給炸開巖柱揭開煤層創造條件，在石門接近安全巖柱以后，盡量把工作面刷成和煤層傾角相近的斜面或臺階，如圖10-12所示。

2023/1/1638石門揭煤震動放炮的炮眼布置方法一般是；

1．炮眼個數較一般爆破的炮眼數約多2倍。

2．煤眼和巖眼要交錯相間排列，順序爆破。

3．總炮跟中煤眼和巖眼的比例大致為l：2。

4．炮眼的密度，巷道頂部小于底部，周邊眼大于中部。

5．透煤炮眼深度應超過巖柱，如煤層相當厚,可進入煤層2～3m。

6．石門周邊眼應適當密一些，以保證爆破后石門周邊輪廓整齊，避免在修整石門周邊時發生突出。

7．巖眼眼底應距煤層100～200mm，不應透煤，如已透煤，則應停止鉆進，并在眼底填塞100～200mm長的炮泥。

2023/1/1639圖10-13為急傾斜巖層中一次穿透巖柱及煤層的炮眼布置圖示例。

震動放炮的炮眼數目，可根據經驗確定，也可按北票礦務局總結的經驗公式進行估算：

0.2m0.2m0.2m0.2m2023/1/1640采用震動放炮應注意的幾個問題：

1．震動放炮必須所有炮眼一次起爆，炸開石門的全斷面巖柱和煤層的全厚。

2．當發現工作面的巖層特別破碎，有突出預兆，應立即停止作業，人員撤離至安全地區。

3．當煤層的厚度在lm以下時，必須全部隨巖柱一次崩開；當煤層水平厚度在lm以上時，應至少有有lm的煤層隨巖柱揭出。4．在緩斜，傾斜煤層中沿底板或頂板揭煤時，可能巖柱一次沒有全部揭開，留有“門坎”或“門簾”，時，要特別小心，2023/1/1641

5．每次震動放炮都應對作詳細記錄，以便總結經驗和分析。

6．震動放炮只準使用帶食鹽被筒的煤礦安全炸藥，雷管事先要嚴格檢查和分組。

7．《煤礦安全規程》規定：石門揭開突出危險的煤層時，掘進工作面必須有獨立的回風系統，8．為了限制突出規模，人為地降低突出強度，可在距工作面4～5m的地方構筑木垛或金屬柵欄。9．人員撤離范圍，應根據突出的危險程度和通風系統給以規定。

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㈡金屬骨架金屬骨架是用于石門揭穿煤層的一種超前支架，其施工方法如圖10-14所示。當石門掘進距離煤層2m時，停止掘進，在其頂部和兩幫上打一排或兩排直徑為70～l00mm、彼此相距200～300mm的鉆孔。鉆孔鉆透煤層并穿入頂板巖層300～500㎜，孔內插入直徑為50～70mm的鋼管或鋼軌。鋼管或鋼軌的尾部固定在用錨桿支撐的鋼軌環上，也可固定在其它專門支架上，然后一次揭開煤層。

用金屬骨架時，一般配合震動放炮，一次揭開煤層。金屬骨架應用于地壓和瓦斯壓力不太大的急傾斜薄煤厚和中厚煤層，其效果是比較好的；在傾斜厚煤層中，因骨架長度過大，易于撓曲，不能有效地阻止煤體的位移，所以預防突出能力較差。2023/1/16432023/1/1644

㈢鉆孔排放鉆孔排放就是石門工作面掘到距煤層適當距離停止掘進，向煤層打適當數量的排放瓦斯鉆孔，在一定范圍內形成卸壓帶，降低煤體中的瓦斯壓力，緩和煤體應力，以防止煤和瓦斯突出。這一方法適用于煤層松軟透氣性較大的中厚煤層。

排放鉆孔數目可按下式計算：

式中N——石門全斷面排放瓦斯鉆孔的總數，個；

K——系數，一般取1.2；

S1——應排放瓦斯的面積m２（石門周圍1.5m范圍內）；

S2——一個鉆孔可排放瓦斯面積，m2。2023/1/1645圖10-15天府煤礦排放瓦斯鉆孔布置圖0號孔-測壓孔；1～25號孔-排放瓦斯孔2023/1/1646

㈣水力沖孔水力沖孔是在石門巖柱未揭開之前，利用巖柱作安全屏障，向突出煤層打鉆，并利用射入的高壓水，誘導煤和瓦斯從排煤管中進行小突出，這樣在煤體內部就引起強烈地移動，在孔洞周圍形成卸壓帶，解除了煤體壓力緊張狀態，從而消除了煤和瓦斯突出的危險。這種方法用于揭開具有自噴現象的軟煤層，比較安全可靠。水力沖孔工藝流程見圖10-16所示。

2023/1/16472023/1/1648三、沿突出煤層掘進平巷的技術措施㈠震動放炮和松動爆破對于煤質較堅硬、透氣性較差、頂板良好的煤層，其突出的原因主要是地壓的作用，掘進時，可以采用震動放炮措施。震動放炮炮眼深度一般為2.5～3.0m，炮眼裝藥量控制在每米炮眼不超過0.5kg，為了提高爆破效果，應采用延期總時間不超過130ms的毫秒雷管起爆。震動放炮在急傾斜薄煤層和緩傾斜中厚煤層的炮眼布置見圖10-17所示。2023/1/16492023/1/1650

煤層松動爆破的做法是在震動放炮的基礎上，在煤體深部的應力集中帶內，布置幾個長炮眼進行爆破，其目的在于利用炸藥爆炸能量破壞煤體前方的應力集中帶，以便在工作面前方造成較長的卸壓帶，以預防突出的發生。此外深孔炸藥的爆破還可以在炮眼周圍形成破碎圈和松動圈，如圖10-18所示，這有利于緩和煤體應力和排放瓦斯，對防止突出也是有利的。煤礦安全規程》規定，采用松動爆破時，超前于掘進工作面的距離不得小于5m。2023/1/1651

㈡超前支架超前支架多用于有突出危險的急傾斜煤層和緩傾斜厚煤層的煤巷掘進。在工作面前方巷道頂部事先打上一排超前支架，如圖10-19所示。在掘進道程中使支架的最小超前距離保持1.0～1.5m，掘進工作始終在超前支架保護下進行