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1、岩巷快速施工技术及巷道事故 能源科学与工程学院郜进海博士 巷道快速施工技术 一 爆炸理论二 施工工艺三 施工组织 一 爆炸理论 一 爆炸现象与炸药由于物质内部急骤的物理 化学及原子核变化 瞬间释放出大量能量 造成对周围介质作功的现象称为爆炸 一般伴有声 光等现象 炸药是能产生化学爆炸的物质 雷管是引爆炸药的工具 一 爆炸理论 二 雷管结构 雷管参数 雷管全电阻最大安全电流最小发火电流发火冲能 炸药化学变化的三种形式 缓慢分解燃烧爆轰 炸药爆炸三要素 放出大量热 生成大量气体 化学反应高速进行 炸药的组成主要成分C H O N 氧气过剩可能形成NO有毒气体正氧平衡氧气不足形成CO同样是有毒气体负
2、氧平衡零氧平衡 三 矿用炸药硝铵类炸药以硝酸铵为主要成分的混合炸药 分子式NH4NO3 代号AN 硝铵类混合炸药是以硝酸铵为主要成分的混合炸药 它具有反应完全 爆炸后生成气体量大 原料来源广泛 制作工艺简单 可靠 成本低炸药性能较好 安全稳定等特点 主要品种有 铵梯炸药 浆状炸药 水胶炸药 乳化油炸药等 炸药猛度 爆力 敏感度 四 电爆网路 串联 并联 串并联 并簇联等 五 岩石爆破理论 自由面 岩石与空气的交接面 最小抵抗线 药包到自由面的垂直距离爆炸作用指数 漏斗坑半径与漏斗深度的比值 炮眼利用率 实际爆破的岩石深度与炮眼深度的比值 当n 0 75时 为松动漏斗 松动爆破 煤岩体只能松动破
3、碎 不能抛掷 当0 75 n 1时 为弱抛掷漏斗 弱抛掷爆破 破碎的煤岩块抛掷在自由面附近 当n 1时 为标准抛掷漏斗 标准抛掷爆破 破碎的煤岩块抛离自由面约3 5m 当1 n 3时 为强抛掷漏斗 强抛掷爆破 破碎的煤岩块抛离自由面可达数十米 柱状装药的爆破特点 自由面的影响 光面爆破通过合理选择各种参数 严格控制装药量 科学布置各种炮眼 按照一定的顺序起爆装药 在隧道及地下工程掘进爆破后断面成形规整 表面光滑 这种人为控制的爆破方法就叫光面爆破 光面爆破的优点 巷道成形规整 光滑 接近于设计轮廓线的要求 受力性能好 应力分布均匀 有利于围岩稳定 自身支承力强 可提高防护能力 对井巷围岩的炮震
4、扰动范围明显减小 可与喷射砼支护配合使用 减小巷道的掘进断面 节约材料 降低工程造价 光面爆破的质量标准 围岩面上留下均匀眼痕的周边眼数应不少于其总数的50 超挖尺寸不得大于150mm 欠挖不超过质量标准规定 围岩面上不应有明显的炮震裂缝 光面爆破形成机理 应力波干涉假说自由面假说岩块碰撞假说残余应力假说 巷道掘进中钻眼爆破工作要做到以下几点 爆破后所形成的巷道断面应符合设计要求和 井巷工程施工及验收规范 的标准 巷道的方向与坡度均应符合设计规定 光面爆破要求巷道超挖不得大于150mm 欠挖不得超过质量标准规定 爆破的岩石块度应有利于提高装岩生产率 一般不大于300mm 有时还要求岩石堆积状况
5、便于组织装运 便于钻眼与装岩平行作业 对巷道围岩的震动和破坏小 以利于巷道的维护 爆破单位体积岩石所需炸药和雷管的消耗量要低 钻眼工作量小 炮眼利用率要达85 以上 为了获得良好的爆破效果 必须正确地布置工作面炮眼 合理确定爆破参数 选用适宜的炸药和改进爆破技术 二 岩巷施工工艺 掏槽爆破 斜眼掏槽直眼掏槽混合掏槽 斜眼掏槽 单向掏槽楔形掏槽锥形掏槽优点是适用于各种岩层 可充分利用自由面 掏槽范围大 适用于断面较大的巷道 缺点是掏槽深度较小 受巷道宽度的限制 碎石抛掷距离较远 易损伤设备和支护 易出现大块岩石 循环进度小 直眼掏槽 直线掏槽 角柱状掏槽 又可分为三种形式 三角柱状掏槽菱形掏槽五
6、星掏槽螺旋掏槽 混合掏槽 复式掏槽 主掏槽是直眼掏槽 斜眼掏槽扩大槽腔 周边眼炮眼间距300 600mm 光面爆破时装药量按下列要求布置 软岩 70 120g m 中硬岩 100 180g m 硬岩 150 250g m 装药结构 不耦合装药 单段空气柱装药 空气柱间隔装药 炮眼布置原则 工作面上各类炮眼布置是 抓两头 带中间 即首先选择掏槽方式和掏槽眼位置 其次是布置好周边眼 最后根据断面大小布置崩落眼 掏槽眼通常布置在断面的中央偏下 并考虑使崩落眼的布置较为均匀和减少崩坏支护及其他设施的可能性 周边眼一般布置在巷道断面轮廓线上 顶眼和帮眼按光面爆破要求 各炮眼相互平行 眼底落在同一平面上
7、崩落眼均匀地布置在掏槽眼和周边眼之间 以掏槽眼形成的槽腔为自由面层层布置 目前国内应用的几种装岩作业线 气腿式凿岩机打眼 耙斗装岩机装岩 矿车运输 固定或活动错车场调车 气腿式凿岩机打眼 铲斗后卸式装岩机装岩 矿车运输 固定或活动错车场调车 气腿式凿岩机打眼 铲斗侧卸式装岩机装岩 矿车运输 固定或活动错车场调车 液压凿岩台车打眼 铲斗侧卸式装岩机装岩 矿车运输 固定或活动错车场调车 液压凿岩台车打眼 蟹爪式装岩机装岩 胶带转载机转载 矿车运输 固定或活动错车场调车 液压凿岩台车打眼 蟹爪式装岩机装岩 梭式矿车运输 常用的几种装岩机 耙斗式装岩机铲斗式装岩机后卸式 侧卸式蟹爪式立爪式蟹爪立爪式等
8、 常用的几种调车方法 固定错车场调车法活动错车场调车法浮放道岔翻框式调车器风动调车器气动调车盘利用专用转载设备 双向菱形浮放道岔单轨浮放双轨道岔对称浮放道岔 提高装岩生产率的途径 积极推广和研究装岩 运输机械化作业线 不断提高装岩机工时利用率 缩短循环中的装岩时间 积极选用和研制高效能的装岩机 根据断面大小选用合适的装岩机 做好爆破工作 为提高装岩效率创造条件 发展一机多用设备 以平行作业方式缩短循环时间 加强装岩调车的组织和管理工作 大断面岩巷高效快速施工综合技术与工艺研究 大断面岩巷高效快速施工综合技术与工艺研究 采用中深孔光面爆破技术 炮眼深度为2 5m 炮眼利用率实际为0 87 使巷道
9、的成巷速度在2006年9 10和11月份分别达到了134m 153m和158m 连续三个月超过了项目要求的指标 比原来的掘进速度 原来的平均月进度为90m 分别提高了48 9 70 和75 6 达到了预想目的 三 施工组织 正规循环作业工作制度采用四八混合作业制度 每天三班掘进 一班喷射砼支护打眼与装岩的平行支护与装岩的平行等 工业工程理论工作研究 该理论是工程体系中最重要的基础技术 以提高生产率和整体效益为目的 利用方法研究和作业测定 工作衡量 两大技术 分析影响工作效率的各种因素 帮助企业挖潜 革新 消除人力 物力 财力和时间方面的浪费 减轻劳动强度 合理安排作业 用新的工作方法来代替现行
10、的方法 并制定该项工作所需要的标准时间 从而提高劳动生产率和经济效益的一门现代化的科学管理技术 基于此思想 应对巷道施工中的各工序进行时间测定 确定该工序标准作业时间 作业时应对工作面炮眼进行分区 以便凿岩台车的每台钻机负责一定区域的打眼任务 将巷道按中线分成两部分 测定每一个炮眼的钻眼时间及每台钻机所负责的所有炮眼的钻眼时间 从而确定出工作面钻眼的时间 测定侧卸式装岩机完成一个装车循环所需时间 按每个循环所爆破的矸石量计算装岩时间 其它工序则在工作时间内或平行作业或顺序作业 施工作业分区 四 巷道支护理论 由于巷道开挖及煤体回采的影响 引起周围岩层中出现应力重分布 其结果导致应力在岩体中出现
11、了局部高应力区 它直接影响着巷道支护方案的选择 随着煤炭的不断开采 浅部 易开采的煤层已所剩无几 目前我国主要产煤矿区中 除神府煤田及山西的个别矿区外 大部分地区均已开采深部煤层或地质条件较复杂 地应力较大 较难以开采的煤层 这样就给井下巷道维护带来更高的要求 传统的巷道支护如棚式支护 砌碹支护等方式已不能满足煤炭安全生产的要求 巷道围岩应力场的各种形式 一 目前常用的支护方式 由于巷道的开挖形成空洞 破坏了原岩体中的原有的应力状态 巷道周边由原来的三向应力状态变成了两向应力状态 从而出现了应力重分布与应力集中现象 这二者导致了在岩体中分别出现了较大的剪应力和拉应力的出现 并使岩体向巷道内移动
12、 若不进行及时的支护 巷道会产生严重变形 影响到其使用功能 更为严重的是由于岩体中构造复杂 节理裂隙发育 当变形量达到一定程度后就会产生冒顶片帮等事故 严重影响着煤矿的安全生产 目前巷道支护方式主要有 1 棚式支架 木支护 混凝土支架 金属支架等 其中金属支架又有普通金属支架及可缩性金属支架 这类支护方式主要用于矩形及梯形巷道 2 砌碹支护 料石砌碹 现浇混凝土3 锚喷支护 锚杆支护 喷射砼支护 锚喷联合支护 锚喷支护 网 钢带 梯子梁等 联合支护 4 上述锚喷支护再加锚索加强支护 锚喷支护前两类支护方式均属被动支护 锚喷支护则为主动支护方式 能充分利用围岩自身的承载能力 1 喷射砼支护原理
13、1 封闭围岩 防止围岩风化作用 2 补强围岩喷射砼具有较高的速度喷射至岩面 其浆体充入岩体表面裂隙中 使得岩体的整体强度得到提高 3 改善围岩应力状态巷道开挖后岩体变形二向应力状态 而喷射砼支护后由于其具有一定的强度 使围岩由二向应力状态变为三向应力状态 围岩承载能力得到提高 4 组合拱作用喷射砼与围岩经裂隙而相互咬合而形成组合拱共同承载 5 柔性支护结构喷射砼厚度较小 具有一定的变形能力 在围岩应力较大时可产生一定的变形 以释放围岩应力 从而取得较好的支护效果 锚喷支护 2 锚杆支护原理 1 悬吊作用原理1952年路易斯阿 帕内科 LouisA panek 等发表了悬吊理论 悬吊理论认为锚杆
14、支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上 在预加张紧力的作用下 每根锚杆承担其周围一定范围内岩体的重量 锚杆的锚固力应大于其所覆盖的岩体的重力 见图1 1悬吊作用原理 锚固力Q 1 5 2 W锚杆工作拉力Q1 bA锚杆长度L KH L1 L2锚杆间排距 2 组合梁理论按材料力学理论可知 无锚杆时巷道顶板岩石为叠合梁结构 在受到其上部围岩的应力作用后 各层单独变形 层与层之间容易产生滑移从而导致离层 而顶板采用锚杆支护时 锚杆穿过各层状岩层形成组合梁 共同抵抗围岩应力 故变形较小 从而起到支护的作用 锚喷支护 锚喷支护 3 挤压加固拱理论在沿拱形巷道周边布置锚杆后 在预紧锚固力的
15、作用下 每根锚杆都有一定的应力作用范围 只要取合理的锚杆间距 其应力作用范围会相互重迭 从而形成一连续的挤压加固带 即厚度较大的组合拱 该加固带的厚度是普通砌碹支护厚度的数倍 故能更为有效地抵抗围岩应力 减少围岩变形 其支护效果明显好于普通砌碹支护 锚喷支护 4 三铰拱理论危险岩块在锚杆作用下 岩块相互搭接 形成一个三铰拱有效厚度 式中 锚喷支护 5 减小跨度作用在悬吊作用理论及组合梁作用理论的基础上 提出了减跨理论 该理论认为 锚杆末端固定在稳定岩层内 穿过薄层状顶板 每根锚杆相当于一个铰支点 将巷道顶板划分成小跨 从而使顶板挠度降低 关于金属网的作用 形成钢筋混凝土 喷射混凝土强度较高 防
16、止矸石冒落 缺点 五 我国煤矿灾害及现状 1 我国煤矿的灾害事故我国是世界上煤矿灾害严重 灾害多的国家 常发生的灾害有 瓦斯灾害顶板灾害矿井火灾水害冲击地压尘害热害 二 我国煤矿灾害及现状 瓦斯 顶板事故是煤矿的主要灾害2001 2004我国煤矿事故类别 二 我国煤矿灾害及现状 瓦斯事故危害性最大 2005年 事故起数占总起数的12 52 死亡人数占总人数的36 56 平均每起事故造成5 24人死亡 顶板事故发生频率最高 2005年 占事故总起数的54 6 死亡人数占34 66 一次事故死亡平均1 14人 瓦斯与顶板事故起数 死亡人数均占总数的70 左右 三 巷道顶板事故案例分析 凤凰山矿 8 5 顶板死亡事故一 基本情况凤凰山矿机掘三队施工的95311工作面进风巷设计走向长度1400m 当掘进至1198m时 工作面出现了因向斜 背斜挤压造成的无煤区 二 事故经过二00二年八月五日早班 大约上午9 30时分 因顶板离层突然来压 由于支护不力 致使所回棚及向里两架棚全部垮落 将在此处工作的两名工人埋住 窒息死亡 凤凰山矿 8 5 顶板死亡事故 三 事故原因 1 工作地点因地质向斜 背斜挤
