a井巷工程第一章巖石的性質(zhì)及工程分類

井巷工程

井巷施工是煤礦生產(chǎn)的一項(xiàng)經(jīng)常而重要的工作。其最基本的過程就是把巖石從巖體上破碎下來，形成設(shè)計(jì)要求的斷面，然后對(duì)地下空間進(jìn)行必要的維護(hù)，防止巖體破碎或跨落。因此，破巖與井巷維護(hù)成為井巷工程的主要問題。破巖和支護(hù)的主要對(duì)象是各種不同的巖石，其物理力學(xué)性質(zhì)各異。因而，了解巖石和巖體的基本屬性，對(duì)于合理的確定破巖方法和支護(hù)方式，選用適當(dāng)?shù)蔫弾r機(jī)械、爆破器材和掘進(jìn)機(jī)械，具有重要的意義。因此，在這一章主要講述巖石的一些基本性質(zhì)，包括巖石的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)，為破巖與維護(hù)的基礎(chǔ)知識(shí)；另外，圍巖的工程分級(jí)一直是工程設(shè)計(jì)的基本依據(jù)之一，將在本章的最后進(jìn)行講授。本章的重點(diǎn)是圍巖分級(jí)。第一節(jié)

概述巖石力學(xué)是研究巖石的力學(xué)性狀的一門理論和應(yīng)用科學(xué)，必須注意到巖塊的非均勻性、各項(xiàng)異性和不連續(xù)性等問題。巖石是由一種或多種礦物組成。按成因不同巖石分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。第一章

巖石的性質(zhì)及工程分類1.巖塊、巖體和巖石

1）.巖塊（Rock）：從地殼巖層中切取出來的小塊體，通常是指巖石材料

2).巖體（RockMass）：指地下工程周圍較大范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體巖體＝巖塊（巖石材料）＋弱面（層理、節(jié)理、斷層)3).巖石：不分巖塊與巖體的泛稱。由于弱面具有強(qiáng)度低、易變形的特點(diǎn)，故巖體強(qiáng)度通常小于巖塊強(qiáng)度。第二節(jié)巖石力學(xué)性質(zhì)

一、巖石的單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線單軸壓縮試驗(yàn)設(shè)備1.)裂隙壓密閉合階段—OA2.)線彈性階段—AB3.)裂隙發(fā)展階段—BC4.)軟化階段—CD二、巖石在三軸壓縮條件下的力學(xué)性質(zhì)由圖可見，圍壓對(duì)巖石變形的影響：1.隨著圍壓的增大，巖石的彈性極限變化不大；2.隨著圍壓的增大，巖石的抗壓強(qiáng)度顯著增加；

3.隨著圍壓的增大，巖石的變形顯著增大；即表現(xiàn)出明顯的塑性變型

4.）隨著圍壓的增大，巖石的屈服極限、強(qiáng)度峰值和殘余強(qiáng)度顯著增大；

5.)達(dá)到臨界圍壓以后繼續(xù)提高圍壓，應(yīng)力應(yīng)變呈單調(diào)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

通過上述分析圍壓對(duì)巖石變形影響，使我們認(rèn)識(shí)到圍壓是影響巖石力學(xué)屬性的主要因素之一。巖石的強(qiáng)度特征

⑴多數(shù)情況下，巖石表現(xiàn)為脆性破壞（小于3％的應(yīng)變）；⑵同一種巖石的強(qiáng)度并非常數(shù)；⑶在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，巖石的各種強(qiáng)度極限不同，相差懸殊

從荷載性質(zhì)看：?jiǎn)蜗蚩箟簭?qiáng)度＞單向抗剪強(qiáng)度＞單向抗彎強(qiáng)度＞單向抗拉強(qiáng)度

從應(yīng)力狀態(tài)看：三向抗壓強(qiáng)度＞雙向抗壓強(qiáng)度＞單向抗壓強(qiáng)度三、巖石的強(qiáng)度在外荷載作用下巖石抵抗破壞的能力——巖石強(qiáng)度單向抗壓強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度剪切強(qiáng)度三軸壓縮單向抗壓強(qiáng)度RC、單向抗拉強(qiáng)度Rt

、剪切強(qiáng)度之間數(shù)量關(guān)系:RC=(5~38)RtRC=(2~15)四.巖石的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)巖石在沖擊荷載作用下其強(qiáng)度均比靜荷載作用下要大。第四節(jié)

巖體工程分類

分類的目的（1）為巖石工程建設(shè)的勘察、設(shè)計(jì)、施工和編制定額提供必要的基本依據(jù)。（2）便于施工方法的總結(jié),交流,推廣。（3）便于行業(yè)內(nèi)技術(shù)改革和管理。遵循的主要原則

（1）分類形式要簡(jiǎn)單，含義要明確。（2）分類應(yīng)具科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。（3）分類指標(biāo)不易過多并應(yīng)容易獲得。指標(biāo)過多，必須增加研究工作量，不便推廣和應(yīng)用。（4）分類應(yīng)明確表達(dá)出巖體的基本特性和影響巖體穩(wěn)定性的主要因素。（5）分類方案應(yīng)體現(xiàn)超前預(yù)報(bào)性，即在巷道設(shè)計(jì)、施工之前，人們要了解到未來巷道開挖后圍巖穩(wěn)定狀態(tài)和不同穩(wěn)定類型巖體的空間分布。這一分類方案不僅便于設(shè)計(jì)、施工部門應(yīng)用，而且應(yīng)當(dāng)被勘探部門所接受。普羅托奇亞可夫于1926年提出：共劃分為10級(jí)15種1.普氏系數(shù)分類法

存在問題：這一分類主要考慮的是巖石強(qiáng)度（單軸抗壓強(qiáng)度），對(duì)巖體的完整性、巖體結(jié)構(gòu)特征等對(duì)圍巖穩(wěn)定有決定影響的因素，在分類中沒有表達(dá)出來，因此不能正確地評(píng)價(jià)圍巖的穩(wěn)定性。

提出以f

計(jì)算圍巖壓力的公式。形成了為坑道施工、設(shè)計(jì)服務(wù)的一整套理論和方法。而且表達(dá)形式簡(jiǎn)單，使用非常方便。因此1954年至1972年這一階段，我國鐵道、水電、冶金、煤炭、機(jī)械、建工、軍工等部門都采用了普氏分類。表6-1巖石強(qiáng)度分級(jí)表級(jí)別堅(jiān)固性程度巖石堅(jiān)固性系數(shù)fI最堅(jiān)固的巖石最堅(jiān)固、最致密的石英巖及玄武巖，其它最堅(jiān)固的巖石20II很堅(jiān)固的巖石很堅(jiān)固的花崗巖類：石英斑巖，很堅(jiān)固的花崗巖，硅質(zhì)片巖；堅(jiān)固程度較I級(jí)巖石稍差的石英巖；最堅(jiān)固的砂巖及石灰?guī)r15III堅(jiān)固的巖石致密的花崗巖及花崗巖類巖石，很堅(jiān)固的砂巖及石灰?guī)r，石英質(zhì)礦脈，堅(jiān)固的礫巖，很堅(jiān)固的鐵礦石10IIIa堅(jiān)固的巖石堅(jiān)固的石灰?guī)r，不堅(jiān)固的花崗巖，堅(jiān)固的砂巖，堅(jiān)固的大理巖，白云巖，黃鐵礦8IV相當(dāng)堅(jiān)固的巖石一般的砂巖，鐵礦石6IVa相當(dāng)堅(jiān)固的巖石砂質(zhì)頁巖，泥質(zhì)砂巖5V堅(jiān)固性中等的巖石堅(jiān)固的頁巖，不堅(jiān)固的砂巖及石灰?guī)r，軟的礫巖4Va堅(jiān)固性中等的巖石各種不堅(jiān)固的頁巖，致密的泥灰?guī)r，3VI相當(dāng)軟的巖石軟的頁巖，很軟的石灰?guī)r，白堊，巖鹽，石膏，凍土，無煙煤，普通泥灰?guī)r，破碎的砂巖，膠結(jié)的卵石及粗沙礫，多石塊的土2VIa相當(dāng)軟的巖石碎石土，破碎的頁巖，結(jié)塊的卵石及碎石，堅(jiān)硬的煙煤，硬化的粘土1.5VII軟巖致密的粘土，軟的煙煤，堅(jiān)固的表土層1.0VIIa軟巖微砂質(zhì)粘土，黃土，細(xì)礫石0.8VIII土質(zhì)巖石腐植土，泥煤，微砂質(zhì)粘土，濕砂0.6IX松散巖石砂，細(xì)礫，松土，采下的煤0.5X流沙狀巖石流砂，沼澤土壤，包含水的黃土既包含水的土壤0.3

根據(jù)f值的大小，將巖石分為10級(jí)共15種。我國煤炭系統(tǒng)按巖石堅(jiān)固性將煤巖分類為：軟煤：f＝1～1.5

硬煤：f＝2～3

軟巖：f＝2～3

中硬巖：f＝4～6

硬巖：f＝8～10

堅(jiān)硬巖石：f＝12～14

最堅(jiān)硬巖石：f＝15～20

2.

巖芯質(zhì)量指標(biāo)

Rockqualitydesignationindex--RQD

美國伊利諾斯大學(xué)狄勒（Deere）在1964年形成該標(biāo)準(zhǔn)，但直到1967年才以出版的形式首次提出該概念。RQD是一修正的巖芯取出率，僅考慮長(zhǎng)度大于100mm的完整巖芯。RQD指標(biāo)在美國及歐洲有廣泛應(yīng)用，它是評(píng)估巖芯質(zhì)量的簡(jiǎn)單、費(fèi)用省并能再現(xiàn)的方法。盡管其本身并不是巖體的充分描述，但該指標(biāo)仍然作為分類參數(shù)，在隧道工程中用作選擇隧道支護(hù)時(shí)的參考，發(fā)現(xiàn)非常有用。RQD（%）﹤2525～5050～7575～9090～100巖石質(zhì)量很差差一般好優(yōu)秀

盡管RQD是一簡(jiǎn)易的花費(fèi)不多的標(biāo)準(zhǔn)，但由于它并不考慮不連續(xù)面的剛度、方向、連續(xù)性及充填材料的影響，因而不能單獨(dú)提供對(duì)巖體的充分描述。

3.按施工需要分類

1988年，煤炭工業(yè)部根據(jù)全國58條試驗(yàn)巷道的地質(zhì)特征、井巷開拓后圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，共為五類：本章思考題1．巖石、巖塊、巖體的區(qū)別與聯(lián)系。2．什么是巖石的全應(yīng)力－應(yīng)變曲線？簡(jiǎn)述巖石在單軸壓縮條件下的變形特征？4．在三軸壓縮條件下，巖石的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生哪些變化？4．簡(jiǎn)述巖石的強(qiáng)度特征。5．如何得到巖石的堅(jiān)固性系數(shù)f？什么是RQD分級(jí)法？6．根據(jù)圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖可劃分為幾類？第二章鑿巖爆破技術(shù)

井巷施工首先要破碎巖石，常用的破巖方法有機(jī)械破巖和鉆眼爆破破巖兩種。目前使用最普遍的是鉆眼爆破破巖。

鉆眼爆破法掘進(jìn)就是在采掘工作面采用鉆眼機(jī)具鉆鑿炮眼，安放炸藥、破碎煤巖，形成所需斷面。因而，鉆眼爆破可分為二項(xiàng)主要工作：鉆眼、爆破。

本章主要內(nèi)容：

1.圍繞鉆鑿炮眼的機(jī)具，主要介紹炮眼的鉆鑿原理和常用的鉆眼機(jī)具；

2.炸藥的主要性能參數(shù)、礦用炸藥的種類；

3.常用起爆器材工作原理；

4.巖石破碎機(jī)理及光面爆破的實(shí)質(zhì)。破巖方法1.鉆眼爆破方法2.機(jī)械掘進(jìn)法第一節(jié)鉆眼機(jī)具鉆爆法施工：掘進(jìn)工序：鉆眼——裝藥聯(lián)線——放炮通風(fēng)——裝巖運(yùn)輸——支護(hù)工具設(shè)備：鑿巖機(jī)——炸藥——局部扇風(fēng)機(jī)——裝巖機(jī)——錨、噴、網(wǎng)、架煤電鉆雷管、放炮器風(fēng)筒礦車電機(jī)車、礦車一、鑿巖機(jī)鑿巖機(jī)分類按動(dòng)力：風(fēng)動(dòng)、電動(dòng)、液壓和內(nèi)燃按破巖機(jī)理：沖擊式、旋轉(zhuǎn)式、沖擊旋轉(zhuǎn)式二、常用的鑿巖設(shè)備

手持式機(jī)重20kg以下

風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)氣腿式機(jī)重30kg以下導(dǎo)軌式機(jī)重35～80kg

向上式機(jī)重40～45kg⑴沖擊式破巖電動(dòng)鑿巖機(jī)氣腿式機(jī)重25~30kg

導(dǎo)軌式機(jī)重30kg以下液壓鑿巖機(jī)導(dǎo)軌式機(jī)重130～360kg

內(nèi)燃機(jī)機(jī)重30kg以下煤電鉆手持式機(jī)重18kg，功率1.2kw⑵旋轉(zhuǎn)式破巖電鉆巖石電鉆導(dǎo)軌式機(jī)重35~40kg功率1.2kw

液壓鉆導(dǎo)軌式⑶旋轉(zhuǎn)沖擊式潛孔鉆機(jī)臺(tái)車式（4~6噸），架鉆式（150～360kg）傘形鉆架鑿巖臺(tái)車三.風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)的構(gòu)造與工作原理風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)以壓縮空氣為動(dòng)力。按其支架方式分為：

手持式——目前很少使用。氣腿式——目前應(yīng)用比較廣泛。向上式——專用于反井和打錨桿眼施工。導(dǎo)軌式——與鑿巖臺(tái)車和鉆裝機(jī)配合使用。按沖擊頻率分為：

低頻——沖擊頻率<2000次/min

中頻——沖擊頻率為2000~2500次/min

高頻——沖擊頻率>2500次/min按重量分為：

輕型重型㈠風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)的構(gòu)造

⑴柄體A：進(jìn)氣進(jìn)水管道、操作閥、氣腿的調(diào)壓閥和換向閥、水針。⑵缸體E：閥柜D、配氣閥C、棘輪和旋轉(zhuǎn)棒B、活塞F、消音罩。⑶機(jī)頭H：錘G、轉(zhuǎn)動(dòng)套I、釬卡和外殼。⑴柄體2⑵缸體3⑶機(jī)頭7YT-23氣退鑿巖機(jī)構(gòu)造排氣口活塞前端面配氣閥片㈡工作系統(tǒng)沖擊機(jī)構(gòu)：氣缸+活塞+配氣裝置

回程排氣口2.旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：內(nèi)棘輪+螺旋棒+活塞+轉(zhuǎn)動(dòng)套

沖程——活塞直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)棒旋轉(zhuǎn)回程——旋轉(zhuǎn)棒迫使活塞旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)套、釬桿旋轉(zhuǎn)。3.排粉系統(tǒng)：

風(fēng)水聯(lián)動(dòng)注水機(jī)構(gòu)－開鉆供水、停鉆停水

濕式排粉—壓力水，水壓比風(fēng)壓低0.1~0.2MPa4.潤(rùn)滑系統(tǒng)：注油器，3~5ml/min

懸掛式：懸掛在風(fēng)管彎頭處，容油量較?。宦涞厥剑悍旁陔x鑿巖機(jī)不遠(yuǎn)的進(jìn)風(fēng)管中部，容油量較大㈢氣腿鑿巖臺(tái)車

國產(chǎn)CGJ-2型鑿巖臺(tái)車，配備兩臺(tái)YT－24鑿巖機(jī)，軌輪式風(fēng)動(dòng)馬達(dá)絲杠推進(jìn)，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軌輪行走One-boomrigThree-boomrig（四）

破巖原理沖擊（沖擊功）—旋轉(zhuǎn)—排粉適用于硬巖沖擊力四.液壓鑿巖機(jī)1.構(gòu)造⑴沖擊機(jī)構(gòu)：油缸+活塞+配油裝置（油壓在10MPa以上）⑵旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：獨(dú)立外回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

液壓馬達(dá)帶動(dòng)齒輪⑶排粉系統(tǒng)：側(cè)向供水排粉2.優(yōu)缺點(diǎn)⑴鉆速高（純鉆速2~3倍）⑵可調(diào)整（功率可調(diào)整，鉆鑿較深和直徑較大的孔）⑶自潤(rùn)滑⑷可鉆硬巖、大直徑深眼⑸環(huán)衛(wèi)好（噪音低10~15分貝，90分貝以下，沒有油霧水氣）。

五.旋轉(zhuǎn)式鉆眼機(jī)械煤電鉆

⑴適用條件：煤及f＜3的巖層。⑵構(gòu)造：散熱風(fēng)扇+開關(guān)手柄+電動(dòng)機(jī)+減速器+釬套筒

電壓127v，功率1.2~2.0kW（多為1.2kW），轉(zhuǎn)速2700轉(zhuǎn)/分。

通過二級(jí)加速器：600轉(zhuǎn)/分供煤倉用，400轉(zhuǎn)/分供硬煤和軟巖

外殼為鋁合金鑄造，密封防爆。

⑶軸推力：人力推頂。

[適用范圍]本系列煤電鉆適用于煤礦井下及其周圍介質(zhì)中有甲烷、煤塵等爆炸性混合物氣體的環(huán)境中，在交流50Hz，電壓為127V的供電網(wǎng)絡(luò)中，在回采及掘進(jìn)工作面對(duì)中硬和硬煤層鉆眼之用。[產(chǎn)品特點(diǎn)]1、結(jié)構(gòu)緊湊，型式多樣，有普通型、強(qiáng)力型、濕式型等。2、扭矩大，適合中硬和硬煤層鉆眼。ZM系列礦用隔爆型手持式煤電鉆巖石電鉆組成：電動(dòng)機(jī)、減速箱、牽引裝置、機(jī)殼和供水裝置適用條件：電鉆適用于在f=4～6的巖石中鉆眼。六、鑿巖機(jī)的釬子1.整體釬子：2.組合釬子

一字形：速度快、制造和修磨簡(jiǎn)單、磨損快、易夾釬

形狀十字形：速度慢、孔圓⑴釬頭球齒形：硬巖鉆眼材料釬頭體：合金鋼，55SiMnMo、40MnMoV

釬刃：鎢鈷類合金。a)鑲KO型硬質(zhì)合金片;b)鑲K1型硬質(zhì)合金片標(biāo)準(zhǔn)直徑十字形釬頭釬頭結(jié)構(gòu)參數(shù)①刃角，110o②隙角，3o③弧形釬刃，180mm曲率半徑④釬頭直徑，38~43mm⑤排粉溝

釬肩：環(huán)形（六角形釬桿）、耳形（圓形釬桿）組成釬尾：108mm±1.0mm（淬火硬度HRC49~55）

中心孔：⑵釬桿端面形狀:中空六角形

中空?qǐng)A形（重型導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)）材料：合金鋼、鎢鈷合金⑶釬頭和釬桿的連接：錐形連接，錐角度為7°，插入深度24~38mm

（留有過渡縫隙6～8mm）

麻花釬子

⑴鉆頭3.電鉆釬子：⑵麻花鉆桿：菱形或矩形七、提高鑿巖效率的措施1.合理選擇與正確使用鑿巖機(jī)（加強(qiáng)保養(yǎng)與維修工作）；2.保證氣壓（氣壓增減0.1MPa鉆速增減30％左右）；3.合適的軸推力；4.正確確定眼徑和眼深（φ＝38~46mm,L<5m)；5.改善勞動(dòng)組織，提高工時(shí)利用率；6.快速排除故障。

第二節(jié)炸藥與爆炸現(xiàn)象一、爆炸現(xiàn)象物質(zhì)在急劇的物理變化或化學(xué)變化過程中，使周圍介質(zhì)受到破壞，同時(shí)發(fā)出光和熱，并伴隨巨大響聲。爆炸分類核爆炸：物質(zhì)的原子核發(fā)生裂變或聚變。（原子彈）物理爆炸：物態(tài)變化，化學(xué)成分不變。（鍋爐、氣球等）化學(xué)爆炸：不僅物態(tài)變化學(xué)成分也變。（炸藥）二、炸藥爆炸的特征放熱量大——做功的能源產(chǎn)生氣體多——做功的介質(zhì)反應(yīng)速度快——單位時(shí)間放出大量能量三、炸藥的爆炸形式緩慢分解：在整個(gè)炸藥內(nèi)部進(jìn)行爆轟：反應(yīng)速度達(dá)數(shù)km/s爆燃：反應(yīng)速度為數(shù)m/s四、炸藥及分類（一）炸藥主要成分（二）炸藥的分類單質(zhì)炸藥猛炸藥CHNO按組成成分按用途混合炸藥起爆藥發(fā)射藥（三）炸藥的氧平衡炸藥內(nèi)含氧與充分氧化可燃元素所需氧量之間的關(guān)系——氧平衡2）正氧平衡：（反應(yīng)生成NO或NO2)反應(yīng)時(shí)吸收熱量1）零氧平衡：（反應(yīng)生成CO2、H2O和N2）放熱量最大，無有毒氣體3）副氧平衡：（反應(yīng)生成CO、游離炭）放熱量較小，生成有毒氣體五、炸藥的性能參數(shù)猛度爆力敏感度爆速第三節(jié)工業(yè)炸藥工業(yè)炸藥基本均為混合炸藥，一般在配方中添加單質(zhì)猛炸藥，改變炸藥的爆炸性能。單質(zhì)猛炸藥梯恩梯（TNT)黑索金(RDX)太恩炸藥炸藥一般分為煤礦、巖石和露天炸藥三類。巖石炸藥用于井下無瓦斯、無煤層爆炸危險(xiǎn)的巖石爆破作業(yè)；煤礦許用炸藥配方中添加了消焰劑，以吸收熱量、降低爆溫，防止引起瓦斯爆炸，故用于有瓦斯或煤層爆炸危險(xiǎn)的礦井使用；露天炸藥為廉價(jià)炸藥，猛炸藥含量最少。煤礦銨梯炸藥煤礦水膠炸藥煤礦乳膠炸藥離子交換炸藥被筒炸藥巖石銨梯炸藥巖石水膠炸藥露天炸藥——————1號(hào)威力SM-12號(hào)3號(hào)抗水3號(hào)————SM-3低瓦斯適用條件高瓦斯煤層瓦斯突出低瓦斯高瓦斯2號(hào)3級(jí)4級(jí)高瓦斯煤層瓦斯突出煤層瓦斯突出最危（安全度最高炸藥）1號(hào)2號(hào)————抗水2號(hào)抗水4號(hào)————1號(hào)2號(hào)3號(hào)SM-2炸藥種類煤礦許用炸藥巖石炸藥中硬巖軟巖硬巖高低第四節(jié)起爆器材一、電雷管普通瞬發(fā)電雷管秒延期電雷管毫秒延期電雷管毫秒延期電雷管瞬發(fā)電雷管煤礦非許用雷管煤礦許用電雷管（一）瞬發(fā)電雷管構(gòu)造管殼加