a井巷工程第一章岩石的性质及工程分类ppt课件.ppt

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1、,井,巷,井巷施工是煤矿生产的一项经常而重要的工作。其最基本的过程就是把岩石从岩体上破碎下来，形成设计要求的断面，然后对地下空间进行必要的维护，防止岩体破碎或跨落。因此，破岩与井巷维护成为井巷工程的主要问题。破岩和支护的主要对象是各种不同的岩石，其物理力学性质各异。因而，了解岩石和岩体的基本属性，对于合理的确定破岩方法和支护方式，选用适当的凿岩机械、爆破器材和掘进机械，具有重要的意义。因此，在这一章主要讲述岩石的一些基本性质，包括岩石的物理性质和力学性质，为破岩与维护的基础知识；另外，围岩的工程分级一直是工程设计的基本依据之一，将在本章的最后进行讲授。本章的重点是围岩分级。,第一节 概 述,岩

2、石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，必须注意到岩块的非均匀性、各项异性和不连续性等问题。,岩石是由一种或多种矿物组成。按成因不同岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。,第一章 岩石的性质及工程分类,1. 岩块、岩体和岩石,1）.岩块（Rock）：从地壳岩层中切取出来的小块体，通常是指岩石材料,2).岩体（Rock Mass） ：指地下工程周围较大范围内的自然地质体,岩体岩块（岩石材料） 弱面（层理、节理、断层),3).岩石：不分岩块与岩体的泛称。,由于弱面具有强度低、易变形的特点，故岩体强度通常小于岩块强度。,第二节 岩石力学性质,一、岩石的单轴压缩应力应变曲线,单轴压缩试验设备,1.)

3、裂隙压密闭合阶段 OA,2.)线弹性阶段 AB,3.)裂隙发展阶段 BC,4.)软化阶段 CD,二、岩石在三轴压缩条件 下的力学性质,由图可见，围压对岩石变形的影响：,1.随着围压的增大，岩石的弹性极限变化不大；,2.随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；,3.随着围压的增大，岩石的变形显著增大；即表现出明显的塑性变型,4.）随着围压的增大，岩石的屈服极限、强度峰值和残余强度显著增大；,5.)达到临界围压以后继续提高围压，应力应变呈单调增长趋势。,通过上述分析围压对岩石变形影响，使我们认识到围压是影响岩石力学属性的主要因素之一。,岩石的强度特征 多数情况下，岩石表现为脆性破坏（小于3的应变）

4、； 同一种岩石的强度并非常数； 在不同的应力状态下，岩石的各种强度极限不同，相差悬殊,从荷载性质看：单向抗压强度单向抗剪强度单向抗弯强度单向抗拉强度 从应力状态看：三向抗压强度双向抗压强度单向抗压强度,三、 岩石的强度,在外荷载作用下岩石抵抗破坏的能力岩石强度,单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩,单向抗压强度RC、单向抗拉强度Rt 、剪切强度 之间数量关系:,RC=( 538 ) Rt,RC=( 215 ) ,四. 岩石的动力学性质,岩石在冲击荷载作用下其强度均比静荷载作用下要大。,第四节 岩体工程分类,分类的目的（1）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。（2）

5、便于施工方法的总结,交流,推广。（3）便于行业内技术改革和管理。,遵循的主要原则 （1）分类形式要简单，含义要明确。 （2）分类应具科学意义和实用价值。 （3）分类指标不易过多并应容易获得。指标过多，必须增加研究工作量，不便推广和应用。 （4）分类应明确表达出岩体的基本特性和影响岩体稳定性的主要因素。 （5）分类方案应体现超前预报性，即在巷道设计、施工之前，人们要了解到未来巷道开挖后围岩稳定状态和不同稳定类型岩体的空间分布。这一分类方案不仅便于设计、施工部门应用，而且应当被勘探部门所接受。,普罗托奇亚可夫于1926年提出： 共划分为10级15种,1. 普氏系数分类法,存在问题：这一分类主要考虑

6、的是岩石强度（单轴抗压强度），对岩体的完整性、岩体结构特征等对围岩稳定有决定影响的因素，在分类中没有表达出来，因此不能正确地评价围岩的稳定性。,提出以 f 计算围岩压力的公式。形成了为坑道施工、设计服务的一整套理论和方法。而且表达形式简单，使用非常方便。因此1954年至1972年这一阶段，我国铁道、水电、冶金、煤炭、机械、建工、军工等部门都采用了普氏分类。,表6-1 岩石强度分级表,根据 f 值的大小，将岩石分为10级共15种。我国煤炭系统按岩石坚固性将煤岩分类为： 软煤： f 11.5 硬煤： f 23 软岩： f 23 中硬岩： f 46 硬岩： f 810 坚硬岩石： f 1214 最坚

7、硬岩石： f 1520,2. 岩芯质量指标 Rock quality designation index -RQD,美国伊利诺斯大学狄勒（Deere）在1964年形成该标准，但直到1967年才以出版的形式首次提出该概念。,RQD是一修正的岩芯取出率，仅考虑长度大于100mm的完整岩芯。,RQD指标在美国及欧洲有广泛应用，它是评估岩芯质量的简单、费用省并能再现的方法。尽管其本身并不是岩体的充分描述，但该指标仍然作为分类参数，在隧道工程中用作选择隧道支护时的参考，发现非常有用。,尽管RQD是一简易的花费不多的标准，但由于它并不考虑不连续面的刚度、方向、连续性及充填材料的影响，因而不能单独提供对岩体

8、的充分描述。,3. 按施工需要分类,1988年，煤炭工业部根据全国58条试验巷道的地质特征、井巷开拓后围岩的稳定状态，共为五类：,本章思考题,1岩石、岩块、岩体的区别与联系。2什么是岩石的全应力应变曲线？简述岩石在单轴压缩条件下的变形特征？4在三轴压缩条件下，岩石的力学性质会发生哪些变化？4简述岩石的强度特征。5如何得到岩石的坚固性系数f ？什么是RQD分级法？6根据围岩的稳定状态，围岩可划分为几类？,第二章 凿岩爆破技术,井巷施工首先要破碎岩石，常用的破岩方法有机械破岩和钻眼爆破破岩两种。目前使用最普遍的是钻眼爆破破岩。,钻眼爆破法掘进就是在采掘工作面采用钻眼机具钻凿炮眼，安放炸药、破碎煤岩

9、，形成所需断面。因而，钻眼爆破可分为二项主要工作：钻眼、爆破。,本章主要内容： 1.围绕钻凿炮眼的机具，主要介绍炮眼的钻凿原理和常用的钻眼机具； 2.炸药的主要性能参数、矿用炸药的种类； 3.常用起爆器材工作原理； 4.岩石破碎机理及光面爆破的实质。,破岩方法,1.钻眼爆破方法,2.机械掘进法,第一节 钻眼机具,钻爆法施工：掘进工序：钻 眼装药联线放炮通风装岩运输支护工具设备：凿岩机炸 药局部扇风机 装岩机锚、喷、网、架,煤电钻 雷管、放炮器 风筒 矿车电机车、矿车,一、凿岩机,凿岩机分类,按动力：,风动、电动、液压和内燃,按破岩机理：,冲击式、旋转式、冲击旋转式,二、常用的凿岩设备,手持式

10、机重20kg以下 风动凿岩机 气腿式 机重30kg以下 导轨式 机重3580kg 向上式 机重4045kg 冲击式破岩 电动凿岩机 气腿式 机重2530kg 导轨式 机重30kg以下 液压凿岩机 导轨式 机重130360kg 内燃机 机重30kg以下 煤电钻 手持式 机重18kg ，功率1.2kw 旋转式破岩 电钻 岩石电钻 导轨式 机重3540kg 功率1.2kw 液压钻 导轨式 旋转冲击式 潜孔钻机 台车式（46吨），架钻式（150360kg）,伞形钻架凿岩台车,三.风动凿岩机的构造与工作原理,风动凿岩机以压缩空气为动力。 按其支架方式分为： 手持式目前很少使用。 气腿式目前应用比较广泛。

11、 向上式专用于反井和打锚杆眼施工。 导轨式与凿岩台车和钻装机配合使用。,按冲击频率分为： 低频冲击频率2500次/min,按重量分为： 轻型 重型, 风动凿岩机的构造 柄体A：进气进水管道、操作阀、气腿的调压阀和换向阀、水针。 缸体E：阀柜D、配气阀C、棘轮和旋转棒B、活塞F、消音罩。 机头H：锤G、转动套I、钎卡和外壳。, 柄体2, 缸体3, 机头7,YT-23气退凿岩机构造,排气口,活塞前端面,配气阀片, 工作系统,冲击机构： 气缸 + 活塞 + 配气装置,回程,排气口,2. 旋转机构：内棘轮 + 螺旋棒 + 活塞 + 转动套 冲程活塞直线运动，带动旋转棒旋转 回程旋转棒迫使活塞旋转，带动

12、转动套、钎杆旋转 。,3. 排粉系统： 风水联动注水机构开钻供水、停钻停水 湿式排粉压力水，水压比风压低0.10.2MPa,4. 润滑系统：注油器，35ml/min,悬挂式：悬挂在风管弯头处，容油量较小；,落地式：放在离凿岩机不远的进风管中部，容油量较大, 气腿,凿岩台车,国产CGJ-2型凿岩台车，配备两台YT24凿岩机，轨轮式 风动马达丝杠推进， 直流电动机驱动轨轮行走,One-boom rig,Three-boom rig,（四） 破岩原理冲击（冲击功）旋转排粉 适用于硬岩,冲击力,四. 液压凿岩机1.构造 冲击机构：油缸 + 活塞 + 配油装置 （油压在10MPa以上） 旋转机构：独立外

13、回转机构 液压马达带动齿轮 排粉系统：侧向供水排粉2.优缺点 钻速高（纯钻速23倍） 可调整（功率可调整，钻凿较深和直径较大的孔） 自润滑 可钻硬岩、大直径深眼 环卫好（噪音低1015分贝，90分贝以下，没有油雾水气） 。,五. 旋转式钻眼机械 煤电钻 适用条件：煤及 f3 的岩层。 构造：散热风扇 + 开关手柄 + 电动机 + 减速器 + 钎套筒 电压127v，功率1.22.0kW（多为1.2kW），转速2700转/分。 通过二级加速器：600转/分供煤仓用， 400转/分供硬煤和软岩 外壳为铝合金铸造，密封防爆。 轴推力：人力推顶 。,适用范围 本系列煤电钻适用于煤矿井下及其周围介质中有甲

14、烷、煤尘等爆炸性混合物气体的环境中，在交流50Hz，电压为127V的供电网络中，在回采及掘进工作面对中硬和硬煤层钻眼之用。 产品特点 1、结构紧凑，型式多样，有普通型、强力型、湿式型等。 2、扭矩大，适合中硬和硬煤层钻眼。,ZM系列矿用隔爆型手持式煤电钻,岩石电钻组成：电动机、减速箱、牵引装置、机壳和供水装置 适用条件：电钻适用于在 f =46的岩石中钻眼。,六、凿岩机的钎子1. 整体钎子：,2. 组合钎子,一字形：速度快、制造和修磨简单、磨损快、易夹钎 形状 十字形：速度慢、孔圆 钎头 球齿形：硬岩钻眼 材料 钎头体：合金钢，55SiMnMo、40MnMoV 钎 刃：钨钴类合金 。,a) 镶

15、KO型硬质合金片; b) 镶K1型硬质合金片 标准直径十字形钎头,钎头结构参数,刃角，110o隙角，3o弧形钎刃，180mm曲率半径钎头直径，3843mm排粉沟,钎肩：环形（六角形钎杆）、耳形（圆形钎杆） 组成 钎尾：108mm1.0mm（淬火硬度HRC4955） 中心孔： 钎杆 端面形状: 中空六角形 中空圆形（重型导轨式凿岩机） 材料： 合金钢、钨钴合金 钎头和钎杆的连接：锥形连接，锥角度为7，插入深度2438mm （留有过渡缝隙68mm）,麻花钎子 钻头,3.电钻钎子：, 麻花钻杆：菱形或矩形,七、提高凿岩效率的措施,1.合理选择与正确使用凿岩机（加强保养与维修工作）；2.保证气压（气压

16、增减0.1MPa钻速增减30左右）；3.合适的轴推力；4.正确确定眼径和眼深（3846mm,L 5m)；5.改善劳动组织，提高工时利用率；6.快速排除故障。,第二节 炸药与爆炸现象,一、爆炸现象,物质在急剧的物理变化或化学变化过程中，使周围介质受到破坏，同时发出光和热，并伴随巨大响声。,爆炸分类,核 爆 炸： 物质的原子核发生裂变或聚变。（原子弹）,物理爆炸：物态变化，化学成分不变。（锅炉、气球等）,化学爆炸：不仅物态变化学成分也变。（炸药）,二、炸药爆炸的特征,放热量大 做功的能源,产生气体多做功的介质,反应速度快单位时间放出大量能量,三、炸药的爆炸形式,缓慢分解：在整个炸药内部进行,爆 轰

17、：反应速度达数km/s,爆 燃：反应速度为数m/s,四、炸药及分类,（一）炸药主要成分,（二）炸药的分类,单质炸药,猛炸药,C,H,N,O,按组成成分,按 用 途,混合炸药,起爆药,发射药,（三）炸药的氧平衡,炸药内含氧与充分氧化可燃元素所需氧量之间的关系氧平衡,2）正氧平衡：（反应生成NO或NO2)反应时吸收热量,1）零氧平衡：（反应生成CO2、H2O和N2）放热量最大，无有毒气体,3）副氧平衡：（反应生成CO、游离炭）放热量较小，生成有毒气体,五、炸药的性能参数,猛度,爆力,敏感度,爆速,第三节 工业炸药,工业炸药基本均为混合炸药，一般在配方中添加单质猛炸药，改变炸药的爆炸性能。,单质猛炸

18、药,梯恩梯（TNT),黑索金 (RDX),太恩炸药,炸药一般分为煤矿、岩石和露天炸药三类。,岩石炸药用于井下无瓦斯、无煤层爆炸危险的岩石爆破作业；煤矿许用炸药配方中添加了消焰剂，以吸收热量、降低爆温，防止引起瓦斯爆炸，故用于有瓦斯或煤层爆炸危险的矿井使用；露天炸药为廉价炸药，猛炸药含量最少。,煤矿铵梯炸药,煤矿水胶炸药,煤矿乳胶炸药,离子交换炸药,被筒炸药,岩石铵梯炸药,岩石水胶炸药,露天炸药 ,1号,威力,SM-1,2号,3号,抗水3号 ,SM-3,低瓦斯,适用条件,高瓦斯,煤层瓦斯突出,低瓦斯,高瓦斯,2号,3级,4级,高瓦斯,煤层瓦斯突出,煤层瓦斯突出最危,（安全度最高炸药）,1号,2号

19、 ,抗水2号,抗水4号 ,1号,2号,3号,SM-2,炸药种类,煤矿许用炸药,岩石炸药,中硬岩,软 岩,硬 岩,高,低,第四节 起爆器材,一、电雷管,普通瞬发电雷管,秒延期电雷管,毫秒延期电雷管,毫秒延期电雷管,瞬发电雷管,煤矿非许用雷管,煤矿许用电雷管,（一）瞬发电雷管构造,管壳,加强药,加强帽,电引火装置,起爆药,直插式,药头式,（二）雷管主要性能参数,1.雷管电阻,1）脚线(包塑镀锌铁线) =0.52mm, R0.6 /m,2)桥丝,康铜 L=4mm =50 m, R=0.80.13,镍鉻 L=4mm =40 m, R=30.4,雷管脚线长度为2m，故雷管的电阻是,R镍4 ,R康6.3,

20、2.最大安全电流、最小发火电流,实际电阻值,1)最大安全电流：恒定直流电通入雷管5min，不引爆任何一发雷管的最大电流。技术标准规定：50mA 5min不爆为合格。,2)最小发火电流：从最大安全电流将电流逐渐增大，当电流达莫以数值时，将引爆99.99%雷管时的电流值。技术标准规定：以700mA恒定直流电通入1min发火雷管应达100%,康铜,镍鉻,最大安全电流,最小发火电流,0.30.55A 0.40.7A,0.1250.175A 0.20.25A,3.发火冲能：桥丝加热到足以使引火药发火的温度时桥丝单位时间所产生的热能（I2t)。,注：同一电爆网络中，不得使用“三不同”雷管,4.传导时间和准爆条件,从引火药头开始燃烧到雷管爆炸的这段时间传导时间,串联电爆网路准爆条件： tmaxtmin+,式中： tmax 最钝感雷管的发火时间 tmin 最敏感雷管的发火时间 传导时间,串联网路的准爆条件：,标准规定：,直流电起爆时，串联准爆电流,康铜丝雷管 2A,镍鉻丝雷管 1.5A,交流电起爆时，串联准爆电流,康铜丝雷管 4A,镍鉻丝雷管 3A,第五节 雷管起爆方法,起爆网路的组成,雷 管,导 线,起爆电源,母 线,区域线,脚 线,一、起爆电源,交流电 井筒或无瓦斯的井底工作面，电压380V,发爆器 煤矿井下,