1、掘进工程学 第三讲资源学院勘查系第二章第二章 地下坑道钻探地下坑道钻探 在资源勘探中常用地下坑道钻探，尤其是矿井资源扩大勘探中常用。当然在工程掘进中尤其是铁路的隧道掘进、水利中的过水隧道掘进中常与地下钻探环境条件相同，在后面的课程中要讲到。本章重点：坑道钻进工艺第一节 概述 一、坑道钻探的优点一、坑道钻探的优点优点：坑道钻探多为全方位的小口径浅孔，所谓多方位就是不象地表钻探只有向下和倾斜钻探，它还可以向上钻探。坑道钻探控制矿体，可以施工速度快、成本低。专用新型全液压坑道钻机具有体积小、质量轻、自动化程度高、无塔升降、长行程给进。掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 二、服务领域二、服务领域 1、矿
2、床普查：坑道钻探用于追索矿床，加密勘探，探查地质构造、圈定矿体及取样和验证等。2、矿山开发中常用坑道钻探技术来钻凿地下观测孔、通风孔、排水孔、瓦斯抽放孔、注浆孔、爆破孔、锚定（杆）孔和开凿坑道的先导孔。所谓坑道先导孔是 3、岩土工程施工中，坝基的边坡稳定加固、地质灾害的治理、深基坑的支护，还有工业、商业、交通、军事等方面的地下工程施工。如在铁路隧道施工中，就利用很多坑道钻探技术与工艺。掘进工程学 第三讲资源学院勘查系第二节第二节 坑道钻探的主要设备坑道钻探的主要设备 已经提到坑道钻探与地面钻探存在许多方面不同，坑道钻探最明显的无高大的钻塔，且口径小，多为浅孔，钻杆短等特点。它有其特殊要求：外形
3、尺寸小，便于安装、使用，尽量不开或少开专门的硐室。如煤矿在运输巷道中钻探时，常是做一个钻窝，以便在不影响运输煤条件下开展钻探工作。显德汪煤矿1291皮带巷钻孔布置 钻孔 运输皮带 钻窝 巷道 影响运煤工作钻孔布置位置 实际采用不影响运煤工作钻孔布置位置一般来讲钻机最好直接在坑道中安装。掘进工程学 第三讲资源学院勘查系为适应水平孔和上仰孔钻进时，拉、送钻具（杆）的要 求，钻机应配备拉、送钻杆柱的专用机构。为减少地下施工区的噪声和空气污染，不能用内燃机驱 动，而用液压或风力传动。在煤矿中使用时尤其如 此，应采用防爆的液压或风力传动。一、坑道钻机简介一、坑道钻机简介 我国目前使用的国产坑道钻机有：D
4、K系列 钻石系列 MK系列 ZSK系列具体有：DK-30、DK-150 钻石100、300、600 MK100、MK-150A、MK300 ZSK-50 可以参考教材P144 8-3表 掘进工程学 第三讲资源学院勘查系掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 煤矿井下常用钻机多为：DK-30 ZSK-50 介绍三种：1、DK-150型钻机 包括：主轴、泵组、操纵台，连接：油管、电缆 施工角度：0-360 钻杆：33（43.5）mm 最大孔深：150-200m 动力方式：机械-液压 钻进方式：回转 转速：135-1290 r/min r-return 动力大小：7.5 kw 钻头直径：36 46.5 5
5、9.5 mm 钻杆直径：33 43.5 55.5 mm 钻进深度：不同方向、钻具不同，钻进深度不尽相同，见下表：掘进工程学 第三讲资源学院勘查系2、钻石100A-F型钻机 风动马达驱动，主机和油泵 特点：（液压）机械式动力头，液压给进（拉送钻具）液压夹持器 液压卡紧与松开的液压卡盘 实现液压系统联动 通过双柱的回转套和回转头，控制安装角 快速正转和慢速反转 具体在钻探已作介绍，这里不详细说明了掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 3、MK-300型钻机 组成：主机、操纵台、动力机组和油箱 连结：软管 特点：全液压传动、孔径较大、转速较低 主轴通孔径78mm，配不同内径的卡瓦，可用不同规格的钻杆高低
6、无极调速，用链条倍速机构使回转器沿机身导轨“上下”往复移动，实现拔起与缩进。液压夹持器用于固定孔内钻具。侧向开合装置，方便安装与钻进哈拔起。双主机与滑覆底座相结合，稳定性好。掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 二、坑道钻探设备的选择和安装二、坑道钻探设备的选择和安装 1、选择设备 根据坑道的客观条件、工作量的大小、钻孔深度及现有设备选择 钻具：一般100m 深度内选：DK-150型、钻石100型、MK-100型 100-300m深度选：钻石300、MK-300 大于300m的地下钻孔，无专用钻机，多用地表钻机。无专用钻机时，浅孔也可用地表钻机改装或直接用于地下坑道 泵的选择：往复泵 卧式往复泵：
7、单缸、双缸双作用活塞泵、三缸单作用柱塞泵通常稍大些，保证工作顺利 2、安装：有专门人员负责（自学）掘进工程学 第三讲资源学院勘查系第三节第三节 坑道钻进工艺坑道钻进工艺 根据坑道钻孔的情况，多为水平孔、缓倾斜孔和上仰孔，各种钻孔有其特殊的工艺特性。一、钻进工艺参数一、钻进工艺参数 1、钻压 Pk=Pn-abl其中Pk 实际钻压，N；Pn指重表上的钻压读数，N；与钻孔直径和钻杆直径有关的经验系数 50mm钻杆，a=2.1 42mm钻杆，a=1.6 54mm轻合金钻杆，a=1.58与转速有关的经验系数，b与转数n呈线性关系 当n=100-170r/min时，b=0.95-0.8l孔深，m。这些经验
8、系数是通过试验得来（如钻探研究所、生产单位）。同时要考虑钻压损失值。掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 2、转速 在钻探中已讲过转速与钻进、钻具、岩石强度的关系，不要造成转速越快钻进越快的错觉，它与钻具、岩石强度、给进压力等有关。二、钻孔弯曲与测量二、钻孔弯曲与测量 1、钻孔弯曲的某些规律 与倾角、岩性、孔深及钻具的质量等有关。例如：水平孔或微斜孔钻进，倾角变化大，而方位角变化不大 浅孔：与岩石性质及埋深、钻孔与岩层夹角有关，随深度增加倾角上漂。“层理”明显的变质岩中浅孔时，倾角呈下垂趋势。掘进工程学 第三讲资源学院勘查系2、钻孔弯曲的预防 为了防止钻孔弯曲（有特殊要求钻孔，如找出水点、科学试验
9、、监测等，要求不得孔斜超过一定限制），根据所钻地区（点）钻孔弯曲的规律，采用提前反方向预扭一个角度或采取必要的防斜措施。如1979年四川达县一地质队在资源勘探中出现钻孔强烈弯曲 3、钻孔弯曲的测量 施工大倾角的钻孔：用测斜仪 水平孔或微斜钻孔：专门的测量仪器。如国产XJS-35型专用水平测斜仪（非磁性），仪器外径测量总长：30mm1100mm，测角范围0-60（仰、俯），分度值21，方位角测量范围：0-360，分度值误差2掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 三、水平孔钻进的功率消耗三、水平孔钻进的功率消耗 主要消耗在钻进过程中，升降工序时功率消耗小（对于地表钻进升降工序则消耗大，超深孔时甚至超过
10、钻进消耗）四、钻孔复杂情况与处理四、钻孔复杂情况与处理 1、钻具的防震与润滑 此时的钻杆有如一根梁，中点（A处）处弯曲绕度最大，由于钻杆的中心 A偏离（见右图红线）钻孔轴线，产生纵向、横向和扭转震动。另一类就是孔壁间隙大，主动钻杆偏心夹持，导致震动。结果增大钻杆与孔壁的摩擦，磨损钻杆。为了减小摩擦，加入润滑减阻剂，可以起到减震、减磨损、减功率消耗效果。孔壁掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 2、孔内事故的预防与处理 事故原因：钻杆折断：这是钻进中常见的事故，尤其在水平钻进中，由于摩 擦、孔内杂物多（岩屑碎块）、润滑不良、压力过大等，易使钻杆、接头处折断，造成断杆事故。烧结：冲洗液不足或钻杆接头漏
11、水，造成孔底成干钻而烧结。卡、埋钻：孔内不清洁，孔壁不稳定上部岩石跨落而卡-埋钻。事故处理与预防 常检查钻杆与接头处；润滑液冲洗或在钻杆上涂润滑脂 在裂隙发育的破碎地段钻进时，采用“干”固孔法。为什么？掘进工程学 第三讲资源学院勘查系第三章第三章 岩土掘进工程概述岩土掘进工程概述第一节 勘探坑道的类型 按照开掘的位置不同，分地表坑道和地下坑道。一、地表坑道一、地表坑道 岩土掘进工程是地质工程的主要内容之一，也是重要技术手段。在资源勘查中，为圈定和查明矿床、地质构造而挖掘的探槽、浅井、平巷、斜井和竖井等-勘探坑道。地表坑道：探槽、浅井-地表或浅部勘探坑道（实际上地表坑道的掘进还有水平的引水涵洞、
12、铁道工程中的隧道掘进、军事工程中的“狭义”坑道掘进等）。1、探槽 地表3m以内的浮土及风化岩层中挖掘，断面尺寸不大（你们在秦皇岛实习已见过），深 0.6-3m度较浅，且很长。0.6-0.8m 倒梯形断面 目的：追索与圈定矿体上部的岩性特征 新区的地层划分 构造形态恢复掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 2、小圆井 它是在稳定干燥的表土（岩）层内挖掘的，=0.8-1.0m的圆形断面井筒。探测基岩埋深或矿体顶面埋深，深度5m。3、浅井 在20m以内的浮土及岩矿层内挖掘的垂直井筒，断面面积 0.96-2.21m2。目的：浮土较深地区的基岩埋深 了解砂矿和埋藏较浅的水平矿体的产状、厚度、成分及品位。探明
13、倾斜矿体浅部的产状、成分及品位。重要建筑物（如高层建筑）的地基土层勘查。掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 二、地下坑道二、地下坑道 把探矿平巷、探矿斜井及探矿竖井称为-地下深部勘探坑道。1、水平坑道 坑道的轴向中心线与水平线几乎平行。目的：勘探和追索矿体 采矿用的平峒、平巷、石门-开采的技术因素 这里要介绍一下煤矿上经常用到的术语：平峒：矿山的主要生产巷道，有地表出口，坡度0.3%-0.7%平巷：平行于岩层走向的水平巷道 掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 石门：垂直岩层走向的水平巷道 沿脉：无与地表相通的出口，沿脉顺矿体走向掘进，以探明矿体沿走向方向上的变化。穿脉：无与地表相通的出口，垂直矿体
14、走向掘进，以探明矿体厚度和垂直走向方向上的变化。煤矿中：沿脉煤巷：即沿煤层掘进的水平巷道 穿脉煤门：即垂直煤层走向掘进的水平巷道掘进工程学 第三讲资源学院勘查系穿脉（煤门）咳！这是沿脉（煤巷）地 面掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 2、倾斜巷道 坑道的轴向中心线与水平线相交，倾角一般不超过45。斜井：在岩层或矿体内掘进的倾斜巷道，它与地表有直接出口。在煤矿（矿山）作为主要生产巷道，在其内安装运输机、提升设备。地表斜井矿体掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 在煤矿中还常用井巷术语有：上山和下山 上山：从水平坑道沿矿体（岩层）按一定倾角向上掘进的坑道。与地表无直接出口，一般长度300m。煤矿中是在运
15、输大巷沿上坡（倾向向上）方向掘进的倾斜巷道。下山：从水平坑道沿矿体（岩层）按一定倾角向下掘进的坑道。与地表无直接出口，一般长度300m。在煤矿中又分为：机上（下）山：运输机上（下）山 轨上（下）山：轨道上（下）山 顺槽：沿煤层开掘上（下）山 溜子道：穿煤层用于溜煤的倾斜巷道。掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 3、垂直巷道 坑道的轴向中心线与水平面垂直的巷道。分为：竖井、天井、暗井（盲井）目的：勘探埋深较大的复杂矿床，尤其是稀有金属矿床。竖井（又称立井）：由地表垂直向下掘进的垂直坑道，深度大于20m，地勘竖井100m,断面：1.6-6.0m2之间。天井和暗井：由水平巷道向上或向下掘进的垂直巷道。
16、天井与地表有直接出口，但断面比竖井小得多。暗井与 地表没有直接出口。在煤矿中为生产巷道。掘进工程学 第三讲资源学院勘查系第二节第二节 岩土掘进工程的特点及施工工序岩土掘进工程的特点及施工工序 一、岩土掘进工程的特点一、岩土掘进工程的特点 掘进工程：在资源勘探中是为掌握矿区地质构造、矿体埋藏情况或完成某种基础任务而进行的地下系统工程。首先了解一下采矿、勘探坑道特点：1、采矿坑道特点 以采出矿石为目的而布置。断面尺寸和深度比较大，相互贯通，有两个或两个以上出口，服务年限比较长。2、勘探坑道特点 以探明矿体的产状、形态、数量、质量及地质、水文情况为目的，坑道的设计和施工有明显的探索性。基础工程中坑道
17、：为工程服务的目的，单一。特点：独头坑道、工程分散、互不贯通、断面尺寸和长度较小、服务年限短。掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 3、岩土掘进特点 地下多工序的综合作业：技术、经济及安全保障。通常它所处的施工地区交通不便、能源缺乏。另一类掘进则是在交通繁忙、人口密集的地区，如重庆市的城市 轻轨交通，就要穿过交通繁忙和居民区，从地下通过。服务年限不长，断面尺寸较小（勘探坑道），故只能用小型机械设备 或因陋就简。在基础工程坑道中则是断面较大（如隧道、导流涵洞等），服务 年限长，且保证地表正常的交通、生活秩序，多采用大型 掘进机械。坑探工程如能与采矿相结合，则对于小型矿山具有特殊意义，坑探工 程可以为
18、后续开采服务。二、施工工序二、施工工序 1、地表探槽施工 工序比较简单，只要揭露表土或风化层使原岩出露，即可达到预计目的。掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 2、地下坑道施工工序 是一项较为复杂的系统工程，包括前期的准备工作、坑道掘进和掘进后的收尾工作。1）前期的准备工作 根据施工地区的交通情况、地理位置、能源情况及施工工程的目的，完成以下工作：平整施工地区的生活区和坑口作业场地-清理场地有计划地进行工业建筑和生活建筑，如各类机房、库房、办公用房、生活用 房-建立所需的临时建筑物 解决施工现场的生产、生活用电及用水-建立能源系统准备各种消防器材，制定防洪、防火措施，施工场地安全措施-安全保障 2
19、）坑道掘进 根据不同目的，采用不同的掘进方式和机械，后面分别讲述。3）掘进后收尾工作 在工程验收合格后，确定不再进行施工时，必须组织人员，把物资、设备转移到新的施工地点或移交给有关部门，并对施工场地、生活场地清理，恢复面貌。掘进工程学 第三讲资源学院勘查系 第三节第三节 岩土掘进工程中岩石的分级岩土掘进工程中岩石的分级 这在第一章中已经详细介绍了，不再重复。但在工程掘进中常与岩体打交道，所以这里重点介绍有关岩体的分类。一、有关岩体（围岩）的概念一、有关岩体（围岩）的概念 岩体：是指地下工程周围较大范围的工程地质体。围岩：是地下工程施工影响区域内的岩体。稳固性：是指岩体允许暴露面积的大小及暴露时
20、间长短的性能。掘进工程学 第三讲资源学院勘查系二、岩体的稳固性分类二、岩体的稳固性分类 根据岩体的稳固性不同，将岩体稳固性分为5类：极稳固的：允许不需支护的暴露面积在800m2以上，长期不跨。稳固的：不支护面积在200-800m2。采掘一般不支护，在 极个别的地方要支护。中等稳固的：不支护面积在50-200m2。采掘时可以不立即 进行支护。不稳固的：较小的不支护暴露面积，50m2。随着坑道采 掘工作的推进，要立即支护，尤其风化层施工 中更是如此。极不稳固的：不允许有暴露面积，否则可能产生片帮（坑 道壁跨落）或冒顶（坑道顶跨落）现象，掘进 时要采取超前支护方法。掘进工程学 第三讲资源学院勘查系三、煤炭系统锚喷支护围岩分类三、煤炭系统锚喷支护围岩分类煤炭系统根据生产中围岩类型，划分了围岩稳固类型：
