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《井巷工程》课程设计必备指导书

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2020年5月29日
文档仅供参考

矿山安全技术与监察专业

<井巷工程>课程设计指导书

入学文化: 高 中
学 制: 三 年
周 数: 一 周

湖南安全技术职业学院 安全技术系

二0一一年十二月
井巷工程课程设计是在<井巷工程>课程结束后进行的一个实践性教学环节,是对一次综合性专业设计训练。经过课程设计可对<井巷工程>及相关课程所学内容进行融会贯通,使所学知识得到进一步巩固和加强,培养学生在设计方案选择、设计计算、工程绘图、文献查阅、运用有关施工标准和规范等方面的基本技能,同时提高独立分析问题和解决问题的能力。
第一章 设计条件与任务
一、设计条件
1.共计五个矿,均为煤矿,年生产能力分别为:一矿30万吨、二矿45万、三矿60万吨、四矿90万吨,五矿12万吨;
2.瓦斯等级,均属于高瓦斯矿井,采用中央分列式通风;
3.地质情况,巷道周围100米内无大断层;井下每小时最大涌水量为:一矿200m3、二矿300 m3、三矿240 m3、四矿350 m3、五矿150 m3;岩石坚固系数为:一矿f=4-5、二矿f=6-8、三矿f=7-9、四矿f=6-7、五矿f=9-10;
4.主要运输设备,各矿采用ZK7－6/250架线式电机车牵引1.5吨矿车运输;
5.通风情况,各矿设计巷道要求每秒经过风量分别为:一矿25m3、二矿30 m3、三矿40 m3、四矿50 m3、五矿20 m3;巷道内敷设一趟200毫米的压风管和一趟100毫米的水管;
5采用”三八”作业制。
二、分组方法
学号为1-10的学生设计一矿;学号为11-20的学生设计二矿;学号为21-30的学生设计三矿;学号为31-40的学生设计四矿;学号为41-55的学生设计五矿。
三、设计题目
**矿水平运输大巷直线段掘进施工设计
四、设计任务
(1)设计水平运输大巷直线段的断面;
(2)设计运输大巷爆破方案;
(3)选择运输大巷支护方案。
根据设计任务书给定的基本条件,用简洁的文字进行总结叙述。
第二章 井巷断面形设计
巷道断面设计,主要是选择巷道断面形状和确定尺寸大小,它是矿山井巷工程设计的一项主要内容。设计出的巷道断面直接作为井下巷道施工的依据,也是进行井巷工程概预算的依据。因此,巷道断面设计合理与否,直接影响煤矿生产的安全和经济效益。
巷道断面设计的基本原则是:在满足安全和使用要求的条件下,力求提高断面利用率,缩小断面,降低造价,便于快速施工。
巷道断面形状按其轮廓线可分为折边形和曲边形两类。前者如矩形、梯形和不规则形;后者如三心拱形、半圆拱形、圆弧拱形、顶底拱形、椭圆形和圆形等,如图所示。

巷道断面形状的选择,主要取决于下列因素:
(1) 巷道穿过岩层的性质,矿压的大小和方向;
(2) 巷道的服务年限和用途;
(3) 支护方式和支护材料。
这三个因素之间是互相联系的,一般是根据前两个因素选择出支护和支架材料以后,就能得出巷道断面的形状。
在稳定或中等稳定、地压较大的岩层中,开掘断面小、服务年限不长的巷道,选用木支架,或服务年限较长,用工字钢或π形支架支护的巷道,多采用梯形或矩形断面。
在不稳定、地压大的岩层中,或服务年限长而用混凝土、砖或金属支架支护时,巷道多采用拱形断面;当围岩特别松软、底鼓严重时,则常采用带底拱的封闭拱形、椭圆形或圆形断面。
当巷道经过薄煤层时,为了保护顶板岩层的完整和便于开掘,巷道断面的形状常采用不规则形,如半梯形、半拱形等。
采用锚喷支护的巷道,断面形状选择较灵活,此时主要考虑巷道的服务年限和地压大小;采用综合掘进机掘进的巷道,其巷道断面形状由破岩机构决定。
巷道断面形状确定以后,就要确定巷道的断面尺寸。巷道断面尺寸是根据经过巷道中运输设备的类型和数量、运行速度、轨道数目、支护材料及结构形式和各种安全间隙等来确定的。最后,还必须用经过该巷道的风量来校验,应满足通风要求。
第三章 井巷断面尺寸计算确定(包括设备选型)
主要任务是井巷净断面的选择确定、井巷断面积计算与校核、 井巷支护的选择与确定、 道床、罐道参数确定、 井巷掘进尺寸计算与确定、井巷水沟、管缆布置及其它计算
一、巷道净宽度的确定
拱形巷道的净宽度是指直壁内侧的水平距离。对梯形巷道,当其内设置运输机械或者通行矿车、电机车时,净宽度是指运输设备顶面的巷道宽度;当巷道内不设置也不通行运输设备时,则净宽度是指其净高1/2处的水平距离。
二、巷道净高度的确定
巷道净高度必须保证车辆运行的安全和行人的方便。<煤矿安全规程>规定:主要运输巷道和主要风道净高(架线式电机车运输巷道除外),自轨面起不得小于2.0 m,采区(包括盘区)内的上下山和平巷的净高不得小于2.0 m,薄煤层内不得小于1.8 m。架空线的悬挂高度,自轨面起不得小于下列规定:有行人的巷道内、车场内以及人行道同运输巷道交叉的地方为2.0 m;不行人的巷道内为1.8 m;在井底车场内,从井底到乘人车场为2.2 m。
三、风量演算
井下在用巷道都要通风,当经过巷道的风量按需要确定后,巷道断面越小,风速就越大。风速过大,不但会扬起煤尘,影响工人健康和降低生产效率,而且易引起煤尘爆炸事故。为此,<煤矿安全规程>规定了各种用途巷道允许经过的最大风速
用风速验算巷道断面尺寸的公式如下:
v=QS≤［v］(5-1)
式中v——巷道经过的风速,m/s;
Q——经过巷道的风量,m3/s;
S——巷道净断面面积,m2;
［v］——巷道允许经过的最大风速,m/s。
第四章 爆破设计
一、 凿岩爆破
(1)凿岩设备和工具的选择;
(2)炮眼布置和爆破参数的选择设计:炮孔布置方式、最小抵抗线、孔底距、孔口距、排距、炮孔倾角、炮孔直径和深度、崩矿层的厚度;计算一次崩落量和每米炮孔的崩落量;
(3)根据凿岩机的凿岩台效,确定工作面的凿岩时间和所需要的凿岩机台数;
(4)炸药的选择,单位炸药消耗量的决定,装药量的计算,装药设备的选择,装药方法,起爆器材和起爆方法,爆破网路的设计计算;
二、通风
(1)通风系统、线路、方式和制度;
(2)防尘措施;
(3)风量计算和通风时间。
三、出渣与运搬
(1)出渣设备和运搬设备的选择;
(2)出渣管理和制度;
(3)二次爆破方法;
(4)确定出渣设备台效和工作面出渣时间。
四、地压管理
巷道支护材料和方式,支护厚度等的详细计算。
五、作业循环
(1)简要说明所采用的掘进工作队形式和人员组成。
(2)根据前面的计算,编制完成一个掘进作业循环的图表,计算一个掘进循环的时间,计算掘进效率。掘进循环图按下表方式编制。
第五章 循环图表的编制
循环图表的编制,就是要将一个循环中各个工序的工作持续时间和其相互在时间上的衔接关系用图表的形式表示出来,以指导巷道施工。
一、合理选择施工作业方式和循环方式
首先应根据设计的巷道断面和地质条件、施工任务以及施工技术水平和设备等因素,选择并确定巷道施工的作业方式。在中国当前条件下,应尽可能采用一次成巷多工序平行作业,但随着掘进机械化水平的提高,以钻眼和装运岩石为主要工序的顺序作业也应予以考虑。循环方式,一般条件下可采用每班一个循环或每班2～3循环,若断面大、地质条件差的巷道,亦可实行一日一循环。施工中应尽量做到小班循环次数为整数,即一个循环不要跨班(日)完成,否则易造成工序之间互不衔接,施工管理困难,这对实现正规循环作业是不利的。因此,当求得的小班循环次数非整数时,应调整为整数。调整方法应以尽量提高工效和缩短辅助作业时间为原则。
关于工作制度,当前中国煤矿多数都采用”三八”作业制,但有的煤矿在组织岩巷快速施工时,因劳动强度大,辅助工作量多,也常采用”四八交叉”作业制,这种作业制度对提高劳动生产率、加快掘进速度是有利的。
二、确定循环进尺
掘进循环进尺与掘进循环次数是密切相关、互相制约的。只要循环进尺确定了,则每个循环的工作量也就确定了,同时也就确定了每个循环所需的时间,从而可求得每小班的循环次数。可是,循环进尺决定于炮眼深度,因此还必须根据钻眼爆破效果的合理性来确定。根据中国当前的钻眼爆破技术条件,一般以1.5～2.0 m的炮眼深度较为合理。当然,随着高效率凿岩机和爆破器材的应用,可进一步采用2.5～3.0 m的中深孔爆破,这对提高掘进速度更为有利。
三、确定各工序和循环时间
当确定了炮眼深度,也就知道了各主要掘进工序的工作量,然后可根据设备情况、工作定额(或实测数据)计算各工序所需要的作业时间。在所需的全部作业时间中,扣除能够与其它工序平行作业的时间,便是一个循环所需要的时间,即
T=T1+T2+(t1+t2)+T3+T4
一般情况下,交接班时间T1为20 min;爆破通风时间T4为15～20 min。
装药联线时间T3与炮眼数目和同时参加装药联线的工人组数有关,即
T3=N tA (11-3)
式中N——工作面炮眼总数;
t——一个炮眼装药所需时间;
A——在工作面同时装药的小组数。
钻眼时间:
t1+t2=NLmv(11-4)
式中L——炮眼平均长度,m;
m——同时工作的凿岩机台数;
v——凿岩机的实际平均钻速,m／h。
装岩时间:
T2=SLη·sin αnP(11-5)
式中S——巷道掘进断面积,m2;
η——炮眼利用率,一般为0.8～0.9;
P——装载机实际生产率(指实体岩石);
n——同时工作的装载机台数;
α——炮眼的平均倾角。
将以上各式代入式(11-2)得:
T=T1+T2+t2+T3+T4=T1+T2+(t1+t2)+T3+T4
＝T1+SLη·sin αnP+NLmv+NtA+T4(11-6)
在实际工作中,为了防止难以预见的事故及短时间停工而打乱循环,应考虑留有10%的备用时间,故循环时间为
T=1.1(T1+SLη·sin αnP+NLmv+NtA+T4) (11-7)
从式(11-7)还能够看出,如先确定循环时间,也能够求出相应的平均炮眼深度。即
L=0.9T-(T1+NtA+T4)Nmv+Sη·sin αnP(11-8)
平均炮眼深度为
L1=L·sin α·m(11-9)
经过以上的计算及初步确定的数据,即可着手编制循环图表。编制出来的循环图表还要在实践中进一步检验修改,使之不断完善,才能真正起到指导施工的作用
掘进工作面循环图表
工序
名称
工作量
定额
时间/min
循环时间/h
1
2
3
4
5
6
7
8
交接班

安全检查

看中腰线

准备打眼

打眼

装岩

清扫炮眼

装药联线

爆破

通风

临时支护

铺轨

砌水沟

永久支护

其 她

第六章 支护方案选择与设计
一、 木支架
巷道中常见的木支架是梯形支架,由顶梁、棚腿和背板、木楔等组成,其结构如图10-1所示。顶梁承受顶板岩石给它的垂直压力和由棚腿传来的水平压力,为压弯构件。棚腿承受顶梁传给它的轴向压力和侧帮岩石给它的横向压力,也是压弯构件。背板将岩石压力均匀地传给主要构件梁与腿上,并能阻挡岩石垮落。根据围岩的稳定程度,背板可密集或间隔布置。木楔的作用是使支架与围岩紧固在一起,防止爆破崩倒支架,木楔应向工作面方向打紧。撑柱的作用是加强支架在巷道轴线方向上的稳定性。
二、金属支架
金属支架常见11～16号矿用工字钢或18～24 kg/m钢轨制成。其结构和梁、腿结合形式如图10-3所示。梁腿连接要求牢固可靠,安装、拆卸方便。但不够牢固,支架的稳定性较差;为了防止棚腿受压陷入底板,可在其下端焊一块钢垫板或加垫木。
金属支架具有强度高、体积小、坚固耐久、防火和可回收复用等一系列优点,是良好的坑木代用品。其缺点是不能封闭围岩,不能阻水和防止岩石风化,初期投资大。
金属支架常见于采煤巷道,在断面较大、地压较大的其它巷道也可采用。在一次成巷中,利用它作临时支架较为理想,但在有酸性水腐蚀的地区不宜使用。
U形钢可缩性金属拱形支架,适用于地压大、地压不稳定、围岩变形较大的地段。
三、装配式钢筋混凝土支架
这种支架简称水泥支架。它充分利用了混凝土与钢筋的受力特性,使混凝土在构件中承受压力,钢筋承受拉力,不但提高了结构的承受能力,而且又节约了材料。这种支架可分为普通型和预应力型两种。
四、锚杆的类型、结构和适用条件
锚杆有木锚杆、金属锚杆、水泥锚杆和树脂锚杆等类型。
(一) 金属倒楔式锚杆
此种锚杆由杆体、固定楔、活动倒楔、垫板和螺帽组成,如图10-18所示。杆体用14～22 mm的圆钢制作,其一端有螺纹,另一端与固顶楔浇注在一起。固定楔、倒楔、垫板用铸铁制作。安装时,将活动倒楔的小头朝向孔底并与固定楔绑在一起,一齐送入锚杆孔的底部,然后用一专门锤击杆插入孔内,打击倒楔尾部,最后套上垫板,拧紧螺帽。
这种锚杆属端头锚固型,安装后可立即承载,结构简单,易于加工,并可回收。锚固力达40 kN左右。常见于围岩比较破碎,需要立即承载的地下工程,20世纪80年代中国矿山使用广泛。
(二) 钢筋或钢丝绳砂浆锚杆
(1) 钢筋砂浆锚杆。施工时,先向锚杆孔内注满标号为25号以上的水泥砂浆(砂浆用325号或425号普通硅酸盐水泥和粒径小于3 mm的中细石英砂,按水泥∶砂=1∶(2～3),水灰比为038～042制成),然后插入16～20 mm螺纹钢筋,利用砂浆与钢筋、孔壁间的粘结力锚固岩层［图10-19(a)］。

图10-19钢筋、钢丝绳砂浆锚杆
1—钢丝绳;2—砂浆;3—钢筋
(2) 钢丝绳砂浆锚杆。它是利用直径10～19 mm的废旧钢丝绳代替钢筋插入锚杆孔内,然后注入砂浆固结而成［图10-19(b)］。设计锚杆固力30～50 kN。钢丝绳砂浆锚杆成本低,广泛用于有一定自稳时间的岩石巷道,特别是巷道两帮。由于不能立即承载,在围岩破碎处不宜使用。
(三) 树脂锚杆
树脂锚杆是由树脂药包和杆体组成(图10-20)。安装时,药包用锚杆体送入孔后,转动杆体将药包捣破,随之上垫板拧紧螺帽,使化学药剂混合进行化学反应,将锚头与孔壁岩石粘结在一起。使用115型树脂锚固剂,可在3～5 min内凝胶,15 min后即可套上垫板紧固螺帽;使用82型锚固剂,可在15～60 s内凝胶,5 min后锚固力可达40 kN以上。
树脂锚杆多为端头锚固型,不宜用于软岩。由于成本高,20世纪80年代后,有被快硬水泥锚杆和快硬膨胀水泥锚杆取代的趋势。

图10-20树脂锚杆及药包示意图
1—树脂、加速剂与填料;2—固化剂和填料; 3—玻璃管纤;
4—玻璃纸或聚脂薄膜外袋;5—左旋麻花;6—挡圈

图10-21快硬水泥卷结构
1—滤纸内套;2—快硬水泥;
3—玻璃纤维砂网外套
(四) 快硬水泥锚杆
快硬水泥锚杆的杆体结构与树脂锚杆相同,只是用快硬水泥卷代替了树脂药卷(图10-21)。水泥卷直径37 mm,长度为270 mm、205 mm时水泥装量分别为421 g、320 g,使用前需浸水2～3 min,在锚杆孔内经杆头搅拌,12 min后锚固力开始增长,1 h后锚固力高达60 kN左右。由于成本(约为树脂锚杆的1/4)低,材料来源广,很有前途。适用于围岩自稳时间超过12 min的各类永久性地下工程。配合先喷后锚,在软岩中亦可应用。

图10-22快硬膨胀水泥卷结构
1—塑料袋;2—套;3—水纸;
4—锚固剂;5—空心纱网
(五) 快硬膨胀水泥锚杆
快硬膨胀水泥锚杆是用快硬膨胀水泥卷(图10-22)取代快硬水泥卷。锚杆前端焊有14 mm或6 mm钢筋,杆前端焊有38～40 mm的阻挡垫圈,另一端车有螺纹。安装时,把水泥卷的塑料袋、纱网内的圆纸筒去掉,把水泥卷串入杆体放在阻挡垫圈上,并在水泥卷上套加一垫圈,将水泥卷插入水中浸泡3～5 s后送入锚孔中用冲压管轻轻压实后,用力冲几下,而后套上垫板,紧固螺母(图10-23)。用一个水泥卷,2～5 min后锚固力可达20～40 kN;用两个水泥卷,锚固力可达60～90 kN。

图10-23快硬膨胀水泥锚杆结构及使用过程
1—金属锚杆杆体;2—阻挡垫圈;3—水泥卷;
4—垫圈;5—冲压管;6—垫板;7—螺帽
快硬膨胀水泥锚杆井下工业试验效果良好,由于锚固剂来源丰富、锚速快、锚固力大、成本低,可大量推广应用。

图10-24管缝式锚杆
(六) 管缝式锚杆
管缝式锚杆又称开缝式或摩擦式锚杆,由美国詹姆斯·斯特科于1972年创造。它是采用高强度钢板卷压成带纵缝的管状杆体(图10-24),外径38.1 mm,用凿岩机强行压入比杆径小1.5～2.5 mm的锚孔。为安装方便,打入端略呈锥形。由于管壁弹性恢复力挤压孔壁而产生锚固力,属全长锚固型锚杆。
中国于20世纪80年代初引进,试制用的材料为屈服应力大于350 MPa的16Mn和20MnSi钢,管壁厚2.0～2.5 mm,管径38～41.5 mm,开缝为10～14 mm。由于锚固力大(60 kN以上),结构简单,制作容易,安装方便,质量可靠,因而迅速在全国推广。
五、 锚杆支护设计
各类锚杆的结构和尺寸已逐步标准化,使用时可根据地质条件、技术情况,参照有关的经验数据进行选取。必要时,可经过锚固力试验和巷道围岩移动观测予以调整。下面介绍的计算方法,可供锚杆参数选用时参考。
(一) 按加固拱原理确定锚杆参数
按挤压加固拱原理(图10-13),锚杆长度和间距可按下式确定:
b=(L·tanα-α)/tanα (10-1)
式中b——加固拱厚度,m;
L——锚杆有效长度,m;
α——锚杆在松散体中的控制角,(°);
a——锚杆的间距,m。
锚杆的控制角如果按45°计(对于破裂体较安全),则
b=L-a (10-2)

图10-25锚杆悬吊作用计算图
根据上式,如果按常见锚杆长度L=1 600～1 800 mm,锚杆间距a=600～700 mm,则加固拱厚度b=900～1 200 mm,这相当于2～3层的料石碹拱厚度,而且还具有料石拱所不具有的可塑性。
(二) 按悬吊理论计算参数
按锚杆的悬吊作用,锚杆参数可参照图10-25按以下公式求得。
(1) 锚杆长度:
L=KH+L1+L2 (10-3)
式中L——锚杆全长,m;
K——安全系数,一般取2;
H——软弱岩层厚度(或冒落拱高度),m;
L1——锚杆锚入稳定岩层的深度,一般为0.25～0.3 m;
L2——锚杆外露长度,一般为0.1 m。
(2) 锚杆间距。要求每根锚杆悬吊岩石的重量要小于或等于锚杆设计锚固力Q或杆体拉断力P。即
Q=KHa2γ (10-4)
P=πd2σ/4 =KHa2γ (10-5)
式中Q——锚杆锚固力(取现场实测数的平均值),kN;
a——锚杆的间排距,m;
γ——软弱岩层(被悬吊岩层)的平均重度,kN/m3;
P——锚杆杆体拉断力,kN;
d——杆体直径,m;
σ——杆体材料的设计抗拉强度,210 MPa。
由上面的公式,能够得到锚杆间排距计算公式:
a=(Q/KHγ)1/2 (10-6)
或a=0.887d(σ/KHγ )1/2 (10-7)
(三) 锚杆的布置
根据围岩的性质,锚杆可排成方形、三花形、五花形等。方形、三花形适用于比较稳定的岩层;五花形适用于稳定性较差的岩层,其布置如图10-26所示。锚杆的锚入方向,应与岩层面或主要裂隙面成较大的角度相交,尽可能与其正交;层面与裂隙面不明显时,锚杆应垂直于巷道周边锚入。

图10-26锚杆的布置方式
(a) 方形布置;(b) 五花形布置

第七章 井巷工程掘进技术经济指标
编制井巷工程掘进的主要技术经济指标汇总表,包括巷道断面特征,支护形式、厚度,每米巷道掘进工程量,材料消耗表等,可采用列表的形式。
结束语(或者致谢)
对整个课程设计进行必要的总结,包括设计内容及设计过程中所帮助过或者其它人员致谢。
参考文献
[1]周昌达 主编．井巷工程,第二版[Ｍ］．北京:冶金工业出版社,1994
[2]东兆星 吴士良 主编. 井巷工程,第一版.徐州:中国矿业大学出版社,
[3]煤矿安全规程编写组 编煤矿安全规 第一版. 北京:煤炭工业出版社,
[4]吴再生 主编. 井巷工程,第一版.北京:中国矿业大学出版社,
……
注:时间安排
1．准备与答辩:0.5天;
2．初步确定巷道形式及相关计算:1天;
3．爆破设计:1天;
4．支护方案与设计1天
5.完成巷道断面图、爆破施工图的制图工作:1天;
6．编写说明书:0.5天。
考核方式
答辩成绩+表现成绩+课程设计成果成绩,各占1/3。