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井巷工程设计

某铅锌矿-60m运输大巷断面和支护设计

一、巷道断面形状选择

该矿为铅锌矿，并且设计年产量为80万t，属于中型的冶金矿山，一般来说，其第一水平的运输大巷服务年限较长，又因其穿过中等稳定围岩，故其巷道承受地压较大。

因此，根据其年产量、服务年限、承受地压等特点，在此选用拱高f0=B0/4的三心拱形断面，轨距为600mm双轨运输线路，锚喷支护作为永久支护。

二、确定运输大巷尺寸

（一）确定净宽B0

由《矿山采矿设计手册·井巷工程卷》（以下简称手册）查表1-3-3知：

ZK10-6/250电机车长4500mm、宽1060mm、高1600mm、两轨中心距1400mm，YCC（1.2）矿车长1900mm、宽1050mm、高1200mm、两轨中心距1350mm，两者相比之下取较大值，故运输设备宽度b=1060mm，两轨中心距s=1400mm。

又由手册中表1-3-2以及表1-3-1分别查得，对于冶金矿山，非人行侧安全间隙b1=300mm，人行道宽度b2=800mm。

表1-3-1人行道宽度表（mm）

冶金部门

建材部门

化工部

≥800

≥800

≥800

>800

≥800

≥800

≥1000

≥1000

≥1000

≥800

≥700

≥700

≥10000

≥10000

≥10000

≥10000

表1-3-2安全间隙表

运输设备

设备之间

与支护之间

冶金部门

建材部门

化工部门

冶金部门

建材部门

化工部门

有轨运输

≥300

≥250

≥300

≥300

≥250

≥300

无轨运输

≥600

≥600

皮带

≥400

≥400

≥400

≥400

表1-3-3设备外形尺寸及线路中心距表（mm）

运输设备

设备外形尺寸

轨距

中心距

长

宽

高

井下矿用架线式电机车

1.5t

2420

920

1550

600

1250

1090

762

1400

1220

900

1550

3t

2980

980

1550

600

1300

1150

762

1450

1280

900

1600

6t

4500

1060

1600

600

1400

1230

762

1550

1360

900

1700

10t

4800

1060

1600

600

1400

1230

762

1550

1360

900

1700

14t

4900

1360

1600

1700

20t

7390

1600

1700

1900

固定式矿车

YGC0.5（6）

1200

850

1000

600

1150

1500

850

1050

600

762

1150

3000

1200

1200

600

762

1350

3000

1200

1200

600

762

1500

YGC4.0

3700

1300

1550

762

900

1650

YGC10.0

7200

1500

1550

762

900

1800

翻转式厢车

YFC0.5

1500

850

1050

600

1150

YFC0.7

1650

980

1050

600

762

1300

YFC1.2

900

单侧曲轨侧卸式

YCC0.7

1650

980

1050

600

1300

YCC1.2

1900

1050

1200

600

1350

YCC2.0

3000

1250

1300

600

762

1550

YCC4.0

3900

1400

1650

762

900

1700

YCC6.0

5000

1800

1700

762

900

2100

底卸式

YDC4.0

3900

1600

1600

762

1900

YDC6.0

5400

1750

1650

762

900

2050

YDC10.0

900

故净高度：

B0=b1+b+s+b2

=300+1060+1400+800

=3560mm

将计算出的净宽度按50mm进级，取B0=3600。

（二）选择道床参数

该矿年生产能力80万吨，又根据井内运输设备，查表1-7，选用24Kg/m钢轨，采用钢筋混凝土轨枕。

由表1-8查得轨面水平至底板水平之间距离h6=400mm，道渣层厚度hd≥90mm，此处取150mm，轨枕高度取150mm，底板水平到道渣水平之间的距离h5=250mm，所以道渣至轨面的高度h4==h6-h5=400-250=150mm.

表1-7运输量与电机车质量、矿车容积、轨距、轨型的一般关系

运输量/万

机车质量/t

机车容积/m3

轨距/mm

轨型/

<8

人推车

0.5-0.6

600

8-9

8-15

1.5-3

0.6-1.2

600

12-15

15-30

3-7

0.7-1.2

600

15-22

30-60

7-10

1.2-2.0

600

22-30

60-100

10-14

2.0-4.0

600.762

22-30

100-200

14.10双轨

4.0-6.0

762.900

30-38

200-400

14-20.14-20双轨

6.0-10.0

762.900

38-43

>400

40-50.20双轨

≥10.0

900

43.43以上

表1-8常用钢筋混凝土轨枕规格

轨型/kg·m-1

钢筋混凝土轨枕

木轨枕

h6

h5

h6

h5

8.9

320（260）

160（100）

300（250）

140（100）

11.12

320（270）

160（100）

320（260）

140（100）

15

350

200

320

160

18

350

200

320

160

22.24.50

400

250

350

200

（三）确定巷道净高度H0

1.拱高f0及参数。

由表1-10可知：

大圆弧半径R=0.905B0=3258mm

小圆弧半径r=0.173B0=623mm

其示意图如下：

表1-10三心拱断面计算表

项目名称

单位

符号或计算公式

从轨面算起电机车（矿车）高度

mm

h

从轨面算起巷道墙高

mm

h1

从道渣面算起巷道墙高

mm

h2=h1+h4

从底板面算起巷道强高

mm

h3=h2+h5

电机车架线高度

mm

H

三心拱拱失高度

mm

f0

巷道掘进高度

mm

H1=h3+f0+d

巷道净宽度单轨

双轨

mm

B0=a+c=b1+2b+m+b2

mm

B0=a+s+c=b1+2b+m+b2

巷道掘进宽度无充填

mm

B1=B0+2T

有充填

mm

B1=B0+2T+2δ

巷道净断面积

mm

mm

mm

拱部面积

d=T

d≠T

d=T

d≠T

边墙面积整体式

喷射混凝土

m2

m2

ST=2h3T

ST=2（h3+0.1）T

基础面积

m2

SG=（K1+K2）T+（K2+h3-0.05）

巷道掘进断面积

m2

Sn=S0+h5B0+Sd+St

巷道净周长

2.巷道净墙高h2。

按照以下方法来确定：

1）按照电机车架线要求确定。

由手册知道电机车架线弓子宽度为800~900mm，故可取其一半K=450；由于金属矿山主运输平巷当电压小于500v时，架线至轨面高度不低于1800mm，故此处架线高度H=1900mm。

非人行侧线路中心至墙的距离

由于

故到点弓子在小圆弧内，

2）按照管道架设高度要求确定。

计算如下：

式中，h’——管道占用的垂直距离等于压风管和水管直径之和，即h’=200+100=300mm；

D——管道法兰盘直径，即D=200+100=300mm。

；

b’——管道法兰盘与支架之间的间隙，由于管道直径为200mm，在150~250之间，由手册知道b’=0；

c——在人行道一侧的线路中心至墙的距离，

3）按照行人要求确定。

计算过程如下：

由以上三种情况可知需要将净墙高设计为1837mm，按10mm的倍数向上选取，即净墙高h2=1840mm。

3.巷道净高度H0。

计算如下：

H0=f0+h2=900+1840=2740mm

（四）计算巷道净断面积S0及净周长P

由上面的表1-10可知

S0=（h2+0.198B0）B0

P=2.22B0’+2h2=2.22×3.7+2×1.840=11.894m

式中，B0’=B0+2倍的锚杆外露长度=3.6+2×0.05=3.700m

（五）用风速校核净断面积

已知通过第一水平-60m运输大巷的风量Q=28m2/s,由手册知道允许最高风速Vm=6m/s（如下表）

表1-6巷道允许最高

井巷名称

允许最高风速/m·s-1

专用风井、风硐

15

专用物料提升井

12

风桥

10

提升人员和物料的井筒

8

运输巷道、采区进风道

6

采矿场、采准巷道

4

V=

满足风速要求，断面选择合理，无需修改断面尺寸

（六）初选支架参数

该围岩属于中等稳定围岩，且坚固系数f=8~10，属于第III类围岩查表1-8-28，可选用T=50mm厚的混凝土喷层以及长1.5~2.0m的锚杆进行联合支护（此处锚杆长度暂定为1.6m，选用原理见后面支护设计），选用直径ϕ22螺纹钢筋作成的砂浆锚杆，锚杆间距1.0m，排距1.0m，锚杆外露长度选为50mm。

表1-8-28巷（硐），斜井的锚杆支护设计参数

围岩类别

B

5m

5m

10m

10m

15m

15m

20m

20m

25m

Ⅰ

不支护

50mm厚喷射混凝土

1.80~100mm厚喷射混凝土

2.50mm厚喷射混凝土，设置2.0~2.5m长的锚杆

100~150mm厚钢筋网喷射混凝土，设置2.5~3.0m长的锚杆，必要时配置钢筋网

120~150mm厚钢筋网喷射混凝土，设置3.0~4.0m长的锚杆

Ⅱ

50mm厚喷射混凝土

1.80~100mm厚喷射混凝土

2.50mm厚喷射混凝土，设置1.5~2.0m长的锚杆

1.120~150mm厚喷射混凝土，必要时配置钢筋网

2.80~100mm厚喷射混凝土，设置2.0~3.0m长的锚杆，必要时配置钢筋网

120~150mm厚钢筋网喷射混凝土，设置2.5~3.5m长的锚杆

150~200mm厚钢筋网喷射混凝土，设置3.0~4.0m长的锚杆

Ⅲ

1．80~100mm厚喷射混凝土

2.50mm厚喷射混凝土，设置1.5~2.0m长的锚杆

1.120~150mm厚喷射混凝土，必要时配置钢筋网

2.80~100mm厚喷射混凝土，设置2.0~2.5m长的锚杆，必要时配置钢筋网

100~150mm厚钢筋网喷射混凝土，设置2.0~3.0m长的锚杆

150~200mm厚钢筋网喷射混凝土，设置3.0~4.0m长的锚杆

Ⅳ

80~100mm厚喷射混凝土，设置1.5~2.0m长的锚杆

100~150mm厚钢筋网喷射混凝土，设置2.0~2.5m长的锚杆，必要时采用仰拱

150~200mm厚钢筋网喷射混凝土，设置2.5~3.0m长的锚杆，必要时采用仰拱，

Ⅴ

120~150mm厚钢筋网喷射混凝土，设置1.5~2.0m长的锚杆，必要时，采用仰拱

150~200mm厚钢筋网喷射混凝土，设置2.0~3.0m长的锚杆，采用仰拱，必要时加设钢架

（七）确定巷道断面尺寸

巷道设计掘进宽度（无充填时）B1为B1=B0+2（T+50）=3600+2×（50+50）=3800mm

巷道设计掘进高度H1为

H1=H0+h5+T+50=2740+250+50+50=3090mm

巷道拱断面积Sd为

Sd=（1.22B0+1.57T’）T’=（1.22×3.600+1.57×0.1）×0.1=0.4549m2

式中，T’=T+50=100mm.

巷道边墙断面积ST为

ST=2（h3×T’）=2（h2+h5）×T’=2×（1.84+0.25）×0.1=0.418m2

巷道掘进断面积Sn为

Sn=S0+Sd+ST+S基=9.19+0.4549+0.388+3.600×0.25=10.93m2

三、水沟设计和管线布置

已知通过此巷道的水量为150m3/h，现采用水沟坡度与巷道坡度相同，即0.3%。

查《井巷工程》教材的表2.12，选用锚喷支护的水沟，水沟深400mm，宽400mm，水沟净断面积0.16m2，水沟掘进断面积0.207m2，每米水沟混凝土用量为0.13m3，盖板混凝土用量0.03m3。

表2.12拱形、梯形巷道水沟规格和材料消耗表

巷道类别

支护类别

流量/（m2/h）

净尺寸/mm

断面/m2

每米材料消耗量

坡度

宽B

深H

净

掘进

盖板

水沟

0.3%

0.4%

0.5%

上宽B1

下宽B2

钢筋/Kg

混凝土/m3

混凝土/m3

拱形大巷

喷锚

0~86

0~97

0~112

300

350

0.105

0.144

1.336

0.0226

0.114

砌碹

0~96

0~100

0~123

350

300

350

0.114

0.139

1.336

0.0226.

0.099

喷锚

86~172

97~205

112~227

400

400

0.160

0.203

1.633

0.0276

0.133

砌碹

96~197

100~227

123~254

400

350

450

0.169

0.207

1.633

0.0276

0.120

喷锚

172~302

205~349

227~382

500

450

0.225

0.272

2.036

0.0323

0.152

砌碹

197~349

227~403

254~450

500

450

500

0.238

0.278

2.036

0.0323

0.137

喷锚

302~374

349~432

382~472

500

500

0.250

0.306

2.036

0.0323

0.161

砌碹

349~397

403~458

450~512

500

450

550

0.261

0.309

2.036

0.0320

0.145

采区梯形

棚式

0~78

0~90

0~100

230

180

260

0.05

0.146

无

0.093

棚式

78~118

90~136

100~152

250

220

300

0.07

0.174

无

0.104

棚式

118~157

136~181

152~202

280

250

320

0.08

0.195

无

0.110

棚式

157~243

181~280

202~313

350

300

350

0.11

0.236

无

0.122

管子按照规定悬吊在人行道一侧上方，电力电缆在非人行道一侧，通讯电缆挂在墙上。

如图所示：

四、计算巷道掘进工作量及材料消耗量

（一）每米拱顶巷道所需喷射混凝土材料量。

计算如下：

V1=1×[（1.22B0+1.57T’）T’-（1.22B0+1.570.05）0.05]

=1×[（1.22×3.600+1.57×0.1）×0.1-（1.223.600+1.57×0.05）×0.05]

=0.2313m3

（二）每米巷道两墙所需喷射混凝土材料量，计算如下：

V2=2（h2+h5）×T×1=2×（1.84+0.25）×0.05=0.209m3

（三）每米巷道所需锚杆根数N与充填砂浆V3。

设锚杆轴向距离为1m，径向间距为1m，则

N=

根

式中D——锚杆孔直径，取45mm；

d——锚杆直径，取22mm；

l’——锚杆孔深度，取1550.

（四）由设计知，每米水沟混凝土用量V4==0.13m3，盖板混凝土用量0.03m3。

五、绘制巷道断面施工图

根据以上设计结果，绘制出巷道断面施工图，如下图所示。

六、编制工程量及材料消耗量表

运输大巷特征

断面/m2

设计掘进尺寸/mm

净断面尺寸/mm

支护厚度/mm

净周长

宽

高

拱高

宽

净全高

墙厚

拱厚

拱和墙

9.19

10.93

3800

3090

900

3600

2740

50

50

11.89

工程量及巷道支护材料消耗量

计算掘进工资量/m3

混凝土材料消耗量/m3

其他材料/根

巷道

喷拱

喷墙

填孔

水沟盖板

水沟

锚杆

11.67

0.23

0.21

0.04

0.03

0.13

11

七、锚喷支护设计

围岩力学参数：

重力密度γ=25.5KN/m3,粘聚力C=1.0MPa，内摩擦角φ=40°，埋深160m。

（一）求最小计算半径Rc

由于坚固系数f=8~10，查图1-8-5得Kf=0.73

（二）求最小支护抗力Pimin

1.计算下列系数

2.求M值

令M=0，则f1=A=0.084

令M=1，则f1=A-B=0.084-0.002=0.084

在图1-8-7上找出（0,0.084）、（1,0.084）,连接此两点的直线交φ=40°的曲线于某点，此点对应M=0.16MPa，则

Pimin=a3（1-M）=0.026×（1-0.16）=0.0218MPa

（三）根据经验初选支护参数

锚杆选用直径ϕ22螺纹钢筋作成的砂浆锚杆，锚杆间距1.0m，排距1.0m。

长度按照

的经验范围

，则L=0.6×2.6=1.56m.，故取1.6m。

混凝土采用强度等级C20.

（四）计算支护抗力

由

（r0=Rc）,φ=40°，查图1-8-9得初始剪切角ρ=32.5°，则

剪切区高度b=2Rccosρ=2×2.6×cos32.5°=4.39m

剪切区弧长之半a=..

锚杆倾角β=

1.喷射混凝土抗力

喷射混凝土抗剪强度fvs=2.0MPa

2.锚杆抗力

Φ22锚杆截面积Ast=4.0×10-4m2，抗拉强度fst=372.4MPa，间排距d1、d2都为1m。

则

3.总抗力

（五）判定支护方案可靠性

1.安全系数n

2.加固深度与松弛范围比值

求K值

由K、φ值在图1-8-10上查得R/r0=1.9

则R=1.9r0=1.9×2.6=4.94m

所以，

即加固深度为松弛范围的68%，因岩石参数折减较少，如果施工质量有保证，此支护方案是可靠的（

一般在0.38~0.93）。

附录支护设计相关图表（见下页）

四、课程设计摘要（中文）

本课程设计是某铅锌矿-160m运输大巷断面和支护设计。

该矿年生产能力为80万吨，属于中型的金属矿山，其巷道围岩较稳定，为双轨运输巷道，巷道设计采用锚喷联合支护。

设计时，先根据其年生产能力、地压情况、运输设备等初步确定巷道断面的形状为三心拱形，采用锚喷支护。

初步确定断面形状之后，就要具体确定其断面尺寸先确定其净断面尺寸并进行风速验算，再在净断面尺寸的基础上将道床参数以及支护参数考虑进去，并加上一定的超挖值从而确定其掘进断面尺寸，根据断面尺寸进行管线布置、支护参数初定以及工程量、材料消耗量的计算等。

最后，从安全以及经济方面考虑，就要对支护参数进行验证，计算支护抗力、加固深度、支护范围等，最终根据算出的安全系数以及支护深度知道支护合理。