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第八章岩石平巷第一节平巷断面设计巷道是井下行人、运输、生产的通道，断面设计是否合理，将直接影响煤矿生产的安全和经济效益。断面设计的主要原则是：在满足安全、生产和施工要求的条件下，力求提高断面利用率，取得最佳的经济效果。巷道断面设计的内容和步骤是：首先选择巷道断面形状，确定巷道净断面尺寸，并进行风速验算；其次，根据支架参数和道床参数计算出巷道的设计掘进断面尺寸，并按允许的超挖值求算出巷道的计算掘进断面尺寸；然后，布置水沟和管缆；最后，绘制巷道断面施工图，编制巷道特征表和每米巷道工程量以及材料消耗量一览表。一、断面选型我国煤矿井下使用的巷道断面形状，按其构成的轮廓线可分为折线形和曲线形两大类。前者如矩形、梯形、不规则形等；后者如半圆拱形、圆弧拱形、三心拱形、马蹄形、椭圆形和圆形等（见图8-1）。图8-1巷道断面形状(a)矩形；(b)梯形；(c)半梯形；(d)半圆拱形；(e)圆弧拱形；(f)三心拱形；(g)封闭拱形；(h)椭圆形；(i)圆形巷道断面形状的选择，主要应考虑巷道所处的位置（即作用在巷道上地压的大小和方向、围岩性质）、用途及其服务年限、选用的支架材料和支护方式、掘进方法和采用的掘进设备等因素。一般情况下，作用在巷道上的地压大小和方向在选择断面形状时起主要作用。当顶压和侧压均不大时，可选用矩形或梯形断面；当顶压较大、侧压较小时，则应选用直墙拱形断面（半圆拱、圆弧拱或三心拱）；当顶压、侧压都很大且底鼓严重时，就必须选用诸如马蹄形、椭圆形或圆形等封闭式断面。巷道的用途和服务年限也是考虑选择断面形状不可缺少的重要因素。服务年限长达几十年的开拓巷道，采用受力性能好的各种拱形断面较为有利；服务年限10年左右的准备巷道多采用断面利用率高的梯形断面；服务年限短的回采巷道，因受动压影响采用具有可缩金属支架的梯形断面。矿区富有的支架材料和习惯使用的支护方式，往往也直接影响巷道断面形状的选择。金属支架和锚杆可用于任何形状的断面；喷射混凝土支护方式适用于拱形等曲线断面。掘进方法和掘进设备对于巷道断面形状的选择也有一定的影响。目前，岩石平巷掘进仍是采用钻眼爆破方法占主导地位，它能适应任何形状的断面。在使用全断面掘进机组掘进的岩石平巷，选用圆形断面无疑是更为合适的。上述选择巷道断面形状应考虑的诸因素，彼此是密切联系而又相互制约的。条件要求不同，影响因素的主次位置就会发生变化。所以，应该综合分析，抓住主导因素兼顾次要因素，以便能选用较为合理的巷道断面形状。二、确定断面尺寸巷道断面尺寸主要取决于巷道的用途，存放或通过它的机械、器材或运输设备的数量及规格，人行道宽度和各种安全间隙，以及通过巷道的风量等。设计巷道断面尺寸时，根据上述诸因素和有关规程、规范的规定，首先定出巷道的净断面尺寸，并进行风速验算；其次，根据支护参数、道床参数计算出巷道的设计掘进断面尺寸，并按允许加大值（超挖值）计算出巷道的计算掘进断面尺寸；最后，按比例绘制巷道断面施工图，编制巷道特征表和每米巷道工程量及材料消耗量表。（一）巷道净宽度的确定直墙拱形和矩形巷道的净宽度，系指巷道两侧内壁或锚杆露出长度终端之间的水平距离。对于梯形巷道，当其内通行矿车、电机车时，净宽度系指车辆顶面水平的巷道宽度；当其内不通行运输设备时，净宽度系指从底板起1.6m水平的巷道宽度。运输巷道净宽度，由运输设备本身外轮廓最大宽度和《煤矿安全规程》所规定的人行道宽度以及有关安全间隙相加而得；无运输设备的巷道，可根据行人及通风的需要来选取。如图8-2所示，拱形双轨巷道净宽度按下式计算。（8-1）式中，B--巷道净宽度，指直墙内侧的水平距离，m；a--非人行侧的宽度，《煤矿安全规程》规定，a≥0.3m；当巷道内安设输送机时，输送机距支护或碹墙最突出部分之间的距离，a≥0.5m。A1--运输设备的最大宽度，m，几种常用运输设备的宽度和高度见表8-1。C--人行道的宽度，《煤矿安全规程》规定，从巷道道碴面起1.6m的高度内，C≥0.8m，在人车停车地点C≥1.0m，在巷道高度1.6m至1.8m之间不得架设管、线和电缆。图8-2巷道净断面尺寸计算简图t--在双轨运输巷道中，两列对开列车最突出部分之间的距离，《煤矿安全规程》规定：t≥0.2m，在采区装载点t≥0.7m，在矿车摘挂钩地点t≥1.0m。表8-1几种常用运输设备的主要计算尺寸单位：mm运输设备类型宽度(A1)高度(h)运输设备类型宽度(A1)高度(h)106013601550105415501t固定式矿车8801150133516001.5t固定式矿车1050115010501212135016003t底卸式矿车12001400TD75固定式输送机151512009201550SPJ-800吊挂胶带输送机1200900（二）巷道净高度的确定矩形、梯形巷道的净高度系指自道渣面或底板至顶梁或顶部喷层面、锚杆露出长度终端的高度；拱形巷道的净高度是指自道渣面至拱顶内沿或锚杆露出长度终端的高度，如图8-2所示。《煤矿安全规程》规定，主要运输巷道和主要风道的净高，自轨面起不得低于1.9m。架线电机车运输巷道的净高，必须符合有关规定：电机车架空线的悬挂高度，自轨面算起在行人的巷道内、车场内以及人行道同运输巷道交叉的地方不得小于2m；在不行人的巷道内不得小于1.8m；在井底车场内，从井底到乘车场其高度不得小于2.2m。电机车架空线和巷道顶或棚梁之间的距离不得小于0.2m。采区（盘区）内的上山、下山和平巷的净高不得低于1.8m。确定拱形巷道的净高度，主要是确定其净拱高和自底板起的壁（墙）高，如图8-2所示。（8-2）式中，H--拱形巷道的净高度，m；h0--拱形巷道的拱高，m；h3--拱形巷道的墙高，m；hb--巷道内道碴高度，按表8-6选取，m。1．拱高h0的确定拱的高度常以与巷道净宽的比来表示（称为高跨比）。半圆拱的拱高h0、拱的半径R均为巷道净宽的1/2，即h0=R=B/2。圆弧拱的拱高，煤矿多取巷道净宽的1/3，即h0=B/3。个别矿井为了提高圆弧拱的受力性能，取拱高h0=2B/5。金属矿山由于围岩坚固稳定，可将圆弧拱的拱高h0取为巷道净宽的1/4或1/5。2．墙高h3的确定拱形巷道的墙高(h3)系指自巷道底板至拱基线的垂直距离（见图8-2）。为了满足行人安全、运输通畅以及安装和检修设备、管缆的需要，拱形巷道的墙高h3设计按架线电机车导电弓子顶端两切线的交点处与巷道拱壁间最小安全间隙要求、管道的装设高度要求、人行高度要求、1.6m高度人行宽度要求和设备上缘至拱壁最小安全间隙要求等5种情况，表8-2中公式计算，并取其最大者。上述计算出的墙高h3值，必须按只进不舍的原则，以0.1m进级。（三）巷道的净断面积巷道的净宽和净高确定后，巷道的净断面面积便可以求出。半圆拱巷道净断面面积：S=B(0.39B+h2)(8-3)圆弧拱巷道净断面面积：S=B(0.24B+h2)(8-4)三心拱巷道净断面面积：S=B(0.26B+h2)(8-5)（四）巷道风速验算巷道通过的风量是根据对整个矿井生产通风网络求解得到的。当通过该巷道的风量确定后，断面越小风速越大。风速大，不仅会扬起煤尘，影响工人身体健康和工作效率，而且易引起煤尘爆炸事故。为此，《煤矿安全规程》规定了各种不同用途的巷道所允许的最高风速（见表8-3）。但是，为使矿井增产留有余地和满足经济风速的要求，一般不选用表中所列的最高风速。《煤炭工业设计规范》规定，矿井主要进风巷的风速一般不大于6m/s。所以设计出巷道净断面后，还必须进行风速验算，即（8-6）式中，v--通过该巷道的风速，m/s；Q--根据设计要求通过该巷道的风量，m3/s；S--巷道的净断面面积，m2；Vmax--该巷道允许通过的最大风速，按表8-3确定，m/s。表8-3巷道允许的最高风速巷道名称允许最高风速风桥主要进、回风道架线电机车巷道输送机巷道，采区进、回风巷回采工作面、掘进中的煤巷和半煤岩巷掘进中岩巷其他行人巷道1088644-一般对低瓦斯矿井，按前述方法所设计出的巷道净断面尺寸均能满足通风要求。但是，对高瓦斯矿井往往不能满足。这时，巷道的净断面尺寸就需要根据允许的巷道最高风速和《煤炭工业设计规范》规定的最高风速要求来进行计算。（五）巷道设计和计算掘进断面面积1．支护参数的确定通常应根据巷道的类型和用途、巷道的服务年限、围岩的物理力学性质以及支架材料的特性、来源等因素综合分析选择合理的支护形式。支护方式应力求承载能力强、就地取材、施工方便、经济耐用、维修量小。支护方式确定后，即可进行支护参数的选择。支护参数是指各种支架的规格尺寸。如矿用工字钢和U型钢的型号，锚喷支护的锚杆类型、长度、直径、间距和排距，喷射混凝土的厚度与标号等。对于岩石平巷的支护而言，锚喷支护是主要支护形式。目前，锚喷支护已形成一个支护系列。它包括喷射混凝土支护，锚杆支护，锚杆与喷射混凝土联合支护，锚杆、喷射混凝土与钢筋网联合支护以及与金属支架的联合支护。2．道床参数的选择道床参数选择包括钢轨型号选取、轨枕规格和道碴高度的确定。钢轨的型号是以每米长度的质量来表示的。煤矿常用的型号是11kg/m、15kg/m、18kg/m、24kg/m、30kg/m和33kg/m。钢轨型号根据巷道类型、运输方式及设备、矿车容积和轨距来选用，见表8-4。表8-4巷道轨型选择及技术特征巷道类型运输方式及设备矿车容积轨距/mm钢轨型号/kg•m-1井底车场及主要运输大巷8t、10t电机车或12t、14t机车牵引列车5t底卸式3t底卸式900600≥308t机车1t固定式60018无极绳，≤5t机车1t固定式60015采区运输巷道上、下山钢丝绳运输1.5t固定式600（900）6001515运输中巷、回风顺槽≤5t机车或钢丝绳运输1.5t固定式1t固定式600（900）6001511或15轨枕的类型和规格应与选用的钢轨型号相适应。目前多使用钢筋混凝土轨枕，木轨枕主要用在道岔处。由于预应力钢筋混凝土轨枕具有较好的抗裂性和耐久性、构件刚度大、节约木料、造价低等优点，所以应大力推广使用。常用的轨枕规格见表8-5。表8-5常用轨枕规格单位：mm轨枕规格轨距轨型/kg•m-1全长全高上宽下宽木轨枕6001115或18241200100120140--12013012015016090015或1824、301600120140120130150160钢筋混凝土轨枕60011或1518120013013012016014018090024、301700145170200预应力钢筋混凝土轨枕60015或181200115100140道床应选用坚硬和不易风化的碎石或卵石做道碴，粒度以20～30mm为宜，并不准掺有碎末等杂物，使其具有适当孔隙率，以利于排水和有良好的弹性。道碴的高度也应与选用的钢轨型号相适应，其厚度不得小于100mm，至少要把轨枕1/2～2/3的高度埋入道碴内，二者关系如图8-3所示。图8-3道床尺寸关系图道床宽度可按轨枕长度再加200mm考虑。相邻两轨枕中心线距一般为0.7~0.8m，在钢轨接头、道岔和弯道处应适当减小。道床有关参数见表8-6。表8-6常用道床参数单位：mm巷道类型钢轨型号/kg•m-1道床总高度hc道碴高度hb道碴面至轨道面垂高hs井底车场主要运输巷道≥2436020016018320180140采区运输巷道上、下山15或18220可不铺道碴，轨枕沿底板浮放，也可在浮放轨枕两侧充填掘进矸石运输中巷、回风顺槽15或18220大型矿井特别是采用底卸式矿车运输时，井底车场和主要运输大巷应积极推广整体（固定）道床。这种道床可用混凝土一次浇灌而成，也可先在轨道下铺设轨枕，然后再浇灌混凝土。但是，有低鼓且未处理的巷道不宜采用整体道床。3．巷道设计和计算掘进断面面积巷道的净尺寸加上支护和道床参数后，便可获得巷道的设计掘进尺寸，进而求算出巷道的设计掘进断面积。半圆拱巷道设计掘进断面面积为：(8-7)圆弧拱巷道设计掘进断面面积为：(8-8)梯形巷道的设计掘进断面面积为：(8-9)式中，符号意义参见图8-4、8-5。巷道设计