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矿山地开采巷道设计注意事项及要点

发布时间:2024-05-11

矿山地开采巷道设计注意事项及要点

在矿山生产中，开采巷道是连接生产系统和运输系统的主要通道，它的设计好坏对整个矿山的生产和建设有重要影响。随着开采深度的加大，采场矿压显现也日益严重。采场矿压显现严重时会造成地表变形，甚至出现冒顶、片帮等现象，直接影响着采矿生产。因此，在设计巷道时，必须充分考虑采场矿压显现对巷道的影响。要降低采场矿压显现对巷道的影响，应根据不同的地质条件、围岩类型和开采技术条件，进行合理设计。

PART 01

采场巷道布置方法

采场巷道布置方式，即是指从采场中起出矿柱或采空区边界位置起出矿石，到回采结束为止的全部巷道布置方式。其布置原则是：

必须沿矿体走向或倾向布置巷道，尽量避免回采工作面与矿体接触，以减少围岩松动范围。如果实在无法避开，可采取“短、平、快”的方式布置巷道，即在靠近采场帮壁位置沿矿体走向布置一组巷道，在工作面上、下两组巷道的延长线上各布置一组巷道。

为便于回采工作面的准备和正常工作，必须在采场帮壁外沿向采空区方向按一定坡度向下延伸至少2m的巷道。如果这2m以内没有其他安全出口可供撤人时使用，则必须在这段距离内留出不小于2m的工作空间。此外，为保证采场围岩有足够的稳定性和支撑能力，还应留设不小于2.0m宽的围岩支撑空间。

对于薄、中厚及厚大矿体，其回采巷道的位置和倾角，应根据采场条件、顶板情况、岩石物理力学性质及地质构造等因素综合考虑。

一般情况下，采场底板较稳定的中段回采巷道应布置在采场底板岩层中；当采场底板不稳定时，则可布置在离底板岩层较远的一侧。如果存在两个以上的采场时，则应根据具体条件选择合理的回采巷道布置方式。为了保证工作面顺利推进和降低巷道维护成本，回采巷道应尽可能靠近采区边界。

1.平行巷道布置

平行巷道布置方式适用于采掘平衡区。其特点是：巷道间距小，且巷道围岩稳定，布置工作方便，维护费用低；回采工作面长度长，且各工作面之间可以互相衔接。其缺点是：由于回采巷道间的相互影响较大，尤其是对于回采巷道间距较大的工作面，容易造成局部冒顶、片帮等事故，甚至导致整个工作面的破坏。此外，由于工作面上、下两组巷道延长线上各布置一组巷道，所以在回采结束后的巷道维修工作量较大。

在实际应用中，这种布置方式必须考虑与其他采矿方法的配合。例如，为了利用井下废石或废矸作为回采巷道维护材料，可采用废石或矸石回填平行巷道的布置方式；在回采巷道与其他采煤方法重叠时，应适当增加平行巷道的宽度和间距；在有其它安全出口时，则应优先考虑使用回采巷道作为安全出口；在工作面较长且开采条件复杂时，为了合理组织生产、便于多工种联合作业以及降低采场矿压显现程度等因素，宜采用平行巷道布置方式。

2.垂直巷道布置

1)应尽量避免回采工作面与采场帮壁直接接触，以免影响围岩稳定和增加巷道维护费用。如果实在无法避开，则应尽量将回采巷道布置在采场帮壁外，以减少围岩松动范围。

2)对于厚大矿体或其他特殊情况，宜采用垂直巷道布置方式。如斜井、竖井、斜巷、平硐等，其断面尺寸及布置方式与平巷相似，但必须采取措施对围岩进行加固。

3)垂直巷道的高度应根据矿体倾角、开采深度和顶板稳定性等因素综合考虑。

一般情况下，垂直巷道的高度应不低于2m，其倾角一般不超过5°，倾斜长度不超过10m。

4)垂直巷道的位置和角度应尽可能靠近采场底板，以便于回采工作面的准备和正常工作。

6)回采巷道必须位于采区边界上，以便回采工作面出矿及进风时使用。

7)垂直巷道布置方式可用于单一薄、中厚及厚大矿体，以及其它特殊情况。

3.倾斜巷道布置

其布置原则是：在采场内按一定坡度向下延伸至少2m的巷道，以保证回采工作面的正常生产和安全。在条件允许时，宜选择在采场帮壁外沿向采空区方向按一定坡度向下延伸至少2m的巷道，以便于回采工作面的准备和正常工作。倾斜巷道布置方式又分为两种情况：一种是由几个采场组成的采场，采用倾斜巷道布置方式；另一种是由几个或多个采场组成的采场，采用倾斜巷道布置方式。这种布置方式主要适用于开采厚大矿体。在厚大矿体中，当开采标高和厚度等主要技术经济指标都比较好时，宜采用倾斜巷道布置方式；否则，可采用“短、平、快”的方式布置。

采场回采结束后，必须及时在工作面上、下两组巷道的延长线上各布置一组巷道进行回风。因此，回采工作面上、下两组巷道之间应留有一定的安全空间。但在这种情况下，为保证工作面上、下两组巷道之间有足够的安全空间供撤人用，必须在工作面上、下两组巷道之间留有2m宽的围岩支撑空间。

PART 02

巷道断面形式

根据巷道的用途，断面形式可分为以下几种：

1、平断面：一般巷道断面形状为矩形，宽为3m左右，高2~2.5m。这种断面形式易于施工、运输及通风，并有利于装运机械化作业，在我国大部分矿井中都采用这种断面形式。但由于平巷中的岩石破碎，不易支护，如果在采区的平巷内进行开采作业时，常会引起地表沉降及冒顶等事故。

2、拱形断面：是指巷道高度与宽度之比在1~2之间的断面形式。拱形断面在我国大部分矿井中采用，因为这种断面形式的巷道稳定性好，对围岩扰动小，而且有利于支护和管理。但这种断面形式不利于运输、通风和安装设备。

3、混合断面：即以平巷和拱形断面为基础的混合断面。

4、不规则面（折线形）：在采区平巷内进行开采作业时，巷道高度与宽度之比小于1/10~1/10的巷道称为不规则面（折线形）巷道。不规则面巷道布置方便、运输能力大，但对围岩的扰动也较大，容易发生冒顶和片帮事故。

1.巷道断面形状

巷道断面形状应根据矿山地质条件、运输、通风和设备安装等条件来确定。

目前，我国大多数矿井采用平断面，这样既便于施工、运输和安装设备，又有利于通风和降低成本。当巷道埋深较大或走向较长时，为了降低工程费用，可以采用拱形断面。

拱形断面的优点是稳定性好，对围岩扰动小，有利于支护和管理，并有利于运输、通风和安装设备。但由于其稳定性好，故不利于机械化作业。

混合断面是根据平巷与拱形断面的优点综合而成的，它既能保证巷道的稳定性，又能最大限度地发挥运输、通风和安装设备等方面的优点。

一般在采区平巷内进行开采作业时采用这种断面形式。

但混合断面由于巷道高度与宽度之比较大，对围岩的扰动也较大，而且不利于机械化作业。

2.巷道的支护形式

巷道的支护方式主要有锚杆、锚索和混凝土梁三种。

首先，锚杆作为一种常见的巷道支护方式，主要是通过锚杆与围岩之间产生的支护压力来维持巷道的稳定。锚杆的作用主要是提高围岩的强度，增加围岩岩体的抗剪强度，从而提高巷道的稳定性。锚杆支护方式适用于各种岩石地层，特别是在煤矿巷道和爆破工程中，为了保证施工安全，必须采取有效的支护方式。在我国煤矿中，一般采用喷浆或喷混凝土对围岩进行封闭支护，以提高围岩的强度和稳定性。此外，锚杆支护还具有施工简便、成本低廉等优点，因此在巷道支护中得到广泛应用。

其次，混凝土梁是另一种重要的巷道支护方式。混凝土梁主要是用来支护巷道底板和顶板的，它主要是通过梁与围岩之间形成支护压力来保证巷道底板和顶板不会破坏。混凝土梁按照其结构形式可分为简支梁和连续梁两种类型。在煤矿中，一般采用连续梁或简支梁进行支护。连续梁与简支梁相比，由于其支护结构简单，施工方便，其成本较低。然而，当围岩较为破碎时，连续梁支护效果不佳，此时需要采用更为强大的支护方式，如锚索等。

除了锚杆和混凝土梁外，锚索也是一种重要的巷道支护方式。锚索支护是通过在巷道围岩中埋设预应力锚索，利用锚索的预应力对围岩进行主动加固，从而提高巷道的承载能力。锚索支护方式具有支护效果好、适应性强等优点，特别适用于高地应力、软弱破碎围岩等复杂地质条件下的巷道支护。然而，锚索支护的施工成本较高，施工难度也较大，需要专业的技术和设备支持。

PART 03

巷道高度要求

巷道高度应根据采场矿压显现的程度、围岩性质、采矿方法和采场生产能力确定。

1.采场允许的最大高度是指巷道掘进后，在满足安全生产条件下，其顶板不冒落，并能保证采矿工程正常进行的最低高度。在矿压显现不严重的条件下，采场允许的最高高度应高于巷道高度。

2.由于顶板冒落时会形成冒落带，因此巷道高度应大于冒落带的高度。

3.若采场地质条件复杂，巷道高度应小于工作面宽度，以减少巷道周围岩层移动和变形对顶板的影响。

4.对于高应力、高渗透性岩石，巷道高度应大于工作面宽度。对于受压后的岩层，巷道高度应大于其厚度。

5.在煤层中掘进巷道时，要考虑到巷道顶板岩层受压后可能产生的变形和破坏。为了减少顶板岩层破坏和冒落事故发生的几率，必须将巷道高度限制在一定范围内。

一般情况下，开采水平掘进巷道宽度不宜超过30m。

1.采矿方法

开采技术条件不同的矿山，应采用不同的采矿方法。对于技术上不复杂、经济上合理，而开采条件复杂、开采成本高的矿山，应优先采用充填采矿法。充填采矿法的特点是采下的矿石能够被及时充填，并能较快地形成采空区。

为了充分回收矿石，提高采矿效率，必须对矿石进行回采，同时进行回采作业时，也要保留足够的顶板。因此，对围岩稳定性差、顶板下沉较快、开采技术条件复杂的矿山，可采用回采巷道超前支护或超前充填回采方法。

这种采矿方法先进行回采作业，然后对采空区进行充填。它具有施工方便、生产能力大、回采效率高和矿石损失率低等优点。同时也可利用采空区为采场运输巷道或做其他用途。

2.采场生产能力

采场生产能力是指单位时间内，采场从采出矿石量到最终出矿量的总能力。采场生产能力是衡量矿山生产能力的重要指标之一，其大小直接影响着矿山生产规模及经济效益。提高采场生产能力可以延长矿山服务年限，减少基建投资和设备折旧费用，加快回采速度，提高劳动生产率，为企业创造更多的利润。

在满足安全生产条件下，采场生产能力主要受矿石价格、矿石品位、生产规模等因素的影响。

（1）矿石价格：提高采场生产能力首先应考虑提高矿石价格，这样不仅可以扩大矿山生产规模，而且可以降低采场的生产成本。

（2）生产规模：露天开采一般在15~60万t/a之间；地下开采一般在1~5万t/a之间。大型矿山如露天矿的采场规模通常为500~2000万t/a；地下矿的采场规模通常为3~30万t/a。

（3）生产规模与矿石品位：矿山生产能力与矿石品位呈正相关关系。当矿石品位较低时，提高采场生产能力需要增加投资，因此需要考虑到矿山的经济效益；当矿石品位较高时，提高采场生产能力可以减少基建投资和设备折旧费用，提高矿山的经济效益。

PART 04

支护参数

支护参数是指巷道所使用的支护材料、支护形式、支护密度、支护力和支护效果的综合技术指标。支护参数的合理设计是保证巷道正常使用的重要条件。在巷道维护中，要根据围岩稳定状况和矿压显现情况，合理选择巷道支护参数。

1.围岩稳定情况良好，矿压显现不明显时，可适当缩小支护密度或减少支护密度。当巷道断面小，矿压显现较大时，应加大巷道断面，采用密集支柱或锚杆进行加强支护。

2.巷道顶、帮围岩不稳定，顶板下沉量较大，矿压显现严重时，应采取加强支护措施。

3.在巷道中，有时会出现两帮围岩变形量大而两帮内移、底鼓等现象，应根据实际情况采取加固措施。在特殊情况下，应采取特殊的支护方式。

1.锚网喷

锚网喷是巷道支护的基本方法之一。锚网喷具有如下特点：

（1）支护施工迅速，能缩短支护时间。由于锚网喷有一次成型的特点，支护一次完成，大大减少了工作量。

（2）支护强度大，可用于软弱破碎围岩中的巷道。在破碎岩体中进行锚网喷支护，不仅能够提高岩体的强度，而且还能有效地防止岩块掉块和塌落现象发生。

（3）能适应围岩变形。由于锚网喷支护具有一定的整体性和较强的承载能力，因此可以适应围岩变形。

（4）支护成本低。锚网喷支护采用高强度、高锚固力的树脂锚杆或钢筋网，可大幅度降低支护成本，一般为钢棚支护的1/3左右。

2.锚索

锚索是巷道支护的主要受力构件，它可以将巷道围岩和支架固定在一定范围内，与传统的刚性支护相比，锚索具有承载能力大、支护效果好、施工方便等特点。

1.当巷道稳定情况好，围岩强度较高时，宜采用高强锚索，但其延伸率应不小于20%；

2.当巷道围岩条件差、强度低时，宜采用中粗砂或中砂砾作为锚索的主要承载体；

3.当围岩不稳定时，宜采用粘结能力强的树脂锚固剂或低松弛预应力锚索。

4.锚索的间距根据围岩条件和支护要求确定。当巷道稳定时，应采用等间距布置；当巷道变形量大、压力大、煤岩体破碎严重时，应采用加密锚索支护。

PART 05

支护材料的选用

支护材料主要是指巷道的支护构件，包括锚杆、锚索、钢筋混凝土衬砌和金属网。其作用主要有：

①支护构件可形成整体结构，有效地控制围岩移动和变形；

②用来提高围岩的整体强度；

③对围岩产生约束作用，防止松动圈进一步扩大；

④对围岩顶板施加预紧力，保证工作面前方围岩的稳定。

锚杆（索）是巷道支护中最基本、最重要的支护构件，它可以说是巷道支护的基础。锚杆（索）是将一种金属或非金属材料制成的长杆状结构物，通过锚固剂固定在岩石或其它材料上。锚杆（索）分为钢筋混凝土衬砌、金属网、组合梁、组合拱、锚杆拉拔试验等。钢筋混凝土衬砌是一种较传统的支护方法，它具有施工方便、成本低和耐腐蚀等特点，但也有强度低和整体性差等缺点。因此，目前在巷道支护中多采用钢筋混凝土衬砌，但我国目前所用的钢筋混凝土衬砌有两种类型：一是钢筋混凝土预制构件型钢筋混凝土衬砌；二是钢筋混凝土整体成型型钢筋混凝土衬砌。

锚索（索）是一种由金属索制成的长圆筒状构件，可以与钢轨、铁轨等构件组合成整体结构，其作用主要有两方面：一是锚固作用；二是抵抗巷道围岩压力。目前我国应用的锚索（索）有三种类型：单根锚索、双根锚索和三根锚索。单根锚杆为多根钢轨或钢轨与钢轨间的组合梁组成；双根锚杆为双根钢轨与钢轨间的组合梁组成；三根锚索为单根钢轨或钢轨与钢轨间的组合梁组成。

金属网是由金属网板或金属网条按一定间距铺设而成。它是由网、网骨架和锚杆支护构成。它主要用于围岩与顶板之间的隔离和加固，防止顶板下沉；也可以用于巷道两帮和顶底板的加固，防止围岩松动或冒落。

1.钢筋混凝土衬砌

钢筋混凝土衬砌主要用于无支护条件下的巷道衬砌，如隧洞、平硐、斜井、竖井等。钢筋混凝土衬砌采用钢筋和混凝土两种材料组成，其作用主要有：①抗压强度高，一般可达200~300 MPa；②耐久性好，适用于潮湿、腐蚀和高温的环境中；③施工方便，施工速度快；④具有一定的刚度，使围岩应力分布均匀，防止围岩松动和破坏；⑤有利于与周围围岩紧密结合，共同受力；⑥可改善洞室断面形状和断面尺寸，从而减少支护费用。钢筋混凝土衬砌的结构形式有整体成型衬砌（也称整体式钢筋混凝土衬砌）和预制构件型钢筋混凝土衬砌两种。

钢筋混凝土整体成型衬砌是将钢筋混凝土预制件加工成型后装入洞室，再浇注混凝土形成衬砌。这种衬砌施工方便、成本低、整体性好。其优点是强度高、整体性好和刚度大，可对围岩施加足够的预紧力。缺点是钢筋和混凝土之间的粘结作用差，易产生裂缝或脱落。整体式钢筋混凝土衬砌分为整体成型、整体浇注、整体喷混和整体浇筑四种施工方法。在拱形巷道中，一般采用整体成型的施工方法；在圆形巷道中，一般采用整体浇注的施工方法；在不规则巷道中，一般采用整体浇筑的施工方法；在平硐和斜井中，一般采用整体浇筑的施工方法。

2.锚索

锚索是一种由钢绞线制成的长杆状构件，一般分为无粘结和有粘结两种。按其作用的不同，可分为悬吊式、锚固式和组合梁。其特点如下：

（1）无粘结锚索：是将无粘结的钢绞线直接缠绕在围岩表面，通过锚杆与围岩接触，从而把钢绞线变成一个整体，共同承受围岩的压力。当围岩压力较大时，锚索与围岩形成一个整体结构，共同承受压力；当围岩压力较小时，锚索作为一个支护体，用来防止围岩松动和冒落。这种锚索结构简单，施工方便，但需要在钻孔前进行钻孔、注浆、张拉等作业。

（2）锚固式锚索：是在无粘结形式的基础上发展起来的一种新形式，它利用了锚杆的优点。用钢绞线缠绕在岩体表面上，使其形成一个整体结构。这种锚索结构的特点是：

①整个锚索体系为整体结构；

②采用了预应力技术；

③把预应力作用的范围限制在锚固体范围内；

④采用了钢绞线外包树脂材料的加固方法。

这种锚索体系虽然解决了无粘结锚索存在的一些缺点，但它也有一些缺点：

①锚固体与岩体接触面小，影响了其承载能力和作用范围；

②张拉、卸载容易造成锚索钢丝绳的损坏；

③由于钢丝绳与水泥砂浆的粘结性能差，张拉过程中容易产生大量的砂浆离析现象。因此目前应用较少。

它利用钢梁与围岩相互作用来承受压力。它由三根钢梁和两根木柱组成。每根钢梁的两端分别与两根木柱连接，中间用钢筋混凝土结构连接。由于它是一种组合结构，因此这种结构形式可以充分发挥钢和木构件各自的优点，并使其达到最佳组合效果。它主要用于围岩比较稳定、断面尺寸比较小的巷道支护。目前我国应用较多的有钢木组合梁、钢木组合拱等形式。

（4）锚杆拉拔试验：是将杆体沿杆体长度方向进行切割后，用电火花加工机将切割面加工成小角度缺口（以防止在注浆孔中产生气泡），再用高压水或空气对切割面进行清洗；然后将切割面进行打磨平整处理；再将锚索钢丝绳置于台架上进行注浆；最后利用压力表对浆液进行注浆压力的测定。它是一种直接测试锚固体系锚固能力的方法。试验表明：使用拉拔仪时，其测试结果与锚固体系理论计算值基本一致；采用电火花加工机进行切割处理后，可使其抗剪强度增加30%~40%。因此用这种方法测试锚索的抗剪强度是可行的。

（5）组合拱：是将两根钢绞线按一定间距进行捆绑、绑扎后组成一道拱形结构的一种新型支护形式。它的特点是：①这种组合拱能有效地限制围岩移动和变形；②对围岩起到加固作用；③具有承载能力强、整体性好、施工方便等特点。但这种支护形式还处于试验阶段。

（6）锚杆拉拔试验：是使用锚杆拉拔试验机，在无粘结形式锚索上进行拉拔试验。通过对其进行试验可以得到无粘结形式锚索、有粘结形式锚索的承载能力及其他性能指标，并对其性能进行评价。

3.金属网

其主要作用是用来提高围岩的整体强度，对围岩进行加固，防止围岩松动和冒落，增强围岩的自稳能力，对巷道起到支护作用。金属网一般采用铁丝编织而成，也可采用金属网、钢丝网等。按其形状可分为网片、网板、网条三种。

①网片：由不锈钢或碳钢等金属丝编织而成。由于其具有抗腐蚀性好、强度高、成本低和不易生锈等优点，在国外已普遍采用。我国在20世纪80年代初开始使用。

②网板：由低碳钢丝编织而成，但其抗拉强度比网片高得多，是目前我国普遍采用的支护材料。在我国生产的金属网主要有高密度聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯三种材质。

③网条：由低碳钢丝编织而成，其抗拉强度与网片相当，但价格较高。目前我国常采用的有普通网、高阻和低阻网三种。普通网的抗拉强度为14~20 MPa，低阻网的抗拉强度为10~20 MPa；高阻网的抗拉强度为20~30 MPa，低阻网的抗拉强度为5~10 MPa。通常，采用普通网作为巷道支护时，采用锚杆、锚索和钢筋混凝土衬砌等支护手段即可满足要求；采用高阻或低阻网时，应在锚杆上设置网片、金属网或金属条进行支护。

在煤矿井下使用的金属网主要是普通网片和高阻网片。高阻网片又称高强丝网，是用低碳钢丝编织而成的一种柔性网墙。它具有很好的柔性，能适应巷道围岩变形；同时由于高阻网片具有抗拉强度高和结构稳定性好等特点，能有效地限制围岩变形。

PART 06

矿压监测方法

在采场矿压观测中，主要是根据巷道围岩的变形破坏情况，确定巷道围岩稳定性和围岩应力的变化。因此，要有合理的观测方法，包括锚杆（索）支护后的支护阻力及顶板下沉量观测；巷道围岩变形监测；巷道表面位移观测；巷道内围岩松动圈测定；围岩内部位移和应力监测等。

锚杆（索）支护后，要根据锚杆（索）的支护阻力及顶板下沉量观测，来确定锚杆（索）的工作阻力大小和顶板下沉量大小。在巷道表面位移监测中，主要是通过对巷道表面位移变化进行分析，来确定巷道围岩稳定性。在围岩内部位移和应力监测中，主要是通过对围岩内部变形监测来确定围岩内部变形量大小。

在巷道内围岩松动圈测定中，主要是通过对巷道内松动圈的测定来确定巷道内的岩体稳定性。在支护结构的周边顶板离层观测中，主要是通过对支护结构周边离层岩体的分析，来确定支护结构周边离层岩体的稳定性。

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