深入探讨井巷工程中的天井设计与施工

发布时间:2024-07-14

一、引言

在采矿工程中，天井（或称溜井）作为连接矿山井下不同中段的重要垂直或倾斜巷道，扮演着至关重要的角色。它不仅承担着矿石、废石的下放任务，还涉及行人、通风、充填、探矿、材料运输等多重功能。天井的设计与施工直接关系到矿山的安全生产、开采效率及经济效益。本文旨对天井的设计与施工进行全面梳理，以期为相关从业人员提供参考。

二、天井的分类与功能

天井是矿山井下联系上下两个中段的垂直或倾斜巷道，主要用于下放矿石或废石及行人、切割、通风、充填、探矿、运送材料、工具和设备等，按其用途分别称为通风天井、行人天井、充填天井、切割天井、溜井等，有时同另一个天井可以兼做几种用途。天(溜)井工程是金属矿山基建采准、生产、探矿和放矿的重要工程之一。天井工程量约占矿山井下工程总量的10%到15%，占采准切割工程量的40%到50%。

这些不同类型的天井在矿山生产中各司其职，共同维持着矿山的正常运营。

• 通风天井：主要用于矿井的通风系统，通过进风或回风，确保井下空气流通，减少有害气体的积聚，保障矿工的安全健康。

• 行人天井：为井下作业人员提供垂直或倾斜的通道，便于人员上下及紧急疏散。同时，还需设置梯子间、平台及风水管路、电缆等设施，以满足人员通行及生产需求。

• 充填天井：用于向采空区或废石堆中充填物料，以控制地压、防止地表塌陷，并回收部分资源。

• 切割天井：在采矿过程中，用于划分矿块、确定开采边界，为后续的采矿作业提供便利。

• 溜井：专门用于矿石、废石等物料的快速下放，提高运输效率，降低运输成本。

三、天井断面形状与尺寸的确定

通常许多矿山每年都要接近几百米甚至上万米的天井。因此，加快天井施工速度，对保证新建矿山早日投产和生产矿山三级矿量平衡，实现持续稳产高产，具有十分重要的意义。第一个就是天井断面形状与尺寸的确定。天井断面形状通常是圆形或者是矩形。对于天井断面的尺寸，对于行人天井而言，在行人天井里边需要设置人员通行的梯子及平台，并建设风水管路、电缆等。梯子间设置按安全规程规定，与竖井梯子间要求一样，通常梯子间断面尺寸不小于1.2米乘1.3米，其他参数要参照我国金属非金属矿山安全规程的规定。

天井的断面形状通常分为圆形和矩形两种。圆形断面具有受力均匀、易于支护的优点，而矩形断面则便于设备安装和人员通行。在确定天井断面尺寸时，需综合考虑多种因素，包括使用功能、支护条件、岩石性质、开采工艺等。

对于行人天井，其断面尺寸需满足人员通行、设备安装及安全规程的要求。一般来说，梯子间的尺寸不应小于1.2米×1.3米，以确保人员上下时的安全舒适。同时，还需考虑风水管路、电缆等辅助设施的布置空间。

通风天井的断面尺寸则主要根据风量要求和允许风速来确定。一般而言，进回风井的允许风速为6米/秒，通过风量计算可得出所需的最小断面尺寸。

四、天井掘进方法

天(溜)井的是掘进方法，天(溜)井的掘进方法有普通法、吊罐法、爬罐法、深孔爆破法和钻进法。这些方法各有所长，相互补充，使天井掘进技术日益完善。对于天井，除钻进法或深空爆破法以外，都是自下而向上掘进的。天井施工的特点是井内作业时施工断面狭小，操作不方便。高空作业时受炮烟、落石、淋水和粉尘威胁，安全性较差，通风困难。针对这些特点，天井施工时必须周密计划，采取必要措施，确保安全施工。

1. 普通法掘进天井

第一种方法就是普通法掘进天井。普通法掘进天井是我们最常用的掘进天井的方法。为了免除繁重的装岩工作和排水工作，采用普通法掘进天井时都是自下而上进行掘进，它不受岩石条件和天井倾角的限制，只要天井的高度不太大都可以使用。天井。正如右图中可以划分为两个空间。这个两个空间，一间是供人员上下梯子，对吧？梯子间另一间是专供天井爆破积存的废石的，该空间其下部有漏斗闸门，便于装车，这种方法是标准的普通法掘进天井。但是往往在矿山中对这种方法进行了很大的简化，致使目前我们国内的天井施工具有很大的安全隐患。所以说在应用普通法进行掘进天井的时候，必须要保证安全。所以说我们在普通法掘进天井的时候，要充分考虑我们所在天井所处的位置及安全特点。所以说我们一定要确保整个的天井施工的施工安全。

小结：

普通法掘进天井是最常用的方法之一，其特点是自下而上进行掘进，不受岩石条件和天井倾角的限制。掘进过程中，需划分出人员上下梯子的空间和爆破积存废石的空间。然而，该方法存在装岩和排水工作繁重、施工安全隐患大等缺点。因此，在应用时需特别注意安全措施的落实。

2. 吊罐法掘进天井

第二种就是吊罐法掘进天井。这种吊罐法掘进天井实质就是在天井全高沿天井中心线先钻一个直径为100到150毫米的大孔，在天井上水平安装绞车，小车的钢绳沿中心孔下方钢绳的下端吊挂一个吊罐儿。它的上下用绞车来升降，人员、机具的上下以及工作上的凿岩、装药、堵塞连线都是在吊罐上完成。只有在人员、吊罐下到天井并进入安全地段，钢绳提到中心孔上部，才能使工作面上的炮眼起爆，爆下来的岩块都集中到天井下水平的底部，待通风将炮烟排出后，再将崩落到下水平底部的岩渣运出，此后再进行下一个循环的作业。下图就是这个吊挂法施工的一个标准图。它的特点是用一个可以升降的吊盘代替普通法，着眼平台，兼做提升人员、设备、工具和爆破器材的容器，简化了施工工序，操作方便，效率较高。这个在金属矿山中应用比较广泛，但是随着这个施工工艺的复杂性，也被逐渐的淘汰。小结：

吊罐法掘进天井通过在天井中心线钻一大孔，安装绞车和吊罐进行作业。吊罐作为工作平台，可升降人员、机具及爆破器材，简化了施工工序，提高了作业效率。然而，该方法对施工工艺要求较高，且随着设备复杂性的增加，逐渐被其他方法所取代。

3. 爬罐法掘进天井

另外一种就是爬罐法掘进天井。爬罐法掘进天井它的工作平台不像吊罐法那样用绞车悬吊，而是和一个驱动机械连接在一起，随着驱动机械沿导轨上运行，为爬罐法掘进提供了一个平台。下图就是这个爬罐法掘进的这个示意图。爬罐法掘进工艺就是掘进前先在下部掘出设备安装硐室，包括这个壁炮硐室。开始先用普通法将天井掘进3到5米高度，然后在硐室顶板和天井井壁上打锚杆，安装特制的导轨，使导轨可作为爬罐运行的轨道。同时利用它装设风水管，向工作面供应高压泵和高压水，在导轨上安装爬罐，在硐室内安装软管绞车、电动绞车以及风水分配器和信号联系装置等。在上述设备安装调试后将主爬罐升至工作面，工人即可站在主爬罐上主爬罐的工作台上进行打眼、装药、连线等工作。放炮之前将主爬罐去往避炮硐室避炮。放炮后打开放水阀门，借工作面导轨顶端保护盖上的喷口所形成的风水混合物对工作面进行通风，爆下来的岩渣用装载机装入矿车运走。装岩和钻孔可根据具体情况采用顺序或者平行进行。

小结：

爬罐法掘进天井采用驱动机械沿导轨运行的工作平台，为掘进作业提供了稳定的工作环境。该方法在掘进前需先掘出设备安装硐室，并安装导轨、风水管等辅助设施。爬罐法掘进天井具有操作方便、效率高等优点，但同样需要较高的施工工艺和设备要求。

4. 深孔爆破法掘进天井

另外就是深孔爆破法掘进天井。随着当前着眼设备的能力的提高，深孔爆破法掘进天井逐渐得到普及。深孔爆破法掘进天井就是先在天井下部掘出3到4米高的补偿空间，然后在天井上部硐室内用深孔钻机按照天井设计的断面尺寸，沿天井全高自上而下或自下而上转着一组平行深孔，然后分段装药，分段爆破，形成所需的断面和尺寸。这种方法最大特点就是工人不进入井筒内作业，作业条件得到显著改善。采用这种方法的关键就是钻孔质量要求钻孔垂直度要好，孔的布置要适宜，爆破参数要合理，起爆顺序要得当。但是这种深孔爆破法掘进天井需要人员充分理解控制爆破的基础理论，而且要掌握我们在爆破过程中如何能够有效的利用补偿空间。所以说这种深孔爆破法掘进天井分段分批次进行。小结：

深孔爆破法掘进天井利用深孔钻机在天井上部硐室内钻孔，分段装药、分段爆破，形成所需断面和尺寸。该方法最大特点是工人不进入井筒内作业，作业条件显著改善。然而，该方法对钻孔质量、爆破参数及起爆顺序等要求较高，需要专业人员操作。

5. 钻进法掘进天井

另外一种就是钻进法掘进天井。当前我们国内钻井法掘进天井开始逐渐得到普及。这种钻井法天井掘进天井主要是用天井钻机在预掘的天井断面内沿全身在一个直径200到300毫米的导向孔，然后用刀具分次或一次扩大到所需断面，同样人员不进入工作面，实现了掘进工作面的全面机械化。目前采用钻井法掘进天井最大高度可以达到了150米以上，所以说大大便利了我们井下钻着天井困难的难题。而且随着机械化水平的提高，在国内金属矿山逐步得到普及，而且应用越来越广泛。小结：

钻进法掘进天井采用天井钻机在预掘的天井断面内沿导向孔扩孔成井。该方法实现了掘进工作面的全面机械化，大大提高了掘进效率和安全性。随着机械化水平的提高，钻进法掘进天井在国内金属矿山中逐渐得到普及和应用。

五、天井施工的安全措施

天井施工因其高空作业、狭小断面及易受炮烟、落石、淋水和粉尘威胁等特点，安全性较差。因此，在施工过程中必须采取必要的安全措施，确保人员和设备的安全。

六、天井施工的安全措施与环境保护

天井施工过程中的安全问题不容忽视，必须制定并严格执行一系列安全措施，同时注重环境保护，实现绿色开采。

1. 安全措施

• 高处作业防护：所有参与天井施工的人员必须佩戴合格的安全帽、安全带等个人防护装备。在天井井口及作业平台边缘设置安全护栏，防止人员坠落。

• 爆破安全：严格执行爆破作业规程，控制爆破药量，优化起爆顺序，减少冲击波和震动对井壁及周围岩体的影响。在爆破前进行充分的通风，确保炮烟排尽后再进入工作面。

• 防尘与通风：采用湿式作业减少粉尘产生，安装高效除尘设备，保持工作面空气清洁。加强通风管理，确保风量充足、风速适宜，防止有害气体积聚。

• 设备检查与维护：定期对施工设备进行检查和维护保养，确保设备处于良好工作状态。对于老化、损坏的设备及时更换或修复，防止因设备故障引发安全事故。

• 应急预案：制定完善的天井施工应急预案，明确应急组织机构、救援程序、救援物资和装备等。定期进行应急演练，提高应急响应速度和救援能力。

2. 环境保护

• 废水处理：天井施工过程中产生的废水应经过处理达标后方可排放。建立废水处理系统，采用沉淀、过滤等方法去除悬浮物、重金属等污染物。

• 废渣利用：对于爆破产生的废渣，应进行分类处理和回收利用。可回收的矿石和废石用于充填采空区或加工成建材产品；无法回收的废渣运至指定地点进行安全处置。

• 生态修复：施工结束后，对天井周边受损的生态环境进行修复。通过植树造林、种草复绿等措施恢复植被覆盖，防止水土流失和生态退化。

• 绿色开采理念：将绿色开采理念贯穿于天井设计与施工的全过程。通过优化设计方案、改进施工工艺、采用环保材料等措施减少对环境的影响和破坏。

七、天井施工的质量控制与验收

天井施工的质量直接关系到矿山的安全生产和开采效率。因此，必须建立完善的质量控制体系和验收标准，确保天井施工的质量符合要求。

1. 质量控制

• 过程控制：在施工过程中加强质量监控和检查力度，确保每一道工序都符合设计要求和质量标准。对于发现的问题及时整改和处理，防止问题扩大化。

• 材料检验：对进场材料进行严格检验和验收，确保材料质量合格、规格符合设计要求。对于不合格的材料及时清退并追究责任。

• 人员培训：加强施工人员的技能培训和安全教育，提高施工人员的专业素质和安全意识。确保施工人员能够熟练掌握施工技能和安全操作规程。

2. 验收标准

• 断面尺寸与形状：天井的断面尺寸和形状应符合设计要求，无明显偏差和缺陷。采用测量工具进行实测实量，确保数据准确可靠。

• 支护质量：天井的支护结构应牢固可靠、无变形和破坏现象。对支护结构进行承载力测试和稳定性评估，确保满足安全要求。

• 表面平整度与光洁度：天井的井壁应平整光滑、无明显凸凹不平和裂缝等现象。采用目测和触摸等方法进行检查验收。

• 通风与排水：天井的通风系统应畅通无阻、风量充足；排水系统应完善有效、无积水现象。通过现场试验和观测进行验收确认。

八、天井施工的技术创新与发展趋势

随着科技的进步和采矿技术的不断创新发展，天井施工技术也在不断推陈出新。未来天井施工将更加注重高效、安全、环保和智能化。

1. 高效掘进技术：采用更先进的掘进设备和工艺技术提高掘进效率和精度。如采用自动化掘进机、全断面掘进机等高效掘进设备减少人工干预提高掘进速度；采用精确爆破技术优化爆破参数减少超挖欠挖现象提高断面成型质量等。

2. 安全防护技术：加强安全防护技术的研发和应用提高天井施工的安全性。如采用智能监控系统实时监测井内环境和设备运行状态及时发现并处理安全隐患；采用无人机巡检技术减少人员进入危险区域的风险等。

3. 环保与绿色开采技术：注重环保与绿色开采技术的应用减少天井施工对环境的影响和破坏。如采用环保型支护材料减少化学药剂的使用量；采用生态修复技术恢复天井周边生态环境等。

4. 智能化施工技术：将智能化技术应用于天井施工中实现智能化施工和远程操控。如采用机器人进行掘进作业减少人员安全风险；采用智能调度系统优化施工流程提高施工效率等。

综上所述，天井设计与施工是矿山开采中的重要环节之一。