平巷断面设计详解
发布时间:2024-07-26
在采矿工程中，平巷断面设计是一项至关重要的工作，它直接关系到巷道的稳定性、通风效率、运输能力及人员安全。本文将详细阐述平巷断面设计的原则、方法、步骤以及注意事项，力求为读者提供一个全面、深入的理解。
一、平巷断面设计概述
对于金属矿山不同用途的巷道，断面尺寸的设计方法也不相同。大多数巷道依据通过巷道中运输设备的类型和数量，按金属非金属矿山安全规程规定的人行道宽度和各种安全间隙，并考虑管路、电缆及水沟的合理布置等来设计净断面尺寸。然后用通过该巷道的允许风速来校核风速，待风速合格后再设计支护结构和尺寸，绘制施工图及工程量表。对于专门为通风或行人用的巷道的断面尺寸设计，只要满足通风或行人的要求即可。为减少平巷断面的规格的类型和数量，往往按正断面的要求选择标准断面即可，不必单独设计。
这是双轨断面
这也是双轨巷道断面
这是巷道交叉、轨道交叉、交叉巷道断面
这是单轨巷道断面、
这是单轨转弯巷道断面设计
这是管路布置
小结：
平巷是矿山地下开采系统的重要组成部分，承担着运输、通风、排水、行人等多种功能。平巷断面设计是指根据巷道的具体用途、运输设备的类型和数量、通风要求、安全规程以及管路、电缆、水沟等辅助设施的布置情况，合理确定巷道的净断面尺寸，并绘制相应的施工图和工程量表。
二、平巷断面设计的原则
安全性原则：确保巷道在使用过程中不会发生坍塌、冒顶等安全事故，保障人员和设备的安全。
功能性原则：根据巷道的具体用途，合理设计断面尺寸，满足运输、通风、排水、行人等需求。
经济性原则：在保证安全性和功能性的前提下，尽量减小断面尺寸，降低工程成本。
可维护性原则：便于巷道的日常维护和检修，减少维护成本和时间。
三、平巷断面设计的方法
确定运输设备的类型和数量
运输设备是巷道断面设计的重要依据。不同类型的运输设备（如矿车、机车、皮带机等）具有不同的尺寸和运输能力，因此需要根据实际生产需求选择合适的运输设备，并确定其数量和布置方式。
2. 确定人行道和安全间隙
根据金属非金属矿山安全规程，巷道内必须设置足够宽度的人行道，并保证运输设备到支护体的安全间隙。通常，安全间隙取值为300毫米，人行道宽度则根据安全规程表格进行选取。
3. 考虑管路、电缆及水沟的布置
管线简单来说就是在按照生产要求巷道内设置的管道和电缆，如压风管、排风管、供水管、动力电缆等。这些管线的布置要考虑安全架设和检修方便。
所以说对于管缆布置的一般要求：
第一种情况就是管道将布置在人行道一侧，管子的架设一般采用管墩、托架或锚杆吊挂的方式，并考虑便于维修。
第二种就是在架线式电机车运输平巷内，为防止电流腐蚀，管子间尽量避免沿平巷底铺设。
第三种，管子与管子架垂直或不平行铺设时应保证管子间留有足够的更换距离。管子架设在平硐顶部时，应不妨碍其他设备的维修和更换。
电缆布设的一般要求：
1、人行道一侧最好不铺设动力电缆，防止人在不小心摔倒时碰到电缆。
2、动力电缆和通信电缆一般不要架设在巷道的同一侧，如果说必须要架设在巷道同一侧，应各自悬挂，并将动力电缆布置在通信和照明电缆的下面，防止电流干扰。
3、电缆与风水管平行铺设时，电缆要悬挂在管道的上方，并隔开300毫米以上的距离。
4、在不连续支护的巷道中为防止电缆铺设被落石砸破、砸断，应用木钩或者帆布悬挂。强度应保证当落石发生时，木钩或帆布能被打断而不砸坏电缆。
5、电缆悬挂高度应按矿车掉道时不至撞击电缆为止，电缆坠落时不是掉到轨道上或者运输设备上。
6、铺设电缆时，两悬吊点的间距应不大于3米，两根儿电缆的上下距离不小于50毫米，电缆到顶板的距离一般不小于200毫米，当有数根电缆时，不小于100毫米。
小结：
在巷道断面设计中，还需要考虑管路（如压风管、排风管、供水管等）、电缆（动力电缆、通信电缆等）以及水沟的合理布置。这些设施的布置应满足安全架设和检修方便的要求，并尽量减小对巷道断面尺寸的影响。
4. 确定巷道净断面尺寸
巷道净断面尺寸包括净宽和净高两部分。净宽指直墙内侧水平距离，对于拱形巷道而言，可以通过公式进行计算。净高则指从倒渣面至拱顶内缘的垂直距离，应满足运输、行人及管缆架设的要求。
净宽计算：
对于巷道净宽的确定，对于拱形巷道而言，其净宽指直墙内侧水平距离，可以按照两个公式进行，一，像我们前面看到的双轨巷道断面，另外一个二就是单轨巷道断面。
其中，b为运输设备宽度，b1为运输设备到支护体的安全间隙，目前我们国内安全规程规定安全间隙取300毫米。b2 为人行道宽度，一般也是按照安全规程表格进行选取，并要求双轨线路之间及溜矿口一侧仅设人行道，人行道尽量不要穿越或少穿越线路，在人行道侧铺设管路，除架高铺设以外，要相应增加人行道的宽度。m为两设备之间的安全间隙。
净高计算：
从图中我们可以看到，拱形巷道的净高度H0，H0等于f0加上h3减去h5。f0拱形巷道的拱高，h3为拱形巷道墙高，h5是倒渣面至巷道平底底板的距离，也就是巷道铺轨道扎厚度，其中f0是拱形巷道拱高，对于不同拱形，其巷道拱高的计算有不同的公式算。
所以说对于拱的形式及拱高f0的确定，拱的高度常用高跨比来表示，即拱高与净宽度之比，这个是常数。对于不同的巷道，通常用高跨比来评价。
第一个，半圆拱。半圆拱是以巷道净宽为直径做圆，取其一半做巷道拱部形状，其拱高及拱半径均为巷道净宽之半。f0等于二分之B0，半圆弧的圆弧半径R也等于二分之B0，所以半圆拱拱高较大，能承受较大的顶压。但是由于它是半圆拱，断面利用率比较低，所以说在金属矿山平巷中较少采用。
2、圆弧拱。圆弧拱是取圆周的一部分构成巷道拱部的形状，承压性能比半圆拱差，比三心拱好，断面利用率比半圆拱高，与三心拱相比拱部成型比较容易，施工比较方便，所以说采用的比较多。但是对于半圆拱的几何尺寸计算，按照这个表进行计算。
3.对于三心拱而言，主要是取一段大圆弧和两段小圆弧组合而成的新拱形。由于这个拱有三个圆心，所以称为三心拱。它的承压性能比圆弧拱差，但是碹胎加工制作也比圆弧孔复杂，最主要其断面利用率好。所以说三心拱在我国金属矿山是常用应用的断面形式。
三心拱的参数可以按照这个下边表进行设计。
4.另外就是拱形巷道墙高h3的确定。拱形巷道墙高指巷道底板至拱基线的距离。大家清楚这个里面指的是巷道底板，而不是倒渣面。所以说通常墙高是根据电机车架线要求，再按行人及管线及管道架设要求计算比较，最后选定其最大值。
所以说对于墙高的计算有3种方式。
第一种方式是按架线式电机车导电弓子顶端两切线的交点与巷道公区间的安全距离大于250毫米计算。第圆弧拱巷道巷高公式，就是下边这个公式。
三心拱巷道墙高公式，当导电弓子进入小圆弧面时，它的计算公式如下。
当导电弓子进入大圆弧面，其公式如下。
第二种情况，按照行人要求确定巷道墙高。巷道墙高应保证行人避车靠壁站立时，距墙壁100毫米处的巷道有效净高不小于1.9米。所以说其计算按照下图1-5进行。计算公式也是一样，对于圆弧拱巷道墙高见公式1-6。三心拱墙高计算见公式1-7。
第三种按架设管道要求确定巷道墙高。要求导电弓子与管道距离不小于300毫米，管道最下边应满足1.9米的行人高度。
以上就是对墙高计算。对于墙高计算取3种方法计算值取最大值。
5. 拱形选择及参数计算
根据巷道的用途和地质条件选择合适的拱形（如半圆拱、圆弧拱、三心拱等），并计算相应的几何参数（如拱高、拱半径、墙高等）。这些参数的计算应满足巷道稳定性、承压性能及施工方便性的要求。
6. 风速校核
在整个巷道断面设计过程中，都需要进行风速校核。因为井下几乎所有的巷道都起通风作用，当通过该巷道的风量确定后，断面越小风速越大。风速过大会扬起粉尘，影响工作效率和工人健康。因此，必须按照安全规程规定的净高风速进行校核，若风速超过允许值，则需重新修改断面尺寸。
为此，安全规程规定了各种运途的巷道，所有的净高风速要按照表1-10进行规定进行执行。所以说设计出来的巷道净断面后，必须进行风速校核，若风速超过允许的净高风速，则重新修改断面尺寸，其通风要求按照下式进行核算。
四、平巷断面设计的步骤
收集基础资料：包括巷道用途、运输设备类型及数量、安全规程、地质条件等。
初步确定断面形状和尺寸：根据基础资料初步选择断面形状（如拱形），并估算断面尺寸。
详细设计：考虑管路、电缆、水沟等辅助设施的布置情况，进一步细化断面设计。
风速校核：按照安全规程规定的净高风速进行风速校核。
绘制施工图：按照设计要求绘制巷道断面图，并编制工程量及材料消耗表。
审核与修改：对设计成果进行审核，发现问题及时修改。
提交设计文件：将设计文件提交给施工单位作为指导施工的设计依据。
五、平巷断面设计的注意事项
严格遵守安全规程：
在进行平巷断面设计时，必须严格遵守国家及行业颁布的安全规程和标准，确保设计的安全性。特别是关于巷道宽度、高度、安全间隙、支护结构等方面的规定，必须严格执行，不得随意更改。
合理考虑地质条件：
地质条件是影响巷道稳定性的重要因素。在设计过程中，应充分调查和分析巷道所在区域的地质条件，包括岩层的稳定性、地下水情况、地应力分布等，以便选择合适的支护结构和断面形状。
注重经济合理性：
平巷断面设计应在保证安全性和功能性的前提下，注重经济合理性。合理控制断面尺寸，减少不必要的材料消耗和工程费用，提高经济效益。
考虑未来扩展需求：
在设计过程中，应充分考虑矿山未来的开采计划和扩展需求。合理预留一定的空间和设施位置，以便未来进行改造和扩建时能够顺利进行。
优化管线布置：
管线布置是平巷断面设计中的重要环节。应合理规划管线的走向和位置，避免交叉干扰和安全隐患。同时，管线布置应考虑维护和检修的方便性，预留足够的空间和通道。
细化施工图设计：
施工图是指导施工的重要依据。在绘制施工图时，应详细标注各项尺寸、材料、施工工艺等信息，确保施工人员能够准确理解设计意图并按要求施工。同时，施工图应满足相关规范和标准的要求，确保施工质量和安全。
加强现场监督与指导：
在施工过程中，应加强对施工现场的监督与指导。及时发现和纠正施工中存在的问题和隐患，确保施工质量和安全。同时，应加强与施工单位的沟通和协调，及时解决施工中出现的问题和困难。
六、平巷断面设计的优化与创新
引入先进的设计理念和技术：
随着科技的进步和采矿技术的发展，平巷断面设计也应不断引入先进的设计理念和技术。例如，采用数值模拟技术对巷道稳定性进行预测和分析；采用新型支护材料和结构提高巷道的承压能力和稳定性等。
注重环境保护与可持续发展：
在平巷断面设计中，应注重环境保护与可持续发展。尽量减少对自然环境的破坏和污染；合理规划和利用资源；采取有效措施减少废弃物和污染物的排放等。
推进智能化和自动化建设：
随着智能化和自动化技术的发展，平巷断面设计也应向智能化和自动化方向发展。例如，采用智能监控系统对巷道进行实时监测和预警；采用自动化设备和系统提高生产效率和安全性等。
七、结论
平巷断面设计是采矿工程中一项复杂而重要的工作。它涉及多个方面的因素和考虑点，需要综合考虑巷道的用途、运输设备的类型和数量、安全规程、地质条件以及经济合理性等多种因素。通过本文的详细阐述和介绍，希望能够为从事采矿工程和相关领域的人员提供一些有益的参考和借鉴。在未来的工作中，我们应继续加强研究和探索，不断优化和创新平巷断面设计的方法和技术，为采矿工程的安全、高效、可持续发展做出更大的贡献。
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