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第五章 矿井基本巷道 第一节 井筒 （一）、副立井井筒的断面布置 δ 1.副立井井筒断面形状 由于圆形断面井筒采用混泥土或料石砌碹支护，具有服务年限长，承受地压性能好，维护费用低，通风阻力小，施工方便等优点，结合本矿井的实际情况，所以决定采用圆形断面。 2.罐道梁的选择 罐道梁的截面形式，除了满足强度、刚度和耐腐蚀的要求外，还应满足通风阻力小，钢材消耗少，投资省，安装维护方便等要求。在多绳提升或使用钢丝绳防坠器的井筒，尤其是深井，宜选用槽钢或型钢组合封闭型空心罐道梁。根据本矿井的伸深较深，而且又是多水平开采的特点，决定选用槽钢钢板组合罐道梁，如图5-1，其参数情况如下表5-1 表5-1 立井罐道参数表 罐道梁名 称 技 术 特 征 Hmm Bmm mm Fcm2 Pkg/m Ixcm4 Iycm4 Wxcm3 Wycm3 槽钢钢板组合 梁 360 100 13 119.2 93.4 17613 1906 978 387 3.罐道的选择 当前生产矿井用得最多的是钢丝绳罐道和刚性罐道。 3.1 钢丝绳罐道 是利用钢丝绳作为提升容器运行的罐道，罐道绳的两端在井上和井底用专用装置固定和拉紧，井筒内不许要装置罐道梁。 与刚性罐道比较有如下优点 （1）结构简单，安装方便，节省钢材，施工期短，安装工作量小，速度快； （2）井筒内不设置罐道梁，减少通风阻力，井壁不凿梁窝，减轻井壁负荷，有利于提供井壁的整体性和防水性； （3）钢丝绳罐道有一定的柔性，提升容器运行平稳，没有冲击碰撞和噪音，改善提升系统的受力状况，允许采用较高的提升速度，减少断绳、卡罐事故； （4）使用寿命长，便于维护，更换钢丝绳也较简单，对生产影响较小。 主要缺点有 （1）钢丝绳罐道要求提升容器之间和容器与静碧之间的安全间隙比刚性罐道大，故井筒断面一般要相应加大； （2）由于悬挂罐道绳、防撞绳、防坠器制动绳，以及拉紧重锤使井架负荷加大，井底水窝也要求较深； （3）在进出车水平还需要另设刚性罐道稳罐，中间水平的稳罐装置尚不够理想，有待进一步解决。 3.2 刚性罐道 刚性罐道由罐道和罐道梁组成，沿井筒全深度设置，作为提升容器安全运行的导向。 与钢丝绳罐道比较有如下优点 （1）井筒不止按间隙要求，其直径一般比钢丝绳罐道布置时要小一级，深度也相应减小； （2）中间水平稳罐设置可使容器全速通过，有利于多水平提升； （3）近年来广泛采用端面罐道，配以胶轮滚动罐耳，罐道磨损量小，使用寿命长，提升容器运行平稳，有利于提高运行速度。 主要缺点有 （1）一般情况下，钢材消耗量较大，结构较复杂，安装工作量大； （2）一般需要预留或现凿梁窝，施工复杂，进度慢，影响建井工期。近年来采用树脂锚杆固定罐道梁，不再留设梁窝，施工速度相应加快，情况有所改善。 经过以上的比较，结合本矿井是多水平开采，立井井筒深，为提高提升能力、效率和安全性，采用型钢组合刚性罐道，如图5-2所示。 4. 刚性罐道布置形式的选择 刚性罐道的形式有三种，其适用条件核优缺点如下表5-2。 表5-2 罐道布置形式的适用条件及优缺点 布置形式 适 用 条 件 优 缺 点 罐道布置在容器一侧 单 侧 适用于钢轨罐道长条形罐笼提升井筒 优点井筒装备简单、罐道梁少、省钢材、容器运行平稳、通风阻力小、便于下放大型设备。 缺点闭口滑动罐耳磨损严重，改用刚性滚动罐耳，磨损可减小。 罐道布置在容器两侧 双侧 适用于提升容器长宽比不大，采用钢轨罐道的箕斗井或木罐道的罐笼井 缺点井筒装备比较复杂、罐道梁多、耗钢材、通风组了相应加大、罐道布置在罐道梁中心，罐道承受弯矩大，容器运行平稳性差，摆动大。现一般不采用。 罐道布置在容器两端 端面 适用于提升速度高、终端荷载大，长条形容器的单水平提升；近年来多用于多绳提升、型钢组合罐道和胶轮滚动罐耳的井筒中 优点井筒装备简单、容器布置紧凑，断面利用率高、有利于降低通风阻力，容器摆动小，运行平稳。 根据这三种布置形式的优缺点和适用条件，结合本矿井的实际情况，选取罐道布置在容器一侧的布置形式，如图5-3所示。 5.立井罐笼的选择 由于罐道的布置形式已经确定，又从第八章可知，选择1吨矿车双层单车普通罐笼，其主要技术参数如下表5-3 表5-3 选定矿车主要技术参数表 名 称 装载车数（辆） 进出车方式 罐 道 主要尺寸mm 罐笼自重（t） 允许乘载人数个 布置方式 规 格 间 距mm A B 1吨矿车双层单车普通罐 笼 2 双侧 单侧钢罐 道 38kg/m钢 轨 1550 2550 1010 4.12 24 6 井筒断面的确定方法 以煤矿中典型的罐笼提升带梯子间的井筒为例，其断面布置及有关尺寸如图所示。初步选定井筒断面布置，罐笼规格以及罐道、罐道梁尺寸型号后，即可计算井筒断面内提升间和梯子间尺寸如图5-4所示。 图中的罐道梁中心线的间距可由下式求得 式中 L1、2号罐道梁中心线间距，mm； L11、3号罐道梁中心线间距，mm； a两侧罐道中间距离，mm； h木罐道厚度，mm； Δ钢罐道梁卡入木罐道深度，mm； b1 ，b2， b31、2、3号罐道梁的宽度，都选为100mm。 梯子间尺寸M、S、T根据梯子间和管子间的布置和结构尺寸，按下列公式计算 式中 M梯子间最长边和2号梁中心线距离，mm； 600两梯子的中心距离，mm； 600梯子中心到壁板距离加另一梯子中心到井壁距离，mm； m梯子间壁板总厚度，根据梯子间壁板结构确定，一般木梯子间为50mm，金属梯子间为77mm。 梯子孔前后长度一般不小于700mm，加上梯子梁宽度100mm，一般取ST27001001600mm。右侧布置梯子间，左侧布置管路，一般取T300400mm，因此S1600-T13001200mm。 根据以上所求得的提升间和梯子间布置尺寸，用解释法或图解法确定井筒近似直径和罐笼在井筒中的位置。 用解释法计算可列方程 因为， 式中 R井筒净半径，mm； K1号罐道梁中心线与井筒中线的距离，K值可确定罐笼在井筒中的位置，mm； A、B罐笼的长和宽，mm； ∆x、∆y罐笼转角的收缩尺寸，其转角为圆角； f1罐笼与井壁之间的安全间隙，一般取200mm。 以上的公式中，除K、T外，均为已知数。通过计算，可得罐笼的半径为R2.35m，所以直径为D2R4.706m，取D5.00m。 7.立井支护 7.1 支护类型 井筒的支护类型有四种，具体列表如下表5-4。 锚喷混泥土 混泥土锚杆、金属等 在岩层较稳定、淋水小且井筒装备少或钢丝绳罐道的井筒中采用 1.掘进工程量较小，施工进度较快，效率较高； 2.喷射工程中回弹率高、粉尘多； 3.井筒采用时多种条件限制。 整体预制式、预制装配式 大型配筋砌块、丘宾筒及地面整体浇注、预制钢筋混泥井筒 使用于钻井法、沉井法施工时，需要地面预制的井筒；地压大的深井井筒中，常采用丘宾筒、组合钢板等支护结构 1.丘宾筒、地面预制混泥土构件强高； 2.丘宾筒、混泥土砌块在深流沙层中，必须与防水材料配套使用 根据本矿井是地质复杂、井下水多的实际情况和上表中所述的各种支护类型的适用条件，选取整体浇注式的立井支护类型。 7.2支护材料的选择 在上面支护类型选定为整体浇注式后，根据煤矿矿井采矿设计手册，加上本矿井的立井延伸较深，所受的地压大，所以要选取强度较大的支护材料，因此，决定选用混泥土及钢筋混泥土作为本矿井的支护材料。 8.立井的地压计算 根据设计，立井的深度设计为900m，而且本矿井范围内的喀斯特地形发育，井下涌水大，根据煤矿矿井采矿设计手册的各种计算地压公式的适用条件，宜选用重液公式计算本矿井的地压。计算公式如下 PγHty245－φ/2 式中 P计算处地压，t/m2； H计算处深度，m； γ土层的容重，取1.75y/m3； φ土层内摩擦角，取30。 所以井筒在900m深处处的所受地压是P1.75900tg30909.3t/m2 90.93t/cm2。 9.立井井壁厚度计算 （）。 公式中 h井壁厚度，cm； r井筒净半径，cm； P地压，t/cm2； Ra井壁材料的设计强度，kg/cm2； K设计安全系数，煤矿矿井采矿设计手册根据取为1.5。 井壁材料的设计强度为500t/cm2，根据拉麦公式计算时，有 kg/cm2 cm1213mm。 根据能量强度公式计算时，有 94.5mm945mm。 根据以上两种计算方法，取小值，即h945mm。 最后确定的立井井筒断面布置如图5-5所示。 （二）﹑主立井井筒断面布置 1、由于罐道的布置形式已经确定，又从第八章可知，选择单绳提升底卸式4吨箕斗，其主要技术参数如下表5-3 表5-3 选定箕斗主要技术参数表 名 称 有效装 载重量 有效装 载容积 自身高度 罐 道 主要尺寸mm 自身重 量 布置方式 规 格 间 距mm A B C D E F 1吨矿车双层单车普通罐 笼 4吨 4.7 7m 单侧钢罐 道 38kg/m钢 轨 1550 1590 1846 1680 1780 888 860 4.12吨 箕斗井井筒断面尺寸的确定 图5-1-28为煤矿刚性罐道箕斗井井筒断面计算图。 根据选定的井筒断面布置、箕斗规格、罐道及罐道梁尺寸型号，可计算出井筒断面内提升间的断面尺寸。 罐梁中心线间距，可用下式求得 Ha2hS0 5-1-30 式中 a两侧罐道之间间距，mm h钢轨罐道高度，mm S0罐道与罐梁连接处凹槽垫板宽度。Mm 罐道中心线与2号梁中心线之间的距离L，可由下式求出 LBf1b2/2 5-1-31 式中 B箕斗中心线到箕斗一侧距离，mm, f2箕斗与2号梁之间的距离，一般取200mm, b22号罐梁宽度，mm。 图5-1-28中，M、S、T与罐笼井筒一样，取决于梯子间的布置和结构尺寸。 同样，可用解析法求得井筒的直径及箕斗在井筒中的位置。 1）、解析法 由图5-1-28，可列以下方程 N2KC2R-2002 5-1-32 M2b2/2200B-K2S2R2 5-1-33 式中 NAa-A/2hS0/2 A箕斗宽度，mm K箕斗中心线至罐道中心线距离，mm C罐道中心线至箕斗一侧的距离，mm B罐道中心线至箕斗另一侧的距离,mm,其余的同前。 由此可知井筒尺寸和箕斗的位置。 通过计算，可得R2.76m,D2R5.52m,取为6m。 2.主立井支护 2.1 支护类型 井筒的支护类型有四种，具体列表如下表5-4。 锚喷混泥土 混泥土锚杆、金属等 在岩层较稳定、淋水小且井筒装备少或钢丝绳罐道的井筒中采用 1.掘进工程量较小，施工进度较快，效率较高； 2.喷射工程中回弹率高、粉尘多； 3.井筒采用时多种条件限制。 整体预制式、预制装配式 大型配筋砌块、丘宾筒及地面整体浇注、预制钢筋混泥井筒 使用于钻井法、沉井法施工时，需要地面预制的井筒；地压大的深井井筒中，常采用丘宾筒、组合钢板等支护结构 1.丘宾筒、地面预制混泥土构件强高； 2.丘宾筒、混泥土砌块在深流沙层中，必须与防水材料配套使用 根据本矿井是地质复杂、井下水多的实际情况和上表中所述的各种支护类型的适用条件，选取整体浇注式的立井支护类型。 2.2支护材料的选择 在上面支护类型选定为整体浇注式后，根据煤矿矿井采矿设计手册，加上本矿井的立井延伸较深，所受的地压大，所以要选取强度较大的支护材料，因此，决定选用混泥土及钢筋混泥土作为本矿井的支护材料。 3.立井的地压计算 根据设计，立井的深度设计为900m，而且本矿井范围内的喀斯特地形发育，井下涌水大，根据煤矿矿井采矿设计手册的各种计算地压公式的适用条件，宜选用重液公式计算本矿井的地压。计算公式如下 PγHty245－φ/2 式中 P计算处地压，t/m2； H计算处深度，m； γ土层的容重，取1.75y/m3； φ土层内摩擦角，取30。 所以井筒在900m深处处的所受地压是P1.75900tg30909.3t/m2 90.93t/cm2。 4.立井井壁厚度计算 （）。 公式中 h井壁厚度，cm； r井筒净半径，cm； P地压，t/cm2； Ra井壁材料的设计强度，kg/cm2； K设计安全系数，煤矿矿井采矿设计手册根据取为1.5。 井壁材料的设计强度为500t/cm2，根据拉麦公式计算时，有 kg/cm2 cm1213mm。 根据能量强度公式计算时，有 94.5mm945mm。 根据以上两种计算方法，取小值，即h945mm。 （三）、回风井设计 1.回风井的形式确定 回风井筒的形式一般有立井和斜井两种，通常来说斜井的施工比立井要快，技术比较简单，而且投资也比较少，所以选用斜井作为风井的形式。 2.斜井断面的一般规定 断面一般采用直墙半圆拱形。断面积根据回风量和允许的风速确定。煤矿安全规程规定，无提升设备又不作为安全出口的风井，允许最高风速为15m/s；作为矿井安全出口时，允许最高风速为8m/s。当人行道封闭时，最高风速仍可达到15m/s。风井内应设置水沟，作为矿井 安全出口时，应设台阶、扶手等，其设计的规格与主斜井的设计一样。 3.回风斜井井口布置 井口布置包括风井井筒、风硐、安全出口、井口防爆门框等。为减少通风阻力，风硐与井筒的夹角不宜太大，一般采用30～50。为减少漏风，安全出口与井筒的夹角应尽量大一点。在其中装设两道正向风门和两道反向风门，避免反风时风流短路。防爆门应安设在装有主要扇风机的出风井口，不得小于出风井口断面，并正对出风井口的风流方向。 由于本矿井的通风线路长，通风量大，在选择风井断面尺寸时要选择较大的断面。根据 煤矿采矿设计手册，可选择井筒净宽为4m的井筒，其断面特征和每米材料消耗量见下表5-6。 表5-6 回风斜井井筒断面特征及材料消耗 井筒净宽 m 净断面㎡ 净周长m 允许通过最大风量 m3/s 全荒料石砌筑 掘进断面㎡ 拱壁厚度mm 材料消耗量m3/m 井筒 基础 300 拱 壁 基 础 充 填 4.0 11.4 12.9 91.2 14.7 0.4 2.03 0.78 0.25 0.59 通过以上对副立井、主斜井和风井的设计，现将有关这些井巷的断面特征列表如下5-7。 表5-7 井筒特征表 井筒名称 井 口 坐 标 井 口 标 高 井筒直径或宽度m 井筒断 面m2 砌壁 井筒装备 x y 净 掘进 净 掘进 厚度 材料 副立井 5.0 6.85 78.5 147.4 945 钢筋混泥土 罐笼、罐道梁、梯子间、管子间 主立井 6.0 7.42 混泥土 轨道、水沟、道床、矿车 斜风井 4.0 4.2 11.4 12.9 300 全荒料石 水沟、管子 四、井筒的风速校核 井筒设计完后，就要针对本矿井的实际情况进行风速校核，看井筒的设计是否符合安全生产、合理采煤等的要求。按照煤矿安全规程规定的井巷中风流速度及煤炭工业设计规范有关条文进行校核。煤矿安全规程中的有关井巷风速的要求如下表5-8所示。 表5-8 煤矿安全规程中的有关井巷风速要求表 井巷名称 容许风速 最低 最高 风桥 10 主要进、回风道 8 架线电机车巷道 1.0 8 输送机巷道、采区进、回风道 0.25 6 回采工作面、掘进面的煤巷和半煤岩巷 0.25 4 掘进中的岩巷 0.15 4 其他人行巷道 0.15 设计时，应在不违反煤矿安全规程的条件下，并按设计要求确定巷道断面，应留有适当的余地。 在进行风速校对之前，必须还要对矿井的通风量进行估算，因为本矿井属于高瓦斯矿井，因此可以用瓦斯的多少来估算矿井的通风量。根据煤矿矿井采矿设计手册，高瓦斯矿井在计算风量时，必须使总回风流中的瓦斯和二氧化碳浓度不超过0.75，同时日产一吨煤矿井需要风量不少于每分钟1.5m3。本矿井设计的日生产能力为1500t，所以，每分钟矿井所需风量为Qmin15001.52250m3,j则每秒钟地所需风量为QsQmin/6037.5m3。最后根据公式QSv和上表5-7中已经确定了的井巷断面积来进行井筒的风速校核。 式中 S井筒的净断面积； v井筒中的风速。 具体风速的校核情况如下 1.副立井风速校核v立Qs/S立37.578.50.478m/s; 2.风井风速校核v风Qs/S风37.511.43.29m/s。 由于主斜井是由来提升煤炭的，一般不用做通风巷，所以这里就不用进行风速校核了。而平硐作为第一水平开拓的主要运输巷道，将在后面的第二节中论述。 通过以上的井巷风速校核，结合表5-8中所规定的风速数值，可以看出，矿井的井巷设计是比较合理的，能够保证矿井在开采时的通风要求。 18
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