（地球探测与信息技术专业论文）煤矿井巷设计和图形绘制的研究与实现.pdf

太原理i ：人学硕十研究生学位论文 煤矿井巷设计和图形绘制的研究与实现 摘要 煤矿矿井井巷设计是煤矿生产的重要环节，合理的井巷设计，对加快 新并建设速度，傈证生产矿井的持续、安全生产，节约投资和获得良好的 经济效益，均具有十分重要的意义。荠巷设计在技术上必须综合比较、全 面分析，应当做到：技术先进、生产使用安全、方便，投资少效益高。目 前，新建矿井的井巷设计绝大多数都由专业设计部门承担，但多数生产矿 井的延 孛扩建项目的井巷= e 程，灵i 往往需要生产单位自行设计。 随着计算机科学技术的不断进步，数字化技术逐渐成为全球各行各业的 发展趋势。作为矿山的主要组成部分，井巷工程自始至终贯穿于矿山的开发 与生产活动中。因此并巷工程的设计与篱瑾具有较长的辩效性与多交性，开 发矿山井巷工程设计软件不仅可及时、准确地记录井巷工程的变迁，面且把 人们从传统的大量数据及繁重手工劳动中解脱出来，提高矿山的管理水平及 工作效率。井巷工程设计系统有很强的实用性，能适应煤矿企业的需要，是 现代煤矿设计和生产部门必备的设计软件。 目前，地理信息系统( g i s ) 在矿山领域中得到了广泛的应用。g i s 具 有良好的图形显示和分析功能，可方便地表示煤矿地理空间位置及属性信息 和设麓的图形、图像，提供了一种直接、形象的辅助决策工具。煤矿数字成 图为g i s 在矿山中的应用提供基础数据，而井巷设计图自动绘制做为煤矿 数字成图的一部分，必然会成为g i s 的辅助工其，利用本软件生成的井巷 太原理工大学硕。 研究生学位论文 设计图，将会自然而方便地纳入矿井g i s 中，成为其有机组成部分。这对 予数字矿由的建立，无疑也会傲赛定贡献。 本谍遂罴爨v c n e t 旁开发工其，针对井巷工程设计图鲶巍动绘裁这一 囊标做具体的算法研究鞠编程实现，奥正实现只要撅地覆采矿条件秽有关规 定数据输入计算棍，就可以自动绘制所需的各种设计图，解决了生产和设计 部门在设计中所遇到浆工作量大，设计条件复杂的翔题。 关键词：井赣设计，井巷绘制，煤矿数字戒豳 太原理了大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c 珏a n dl m p l e m e n l 陵t i o no n m i n et u n n e ld e s i g n i n ga n d 认p p i _ n g a 嚣s t r 矗c 零 t h ed e s i g no fm i n et u n n e ld e s i g ni st h ek e yf a c t o ri nt h ec o u r s eo fm i n e p r o d u c t i o n i th a se x t r e m ei m p o r t a n c ef o rr e a s o n a b l em i n et u n n e ld e s i g nt o a c c e l e r a t et h ec o n s t r u c t i o no fn e wm i n e s t oa s s u r et h ec o n s t a n ta n ds a f e p r o d u c t i o no fm i n e s ，a n dt oe c o n o m i z ei n v e s t m e n ta n da c h i e v eg o o de c o n o m i c b e n e f i t t h e r e f o r , t h ed e s i g no fm i n et u n n e l m u s tb ec o m p r e h e n s i v e l y c o n s i d e r e dw h i c ha c q u i r e sa d v a n c e dt e c h n o l o g y , s a f ep r o d u c t i o n ，c o n v e n i e n t u s a g ea n dh i g he f f i c i e n c yw i t hl i t t l ei n v e t m e n t a tp r e s e n t ，t h em i n et u n n e l d e s i g n so f n e w l yc o n s t r u c t e dm i n e sa r em o s t l yt a k e no nb yp r o f e s s i n o n a ld e s i g n d e p a r t m e n t s 。h o w e v e r , t h ee x t e n t i o na n de x p i a t i o np r o j e c t so fn f i n eu m n e t sa r e u s u a l l yd e s i g n e db yp r o d u c t i o nu n i t sb yt h e m s e l v e s w i 也t h ei n c e s s a n tp r o g r e s so fc o m p u t e rs c i e n c e d i g i t a l i z a t i o nt e c h n i q u e h a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n tt r e n di na l lk i n d so ff i e l d s a st h em a i nc o m p o s i n g p a r t so fm i n e sm i n et u n n e lp r o j e c t sr u nt h r o u g ht h em i l l ee x p l o i t a t i o na l lt h e t i m e a sar e s u l tt h ed e s i g na n dm a n a g e m e n to fm i n et u n n e l sh a v el o n g e r t i m e - e f f i c i e n c ya n dv a r i a t i o n 。t od e v e l o pm i n et u n n e lp r o j e c td e s i g ns o f t w a r e c a nn o to n l ym a k et h em i n ee x p l o i t a t i o nd i g i t a l i z a t i o n ，t i m e l ya n da c c u r a t e l y r e c o r dt h ef l x o fm i n eu m n e lp r o j e c t s ，b u ta l s or e l e a s ep e o p l ef r o ml o t so fd a t a i i t 太原理1 人学硕士研究生学位论文 a n dm a n u a lw o r kt oi m p r o v em a n a g e m e n tl e v e la n dw o r ke f f i c i e n c y t h ed e s i g n o fm i n et u n n e lh a sv e r ys t r o n gp r a c t i c a b i l i 够a n dc a na d j u s tt ot h er e q u i r e m e n t s o fm i n ee n t e r p r i s e s ，a n dh a sb e e na st h en e c e s s a r yd e s i g ns o f t w a r ef o rm o d e m m i n ed e s i g n sa n dp r o d u c t i o nd e p a r t m e n t s i nt h i sp a p e qv c n e tw a sa d o p t e da st h ed e v e l o p m e n tt o o la n dm a k e p r o g r a m r e a l i z a t i o na n da l g o r i t h mr e s e a r c hc o n c e r n i n gt h ea u t o m a t e dd r a w i n go f m a n et u n n e ld e s i g nm a p f i n n a l y ，a f t e rt h em i n i n gc o n d i t i o n sa n ds p e c i f i cd a t a w e r ei n p u ti n t oc o m p u t e ra l lk i n d so fd e s i g nm a p sc a nb ea u t o m a t i c a l l yd r a w e d t h i sh a ss o l v e dt h ec o m p l e x p r o b l e m so f l o t sw o r ka n dc o m p l e xd e s i g nc o n d i t o n s f o rp r o d u c t i o na n dd e s i g nd e p a r m e n t si nd u r i n gt h ep r o c e s so fd e s i g n k e yw o r d s ：t u n n e l d e s i g n , t u n n e lm a p p i n g ，d i g i t a lm a p p i n g o f m i n e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 “数字地球( d i g i t a le a r t h 简称d e ) ”是美国副总统戈尔于1 9 9 8 年1 月在加利福尼 亚科学中心开幕典礼上发表的题为“数字地球新世纪人类星球之认识”演说时，提出的 一个与g i s 、网络、虚拟现实等高新技术密切相关的概念。 数字地球是一个与地球相对应的动态的虚拟地球，是整个地球的环境资源和人文信息 在计算机中的缩影，主要包括专业的数据与信息的获取、更新、存储、处理、提取、分析 和传播等体系。通俗地说，数字地球就是用数字的方法将地球及其上的活动、地球和区域 环境的时空变化装入巨大容量和高速的电脑中，实现在网络上的流通、观察，为人类的工 作、学习、生活、娱乐和可持续发展服务。较严格地说，是以计算机技术、多媒体技术和 大规模存储技术为基础，以宽带高速信息网络为纽带，对海量地理信息进行多分辨率、多 尺度、多时空和多种类的三维描述，并为人类服务。为了研究和解决有关地球的重大问题， 世界上许多国家正在积极发展和运用先进的地球信息技术，如遥感a 强) 、地理信息系统( g i s ) 和全球定位系统( g p s ) ，以数字的方式获取、处理和分析有关地球自然和人文方面的空间 数据，并希望以此为基础，更好地解决人类生存与可持续发展的诸多复杂问题。数字地球 的概念就是在这样的背景下应运而生的。把有关地球的海量的、多分辨率的、三维的、动 态的数据按照统一的地理坐标集成起来，形成一个数字化的地球，最大限度地开发和利用 信息资源。借助于信息传递的数字化和网络化，通过这个数字地球，用户就可以在办公室 的终端或者会议室的大屏幕投影上，按着地理坐标检索和展示千里之外的三维地形、地貌 和地面物体，对着逼真的电子沙盘了解地球上任何一处、任何方面的信息，真正实现“运 筹于帷幄之中，决胜于千里之外”的古老梦想。 基于数字地球的构思，国内外许多专家学者提出了数字矿山( d i g i t a lm i n i n g ，d m ) 的概 念。也有学者认为“数字矿山”的提法欠妥， 观点，可以认为数字矿山是数字城市的子集， 就将其纳入到“数字城市”的范畴中。按此 数字城市是数字国家的子集，而数字国家又 是数字地球的子集。因此，d m 具备了数字城市的部分特征。吴立新教授对数字地球、数 太原理一i ：大学硕士研究生学位论文 字中国与数字矿区、数字矿山进行了深入研究，并指出2 l 世纪的矿山将是集数字地球科学 技术与现代智能技术于一体的数字矿山，并就建立数字矿山的任务与意义、数字矿区的信 息分类与管理、数字矿山与矿山地理信息系统( m g i s ) 进行了研究“1 。基于g i s 技术的 m g i s ，既具有g i s 的一般特点，又突出体现矿山开发过程的特点。m g i s 作为一种应用于 采矿行业的典型的企业化地理信息系统，它应用于一个矿山企业的采矿、地质、测量、通 风、机电、运销、计划等各个部门。m g i s 以在计算机网络上建立一个长期稳定运行的分 布式系统为目的，从而实现矿山企业中各种信息资源的共享，为“数字矿山”的实现奠 定坚实的基础。 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，简称g i s ，是- - i 1 介于信息科学、空 间科学和地球科学之间的交叉学科。它是在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和 信息科学的理论，对具有空间内涵的地理数据进行采集、存储、管理、查询、分析、显示 和制图的综合性技术系统。它有机的将自然科学和人文科学综合在一起，实现空间信息与 其他种类信息间的综合，这对于自然资源与环境管理、规划和决策等应用有着深远的科学 实践意义和重要作用。 将g i s 技术应用于矿山，开发针对矿山特点的g i s ，成为矿山地理信息系统( m g i s ) ， 或矿山空间与资源信息系统，它是以计算机技术为基础，用测量、摄影测量与遥感等技术 采集信息，并通过机助制图和图象处理等辅助手段，结合矿山的空间与资源特征建立起来 的一种信息系统。它具有对矿山资源与环境信息进行采集、存储、处理、查询检索、综合 分析、动态预测和评价、信息输出等功能，从而为矿山环境工程和矿山资源开发管理进行 规划、判断和决策等提供科学依据。 目前，计算机技术在我国矿山已得到广泛应用，特别是在机助矿图绘制、矿产资源分 析与评价、矿山数据信息微机管理等方面成果显著。中国矿业大学还在矿井三维立体图、 矿体底板三维立体图的自动绘制方面取得了突出成果，其研制的矿山空间信息综合处理系 统曾获1 9 9 5 年煤炭部科技进步奖。此外，西安煤田航测遥感公司应用遥感和地理学信息 系统技术在航空地质测量、煤田预测等任务中也取得了多项成果。太原理工大学开发了煤 矿数字成图与管理系统，在多数生产单位也获得了好评。 但是，我国矿山在g i s 的应用研究方面起步较晚，g i s 在矿山的应用还没有取得突破， 与国际水平和国内其它行业应用g i s 的水平相比有较大的差距”。 2 太原理i ：人学硕士研究生学位论文 1 2 井巷设计数字成图现状 在发达国家，计算机技术应用较早，比较著名的矿山计算机软件系统有 m i n e s c a p e ( m i n c o m ) 、s u r v c a d ( c a r l s o n ) 、d a t a m i n e ( m i c l ) 、e m p p e s ( r a m c o ) 、 m i n e x ( e c s ) 等软件，这些软件对巷道的显示功能相当强大，可以显示巷道的中线、以 二维的方式显示用各种填充物的巷道断面、精确地显示巷道的位置及交叉点等。利用最新 的巷道设计软件，只需分几步来输入简单的参数就能自动绘制巷道断面图。还可以以三维 的方式显示巷道、巷道所处的地质情况以及分析巷道所受压力等“、5 、6 、7 、”。 中国的矿山地质情况比较复杂，管理模式和国外不同，直接采用国外现成的矿山软件 往往不是很合适。从国外引进软件有以下不利因素： 价格昂贵：行业规范与语言不一致；无信息安全保障；矿山建设复杂，开采 技术条件变化较大。目前，国内还没有一个完全自主知识版权的井巷工程设计制图软件， 这严重影响了中国矿山数字化的进程，制约矿山企业经济的发展。所以，研制和开发适合 中国国情的井巷工程设计制图系统是当务之急“。 。 自2 0 世纪8 0 年代以来，随着计算机( 特别是微型计算机) 技术的出现和成熟，井巷 、 皆 设计制图也逐步由计算机制图替代传统的手工制图，矿山计算机制图技术和方式也越来越 多样化，例如于树i ! e 1 0 早在九十年代初运用p o 1 5 0 0 型的数学计算与绘图功能，输入任 意组参数可以设计半圆拱形及三心拱形巷道断面，解决了巷道设计中重复计算的问题：何 水源e 1 1 用c 语言进行开发，输入必要参数，生成巷道断面图；近年来，钟良 1 2 、叶家 冕 1 3 】和刘勇【1 4 ，1 5 等人提出了运用参数化技术在a u t oc a d 的基础上进行二次开发来绘 制煤矿巷道断面图的方法；王斌 1 6 贝j j 提出了面向对象的分析方法构造类家族，实现了交 岔点的图形绘制：董长吉 1 7 n 采用a u t o c a d 二次开发工具结合v b 面向对象编程的强大 功能，运用v b 在a u t o c a d 基础上二次开发完成参数化绘制巷道断面。 归纳起来，井巷设计制图技术及数据处理方法的研究主要有以下几点： 2 0 世纪8 0 年代早中期，以手工制图为主，辅以采矿信息的数据库管理，多元统计 方法的应用研究；利用a u t o c a d 进行简单井巷工程设计图的绘制。 2 0 世纪8 0 年代末，主要利用a u t o c a d 进行井巷工程设计图自动绘制的研究，井巷 设计算法的研究；另外，部分研究人员利用a r c i n f o 进行与矿山生产有关的专题性研究， 3 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 如矿井透水的预测预报。 在计算机应用的早期，井下通讯、通风、运输管理信息系统对相关地理空间位置的 表达( 如发生故障设备的位置) 往往以模拟信息加以反映。进入2 0 世纪9 0 年代后，由于 计算机图形技术的进一步引进和发展，在这些系统中加入了与采掘工程有关的简单图形。 2 0 世纪9 0 年代末至现在，随着n 绍r ( w e b ) 技术和地理信息系统的逐步应用， 井巷设计制图不仅包括图形信息，而且也增加了非空间信息( 属性信息) ，井巷设计制图的 主要目的是提供空间信息的录入与显示，从而为矿山管理建设提供决策支持服务。井巷设 计制图也逐渐成为数字化矿山重要的空间与属性数据源。 目前，在我国井巷制图中，大多借助于a u t o c a d 的开发和编辑环境。由于a u t o c a d 主要适用于机械制图领域，故在图形数据库文件结构，空间信息的操作和界面的设计方面 都有很多不适合井巷设计制图之处。a u t o c a d 是一种计算机辅助设计系统，正如前面论述 的那样，与地理信息系统有着很大的区别，无法大量存储各种矿山属性信息。同时，因图 形间无法建立拓扑关系，这就为矿山日常信息的查询和处理带来很大的困难。当然，在部 分矿山，一些地理信息系统软件也应用到井巷设计领域，如m a pg i s 、m 印l n f o 、a r c i n f o 等。这些软件主要为通用地理信息系统软件，由于设计时并未充分考虑矿山空间信 息的特点，因此，不能充分满足矿山管理信息系统的需要“。 1 3 本文研究的主要内容 面向对象技术( o o t ) 来源于面向对象的程序设计语言。2 0 世纪8 0 年代中期以后，o o t 取得了很大发展，并在计算机科学、信息科学和系统科学中得到了有效的应用。o o t 是一 种与传统软件工程的功能方法完全不同的、以对象为中心的方法，它不仅是一种程序设计 技术，更是一种思维方法。o o t 在井巷设计系统中应用，能够把很多复杂的问题简单化， 使程序的可读性和逻辑性显著地提高，主要表现在以下三方面： 井巷设计系统面对的是空间图形实体，各个实体彼此存在相似性和不同性。面向对 象方法的四种核心工具一分类、概括、聚集、联合，能有效地解决这些问题。 井巷设计系统本身并不是独立的，是与通用地理信息系统紧密相关的，并能扩展很 多制图功能。 就系统而言，可以认为是由很多彼此联系、制约的对象组成，并具有协同输入与输 4 太原理：( 大学硕十研究生学位论文 出功能。例如，可以把该系统设计成由多个相对独立的功能模块( 对象) 构成计算机 系统与用户之间g u l 接口的应用程序框架对象、矢量类型对象、矢量管理对象、符号库对 象、数据库对象、图层对象等“。 在总结、借鉴前人研究的成果基础上，采用v c n e t 为开发工具，针对井巷设计图的 自动绘制这一目标做具体的算法研究和编程实现，真正实现只要把地质采矿条件和有关规 定输入计算机，就可以自动选定井巷优化设计参数并绘制所需的各种设计图，解决了生产 设计部门在井巷设计时所遇到的工作量大，设计条件复杂的问题，本文主要研究了一下内 容： ( 1 ) 根据井巷设计所要遵循的安全规程探讨了巷道断面的优化设计问题。 ( 2 ) 研究了井巷设计图绘制过程中所需建立的数据结构和数据库管理问题。 ( 3 ) 设计开发了一套在微机上运行的“井巷设计自动成图系统”。 5 太原理： 大学硕+ 研究生学位论文 2 1 巷道断面设计 第二章井巷设计的技术要求 2 1 1 巷道断面设计的依据和规定 1 、巷道断面设计所需资料 ( 1 ) 巷道层位的地质资料。 ( 2 ) 运输设备的服务年限、用途及通风、排水、防火、卫生等方面的要求。 ( 3 ) 运输设备类型、规格尺寸及与其他巷道的关系。 ( 4 ) 巷道内的装备、管道和电缆的规格尺寸、数量及架设检修要求。 ( 5 ) 其他巷道硐室对巷道的位置要求。 ( 6 ) 支护材料供应的情况，施工技术及其装备条件。 2 、有关规定 1 ) 煤矿安全规程的规定 ( 1 ) 主要运输巷和主要风巷的净高，自轨面起不得低于2 m ；自轨面算起，电机车架 空线的悬挂高度应符合下列要求： 在井底车场内，从井底到乘车人车场不小于2 2 m 。 在行人的巷道内、车场内以及人行道与运输巷道交叉的地方不小于2 m ；在不行人 的巷道内不小于1 9 m 。 ( 2 ) 采区( 包括盘区) 内的上山、下山和平巷的净高不得低于2 o m 。薄煤层内的不 得低于1 8 m 。 ( 3 ) 电车架空线和巷道顶或棚梁之间的距离不得小于o 2 m 。悬吊绝缘子轨距电机车 架空线的距离，每侧不得超过o 2 5 m 。 ( 4 ) 运输巷道两侧( 包括管、线、电缆) 与运输设备最突出部分之间的距离，应符 合下列要求。 新建矿井、生产矿井新掘运输巷的一侧，从巷道道渣面起1 6 m 的高度内，必 须留有o 8 m ( 综合机械化采煤矿井为l m ) 以上的人行道，管道吊挂高度不得低于1 8 m ： 巷道另外一侧的宽度不得小于o 3 m ( 综合机械化采煤矿井为o 5 m ) 。巷道内安设输送机时， 6 太原理1 ：人学硕士研究生学位论文 输送机与巷帮支护的距离不得小于o 5 m ：输送机机头和机尾处与巷帮支护的距离应满足设 备检查和维修的需要，并不得小于o 7 m 。巷道内移动变电站或平板车上综采设备的最高突 出部分，与巷帮支护的距离不得小于0 3 m 。 生产矿井的已有巷道人行道的宽度不符合上述要求时，必须在巷道的一侧设置躲避 硐。两个躲避硐之间的距离，不得超过4 0 m 。躲避硐宽度不得小于1 2 m ，深度不得小于 0 7 m ，高度不得小于1 8 m ，躲避硐内严禁堆积物料。 在人车停车地点的巷道上下人侧，从巷道道渣面起1 6 m 的高度内，必须留有宽l m 以上的人行道，管道吊挂高度不得低于1 8 m 。 ( 5 ) 在双轨运输巷中，两列列车最突出部分之间的距离，对开时不得小于0 2 m 。采 区装载点不得小于0 7 m ；矿车摘挂钩地点不得小于1 o m 。 ( 6 ) 如果电缆同压风管、供水管在巷道同一侧敷设在管子上方，并保持o 3 m 以上的 距离。在有瓦斯抽放管路的巷道内、电缆( 包括通信、信号电缆) 必须与瓦斯抽放管路分 挂在巷道两侧。 井筒和巷道内的通信和信号电缆，应与电力电缆分挂在井巷的两侧，如果受条件所限， 在巷道内，应敷设在电力电缆的上方o 1 m 以上的地方。 1 葛、低压电力电缆在巷道同一侧时，高、低压电缆相互的间距应大于o 1 m ；高压电 缆之间、低压电缆之间的距离不得小于5 0 m m 。 2 ) 煤炭工业矿井设计规范、煤炭矿井巷道断面及交岔点设计规范的规定 ( 1 ) 巷道净断面，必须满足行人、运输、通风、设备和管线安装、检修和施工等需 要，且必须按照服务期问支护最大允许变形后的断面计算。综采工作面运输巷的净断面积 不得小于1 2 m 2 ，回风巷的净断面积不得小于1 0m 2 ，输送机上、下山的净断面积不宜小于 1 2m 2 ，运料、通风和行人上、下上的净断面积不宜小于1 0m 2 。高档普采区工作面运输、 回风基的净断面积不得小于6m 2 。 ( 2 ) 铺设胶带输送机的大巷，宜采用混凝土铺底。其巷道断面布置应便于检修。 ( 3 ) 底卸式、侧卸式矿车运输含水量大的煤时，大巷铺轨宜采用固定到床。 ( 4 ) 井巷铺轨的轨型，应根据运输设备类型、使用地点确定，并应符合相关规定。 ( 5 ) 井下巷道铺轨，除使用上有特殊要求外，还应采用钢筋混凝土轨枕。道床高度 应符合规定。倾角大于1 5 度的斜井和主要上、下山铺轨道时，应采用防滑措施。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 6 ) 大巷水沟应布置在人行道同侧。水沟宜采用混凝土浇筑，并设置预制钢筋混凝 土盖板。 ( 7 ) 进回风井，风硐和主要进回风巷道的风速，应小于国家现行标准煤矿安全规 程规定的风速。抽放瓦斯专用巷道的风速不低于o 5 m s 。 2 1 2 巷道断面的形状与尺寸确定 l 、巷道断面形状的选择 煤矿常用的巷道断面形状有半圆拱形、圆弧拱形、三心拱形、梯形及矩形( 图2 1 ) 。 底鼓严重时，亦有采用拱形直墙加砌底拱的封闭形断面。不稳定的、地压大的岩体中，如 果常用巷道断面及支护方式难维护时，则应采用特殊断面，如马蹄形、圆形、椭圆形。 、三 r 一 工 厂、 i 自i p 圆弧拱形巷道 讼王 _ r 工 半圆拱形巷道三心拱形巷道 图2 - 1 巷道断面形式 f i g 2 1 t h er o a dc r o s s - s e c t i o nf o r m 选择断面形状应考虑的因素： 1 ) 巷道所处的位置及围岩的物理力学性质、地压作用方向及大小 8 太原理1 大学硕士研究生学位论文 2 ) 巷道的服务年限和用途； 3 ) 巷道支护方式和支护材料； 4 ) 施工技术及其装备的情况： 4 ) 邻近矿井同类巷道的断面形状等。 当巷道围岩比较稳定，矿山压力不大，服务年限不长时，一般宜选用矿用工字钢支架、 锚杆或钢筋混凝土支架进行支护，其断面形状一般为梯形或矩形。如采区内的准备巷道和 回采巷道。 当巷道围岩不太稳定，矿山压力较大，且服务年限较长时，一般宜采用锚喷、混凝土 砌碹、料石砌碹或u 型钢可伸缩性支架进行支护，断面形状一般为拱形、圆形或椭圆形。 如井底车场巷道、主要运输大巷、回风大巷或服务年限较长的采区准备巷道等。 在具体条件下，上述因素有主次之分。例如一些服务年限较长的巷道，虽然所处位置 的矿山压力并不太大，围岩也比较稳定，但为了减少使用过程中的巷道维护费用，也可采 用锚喷、料石砌碹或混凝土砌碹支护的拱形断面。而另一些服务年限较短的巷道，虽然巷 道所在位置的围岩不太稳定，所采动影响，矿山压力也较大，有时也采用锚杆j 木棚支护 的梯形或矩形断面。 2 、巷道断面净尺寸的确定 巷道断面尺寸，应根据该巷道内运行车辆或设置其它设备的最大轮廓尺寸以及架设光 纤、行人、设备的运送、安装、检修和旖工要求等因素确定，并因按通风要求进行验算。 1 ) 巷道净宽度的确定 在巷道中设置或通行运输设备( 输送机、车辆等) 时，巷道净宽度b 系指运输设备外 形轮廓的最大尺寸、煤矿安全规程所规定的人行道宽度及有关安全间隙相加之和。 另外，当水沟设于人行侧的水平5 5 0 m m 时，应根据轨道铺设的要求加宽人行道。 直墙巷道的净宽度系指两墙内侧的水平距离。梯形巷道，当运行电机车或矿车时，则 净宽度系指自道碴面起电机或矿车车体最大高度处的巷道宽度；当铺设输送机时，系指自 巷道底板( 或地板) 起1 6 m 处的巷道宽度。 拱形断面的主要运输巷道净宽度，综采矿井不宜小于3 o m ，其他矿井不宜小于2 2 m ， 拱形巷道的其他巷道净宽度不宜小于2 o m ；矩形巷道断面净宽度不宜小于2 o m ；梯形巷 道断面顶部净宽度不宜小于1 8 。 9 太原理i ：大学硕十研究生学位论文 巷道净宽度按以下公式计算： ( 1 ) 双轨( 包括输送机与轨道合一) 巷道净宽度 b = a l + 6 + 。l ( 2 1 1 ) ( 2 ) 单轨( 包括单输送机) 巷道净宽度 曰= c l + q ( 2 1 2 ) 式中b 巷道净宽度，毫米； a 。、c 分别为非人行侧和人行侧轨道( 或输送机) 中线到巷道墙之间 的距离，毫米； b _ 一轨道( 或轨道与输送机) 中线之间的距离，毫米。 2 ) 巷道净高度的确定：巷道净高度必须保证车辆运行的安全和行人的方便。煤矿安 全规程规定：主要运输巷道和主要风道的净高( 架线式电机车运输巷道除外) ，自轨面 起不得低于1 9 米；采区( 包括盘曲) 内的上山、下山和平巷的净高不得小于1 8 米；采 区内的溜煤眼和小眼等的净断面和净高，由矿务局统一规定。 拱形巷道净高度 h = h 3 一九+ ( 2 1 3 ) 式中日净高度，毫米； h ，墙高，毫米； h 。从巷道地一板到道渣面的高度，由和铺轨参数确定，毫米： h 。拱高，毫米。 半圆拱形拱高为巷道净宽度b 之半，即：昙；圆弧拱形及三心圆拱拱高，煤矿一般 采用= 了b ，在其他矿山亦有采用詈b 或丢b 的。 梯形和矩形巷道净高度 h = 啊+ 吃一 ( 2 1 4 ) 式中何梯形( 或矩形) 巷道净高度，毫米； 1 0 太原理i ：人：羊硕士研究生学位论文 h 从轨面到顶梁的巷道高度，毫米 以从巷道底板到轨面高度，毫米 。从巷道底板到道渣面和高度，毫米：无道渣时，玩= 0 。 3 、按通风条件校核巷道断面 按上述有关规定和方法确定巷道断面后，必须按煤矿安全规程规定的井巷中风流 速度( 见表2 一1 ) 及煤炭工业设计规范有关条文进行校核。另外，在计算矿井通风负 压时，如某段风路负压过大，影响合理地选用扇风机，也需要加大该段巷道断面。煤炭 工业设计规范第2 - 1 0 5 条规定：矿井主要进风巷的风速一般不大于6 米秒；采区输送机 巷道或采区进风巷一般不大于4 米秒。设计时，应在不违反煤矿安全规程的条件下， 并按设计规范要求确定巷道断面，以留有适当余地“。 表2 - 1 井巷风流速度表 井巷名称允许风速( m s ) 最低最高 无提升设备的风井和风硐 1 5 专为升降物料的井筒 1 2 风桥 1 0 升降人员和物料的井筒 8 主要进、回风巷 8 架设电机车巷道 1 o8 运输机巷，采区进、回风巷 0 2 56 采煤工作面、掘进中的煤巷和半煤岩巷 o 2 54 掘进中的岩巷 o 1 54 其他通风人行巷道 o 1 5 4 、经济断面 在巷道断面设计中，不仅要考虑到掘进工程量的大小，尤其重视经济效果。为此，提 出“经济断面”的概念。所谓“经济断面”，系指具有最小年综合费用的断面。体现巷道 经济效果的目标函数表达式为： 太原理j 大学硕士研究生学位论文 y = 工( 氐) ( 2 1 5 ) 式中y 每年巷道年综合费用，元年米： ，( 品) 巷道掘进费、维护费和通风电耗费计算式之和，元年米。 求得上式得极小值，即为“经济断面，啪1 1 ) 巷道服务年限内的总费用 巷道服务年限内的总费用( z ) 与巷道的掘进费用( j ) 、巷道服务年限内的维护费用( w ) 、 巷道服务年限内的通风费用( f ) 及巷道服务年限( t ) 的关系为： z = ，+ ( + f ) t ( 2 1 6 ) 在关系式( 2 - 1 - 6 ) 中，巷道的掘进费用为巷道的旌工投入，一次性投入后即不再发生。 它包括直接费用( 工资、材料、机械) 和辅助费用( 运提、通风、其它) ，其每米投入随巷道断 面的增大而增加。在关系式( 2 - 1 6 ) 中，巷道服务年限内的维修费用( w ) 有三种情况，一是 设计时考虑一次投入太大，而没有达到永久使用设计，需在服务年限内定期进行维护；二 是在使用过程中，由于受地质构造或受采掘影响等巷道不得不进行维护；三是在施工过程 中，质量没有达到工程所要求的质量标准。上述三种情况或为特例，或为管理问题，在本 文中均不予以考虑。在关系式( 2 1 6 ) 中，巷道服务年限内的通风费用( f ) 一般不为人们所重 视，以为巷道只有掘进费用和维护费用。矿井所有的使用巷道，除煤仓和溜煤眼外，不论 是入是回风都需要有风流经过，而且贯穿巷道的服务年限始终。因此，巷道中风流经过的 难易，直接关系巷道作用的发挥和关系矿井的经济效益。综上，关系式( 2 。1 6 ) 可以简化 为： z = ，+ f t ( 2 1 7 ) 因为矿井系统巷道多以锚喷支护形式居多，因此本文将以锚喷支护和全岩斜巷为例进 行分析说明，其它形式的巷道或支护可参考全岩锚喷斜巷进行确定，方法是一样的。 2 ) 巷道掘进费用与断面的关系 粗略地讲，巷道的掘进费用肯定与巷道的断面成正比，巷道的断面越大成本越高。但 二者到底是什么关系，可以通过煤炭井巷工程综合预算额( 9 3 版) 进行查询。有两种方 法可以参考： ( 1 ) 是图形法，利用二维平面直角坐标系，确定巷道掘进费用和断面的j s 图像，横 1 2 太原理工大学硕士研究生学何论文 轴为断面( s ) ，单位：m 2 ，每l c m 代表2 m 2 ；纵轴为每百米巷道掘进费用( j ) ，单位：万元， 每l c m 代表一万元。选择数据时应以相同参数为准。 ( 2 ) 是程序法，利用程序，确定巷道的掘进费用( j ) 和断面( s ) 的函数关系，将每1 0 0 m 全岩锚喷斜巷( 倾角n 2 5 。) ，参数相同，断面不同的费用( 单位：万元) 输入程序，得出j s 函数式。 j = 2 7 4 5 2 1 2 + 0 7 5 0 2 8 0 6 s 用上述两种方法，得出的巷道掘进费用( j ) 与断面( s ) 的关系式基本相同，其函数式为： j = 2 7 4 5 + o 7 5 s ( 2 1 8 ) 式中j 每1 0 0 m 全岩锚喷掘进费用( 万元) ； s 巷道断面积，m 2 。 3 ) 服务年限内通风费用与断面的关系 巷道服务年限内通风费用主要是巷道风流的电耗，通风困难的巷道其风机的功率必 大，电耗必大。根据通风动力学： 垃 。f = n x e 3 6 5 2 4 1 0 0 0 0 慧 童2 n x e x 0 8 7 6 妻n = ( h i q ) + ( 1 0 0 0 x 叩) h i = r s q 2 r ，= ( a xl x c x s o5 ) s 3 所以，服务年限内的通风费用( f ) 与断面( s ) 的关系为： f = ( o 8 6 7 x a x 三c x s “5x q 3 e ) + ( 1 0 0 0 0 ，7 s 3 ) = ( 0 1 4 6 x a x c x 0 3x e ) s 2 5 ( 2 1 9 ) 式中f 服务年限内通风费用( 万元) ； 风流功率，k w ： e 每度电的价格； 巷道的摩擦阻力，几； q 通过巷道的风量，m 3 s ； 】3 太原理 大学硕士研究生学位论文 r ，巷道的摩擦风阻，k g m 3 口摩擦阻力系数( 锚喷斜巷取0 0 0 9 坛m 3 ) 上巷道长度( 这里取1 0 0 m ) ； c 断面形状系数( 半园拱取3 9 ) ； 7 7 扇风机效率( 一般取0 6 ) 。 4 ) 总费用与断面的关系 将关系式( 2 - 1 7 ) 和( 2 1 8 ) 代入( 2 1 9 ) 可以得到： z = 2 7 4 5 + 0 7 5 s + ( 0 1 4 6 口c q 3 e x t ) s 2 5 ( 2 1 1 0 ) 关系式( 2 1 1 0 ) 表示出z s 的函数，不论s 的值趋进无穷大还是无穷小，z 值均趋进 于无穷大，因此，巷道总费z 一定存在一个合理的、最经济的值。由于关系式( 2 1 1o ) 中 的其它参数，如a 、c 、q 、e 、t 均为巷道设计时应预先确定的值，因此，可以方便的 找出最经济的断面、2 2 2 “。 5 、水沟设计 排水沟断面( 图2 2 ) 设计的合理与否，将直接影响矿井排水系统的畅通和井下生产 环境乃至巷道的使用与维护。排水沟断面选择过大，将增加巷道的掘进费用，过小，则不 能满足排水要求。水沟一般布置在人行道侧，当非人行道有适当空间时亦可布置，水沟应 尽量避免穿轨道和运输机。大巷和上下山排水沟的砌筑材料多为混凝土，顺槽水沟一般不 砌筑。水沟坡度一般与巷道坡度相同，对平巷来说，不宜小于3 0 ，巷道中横向水沟坡度 不宜小于2 0 ；水沟中水流的最大速度，混凝土水沟为5 m s 1 0 m s ，最小流速应不使煤 泥等杂物沉淀为原则n 9 2 “。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 平巷交岔点 l ， 硌p l f 、n 一 。 卜道踏面；2 - 轨面：3 一泄水孔：4 - 水沟盖板 图2 - 2 水沟断面 f i g 2 - 2t h ec a n a lc r o s s - s e c t i o n 。平巷交岔点，按交岔点处巷道断面结构形式，可分为普通交岔点和穿尖交岔点两种， 见图2 - 3 。 l 一1己一2 缶盆 1 12 2 曲筒 a 嘈通交岔点b 一穿尖交岔点 图2 - 3 交岔点结构形式 f i g 2 3 t h er o a d w a y j u n c t i o nm o d l e 1 、普通交岔点 普通交岔点在交岔点长度内两巷道相交部分，共同形成一个渐变跨度的大断面，其最 大断面的跨度和拱高是由两相交巷道宽度和柱墙( 牛鼻子) 宽度决定的。这种交岔点较穿 尖交岔点工程量大，施工时间长，但受力条件好，适用于各类岩层和不同规格的巷道，所 】5 太原理工大学硕士研究生学位论文 以普遍使用。 2 、穿尖交俞点 穿尖交岔点在交岔点长度内，两巷道为自然相交，其相交部分，保持各自巷道断面， 顶板由两拱共同支撑。这种交岔点工程量小，施工时间短，又可减小通风阻力。但这种交 岔点较普通交岔点在相同条件下拱部承载能力小，仅适用于小跨度的巷道，围岩坚硬、稳 定、完整的条件下，所以对矿车运输的巷道设计很少采用。 交岔点设计，主要根据运输设备及道岔类型、线路布置及有关安全间隙、相交巷道 的断面尺寸及相互位置关系来确定平面尺寸、断面尺寸及工程量阱1 。 道岔按轨距、运输设备和轨型选择。1 9 6 6 年部颁标准道岔的型号和技术特征。 交岔点内轨道曲线半径，巷道内外侧加宽，双轨中线加宽等数值，均应按采矿设计 手册曲线巷道有关部分要求选取。单轨交岔点道岔部分的巷道在非分岔的一侧，有人行 道时，一般可不加宽：无人行道时须加宽2 0 0 毫米，加宽长度由理论中心起一般取5 - - 6 米。 2 3 硐室设计 硐室有立井硐室、斜井硐室、井底车场硐室等等。各种硐室由于用途不同，其断面形 式及规格尺寸亦变化多样，但是它们设计的原则和方法基本上是相同的。一般首先根据硐 室的用途、合理选择硐室内需要安设的机械和电器设备；然后依据已选定的机械和电器设 备的类型和数量，确定硐室的形式及其布置：最后再根据这些设备安装、检修和安全运行 的间隙要求以及硐室所处围岩稳定情况，确定出硐室的规格尺寸和支护结构。有些硐室还 需要考虑防潮、防渗、防火和防爆等要求。 2 3 1 采区煤仓 采区煤仓用来暂存煤炭、调节运输、提高车皮周转率和保证连续生产。设计使用性能 好，能适应生产需求且对于操作、管理、维修等都方便和经济的采区煤仓，实属采区设计 中一个重要的内容。 采区煤仓的形式、高度、断面形式及其结构，对于其使用性能的优劣关系很大。 按仓体空间位置形态的不同，可分为直立煤仓、倾斜煤仓和混合煤仓( 直立与倾斜结合) 三种，如图2 - 4 。采区煤仓形式设计时，考虑的主要因素是采区巷道布置，尤其是煤仓所 在的分阶段巷道布置、地质条件和使用要求等，一般说来，如无特殊情况和要求，均应考 1 6 太原理： 大学硕士研究生学位论文 虑直立煤仓，因为这种煤仓施工容易、使用性能好、维修方便。若煤仓高度因故受到限制， 可将仓体作不小于6 5 。的倾斜布置。至于混合煤仓，因其施工困难、使用欠佳，故极少采 用。另外，当煤仓高度和容积必须保障而又因故确实无法解决时，也可以考虑布置成双仓 形式。 ( a ) 垂直式；( b ) 嘶斜式；( c ) 一混合式 图2 - 4 采区煤仓的型式 摹 mf i g 2 - 4 t h ew o r k i n gf i e l dm i n eb i nf o r m 一， 煤仓高度是煤仓设计中的重要参数，其合理的高度，除能较好的适应受力条件，满足 容量要求外，还要考虑煤在进入仓体的过程中所产生的压结和破坏作用，因为煤在入仓之 后，由于胶带机或刮板输送机都有一定速度向仓内抛掷，抛掷后又变为自由落体的速度更 大，因而所产生的动能也更大，而这一动能随着仓体的增高而增大，动能增大的结果使仓 内煤体越发压结甚至起拱堵仓，若操作不当把煤放空，还极易对煤仓的下封口造成破坏， 此外，还加大了对煤体的破坏程度，从而减少了块煤的比率。基于这些因素，煤仓