第七章补充(主要开拓巷道类型及断面)

第七章主要开拓巷道类型和位置的选择,第一节主要开拓巷道类型的选择第二节选择主要开拓巷道位置应考虑的因素第三节主要开拓巷道沿矿体走向位置的选择第四节主要开拓巷道垂直矿体走向位置的选择第五节保安矿柱的圈定第六节副井和通风井位置的选定第七节其它辅助开拓巷道的布置,第一节主要开拓巷道类型的选择,主要开拓巷道是井下与地表连续运输的枢纽，是通风、排水、压气及其它动力设施由地面导入地下的通路。井口附近也是其它各种生产和辅助设施的布置场地。因此主要开拓巷道位置是否合理，对矿山的基建施工和未来生产具有深远的影响。主要开拓巷道的类型,主要是根据矿山地形、地质条件和矿体赋存条件来选定的。在国内金属矿山中，埋藏在地平面以上的脉状矿床或矿床上部，多用平硐开拓。当地面为丘陵地区或地势较为平缓，埋藏在地面以下的矿床，多选用竖井开拓。斜井开拓，也有一定的发展前途。当前国内外矿山，采用单一斜坡道作为主要开拓巷道的，为数甚少；多以斜坡道作为辅助开拓巷道，配合其它主要开拓巷道进行开拓。,第二节选择主要开拓巷道位置应考虑的因素,选择主要开拓巷道位置的基本原则是，基建与生产费用应最小；尽可能不能保安矿柱；有方便和安全的工业场地；掘进条件良好等，在具体选择时要考虑以下因素：矿区地形、地质构造和勘探埋藏条件；矿井生产能力及井巷服务年限；矿床的勘探程度及储量远景；岩石性质及水文地质条件；井巷位置应避避免开凿在含水层、受断层破坏和稳固的岩层中，特别是岩溶发育的岩层和流砂层中。,第二节选择主要开拓巷道位置应考虑的因素,5、地表和井下的运输联系，运输功最小，开拓工程量最小；考虑选厂和冶炼厂的位置（线路最短）；保证重车下坡运行；6、应保证井巷出口位置及有关构筑物不受山坡滚石、山崩和雪崩等危害，这在高山地区非常重要。7、井巷出口位置标高应高于历年最高洪水位3m以上；8、井筒要布置在岩层移动带以外，距地表移动界线的最小距离20m以上。井巷出口有足够的工业场地，能容下有关建（构）筑物、有排废石场地等，但同时应考虑不占或少占农田。,第三节主要开拓巷道沿矿体走向位置的选择,主要开拓巷道位置的选择，包括沿矿体走向位置的选择和垂直矿体走向位置的选择。沿矿体走向位置的选择，在地形条件允许的情况下，主要从运输费用来考虑。矿石的地下和地表运输费用与运输量同运输距离的乘积成正比。我们把运输量同运输距离的乘积称为运输功。运输费用的计费依据与运输距离有关，也与井筒位置有关。合理的井筒位置应在矿石的地下地表运输功为最小之处。为减少运输功，应尽可能使地下与地表之间无反向运输。此外，在使用运输设备而运输距离又相近的条件下，地表运输费用往往低于井下运输费用。最小运输功确定主要开拓巷道位置，一般不做定量计算，而只做大概的定性分析即可。,矿石进入阶段运输平巷有两种情况：1）矿石集中的情况图3.1用下盘沿脉巷道和穿脉巷道进行阶段开拓矿石集中在固定地点进入阶段运输巷道，如图3.1，各个矿块的矿石通过穿脉巷道3运到下盘沿脉巷道2。固定地点可视为穿脉巷道和下盘沿脉巷道的交点，各个矿块的矿石都由该点经沿脉巷道运到石门1，再运到井筒。,图3.1用下盘沿脉巷道和穿脉巷道进行阶段开拓1石门；2下盘沿脉巷道；3穿脉巷道,2）矿石分散的情况矿石由许多逐渐移动的点运到主运输巷道，这些点是自井田边界或由各个块段向井筒逐渐移动。,图3.2求最小运输功的点,第一种情况。将矿石（Q1、Q2Qn）集中点投在一条直线上，这条直线表示沿矿体走向的主要运输巷道，如图3.2。按最小运输功条件，井筒位置应设在这样一个矿石集中出矿点上，此点的矿石量Qn加其右边矿石量的总和，大于其左边矿石量的总和，而加其左边矿石量的总和，则大于其右边矿石量的总和，即：,出矿点n就是最有利的井筒位置，符合最小运输功要求。,上列公式证明如下：如图3.2所示，将各矿块的矿石量集中点投放到一条水平直线上，从这条直线运往井筒的矿石量Q1、Q2、Q3Qn集中于1、2、3m各点上，各点间之距离为l1、l2、l3lm-1。设符合最小运输功的井筒位置在n点（位置），并设左边所有的矿石量运到n点的运输功为A，右边所有矿石量运到n点的运输功为B，则全部矿石量运到n点的运输功为：A+B=最小运输功,如把井筒位置向左移至相邻的点n-1（位置）上，则全部矿石量运到该点的总运输功为：,如把井筒位置向右移至相邻的点n+1（位置）上，则全部矿石量运到该点的总运输功为：,因为前面已假设符合最小运输功的井筒位置在位置，则井筒的位置和的运输功应大于在位置上的运输功，即：,将上列二是化简，得：,分别消去上列二式中的ln-1、ln，得：,即,第二种情况。如图3.3，矿石是从许多逐渐移动的点运至主要运输巷道。在这种情况下，根据上述原理不难知道，运输功最小的井筒位置应在矿量的等分线上，即,上述按最小运输功来求合理的井筒位置的方法，也适合于平硐开拓的情况。例如采用平硐相交于矿体走向方案，要选定它相交的合理位置。,图3.3求最小运输功的点,例题如图3.4所示，设两个矿体用一个下盘竖井开拓，求竖井在沿走向方向的位置，此位置应使沿脉巷道的地下运输功最小。四个阶段共有22个矿块，设每个矿块的矿量集中在矿块中央运到运输巷道，各矿块以千吨表示的储量为Q1、Q2、Q3Q22。各矿块的储量为：Q1=84Q2=120Q3=100Q4=160Q5=110Q6=90Q7=140Q8=80Q9=70Q10=40Q11=30Q12=35Q13=50Q14=45Q15=30Q16=25Q17=35Q18=20Q19=30Q20=40Q21=35Q22=20设最小运输功的出矿点为Qn。,图3.4按最小运输功确定主井位置a纵剖面图；b平面图、分别为第一、第二、第三和第四阶段,画一条水平线表示沿走向的主要运输巷道，将各矿块矿量投射到这条直线上，然后分别自两端向中间依次相加。自左向右相加（到Q6）自右向左相加（到Q8）,所以，Q7为最小运输功的出矿点，即是最有利的井筒位置。以上述按最小运输功所求的井筒位置，也同时符合运输材料、巷道维护和通风等费用最小的要求。,最后应当指出，在选择井筒沿走向位置时，不应只考虑地下运输功最小，而应结合地面运输方向来同时考虑。例如当选厂在矿体一翼时，从地下及地表总的运输费用看来，井筒设在靠选厂的矿体一侧，可能使总的运输费用最小。总之，应按地面运输费用与地下运输费用总和为最小的原则来确定井筒的最优位置。,按照地表出现变形和塌落的状态分为陷落带和移动带。在地表出现裂缝的范围内称为陷落带。陷落带的外围即由陷落带边界起至未出现变形的地点止，称之为移动带。移动带的特点就是岩层移动（下沉）比较均匀，地表没有破裂。从地表陷落带的边界至采空区最低边界的连线与水平面所成的倾角，称为陷落角。同样，从地表移动带的边界至采空区最低边界的连线与水平面所成的倾角，称为移动角。在矿山设计中经常使用的是移动带和移动角。,第四节主要开拓巷道垂直矿体走向位置的选择,第四节主要开拓巷道垂直矿体走向位置的选择,采空区上部地表发生崩落和移动的范围，分别叫做崩落带和移动带。开采最低边界与地表崩落带和移动带边线的边线和水平面之间的夹角，分别叫做崩落角和移动角。,第四节主要开拓巷道垂直矿体走向位置的选择,井筒在垂直矿体走向方向的位置，应布置在移动带界线以外20米以远的地方，以保证井筒不受破坏。若是井筒布置在移动带内必须留保安矿柱。,崩落角与移动角的大小，与采空区上部岩层的物理力学性质、层理和节理的发育程度、水文地质构造、开采深度以及所采用的采矿方法等因素有直接关系，通常在3080之间。每种岩层和地质条件有其自己的崩落角和移动角。一般说来，矿体上盘岩石移动角小于下盘岩石移动角，矿体走向两端的移动角最大。下表为常见的岩石移动角。,移动带的圈定：,根据基干个垂直于矿体走向的地质横剖面图和沿走向的地质纵剖面图，从矿体开采的最低一个水平起（当矿体不规则时，从矿体上、下盘的突出部位起），按各层岩石的不同移动角（矿体的上盘、下盘和端部），分别做直线与地面相交，然后将矿体上、下盘和端部各交点逐一连线，在地形图上形成一条闭合圈，确定地表移动带。,图3.5陷落带及移动带界线a垂直走向剖面及情况；b垂直走向剖面及情况；c沿走向剖面,在新建的矿山设计中，应以设计的最终开采水平（当矿体埋藏深度很大并分期开采时，以各期最终开采水平）为基准，参考类似矿山的移动角，在总平面、开拓系统等有关图纸上圈定出最终（或分期）开采的移动界线。对于未探清的矿体应根据可能延深的部位画起。当矿体轮廓复杂时，应从矿体突出部位画起。,地表移动带内区域为危险区，在移动地带内布置的开拓工程或地表永久性建（构）筑物将受到破坏。为确保安全，避免因地表移动而带来的损失，应将主要开拓巷道和其他需要保护的建（构）筑物布置在移动范围之外，并与地表移动带边界保持一定安全距离。安全距离与建（构）筑物保护等级有关，按规定I级保护建（构）筑物的安全距离为20m，II级保护建（构）筑物的安全距离为10m。矿山各种建（构）筑物的保护等级见下表。,2）安全深度的确定矿体在采空之后，采空区上部岩石由于失去支撑，产生崩落。由于崩落的岩石体积膨胀而充满了采空区，使上部岩石又受到支撑而停止冒落。如图3.6所示，在采空区上面有一定厚度的崩落带；在崩落带之上又有移动厚度的下沉带。当矿体赋存深度大于某一深度时，地表就不会发生变形和破坏，这个深度叫做安全深度。,式中h采空区上部岩层的崩落高度，米；h1下沉（移动）岩层高度，米；崩落岩石的松散系数；m矿体厚度，米。当，则下沉（移动）就不会达到地表。松散系数难以准确测得和选用。它与采空区的地压状态、岩石性质和崩落条件有关，近似取。,当取时，当取时，所以，崩落高度约为矿体厚度的100500倍。安全深度一般认为：当采空区不充填时，；当干式充填时，；用湿式充填时，。,第五节保安矿柱的圈定,如果由于某些条件限制，主要开拓巷道或重要建（构）筑物只能布置在岩石移动带内，为安全起见，必须留有保安矿柱。所谓保安矿柱，就是在主要开拓巷道的周围和其它地表建（构）筑物之下，在服务年限内不予开采的矿石，也就是保护主要开拓巷道和地表建（构）筑物范围内的矿体。留保安矿柱可以在岩石移动带内形成一个不发生移动的安全保护带，使位于其内的构筑物不受岩石移动的影响。,要点：地表圈定、矿井底部、不同岩石移动角。在矿山设计中，主要开拓工程的布置（位置），应以开采所最深水平为基准。,首先在井口平面图上画出安全区范围（井筒一侧自井筒边起距20米，另一侧自卷扬机房起距20米）。在这个平面图上井筒中心线作一垂直走向剖面-，在这剖面井筒左侧，依下盘岩石移动角画移动线；井筒右侧依上盘岩石移动角画移动线。井筒左侧和右侧移动线所截矿层的顶板和底板的点就是井筒保安矿柱沿矿层倾斜方向在此剖面上的边界点，即点A1、B1、A1、B1。根据垂直走向剖面-所画岩层移动线所截矿层的顶板界点A1和A1，底板界点B1和B1，投射在平面图-剖面线上的B1、A1、A1、B1各点，这便是保安矿柱在这个剖面倾斜方向上的边界点。用同样方法还可求得-剖面线上的边界点B2、A2、A2、B2，及剖面线上-的边界点B3、A3、A3、B3。分别连接顶底板边界点便得相应的界线。,同样，根据平行走向剖面-画岩层移动线所截矿体的顶板界点c1和c1，顶板界点d1和d1，将这些点转绘在平面图的-剖面线上得d1、c1、c1、d1各点，这便是保安矿柱在这个剖面走向方向上的边界点。用同样方法还可求得-剖面的边界点d2、c2、c2、d2，-剖面的边界点d3、c3、c3、d3。分别连接顶底板界点便得相应的界线。将倾斜方向矿柱顶底板界线和走向方向矿柱顶底板界线延长，相交；或在垂直走向方向和平行走向方向多作几个剖面，照上法求得顶底板界点和界线，连接起来，便得整个保安矿柱的界线。,第六节副井和通风井位置的选定,一、副井位置的选定：任何一个矿井，必须要有两个以上的独立出口通达地表，便于通风和作安全出口，因此除主井或主平硐外还应有付井或通风平硐等。付井除用作通风和安全出口外，有时还用于上下设备、材料、人员，并提升废石或一部分矿石。选择付井时，要有转梦的用途。当主井为罐笼井时，可兼作入风井，则另布置一个付井作为通风井，它于罐笼井构成一个通风系统；当主井为箕斗井时,因箕斗在井口卸矿产生粉尘，故不能作入风井；需要设计副井和通风井。,1、中央并列式主井和付井均布置在矿体中央；主井与副井集中布置,间距应不小于30m。主井作为入风井，付井作为排风井。2、中央对角式1）主井为罐笼井，主井布置在矿体中央，可兼作入风井，在矿体两翼各布置一个付井作为排风井。2）主井为箕斗井，主井布置在矿体中央，应在主井附近布置一个罐笼井，作为提升付井，在在矿体两翼设置通风井。3、侧翼对角式主井布置在矿体的一翼，付井布置在矿体另一翼，主井进风，付井排风。,二、通风井的布置方式：,1.中央并列式,2.中央对角式,3.侧翼对角式,（2）中央式和对角式的对比1）中央式的优点地面构筑物的布置集中；主井和副井布置在岩石移动带内时，可共留一个保安矿主；主井和副井掘完以后，可很快连通，因此很快地开始回采；副井可用作辅助提升；井筒延深方便；可先掘副井，利用副井自下而上反掘主井。,2）中央式的缺点采用中央式通风时，风路很长，扇风机的负压大，而且负压随回采工作的掘进不断变化；当用前进式回采时，风流容易短路，造成大量漏风；如其它地方无安全出口，当地下发生事故时，危险性大；副井在勘探方面的作用很小。,（3）中央式和对角式的实际应用在金属矿中，大型矿山可考虑采用中央式布置，即在矿体中央布置主井和副井，以便利用副井作辅助提升。有时除了在矿体中央布置主井和副井外，还在矿体两翼各布置一个通风副井，以形成对角式通风系统。在中小型金属矿中，一般常用对角式。因矿体沿走向的长度一般不大，对角式的缺点不显得很严重，而对角式通风对生产有利。同时由于金属矿矿体一般产状复杂，有时需要在矿体的两翼掘探井，在生产期间就可利用它作通风副井。,3）对角式的优点负压较小而且稳定，漏风量较小，通风简单可靠而且费用低廉；副井可起勘探作用；当地下发生火灾、塌落事故时，地下工作人员较安全；如在井田两翼各布置一个通风副井，一个发生故障时，可利用另一个维持通风。4）对角式的缺点井筒的联络平巷很长，这些联络平巷要在回采工作开始之前掘好，故回采工作开始较迟；掘两个副井时，掘进和维持费用较大。,第七节其它辅助开拓巷道的布置,一、溜井的应用在我国许多地下开采的金属矿山中，普遍采用溜井放矿。溜井的应用范围和溜井系统大致可分为下面两种：(1)平硐溜井出矿系统采用平硐开拓时，主平硐以上各个阶段的矿石，均经矿石溜井放置主平硐水平，然后再运至地面选矿厂，形成完整的开拓运输系统。,(2)竖井箕斗提升,集中出矿系统采用竖井开拓时，也可采用溜井放矿集中出矿的运输系统。如竖井采用箕斗提升时，常将几个阶段采下的矿石溜井放至下面的某一阶段。有时还在这个阶段的竖井旁侧设置地下破碎站，矿石经破碎后，装入箕斗提至地面。,二、溜井位置的选择1、根据矿体赋存条件使上下阶段运输距离最短，开拓工程量最小，施工方便，安全可靠，避免矿石反向运输；2、溜井布置在岩层坚硬稳固、整体性好、节理不发育地带，尽量避免断层、破碎带、流砂层、岩溶及涌水较大和构造发育地带；3、溜井一般布置在矿体的下盘围岩中，以避免留保安矿柱和对生产造成影响。4、溜井装卸口的位置应避免放在主要开拓巷道内，以减少运输干扰和矿尘对空气的污染。有时还需设置备用溜井。,三、溜井的放矿能力溜井放矿生产能力的波动范围很大。它主要取决于卸矿口的卸矿能力，放矿口的装矿能力及巷道的运输能力。为了使溜井能持续出矿，保证矿山正常生产，溜井中必须贮存一定数量的矿石。此外，应使卸矿口的卸矿能力大于放矿口的放矿能力。放矿口的状况能力主要取决于下部巷道的运输能力；卸矿口的卸矿能力主要取决于上部水平的运输能力和采场出矿能力。因此，溜井放矿生产能力主要取决于上、下阶段的运输能力。,溜井放矿生产能力，可按下式估算：吨/时式中W溜井放矿生产能力，吨/小时；闸门完善程度系数，一般为0.70.8；放矿口的断面积，米2；矿流收缩系数，为0.50.7；矿石实体重，吨/米3；矿流速度，通常取0.20.4米/秒；考虑到堵塞停歇时间等因素的放矿效率，通常取0.750.8；矿石松散系数，一般为1.41.6。,国内矿山生产实践证明，当溜井中贮备一定数量的矿石，各运输水平的运输能力能满足放矿口及卸矿口的能力时，则溜井的生产能力是很大的。正常情况下，每各溜井每天可达30005000吨。,国内金属矿山的主溜井，按其总的外形特征与转运设施，其主要形式有下面几种：溜井的形式垂直式溜井从上到下呈倾斜的溜井，如图6.1a所示。各阶段的矿石由分支斜道放入溜井。这种溜井具有结构简单，不易堵塞，使用方便，开掘比较容易等优点，故国内金属矿山应用比较广泛。它的缺点是贮存能力有限，放矿冲击力大，矿石容易粉碎，对井壁的冲击磨损大。因此，使用这种溜井时，要求岩石坚硬、稳固、整体性好，矿石坚硬不易粉碎；同时溜井内应保留一定数量的矿石作为缓冲层。,(2)倾斜式溜井从上到下呈倾斜的溜井，如图6.1b所示。这种溜井长度较大，可缓和矿石滚动速度，减小对溜井底部的冲击力。只要矿石坚硬不结块，也不易发生堵塞现象。溜井一般沿岩层倾斜布置可缩短运输巷道长度，减少巷道掘进工程量。但是倾斜式溜井中的矿石对溜井底板、两帮和溜井贮存矿段顶板、两帮冲击磨损较严重。因此，其位置应选择在坚硬、稳固、整体性好的岩层或矿体内。为了有利于放矿，溜井倾角应大于60。,(3)分段直溜井:瀑布式接力式当矿山多阶段同时生产，且溜井穿过的围岩不够稳固，为了降低矿石在溜井中的落差，减轻矿石对井壁的冲击磨损与夯实溜井中的矿石，而将各阶段的溜井的上下口错开一定距离。其布置形式又分为瀑布式溜井和接力式溜井两种，见图6.1中c及d。瀑布式溜井的特点是上阶段溜井与下阶段溜井用斜溜道相联，从上阶段溜井溜下的矿石经其下部斜溜道转放到下阶段溜井，矿石如此逐段转放下落，形若瀑布。接力式溜井的特点是上阶段溜井中的矿石经溜口闸门转放到下阶段溜井，用闸门控制各阶段矿石的流放。因此当某一阶段溜井发生事故时不致影响其它阶段的生产；但每段溜井下部均要设溜口闸门，使生产管理、维护检修较复杂。,(4)阶梯式溜井为保证生产，一般应设置备用溜井。这种溜井的特点是上段溜井与下段溜井相互距离较大，故中间需要转运，如图6.1e所示，仅用于岩层条件较复杂的矿山。例如为避开不稳固岩层而将溜井开成阶梯式，或在缓倾斜矿体条件下，为减少运输巷道也可采用。,图6.1溜井形式图a垂直式溜井；b倾斜式溜井；c瀑布式溜井；d接力式溜井；e阶梯式溜井1主溜井；2斜溜道；3卸矿硐室；4放矿闸门硐室；5第一阶段溜井；6转运溜井,（5）溜井的结构参数为了保证溜井持续、可靠、安全地溜放矿石，正确选择溜井的结构参数，有着重要的作用。图6.2表示溜井的结构系统，它包括卸矿硐室、卸矿口、溜井井筒、贮矿仓、溜口（装放矿闸门）、中间阶段硐室和斜溜道，检查天井和检查平巷等。兹将溜井的结构参数分述如下：,图6.2溜井结构系统图1-卸矿硐室；2-卸矿口；3-溜井井筒；4-贮矿仓；5-溜口（装放矿闸门）；6-中间阶段硐室；7-斜溜道；8-检查天井；9-检查平巷,溜井的断面形状及尺寸垂直式溜井的断面形状有圆形、方形及矩形等。由于圆形断面利用率高，稳固性和受力状况较好，矿石对溜井磨损程度小且均匀，故生产中使用较多。斜溜井的断面形状有拱形、梯形、矩形、方形、圆形等。因拱形、矩形断面施工方便，稳固性较好，故使用较多。溜井的断面尺寸主要取决于溜放矿石的最大块度，并考虑矿石的粘结性、湿度及含粉矿量等因素。,溜井的断面直径（或最小边长）D=通过系数n最大块度d。通过系数一般取58为宜。对于粘结性大，粉矿多且湿度大的矿石，为减少堵塞次数，溜井断面尺寸应适当加大。溜井的长度依地质条件、矿床赋存条件、矿石和围岩的物理机械性质、开掘方法及开拓运输系统等来决定。当溜井不贮存矿石时，溜井愈深，则矿石对溜井冲击磨损愈严重，在这种情况下，溜井不宜太长。若溜井贮存矿石，一般贮矿长达70%左右，则可适当增加溜井