平巷断面设计

平巷断面设计
巷道是井下行人、运输、生产的通道，断面设计是否合理，将直接影响煤矿生产的安全和经济效益。

断面设计的主要原则是：在满足安全、生产和施工要求的条件下，力求提高断面利用率，取得最佳的经济效果。

巷道断面设计的内容和步骤是：首先选择巷道断面形状，确定巷道净断面尺寸，并进行风速验算；其次，根据支架参数和道床参数计算出巷道的设计掘进断面尺寸，并按允许的超挖值求算出巷道的计算掘进断面尺寸；然后，布置水沟和管缆；最后，绘制巷道断面施工图，编制巷道特征表和每米巷道工程量以及材料消耗量一览表。

一、断面选型
我国煤矿井下使用的巷道断面形状，按其构成的轮廓线可分为折线形和曲线形两大类。

前者如矩形、梯形、不规则形等；后者如半圆拱形、圆弧拱形、三心拱形、马蹄形、椭圆形和圆形等（见图8-1）。

图8-1巷道断面形状
(a) 矩形；(b) 梯形；(c) 半梯形；(d) 半圆拱形；(e) 圆弧拱形；(f) 三心拱形；
(g) 封闭拱形；(h) 椭圆形；(i) 圆形
巷道断面形状的选择，主要应考虑巷道所处的位置（即作用在巷道上地压的大小和方向、围岩性质）、用途及其服务年限、选用的支架材料和支护方式、掘进方法和采用的掘进设备等因素。

一般情况下，作用在巷道上的地压大小和方向在选择断面形状时起主要作用。

当顶压和侧压均不大时，可选用矩形或梯形断面；当顶压较大、侧压较小时，则应选用直墙拱形断面（半圆拱、圆弧拱或三心拱）；当顶压、侧压都很大且底鼓严重时，就必须选用诸如马蹄形、椭圆形或圆形等封闭式断面。

巷道的用途和服务年限也是考虑选择断面形状不可缺少的重要因素。

服务年限长达几十年的开拓巷道，采用受力性能好的各种拱形断面较为有利；服务年限10年左右的准备巷道
多采用断面利用率高的梯形断面；服务年限短的回采巷道，因受动压影响采用具有可缩金属支架的梯形断面。

矿区富有的支架材料和习惯使用的支护方式，往往也直接影响巷道断面形状的选择。

金属支架和锚杆可用于任何形状的断面；喷射混凝土支护方式适用于拱形等曲线断面。

掘进方法和掘进设备对于巷道断面形状的选择也有一定的影响。

目前，岩石平巷掘进仍是采用钻眼爆破方法占主导地位，它能适应任何形状的断面。

在使用全断面掘进机组掘进的岩石平巷，选用圆形断面无疑是更为合适的。

上述选择巷道断面形状应考虑的诸因素，彼此是密切联系而又相互制约的。

条件要求不同，影响因素的主次位置就会发生变化。

所以，应该综合分析，抓住主导因素兼顾次要因素，以便能选用较为合理的巷道断面形状。

二、确定断面尺寸
巷道断面尺寸主要取决于巷道的用途，存放或通过它的机械、器材或运输设备的数量及规格，人行道宽度和各种安全间隙，以及通过巷道的风量等。

设计巷道断面尺寸时，根据上述诸因素和有关规程、规范的规定，首先定出巷道的净断面尺寸，并进行风速验算；其次，根据支护参数、道床参数计算出巷道的设计掘进断面尺寸，并按允许加大值（超挖值）计算出巷道的计算掘进断面尺寸；最后，按比例绘制巷道断面施工图，编制巷道特征表和每米巷道工程量及材料消耗量表。

（一）巷道净宽度的确定
直墙拱形和矩形巷道的净宽度，系指巷道两侧内壁或锚杆露出长度终端之间的水平距离。

对于梯形巷道，当其内通行矿车、电机车时，净宽度系指车辆顶面水平的巷道宽度；当其内不通行运输设备时，净宽度系指从底板起1.6 m水平的巷道宽度。

运输巷道净宽度，由运输设备本身外轮廓最大宽度和《煤矿安全规程》所规定的人行道宽度以及有关安全间隙相加而得；无运输设备的巷道，可根据行人及通风的需要来选取。

如图8-2所示，拱形双轨巷道净宽度按下式计算。

（8-1）
式中，B--巷道净宽度，指直墙内侧的水平距离，m；
a--非人行侧的宽度，《煤矿安全规程》规定，a≥0.3m；当巷道内安设输送机时，输送机距支护或碹墙最突出部分之间的距离，a≥0.5m。

A1--运输设备的最大宽度，m，几种常用运输设备的宽度和高度见表8-1。

C--人行道的宽度，《煤矿安全规程》规定，从巷道道碴面起1.6 m的高度内，C≥0.8m，在人车停车地点C≥1.0m，在巷道高度1.6m至1.8 m之间不得架设管、线和电缆。

图8-2 巷道净断面尺寸计算简图
t--在双轨运输巷道中，两列对开列车最突出部分之间的距离，《煤矿安全规程》规定：t ≥0.2m ，在采区装载点t ≥0.7m ，在矿车摘挂钩地点t ≥1.0m 。

表8-1 几种常用运输设备的主要计算尺寸 单位：mm
（二）巷道净高度的确定
矩形、梯形巷道的净高度系指自道渣面或底板至顶梁或顶部喷层面、锚杆露出长度终端的高度；拱形巷道的净高度是指自道渣面至拱顶内沿或锚杆露出长度终端的高度，如图8-2所示。

《煤矿安全规程》规定，主要运输巷道和主要风道的净高，自轨面起不得低于1.9 m 。

架线电机车运输巷道的净高，必须符合有关规定：电机车架空线的悬挂高度，自轨面算起在行人的巷道内、车场内以及人行道同运输巷道交叉的地方不得小于2m ；在不行人的巷道内不得小于1.8m ；在井底车场内，从井底到乘车场其高度不得小于2.2m 。

电机车架空线和巷道顶或棚梁之间的距离不得小于0.2m 。

采区（盘区）内的上山、下山和平巷的净高不得低于1.8m 。

确定拱形巷道的净高度，主要是确定其净拱高和自底板起的壁（墙）高，如图8-2所示。

（8-2）
式中，H--拱形巷道的净高度，m ；
h 0--拱形巷道的拱高，m ； h 3--拱形巷道的墙高，m ；
h b --巷道内道碴高度，按表8-6选取，m 。

1．拱高h0的确定
拱的高度常以与巷道净宽的比来表示（称为高跨比）。

半圆拱的拱高h0、拱的半径R 均为巷道净宽的1/2，即h0=R=B/2。

圆弧拱的拱高，煤矿多取巷道净宽的1/3，即h0=B/3。

个别矿井为了提高圆弧拱的受力性能，取拱高h0=2B/5。

金属矿山由于围岩坚固稳定，可将圆弧拱的拱高h0取为巷道净宽的1/4或1/5。

2．墙高h3的确定
拱形巷道的墙高(h3)系指自巷道底板至拱基线的垂直距离（见图8-2）。

为了满足行人安全、运输通畅以及安装和检修设备、管缆的需要，拱形巷道的墙高h3设计按架线电机车导电弓子顶端两切线的交点处与巷道拱壁间最小安全间隙要求、管道的装设高度要求、人行高度要求、1.6m 高度人行宽度要求和设备上缘至拱壁最小安全间隙要求等5种情况，表8-2中公式计算，并取其最大者。

上述计算出的墙高h3值，必须按只进不舍的原则，以0.1 m 进级。

（三）巷道的净断面积
巷道的净宽和净高确定后，巷道的净断面面积便可以求出。

半圆拱巷道净断面面积：S=B(0.39B+h2) (8-3)
圆弧拱巷道净断面面积：S=B(0.24B+h2) (8-4)
三心拱巷道净断面面积：S=B(0.26B+h2) (8-5) （四）巷道风速验算
巷道通过的风量是根据对整个矿井生产通风网络求解得到的。

当通过该巷道的风量确定后，断面越小风速越大。

风速大，不仅会扬起煤尘，影响工人身体健康和工作效率，而且易引起煤尘爆炸事故。

为此，《煤矿安全规程》规定了各种不同用途的巷道所允许的最高风速（见表8-3）。

但是，为使矿井增产留有余地和满足经济风速的要求，一般不选用表中所列的最高风速。

《煤炭工业设计规范》规定，矿井主要进风巷的风速一般不大于6 m/s。

所以设计出巷道净断面后，还必须进行风速验算，即
（8-6）
式中，v--通过该巷道的风速，m/s；
Q--根据设计要求通过该巷道的风量，m3/s；
S--巷道的净断面面积，m2；
V max--该巷道允许通过的最大风速，按表8-3确定，m/s。

表8-3 巷道允许的最高风速
允许最高风速
一般对低瓦斯矿井，按前述方法所设计出的巷道净断面尺寸均能满足通风要求。

但是，对高瓦斯矿井往往不能满足。

这时，巷道的净断面尺寸就需要根据允许的巷道最高风速和《煤炭工业设计规范》规定的最高风速要求来进行计算。

（五）巷道设计和计算掘进断面面积
1．支护参数的确定
通常应根据巷道的类型和用途、巷道的服务年限、围岩的物理力学性质以及支架材料的特性、来源等因素综合分析选择合理的支护形式。

支护方式应力求承载能力强、就地取材、施工方便、经济耐用、维修量小。

支护方式确定后，即可进行支护参数的选择。

支护参数是指各种支架的规格尺寸。

如矿用工字钢和U型钢的型号，锚喷支护的锚杆类型、长度、直径、间距和排距，喷射混凝土的厚度与标号等。

对于岩石平巷的支护而言，锚喷支护是主要支护形式。

目前，锚喷支护已形成一个支护系列。

它包括喷射混凝土支护，锚杆支护，锚杆与喷射混凝土联合支护，锚杆、喷射混凝土与钢筋网联合支护以及与金属支架的联合支护。

2．道床参数的选择
道床参数选择包括钢轨型号选取、轨枕规格和道碴高度的确定。

钢轨的型号是以每米长度的质量来表示的。

煤矿常用的型号是11kg/m、15 kg/m、18 kg/m、24kg/m、30kg/m和33kg/m。

钢轨型号根据巷道类型、运输方式及设备、矿车容积和轨距来选用，见表8-4。

表8-4 巷道轨型选择及技术特征
轨枕的类型和规格应与选用的钢轨型号相适应。

目前多使用钢筋混凝土轨枕，木轨枕主要用在道岔处。

由于预应力钢筋混凝土轨枕具有较好的抗裂性和耐久性、构件刚度大、节约木料、造价低等优点，所以应大力推广使用。

常用的轨枕规格见表8-5。

表8-5 常用轨枕规格单位：mm
道床应选用坚硬和不易风化的碎石或卵石做道碴，粒度以20～30 mm为宜，并不准掺有碎末等杂物，使其具有适当孔隙率，以利于排水和有良好的弹性。

道碴的高度也应与选用的钢轨型号相适应，其厚度不得小于100mm，至少要把轨枕1/2～2/3的高度埋入道碴内，二者关系如图8-3所示。

图8-3 道床尺寸关系图
道床宽度可按轨枕长度再加200mm 考虑。

相邻两轨枕中心线距一般为0.7~0.8 m ，在钢轨接头、道岔和弯道处应适当减小。

道床有关参数见表8-6。

大型矿井特别是采用底卸式矿车运输时，井底车场和主要运输大巷应积极推广整体（固定）道床。

这种道床可用混凝土一次浇灌而成，也可先在轨道下铺设轨枕，然后再浇灌混凝土。

但是，有低鼓且未处理的巷道不宜采用整体道床。

3．巷道设计和计算掘进断面面积
巷道的净尺寸加上支护和道床参数后，便可获得巷道的设计掘进尺寸，进而求算出巷道的设计掘进断面积。

半圆拱巷道设计掘进断面面积为： (8-7)
圆弧拱巷道设计掘进断面面积为： (8-8)
梯形巷道的设计掘进断面面积为： (8-9)
式中，符号意义参见图8-4、8-5。

巷道设计掘进断面尺寸加上允许的掘进超挖误差值δ（75 mm ），即可求算出巷道计算掘进断面尺寸。

因此，在计算布置锚杆的巷道周长、喷射混凝土周长和粉刷面积周长时，就应用比原设计净宽大2δ的计算净宽作为计算基础，以便保证巷道施工时材料应有的消耗量。

三、断面内水沟设计和管线布置 （一）水沟设计
为了排出井下涌水和其他污水，设计巷道断面时应根据矿井生产时通过该巷道的排水量设计水沟。

水沟通常布置在人行道一侧，并尽量少穿越运输线路。

只有在特殊情况下才将水沟布置在巷道中间或非人行道一侧。

平巷水沟坡度可取0.3%～0.5%，或与巷道的坡度相同，但不应小于3.5%，以利水流畅通。

运输大巷的水沟可用混凝土浇筑，也可把钢筋混凝土预制成构件，然后送到井下铺设。

采区中间巷的水沟，可根据巷道底板性质、服务年限长短、排水量大小和运输条件等因素考虑是否需要支护。

回采巷道的服务年限短、排水量小，故其水沟不用支护。

棚式支架巷道水沟一侧的边缘距棚腿应不小于300mm。

为了行人方便，主要运输大巷和倾角小于15°斜巷的水沟应铺放钢筋混凝土预制盖板，盖板顶面应与道渣面齐平。

只有在无运输设备的巷道或倾角大于15°的斜巷以及采区中间巷和顺槽才可不设盖板。

常用的水沟断面形状，有对称倒梯形、半倒梯形和矩形几种。

各种水沟断面尺寸应根据水沟的流量、坡度、支护材料和断面形状等因素确定，常用的水沟断面及尺寸见图8-5、8-6。

图8-4 半圆拱形巷道断面壁高计算图
图8-5 拱形巷道水沟断面
图8-6 采区梯形巷道水沟断面
为了简化设计，可以直接在设计部门提供的各种断面形状水沟的技术特征表(参见表8-7)中选取。

（二）管线布置
根据生产需要，巷道内需要敷设诸如压风管、排水管、供水管、动力电缆、照明和通信电缆等管道和电缆。

管缆的布置要考虑安全和架设检修的方便，一般应符合下列要求：（1）管道通常设置在人行道一侧，也可设在非人行道侧。

管道架设可采用管墩架设、托架固定或锚杆悬挂等方式。

若架设在人行道上方，管道下部距道碴或水沟盖板的垂高不应小于1.8m，若架设在水沟上，应以不妨碍清理水沟为原则。

（2）在架线式电机车运输巷道内，不要将管道直接置于巷道底板上（用管墩架设），以免电流腐蚀管道。

管道与运输设备之间必须留有不小于0.2m的安全距离。

（3）通信电缆和电力电缆不宜设在同一侧。

如受条件限制设在同一侧时，通信电缆应设在动力电缆上方0.1m以上的距离处，以防电磁场作用干扰通讯信号。

（4）高压电缆和低压电缆在巷道同侧敷设时，相互之间距离应大于0.1 m以上；同时高压电缆之间，低压电缆之间的距离不得小于50mm，以便摘挂方便。

（5）电缆与管道在同一侧敷设时，电缆要悬挂在管道上方并保持0.3 m以上距离。

（6）电缆悬挂高度应保证当矿车掉道时不会撞击电缆，或者电缆发生坠落时，不会落在轨道上或运输设备上。

所以，电缆悬挂高度一般为1.5～1.9m；电缆两个悬挂点的间距不应大于3.0m；电缆与运输设备之间距离不应小于0.25 m。

表8-7 拱形、梯形巷道水沟规格和材料消耗表
四、弯曲巷道断面加宽
在巷道弯道处，车辆四角要外伸或内移，应将上述安全间隙适当加大，加大值与车箱长度、轴距和弯道半径有关。

其加宽值一般外侧为200 mm（20 t电机车可加宽300 mm），内侧为100mm，双轨中线距为300mm。

有的设计为了简化计算，内外侧均加宽200mm。

巷道除曲线段要全部加宽外，与曲线段相连的两端直线段也需加宽。

其加宽长度对于矿车运输巷道建议取1.5～3.5 m；电机车通行的巷道，建议加宽3～5m。

双轨曲线巷道，两轨道中线距加宽起点也应从直线段开始，用于机车建议加宽5m；用于3t或5t底卸式矿车建议加宽5～7m；用于1t矿车可加宽2m。