巷道工程课程设计.doc
地下空间工程课程设计 一. 工程概况 某矿的阶段运输巷道需穿越风化破碎花岗岩岩层,该岩层节理 裂隙较发育,f46,岩层受构造破碎带控制,地表水沿破碎带深入, 涌水量145m3/h,岩石自稳时间在3050h之间。 巷道要求3000t/天的通行能力,采用ZK10/550型架式电车,牵引 YCC22型单侧曲轨侧卸式矿车运输,巷道风量45m3/s,巷道内设两条动力电缆,三条通讯及照明电缆,一条4英寸压风管和一条2英寸供水管。 二. 方案设计 A. 地下空间工程断面选形与断面尺寸设计 1 巷道断面形状与支护材料的选择 根据该巷道是一条服务年限较长的主要运输巷道,所穿 过的岩层是中等坚硬和中等稳定,预计巷道承受较大地压双轨运输,巷道比较宽,故选拱高为1/3B0类型的三心拱形支护材料选用浇灌混凝土。 2 巷道断面各部尺寸的确定 i. 根据该巷道所通过的运输设备类型,查表得ZK10/550 型600毫米轨距架线电机车的宽为1060毫米,高为1550毫米;YCC2(6)型单侧曲轨侧卸式矿车宽1250毫米、高1300毫米;两者比较,取其最大值,故通过巷道运输设备的宽b1250毫米,高h1550毫米; ii. 该巷道通过的是小于14吨的架线电机车,查表可知, 人行道宽度取b2800毫米; iii. 双轨运输两对开列车通过时,车体间隙按规定m200 毫米时,轨道中心线间距为1450毫米。查表知,ZK10/550型电机车为600毫米轨距,双轨运输轨道中心线F1300毫米,小于1450毫米,不符合要求,此时轨道中心线间距应取其最大值,即F1450毫米; iv. 结合以上尺寸,按公式B0bFb2b1计算,可得巷 道净宽度B020021250+200+800=3700毫米; v. 巷道混凝土砌拱厚度,查表可取墙厚T300毫米;拱 厚d0250毫米; vi. 查表可知,ZK10/550型电机车选用每米18公斤的钢轨,采 用钢筋混凝土轨枕;轨道铺轨结构尺寸h6350毫米;h5200毫米;h4150毫米 vii. 三心拱拱高取1/3B0类型,拱高f0B0/33700/31233毫米;大 圆弧半径R0.692B00.69237002575毫米;小圆弧半径r0.262B0969毫米; viii. 巷道底板到拱基线高度(即墙高),按下列三种情况确定 1、按电机车车架线要求确定 设架线导电弓子之半K400毫米;架线到轨面高度取H12000毫米;ZB0/2-a3700/2-8251025毫米 由于 (r-aK)/r-250969-825-400/969-2500.7560.554 故导电弓子在小圆弧断面内,应按公式h3三心H1h6-公式计算巷道墙高,即 h3三心H1h6- 2000350- 2350-2350-2350-4701880毫米 2、按管道架设高度要求确定 三心拱双轨运输巷道按公式计算,即 1800200250 2250 22502250-9061344毫米 3、按人行要求确定 按公式计算,即 2000-14.130.3=1573毫米 以上三种情况的最大值为1800毫米,已能满足架线、管子敷设和人行安全距离的要求。但运输设备的最大高度为1890毫米,比墙高出10毫米,说明矿车顶部车缘已在拱部,这时矿车到巷道壁间隙就小于200毫米,不符合安全要求。在此种情况下,墙高的决定就该以满足运输设备布置的安全间隙为主,进行最后决定,故墙高为1900毫米。 ix. 按教材计算公式,求得下列各部尺寸 所以 (1.7+0.263.7)=12.15米2 其中 0.750.3=0.23 21.90.3=1.14 0.23.7=0.74 故 =21.7+1.333.7=8.32米2 x. 允许通过风速校核 按公式计算 12.156=72.90米3/秒45米3/秒 所以满足要求,勿需修改断面尺寸。 3 掘进工程量 i. 每米巷道砌拱所需材料量 1=1.33米3; ii. 每米巷道砌墙所需材料量 1=1.14米3; iii. 每米巷道基础所需材料量 设有水沟一侧基础深500毫米;另一侧基础深250毫米,水沟壁厚50毫米, 则V30.50.250.3=0.23米3 iv. 每米巷道水沟及盖板所需材料量 查表得 V40.0930.0290.12米3 v. 每米巷道共需材料量 VV1V2V3V41.331.140.230.122.82米3 vi. 巷道的粉刷面积 1.333.7+21.7=8.32米2 4 水沟设计及管缆布置 水沟的坡度与巷道相同,取千分之三。水沟断面根据涌水量145米3/小时,参照表选取上宽330毫米、下宽280毫米、深度250毫米;每米水沟支护材料消耗0.083米3,水沟盖板0.029米3,钢材1.21公斤。 管子布置在人行道一侧,采用管子托架架高敷设,可以减小巷道净宽。托架上设压风管,下边悬挂洒水管。 两条动力电缆设于非人行道一侧,三条通讯电缆与照明电缆设于人行道一侧。电缆悬挂全部采用挂钩形式。 5 绘制巷道断面图并编制工程量表及材料消耗量表 根据以上计算结果,按120比例绘制出巷道断面图(见插图),并附上工程量表及巷道材料消耗量表。巷道断面设计的全部内容,都反映在此图纸上,即我们所说的巷道断面施工图,发至施工单位u,作为指导施工的设计依据。 B. 地下空间工程开挖方法设计 i. 开挖方案 1. 开挖方法的比较 地下工程平巷开挖可分为钻爆法和机械掘进法两大类。钻爆法的典型爆破方法光面爆破在当前地下平巷掘进工程中已经广泛运用,并在与新奥法的结合之下,成为一种标准;而机械掘进法包括TBM掘进机开挖、盾构法、顶进法、基坑法。其中,TBM掘进机开挖被世界广泛使用。 机械掘进与钻爆掘进相比较优缺点 1 优点 a 掘进机械化程度高,掘进速度快,劳动强度低节省人力; b 掘进平巷断面光滑整齐,不会出现超挖和欠挖现象; c 出渣无大块,便于装运,出渣与掘进同时进行,有利于快速掘进; d 避免了由于爆破冲击波而引起的事故,围岩受振小。 2)缺点 a 刀具磨损大,成本高; b 一次性投入大(设备); c 机械故障多,辅助时间长,体积大,搬运不便; d 适应性差。 2. 开挖方法的选择 在保证安全施工符合工程施工要求,有利于增强和维护围岩稳定 性,最大限度利用断面空间,有利于推广新工艺充分发挥机械设备的作用,利于节约材料及降低工程成本等前提下,与实际工程状况相结合,从安全、技术和经济三方面综合分析下,可得出采用钻爆法的光面爆破最为合适。 ii. 钻眼器材的选择 选用气腿式凿岩机同时钻眼,钻眼与装岩平行作业;CTH10-2F 型凿岩台车;柱齿钎头。 iii. 掘进循环进尺的确定 用钻爆法掘进平巷时,施工有钻眼、爆破、装岩和支护以及 通风、铺轨、管线连接等一系列工序。通过对影响施工因素的综合分析,采用1.8米的循环进尺。 iv. 爆破参数的计算和选择 一 巷道掘进中的爆破参数包括炸药消耗量、炮眼直径、炮 眼深度和炮眼数目等。 1 炸药消耗量 爆落一立方米的实体原岩所需要的炸药量,一般简称“单位炸药消耗量”。 由工程概况中可知,穿越岩层为风化破碎,节理裂隙较发育,f46。通过查阅资料可选定q1.5 kg/ m3 2 炮眼直径 我国现场普遍采用的炮眼直径,比标准卷直径3235毫米稍大 24毫米,一般为3436毫米。本设计装药结构为不耦合装药,炮眼直径采用43毫米 3 炮眼深度 炮眼深度直接决定着每茬炮的进尺量,同时又决定着循环工作 量。这里炮眼平均深度取为2米。 4 炮眼数目(N) 预先对工作面按下式估算 N个 式中 f-----岩石坚固系数,这里取f6; s-----巷道掘进断面积,m2。 二 爆破图表的编制 已知按照设计要求,循环进尺为1.8米,预计炮眼利用率η 0.85,炮眼平均深度以2.0米考虑;采用2号岩石炸药,采用延期时间为100ms的段发电雷管。且穿越岩层的q1.5 kg/ m3。 a 每循环炸药消耗量 Qqslη1.5*15.59*2.0*0.8539.7545kg b 炮眼数目 已知药卷为35毫米直径的2号岩石炸药m0.16 米,p0.15 kg。 A值取0.5。则由公式得 Nqsηm/ap1.5*15.59*0.8*0.16/0.5*0.1540个 c 炮眼布置 根据计算出的炸药消耗量,并参照估算出的炮眼数目,结合工作 面情况考虑炮眼布置方式 1 中心眼 布置1个,位置在爆破区域中心左右,与掏槽眼间距为500 毫米. 2 掏槽眼采用垂直菱形掏槽。两对槽眼应对称性中心眼布置.取 槽眼间距为0.7米;成对炮眼眼底距离为1米;槽眼深 度为2.2米,与工作面夹取750。 则成对炮眼眼口间距为 2*2.2/tg7500.21.504米 掏槽眼共布置了4个,帮眼间距为700毫米. 3 周边眼与底眼 根据光爆要求,周边眼适当加密。结合光爆经验参数,由巷道周 边长度和巷道宽度适当等分而得 周边眼共布置25个,其中帮眼间距为450毫米,顶眼间距为550560毫米; 底眼共布置8个,间隔为600毫米; 为了爆破时带出水沟,另外布置一个水沟眼。 4 辅助眼 由已确定好的槽眼、周边眼之间的检举,均匀布置辅助眼,以求扩大掏槽,获得均匀岩块并为光爆创造条件,一共布置辅助眼24个。周边眼间距及光面曾厚度均为600毫米。 K0.550.6/0.6 0.91.0 通过在工作面的合理布眼,求得实际需要炮眼55个,比原来估算多了15个。 5 各炮眼装药量的分配 槽眼 a取0.6 则 每眼装药卷数2.2*0.6/0.16 8.25卷 槽眼总装药量4*8.25*0.154.95 kg 辅助眼 a取0.5,则 每眼装药量卷数2.0*0.5/0.16 6卷 辅助眼总装药量24*6*0.1521.6 kg 水沟眼 a取0.5,则 底眼总装药量1*6*0.150.9 kg 周边眼 根据经验,2.0米深的周边眼,采用单段空气柱装药 法,每眼装两卷即可获得良好效果。则 周边眼总装药量25*2*0.157.5kg 因此,设计总装药量4.9521.60.97.534.95 kg;雷管消耗量为55个(一孔一个),而定额规定每茬炮雷管消耗量15.59*2.0*0.85*2.5668个。 因为55<68,所以符合要求。 6 爆破网络 采用串并联爆破网络(孔外等间隙微差起爆网络),起爆电源微 MFB-100型,起爆过程严格遵守安全操作规程中有关规定。 7 预期爆破效果 1. 工作面单循环进尺2.00.85=1.7m 2. 爆落实体岩石量15.592.0+26.503m3 3. 爆炸消耗量 每米巷道2#岩石硝铵炸药消耗量34.95/1.7=20.6kg/m 4.一个循环内炮眼总长度2.242.051=110.8m 5.1m3需管消耗量55/26.503=2.1发/m3 6.每米巷道雷管消耗量55/1.7=32.3发/m 8 绘制爆破图表 表2-15 爆破原始条件 名称 单位 数量 名称 单位 数量 掘进断面 米 15.59 工作面瓦斯情况 无 炮眼深度 米 2 电雷管 个 55 炮眼数目 个 55 2号岩石铵沥炸药 岩石坚固性系数 46 总装药量 kg 34.95 表2-16 炮眼布置及装药量 序号 炮眼名称 炮眼深度(米) 炮眼个数 装药量 倾角 爆破顺序 连接方式 卷/眼 小计kg 水平 垂直 1 中心眼 2.0 1 750 1 串联 2 掏槽眼 2.2 4 8.25 4.95 2 3 辅助眼 2.0 9 6 21.6 3 4 辅助眼 2.0 15 4 5 周边眼 2.0 25 2 7.5 5 5 水沟眼 2.0 1 6 0.9 5 共计 110.8米 34.9 kg 表2-17预期爆破效果 名 称 数 量 名 称 数 量 爆破眼利用率 0.85 每米巷道炸药消耗量(kg/m) 20.6 每循环工作面进尺(米) 1.7 每循环炮眼总长度(米/循环) 110.8 每循环爆破实体岩石(米3) 26.503 每立方米岩石雷管消耗(个/立方米) 2.1 炸药消耗量(kg/m) 34.95 每米巷道雷管消耗(个/米) 32.3 v. 特殊地质条件下的辅助施工措施 在施工中,不能排除在个别地段会遇到不良地质条件。而几种常 见的不良地质条件包括破碎松散地层、多水地层、软岩地层、高瓦斯及有岩爆倾向的地层和流砂及岩溶发育地层。以下为遇到这些不良地质条件时的辅助措施 1. 破碎松散地层 1 根据地层情况局部调整开挖方法及面积,使开挖面即围岩暴露 面不能过大,遵照化大为小的开挖原则,以控制围岩应力及其增长。在爆破时尽量减弱对围岩的扰动,由爆后的冒落情况,适当降低报孔位置,减少装药量。 2 加强和改善支护。使用超前支护,以增强围岩的强度,提高围 岩的自承能力和稳定性。并及时采用临时支护,支护紧跟,尽量减少围岩的暴露时间。 2. 多水地层 1 察清水源及透水通道; 2 联系实际情况采取相应的防水止水措施; 3 施工时的注意事项 a 涌水处理后,采用能维持威严稳定的开挖方法; b 采用防水药卷或防水炸药,电雷管的起爆电路架空; c 临时支护不宜采用单纯混凝土支护; d 加强施工设备以及用电供电的安全管理措施。 3. 软岩地层 施工措施包括 a 围岩暴露后,尽快封闭,尽量使围岩不受风化或减少风化的影响; b 临时支护宜采用柔性支护或可缩性支撑; c 地层中含有遇水膨胀物时,妥善处理作业面排水,防止水流失或积水浸泡; d 进行适当超挖; e 爆破是采用减震爆破技术,减少爆破对围岩的损害和扰动; f 在变形稳定后进行永久支护‘ 4. 高瓦斯及有岩爆倾向的地层 a 巷道掘进中的瓦斯预防主要为局部预防,其措施包含震动放炮、钻孔排放、水力冲孔; b 对岩爆防治措施包含应力转移法、岩体注水软化法、超前加固法、让压支护法、合理开挖。 5. 流砂及岩溶发育地层 a 开挖巷道遇到流砂时,要制止水夹泥沙涌入巷道,施工采用“先护后挖”、“密闭支撑、边挖边封”的方法,必要时采用双层插板支撑,俩层板间作滤水层,避免流水过多带起泥沙造成塌方。此外,要留有沉落量,并随时注意观察、测量实际沉落情况。 b 在勘察时,对工程地域作详细调查,在设计中使线路避绕岩溶区。 穿越岩溶区时,按具体情况以“避、引、堵、越、绕”的方法处理。 C. 地下空间工程支护设计 由于巷道断面较大,服务年限长,岩石条件属于中等稳定、节 理裂隙较发育的风化破碎花岗岩岩层,选择喷锚支护方式。 i. 喷锚支护 喷锚支护是一种施工方便,经济有效,适用范围广的支护形式,目前已经在地下工程中得到广泛的应用,但目前还没有一种精确的,完全公认的机理,所以其设计方法也有多种. 在实际工作中,用工程类比发进行喷锚支护设计是一种常用方法,查井巷施工与计算事例表1-6A,标准设计600mm轨距巷道断面锚喷参数表可得 对于第三类岩石,拱形主要大巷B0在30004900mm之间的巷道,采用¢14钢筋砂浆锚杆.锚深为1600,间距为800,喷射混凝土的厚度为100mm,墙部仅喷射混凝土,其喷射厚度为150mm. 锚杆长度按LN1.1B/10 m 验算 N1.0,中等稳固岩石 L1.01.13.7/101.47 m ,取L1600 mm 显然合适; 锚杆直径,根据经验公式验算 dL*1/110cm d1470/11013.4mm 所以 取d14 mm合适; 锚杆间距按 S0.5 – 0.7 L m 验算, 即 S0.6*1.470.882m 所以 取S800 mm合适. 故选定支护参数表如下表 支护参数表 单位 mm 喷射混凝土厚 钢筋砂浆锚杆 拱部 墙部 直径 锚深 间距 排距 100 150 14 1600 800 800 ii. 喷混凝土机 干式混凝土机粉尘较大,回弹率高,潮喷机的作业环境和喷射效果明显比干喷机优越,潮喷机和干喷机工艺也正在推广和使用.选择HPC-V型潮式喷射机,并配以HPLG-5B转子型喷射机铲机和混凝土机械手. iii. 喷射凝土材料配合比及施工工艺 喷混凝土的材料主要有水泥、沙子、石子和水等组成. 混凝土 标号为C30;初凝时间35分钟,终凝时间10分钟左右,回弹 率低,早期强度高,水泥一般用量为375400kg/m3; 水泥沙子石子为 1 2.02.5 2.52.0;水灰比为0.40.45,速 凝剂掺量一般为水泥用量的2.54. 喷射混凝土的工艺参数主要根据喷混凝土的质量, 回弹率及粉 尘大小几个因素决定. a 喷混凝土的风压 0.150.18 mpa b 水 压 0.250.28 mpa c 水 灰 比 0.40.45 d 喷嘴与受喷面的距离及倾角 d0.81.0 , a900 最佳 e 一地喷射厚度 50 mm f 喷层之间的间歇时间 1520 min iv. 质量检验 v. 破碎带处的支护 通过断层破碎带,有地表水带时,采用可控压内注浆锚杆超前 支护,这种锚杆是将注浆与锚结合一体,既能将破碎的围岩胶结成一个整体,用锚杆加固后,更能充分调动围岩本身的 承载力,又可以封水,堵水的作用,采用这种超前锚杆支护后,可以在破碎带,淋水带下用普通掘进法施工,故在此段中采用可控压内注式注浆锚杆超前支护,预计可取得较好的效果。 喷锚支护示意图 D. 地下空间工程稳定性监测(量测)设计 i. 监测目的 巷道的稳定性对施工进程的快慢起着非常关键的作用。因此, 对其稳定性的监测是必不可少的前提,也是新奥法理论所强调的。而且监测为施工提供必要的依据,为施工过程中采取那种支护手段,何时进行支护打好基础。以做到适时支护,加快施工进程,保证安全性。 ii. 监测原则 a 及时进行监测。不仅要对岩石的变形量进行量测,掌握岩石的 变形规律,保证对其的合理支护;还要对水文地理的监测,以防止施工过程中出现涌水和岩层坍塌的现象发生。 b 适时进行监测。合理安排时间进行监测,借助现场的监测结果 反馈信息,对围岩进行支护。保证施工的安全、经济、高速的进展。 iii. 监测手段 a 目测 其目的主要是对水文地理的监测,对监测的结果进行分析,必要时需要制作表格和图表 b 地表下沉量测 c 支护的量测 对支护材料的量测,检查其的坚固性;对变形量、应力的变化进 行量测和统计。 d 岩石内变形量测 确定围岩位移随深度变化的关系,深入了解支架与围岩相互作用 的关系,确定合理的锚杆长度。 e 喷层应力量测 了解喷层的变形和喷层的应力状态,判定喷射混凝土层的稳定状态。 f 二次衬砌应力量测 了解二次衬砌的受力条件判定支护的可靠性和安全程度。 iv. 监测仪器和设备 包括压力盒、顶板动态仪、多点位移计、应变砖、液压枕、 GHL-2型混凝土应力计、刚弦测压计、KM-1型收敛计。 E. 地下空间工程施工组织设计 i. 施工组织 掘进工作面采取“三八”工作制,俩班掘进,一班喷射混凝土; 掘进班负责打顶部锚杆,每循环进尺为2.0米,日循环8.0米。施工采用多工序平行作业(详情见循环图表)。 劳动组织采用综合队,要求每人一专多能,采用平行作业,可使每班的每个人都有较充足的工作量,充分发挥每个人的作用,提高工作效率。 ii. 掘进劳动组织 a 人员分配 打 眼 工 4人 机电维修工 1人 装岩机司机 1 人 班 长 1人 调 车 工 6人 放 炮 员 1人 共14人(个工种不分家,每人在不做本职工时可以协助未完成工人) b 喷浆班劳动组织 打 锚 杆 3人 班 长 1人 喷 射 手 3人 挖水沟维修道 3人 上 料 工 3人 喷射机操作及添加速凝剂 1人 维 修 工 1人 共计15人 如实际工作中,工人技术不高,造成了用人紧张可添加以下几个工种 道 工 3人 搅拌机司机 1人 通 风 工; 1人 照 明 工 1人 地面供料工 3人 信 号 工 1人 c 循环图表 开工前,通过在掘进队和有关部门的认真讨论贯彻,使每个工作 人员明确自己的岗位和协同关系,明确循环图表的各个环节。 执行前期,应抓循环图表的熟练工作,特别是各工序所需时间,各工序的协调关系。并注意在执行中发现图表中存在的问题,及时予以调整。 工作准备 时间 一 班 二 班 三 班 min 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6 交接班 60 安全检查 30 机器检查 30 备料 360 清理岩帮 30 初喷 180 清理岩帮 30 复喷 150 交接班 30 安全检查 30 打锚杆 90 打上部眼 60 装岩 150 打上部眼 90 装药放炮 60 通风 10 机动 20 iii. 技术经济指标及工程量 a 每米巷道材料消耗量 每米巷道材料消耗量表 项目名称 工程量 单价 总计 喷混凝土量 1.08 m3 基础所需材料 0.23 m3 水沟及盖板所需材料 0.12 m3 巷道的粉刷面积 32 m2 雷管消耗量 32.3个 每米巷道2岩石炸药用量 20.6kg 锚杆数 7.5个 钢材消耗量 53.97kg b 主要参数 每循环进尺 2.0 m 全月总进尺 240.0 m 炮眼利用率 80 F)参考文献 岩石地下工程 井巷工程 喷锚支护 地下工程新奥法 隧道新奥法及其量测技术 井巷设计与施工 地下工程测试理论与监测技术 井巷工程计算