井巷工程岩巷施工.docx
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井巷工程岩巷施工
第四章岩巷施工
第二节掘进通风与综合防尘
在巷道施工中,为使工作面能保持适当的温度,保证有足够的新鲜空气流过,并尽快排出放炮时所产生的有害气体和粉尘,以改善劳动条件,都必须进行机械通风。
一、通风方式
在巷道掘进中,都采用局部通风机通风。
这种通风方式可分为压入式、抽出式、混合式等三种,其中混合式的通风效果最好。
(一)压入式通风
这种通风方式是由局部通风机吸入新鲜空气,通过风筒压到工作面,吹走工作面爆破所产生的有害气体和粉尘,使之从巷道而排出,如4-11所示。
局部通风机必须安设在有新鲜风流流过的巷道内,并距掘进巷道口不得小于10m,以免产生循环风流。
为了尽快而有效地排除工作面的炮烟,风筒口距工作面的距离一般要大于10m为宜。
这种通风方式可采用胶质或塑料等柔性风筒,能很快地将工体面的有害气体冲淡并排出,但所排出的炮烟在巷道中蔓延扩散,时间较长,工人进入工作面往往要穿过这些蔓延的污浊气流。
(二)抽出式通风
这种方式是用局部通风机将掘进工作面爆破所产生的有害气体通过风筒吸出排往回风巷中,新鲜风流则由巷道进入工作面。
风筒的排风口必须设在主要巷道风流方向的下方,距掘进巷道口也不得小于10m,其布置如图4-12所示。
这种通风方式一般要采用金属风筒;由于风筒吸入口附近的风速随着远离吸入口而急剧降低,有效吸程小,故工作面排除炮烟等有害气体的时间长;污浊风流通过局部通风机,安全性差。
其优点是炮烟等有害气体沿风筒排出,不污染巷道。
(三)混合式通风
这种通风方式是压入式和抽出式的联合运用,其布置如图4-13所示。
局部通风机1的吸风口与抽出风筒抽入口的距离应不小于15m,以防止造成循环风流。
当抽风风筒太长,一台局部通风机不能满足要求时,可在距局部通风机4三分之一风筒长处串联一台局部通风机3。
要求局部通风机3和4的抽出风量比局部通风机1的吸入风量大20~25%。
并要注意,使吸出风筒口到工作面的距离,基本上等于炮烟抛掷长度;压入新鲜空气的风筒口到工作面的距离,要小于或等于压入风流的有效作用长度。
这样才能取得预期的效果。
这种通风方式兼有压入式和抽出式的优点,但抽出式局部通风机仍有污浊风流通过,所以它适用于瓦斯涌出量很低的大断面长巷道的掘进通风。
二、掘进通风设施
巷道掘进通风大多采用BKJ型矿井轴流式局部通风机,其主要技术规格见表4-6,其中最常用的是5.5kW及11kw两种。
近年,沈阳鼓风机厂已制成BKJ66—l型系列矿井局部通风机,其特点是噪声低。
掘进通风用的风筒有金属、胶质、塑料等几种。
金属(铁)风筒直径一般为400~l000mm,每节长度2.0~3.0m。
胶质、塑料等柔性风筒的直径一般为300~600mm,个别有试用直径800mm胶质风筒的,每节长度以10m居多,也有把塑料风筒作成50m一节的。
柔性风筒重量轻、吊挂容易,通风阻力系数小,接头少,使用比较广泛。
三、加强通风管理工作
在现有通风设备的基础上,只要加强通风管理工作就可提高通风效率,实现单机独头长距离通风。
我国山东枣庄煤矿曾以一台11kw的局部通风机和直径580mm的胶质风筒,在巷道掘进中创独头通风3795m的纪录,达到每千瓦局部通风机送风345m。
搞好长距离独头巷道通风,最主要的措施是最大限度地减少风筒阻力和防止风筒漏风,为此可采取如下措施:
首先是增大风筒直径和每节风筒的长度,如淮北煤矿将原每节长10m的胶质风筒,胶贴成每节长40~110m的几种规格,直径为600mm。
这种直径大的长风筒,对提高通风效率起了很大作用;其次是提高风筒接头质量和改进接头方法。
金属风筒用法兰盘连接时,必须有足够的螺栓,且要拧紧,垫圈材料的质量一定要符合质软而致密的要求。
过去胶质风筒接头多用插接法,此法虽简单易行,但漏风严重,风阻也大,目前已很少采用,而改用单反边、双反边以及胶贴接头、罗圈接头等,使漏风系数和风阻都有显著的下降。
安设风筒时,必须吊挂平直,拉紧拉稳,在直线段内应使风机和风筒安在一条直线上,弯道处尽量使风筒缓慢拐弯,在同一巷道中尽量使用直径相同的风筒。
在日常的维护工作中必须加强检查和维修,发现问题要及时解决。
四、掘进中的综合防尘
掘进岩石巷道时,在钻眼、爆破、装岩、运输等工作中,不可避免地要产生大量的岩石粉尘。
根据测定,这些粉尘中含有游离SiO230~70%,其中大量的是粒径小于5μm的粉尘。
这些粉尘极易在空气中浮游,被人吸入体内,时间久了就易患矽肺病,严重地影响工人的身体健康。
在我们社会主义制度下,党和国家对综合防尘问题非常重视,国务院和煤炭工业部关于防止粉尘危害都有明文规定。
例如《煤矿安全规程》规定:
在工作面,若粉尘中合游离SiO2小于10%时,都必须采用综合防尘措施将粉尘浓度分别降低到10mg/m3或2mg/m3以下,这样就可清除矽肺病的发生。
综合防尘措施有:
1.湿式钻眼综合防尘最主要的技术措施,钻眼过程中用水冲洗炮眼,使岩粉变成浆液从炮眼流出,使粉尘不会飞扬,能显著降低巷道中的粉尘浓度。
2.喷雾、洒水,对防尘和降尘都有良好的作用。
爆破时,由于破碎岩石和爆破冲击波的作用,会产生大量粉尘。
故在爆破前要用水冲洗岩帮,爆破后立即进行喷雾,装岩前要向岩堆上洒水,水能粘结细粒粉尘,
使它不致在装岩时被铲斗扬起。
实践表明,岩堆单位体积的耗水量与粉尘浓度成反比,见表4-7。
从表中可以看出,当耗水量8L/m3时粉尘平均浓度即可降至2mg/m3以下。
3.加强通风排尘工作。
通风工作除不断向工作面共给新鲜空气外,还可将含尘空气排出,以降低工作面的含尘量。
为了做好通风排尘工作,首先应在掘进巷道周围建立通风系统,以形成主风流;其次应在各作业点搞好局部通风工作,保证工作面能得到足够的风量和一定的风速,以便迅速把工作面的粉尘稀释并排到主回风流中去。
4.加强个人防护工作。
工人在工作面作业一定要戴防尘口罩,并要定期进行身体健康检查,发现病情及时治疗。
第三节岩石的装载与转运
平巷掘进中,岩石的装载与转运是最繁重、最费工时的工序。
一般情况下它要占掘进循环时间的35~50%。
因此不断研究和改进装运岩石的工作,提高其机械化水平,对加快掘进速度,提高劳动效率,减轻工人劳动强度及降低成本具有重要意义。
目前国内已生产各种类型,适应不同条件的岩石装载和转载设备井正在逐步完善和配套,组成各种型式的机械化作业线。
一、岩石装藏设备
岩石装载机的类型较多,其中常用的有铲斗后卸式、铲斗侧卸式、耙斗式、蟹爪式和立爪式等。
(一)铲斗装载机
这种装载机有后卸式和侧卸式两大类,工作原理和主要组成部分基本相同
一般包括铲斗、行走、操纵、动力几个主要部分。
工作过程为间歇式。
1.铲斗后卸式装载机:
这种装载机按动力分为电动和风动两种;行走方式多为轨轮式;工作方式前装后卸。
其型号有多种,但在煤矿上使用最多的是Z-20B型电动铲斗后卸式装载机(图4-14)。
它装岩时,通过操纵按钮驱使装载机沿轨道前冲并将铲斗插入岩堆,铲满岩石后后退,并同时提起铲斗把岩石往后翻入矿车,即完成了一个装岩动作。
随着装岩工作面的向前推进,必须延伸轨道,延伸的方法多用爬道(图4-15)。
2.铲斗侧卸式装载机:
这种装载机是正面铲取岩石,在设备前方侧转卸戴,行走方式多为履行式。
它与铲斗后卸式比较,铲斗插入力大、斗容大、提升距离短,履带行走机动性好,装岩宽度受限制小,铲斗还可兼作活动平台,用于安装锚杆和挑顶等。
但履带在软岩底板上行走困难,结构较复杂,维修保养要求高。
国产ZLC-60型铲斗侧卸式装载机如图4-16所示,该机适用于宽度大于或等于4m、高度大于或等于3.5m的巷道。
(二)耙斗装载机
耙斗装载机是一种结构简单的装岩设备,动力为电动,行走方式为轨轮。
它不仅适应于水平巷道装岩,也可用于倾斜巷道和弯道装岩。
近年来在煤矿系统得到了广泛应用。
这种装载机按其传动方式不同,分为行星式和摩擦式两种。
耙斗装载机主要由绞车、耙斗、台车、槽体、滑轮组、卡轨器、固定楔等部分组成如图4-17所示。
耙斗装载机在工作前,用卡轨器将台车固定在轨道上,并用固定楔将尾轮悬吊在工作面的适当位置上。
工作时,通过操纵手把启动行星轮或摩擦轮传动装置,驱使主绳滚筒转动,并缠绕钢丝绳牵引耙斗把矸石耙到卸料槽,此时,副绳滚筒从动,并放出钢丝绳,矸石靠自重从槽口漏入矿车后,使副绳滚筒转动,主绳滚筒从动,耙斗空载返回工作面。
这样就能使耙斗往复运行进行装岩。
当台车需要向前移动时,可用人推,或用电机车顶动均可,亦可借助两个滚筒同时缠绕拉紧钢丝绳,使机器向前移动。
固定楔的楔眼应布置在岩堆面以上800~1000mm处,眼数视巷道宽度而定,眼距以不大1000mm为宜。
楔子固定方法有两种:
一种是由45号钢制成的是由带楔头的钢丝绳套与紧楔组成(图4-18,b),长度600~800mm,软、梗岩层均可用。
耙斗装载机距工作面距离,一般以6~20m为宜,这个距离能保证较高的生产率,放炮时加上其它措施,也不会被崩坏。
耙斗装载机与铲斗后卸式装载机比较,具有结构简单、维修量小、操作容易、工作可靠、岩尘量小、适用面广等优点。
但机械体积大、移动麻烦、耙齿和钢丝绳磨损严重。
1—圆环,2—楔体,3—紧楔,4—楔眼,5—楔头,6—钢丝绳
(三)蟹爪装载机
这种装载机的特点是装岩工作连续,其主要组成部分有蟹爪、履带行走部分、转载输送机、液压系统和电气系统等。
见图4-l9。
这类装载机的前端的铲板上设有一对蟹爪,在电机或液压马达驱动下,连续交替地扒取岩石,岩石经刮板输送机运到机尾的胶带输送机上,而后装入运输设备。
或者不没胶带输送机,出刮板输送机直接装入运输设备。
输送机的上下、左农摆动,以及铲板的上下摆动都由液压驱动。
机器用履带行走,工作时机慢速推进,使装载机徐徐插入岩准。
这类装载机装载宽度大,动作连续,生产率高,机器高度低,产生粉尘少,但结构复杂,履带行走对软岩巷道不利,适于装硬岩的机器其制造工艺和耐磨材料要求高,维修保养要求高。
(四)立爪装载机
这是一种新型的装载机,它由机体,刮板输送机及立爪耙装机构三部分组成,见图4-20。
其装岩过程是,立爪耙装岩石,刮板输送机转送岩石至运输设备。
其立爪耙装机构的结构是:
两个立爪铰接在两个小臂上;两个小臀绞结在两个大臂上;大臂绞结在机体上。
控制立爪的油缸,能使立爪沿垂直方向作圆弧运动,以便从岩堆向刮板输送机扒集岩石;控制小臂的油缸,可使小臂与立爪向左右两侧摆动,以便收集巷道两侧岩石.扩大装载灾度,控制大臂的油缸,可使大臂、小臂和立爪共同完成俯仰起落动作,使立爪始终保持从岩堆顶部开始扒集岩石,这比铲斗式装岩机要先插入岩堆内而后铲取岩石更合理。
立爪装载机的主要优点是立爪插入与耙集出岩石的阻力小,功容消耗少,生产率高,耙取范围大,巷道断面和岩石块度适应性强,能挖水沟和清理底板。
但爪齿容易磨损,操作与维修要求高。
另外,还有一种蟹立爪装载机,它以蟹爪为主,立爪为辅,综合了两种装载机的优点,有较高的生产能力。
(五)装载机的选择与装岩生产率的提高
合理选择装载机的因素较多,主要应考虑断面大小,装载机的适应性能和生产率,操作、维修的难易程度和可靠性,造价及与其它设备的配套等。
目前国内使用较多的装载机仍然是耙斗式和铲斗后卸式装载机,侧卸式次之。
蟹爪式和立爪式等装载机正在不断发展和完善。
在实际工作中,应根据工程情况,货源情况,及上述考虑的因素,参照各种装岩机的技术特征(表4-8)进行选取。
为了提高装岩生产率,除了要求装载机本身生产率高,使用可靠,机器事故少,维修量少外,还必须在其它方面为提高装岩生产率创造条件。
首先要做好爆破工作,当岩石的块度均匀、适宜、堆放集中,底板平整时,装岩的效率就高。
如Z-20B铲斗装载机当岩块小于200~250mm时工作效率最高。
其次是要提高装载机的工时利用率,根据一些矿山的实际资料表明,在单轨巷道中掘进,当用矿车运输时,往往调车时间是装岩时间的数倍,即装载机装满一矿车后停下来,等待下一个空车到来继续装岩,等待时间要比装一矿车的时多几倍。
因此,装岩机的实际生产率是很低的。
为此,必须因地制宜地采用合适的调车设备与缩短调车距离,采用大容量矿车或转载设备,保证轨道质量防止车辆掉道,以及积极研究推广装岩、运输机械化作业线,以提高装载机的工时利用率,加快装运速度。
再次就是要加强装岩调车的组织工作,提高工人的操作技术,保证稳定的电压及高风动装岩机的风压,加强调度,及时供应空车等。
二、调车工作
在巷道掘进的装岩过程中,当采用矿车运输时,一个矿车装满后,必须退出,调换一个空车继续装岩,这就需要调车工作。
合理选择调车方法与设备,以缩短调车时间、减少调车次数,是提高装岩效率与加快巷道掘进速度的重要因素。
(一)固定错车场调车法(图4-21)
这种调车方法比较简单易行,一般可以用电机车调车,或辅以人力。
但错车场不能经常紧跟工作面,不能经常保持较短的调车距离,因此装岩机的工时利用率只有20~30%。
在单轨巷道中,一般还需要加宽一部分巷道来安设错车道岔。
可用于工程量不大,工期要求较缓的工程。
(二)活动错车场调车法
为了缩短调车的时间,将固定道岔改为翻框式调车器、浮放道岔等专用调车设备。
这些设备可以紧随工作面而前移,能经常保持较短的调车距离,装载机的工时利用率可达30~40%。
1.浮放道岔浮放道岔是临时安设在原有轨道上的一组完整道岔,它结构简单,可以移动,现场可自行设计与加工。
菱形浮放道岔(图4-22),它是用于双轨巷道的浮放道岔。
这种浮放道岔在两台装载机同时装岩的情况下使用方便,图4-23为两台装载机装岩利用菱形浮放道岔的调车示意图。
若只用一台铲斗后卸式装载机装岩,装载机可通过浮放道岔调换轨道,在两条轨道上交替装岩。
其缺点是结构笨重,搬运困难。
另外还有用于单轨巷道的单轨浮放双轨道岔,如图4-24所示。
2.翻框式调车器(图4-25)翻框式调车器是由一个活动盘和一个固定盘组成,两盘之间用螺栓铰结,活动盘可绕螺栓翻起到竖向位置。
在活动盘上设一个四轮滑车板,滑车板可在框架上横向移动。
工作时,将活动盘浮放在轨面上,而固定盘则在巷道的一侧。
调车时将调来的空车先推到活动盘的滑车板上,再连同滑车板一起横向推到固定盘上,然后翻起活动盘让出轨道,待工作面重车推出后,更新放下活动盘,将空车和滑车板推回到活动盘上并推至工作面装岩。
图4-26为翻框式调车器调车示意图。
(三)利用转载设备
为了减少调车次数,以缩短调车时间,并尽可能使装载机连续作业,以提高装栽机的工时利用率,可利用胶带转载机和梭式矿车等转载设备。
1.胶带转载机
1)胶带转载机作业方法装岩时,由电机车推入一组空车至转载机下。
当然最好是转载机下的矿车的容量应能容纳一个循环的爆破岩石量。
但这样设计的转载机将过长且笨重,反而限制了转载机的使用。
因此多采用反复调车的方法,增加连续装车的数目,如图4-27所示。
连续装车数目可按下式计算:
式中x—连续装车数目,个;
n—转载机下能容纳矿车数目,个。
2)胶带转载机的类型平巷掘进用胶带转载机按其结构形式,可分为悬臂式、支撑式和悬挂式。
悬臂式胶带转载机(图4-28,a)一般长度较短,结构简单,行走方便,能适应弯道装岩,但容纳矿车数目少,连续装载能力小。
支撑式胶带转载机,机架、胶带由门框式支撑架支承(图4-28,b)或油缸式支腿支承(图4—28,c)。
门框式支撑要铺设辅助轨道,供支撑架行走。
油缸式支腿有两排,前排为内支腿,轨轮式,用于转载机进出工作面时支撑机架,并运行于轨道上;后排为外支腿,箱式,用于转载机转载时支撑机架。
即转载机进入工作面后,操纵把手,使内支腿油缸折起,外文腿油缸伸出;转载机移动时,外支腿油缸缩回,内支腿油缸放下。
这类转载机胶带较长,存放矿车较多,转载能力大,适用于大、中断面,长直巷道。
悬挂式胶带转载机(图4—28,d),利用固定在巷道顶部的单轨架空轨道悬挂胶带转载机,胶带长度较大,存放矿车较多,转载能力大,但悬挂辅助工作量较大,适用于大断面的长宜巷道。
2.棱式矿车
按式矿车由前车体、后车体、刮板输送机、前后横梁、转向架、传动系统和电气控制系统等组成,如图4-29所示。
梭车由前后车体构成一个窄长大容积箱体,并通过前后横梁放在两个转向架上,全车重量通过转向架上,全车重量通过转向架传递到轨道上。
棱式矿车既是大容积矿车,又是—种转载设备。
刮板输送机安设在车箱底部。
装岩时,装载机把岩石装入车箱的前端,每当岩堆达到车箱高度时,即开动刮板输送机将岩堆向车箱后端移运一段,直至装满整个车箱为止。
然后用电机车拉至卸载点,开动刮板输送机将梭车内的岩石全部卸出。
根据工作面的条件,可以一次进一台梭车,亦可把梭车搭接组列使用,一次将工作面爆落的岩石装走。
梭式矿车具有装载连续,转载、运输和卸载设备合一,性能可靠等优点。
但井下使用一般需要有专门的卸载点,如溜井、矸石仓等。
如若有丁字巷道,亦可采取将梭车尾部抬高宜接卸入矿车的方法。
也可采取由梭车卸入固定地点的转载机,再由转载机装入矿车的办法。
第四节岩巷掘进机
全断面掘进机是实现连续破岩、装岩、转载、临时支护:
喷雾防尘等工序的一种联合机组。
岩石全断面掘进机机械化程度高,可连续作业,工序简单,施工速度快。
掘进机施工的巷道质量高,支护简单,工作安全。
全断面掘进机效率高,作业条件好,但构造复杂,成本高,对掘进巷道的岩石性质和长度有一定要求。
岩巷掘进机一般由移动部分和固定支撑推进两大部分组成,见图4-37。
其中主要包括破岩装置、行走推进装置、岩碴装运装置、驱动装置、动力供给装置、方向控制装置、除尘装置和锚杆安装装置。
(1)破岩装置由刀盘和工作头组成,刀盘装在工作头的前端,上面装有若干滚刀。
工作时,由电动机驱动刀盘回转带动滚刀滚动,同时由工作头传递推进油缸产生的推进力,使滚刀向工作面岩石施加压力进行破岩。
1—工作头;2—输送机;3—操纵室;4—后撑靴;5—水平支撑板
6—上、下大粱;7—推进油缸;8—前撑靴;9—水平支撑油缸;10—机架
(2)行走推进装置一般多采用支撑迈步式,由前撑靴、后撑靴和支撑板组成。
前撑靴位于移动部,用来定位,使工作头对准掘进方向。
后撑靴位于推进部,和前撑靴共同支撑机器重量。
支撑侧板则紧撑岩帮,起固定机身作用。
一次推进行程结束后,松开支撑板,向推进油缸反向给油,即可将固定支撑部位向前移,支撑板再次紧撑岩帮,又可开始新的推进切割工作。
(3)岩碴装运装置由铲斗、卸碴溜槽和运输机组成。
工作时,装在回转刀盘周边的铲斗,随刀盘一起回转,以铲取破碎下来的岩屑。
岩屑由机器上方卸入卸碴溜槽,再由溜槽溜人运输机,转载到机器后方,由运输设备运出。
(4)驱动装置刀盘由电动机通过减速箱和齿轮来驱动,采用液压油缸给推进压力和支撑、固定、移动机体。
所有传动系统的设备都固定在主机体上,操作室位于机器后部,控制箱、操作台、油泵的启动和操作系统均集中于操作室内。
(5)动力供给装置由液压站、配电箱和变压器等组成,均布置于机器后部。
(6)方向控制装置采用激光导向。
激光发射器安装在靠拱部一侧的岩壁上,掘进时,可根据光点偏离十字准线交点的方向和距离调整掘进方向。
(7)除尘装置一般采用完善的湿式空气过滤集尘系统,这样也有利用强力抽风机排尘。
(8)锚杆支护安装装置在机器的两侧各装一台锚杆钻机,可沿两根与掘进机纵向中心线平行的滑轨移动,使之能在掘进中钻凿锚杆眼,安装锚杆。
煤炭科学研究总院上海分院于20世纪60年代开始研制岩巷全断面掘进机,70年代曾在萍乡矿区试用,后经长期试验研究,于80年代先后研制成功适用于煤矿双轨岩巷、直径3.2m和直径5m的全断面岩巷掘进机,其技术特征见表4-12。
表4-12岩巷全断面掘进机型号及主要技术特征表
直径5m全断面掘进机,包括主机和后配套系统,见图4-38。
主机由刀盘工作机构、传动导向机构、推进操纵机构、大梁、主带式输送机及司机房等部件组成。
主机上配备了环形支架安装机、锚杆钻机。
在工作系统中,配备了激光导向、坡度指示及浮动支撑调向等机构,可以不停机调向,控制掘进方向。
此外有内喷雾及水膜除尘设施,有通风、消音装置,有瓦斯自动检测报警断电仪等。
后配套系统主要由斜带式输送机、转载机和喷雾泵站组成。
图4-38直径5m全断面掘进机系统示意图
1——刀盘;2——机头架;3——水平支撑板;4——锚杆钻机;5——司机房;6——斜带式输送机;7——转载机;8——龙门架车;9——激光指向仪;10——环形支架机;11——矿车;12——电机车
进入20世纪80年代后,全断面掘进机在国外也广泛用于各种隧道工程,尤其是大断面长距离硬岩隧道的掘进。
据统计,仅美国、日本、瑞典等国家就已生产了四百多台全断面掘进机,累计完成隧道工程项目超过1千多个,掘进总长度超过3680km。
世界著名的英吉利海峡海底隧道就是用11台全断面掘进机完成的。
国外全断面掘进机刀盘直径范围为2~10.5m,单刀推力超过220kN,可切割抗压强度达400MPa的岩石。
1997年铁道部在18.4k长的秦岭隧道工程中引进了2台德国WIRTH开敞式掘进机,现已转场到桃花铺、蘑沟岭隧道,创造了我国硬岩用掘进机施工连续二个月月进尺超500m(552m/月、527m/月)的记录。
在山西引黄人晋工程中,继1993年引进1台美国罗宾斯公司双护盾掘进机后,1998年至今先后引进了5台同类型双护盾掘进机。
这6台掘进机现共完成8条长隧洞、总长121.8km的施工,开创了我国在同一大工程范围内用掘进机施工超过100km的先例,并创造了月进尺1821.5m的国内最高记录,为我国南水北调等大型跨流域调水工程提供了宝贵的经验。