2023年炉峪口技术部9煤层大断面交岔点设计优化探讨.doc

晋煤集团科技创新“五小〞科技成果申报表 申报单位：炉峪口煤矿技术部 申报时间：2014年07月20日 一、项目根本情况 项目名称 9#煤层大断面交岔点设计优化方法 实施时间 2023年05月 完成时间 2023年06月 项目类别 〔〕小革新 〔 〕小设计 〔√〕小改造 〔 〕小创造 〔 〕 小建议 专业分类 〔√〕 煤炭开采 〔 〕煤化工 〔 〕其它 项目联系人 申爱龙 职务职称 助理工程师 13934548584 主要完成人员 周金祥、张天东、刘伟强、周小铜、申爱龙 项目资金投入 经济效益 〔万元〕 节省约8.0万元 是否申请专利 否 是否申请命名 是 我保证此项目的推荐书及申请书、申报材料内容完全真实、合法、有效。 项目负责人签字： 〔盖章〕 年 月 日 完成区队意见： 领导签字： 〔盖章〕 年 月 日 子分公司、矿处意见： 领导签字： 〔盖章〕 年 月 日 板块科技管理部门意见： 领导签字： 〔盖章〕 年 月 日 技术委员会意见： 领导签字： 〔盖章〕 年 月 日 二、项目立项背景 立项背景： 井下巷道交岔点是巷道施工中的一个重要项目，如果设计施工不合理，支护参数欠妥，会给以后的生产安全带来极大的不利因素，研究说明，施工交岔点时，会造成围岩应力的再次重新分布，两条交岔巷道两侧的支承压会相互叠加。正在开凿第一巷道时的应力集中系数比开凿前增大10%～15%；交岔点第二巷道掘进后，应力集中系数比开凿前增大40%～50%。 工程中常用的柱墙式交岔点〔牛鼻子交岔点〕因其承载能力好，效劳年限长等优点得以在多数重要巷道施工时普遍采用，但其施工较为复杂，工程量较大，因此如何能够在满足使用要求的前提下尽量缩小工程开挖量，减少对围岩的扰动；并且确保其支护可靠，便成了交岔点工程中最重要的两个要求。 炉峪口煤矿首采区9#煤层开拓工程于2023年初开工建设，其中作为主要材料运输巷道的9#煤层轨道暗斜井上部平巷最先开工，施工难度也最大。根据设计，需要先施工制作一个标准柱墙式交岔点〔1#交岔点〕，交岔点种类为单轨巷道单侧分岔点，该交岔点在原+945水平东大巷364m处开口施工，开口处为石料砌碹支护，交岔点及分岔支巷设计均为锚网喷支护。 按照原设计，交岔点总长17.5m，最大掘进宽度为8.4m，岩石工程开挖量可达445m3，工程施工难度较大，经过矿技术人员研究分析，在满足安全距离的前提下，本矿采用了一种以道岔分岔段与交岔点斜墙垂直距离为参照标准来确定斜墙起点的方法，既满足了安全要求，又缩短了交岔点长度、减少了开挖工程量，从而节省了施工本钱。 三、项目的关键要点 项目所属科学技术领域、主要内容、特点及推广应用情况： 本项目属采矿工程领域设备平巷交岔点设计与施工，是掘进巷道开口前的前期工程，交岔点施工的好坏直接决定后期掘进工程能否顺利进行。 在传统的交岔点设计中，通常是将根本轨起点作为斜墙的起始位置，而在以往的砌碹巷道施工时，为简化设计，便于碹胎通用，交岔点斜墙斜率也通常选用固定斜率〔0.2、0.25、0.3等〕，这样往往会造成交岔点长度增大，所取得的交岔点安全距离要大大超出实际需求，并造成人力、物力、财力的一定浪费。 本工程由于采用锚喷支护，工艺简单，巷道成型容易，施工本钱较低，不再使用固定斜率，选取了一种以道岔分岔段与交岔点斜墙垂直距离为参照标准来确定斜墙起点的方法，该方法的核心是直接从交岔点支巷分岔轨道的平移线与主巷巷帮相交点开始进行断面扩大直至斜墙终点，在不改变交岔点各局部根本要求的前提下，实际上延迟了交岔点的施工起点，从而减少了施工工程量。 从完工后运转情况来看，根本到达了原定的设计要求，具有极好的参考及推广价值。 四、创造点或创新点 详细科学技术内容： 一、交岔点斜墙斜率设计 在交岔点设计中，通常是将根本轨起点作为斜墙的起始位置，事实上在某些情况下所取得的交岔点安全距离大大超出实际需求，并导致无效工程量变大，在本例中选取了一种以道岔分岔段与交岔点斜墙垂直距离为参照标准来确定斜墙起点的方法。 将道岔分岔段到斜墙的垂直间距设为c，c值确实定必须保证道岔前后及曲线段到斜墙有足够的安全间隙以保证行人运输的要求，并要依据巷道转弯时的巷道加宽值、该侧人行道宽度、所运行矿车的宽度等依据进行适中选取。 将道岔分岔段b向外垂直平移一段距离c，该线记为QA线，该平行线与原交岔点主巷的一帮有一个交点Q，即可作为交岔点斜墙的起点。 根据平面几何关系，可求得该类型交岔点各主要参数公式如下： ； 〔1〕 ； 〔2〕 ； 〔3〕 ； 〔4〕 ； 〔5〕 ； 〔6〕 ；〔7〕 ； 〔8〕 〔9〕 ； 〔10〕 式中： ——辙岔角〔°〕； ——弯道半径； 、、——交岔点主巷1、支巷2、支巷3的净宽； 、、——交岔点主巷1、支巷2、支巷3轨道中心线至柱墩一侧边墙距离； ——支巷对主巷的转角； 图1 斜墙斜率变更后交岔点各主要参数尺寸标记平面图 二、交岔点平面参数优化 在本工程中，该交岔点各局部巷道断面均为直墙半圆拱形，其中交岔点主巷断面规格为：净宽B1＝B2＝3.6m，净高3.3m，内有两趟轨道，轨道中心距为1.25m，主巷在交岔点前后的断面规格一致；交岔点分岔支巷净宽B3＝4.3m，净高3.95m；轨道中心线至柱墩一侧边墙的距离：主巷为b1＝b2＝1.1m，分岔支巷为b3＝3.05m；交岔点主、支巷均设计有水沟，支巷对主巷转角δ＝30°； 交岔点处轨道弯道转弯半径为R＝12m，所用轨道轨型均为30kg/m、轨距600mm的标准矿用窄轨，交岔点轨道分岔处选用标准ZDK630/4/12单开道岔〔右开〕，该道岔各项参数如下： 表1 ZDK630/4/12单开道岔各项参数一览表 道岔 型号 道岔 名称 辙叉角α 主要尺寸〔mm〕 质量 〔kg〕 允许行驶机车车辆 允许行驶速度〔m/s〕 a b L ZDK630/4/12 单开 道岔 14°02’10” 3660 3640 7300 1562 ≤3t矿车 ≤14t机车 ≤3.5 ≤3.5 根据断面验算，取道岔分岔端与交叉点斜墙垂直距离c＝1600mm比拟适宜，再根据上述公式及原始条件，可得计算结果如下： J＝4281mm； H＝12625mm； NT＝3824mm； NM＝2150mm； TM＝8114mm； Y＝1463mm； L1＝11846mm； L2＝13996mm； L＝15996mm； 故而求得交岔点斜墙斜率为i＝0.357。 根据以上原始数据，以交岔点支巷分岔轨道平移线与主巷巷帮相交点为交叉点斜墙起点，将各巷道宽度、轨道位置及道岔、曲线轨道规格作为设计依据，可通过以上计算结果或精确作图得出该交岔点设计平面图如下：单位〔mm〕 图2 炉峪口9#煤层轨道暗斜井1号交岔点设计平面图 从此设计图可知，该交岔点设计总长度〔从根本轨起点Q到柱墩M点再延长2m〕约为16.0mm〔图中QM段〕，最大净断面面积积约为38.3m2，最大净宽度为8.1m〔图中TM段〕，斜墙长度〔从巷道变断面起至结束〕共计11.8m〔图中QN段〕。 在以往的砌碹巷道施工时，为简化设计，便于碹胎通用，交岔点斜墙斜率通常选用固定斜率〔0.2、0.25、0.3等〕，这样往往造成交岔点长度增大，以及人力、物力、财力的浪费[2]。本工程由于采用锚喷支护，工艺简单，巷道成型容易，施工本钱较低，不再使用固定斜率，可直接从支巷分岔轨道平移线与主巷巷帮相交点开始进行断面扩大直至斜墙终点，共计11.8m，交岔点总长度为16.0m，而断面宽度增大量为4.2m，按照本设计，斜墙TQ的斜率应为i＝0.357；此处如假设采用斜墙固定斜率0.3，那么交岔点总长度为18.2m，,增加约2.2m，开挖工程量增加约57.3m3；如采用常用的已根本起轨点作为交岔点起点，交岔点长度为17.5m，增加约1.5m，开挖工程量增加约37.4m3。 交岔点斜墙在施工时每往前掘进1m，需向分岔巷道侧扩宽357mm，每一段均需施工成半圆拱形，以满足巷道稳定性及设计要求。 三、交岔点墙高确实定 交岔点中间断面拱高确实定方法可由宽度的变化推导出，然而，由于各中间断面的拱高将随巷道宽度的递增而升高。为了提高断面利用率，减少掘、支工程量，在满足安全、生产与技术需求的条件下，可将中间断面的墙高相应递减，使巷道全高的增加幅度不致过大，但应保证运输设备、行人及管线装设应有的安全间隙和距离。 设变断面局部起点处的墙高为,降低后的最低处墙高为，那么墙高降低的斜率 为[3]： 〔11〕 式中：——交岔点变断面起点处的巷道墙高； ——交岔点变断面终点处的巷道墙高； ——交岔点扩大断面的巷道长度； 其中交岔点变断面终点处的巷道墙高与分岔后两巷的墙高的差值应控制在200～500mm，如果过大，对碹体施工和安全都不理想；过小，那么降低墙高的意义不大。 本交岔点施工时主巷分岔前后墙高均为1.5m、分岔巷道墙高1.8m，此处取交岔点变断面终点处墙高为1.3mm较为适宜，既能够满足使用要求，又能保证过渡自然，型式规整，结构稳定，其墙高降低的斜率计算为：＝0.014，施工时交岔点每向前掘进1m，墙高需降低14mm，采用此项调整可使交岔点最大净断面积缩小为36.4m2，巷道总开挖工程量减少约11.7m3，墙高的变化情况如以下列图所示：单位〔mm〕 图3 炉峪口煤矿9#煤层轨道暗斜井1号交岔点拱高降低示意图 通过以上设计及改良，尤其是对巷道宽度及高度增大率的控制，有效减少了该交岔点的设计长度及施工工程量。 五、取得的效益或预期取得的效果 在9#煤层暗斜井1号交岔点的设计施工过程中，通过斜墙斜率和拱高等参数的优化和调整，在满足安全及标准要求的情况下尽可能地减少了工程量，与原设计相比，共计缩短交岔点工程长度约2m，工程开挖量减少约50m3，同时也减少了相应的支护工程量，节省资金约8.0万元〔根据经验，