深井煤礦TBM掘進(jìn)巷道圍巖損傷區(qū)震波CT監(jiān)測

唐彬 王傳兵 侯俊領(lǐng) 宋海清 黎明鏡 林鍵

摘 要：以張集煤礦TBM開挖1413A高抽巷為研究對象，通過平行于高抽巷的軌道順槽，向高抽巷施工監(jiān)測鉆孔，利用震波CT監(jiān)測技術(shù)，對TBM 掘進(jìn)過程中圍巖的開挖損傷區(qū)進(jìn)行原位測試?；趯σ幌盗胁煌瑫r段波速場數(shù)據(jù)的綜合分析，給出巖體的結(jié)構(gòu)特性，得到巷道開挖全過程中圍巖損傷區(qū)的產(chǎn)生和發(fā)展的演化過程，分析該施工條件下的開挖損傷區(qū)范圍、裂隙演化與TBM 施工的關(guān)系，并探討開挖損傷區(qū)的形成和演化機(jī)制。研究成果為現(xiàn)場支護(hù)設(shè)計、支護(hù)時機(jī)、圍巖變形特性和地質(zhì)資料分析提供直接依據(jù)。

關(guān)鍵詞：TBM；損傷區(qū)；震波CT；巖巷掘進(jìn)

中圖分類號：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098（2017）06-0021-06

Abstract：In this article， with TBM excavation 1413A high extraction lane in Zhangji Coal Mine selected as the object of the study， in-situ test was carried out with the excavation damage zone of surrounding rock in the TBM tunneling process by applying seismic CT monitoring through drilling boreholes from adjacent roadway. Base on comprehensive analysis of wave velocity data， the formation and evolution of excavation damage zone in the process of TBM excavation had been gained， the relationship between TBM excavation and range of excavation damage zone was analyzed， and the mechanics of excavation damage zone formation was explored. The research provides a basic database for rock damage behaviors study and support design.

Key words：TBM； excavation damage zone； seismic CT； roadway excavation

在高瓦斯礦井的采掘工程中，需在煤層頂?shù)装鍘r層中施工大量的瓦斯抽采巷道[1]。目前煤礦巖巷掘進(jìn)主要采用鉆爆法施工，安全性差、勞動強(qiáng)度大、掘進(jìn)效率低下，從而導(dǎo)致礦井采掘接替緊張，難以滿足煤礦高效安全生產(chǎn)的需要[2-4]。

TBM （Tunnel Boring Machine）法是一種采用全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)施工隧道的先進(jìn)技術(shù)。文獻(xiàn)[5-6]研制出首臺全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)以來，TBM 在隧道施工中已被普遍采用。我國自上世紀(jì)60 年代引入該技術(shù)以來，在鐵路、公路、水利水電和城市地鐵等隧道工程中得到推廣應(yīng)用[7-8]。采用TBM 施工的巖石隧道已取得月進(jìn)1 000 m以上的成績（山西萬家寨引黃入晉工程），施工技術(shù)與工藝日漸成熟。與傳統(tǒng)鉆爆法相比，該工法具有安全、快速、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等優(yōu)勢[9-11]。

煤礦深部地層TBM開挖巷道圍巖損傷區(qū)分布與演化特性既有別于之前采用TBM開挖的山嶺隧道，也與鉆爆法開挖的巷道有很大不同。對于山嶺隧道，圍巖多為花崗巖之類的火成巖，巖石強(qiáng)度高，圍巖損傷區(qū)范圍較小，而煤礦巷道圍巖多為砂巖、泥巖等沉積巖，強(qiáng)度較低，受TBM開挖擾動較大。而與鉆爆法開挖的煤礦深部巷道相比，TBM開挖巷道掘進(jìn)擾動較小，但圍巖中儲存了更多的彈性能，在TBM掘進(jìn)后應(yīng)力釋放較為緩慢，損傷區(qū)分布演化特征較為特殊。

目前對TBM開挖煤礦深部巷道的研究較少，本文通過震波CT技術(shù)，對TBM開挖煤礦深部巷道圍巖損傷區(qū)分布和演化特征進(jìn)行了分析研究。

1 工程概況

淮南礦區(qū)煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，開采水平深，礦井瓦斯絕對涌出量大。隨著礦井生產(chǎn)能力的提高，井巷掘進(jìn)工程量越來越大，其中巖巷工程量占巷道總進(jìn)尺的30%以上。目前在淮南礦區(qū)硬巖巷道（巷道圍巖f 值大于6）掘進(jìn)中，由于綜掘機(jī)掘進(jìn)時截齒磨損嚴(yán)重、破巖能力不足、施工時粉塵較大等缺陷，巷道掘進(jìn)基本上仍采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工，在硬巖巷道中鉆爆法掘進(jìn)速度慢、安全性差，已嚴(yán)重地影響礦井的安全高效生產(chǎn)[12-13]。

為提高煤礦深部硬巖巷道掘進(jìn)效率和安全性，研發(fā)了世界首臺立井煤礦全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)，其技術(shù)特征為：使用刀盤一次掘進(jìn)巷道全部斷面，出渣系統(tǒng)自動排出碎矸，安裝在刀盤后方的支護(hù)系統(tǒng)隨后安裝錨桿等其他支護(hù)設(shè)施；同時為適應(yīng)高瓦斯礦井作業(yè)需求，采用防爆動力系統(tǒng)，符合《煤礦安全規(guī)程》要求；機(jī)器采用模塊化設(shè)計，可將各子系統(tǒng)拆散通過井筒罐籠和井下運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)至始發(fā)硐室組裝[14]，符合立井煤礦設(shè)備運(yùn)輸最大尺寸的要求。

試驗巷道為張集礦北區(qū) 1413A 高抽巷。巷道已采用鉆爆法施工894 m，剩余700 m，巷道直徑453 m，巷道標(biāo)高-465 m。巷道圍巖主要為粉細(xì)砂巖、中砂巖，抗壓強(qiáng)度2567～134 MPa，抗拉強(qiáng)度226～78 MPa，彈性模量2381～4488 GPa，泊松比0111～036。部分地層裂隙發(fā)育，并伴有泥巖。

巷道圍巖整體穩(wěn)定性較好，部分地層裂隙發(fā)育，并伴有泥巖夾層。為了給巷道圍巖穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計提供依據(jù)，進(jìn)行了高抽巷附近地應(yīng)力測試工作。本次測試采用鉆孔應(yīng)力解除法，選用KX-81型空心包體應(yīng)力計和傳感器圍巖率定機(jī)。實測結(jié)果為：最大主應(yīng)力為216 MPa，方位角為13072°，最小主應(yīng)力為132 MPa，方位角為22355°；最大主應(yīng)力是最小主應(yīng)力的164 倍，表明該處水平應(yīng)力具有較強(qiáng)的方向性。

2 監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測技術(shù)原理

地震波在巖石介質(zhì)中傳播過程時，攜帶大量的地質(zhì)信息，并通過波速、頻率及振幅等特性表現(xiàn)出來，其波速變化主要決定于構(gòu)成巖石物質(zhì)的物理性質(zhì)。在軟弱巖體、破碎帶、斷層和陷落柱等地質(zhì)異常體部位常有較低的波速響應(yīng)，即地震波速與巖體的結(jié)構(gòu)特征有顯著的相關(guān)性。圍巖受TBM掘進(jìn)影響，其結(jié)構(gòu)會發(fā)生相應(yīng)的變形與破壞，地震波波速也會出現(xiàn)明顯的減小或異常。因此利用地震波CT測試技術(shù)，通過波速場重建，從而揭示圍巖損傷發(fā)育程度及范圍等具體特征。

地震CT測試是進(jìn)行走時成像，建立在射線理論基礎(chǔ)上，地震波以射線的形式在介質(zhì)中傳播。把成像區(qū)域劃分為一系列的矩形網(wǎng)格，此時投影數(shù)據(jù)即為地震波走時，圖像向量為矩形網(wǎng)格內(nèi)慢度的平均值fi，則有

公式（2）采用迭代方法求解。其具體過程可歸納如下：定義初始慢度模型；使用射線追蹤技術(shù)計算理論走時；對比理論走時與觀測走時，如果殘差大于給定的誤差，則改動慢度模型；重復(fù)上述操作直到殘差滿足所給的收斂條件為止。研究中速度反演時采用聯(lián)合迭代法（Simultaneous Iterative Reconstruction Technique， SIRT）對方程組進(jìn)行求解，SIRT算法與算術(shù)迭代（Algebraic reconstruction technique， ART）等方法相比，具有收斂性好、圖像重建的分辨率高、對初值選取精度依賴程度低等優(yōu)點(diǎn)[16]?？组g震波成像原理如圖1所示。

地震波CT處理是以波的旅行時特性為基礎(chǔ)，縱波先行到達(dá)且不受其它類型波干擾，易于識別與處理。通過初至拾取，得到縱波到達(dá)時間函數(shù)并進(jìn)行CT反演。將網(wǎng)格劃分參數(shù)及炮、檢點(diǎn)位置坐標(biāo)等輸入到不同CT反演成像模塊，進(jìn)行SIRT迭代計算可得出CT反演結(jié)果。由于測試斷而范圍有限，反演區(qū)域僅為掘進(jìn)工作而的部分區(qū)域，網(wǎng)格單元劃分為02 m×02 m。

2.2 監(jiān)測鉆孔布置

根據(jù)TBM掘進(jìn)圍巖應(yīng)力損傷探測任務(wù)及施工條件，現(xiàn)場在1413A工作面軌道順槽布置3個震波CT監(jiān)測鉆孔，共施工3個平行的監(jiān)測孔，三個鉆孔的孔口標(biāo)高為-489 m，控制垂高30 m，控制平距40 m，鉆孔長度50 m，設(shè)計角度38°，三組平行鉆孔間距分別為22 m、23 m，控制巷道走向水平距離55 m范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力變化區(qū)域。鉆孔布置如圖2所示，鉆孔參數(shù)如表1所示。

2.3 監(jiān)測設(shè)備

Miniseis 24 綜合工程探測儀是一款內(nèi)置鋰離子電池，具有24個高精度記錄道的綜合地震勘探系統(tǒng)。該系統(tǒng)內(nèi)置高性能計算機(jī)用于進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的管理以及數(shù)據(jù)的管理，同時保留了計算機(jī)所有功能。Miniseis 24綜合工程探測系統(tǒng)采用ΔΣ24位高精度、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，儀器具有最小25 μm的采樣間隔和131 dB的動態(tài)范圍。監(jiān)測設(shè)備如圖3所示。

3 監(jiān)測結(jié)果及分析

震波CT資料的處理與解釋以波的旅行時間特性為基礎(chǔ)，縱波先行到達(dá)且不受其它類型波干擾，具有速度最高、頻率高的特點(diǎn)，較易識別與處理；橫波特征為能量大、頻率低、波組特征明顯。震波CT監(jiān)測以縱波速度和橫波速度CT切片為主進(jìn)行解釋。

具體來說，地震波在介質(zhì)中傳播，當(dāng)介質(zhì)均勻分布時，震波波速分布也較為均勻。當(dāng)介質(zhì)中出現(xiàn)構(gòu)造異常時，速度值就會相應(yīng)表現(xiàn)出增加或者減小，通常破碎的區(qū)域表現(xiàn)為低速區(qū)域。當(dāng)介質(zhì)受應(yīng)力變化時，波速也會相應(yīng)變化。如果介質(zhì)受到壓應(yīng)力，則波速相應(yīng)增大；當(dāng)介質(zhì)受到拉應(yīng)力時，波速會相應(yīng)減小。

3.1 單孔波速監(jiān)測

數(shù)據(jù)采集時間，自2015年1月28日起，截止至2015年3月4日，共采集1#、2#、3#三個平行鉆孔數(shù)據(jù)18組。TBM掘進(jìn)過程中，3#鉆孔將會首先受到擾動影響。

單孔波速圖是以孔口為炮點(diǎn)，根據(jù)震波到達(dá)各個傳感器的時間不同，計算波速。在致密的介質(zhì)中，波速較大；介質(zhì)較軟或者受到破壞時波速會相應(yīng)較小。

從圖4（a）可以看出，當(dāng)TBM掘進(jìn)機(jī)相對孔較遠(yuǎn)時，波速基本沒有發(fā)生變化。在孔口附近，由于破碎或者注漿不密實，致使孔口波速較小。當(dāng)傳感器在煤層時，相對于砂巖層，煤層中的速度較低，砂巖層速度較高。在2月10日，同一傳感器所在位置，波速減小。對比TBM掘進(jìn)記錄可知，由于TBM已接近孔口，致使波速減小。

由圖4（b）可以看出，在2月12日以后，波速整體減小，對比軌道順槽其他兩孔單孔記錄，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)經(jīng)過2#孔后，波速無明顯變化。出現(xiàn)該情況的原因為，當(dāng)巷道掘進(jìn)后，致使原來的巖層應(yīng)力重新分布，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定后，波速不再變化。

如圖4（c）所示，2月12日以后，1#單孔波速在30～35 m位置明顯減小，這是由于TBM到達(dá)1#孔后重新改變了該區(qū)域應(yīng)力分布情況，使該位置波速發(fā)生明顯變化。

該趨勢與3#孔對應(yīng)性較好，對比同孔定點(diǎn)式應(yīng)變傳感光纖的應(yīng)變分布圖，由于在35 m左右表現(xiàn)為拉應(yīng)變，使得波速降低，在45 m左右變現(xiàn)為壓應(yīng)變，使得波速較高。

3.2 多孔波速監(jiān)測

圖5為TBM掘進(jìn)各階段的三孔震波CT切片圖，在1月28日，由于TBM距三個監(jiān)測鉆孔較遠(yuǎn)，波速較均一，由于鉆孔穿過的巖層巖性不一致，使得波速值不同，但在同一巖層中，波速分布均勻，說明巖石介質(zhì)在水平方向上分布均勻。

在2月10日，TBM掘進(jìn)機(jī)已接近3#鉆孔，在圖5（b）中可以看出，由于TBM掘進(jìn)機(jī)離3#鉆孔較近，距1#、2#鉆孔較遠(yuǎn)，3#孔波速發(fā)生變化。在孔底波速減小，這是由于TBM掘進(jìn)時，3#孔底受力減小，使得波速降低；1#、2#孔速度無明顯變化，說明TBM掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時還未對1#、2#鉆孔的監(jiān)測區(qū)域造成明顯的擾動。2月11日時，TBM掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)過3#孔299 m，3#孔周邊應(yīng)力重新分布，波速逐漸穩(wěn)定，此時TBM掘進(jìn)機(jī)剛經(jīng)過2#孔，因此對2#孔的波速值影響較大。3月4日，TBM掘進(jìn)機(jī)已遠(yuǎn)離3個鉆孔，應(yīng)力分布達(dá)到平衡，波速重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 監(jiān)測分析

圖6所示為1#孔2月12日波速變化圖，根據(jù)震波波速的變化情況，得出了TBM在掘進(jìn)過程中對震波速度的影響范圍。通過對震波速度的影響，可以得出TBM在掘進(jìn)過程中對圍巖的影響范圍約為10m，而開挖損傷區(qū)半徑在3 m左右。

由以上監(jiān)測結(jié)果可以得出，由于TBM掘進(jìn)機(jī)的快速掘進(jìn)和支護(hù)，TBM掘進(jìn)對圍巖的超前影響范圍較小。當(dāng)TBM掘進(jìn)至監(jiān)測鉆孔處時，圍巖損傷區(qū)開始出現(xiàn)，在TBM通過鉆孔測試位置5m左右以后，監(jiān)測到明顯的損傷區(qū)。這與鉆爆法開挖施工中，超前影響較大，損傷區(qū)在掌子面前方，且損傷區(qū)發(fā)育速度較快的特征有著較大不同。出現(xiàn)這種情況的原因主要有：

1） 相比鉆爆法開挖，TBM開挖對圍巖擾動較小，超前影響范圍??；

2） 鉆爆法爆破施工產(chǎn)生的強(qiáng)烈的沖擊荷載，使得圍巖中的封閉應(yīng)力得以松弛，較為完全地釋放了圍巖中的彈性能。而TBM開挖時，對圍巖的擠壓破壞并不明顯，開挖后，存儲在圍巖中的彈性能緩慢釋放，圍巖的損傷主要來自于圍巖的卸載破壞；

3） 由于TBM掘進(jìn)速度快，對圍巖擾動小，當(dāng)圍巖卸載，釋放彈性能時，TBM已經(jīng)向前掘進(jìn)了一段距離，因此損傷區(qū)在TBM開挖掌子面的后方出現(xiàn)，并持續(xù)發(fā)育，直至圍巖重新平衡，損傷區(qū)范圍趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1）TBM開挖對掘進(jìn)面超前損傷的影響較小，損傷區(qū)在掌子面后方滯后出現(xiàn)、發(fā)育并最終趨于穩(wěn)定。

2）在巷道徑向方向上，損傷區(qū)范圍為3m左右，塑性區(qū)范圍為10 m左右。

3）TBM掘進(jìn)的同時進(jìn)行及時支護(hù)，可有效控制損傷區(qū)發(fā)育，并保證巷道圍巖的穩(wěn)定性和巷道掘進(jìn)的安全性。

4）TBM掘進(jìn)對圍巖擾動較小，掘進(jìn)效率高，適用在煤礦硬巖地層中長距離巷道的施工。

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（責(zé)任編輯：李 麗，吳曉紅，編輯：丁 寒）