用煤礦TBM掘進(jìn)硬巖巷道圍巖支護(hù)方案探究

摘要：近年來，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)的公路交通、城市軌道以及水利隧道等方面的也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，而在這個(gè)過程中全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。但是我國(guó)煤礦所處的地質(zhì)條件以及煤礦巷道條件十分復(fù)雜繁瑣，而TBM在此方面的應(yīng)用以及案例相對(duì)較少，基于此，本文針對(duì)用煤礦TBM掘進(jìn)硬巖巷道圍巖支護(hù)方案展開探究。

關(guān)鍵詞：TBM;圍巖穩(wěn)定性;支護(hù)方案

前言：自改革開放以來，我國(guó)煤礦礦井的建設(shè)技術(shù)及水平都得到了較為理想的發(fā)展。但是大部分的巖巷巷道方面的施工工藝都十分落后，以鉆爆法展開施工，這樣的方法不僅工藝落后，其質(zhì)量也非常低，加上爆炸物的安全性價(jià)低，操作難度非常大，巖巷掘進(jìn)技術(shù)也成為了限制煤礦建井的重要因素，就煤礦角度而言其安全事故的高發(fā)區(qū)域也逐漸轉(zhuǎn)移至巖層巷道的掘進(jìn)工序當(dāng)中，嚴(yán)重的影響了煤礦的生產(chǎn)。在這樣的環(huán)境洗TBM的出現(xiàn)和使用成為了煤礦巖層巷道施工的最新選擇，也妥善的解決了煤礦硬巖底層中巷道中所存在的各種問題，并且TBM的破壞性非常強(qiáng)，更加適合應(yīng)用于硬巖巷道的圍巖支護(hù)當(dāng)中。

一、TBM簡(jiǎn)介

TBM的全稱為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)。其類型分為兩種：一是敞開式隧道掘進(jìn)機(jī);二是廣義盾構(gòu)機(jī)。該種機(jī)械設(shè)備的主要作用就是連續(xù)性的開展掘進(jìn)、出渣、支護(hù)等工作，同時(shí)也是集機(jī)、電、液、光、氣等系統(tǒng)于一體的流水式隧道施工設(shè)備，其優(yōu)勢(shì)在于環(huán)保、效率高、效益高等，能夠很大程度上完成鉆爆法所無法完成的復(fù)雜隧道施工[1]。TBM在我國(guó)水電、鐵路、交通以及礦山等方面的應(yīng)用越來越廣泛，加上其對(duì)設(shè)備的生命周期要求以及可靠性要求非常高，也被稱之為工程機(jī)械中的“掘進(jìn)機(jī)之王”。

二、用煤礦TBM掘進(jìn)硬巖巷道圍巖支護(hù)方案

（一）工程概況

本工程以山西某煤礦的8號(hào)礦區(qū)的南回風(fēng)巷道建設(shè)為研究對(duì)象，該巷道的總設(shè)計(jì)長(zhǎng)度共計(jì)3395米。其中有2983米的施工距離是選擇TBM來完成的，巷道的軸向界面呈現(xiàn)圓形斷面狀，其直徑為4.50m，斷面的面積為16.13m2，巷道的支護(hù)形式選擇的是錨索、錨桿以及鋼筋網(wǎng)等方式結(jié)合而成的，整個(gè)回風(fēng)巷道的施工坡度僅為8°，具體的方位角是270°，埋深為525m，具體如圖2-1所示。

該巷道地層所處的主要層位的材質(zhì)是石炭紀(jì)太原組砂巖層，而巷道圍巖的主要成分為細(xì)粉砂巖，其抗壓強(qiáng)度處于4.65-12.9Mpa之間，彈性范圍是2.35-46.75Gpa區(qū)間，TBM在開展連續(xù)性掘進(jìn)的過程中其周邊圍巖巖體的力學(xué)性質(zhì)是基本一致的。就整體角度而言，該巷道所處的位置鮮少有斷層或者裂隙的情況，其構(gòu)造具備一定的完整性，圍巖的強(qiáng)度也非常高。

南回風(fēng)巷道在施工過程中所選擇的立井煤礦全斷面掘進(jìn)機(jī)重量為350噸，該掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)是以模塊化為主的。該設(shè)備在安裝過程中可以將其拆卸成為幾個(gè)主要模塊帶入井下進(jìn)行組裝。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)所有的模塊都達(dá)到礦井之后，需要經(jīng)過井下運(yùn)輸設(shè)備將其運(yùn)送至始發(fā)硐室。以始發(fā)硐室作為掘進(jìn)的出發(fā)點(diǎn)，來調(diào)試掘進(jìn)機(jī)，要保證在施工期間該設(shè)備能夠維持正常的狀態(tài)當(dāng)中。

TBM在施工過程中需要有一臺(tái)單軌吊以及一臺(tái)皮帶機(jī)來完成輔助運(yùn)輸，單軌吊可以裝在物料，并將材料運(yùn)輸至皮帶機(jī)中，利用皮帶機(jī)傳輸至TBM盾構(gòu)機(jī)的接料臺(tái)中。在掘進(jìn)期間所產(chǎn)生的所有渣石也會(huì)通過皮帶機(jī)運(yùn)出巷道[2]。

在針對(duì)粉塵處展開掘進(jìn)的過程中，首先需要預(yù)留一個(gè)封閉式的除塵系統(tǒng)。并讓盾構(gòu)機(jī)與巖壁緊貼，從而形成一個(gè)相對(duì)密封的空間，將掘進(jìn)施工與施工人員相分離。在進(jìn)行破巖掘進(jìn)時(shí)，設(shè)備的刀盤上會(huì)噴水的方式將粉塵與水相融合形成你面從而實(shí)現(xiàn)降低粉塵的目標(biāo)，所產(chǎn)生的泥漿也會(huì)通過出渣系統(tǒng)排除巷道外。同時(shí)除塵風(fēng)機(jī)也需要打開將空氣中的粉塵過濾掉。當(dāng)掘進(jìn)工序的循環(huán)完成后，會(huì)經(jīng)由巷道的風(fēng)筒箱內(nèi)灌入空氣，并將其附近殘留的粉塵吹出去。

（二）支護(hù)方案的選型

在TBM掘進(jìn)的過程中圍巖的應(yīng)力場(chǎng)分布情況會(huì)隨之不斷的發(fā)生變化，而原本的三向應(yīng)力逐漸被二向應(yīng)力所取代。加上豎直方向所產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致巷道頂部的圍巖開始發(fā)生形變或者損傷，此時(shí)巷道的支護(hù)能夠在一定程度上為圍巖增加一個(gè)方向上的約束，彌補(bǔ)所失去的應(yīng)力，并滿足巷道圍巖對(duì)于穩(wěn)定性方面所提出的要求，實(shí)現(xiàn)提高巷道安全性的目的。

在制定支護(hù)方案的過程中需要遵守“治頂先治幫、治幫先治底、肩角是關(guān)鍵”的基本原則，從而形成一套完整的“底部、兩幫、頂板”于一體的控制體系，而這一過程中的主要目的就是合理有效的控制巷道圍巖的變性情況，從而在提高巷道安全性的同時(shí)也降低其成本?，F(xiàn)階段，選擇TBM施工的時(shí)候所選擇的支護(hù)方案主要有兩種：一是錨桿支護(hù)體系;二是管片支護(hù)體系。其中錨桿支護(hù)體系更多應(yīng)用于硬巖地層的隧道當(dāng)中，并且與錨索或則好錨噴支護(hù)相結(jié)合使用;而管片支護(hù)則在軟土層隧道當(dāng)中使用更為廣泛一些，并且基本上都是以初次支護(hù)或者二次支護(hù)為主。

與該工程項(xiàng)目的實(shí)際情況相結(jié)合，通過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)與計(jì)算來制定出最佳的南回風(fēng)巷道圍巖支護(hù)方案，具體方案選擇以錨網(wǎng)索噴相結(jié)合方式完成支護(hù)工作。其中錨桿的規(guī)格應(yīng)該處于 之間的該強(qiáng)度螺紋鋼材質(zhì)的錨桿，其間距和排距分別為800mm和1000mm。錨桿的托盤為心拱形可調(diào)節(jié)的高強(qiáng)度托板。錨索的實(shí)際規(guī)格為 之間，每個(gè)錨索之間的距離為1000mm 1000mm，每一排需要放置三根錨索，而錨索需要設(shè)置在兩排錨桿的中間位置。錨索的托盤也是具備極高強(qiáng)度的可調(diào)節(jié)心拱形錨索托板，并配置了同樣強(qiáng)度的心球型墊片。金屬網(wǎng)的材質(zhì)為6mm的圓鋼加工而成，其尺寸為1000mm 2000mm，網(wǎng)孔的大小為100 100mm，通過邊接的方式組成。另外，每個(gè)錨桿眼與錨索眼都需要使用1卷錨固劑進(jìn)行加固[3]。

結(jié)論

總之，本文用煤礦TBM掘進(jìn)硬巖巷道圍巖支護(hù)方案的探究可知，基于煤礦巷道內(nèi)圍巖所處的地層力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了TBM施工期間巷道圍巖所產(chǎn)生的一系列變化情況與規(guī)律，從而通過對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)來驗(yàn)證巷道圍巖支護(hù)的有效性，針對(duì)TBM施工硬巖巷道對(duì)于圍巖穩(wěn)定造成的影響，從而為后續(xù)的圍巖支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供充足的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸天嘉.立井煤礦TBM掘進(jìn)巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算[J].四川建材，2018，44（11）：110-111.

[2]唐彬，程樺，唐永志，等.深井煤礦TBM掘進(jìn)巷道圍巖擾動(dòng)特性監(jiān)測(cè)研究[J].煤礦安全，2018，049（002）：185-188.

[3]李剛，牛磊，李文龍.煤礦硬巖巷道快速掘進(jìn)技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2018，46（11）：18-25.

作者簡(jiǎn)介：侯學(xué)利（1983.3）男，漢族，職稱：助理工程師，學(xué)歷：大專。研究方向：機(jī)電工程。