煤礦用盾構機（TBM）過斷層的應對方法

陳 彬，昝志華

（晉能控股煤業(yè)集團有限公司宏泰公司，山西 大同037001）

0 引言

近年來，隨著我國科學技術的快速發(fā)展，工程機械新技術、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，尤其是盾構機成為了新一代先進工程機械的代表。鑒于其較煤礦傳統(tǒng)掘進工藝具有更加安全、穩(wěn)定、智能和高效等諸多優(yōu)點，因此受到了越來越多煤炭企業(yè)的青睞，一些現(xiàn)代化大型煤礦已經(jīng)將盾構機應用到了井下施工當中，并創(chuàng)造了很好的效益。但由于煤礦井下地質條件極其復雜，巷道掘進過程中通常都會遇到一些斷層造成圍巖破碎，給采用盾構機施工的巷道造成很大影響，例如我單位使用的“振興一號”煤礦用全斷面TBM掘進機（盾構機）就在巷道掘進過程中多次揭露斷層，導致施工非常被動，主要有以下影響：

1）容易發(fā)生人身傷害事故。

2）在此期間如果采取措施不夠及時、得當，很有可能會對設備造成致命損傷而發(fā)生設備安全事故，導致盾構機長時間無法掘進，后果不堪設想。

3）圍巖破碎塌落，正規(guī)循環(huán)作業(yè)時間大幅增加，對巷道工期影響巨大。

4）大幅增加成本。因此，我們通過深入研究積累了一些好的經(jīng)驗方法并總結創(chuàng)新，然后針對性的制定應對措施并應用到現(xiàn)場，最終取得了很好的效果，可以有效解決上述問題。

1 設備介紹

1.1 盾構機概況

“振興一號”是由晉能控股煤業(yè)集團引進，遼寧三三工業(yè)公司生產(chǎn)，并交由集團下屬宏泰公司負責施工的第一臺煤礦用全斷面TBM掘進機（盾構機）。該設備是根據(jù)煤礦井下施工環(huán)境和工藝要求而專門設計，采用模塊化結構組裝，主要由刀盤、護盾、支護平臺及后配套臺車四部分構成。

1.2 主要參數(shù)

設備開挖直徑5.8 m，總長65 m，整機重量480t，最大爬坡能力±5°，最小轉彎半徑70 m，主驅動功率2 100 kW，整機總裝備功率2 400 kW,整機最大總推力13 000 kN，最大推進速度80 mm/min。

1.3 工作原理

其工作原理是通過前盾10根、尾盾22根頂幫護盾油缸撐緊圍巖，利用全斷面刀盤旋轉一次性破巖成巷，是集掘進、排矸、支護、通風、導向、超前鉆探技術于一體的先進掘進設備，實現(xiàn)了掘進、支護、排渣等工序平行作業(yè)。

圖1 “振興一號”煤礦用全斷面TBM掘進機（盾構機）在地面完成組裝調試

2 工程介紹

2.1 巷道概況

“振興一號”煤礦用全斷面TBM掘進機（盾構機）施工巷道名稱為大同王村煤業(yè)公司山4號層西盤區(qū)回風巷，設計長度2 505 m，全巖，φ5 800 mm的圓形斷面，主要用于盤區(qū)回風。山4號煤厚2.70～4.10/3.29 m，傾角1°～3°/2°，直接頂泥巖,厚0.96～2.07m,老頂中砂巖、局部為砂質泥巖,厚1.43～15.75 m，巷道沿山4號煤層頂以上6～12 m巖層掘進,預計揭露的巖層為砂巖和砂質泥巖，普氏系數(shù)f＝5。井下位于西盤區(qū)輔運巷（已掘1 479 m）以南，兩巷間凈煤柱40 m，南側為實煤區(qū)，對應地表無建筑物、村莊、鐵道等。

2.2 水文地質

巷道充水來源主要是頂?shù)装宓纳皫r含水層，頂板砂巖含水層厚15～20 m，底板K3砂巖含水層厚11～19 m，裂隙不發(fā)育，補給條件差，富水性極弱，對掘進無大的影響。巷道上覆侏羅系煤層不存在采空積水，底板距奧灰水頂界面有效隔水層厚117 m，為帶壓開采安全區(qū)，突水危險性小。

2.3 瓦斯情況

開采煤層瓦斯絕對涌出量0.88 m3/min，相對涌出量0.35～2.58 m3/t，掘進過程瓦斯涌出量較小。

圖2 西盤區(qū)回風巷平面布置圖

掘進過程中在里程825、840m、1 131、1 195、1 296、1 448、1 487m處已分別揭露H=2.5m∠80°、H=2.6m∠67°、H=0.8m∠81°、H=0.5m∠78°、H=0.5m∠75°、H=0.5m∠82°、H=3.4m∠85°的正斷層。

2.4 支護設計

巷道設計圓形斷面Ф5.8 m，掘進斷面26.42 m2，采用錨桿、錨索和網(wǎng)噴聯(lián)合支護，噴漿厚度100 mm。支護采用φ22 mm×2 400 mm、MG400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，以巷道中心線對稱布置，間排距=1 200 mm×1 000 mm，每排7根，配W型鋼護板（450 mm×280 mm×3 mm）和蝶形托盤（150 mm×150 mm×10 mm），掛φ4 mm菱形金屬網(wǎng)。采用2支樹脂藥卷，MSK2330和MSZ2360。掘進過程中在盾構機后方利用矸石回填，鋪底厚度為600 mm。

圖3 西盤區(qū)回風巷斷面支護圖

圖4 盾構機支護系統(tǒng)

3 盾構機過斷層方案

3.1 前期準備

以盾構機掘進至里程840 m處揭露H=2.6 m∠67°的正斷層為例，為了保證盾構機安全、順利過斷層，我們提前收集了相關地質資料并多次到相鄰的西盤區(qū)輔運巷進行了現(xiàn)場勘察，組織相關人員召開了專題會，對斷層可能造成的影響進行了詳細分析并制定了應對措施，同時在井下現(xiàn)場備足相關應急加強支護材料等。

圖5 斷層位置示意圖

圖6 斷層剖面示意圖

3.2 支護方案

3.2.1 原支護方案

頂錨桿：選用φ22 mm×2 400 mm的MG400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護，每排7根錨桿，以巷道中心線對稱布置，間排距=1 200 mm×1 000 mm，配套W型鋼護板（450 mm×280 mm×3 mm）和蝶形托盤（150 mm×150 mm×10 mm）。

金屬網(wǎng)：頂部掛絲徑為φ4 mm菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔50 mm×50 mm，搭接長度不小于200 mm，用雙股14號鉛絲不大于200 mm的間隔“三花”連接牢固，連網(wǎng)要求孔孔相連，雙絲雙扣，綁死扭結不少于3圈。

3.2.2 正常情況下過斷層加強支護方案

頂錨桿：選用φ22 mm×2 400 mm的MG400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護，每排9根錨桿，以巷道中心線對稱布置，間排距=900 mm×1 000 mm，配套W型鋼護板（450 mm×280 mm×3 mm）和蝶形托盤（150 mm×150 mm×10 mm）。

錨索：選用Φ17.8mm×6 300 mm的鋼鉸線，每排3根，間排距=1 500 mm×2 000 mm，配套中心孔為φ22 mm的11號礦用工字鋼梁L=600 mm和鋼墊片（130 mm×130 mm×10 mm）。

金屬網(wǎng)：不變。

3.2.3 破碎情況下過斷層加強支護方案

頂錨桿：選用φ22 mm×2 400 mm的MG400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護，每排13根錨桿，以巷道中心線對稱布置，間排距=600 mm×600 mm，配套W型鋼護板（450 mm×280 mm×3 mm）和蝶形托盤（150 mm×150 mm×10 mm）。

錨索：選用φ17.8 mm×6 300 mm的鋼鉸線，每排5根，間排距=1 000 mm×1 000 mm，其中拱頂兩側的2根沿掘進方向向前與頂板呈70°，配套中心孔為φ22 mm的11號礦用工字鋼梁L=600 mm和鋼墊片（130 mm×130 mm×10 mm）。

金屬網(wǎng)：雙層網(wǎng)，其它不變。

3.2.4 破碎嚴重情況下過斷層加強支護方案

頂錨桿全部替換為φ17.8 mm×6 300 mm的鋼鉸線，每排13根錨桿，以巷道中心線對稱布置，間排距=600 mm×600 mm，其中拱頂兩側的2根沿掘進方向向前與頂板呈70°，配套中心孔為φ22 mm的11號礦用工字鋼梁L=600 mm和鋼墊片（130 mm×130 mm×10 mm）。

金屬網(wǎng)：雙層網(wǎng)，其它不變。

3.3 設備參數(shù)調整

1）根據(jù)現(xiàn)場圍巖破碎情況合理增加換步頻率，降低循環(huán)步距為0.4～0.8 m（正常循環(huán)步距為1 m），防止因圍巖暴露面積過大造成頂板冒落。

2）降低推進速度并保持在2～3 cm/min，防止對圍巖擾動過大而造成更加破碎。

3）盾構機推進時刀盤轉速控制在4～5 rpm，降低對圍巖的擾動。

4）過破碎區(qū)期間，選派有經(jīng)驗的盾構機司機進行操作，合理調整盾構機姿態(tài)，并嚴格按設計坡度水平掘進。

5）盾構機推進和拉后配套時，操作司機應將前、尾盾側護盾伸出撐緊巖壁作為主撐緊點，同時將頂護盾適當伸出只起支撐作用，防止因頂護盾撐緊用力過大而造成圍巖更加破碎。

6）掘進時，尾盾頂護盾壓力0～70 bar（推力0～258 t）、行程和壓力雙控，行程達到時，壓力盡可能小。行程達不到時，壓力控制在50～70 bar（推力185～258 t）、尾盾側護盾壓力160～180 bar（單側推力628～706 t）。

7）換步時，前盾頂護盾壓力0～70bar（推力0～75 t）、前盾側護盾壓力160～190（推力175～205 t）。

3.4 作業(yè)工藝及實施方法

流程：工作面揭露斷層→停止掘進→從外往里補強支護→檢測瓦斯并處理安全隱患→調整設備參數(shù)→降低掘進速度、降低循環(huán)步距并按要求加強支護。

工作面遇斷層時，應立即停止掘進必須先進行補強支護，方法如下：

1）在距斷層3～10 m范圍內補打錨索梁加強支護，選用φ17.8 mm×6 300 mm的鋼鉸線，每排3根，間排距=1 500 mm×2 000 mm，配套中心孔為φ22 mm的11號礦用工字鋼梁L=600 mm和鋼墊片（130 mm×130 mm×10 mm）。

2）在距斷層3m范圍內補打錨桿和錨索梁加強支護，選用φ22 mm×2 400 mm的MG400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護，每排9根錨桿，以巷道中心線對稱布置，間排距=900 mm×1 000 mm，配套W型鋼護板（450 mm×280 mm×3 mm）和蝶形托盤（150 mm×150 mm×10 mm）。選用φ17.8 mm×6 300 mm的鋼鉸線，每排5根，間排距=1 000 mm×1 000 mm，其中拱頂兩側的2根沿掘進方向向前與頂板呈70°，配套中心孔為φ22 mm的11號礦用工字鋼梁L=600 mm和鋼墊片（130 mm×130 mm×10 mm）。

3）加強現(xiàn)場管理，盾構機換步后必須先進行敲幫問頂，處理活矸危巖，完成后及時進行支護，錨桿、錨索夠一排必須支護一排，防止因圍巖暴露面積過大造成頂板冒落。

4）過斷期間每班應派專人觀測工作面圍巖情況，結合盾構機掘進時的相關參數(shù)進行綜合分析，如果發(fā)現(xiàn)有破碎或破碎嚴重時應立即發(fā)出預警，以便及時調整進行加強支護，保證安全。

4 現(xiàn)場應用情況及效果

通過采取上述措施，我單位已經(jīng)連續(xù)多次順利完成盾構機過斷層，一方面保證了人的安全和設備的安全，另一方面還創(chuàng)造了非?？捎^的經(jīng)濟效益。之前盾構機每次過斷層需要5 d，平均每天只能掘進2 m；采取相關措施后工作面圍巖破碎塌落的活矸明顯減少，現(xiàn)在盾構機每次過斷層只需要2 d，平均每天能夠掘進5 m以上。掘進效果圖見圖7。

圖7 “振興一號”煤礦用全斷面TBM掘進機（盾構機）井下巷道掘進效果

5 結論

“振興一號”煤礦用全斷面TBM掘進機（盾構機）在施工過程中連續(xù)多次成功過斷層的經(jīng)驗表明：

1）現(xiàn)階段煤礦盾構機可以適應井下復雜地質環(huán)境，但仍需進一步改進，尤其在超前支護方面需要進行重點突破。

2）采用護盾撐緊式的盾構機容易對圍巖造成破壞，尤其當工作面圍巖層理節(jié)理發(fā)育，巖層走向與巷道掘進坡度差異大，遇斷層帶等更有可能造成圍巖二次破碎，因此需在不同地質條件下合理調整護盾撐緊油缸壓力。

3）采用盾構機施工在提高掘進效率、降低勞動強度、改善作業(yè)環(huán)境方面技術先進，優(yōu)勢明顯。

4）目前煤礦盾構機主要應用在巖巷施工，還無法適應工程占比更大的煤巷、半煤巖巷掘進，因此研發(fā)適合煤巷、半煤巷的盾構機，將具有更廣闊的應用前景。