深部礦井巖巷TBM掘進(jìn)設(shè)備選型及適應(yīng)性設(shè)計

郭曉勝，周長寬，崔國崗，傅 鑫，丁自偉，王威欽

(1.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 712000；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

TBM作為世界上最先進(jìn)的全斷面隧道掘進(jìn)機，近年來在煤礦工程建設(shè)中逐漸得到廣泛應(yīng)用[1，2]，與傳統(tǒng)鉆爆和綜掘工法相比[3-8]，具有施工效率高、造價低等顯著優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計，目前全國僅有11座煤礦應(yīng)用TBM，如山東新巨龍煤礦、淮南張集煤礦等巷道工程建設(shè)。在煤礦領(lǐng)域也僅應(yīng)用于施工淺部平硐、斜井或立井聯(lián)合布置等地質(zhì)條件[9]，但在深部立井開拓煤礦巷道中應(yīng)用案例十分罕見。這主要是由于深部立井開拓對于TBM設(shè)備的特殊要求，即設(shè)備尺寸重量必須滿足井筒要求，巷道斷面也必須滿足TBM大尺寸部件的運輸需要。其次，在深部開采條件下，巖層地應(yīng)力較高，圍巖易發(fā)生較大變形破壞，進(jìn)而造成TBM卡機事故[10，11]。深埋復(fù)雜地層煤礦巷道開挖對圍巖產(chǎn)生較大擾動，容易引起應(yīng)力集中，造成巷道圍巖失穩(wěn)。深部煤系地層開挖過程中，往往還需穿過復(fù)合地層，當(dāng)穿越高地應(yīng)力的煤系軟弱沉積巖層時，高地應(yīng)力與軟弱圍巖就構(gòu)成了圍巖產(chǎn)生大變形破壞的基本條件，容易導(dǎo)致TBM設(shè)備卡機災(zāi)害，這也是制約深部復(fù)雜地質(zhì)條件礦井TBM掘進(jìn)潛力的主要因素之一[12，13]?？梢?，TBM一般適用于中硬巖體，在圍巖穩(wěn)定條件下效果較好，而在深部復(fù)雜地質(zhì)條件下，掘進(jìn)設(shè)備參數(shù)適應(yīng)性設(shè)計還需結(jié)合工程實際開展諸多研究工作[14-17]。其中，黃興等[18]基于刀盤壓力、總推力和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，提出了一種多算法優(yōu)化的掘進(jìn)機刀盤扭矩預(yù)測方法，提高了TBM掘進(jìn)過程中的適應(yīng)性；Yagiz S等[19]則建立多種預(yù)測模型優(yōu)化了TBM掘進(jìn)過程中的掘進(jìn)速率。綜合目前研究可知，TBM裝備適應(yīng)性、機型適應(yīng)性差異、地質(zhì)災(zāi)害成因、與圍巖相互作用機理等方面尚未形成系統(tǒng)性成果，在成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化方面也缺乏深入的探討研究。本文基于煤礦TBM研究應(yīng)用，系統(tǒng)總結(jié)實踐過程TBM掘進(jìn)裝備選型和系統(tǒng)參數(shù)適應(yīng)性設(shè)計等經(jīng)驗，可為中西部深部復(fù)雜條件煤礦TBM裝備研究應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

陜西高家堡煤礦位于彬長礦區(qū)西北部，井田面積219km2，礦井儲量9.74億t，設(shè)計生產(chǎn)能力5.0Mt/a，主采延安組4號煤層，埋深1000～1100m。地質(zhì)條件復(fù)雜，含水害、沖擊地壓、地溫、瓦斯等多元自然災(zāi)害。井田分西區(qū)、東區(qū)及西南區(qū)三個區(qū)域，目前主要回采西區(qū)，單翼布置方式，設(shè)計四條巖石開拓大巷，單以西區(qū)輔運大巷而言，設(shè)計長度6500m以上，巖巷開拓工程量巨大。

西區(qū)大巷主要布置在巖層中，開拓掘進(jìn)中將穿越一系列煤系地層，共5層，包括4號煤、鋁質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖和中粒砂巖，巖性變化相對大。4號煤層頂?shù)装鍘r性特征見表1。

表1 4號煤層頂?shù)装鍘r性特征

高家堡煤礦目前采用“綜掘+炮掘”掘進(jìn)方式，受深井多元災(zāi)害影響，巖巷進(jìn)尺水平僅60～95m/月，掘進(jìn)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足開拓需求，以現(xiàn)有生產(chǎn)接續(xù)情況看，將在四五盤區(qū)間工作面接續(xù)時出現(xiàn)單面生產(chǎn)情況，如何實現(xiàn)高效快速掘進(jìn)，緩解生產(chǎn)接續(xù)緊張的局面，是礦井面臨的主要科學(xué)問題。

2 TBM智能掘進(jìn)裝備選型

2.1 掘進(jìn)機選型依據(jù)

TBM掘進(jìn)機作為全世界最先進(jìn)的掘進(jìn)裝備，具有破巖高效、一次成巷、掘支運平行作業(yè)、系統(tǒng)高度集成等技術(shù)特征，是最接近巷道智能化掘進(jìn)的先進(jìn)裝備，全斷面巖石掘進(jìn)機分類如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機分類

目前來說，TBM掘進(jìn)機廣泛應(yīng)用于世界隧道、地鐵和礦山領(lǐng)域工程建設(shè)，尤其以平硐掘進(jìn)機應(yīng)用效果顯著[20]。在國外研究基礎(chǔ)上，我國TBM掘進(jìn)設(shè)備也經(jīng)歷了從引進(jìn)到自主研發(fā)的發(fā)展階段，由國外傳統(tǒng)的開式掘進(jìn)機，到我國科技工作者自主研發(fā)的具有國產(chǎn)特色的刀盤TBM掘進(jìn)裝備等[21]。TBM掘進(jìn)設(shè)備依據(jù)護(hù)盾數(shù)目及布置方式可分為敞開式、單護(hù)盾和雙護(hù)盾掘進(jìn)機，不同生產(chǎn)條件TBM適應(yīng)性不同，設(shè)備類型及適用條件見表2。

表2 TBM適用條件及類型

不同類型TBM掘進(jìn)設(shè)備對于生產(chǎn)地質(zhì)條件的適應(yīng)性不同，需要針對不同的工程背景進(jìn)行TBM設(shè)備的選型，以保證應(yīng)用的TBM掘進(jìn)效能得到最大程度的發(fā)揮。目前來說，TBM選型主要有兩類機型選擇方法，分別為分類順序法和類比法，本文以分類順序法為例展開煤礦TBM設(shè)備選型的探討與研究。

2.2 煤礦TBM設(shè)備選型

在巷道圍巖穩(wěn)定性良好的條件下，現(xiàn)有礦用TBM設(shè)備均可以實現(xiàn)快速掘進(jìn)[22-24]，而對于深部復(fù)雜地質(zhì)條件礦井而言，需從巷道總體布置、工程地質(zhì)條件、施工條件及工期要求等方面考慮，滿足工程施工對于掘進(jìn)機選型的要求，在選型時應(yīng)重點考慮巖石的可掘性、開挖時硐壁穩(wěn)定性、地層變形特征和支護(hù)類型等因素。

1)敞開式掘進(jìn)機。主要適用于整體完整、較完整的巖層，巖體強度介于50～150MPa，有較好自穩(wěn)性的硬巖地層，巖層自身強度能承受水平推進(jìn)時的反作用力，掘進(jìn)機頭部接地比壓不下沉[25]。由于敞開式掘進(jìn)機較為靈活，也可適用于軟巖隧道，但在高應(yīng)力大變形巷道，應(yīng)采取有效支護(hù)技術(shù)并論證，且掘進(jìn)速率受限。

2)單護(hù)盾掘進(jìn)機。主要適用于具有一定自穩(wěn)性的軟巖巖層，巖體強度介于5～60MPa。巷道巖石僅僅能夠維持自穩(wěn)，正常條件不會垮塌，但難以支撐水平反作用力，必須采用輔助推進(jìn)缸等，將破巖壓力傳送至后方混凝土管片。此時由于護(hù)盾作用，減輕了掘進(jìn)頭接地比壓，避免了掘進(jìn)設(shè)備下沉。

3)雙護(hù)盾掘進(jìn)機。主要適用于巖體較完整，有一定自穩(wěn)性的軟巖～硬巖地層，巖體強度30～90MPa。由于巷道巖體的復(fù)雜性，如有部分能夠自穩(wěn)并被支撐住，而其他圍巖僅能自穩(wěn)無法承受水平支撐力，此時應(yīng)采用雙護(hù)盾式TBM。對于巖層開挖后，能夠維持自穩(wěn)，但硐壁易潮解發(fā)生失穩(wěn)的巷道，也應(yīng)選用雙護(hù)盾式TBM。

4)盾構(gòu)法。盾構(gòu)機主要用于軟弱土體、軟土地層和極端上軟下硬地層的開挖。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖，防止巷道圍巖的坍塌。與常規(guī)TBM機械破巖不同，盾構(gòu)法是一種掘進(jìn)面采用切削裝置進(jìn)行土體開挖、將土體從原生地層中擠出、采用千斤頂加壓跟進(jìn)的機械化掘進(jìn)施工方法。

高家堡煤礦埋深達(dá)近1000m，屬于典型的深部高應(yīng)力強擾動礦井，在TBM機械開挖破巖過程中受到強擾動作用明顯，根據(jù)采區(qū)巖石大巷掘進(jìn)布置設(shè)計方案，在開拓過程中不可避免會穿過煤系等軟弱地層，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，沖擊災(zāi)害防治困難。基于此，提出全斷面TBM掘進(jìn)機選型，見表3。

表3 全斷面TBM掘進(jìn)機選型

為了有效避免TBM掘進(jìn)過程中受高應(yīng)力軟巖大變形或巷道穿層施工時護(hù)盾受力不均勻?qū)е驴C災(zāi)害，同時考慮到深部立井開拓煤礦巷道斷面偏小，巷道運輸轉(zhuǎn)彎等均存在一定困難，需要設(shè)計較小轉(zhuǎn)彎半徑TBM設(shè)備，因此推薦采用敞開式TBM較為合理。采用敞開式TBM設(shè)備較為靈活，也可依據(jù)現(xiàn)場實際情況及時調(diào)整支護(hù)設(shè)計，適應(yīng)不同巖層條件下的TBM裝備安全高效掘進(jìn)施工。

3 TBM掘進(jìn)系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計

3.1 掘進(jìn)系統(tǒng)主參數(shù)分析

合理設(shè)計TBM掘進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)，對于提升TBM掘進(jìn)效率、保證高效破巖以及巷道安全支護(hù)等有著至關(guān)重要的作用。需要科學(xué)分析計算確定的TBM掘進(jìn)設(shè)備主要設(shè)計參數(shù)包括兩方面：掘進(jìn)機徑向，如理論開挖直徑、刀盤轉(zhuǎn)速和刀盤回轉(zhuǎn)扭矩等；掘進(jìn)機軸向，如掘進(jìn)推力、掘進(jìn)速度和掘進(jìn)行程等。

以刀盤為例，敞開式TBM刀盤對圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生直接或者間接影響，是掘進(jìn)主參數(shù)適應(yīng)性設(shè)計的重點工作。首先，刀盤尺寸應(yīng)根據(jù)巷道尺寸進(jìn)行選型，根據(jù)開拓巷道斷面尺寸，刀盤開挖直徑設(shè)計為6.5m。其次，刀盤鋼結(jié)構(gòu)采用Q345D，提高長距離掘進(jìn)使用壽命，采用分塊式結(jié)構(gòu)、螺栓連接和焊接相結(jié)合，方便運輸與組裝。此外，正面滾刀90mm刀間距，保證高效率破巖。最后，刀盤刀具采用大直徑滾刀，提高刀具壽命，減少換刀次數(shù)，可換裝18寸刀圈，背裝式刀座，穩(wěn)定可靠。

對于深部復(fù)雜條件TBM掘進(jìn)，其滾刀直徑與扭矩等參數(shù)合理設(shè)計也十分重要，對于掘進(jìn)破巖、卡機脫困等均具有積極意義。在硬巖巷道條件下，宜采用大直徑滾刀以提供更大的推力，增大刀具的貫入度，提高其破巖能力。滾刀參數(shù)設(shè)計采用CSM力學(xué)模式計算，得到總推力、扭矩等性能參數(shù)：

式中，F(xiàn)t為滾刀所受載荷，kN；Fn為滾刀所受切向載荷，kN；Fr為滾刀所受垂直推力，kN；P0為巖石破碎區(qū)壓力，與巖石強度滾刀尺寸等參數(shù)有關(guān)；φ為滾刀與巖層接觸角，(°)；R為滾刀半徑，mm；T為滾刀刀尖寬度，mm；α為壓力分布系數(shù)。

煤系地層砂巖、泥巖，砂巖石英含量高，巖石飽和抗壓強度為30～90MPa，取σc=90MPa，計算得Ft=29.1kN。深部巷道煤系地層圍巖強度相比隧洞圍巖強度要低，使用TBM開挖時，TBM系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計可將其適宜的單軸抗壓強度降低，單軸抗壓強度在20～100MPa范圍認(rèn)為是比較適合的，其中35～60MPa是最佳的單軸抗壓強度范圍。

對于無論何種TBM類型而言，設(shè)計合理的擴挖間隙對于避免卡機均非常重要，敞開式TBM掘進(jìn)機前方也含有小段用于臨時支護(hù)的TBM護(hù)盾，此外合理擴挖量也有利于掘進(jìn)過程中TBM設(shè)備的正常推進(jìn)等。一般而言，護(hù)盾與圍巖間擴挖間隙較小，通常為0.05～0.1m，而TBM對圍巖變形非常敏感，當(dāng)圍巖擠壓變形量達(dá)到圍巖與護(hù)盾間擴挖預(yù)留變形間隙，極易導(dǎo)致護(hù)盾被卡，造成長時間卡機停工。

結(jié)合深部復(fù)雜災(zāi)害立井開拓煤礦巖巷TBM研究應(yīng)用，選用敞開式TBM設(shè)備，且針對性設(shè)計護(hù)盾與圍巖間擴挖間隙半徑超50mm，可在一定程度上為臨空掘進(jìn)支護(hù)前高應(yīng)力巷道圍巖變形提供一定的緩沖空間，同時采用TBM施工的巷道形狀為圓形，不易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，有利于巷道圍巖穩(wěn)定性控制等。敞開式TBM技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 敞開式TBM主要部件技術(shù)參數(shù)

3.2 大尺寸部件拆解運輸技術(shù)

為滿足大尺寸部件立井罐籠拆解和井下運輸要求，TBM設(shè)備各部件入井尺寸重量應(yīng)符合要求。高家堡煤礦副井罐籠尺寸長×寬×高=5.8m×2.5m×3.8m，罐籠最大升降載荷37t，井下巷道內(nèi)平板車尺寸長×寬=4.5m×1.8m，最大承重40t，設(shè)備運至施工現(xiàn)場需經(jīng)過最小的拐彎半徑為5m。針對性設(shè)計TBM各部件的尺寸重量，主要大尺寸如部件刀盤中心塊、頂護(hù)盾、主梁1#、主梁2#、主驅(qū)動法蘭、主驅(qū)動變速箱和后支撐均應(yīng)該滿足上述要求。煤礦TBM拆解運輸以不擴挖、原位拆機退出為原則，TBM拆機運輸流程如圖2所示。

圖2 TBM拆機運輸流程

在拆解運輸過程中，為了滿足超大重量刀盤、主梁等結(jié)構(gòu)整體旋轉(zhuǎn)及吊裝運輸技術(shù)需求，高家堡煤礦井下針對性設(shè)計了專門的TBM組裝硐室、步進(jìn)硐室和始發(fā)硐室。通過采用合理的布局，既減少了礦方擴挖工程量，節(jié)約了工期，又為TBM設(shè)備進(jìn)場安裝創(chuàng)造條件，在TBM施工期間滿足設(shè)備均衡生產(chǎn)中車輛調(diào)配和物料運輸要求。組裝硐室尺寸滿足大件起吊高度要求，長度和寬度滿足運輸車輛編組要求，組裝硐室尺寸為長×寬×高=38m×8.5m×12.6m。高家堡煤礦成功應(yīng)用敞開式全斷面掘進(jìn)機后，首月掘進(jìn)月進(jìn)尺高達(dá)304.8m，掘進(jìn)速率提高3～10倍，綜掘巖巷進(jìn)尺提升效果明顯，有效緩解了礦井采掘接續(xù)困難的問題。

4 結(jié) 論

1)采用分類順序法系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)全斷面掘進(jìn)機機型，明確提出了煤礦巖巷掘進(jìn)過程中，敞開式、單護(hù)盾式、雙護(hù)盾式掘進(jìn)機、盾構(gòu)法等施工工法的地質(zhì)適應(yīng)條件，圍繞工程地質(zhì)條件、圍巖特性、巖石強度等因素合理選擇敞開式TBM機型。

2)TBM掘進(jìn)設(shè)備參數(shù)適應(yīng)性設(shè)計，應(yīng)與地質(zhì)條件相適應(yīng)，選用敞開式TBM設(shè)備，其中刀盤尺寸應(yīng)根據(jù)巷道設(shè)計尺寸，開挖直徑設(shè)計6.5m，針對性設(shè)計護(hù)盾與圍巖擴挖間隙半徑超50mm，可在一定程度上為圍巖卡機變形提供緩沖空間。

3)煤礦TBM掘進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合具體生產(chǎn)地質(zhì)條件，進(jìn)行井下拆解運輸系統(tǒng)的適應(yīng)性設(shè)計，拆解運輸硐室適應(yīng)性設(shè)計應(yīng)滿足最大起吊高度，尺寸應(yīng)滿足大尺寸部件轉(zhuǎn)身等需求，最終確定組裝硐室尺寸為長×寬×高=38m×8.5m×12.6m。