煤礦深部地層TBM組裝硐室支護優(yōu)化設計

胡陽　毛安　徐彬　王洪濤　李天國　劉震宇　張風林　唐彬

摘? 要：為保證全斷面掘進機（TBM）組裝硐室安全高效施工，通過理論計算以及施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)分析，對TBM組裝硐室支護方案進行優(yōu)化，理論計算了煤礦TBM組裝硐室支護參數(shù)，優(yōu)化支護方案。分析了組裝硐室易破壞部位并結合實例給出了相應的解決方案，總結了TBM組裝硐室圍巖穩(wěn)定性控制策略，為以后煤礦深部地層TBM組裝硐室支護工程實踐提供參考依據(jù)。

關鍵詞：煤礦 TBM 組裝硐室 支護優(yōu)化

Optimal Design of TBM Assembly Chamber Support in the Deep Strata of Coal Mines

HU Yang MAO An XU Bin WANG Hongtao LI Tianguo LIU Zhenyu ZHANG Fenglin TANG Bin

1. Huainan Mining （Group） Co.， Ltd.; 2.School of Civil Engineering and Architecture， Anhui University of Science and Technology; 3.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mine， Anhui University of Science and Technology， Huainan， Anhui Province， 232001 China）

Abstract： In order to ensure the safe and efficient construction of the TBM assembly chamber， through theoretical calculations and the data analysis of the construction site， the supporting scheme of the TBM assembly chamber is optimized， and the supporting parameters of the TBM assembly chamber of the coal mine are calculated theoretically to optimize the supporting scheme. The vulnerable parts of the assembly chamber are analyzed， the corresponding solutions are given in combination with examples， and the control strategy for the stability of the surrounding rock of the TBM assembly chamber is summarized， which provides a reference for the practice of the support engineering of the TBM assembly chamber in the deep strata of coal mines in the future.

Key Words： Coal mine; TBM; Assembly chamber; Support optimization

隨著我國煤礦礦井開挖及建設技術的快速發(fā)展，為解決不同地層和圍巖狀況的開挖難題，針對煤礦深部的巷道施工，國內開始采用全斷面隧道掘進機（Full-section Tunnel Boring Machine，TBM）進行深部地層煤礦巷道開挖和建設。TBM施工技術相對于傳統(tǒng)的鉆爆法不僅有著較高的掘進速率并且安全性和經(jīng)濟性高，已廣泛運用于隧道開挖以及各類工程項目^[1]。

隨著TBM在煤礦深層開挖中使用，對于深部組裝硐室也提出了新的要求，TBM組裝硐室多為臨時結構，材料一般不選取混凝土因其凝結周期長且造價高。其次由于TBM具有較大的尺寸與自重，所以支護要有效的控制圍巖的破壞與變形因此組裝硐室的支護問題是保障TBM工程按時按量且安全工作的重要保障，合理的支護方式可以更有效的保障工程質量。為了解決組裝硐室出現(xiàn)的頂板破碎和巷道大變形問題，著重于頂板的支護和底板的硬化，這是支護的重難點，合理的支護方案既可以做到安全施工也可以節(jié)約成本^[2]。

對于上述情況，本文以張集礦TBM組裝硐室作為工程實例背景，結合現(xiàn)場檢測和理論計算的手段，通過分析計算結果和現(xiàn)場圍巖和應力場的變化特性，驗證支護設計的合理性，給后期TBM組裝硐室的支護提供理論計算基礎和優(yōu)化參考依據(jù)。

1 工程背景?????????

TBM組裝硐室埋深-820 m，組裝硐室揭露以砂質泥巖為主要巖性，泥巖和砂泥巖互層。組裝硐室寬8 m，高9 m，長20 m?，F(xiàn)場采用爆破掘進的方式進行施工，基于組裝硐室的截面積大，難以一次性完成成形工作，因此將施工分為拱頂，幫部和底部三層開挖。支護手段主要采用錨網(wǎng)噴并加以錨索加強支護。

2 組裝硐室支護方案

采用φ22×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿和φ22×8 300 mm鋼絞線錨索作為主要支護結構?；谙飵退轿灰戚^大應力小，頂?shù)装遑Q向位移小應力大的特征，頂板和幫部噴射C20混凝土，厚度為100 mm。底板澆筑C40混凝土地坪，厚度為400 mm。錨桿錨索參數(shù)如表1所示。

3 TBM組裝硐室支護參數(shù)計算

組裝硐室處于以泥巖為主的地段，不考慮分層。在施工現(xiàn)場對巖石進行取樣，并在室內進行力學實驗，取得巖石相關的基礎力學參數(shù)。通過在深部圍巖中錨固錨索，用來調動深部圍巖強度，以達到對錨桿錨固的巖體起到懸吊和保護的作用。巖石力學參數(shù)如表2所示。

3.1 錨桿長度計算

3.2 錨桿錨固力

3.3 錨桿的直徑

3.4 錨索長度

3.5 錨索間排距的確定

3.6 錨索的錨固力

3.7 永久支護參數(shù)設計

錨桿支護參數(shù)設計。支護參數(shù)設計原則，就是將錨桿約束作用合理分配，這樣既能保證支護的效果，也可以為加快成巷速度創(chuàng)造條件，因此需要分析圍巖的完整性、錨桿作用等。

3.7.1 按懸吊理論計算錨桿參數(shù)

3.7.2 按組合拱理論計算錨桿參數(shù)

3.8 錨索支護參數(shù)設計

最小錨固長度：樹脂錨固應大于1.5 m，使用3支 MSK（中）2850型樹脂藥卷，錨固長度1.5 m，符合要求。

錨索長度：巷道為全巖施工，使用錨索長度為6.3 m。

錨索間排距：S≤L/2（L為錨索孔長度，單位m；S為錨索間排距，單位m）?，F(xiàn)場錨索孔最低6 m，S≤3 m，實際錨索排距2 m，符合要求。

錨索錨固力：預應力錨索單根設計錨固力應大于200 kN，符合要求。通過理論計算，結合以往大型硐室施工經(jīng)驗和現(xiàn)場工程地質條件，確定組裝硐室支護參數(shù)。采用φ22×2 200 mm錨桿，間排距900 mm×900 mm。采用φ17.8×6 300 mm錨索，間排距1 800 mm×1 800 mm。支護設計如圖2所示。

4 煤礦深埋大型TBM組裝硐室支護策略

4.1 控制片幫

由于在巷道掘進過程中會導致圍巖應力對的重分布，在巷幫一圈會出現(xiàn)應力下降的現(xiàn)象，且會在深部出現(xiàn)高應力集中現(xiàn)象。隨著開采的進行巷幫周圍會出現(xiàn)塑性區(qū)域，此區(qū)域會有裂縫發(fā)育，且水平應力會由于開挖所形成的自由面而降低為零。相當于僅存在壓應力，進而在巷幫深處出現(xiàn)應力集中區(qū)。在此應力條件作用下，會有翼型張裂紋發(fā)生在先前存在的裂紋尖端，這些裂紋到自由面的距離通常很短，基本平行于壓應力方向^[3-5]。在外力作用下，微裂紋加寬并導致裂紋合并，最終形成大裂紋，煤壁沿自由面形成薄殼，會進一步加劇煤壁裂隙發(fā)育及片幫的風險?？梢圆捎美L制片幫素描圖來判斷片幫的主要類型，從而得到其受力模型，進一步確定易發(fā)生問題的位置，采取針對性的預防措施^[6]。

巷道兩幫應力影響區(qū)隨巷幫高度增大而增大，相應應力集中系數(shù)較高，如果應力很高，巷道周邊附近應力就會超過巖體承載能力而產(chǎn)生破裂片幫。同時，由于一次成巷斷面大，支護不及時容易造成幫部松動，尚未開始支護就片幫。改進巷道施工程序，分上下兩段進行大斷面盾構巷道斷面成形施工，先沿巷道頂板進行掘進，清除殘余部分，對幫部進行掛網(wǎng)打錨桿加固再開始進行下部開挖，即采用錯層法施工，直至開挖完成達到設計規(guī)范，再繼續(xù)進行幫部補強，這樣的施工方式可以解決巷道形成過程中過早支護的問題，同時盡可能地保留巷幫自身的承載能力。采用臺階式掘進時，巷道幫部區(qū)域會受到較大水平力的影響，此時采用錨桿支護的方式對幫部進行及時的加固。在巷道水平應力持續(xù)增加的過程中，其水平應力和垂直應力逐漸持平，幫部的自我承載力得到增強，使得圍巖的穩(wěn)定性得到很大程度的提升^[7]。

4.2 控制頂板

在硐室裝卸的過程中，基于對硐室整體性的考慮，其中作為承重主體結構的頂板采用共同支撐，提高支護安全系數(shù)的同時，需根據(jù)施工現(xiàn)場后期的作業(yè)情況，在相應的位置增設一定量的支護，可在頂板或肩窩上增設錨索，以達到預期的支護效果，從而強化頂板的支護，提高支護的可靠程度。也可采用長短錨桿為主導的多層支護技術，與現(xiàn)場施工相結合，選取合適的支護方式，從而確保硐室安全^[8]。

組裝硐室任意位置的圍巖失穩(wěn)都可能導致硐室整體發(fā)生失穩(wěn)，三處頂板臺階作為煤礦安全生產(chǎn)中的一個關鍵組成部分，需要作為重點防范對象處理。在三個臺階處發(fā)生的變形最為嚴重，最大變形量的臺階是沿著巷道延伸方向發(fā)展的，預計影響這三個臺階垮落的不是因為垂直變形，而是因為水平變形的擴容導致遺留臺階的墜落，因此，需要對三處臺階進行處理，處理方式可以通過掘進方式解決，也可已通過爆破方式解決^[9]。

4.3 預防底鼓

隨著采深增加、巷道圍巖應力增大，在淺部表現(xiàn)為較硬的煤巖層，到深部后表現(xiàn)為軟巖特征，巷道變形量大、易于底鼓，受采動支承壓力作用后，巷道強烈底鼓，維護困難。然而，影響巷道底鼓的因素很多，而且底鼓也具有時效性^[10]。結合圍巖力學環(huán)境分析主要有：工作面采動應力、圍巖性質、支護強度、水理作用等。巷道底板巖層不同深度位移方向和量級存在差異。巷道底部附近巖層的位移矢量指向巷道方向，而下方巖層的位移矢量指向更深處的地方，因此也可以得到位移矢量方向的變化。地下一定深度的巖層的一點或表面的位移為0或最小值。巖層處于零位移點向上的位置會受到拉應力的作用并向上隆起，巖層處于零位移點向下的位置會受到壓應力作用并發(fā)生沉陷。由于拉應力的作用在零位移點上方的巖層會發(fā)生破壞，但下方的巖層不易被破壞，因此當巷道發(fā)生底鼓時，只有巷道較淺的巖層向上隆起，深層巖層下。所以，最有效的加固法控制底鼓，就要增加零位移點之上底板巖層的剛度，采取加強支護，改變圍巖物理性質等治理方案并結合實際施工進行優(yōu)化，從而取得良好的控制效果^[11-14]。

5 結論

隨著煤礦TBM掘進的應用，為應對深部地層復雜條件，對TBM組裝硐室支護的安全性和高效性提出了更高的要求。針對不同的地層和圍巖情況采用合理的支護方案，對各種支護方案結合現(xiàn)場以及數(shù)值模擬的結果進行相應的優(yōu)化以達到更安全且高效的目的。在綜合考慮TBM組裝硐室施工效率和圍巖支護效果，可采用“循環(huán)臥底”正臺階法進行施工，在確保施工安全的同時可以進行支護等工藝，提高施工效率。對于組裝硐室大斷面和始發(fā)過程中施加的大荷載，提出了“兩防一控”即“控制片幫、控制頂板和預防底鼓”的圍巖控制方法和支護體系。

通過對TBM組裝硐室施工的檢測結果可知，在開挖之后會出現(xiàn)徑向應力松弛和切向應力集中的現(xiàn)象，導致硐室局部出現(xiàn)應力集中區(qū)。垂直應力對巷幫的變形破壞占主導作用，一是由劈裂形式導致的張開變形；二是垂直應力在巷幫缺少圍壓的情況下所引起的節(jié)理發(fā)育部位巖塊剪切破壞。

綜合分析TBM組裝硐室圍壓支護效果以及硐室支護的施工效率，選用正臺階法進行施工，該工法在確保施工安全的同時，也同步進行了掘進支護等工藝進而提高施工效率。

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