某礦復(fù)雜地層硬巖巷道TBM同步探掘技術(shù)研究與實(shí)踐

張 欽 蘇金華 慎宏然 胡志飛 徐曉東 李 浩 李鵬權(quán) 趙春陽(yáng) 崔宗類(lèi)

（永城煤電控股集團(tuán)登封煤業(yè)有限公司）

近年來(lái)，隨著淺埋深的可開(kāi)采煤炭資源不斷減少，煤炭開(kāi)采逐步轉(zhuǎn)向深部開(kāi)采。然而，深部煤層普遍處于高應(yīng)力狀態(tài)，且深部巖巷普遍地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道施工需要穿過(guò)高應(yīng)力巖層，巖石硬度超過(guò)12 MPa［1-2］。煤礦現(xiàn)有巖巷施工工藝為人工打眼爆破作業(yè)施工，使用挖斗式裝巖機(jī)配合皮帶出矸，工效低；同時(shí)巖巷綜掘機(jī)僅能在巖石硬度系數(shù)8 以下時(shí)實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，無(wú)法適用高硬巖地質(zhì)條件，因此礦井急需引進(jìn)巖巷快速掘進(jìn)設(shè)備，加快開(kāi)拓大巷及底抽巷施工，滿(mǎn)足礦井接替需要［3］。TBM工法具有智能化程度高、巷道斷面成型好、掘進(jìn)速度快，可實(shí)現(xiàn)硬巖巷道快速掘進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各個(gè)領(lǐng)域的長(zhǎng)距離、大埋深、近水平地下隧道（巷道）施工，技術(shù)成熟，經(jīng)驗(yàn)豐富［4］。但運(yùn)用TBM 施工技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)距離、大埋深、突出礦井硬巖巷道掘進(jìn)，是煤礦建設(shè)領(lǐng)域一個(gè)新課題，其綜合性強(qiáng)、技術(shù)復(fù)雜、施工難點(diǎn)多，尤其是深部礦井復(fù)雜地質(zhì)條件，嚴(yán)重制約了TBM 快速高效掘進(jìn)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮［5］。

礦井安全作業(yè)是煤礦生產(chǎn)的第一要?jiǎng)?wù)，在進(jìn)行TBM 掘進(jìn)施工時(shí)，必須做到有疑必探，先探后掘，先治后掘。然而，現(xiàn)階段受到深部礦井瓦斯突出、地質(zhì)條件復(fù)雜、采動(dòng)頻發(fā)、易誤揭煤層等施工特點(diǎn)及TBM施工工法的特殊性制約，礦井超前探測(cè)技術(shù)進(jìn)展與TBM 快速掘進(jìn)施工速度不匹配，技術(shù)發(fā)展較為緩慢［6］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，造成超前探測(cè)技術(shù)發(fā)展緩慢的主要制約因素如下［7-8］：一是TBM施工采用全斷面施工，其設(shè)備本身占據(jù)掘進(jìn)斷面大部分作業(yè)空間，無(wú)法在隧道斷面周邊布置超前探測(cè)測(cè)線(xiàn)及其接收發(fā)信號(hào)裝置，且超前探測(cè)可測(cè)量空間范圍較小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離巷道地質(zhì)場(chǎng)的有效測(cè)量，在鉆爆法中常用的TSP、TRT、TST等超前探測(cè)方法無(wú)法直接用于TBM 硬巖巷道施工中。二是采用TBM施工導(dǎo)致巷道物理環(huán)境復(fù)雜，TBM本身引發(fā)探測(cè)信號(hào)干擾及信號(hào)響應(yīng)異常，因此在鉆爆法施工中，可用的地質(zhì)雷達(dá)和瞬變電磁超前探測(cè)方法不適用于TBM 硬巖巷道施工，制約了TBM快速掘進(jìn)的優(yōu)勢(shì)［9-11］。因此，開(kāi)展硬巖巷道TBM同步探掘一體化技術(shù)研究，解決現(xiàn)有超前探測(cè)不適用于TBM硬巖巷道施工問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)礦井高效開(kāi)采亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，也是實(shí)現(xiàn)深部煤炭智能化發(fā)展的重要組成部分。

本研究提出了TBM 同步探掘技術(shù)與工藝，采用斜巷定向鉆機(jī)超前探測(cè)+TBM 機(jī)載鉆機(jī)同步探測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了TBM 不停機(jī)作業(yè)，極大提高了硬巖巷道施工效率和超前探測(cè)的精確性，有效避免了施工過(guò)程中發(fā)生誤揭煤層、瓦斯突發(fā)等問(wèn)題的可能性。

1 同步探掘原理

為解決普通坑道鉆機(jī)在TBM 掘進(jìn)迎頭不能正常進(jìn)行地質(zhì)超前探查，TBM 配套超前探測(cè)無(wú)法長(zhǎng)距離鉆探的問(wèn)題，提出了同步探掘作業(yè)方法。

如圖1所示，TBM 掘進(jìn)作業(yè)巷道為新開(kāi)挖硬巖巷道，采用TBM 機(jī)載超前鉆機(jī)短距離超前探測(cè)和已有巷道自適應(yīng)定向鉆機(jī)長(zhǎng)距離超前探測(cè)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)TBM 探掘同步作業(yè)，改變傳統(tǒng)的突出礦井地質(zhì)超前探測(cè)施工模式，運(yùn)用定向鉆機(jī)施工技術(shù)進(jìn)行負(fù)角度、大傾角、高垂深鉆孔施工，極大地提高了井下地質(zhì)超前探施工效率，為T(mén)BM 全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)快速掘進(jìn)提供了地質(zhì)保障。

2 長(zhǎng)距離超前探測(cè)技術(shù)

定向鉆機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦井下瓦斯抽（排）放、探放水、注漿防滅火、煤層注水、防突卸壓、地質(zhì)勘探等各類(lèi)定向鉆孔施工中。為探明巷道前方煤層及構(gòu)造賦存情況，實(shí)現(xiàn)同步探掘，確保巷道安全掘進(jìn)，采用定向鉆機(jī)作為長(zhǎng)距離超前探測(cè)，首先探明掘進(jìn)前方100 m 內(nèi)地質(zhì)特征，避免誤揭煤層、突水區(qū)等地層出現(xiàn)，根據(jù)長(zhǎng)距離超前探測(cè)結(jié)果，實(shí)時(shí)調(diào)整TBM整機(jī)掘進(jìn)方向，如圖2所示。

3 短距離超前探測(cè)技術(shù)

短距離超前探測(cè)采用TBM 機(jī)載定向鉆機(jī)及隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，充分利用機(jī)載定向鉆機(jī)測(cè)量、導(dǎo)向、鉆進(jìn)一體功能，主要用于探明前方20 m 內(nèi)地質(zhì)特征，實(shí)時(shí)調(diào)整TBM掘進(jìn)參數(shù)，其探測(cè)原理如圖3所示。

采用整體式結(jié)構(gòu)，主要由鉆機(jī)主機(jī)、通纜定向鉆桿（選配）、凹槽螺旋定向鉆桿（選配）、孔底馬達(dá)、有線(xiàn)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、鉆頭等組成。TBM 機(jī)載定向鉆機(jī)及隨鉆測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示。

4 工程實(shí)踐

4.1 工程概況

以永登煤業(yè)豐陽(yáng)煤礦作為實(shí)踐礦井，豐陽(yáng)煤礦主采二1煤層，煤層平均傾角32.5°，煤層平均厚度4.24 m，煤層具有突出危險(xiǎn)性，-16 m 西瓦斯探巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 500 m，采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的TBM 全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工，-16 m 西瓦斯探巷設(shè)計(jì)在煤層底板中，距煤層法線(xiàn)距離12～25 m，若不探明巷道前方煤層及構(gòu)造賦存情況，在掘進(jìn)過(guò)程中遇見(jiàn)構(gòu)造會(huì)出現(xiàn)誤揭煤層發(fā)生突出事故。

4.2 同步超前探測(cè)施工工藝

在-16 m 水平運(yùn)輸西大巷定向鉆機(jī)鉆場(chǎng)施工定向鉆孔9 個(gè)，控制巷道兩側(cè)10～46 m 范圍?？咨顬?56～258 m，鉆孔在煤層底板以下2～8 m 的細(xì)粒砂巖中，并每隔30～70 m 左右孔深開(kāi)1 個(gè)分支孔，分支孔進(jìn)入二1煤層至少3 m 以上為止，其同步探掘定向鉆孔平面圖如圖5所示。

鉆孔采用二開(kāi)式孔身結(jié)構(gòu)，下一層套管，主要目的為封固孔口裂隙地層，滿(mǎn)足鉆孔施工要求，具體鉆孔開(kāi)孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6和表1。

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根據(jù)定向鉆機(jī)的型號(hào)，結(jié)合定向鉆桿的結(jié)構(gòu)特征、定向鉆孔工藝的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)將鉆場(chǎng)布置在煤層底板以下穩(wěn)定的L7灰?guī)r中?？紤]到施工鉆孔數(shù)量和裝備大小，鉆場(chǎng)尺寸設(shè)計(jì)為沿開(kāi)孔方向?qū)挾? m，深度3 m，高度3 m。同時(shí)對(duì)鉆場(chǎng)進(jìn)行地面硬化、錨網(wǎng)噴支護(hù)，其中地面硬化100 mm。根據(jù)鉆孔數(shù)量在鉆機(jī)前后4個(gè)對(duì)角方向，在底板上打錨桿，每個(gè)方向打錨桿2根，單根錨桿抗拉強(qiáng)度不小于10 t，用于穩(wěn)固鉆機(jī)。所布置定向鉆機(jī)鉆場(chǎng)施工鉆孔參數(shù)如表2所示。

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4.3 長(zhǎng)距離超前探測(cè)結(jié)果分析

依據(jù)鉆機(jī)鉆場(chǎng)施工孔位及參數(shù)，進(jìn)行定向鉆孔超前探測(cè)，其鉆孔實(shí)鉆剖面圖如圖7～圖15 所示?？梢钥闯觯锏朗┕て陂g主要揭露地層為L(zhǎng)7灰?guī)r中，上距二1煤層約19 m 左右。二1煤層平均厚度為4.8 m，黑色粉末狀，偶含塊狀，煤巖成份以暗煤為主，亮煤次之，及少許鏡煤條帶，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般不含夾矸。二1煤層底板以細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、灰?guī)r為主。

4.4 短距離超前探測(cè)結(jié)果分析

采用TBM 機(jī)載超前探測(cè)鉆機(jī)進(jìn)行短距離超前探測(cè)，其探測(cè)結(jié)果如圖16所示。

從圖16 中可以看出，采用TBM 機(jī)載超前探測(cè)鉆機(jī)進(jìn)行鉆探作業(yè)時(shí)，硬巖巷道掘進(jìn)巖層主要為L(zhǎng)7灰?guī)r中，L7灰?guī)r較穩(wěn)定，含燧石結(jié)核及黃鐵礦結(jié)核，平均厚度7.35 m，與長(zhǎng)距離超前探測(cè)結(jié)果相一致，證明了采用定向鉆機(jī)超前探測(cè)+TBM 機(jī)載鉆機(jī)同步探測(cè)方法的可行性。

5 結(jié) 論

（1）提出一種TBM 同步探掘技術(shù)與工藝，采用斜巷定向鉆機(jī)超前探測(cè)+TBM 機(jī)載鉆機(jī)同步探測(cè)方法，經(jīng)過(guò)同步探掘原理分析和工程實(shí)踐驗(yàn)證。

（2）長(zhǎng)距離超前探測(cè)技術(shù)可有效探明掘進(jìn)前方100 m 內(nèi)地質(zhì)特征，避免誤揭煤層、突水區(qū)等地層出現(xiàn)，采用機(jī)載鉆機(jī)作為短距離超前探測(cè)，可探明前方20 m 內(nèi)地質(zhì)特征，實(shí)時(shí)調(diào)整TBM 掘進(jìn)參數(shù)，為硬巖巷道TBM高效掘進(jìn)提供了新的技術(shù)手段。