復雜巖石地層盾構掘進效能影響因素分析

摘 要：盾構掘進在煤礦開采掘進過程中的應用非常廣泛，面對復雜的巖石地質情況重視盾構掘進效能的研究是非常必要的。文章介紹了復雜巖石地層盾構掘進現狀及面臨的問題，對復雜巖石地層盾構掘進效能影響因素做了簡單分析，希望對相關工作的實踐改進有一定幫助。

關鍵詞：復雜巖石地層；盾構掘進；施工；刀具管理

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）27-0168-02

隨著國內煤礦發展形勢的轉變，煤礦開采技術也面臨著新的挑戰，其中復雜巖層盾構掘進技術在煤礦開采過程中被應用的也越來越多。我國地質豐富且復雜，在煤礦開采掘進過程中經常要面臨地質條件復雜施工現場，目前，國內盾構掘進施工已經基本實現了機械化，TBM、盾構及頂管等掘進設備已經成為煤礦開采掘進常用的機械設備。機械化設備的應用大大提高了盾構掘進工程的施工效率，因此探究復雜巖石地層盾構掘進效能的影響因素對煤礦開采具有現實的指導意義。

1 復雜巖石地層盾構掘進現狀及面臨的問題

復雜巖石地層盾構掘進技術是煤礦開采掘進工作的重要技術之一，探究這一技術的效能及影響因素十分必要。

1.1 盾構掘進面臨的施工環境越來越復雜

盾構法掘進在隧道掘進過程中應用較多，但該技術主要適宜在單一的軟土、軟巖地層或砂層及其互層的地層中掘進。但在實際應用過程中施工的地質情況往往比較復雜。例如：軟硬不均、軟硬交互、巖石強度差異大等等是比較常見礦區地層的實際情況。復雜的巖石地質層對盾構掘進技術提出了更高要求。另一方面，盾構法大多應用于小范圍的掘進。但隨著煤礦規模的不斷擴大，煤炭資源的匱乏，煤礦掘進深度越來越深。現代社會盾構掘進技術施工的環境越來越復雜，對掘進的精度要求越來越高。

1.2 盾構掘進實現了全面機械化掘進

全面機械化掘進大大提高了盾構掘進的施工效率，是國內項目施工技術的一大發展。機械化程度越來高，如何有效使用掘進機械并保持機械的良好工作效率是盾構掘進技術應用的關鍵。從盾構技術應用的實現來看，機械損害嚴重是影響該技術發展的關鍵。掘進過程中機械刀具意外破壞和非正常磨損非常嚴重，同時其他輔助工作費用也有所增加。管片錯臺、管片姿態及成型隧道軸線難以控制等等都是盾構掘進過程中暴露的出的問題。不僅增加了掘進成本，還影響了煤礦開采的周期。盾構掘進機械是通過刀盤旋轉，利用刀具切割巖石或土體工作的。掘進機械的刀盤、刀具的切割效能是評價掘進效率的重要因素。包括刀盤每轉的切入深度及掘進速率。如何提高掘進機械的掘進效率是當前技術公關的主要方向。

1.3 安全事故是掘進工作面臨的技術難題

從掘進機械的工作原理來看，機械刀盤工作時通過推力將刀盤切入巖石，隨著刀盤的旋轉盤形滾刀繞刀盤中心軸公轉，在刀盤的推力、扭矩共同作用下，對煤層產生擠壓、剪切、拉裂等綜合作用，形成煤塊碎片，達到掘進目的。對掘進機械工作原理的理解可以更好地分析影響盾構切深和掘進效率的主要因素。結合相關的理論研究成果，地質條件、機械參數及操作特性等被視為影響盾構掘進機械效率的主要因素。其中地質條件對掘進效率的影響占主要。受復雜地質條件的影響，地下水壓力等綜合因素的影響，在煤礦開采掘進過程中極易發生坍塌等安全事故。機械參數和操作特性等因素的影響處于其次。復雜地質條件下如何安全開展煤炭開采生產，是煤礦開采技術發展難點和重點。

2 復雜巖石地層盾構掘進效能影響因素分析

盾構掘進技術在現代社會生產活動中扮演著重要角色，復雜巖石地層對盾構掘進效能影響較大，也正是這個原因相關課題的研究備受關注，所以分析復雜巖石地層盾構掘進效能影響因素的是非常必要的。

2.1 煤層的點荷載強度對掘進效能的影響

煤層的點荷載強度對盾構掘進效能影響非常明確。煤層受其煤質質量的影響，煤層的硬度和松軟度有一定的區別。以對煤層點荷載強度和掘進的速率建立數學函數分析模型為例，研究結果表明：切深和掘進速率均隨煤層強度的增大而降低，而且呈冪函數曲線關系。在該項目的研究過程中煤層點荷載強度對掘進效率的影響是顯著的。受煤層點荷載強度的影響，在盾構掘進實踐中要特別注意對煤層點荷載強度的分析研究。對開采區域的煤層強度和硬度過高時對煤炭開采的產量要做相應的調整。另一方面，煤層點荷載強度過高時，對掘進機械刀盤刀片的影響也較大。因此，在應用實踐中要及時檢查機械刀盤及刀片的磨損情況，磨損嚴重的刀盤要及時跟換。

2.2 煤層土倉壓力對掘進效能的影響

所謂盾構土倉壓力是用于維持刀盤前方的圍巖穩定的推力。合適的土倉壓力能有效避免土體坍塌或地下水流失的問題，是維持土體穩定的關鍵。在煤炭開采過程中如果不能很好地控制土倉壓將直接影響周邊的地質情況，造成周邊坍塌的生產安全事故。另一方面，土倉壓對掘進機械的扭矩、推力有一定影響，當提高掘進速度時為減少土體對刀具的磨損，通常采用降低土倉壓力技術處理來控制掘進成本。土倉壓力的大小的控制是盾構掘進技術的難點。在煤礦掘進方案制定時，需要對礦區區域各方面的因素綜合考慮以定出合理的土倉壓力值。實踐中地層土壓力、地下水壓力、預備壓力等都是計算合理土倉壓需要參考的數據。在掘進過程中，螺旋輸送機的出煤量對土倉壓有一定影響，在掘進過程中需要嚴格控制，間接地對掘進機螺旋機的轉速進行實時調節實現穩定和平衡土倉壓。通常對于硬質煤層地層，上部土倉壓在0.02～0.06 MPa，下層土倉壓在0.08～0.12 MPa，螺旋機轉速控制在6～12 r/min；軟硬不均的煤層地層，上部土倉壓在0.15～0.22 MPa，下層土倉壓在0.25～0.32 MPa，螺旋機轉速控制在3～8 r/min。

2.3 刀具管理對掘進效能的影響

刀具的工作狀態直接影響盾構的掘進效能，因此重視刀具管理是非常重要的。掘進過程中定期開倉檢查、更換刀具是刀具管理的重要工作。刀具管理對掘進效能影響明顯。硬質地質條件下，刀具在掘進過程中受到沖擊加大，容易磨損。因此硬質地質條件下每掘進2～3環就必須開倉檢查刀具磨損情況及刀具螺栓松動情況。通常將邊緣滾刀及邊緣刮刀最大磨損允許值規定為15 mm，超出15 mm的要需要更換。軟硬不均的地質條件下，更換刀的工作相對具較為困難，通常采用對掌子面地層進行輔助加固方式固定刀具。通過多年的實踐經驗發現施工過程中采用全敞開或半敞開的模式掘進，有利于刀具管理。操作過程中根據機械推進力、推進速度和刀盤扭矩變化等的判斷刀具是否需要做調整。例如：掘進速度明顯降低、或盾構推力明顯增大時，開倉檢查刀具是非常必要的。檢查的內容包括：否出現松動、泄漏、卡滯、是否發生偏磨等。隨著技術發展，一些掘進機械已經發展了在刀具上安裝液壓傳感系統裝置。安裝該裝置后刀具磨損到一定程度就會自動報警指示，這樣就大大提高刀具管理的效率。除了觀察掘進速度、盾構推力綜外，對機械的掘進參數、巖碴形狀、溫度、刀盤振動等指標的觀察對判斷刀具的狀態也是非常有用的。

3 結 語

復雜巖石地質層盾構掘進效能的改善對當前煤炭掘進開采水平的提高有著重要意義。在實現盾構掘進全面機械化操作的基礎上，提高機械掘進效能能有效控制掘進成本，實現煤炭開采掘進的科學管理。地質條件、機械參數及操作特性是影響盾構掘進效能的主要因素。復雜礦區地質層盾構掘進效能的控制也是適應社會發展需要的重要技術創新，通過該技術的推廣將大大提高煤礦盾構掘進的開采效率。

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