用煤礦TBM掘進硬巖巷道圍巖支護方案探究

摘要：近年來，隨著國家經濟的飛速發(fā)展，我國的公路交通、城市軌道以及水利隧道等方面的也得到了突飛猛進的發(fā)展，而在這個過程中全斷面巖石掘進機得到了廣泛的應用。但是我國煤礦所處的地質條件以及煤礦巷道條件十分復雜繁瑣，而TBM在此方面的應用以及案例相對較少，基于此，本文針對用煤礦TBM掘進硬巖巷道圍巖支護方案展開探究。

關鍵詞：TBM;圍巖穩(wěn)定性;支護方案

前言：自改革開放以來，我國煤礦礦井的建設技術及水平都得到了較為理想的發(fā)展。但是大部分的巖巷巷道方面的施工工藝都十分落后，以鉆爆法展開施工，這樣的方法不僅工藝落后，其質量也非常低，加上爆炸物的安全性價低，操作難度非常大，巖巷掘進技術也成為了限制煤礦建井的重要因素，就煤礦角度而言其安全事故的高發(fā)區(qū)域也逐漸轉移至巖層巷道的掘進工序當中，嚴重的影響了煤礦的生產。在這樣的環(huán)境洗TBM的出現和使用成為了煤礦巖層巷道施工的最新選擇，也妥善的解決了煤礦硬巖底層中巷道中所存在的各種問題，并且TBM的破壞性非常強，更加適合應用于硬巖巷道的圍巖支護當中。

一、TBM簡介

TBM的全稱為全斷面隧道掘進機。其類型分為兩種：一是敞開式隧道掘進機;二是廣義盾構機。該種機械設備的主要作用就是連續(xù)性的開展掘進、出渣、支護等工作，同時也是集機、電、液、光、氣等系統(tǒng)于一體的流水式隧道施工設備，其優(yōu)勢在于環(huán)保、效率高、效益高等，能夠很大程度上完成鉆爆法所無法完成的復雜隧道施工[1]。TBM在我國水電、鐵路、交通以及礦山等方面的應用越來越廣泛，加上其對設備的生命周期要求以及可靠性要求非常高，也被稱之為工程機械中的“掘進機之王”。

二、用煤礦TBM掘進硬巖巷道圍巖支護方案

（一）工程概況

本工程以山西某煤礦的8號礦區(qū)的南回風巷道建設為研究對象，該巷道的總設計長度共計3395米。其中有2983米的施工距離是選擇TBM來完成的，巷道的軸向界面呈現圓形斷面狀，其直徑為4.50m，斷面的面積為16.13m2，巷道的支護形式選擇的是錨索、錨桿以及鋼筋網等方式結合而成的，整個回風巷道的施工坡度僅為8°，具體的方位角是270°，埋深為525m，具體如圖2-1所示。

該巷道地層所處的主要層位的材質是石炭紀太原組砂巖層，而巷道圍巖的主要成分為細粉砂巖，其抗壓強度處于4.65-12.9Mpa之間，彈性范圍是2.35-46.75Gpa區(qū)間，TBM在開展連續(xù)性掘進的過程中其周邊圍巖巖體的力學性質是基本一致的。就整體角度而言，該巷道所處的位置鮮少有斷層或者裂隙的情況，其構造具備一定的完整性，圍巖的強度也非常高。

南回風巷道在施工過程中所選擇的立井煤礦全斷面掘進機重量為350噸，該掘進機的設計是以模塊化為主的。該設備在安裝過程中可以將其拆卸成為幾個主要模塊帶入井下進行組裝。當掘進機所有的模塊都達到礦井之后，需要經過井下運輸設備將其運送至始發(fā)硐室。以始發(fā)硐室作為掘進的出發(fā)點，來調試掘進機，要保證在施工期間該設備能夠維持正常的狀態(tài)當中。

TBM在施工過程中需要有一臺單軌吊以及一臺皮帶機來完成輔助運輸，單軌吊可以裝在物料，并將材料運輸至皮帶機中，利用皮帶機傳輸至TBM盾構機的接料臺中。在掘進期間所產生的所有渣石也會通過皮帶機運出巷道[2]。

在針對粉塵處展開掘進的過程中，首先需要預留一個封閉式的除塵系統(tǒng)。并讓盾構機與巖壁緊貼，從而形成一個相對密封的空間，將掘進施工與施工人員相分離。在進行破巖掘進時，設備的刀盤上會噴水的方式將粉塵與水相融合形成你面從而實現降低粉塵的目標，所產生的泥漿也會通過出渣系統(tǒng)排除巷道外。同時除塵風機也需要打開將空氣中的粉塵過濾掉。當掘進工序的循環(huán)完成后，會經由巷道的風筒箱內灌入空氣，并將其附近殘留的粉塵吹出去。

（二）支護方案的選型

在TBM掘進的過程中圍巖的應力場分布情況會隨之不斷的發(fā)生變化，而原本的三向應力逐漸被二向應力所取代。加上豎直方向所產生的應力導致巷道頂部的圍巖開始發(fā)生形變或者損傷，此時巷道的支護能夠在一定程度上為圍巖增加一個方向上的約束，彌補所失去的應力，并滿足巷道圍巖對于穩(wěn)定性方面所提出的要求，實現提高巷道安全性的目的。

在制定支護方案的過程中需要遵守“治頂先治幫、治幫先治底、肩角是關鍵”的基本原則，從而形成一套完整的“底部、兩幫、頂板”于一體的控制體系，而這一過程中的主要目的就是合理有效的控制巷道圍巖的變性情況，從而在提高巷道安全性的同時也降低其成本。現階段，選擇TBM施工的時候所選擇的支護方案主要有兩種：一是錨桿支護體系;二是管片支護體系。其中錨桿支護體系更多應用于硬巖地層的隧道當中，并且與錨索或則好錨噴支護相結合使用;而管片支護則在軟土層隧道當中使用更為廣泛一些，并且基本上都是以初次支護或者二次支護為主。

與該工程項目的實際情況相結合，通過科學合理的設計與計算來制定出最佳的南回風巷道圍巖支護方案，具體方案選擇以錨網索噴相結合方式完成支護工作。其中錨桿的規(guī)格應該處于 之間的該強度螺紋鋼材質的錨桿，其間距和排距分別為800mm和1000mm。錨桿的托盤為心拱形可調節(jié)的高強度托板。錨索的實際規(guī)格為 之間，每個錨索之間的距離為1000mm 1000mm，每一排需要放置三根錨索，而錨索需要設置在兩排錨桿的中間位置。錨索的托盤也是具備極高強度的可調節(jié)心拱形錨索托板，并配置了同樣強度的心球型墊片。金屬網的材質為6mm的圓鋼加工而成，其尺寸為1000mm 2000mm，網孔的大小為100 100mm，通過邊接的方式組成。另外，每個錨桿眼與錨索眼都需要使用1卷錨固劑進行加固[3]。

結論

總之，本文用煤礦TBM掘進硬巖巷道圍巖支護方案的探究可知，基于煤礦巷道內圍巖所處的地層力學特性的基礎上，進一步分析了TBM施工期間巷道圍巖所產生的一系列變化情況與規(guī)律，從而通過對施工現場的檢測來驗證巷道圍巖支護的有效性，針對TBM施工硬巖巷道對于圍巖穩(wěn)定造成的影響，從而為后續(xù)的圍巖支護方案設計提供充足的依據。

參考文獻：

[1]陸天嘉.立井煤礦TBM掘進巷道圍巖穩(wěn)定性數值計算[J].四川建材，2018，44（11）：110-111.

[2]唐彬，程樺，唐永志，等.深井煤礦TBM掘進巷道圍巖擾動特性監(jiān)測研究[J].煤礦安全，2018，049（002）：185-188.

[3]李剛，牛磊，李文龍.煤礦硬巖巷道快速掘進技術研究[J].煤炭科學技術，2018，46（11）：18-25.

作者簡介：侯學利（1983.3）男，漢族，職稱：助理工程師，學歷：大專。研究方向：機電工程。