煤礦用盾構機（TBM）過斷層的應對方法

陳 彬，昝志華

（晉能控股煤業集團有限公司宏泰公司，山西 大同037001）

0 引言

近年來，隨著我國科學技術的快速發展，工程機械新技術、新產品不斷涌現，尤其是盾構機成為了新一代先進工程機械的代表。鑒于其較煤礦傳統掘進工藝具有更加安全、穩定、智能和高效等諸多優點，因此受到了越來越多煤炭企業的青睞，一些現代化大型煤礦已經將盾構機應用到了井下施工當中，并創造了很好的效益。但由于煤礦井下地質條件極其復雜，巷道掘進過程中通常都會遇到一些斷層造成圍巖破碎，給采用盾構機施工的巷道造成很大影響，例如我單位使用的“振興一號”煤礦用全斷面TBM掘進機（盾構機）就在巷道掘進過程中多次揭露斷層，導致施工非常被動，主要有以下影響：

1）容易發生人身傷害事故。

2）在此期間如果采取措施不夠及時、得當，很有可能會對設備造成致命損傷而發生設備安全事故，導致盾構機長時間無法掘進，后果不堪設想。

3）圍巖破碎塌落，正規循環作業時間大幅增加，對巷道工期影響巨大。

4）大幅增加成本。因此，我們通過深入研究積累了一些好的經驗方法并總結創新，然后針對性的制定應對措施并應用到現場，最終取得了很好的效果，可以有效解決上述問題。

1 設備介紹

1.1 盾構機概況

“振興一號”是由晉能控股煤業集團引進，遼寧三三工業公司生產，并交由集團下屬宏泰公司負責施工的第一臺煤礦用全斷面TBM掘進機（盾構機）。該設備是根據煤礦井下施工環境和工藝要求而專門設計，采用模塊化結構組裝，主要由刀盤、護盾、支護平臺及后配套臺車四部分構成。

1.2 主要參數

設備開挖直徑5.8 m，總長65 m，整機重量480t，最大爬坡能力±5°，最小轉彎半徑70 m，主驅動功率2 100 kW，整機總裝備功率2 400 kW,整機最大總推力13 000 kN，最大推進速度80 mm/min。

1.3 工作原理

其工作原理是通過前盾10根、尾盾22根頂幫護盾油缸撐緊圍巖，利用全斷面刀盤旋轉一次性破巖成巷，是集掘進、排矸、支護、通風、導向、超前鉆探技術于一體的先進掘進設備，實現了掘進、支護、排渣等工序平行作業。

圖1 “振興一號”煤礦用全斷面TBM掘進機（盾構機）在地面完成組裝調試

2 工程介紹

2.1 巷道概況

“振興一號”煤礦用全斷面TBM掘進機（盾構機）施工巷道名稱為大同王村煤業公司山4號層西盤區回風巷，設計長度2 505 m，全巖，φ5 800 mm的圓形斷面，主要用于盤區回風。山4號煤厚2.70～4.10/3.29 m，傾角1°～3°/2°，直接頂泥巖,厚0.96～2.07m,老頂中砂巖、局部為砂質泥巖,厚1.43～15.75 m，巷道沿山4號煤層頂以上6～12 m巖層掘進,預計揭露的巖層為砂巖和砂質泥巖，普氏系數f＝5。井下位于西盤區輔運巷（已掘1 479 m）以南，兩巷間凈煤柱40 m，南側為實煤區，對應地表無建筑物、村莊、鐵道等。

2.2 水文地質

巷道充水來源主要是頂底板的砂巖含水層，頂板砂巖含水層厚15～20 m，底板K3砂巖含水層厚11～19 m，裂隙不發育，補給條件差，富水性極弱，對掘進無大的影響。巷道上覆侏羅系煤層不存在采空積水，底板距奧灰水頂界面有效隔水層厚117 m，為帶壓開采安全區，突水危險性小。

2.3 瓦斯情況

開采煤層瓦斯絕對涌出量0.88 m3/min，相對涌出量0.35～2.58 m3/t，掘進過程瓦斯涌出量較小。

圖2 西盤區回風巷平面布置圖

掘進過程中在里程825、840m、1 131、1 195、1 296、1 448、1 487m處已分別揭露H=2.5m∠80°、H=2.6m∠67°、H=0.8m∠81°、H=0.5m∠78°、H=0.5m∠75°、H=0.5m∠82°、H=3.4m∠85°的正斷層。

2.4 支護設計

巷道設計圓形斷面Ф5.8 m，掘進斷面26.42 m2，采用錨桿、錨索和網噴聯合支護，噴漿厚度100 mm。支護采用φ22 mm×2 400 mm、MG400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，以巷道中心線對稱布置，間排距=1 200 mm×1 000 mm，每排7根，配W型鋼護板（450 mm×280 mm×3 mm）和蝶形托盤（150 mm×150 mm×10 mm），掛φ4 mm菱形金屬網。采用2支樹脂藥卷，MSK2330和MSZ2360。掘進過程中在盾構機后方利用矸石回填，鋪底厚度為600 mm。

圖3 西盤區回風巷斷面支護圖

圖4 盾構機支護系統

3 盾構機過斷層方案

3.1 前期準備

以盾構機掘進至里程840 m處揭露H=2.6 m∠67°的正斷層為例，為了保證盾構機安全、順利過斷層，我們提前收集了相關地質資料并多次到相鄰的西盤區輔運巷進行了現場勘察，組織相關人員召開了專題會，對斷層可能造成的影響進行了詳細分析并制定了應對措施，同時在井下現場備足相關應急加強支護材料等。

圖5 斷層位置示意圖

圖6 斷層剖面示意圖

3.2 支護方案

3.2.1 原支護方案

頂錨桿：選用φ22 mm×2 400 mm的MG400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護，每排7根錨桿，以巷道中心線對稱布置，間排距=1 200 mm×1 000 mm，配套W型鋼護板（450 mm×280 mm×3 mm）和蝶形托盤（150 mm×150 mm×10 mm）。

金屬網：頂部掛絲徑為φ4 mm菱形金屬網，網孔50 mm×50 mm，搭接長度不小于200 mm，用雙股14號鉛絲不大于200 mm的間隔“三花”連接牢固，連網要求孔孔相連，雙絲雙扣，綁死扭結不少于3圈。

3.2.2 正常情況下過斷層加強支護方案

頂錨桿：選用φ22 mm×2 400 mm的MG400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護，每排9根錨桿，以巷道中心線對稱布置，間排距=900 mm×1 000 mm，配套W型鋼護板（450 mm×280 mm×3 mm）和蝶形托盤（150 mm×150 mm×10 mm）。

錨索：選用Φ17.8mm×6 300 mm的鋼鉸線，每排3根，間排距=1 500 mm×2 000 mm，配套中心孔為φ22 mm的11號礦用工字鋼梁L=600 mm和鋼墊片（130 mm×130 mm×10 mm）。

金屬網：不變。

3.2.3 破碎情況下過斷層加強支護方案

頂錨桿：選用φ22 mm×2 400 mm的MG400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護，每排13根錨桿，以巷道中心線對稱布置，間排距=600 mm×600 mm，配套W型鋼護板（450 mm×280 mm×3 mm）和蝶形托盤（150 mm×150 mm×10 mm）。

錨索：選用φ17.8 mm×6 300 mm的鋼鉸線，每排5根，間排距=1 000 mm×1 000 mm，其中拱頂兩側的2根沿掘進方向向前與頂板呈70°，配套中心孔為φ22 mm的11號礦用工字鋼梁L=600 mm和鋼墊片（130 mm×130 mm×10 mm）。

金屬網：雙層網，其它不變。

3.2.4 破碎嚴重情況下過斷層加強支護方案

頂錨桿全部替換為φ17.8 mm×6 300 mm的鋼鉸線，每排13根錨桿，以巷道中心線對稱布置，間排距=600 mm×600 mm，其中拱頂兩側的2根沿掘進方向向前與頂板呈70°，配套中心孔為φ22 mm的11號礦用工字鋼梁L=600 mm和鋼墊片（130 mm×130 mm×10 mm）。

金屬網：雙層網，其它不變。

3.3 設備參數調整

1）根據現場圍巖破碎情況合理增加換步頻率，降低循環步距為0.4～0.8 m（正常循環步距為1 m），防止因圍巖暴露面積過大造成頂板冒落。

2）降低推進速度并保持在2～3 cm/min，防止對圍巖擾動過大而造成更加破碎。

3）盾構機推進時刀盤轉速控制在4～5 rpm，降低對圍巖的擾動。

4）過破碎區期間，選派有經驗的盾構機司機進行操作，合理調整盾構機姿態，并嚴格按設計坡度水平掘進。

5）盾構機推進和拉后配套時，操作司機應將前、尾盾側護盾伸出撐緊巖壁作為主撐緊點，同時將頂護盾適當伸出只起支撐作用，防止因頂護盾撐緊用力過大而造成圍巖更加破碎。

6）掘進時，尾盾頂護盾壓力0～70 bar（推力0～258 t）、行程和壓力雙控，行程達到時，壓力盡可能小。行程達不到時，壓力控制在50～70 bar（推力185～258 t）、尾盾側護盾壓力160～180 bar（單側推力628～706 t）。

7）換步時，前盾頂護盾壓力0～70bar（推力0～75 t）、前盾側護盾壓力160～190（推力175～205 t）。

3.4 作業工藝及實施方法

流程：工作面揭露斷層→停止掘進→從外往里補強支護→檢測瓦斯并處理安全隱患→調整設備參數→降低掘進速度、降低循環步距并按要求加強支護。

工作面遇斷層時，應立即停止掘進必須先進行補強支護，方法如下：

1）在距斷層3～10 m范圍內補打錨索梁加強支護，選用φ17.8 mm×6 300 mm的鋼鉸線，每排3根，間排距=1 500 mm×2 000 mm，配套中心孔為φ22 mm的11號礦用工字鋼梁L=600 mm和鋼墊片（130 mm×130 mm×10 mm）。

2）在距斷層3m范圍內補打錨桿和錨索梁加強支護，選用φ22 mm×2 400 mm的MG400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護，每排9根錨桿，以巷道中心線對稱布置，間排距=900 mm×1 000 mm，配套W型鋼護板（450 mm×280 mm×3 mm）和蝶形托盤（150 mm×150 mm×10 mm）。選用φ17.8 mm×6 300 mm的鋼鉸線，每排5根，間排距=1 000 mm×1 000 mm，其中拱頂兩側的2根沿掘進方向向前與頂板呈70°，配套中心孔為φ22 mm的11號礦用工字鋼梁L=600 mm和鋼墊片（130 mm×130 mm×10 mm）。

3）加強現場管理，盾構機換步后必須先進行敲幫問頂，處理活矸危巖，完成后及時進行支護，錨桿、錨索夠一排必須支護一排，防止因圍巖暴露面積過大造成頂板冒落。

4）過斷期間每班應派專人觀測工作面圍巖情況，結合盾構機掘進時的相關參數進行綜合分析，如果發現有破碎或破碎嚴重時應立即發出預警，以便及時調整進行加強支護，保證安全。

4 現場應用情況及效果

通過采取上述措施，我單位已經連續多次順利完成盾構機過斷層，一方面保證了人的安全和設備的安全，另一方面還創造了非常可觀的經濟效益。之前盾構機每次過斷層需要5 d，平均每天只能掘進2 m；采取相關措施后工作面圍巖破碎塌落的活矸明顯減少，現在盾構機每次過斷層只需要2 d，平均每天能夠掘進5 m以上。掘進效果圖見圖7。

圖7 “振興一號”煤礦用全斷面TBM掘進機（盾構機）井下巷道掘進效果

5 結論

“振興一號”煤礦用全斷面TBM掘進機（盾構機）在施工過程中連續多次成功過斷層的經驗表明：

1）現階段煤礦盾構機可以適應井下復雜地質環境，但仍需進一步改進，尤其在超前支護方面需要進行重點突破。

2）采用護盾撐緊式的盾構機容易對圍巖造成破壞，尤其當工作面圍巖層理節理發育，巖層走向與巷道掘進坡度差異大，遇斷層帶等更有可能造成圍巖二次破碎，因此需在不同地質條件下合理調整護盾撐緊油缸壓力。

3）采用盾構機施工在提高掘進效率、降低勞動強度、改善作業環境方面技術先進，優勢明顯。

4）目前煤礦盾構機主要應用在巖巷施工，還無法適應工程占比更大的煤巷、半煤巖巷掘進，因此研發適合煤巷、半煤巷的盾構機，將具有更廣闊的應用前景。