深部复合地层巷道TBM掘进卡机预防方法_宋晓林.pdf

深部复合地层巷道 TBM 掘进卡机预防方法*宋晓林1，侯涛1，谢中辉1，崔国岗1，丁自伟2，黄兴3，贾金兑2（1.陕西正通煤业有限责任公司，陕西 咸阳712000;2.西安科技大学 能源学院，西安710054;3.中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉430071）摘要：基于陕西正通煤业西区辅运大巷TBM掘进工程背景，采用现场调研、理论分析及现场试验综合研究方法，以敞开式TBM硬岩掘进机为例，研究应用“鲁淄一号”国内矿用最大直径敞开式掘进机工程实践，探索研究深部复合地层掘进卡机机理，结合正通煤业地质条件、地应力、TBM设备参数、支护设计等因素，对掘进过程中卡机风险进行分析，最后从支护设计、掘进机设备参数2方面出发，针对性提出了巷道掘进TBM卡机预防方法。研究通过现场实践解决了TBM掘进卡机预防应用难题，使月进尺达到305 m，相比传统综掘进尺提升了1.5倍。关键词：高地应力；复合地层巷道；挤压变形；TBM掘进；卡机预防中图分类号：TD263文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 044 05Preventing Method of Jamming of TBM Tunneling Machine in DeepComposite Stratum RoadwaySONG Xiaolin1,HOU Tao1,XIE Zhonghui1,CUI Guogang1,DING Ziwei2,HUANG Xing3,JIA Jindui2(1.Shaanxi Zhengtong Coal Industry Co.,Ltd.,Xianyang 712000,China;2.College of Energy Science and Engineering,Xi an University of Science and Technology,Xi an 710054,China;3.State Key Laboratory of Geomechanics andGeotechnical Engineering,Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China)Abstract：Based on the TBM tunneling engineering background of the auxiliary transport roadway inthe west area of Zhengtong coal industry in Shaanxi,the comprehensive research method of fieldinvestigation,theoretical analysis and field test is adopted,and the open TBM hard rock tunnelingmachine is used as an example to study and apply the Luzi No.1 domestic mine engineering practiceof the largest-diameter open-typeroadheader.It integrates excavation and support.It explores andstudies the mechanism of deep composite stratum roadheader jamming,combining the geologicalconditions,ground stress,and TBM equipment parameters of Zhengtong coal industry.Supportingdesign and other factors analyze the jamming risk during the tunneling process.Finally,starting fromthe support design and the equipment parameters of the tunneling machine,a targeted approach toprevent TBM jamming in roadway tunneling is proposed.The research solves the application problem ofTBM tunneling jam prevention application through field practice,and makes the monthly footage reach305 m,which is 1.5 times higher than the traditional comprehensive tunneling footage.Key words:high ground stress;composite strata roadway;squeeze deformation;TBM tunneling;machine jam prevention method第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0080引言相比传统钻爆法而言，全断面岩石隧道掘进机（TBM）具有建设周期短、造价低、围岩稳定性良好、施工安全可靠等优点。随着TBM隧道掘进技术逐渐发展成熟，将TBM应用于深部煤矿建设及矿山开拓巷道掘进中，以满足千米深部大型煤矿快速安全建设需求，是推动深部煤矿建设向智能化趋势发展的必由之路。由于技术发展，TBM技术已经可以在煤矿复杂地质条件下进行施工，但与钻爆法相比，仍面临着施工灵活性低、对地质条件适应性较差的难题。在一些深井软岩巷道中，矿井开拓往往需要频繁穿越深部高地应力挤压性软弱地层，易造成TBM挤压大变形及卡机等灾害。深部地层中的高地应力和煤岩软弱结构构成了围岩挤压大变形的基本条件，TBM开挖扰动改变了岩体的初始应力状态，造成开挖扰动区围岩体相继进入峰前损伤扩容和峰后破裂碎胀状态，使得围岩产生强烈挤压大变形。由于TBM对围岩变*国家自然科学基金项目（51874232)；陕西省自然科学基础研究计划联合基金项目（2021JLM-06)44TBM掘进技术具有自动化程度高、施工效率快、巷道一次成型及质量安全可靠等优点，随着我国隧道与地下工程快速发展，TBM掘进技术在我国深部煤矿巷道掘进工程中逐渐得到广泛应用。然而，由于TBM掘进机机身长、对地层适应性有限及设备灵活性差等特点，在复杂工程地质条件下极易发生TBM卡机事故。深部地质构造复杂，煤系地层是沉积岩地层，造成地层在横断面和纵断面上都容易出现软硬不均，即复合地层。其中在深部高地应力软弱地层中，容易出现挤压大变形或垮塌导致卡机。TBM卡机主要是围岩与机身相互作用的结果，包含护盾被卡与刀盘被卡2类。其中，对于刀盘被卡而言，主要发生在深部高地应力围岩掘进中，在掘进面围岩破碎、强度低的条件下，深部高地应力巷道开挖作用下围岩不能维持自稳，导致掌子面处煤岩体被挤压垮落，进而使得TBM机头被掩埋，当煤岩块体对刀盘产生的作用力大于刀盘自身设计的扭矩作用力时，此时TBM刀盘被卡。对于护盾被卡而言，在TBM掘进过程中，由于掘进开挖空间的产生，引起巷道围岩中应力发生重新分布，导致巷道围岩发生变形等一系列问题。而当围岩变形量达到一定程度，超过系统预期设计的最大允许值即扩挖间隙后，围岩变形必然产生作用在TBM护盾的围岩压力，当围岩与护盾两者接触压力超过一定值时，即摩擦阻力大于掘进机的推力时，便产生TBM护盾卡机事故。2工程实例分析2.1工程背景陕西正通煤业位于彬长矿区西北部，设计可采储量4.7亿t，矿井核定生产能力450万t/a，服务年限62.5 a。矿井采用垂直大巷单翼方式布置工作面工艺，共布置4条开拓大巷，为减小冲击地压影响，西区4条开拓大巷均布置在岩层中。采用“综掘+炮掘”掘进施工体系，由于开采深度大（主采4#煤单一煤层采深达1 0001 100 m），侏罗纪岩层坚硬等地质灾害复杂多变因素，岩巷进尺约120 m/月，掘进速度位于全国平均水平，不能满足深部安全高效矿井建设开拓需求，严重制约矿井正常安全生产。为缓解矿井生产接续紧张现状，正通煤业联合淄矿集团、铁建重工与水电六局共同研发矿用大直径敞开式TBM掘进机。于2020年10月，研制成功我国国内首台矿用立井最大直径敞开式岩石隧道掘进机（TBM）鲁淄一号，如图2所示。该TBM最大开挖直径6.53 m，整机长167 m，全重约800 t，设备集机、电、传感、信息等于一体，工作时依靠撑靴撑紧洞壁提供刀盘破岩推力，带式输送机系统排出矸石，同时完成破岩、支护、出渣等多项作业，具有施工安全性好、成巷质量高、除尘效果好等优点。形适应性差，TBM开挖时护盾区域围岩产生的挤压大变形极易导致其护盾被卡甚至护盾被损毁。据统计，围岩挤压大变形及其导致的TBM卡机灾害占TBM重大事故的37%，是所占比例最大的地质灾害。1TBM卡机致灾机理分析常见的TBM掘进机有敞开式和护盾式两大类型，而护盾式TBM又分为单护盾、双护盾2种，3种机型的开挖、支护方式以及地质条件适应性均不尽相同，本文主要以敞开式TBM为例进行说明。敞开式TBM掘进机又称撑靴式TBM，在硬岩、中硬岩掘进中应用广泛，其主要结构如图1所示。由于其可充分利用自身支撑结构撑紧洞壁，进而承受TBM掘进机推进的反作用力，故主要适应于自稳定性良好的围岩，而在软弱围岩条件下则会出现撑靴打滑，导致不足以撑紧洞壁等，进而导致卡机等系列灾害。深部复合地层巷道TBM掘进卡机预防方法宋晓林，等第42卷第03期Vol.42 No.03图1敞开式TBM掘进机结构1.盘形滚刀2.驱动组3.锚杆钻机4.超前钻机5.主梁6.设备桥7.主机带式输送机8.后下支承9.撑靴10.推进油缸11.变频电机12.机头架13.刀盘6543217891011121345图2敞开式全断面掘进机(TBM)模型2.2TBM卡机风险分析基于正通煤业TBM掘进工作面条件，从岩石和地质参数、地应力、TBM设备参数、支护设计参数等影响TBM卡机主要四大类因素进行分析，明确在复杂地质条件下卡机风险。（1）岩层和地质参数TBM施工地点为正通煤业4#煤西区辅运大巷，预计在掘进过程中经历4#煤、铝质泥岩、炭质泥岩、泥岩、中粒砂岩岩性变化，TBM掘进穿越的复合地层岩性变化情况如表1所示。表1复合地层TBM掘进岩性变化情况4#煤为单一煤层，煤层厚度015.0m，平均10.5 m，属于较稳定厚煤层，一般倾角07。局部含1层夹矸，夹矸厚度0.200.40 m，夹矸岩性为泥岩、砂质泥岩，结构简单。巷道工程开挖范围内，由5种不同地层组成，且煤层与顶底板岩层岩性相差悬殊，属复合地层范畴。深部煤矿地层作为典型复合地层，以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及砂岩为主，泥岩、砂质泥岩是典型软岩，与砂岩硬度、强度相差较大。因此，在穿越煤层及软岩时围岩变形加剧，顶板破碎支护困难，软弱泥岩及煤层环境易引起刀盘堵塞等，造成刀盘卡机，影响设备正常运转。（2）地应力通过现场地应力测试结果可知，正通煤业水平应力为原岩应力的最大主应力，其应力为38.2444.87 MPa，达到超高应力区范畴。深部煤岩体高地应力环境中，在穿越煤层及软岩时围岩变形破碎程度加剧，采动过程中极易引起围岩破坏及大变形问题，造成TBM卡机。（3）TBM设备参数系统选型相对护盾式掘进机，敞开式TBM掘进不易卡机，且调向及改变洞径灵活，地质条件好需锚网喷、速度快，地质条件差需超前加固，对环境影响小，可直接观测到洞壁岩性变化。敞开式TBM掘进机适用条件：单轴抗压强度50350 MPa，、类围岩，埋深及地应力