用煤矿TBM掘进硬岩巷道围岩支护方案探究

摘要：近年来，随着国家经济的飞速发展，我国的公路交通、城市轨道以及水利隧道等方面的也得到了突飞猛进的发展，而在这个过程中全断面岩石掘进机得到了广泛的应用。但是我国煤矿所处的地质条件以及煤矿巷道条件十分复杂繁琐，而TBM在此方面的应用以及案例相对较少，基于此，本文针对用煤矿TBM掘进硬岩巷道围岩支护方案展开探究。

关键词：TBM;围岩稳定性;支护方案

前言：自改革开放以来，我国煤矿矿井的建设技术及水平都得到了较为理想的发展。但是大部分的岩巷巷道方面的施工工艺都十分落后，以钻爆法展开施工，这样的方法不仅工艺落后，其质量也非常低，加上爆炸物的安全性价低，操作难度非常大，岩巷掘进技术也成为了限制煤矿建井的重要因素，就煤矿角度而言其安全事故的高发区域也逐渐转移至岩层巷道的掘进工序当中，严重的影响了煤矿的生产。在这样的环境洗TBM的出现和使用成为了煤矿岩层巷道施工的最新选择，也妥善的解决了煤矿硬岩底层中巷道中所存在的各种问题，并且TBM的破坏性非常强，更加适合应用于硬岩巷道的围岩支护当中。

一、TBM简介

TBM的全称为全断面隧道掘进机。其类型分为两种：一是敞开式隧道掘进机;二是广义盾构机。该种机械设备的主要作用就是连续性的开展掘进、出渣、支护等工作，同时也是集机、电、液、光、气等系统于一体的流水式隧道施工设备，其优势在于环保、效率高、效益高等，能夠很大程度上完成钻爆法所无法完成的复杂隧道施工[1]。TBM在我国水电、铁路、交通以及矿山等方面的应用越来越广泛，加上其对设备的生命周期要求以及可靠性要求非常高，也被称之为工程机械中的“掘进机之王”。

二、用煤矿TBM掘进硬岩巷道围岩支护方案

（一）工程概况

本工程以山西某煤矿的8号矿区的南回风巷道建设为研究对象，该巷道的总设计长度共计3395米。其中有2983米的施工距离是选择TBM来完成的，巷道的轴向界面呈现圆形断面状，其直径为4.50m，断面的面积为16.13m2，巷道的支护形式选择的是锚索、锚杆以及钢筋网等方式结合而成的，整个回风巷道的施工坡度仅为8°，具体的方位角是270°，埋深为525m，具体如图2-1所示。

该巷道地层所处的主要层位的材质是石炭纪太原组砂岩层，而巷道围岩的主要成分为细粉砂岩，其抗压强度处于4.65-12.9Mpa之间，弹性范围是2.35-46.75Gpa区间，TBM在开展连续性掘进的过程中其周边围岩岩体的力学性质是基本一致的。就整体角度而言，该巷道所处的位置鲜少有断层或者裂隙的情况，其构造具备一定的完整性，围岩的强度也非常高。

南回风巷道在施工过程中所选择的立井煤矿全断面掘进机重量为350吨，该掘进机的设计是以模块化为主的。该设备在安装过程中可以将其拆卸成为几个主要模块带入井下进行组装。当掘进机所有的模块都达到矿井之后，需要经过井下运输设备将其运送至始发硐室。以始发硐室作为掘进的出发点，来调试掘进机，要保证在施工期间该设备能够维持正常的状态当中。

TBM在施工过程中需要有一台单轨吊以及一台皮带机来完成辅助运输，单轨吊可以装在物料，并将材料运输至皮带机中，利用皮带机传输至TBM盾构机的接料台中。在掘进期间所产生的所有渣石也会通过皮带机运出巷道[2]。

在针对粉尘处展开掘进的过程中，首先需要预留一个封闭式的除尘系统。并让盾构机与岩壁紧贴，从而形成一个相对密封的空间，将掘进施工与施工人员相分离。在进行破岩掘进时，设备的刀盘上会喷水的方式将粉尘与水相融合形成你面从而实现降低粉尘的目标，所产生的泥浆也会通过出渣系统排除巷道外。同时除尘风机也需要打开将空气中的粉尘过滤掉。当掘进工序的循环完成后，会经由巷道的风筒箱内灌入空气，并将其附近残留的粉尘吹出去。

（二）支护方案的选型

在TBM掘进的过程中围岩的应力场分布情况会随之不断的发生变化，而原本的三向应力逐渐被二向应力所取代。加上竖直方向所产生的应力导致巷道顶部的围岩开始发生形变或者损伤，此时巷道的支护能够在一定程度上为围岩增加一个方向上的约束，弥补所失去的应力，并满足巷道围岩对于稳定性方面所提出的要求，实现提高巷道安全性的目的。

在制定支护方案的过程中需要遵守“治顶先治帮、治帮先治底、肩角是关键”的基本原则，从而形成一套完整的“底部、两帮、顶板”于一体的控制体系，而这一过程中的主要目的就是合理有效的控制巷道围岩的变性情况，从而在提高巷道安全性的同时也降低其成本。现阶段，选择TBM施工的时候所选择的支护方案主要有两种：一是锚杆支护体系;二是管片支护体系。其中锚杆支护体系更多应用于硬岩地层的隧道当中，并且与锚索或则好锚喷支护相结合使用;而管片支护则在软土层隧道当中使用更为广泛一些，并且基本上都是以初次支护或者二次支护为主。

与该工程项目的实际情况相结合，通过科学合理的设计与计算来制定出最佳的南回风巷道围岩支护方案，具体方案选择以锚网索喷相结合方式完成支护工作。其中锚杆的规格应该处于 之间的该强度螺纹钢材质的锚杆，其间距和排距分别为800mm和1000mm。锚杆的托盘为心拱形可调节的高强度托板。锚索的实际规格为 之间，每个锚索之间的距离为1000mm 1000mm，每一排需要放置三根锚索，而锚索需要设置在两排锚杆的中间位置。锚索的托盘也是具备极高强度的可调节心拱形锚索托板，并配置了同样强度的心球型垫片。金属网的材质为6mm的圆钢加工而成，其尺寸为1000mm 2000mm，网孔的大小为100 100mm，通过边接的方式组成。另外，每个锚杆眼与锚索眼都需要使用1卷锚固剂进行加固[3]。

结论

总之，本文用煤矿TBM掘进硬岩巷道围岩支护方案的探究可知，基于煤矿巷道内围岩所处的地层力学特性的基础上，进一步分析了TBM施工期间巷道围岩所产生的一系列变化情况与规律，从而通过对施工现场的检测来验证巷道围岩支护的有效性，针对TBM施工硬岩巷道对于围岩稳定造成的影响，从而为后续的围岩支护方案设计提供充足的依据。

参考文献：

[1]陆天嘉.立井煤矿TBM掘进巷道围岩稳定性数值计算[J].四川建材，2018，44（11）：110-111.

[2]唐彬，程桦，唐永志，等.深井煤矿TBM掘进巷道围岩扰动特性监测研究[J].煤矿安全，2018，049（002）：185-188.

[3]李刚，牛磊，李文龙.煤矿硬岩巷道快速掘进技术研究[J].煤炭科学技术，2018，46（11）：18-25.

作者简介：侯学利（1983.3）男，汉族，职称：助理工程师，学历：大专。研究方向：机电工程。