煤矿深部地层TBM组装硐室支护优化设计

胡阳　毛安　徐彬　王洪涛　李天国　刘震宇　张风林　唐彬

摘  要：为保证全断面掘进机（TBM）组装硐室安全高效施工，通过理论计算以及施工现场的数据分析，对TBM组装硐室支护方案进行优化，理论计算了煤矿TBM组装硐室支护参数，优化支护方案。分析了组装硐室易破坏部位并结合实例给出了相应的解决方案，总结了TBM组装硐室围岩稳定性控制策略，为以后煤矿深部地层TBM组装硐室支护工程实践提供参考依据。

关键词：煤矿 TBM 组装硐室 支护优化

Optimal Design of TBM Assembly Chamber Support in the Deep Strata of Coal Mines

HU Yang MAO An XU Bin WANG Hongtao LI Tianguo LIU Zhenyu ZHANG Fenglin TANG Bin

1. Huainan Mining （Group） Co.， Ltd.; 2.School of Civil Engineering and Architecture， Anhui University of Science and Technology; 3.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mine， Anhui University of Science and Technology， Huainan， Anhui Province， 232001 China）

Abstract： In order to ensure the safe and efficient construction of the TBM assembly chamber， through theoretical calculations and the data analysis of the construction site， the supporting scheme of the TBM assembly chamber is optimized， and the supporting parameters of the TBM assembly chamber of the coal mine are calculated theoretically to optimize the supporting scheme. The vulnerable parts of the assembly chamber are analyzed， the corresponding solutions are given in combination with examples， and the control strategy for the stability of the surrounding rock of the TBM assembly chamber is summarized， which provides a reference for the practice of the support engineering of the TBM assembly chamber in the deep strata of coal mines in the future.

Key Words： Coal mine; TBM; Assembly chamber; Support optimization

隨着我国煤矿矿井开挖及建设技术的快速发展，为解决不同地层和围岩状况的开挖难题，针对煤矿深部的巷道施工，国内开始采用全断面隧道掘进机（Full-section Tunnel Boring Machine，TBM）进行深部地层煤矿巷道开挖和建设。TBM施工技术相对于传统的钻爆法不仅有着较高的掘进速率并且安全性和经济性高，已广泛运用于隧道开挖以及各类工程项目^[1]。

随着TBM在煤矿深层开挖中使用，对于深部组装硐室也提出了新的要求，TBM组装硐室多为临时结构，材料一般不选取混凝土因其凝结周期长且造价高。其次由于TBM具有较大的尺寸与自重，所以支护要有效的控制围岩的破坏与变形因此组装硐室的支护问题是保障TBM工程按时按量且安全工作的重要保障，合理的支护方式可以更有效的保障工程质量。为了解决组装硐室出现的顶板破碎和巷道大变形问题，着重于顶板的支护和底板的硬化，这是支护的重难点，合理的支护方案既可以做到安全施工也可以节约成本^[2]。

对于上述情况，本文以张集矿TBM组装硐室作为工程实例背景，结合现场检测和理论计算的手段，通过分析计算结果和现场围岩和应力场的变化特性，验证支护设计的合理性，给后期TBM组装硐室的支护提供理论计算基础和优化参考依据。

1 工程背景         

TBM组装硐室埋深-820 m，组装硐室揭露以砂质泥岩为主要岩性，泥岩和砂泥岩互层。组装硐室宽8 m，高9 m，长20 m。现场采用爆破掘进的方式进行施工，基于组装硐室的截面积大，难以一次性完成成形工作，因此将施工分为拱顶，帮部和底部三层开挖。支护手段主要采用锚网喷并加以锚索加强支护。

2 组装硐室支护方案

采用φ22×2 500 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆和φ22×8 300 mm钢绞线锚索作为主要支护结构。基于巷帮水平位移较大应力小，顶底板竖向位移小应力大的特征，顶板和帮部喷射C20混凝土，厚度为100 mm。底板浇筑C40混凝土地坪，厚度为400 mm。锚杆锚索参数如表1所示。

3 TBM组装硐室支护参数计算

组装硐室处于以泥岩为主的地段，不考虑分层。在施工现场对岩石进行取样，并在室内进行力学实验，取得岩石相关的基础力学参数。通过在深部围岩中锚固锚索，用来调动深部围岩强度，以达到对锚杆锚固的岩体起到悬吊和保护的作用。岩石力学参数如表2所示。

3.1 锚杆长度计算

3.2 锚杆锚固力

3.3 锚杆的直径

3.4 锚索长度

3.5 锚索间排距的确定

3.6 锚索的锚固力

3.7 永久支护参数设计

锚杆支护参数设计。支护参数设计原则，就是将锚杆约束作用合理分配，这样既能保证支护的效果，也可以为加快成巷速度创造条件，因此需要分析围岩的完整性、锚杆作用等。

3.7.1 按悬吊理论计算锚杆参数

3.7.2 按组合拱理论计算锚杆参数

3.8 锚索支护参数设计

最小锚固长度：树脂锚固应大于1.5 m，使用3支 MSK（中）2850型树脂药卷，锚固长度1.5 m，符合要求。

锚索长度：巷道为全岩施工，使用锚索长度为6.3 m。

锚索间排距：S≤L/2（L为锚索孔长度，单位m；S为锚索间排距，单位m）。现场锚索孔最低6 m，S≤3 m，实际锚索排距2 m，符合要求。

锚索锚固力：预应力锚索单根设计锚固力应大于200 kN，符合要求。通过理论计算，结合以往大型硐室施工经验和现场工程地质条件，确定组装硐室支护参数。采用φ22×2 200 mm锚杆，间排距900 mm×900 mm。采用φ17.8×6 300 mm锚索，间排距1 800 mm×1 800 mm。支護设计如图2所示。

4 煤矿深埋大型TBM组装硐室支护策略

4.1 控制片帮

由于在巷道掘进过程中会导致围岩应力对的重分布，在巷帮一圈会出现应力下降的现象，且会在深部出现高应力集中现象。随着开采的进行巷帮周围会出现塑性区域，此区域会有裂缝发育，且水平应力会由于开挖所形成的自由面而降低为零。相当于仅存在压应力，进而在巷帮深处出现应力集中区。在此应力条件作用下，会有翼型张裂纹发生在先前存在的裂纹尖端，这些裂纹到自由面的距离通常很短，基本平行于压应力方向^[3-5]。在外力作用下，微裂纹加宽并导致裂纹合并，最终形成大裂纹，煤壁沿自由面形成薄壳，会进一步加剧煤壁裂隙发育及片帮的风险。可以采用绘制片帮素描图来判断片帮的主要类型，从而得到其受力模型，进一步确定易发生问题的位置，采取针对性的预防措施^[6]。

巷道两帮应力影响区随巷帮高度增大而增大，相应应力集中系数较高，如果应力很高，巷道周边附近应力就会超过岩体承载能力而产生破裂片帮。同时，由于一次成巷断面大，支护不及时容易造成帮部松动，尚未开始支护就片帮。改进巷道施工程序，分上下两段进行大断面盾构巷道断面成形施工，先沿巷道顶板进行掘进，清除残余部分，对帮部进行挂网打锚杆加固再开始进行下部开挖，即采用错层法施工，直至开挖完成达到设计规范，再继续进行帮部补强，这样的施工方式可以解决巷道形成过程中过早支护的问题，同时尽可能地保留巷帮自身的承载能力。采用台阶式掘进时，巷道帮部区域会受到较大水平力的影响，此时采用锚杆支护的方式对帮部进行及时的加固。在巷道水平应力持续增加的过程中，其水平应力和垂直应力逐渐持平，帮部的自我承载力得到增强，使得围岩的稳定性得到很大程度的提升^[7]。

4.2 控制顶板

在硐室装卸的过程中，基于对硐室整体性的考虑，其中作为承重主体结构的顶板采用共同支撑，提高支护安全系数的同时，需根据施工现场后期的作业情况，在相应的位置增设一定量的支护，可在顶板或肩窝上增设锚索，以达到预期的支护效果，从而强化顶板的支护，提高支护的可靠程度。也可采用长短锚杆为主导的多层支护技术，与现场施工相结合，选取合适的支护方式，从而确保硐室安全^[8]。

组装硐室任意位置的围岩失稳都可能导致硐室整体发生失稳，三处顶板台阶作为煤矿安全生产中的一个关键组成部分，需要作为重点防范对象处理。在三个台阶处发生的变形最为严重，最大变形量的台阶是沿着巷道延伸方向发展的，预计影响这三个台阶垮落的不是因为垂直变形，而是因为水平变形的扩容导致遗留台阶的坠落，因此，需要对三处台阶进行处理，处理方式可以通过掘进方式解决，也可已通过爆破方式解决^[9]。

4.3 预防底鼓

随着采深增加、巷道围岩应力增大，在浅部表现为较硬的煤岩层，到深部后表现为软岩特征，巷道变形量大、易于底鼓，受采动支承压力作用后，巷道强烈底鼓，维护困难。然而，影响巷道底鼓的因素很多，而且底鼓也具有时效性^[10]。结合围岩力学环境分析主要有：工作面采动应力、围岩性质、支护强度、水理作用等。巷道底板岩层不同深度位移方向和量级存在差异。巷道底部附近岩层的位移矢量指向巷道方向，而下方岩层的位移矢量指向更深处的地方，因此也可以得到位移矢量方向的变化。地下一定深度的岩层的一点或表面的位移为0或最小值。岩层处于零位移点向上的位置会受到拉应力的作用并向上隆起，岩层处于零位移点向下的位置会受到压应力作用并发生沉陷。由于拉应力的作用在零位移点上方的岩层会发生破坏，但下方的岩层不易被破坏，因此当巷道发生底鼓时，只有巷道较浅的岩层向上隆起，深层岩层下。所以，最有效的加固法控制底鼓，就要增加零位移点之上底板岩层的刚度，采取加强支护，改变围岩物理性质等治理方案并结合实际施工进行优化，从而取得良好的控制效果^[11-14]。

5 结论

随着煤矿TBM掘进的应用，为应对深部地层复杂条件，对TBM组装硐室支护的安全性和高效性提出了更高的要求。针对不同的地层和围岩情况采用合理的支护方案，对各种支护方案结合现场以及数值模拟的结果进行相应的优化以达到更安全且高效的目的。在综合考虑TBM组装硐室施工效率和围岩支护效果，可采用“循环卧底”正台阶法进行施工，在确保施工安全的同时可以进行支护等工艺，提高施工效率。对于组装硐室大断面和始发过程中施加的大荷载，提出了“两防一控”即“控制片帮、控制顶板和预防底鼓”的围岩控制方法和支护体系。

通过对TBM组装硐室施工的检测结果可知，在开挖之后会出现径向应力松弛和切向应力集中的现象，导致硐室局部出现应力集中区。垂直应力对巷帮的变形破坏占主导作用，一是由劈裂形式导致的张开变形；二是垂直应力在巷帮缺少围压的情况下所引起的节理发育部位岩块剪切破坏。

综合分析TBM组装硐室围压支护效果以及硐室支护的施工效率，选用正台阶法进行施工，该工法在确保施工安全的同时，也同步进行了掘进支护等工艺进而提高施工效率。

参考文献

[1] 贺飞，鲁义强，代恩虎，等. 煤矿岩巷TBM 适应性与新技术发展[J/OL]. 煤炭科学技术：1-13[2023-04-24]https：//doi.org/10.13199/j.cnki.cst.2022-1404.

[2] 李明，马玉琨，董秀磊，等. 深部软岩大断面硐室开挖与支护方式优化[J]. 煤炭技术，2022，41（8）：46-49.

[3] 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，2018，49（2）：185-188.

[4] 王杜娟，贺飞，王勇，等. 煤矿岩巷全断面掘进机（TBM）及智能化关键技术[J]. 煤炭学报，2020，45（6）：2031-2044.

[5] 姚直书，王晓云，王要平，等. 煤矿TBM 掘进巷道围岩时效变形分析及支护参数优化研究[J]. 煤炭工程，2022，54（7）：31-37.

[6] 王靖超. 掘进巷道煤壁片帮机理分析及控制技术研究[J]. 山西冶金，2022，45（6）：145-147.

[7] 王振伟. 古城煤矿软岩硐室底鼓控制及预防研究[J].煤矿开采，2014，19（4）：81-83，125.

[8] 司林坡，王晓卿. 基于数值模拟的煤矿井下超大断面硐室支护优化[J]. 煤炭科学技术， 2022， 50（3）：61-68.

[9] 李苏珍. 深部矿井大硐室锚注联合加固技术[J]. 矿业装备，2022（6）：16-17.

[10] 何杰，崔千里，付书俊，等. 立井煤矿深埋长距离岩巷全断面硬岩掘进机施工技术研究[J]. 煤炭工程，2022，54（7）：38-43.

[11] TANG B， YEBOAH M， CHENG H， et al. NumericalStudy and Field Performance of Rockbolt SupportSchemes in TBM-excavated Coal Mine Roadways： ACase Study[J]. Tunnelling and Underground SpaceTechnology，2021，115：104053.

[12] 田大鵬，邓廷邦，李德宏，等. 基于PSO-MSVR 和突变理论的硐室支护参数优化[J]. 地下空间与工程学报，2022，18（S2）：587-595.

[13] TANG B， WANG Z， TANG Y， et al. Numerical Study ofTBM Excavated Coal Mine Roadway Support Design[C]//IOP Conference Series： Earth and EnvironmentalScience.IOP Publishing，2020：052011.

[14] 孟凡贞，钱自卫，吕文茂，等. 深部薄基岩宽大硐室顶板加固及强化支护技术研究[J]. 煤矿现代化，2022，31（5）：28-31，35.