中国科技信息２＠１ ４年第０５期ｃ Ｈ１ＮＡ ５￣１ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｍａｒ．２ｏ１４ 工程科技 涝坝湾煤矿副平调工程 复合式硬岩掘进机（ＴＢＭ机）施工工艺 房淑海 神华能源有限责任公司涝坝湾煤矿，乌鲁木齐８３００２７ 房淑海 摘要 长距离煤矿巷道工程采用复合式硬岩掘进机（ＴＢＭ机）施工在国内尚属首例， 它对煤矿建井技术是一场，对煤矿安全、高效建设具有极其重要的意 义。结合涝坝湾煤矿副平硐Ｔ］３Ｍ机施工实践，对复合式硬岩掘进机施工工艺进 行初步分析研究。 关键词 煤矿副平硐；ＴＢＭ机施工工艺；实践研究 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—８９７２．２０１４．０５．０２２ 前言 根据 涝坝湾煤矿副井平硐工程地质勘查报告）），地 神华能源有限责任公司玛纳斯县涝坝湾煤矿副 勘４个孔分别为Ｇ２０１卜１、２、３、４，围岩等级ＩＩＩ、ＩＶ类， 平硐工程位于乌鲁木齐以西１００ｋｍ处玛纳斯县塔西河 岩石强度ｌ６．３ＭＰａ～８ １．５ＭＰａ。穿越地层主要为粉砂岩细 乡境内。工程地点位于省道ＳＩＯＩ线南侧，沿Ｓ１０１向 砂岩，部分地段破碎带发育较明显，其中：４＃孔一３＃孔 东１ １４ｋｍ与国道Ｇ２１６线相接，向西１０ｋｍ与县道Ｘ１５６线相 沿线硐身围岩分类标准ｄａ［Ｖ类逐渐递为ＩＩＩ类，稳定性由不 连；沿Ｘ１５６线向北４２ｋｍ抵达国道Ｇ３１２线，并与北疆铁路 稳定递变至中等稳定，岩石完整性由差一破碎一递变至中 及乌奎高速公路相通，交通便利。塔西河在本工程西部外 等；３＃孔一２＃孔沿线硐身围岩分类标准由ＩＩＩ类逐渐递为 ２ｋｉｎ处由南向北流过，年平均流量７．２６ｍ。／ｓ，其水量和水 ＩＶ类，稳定性由中等稳定递变至不稳定，岩石完整性由中 质均满足工程用水要求。 等一递变至中等、较完整；２＃孔一１＃孔沿线硐身岩石完 本工程主要为副平硐及石门施工：副平硐南北走向， 整性均为中等一较完整。 设计长度５３１８ｍ，石门设计长度９００ｍ，围岩系数ｆ＝３—８．９， 水文地质方面：井田位于塔西河东部，井田西边 担负全矿井的材料、矸石、设备、人员运输，并部分进 界距塔西河ｌ８３０ｍ。该河流经本井田西侧的水位标高为 风。采用中铁重工集团生产的ＺＴＥ６４２０复合式硬岩掘进机 １３９６ｍ，该标高为井田范围内的当地侵蚀基准面。地下水 掘进施工，工程已于２０１２年９月底开工建设，计划２０１４年５ 与地表水及各含水层之间的水力联系，由于井田气候环境 月完成。设计掘进断面为直径６．４２米圆形巷道，掘进断面 及地形地貌条件，大气降水比较丰富，加之广布于井田内 积３２．３４ｍ ，硬岩实际月均单进３５０米／月，比普通矿用综 透水性好的第四系松散层的存在，植被茂盛，大气降水、 掘机效率提高３ ５倍。在煤矿系统，长距离巷道工程采用 雪融水易在此停留、蓄集，并通过覆于松散层之下的岩石 复合式硬岩掘进机（ＴＢＭ机）施工在国内尚属首例，它对 风化、构造裂隙顺层补给井田地下。井田西界外塔西河最 煤矿建井技术是一场，对煤矿安全、高效建设具有极 低侵蚀基准面标高高于井田北部ＺＫ２０Ｉ、ＺＫ４０Ｉ￣Ｌ控制的 其重要的意义。 Ｂ１５、Ｂ１７煤层顶板标高。塔西河垂直切割地层的同时，可 １地质概况 顺层远距离渗透侧向补给井田地下。两种补给方式长期作 一８３一 工程科技 中国科技信息２０ｌ４筇第０５期 ｃＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯ［～ＯＧＹ １ＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｍａｒ．２０１４ ①平衡压力值设定原则 正面平衡压力：Ｐ＝ｋ Ｙ ｈ 其中：Ｐ一平衡压力（包括 地下水）；Ｙ一土体的平均重度（ＫＮ／ｍ ）；ｈ一隧道埋深 用的结果，使得井田地下赋存一定量的孔隙裂隙水，并具 有弱承压性质。 根据井上 对照图，副平硐掘进过程中需穿越石门子 水库东边界，实地探测石门子水库库容保持在５０００万ｍ ， 副平硐巷道顶距离水库底部垂直厚度约６６ｍ。所以施工过 （ｍ）；ｋ０一土的侧向静止平衡压力系数。 ②推进出土量控制： 每环理论出土量 ＝丌／４×Ｄ×Ｌ＝丌／４×６．４２２×１．５＝４８．５６ｍ ／环。实际掘 程中，平硐掘进中的探放水工作是施工难点之一。 ２副平硐工程相关设施、设备配置 ２．１工作面设备配置 进过程中巷道围岩经岩石硬度测试，硬度系数ｆ最高达到 ８．９，需加补充添加剂进行刀盘刀具降温，提高土质润滑 性，方便出土，通常每环加水量在４０方左右，故实际每环 出土量在９０方左右。 ③推进速度：正常推进时速度在２ｃｍ／ｍｉｎ～４ｃｍ／ｍｉｎ 之间。遇强度较高、完整性较好硬岩地段及过不良地层 时，速度控制在ｌｃｍ／ｍｉｎ左右。 ④掘进轴线控制：ＴＢＭ轴线控制偏离设计轴线不得大 于５０ｒａｍ。 ＺＴＥ６４２０掘进机在结构上包括刀盘、盾体、人舱、螺 旋输送机、管片安装机、管片小车、皮带机和后配套拖车 等；功能上包括开挖系统、主驱动系统、推进系统、出碴 系统、注浆系统、油脂系统、液压系统、电气控制系统、 激光导向系统及通风、供水、供电、气体监测系统等。 ２．２硐外运输设备配置 表１硐外及水平有轨运输设备 序号 设备、工具名称 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ 规格型号 ５０Ｔ ＪＳ７５ｏ组台式 ４５Ｔ ５０型 ２ＯＴ １ｉＫ ５ ＳＤＦ池卜Ｎ０ｌ０ 单位 数量 台 套 组 辆 辆 ・辆 辆 台 ⑤管片拼装控制：管片拼装程序见下图ｌ。 ３．４同步注浆和二次补压浆 同步注浆目的是充填土体与管片圆环间的建筑间隙 和减少后期变形。每环的建筑空隙为１．５丌（６．４２＊６．４２ 龙门吊 拌浆站 电机车机组 装载机 自卸渣土车 压路机 砼输送车 轴流风机 ｌ ｌ ３ ２ ５ ２ ５ ２ ６ ２＊６．２）／４＝３．２７ｍ ，每环压浆量一般为建筑空隙的 １３０％～１６０％，因该副平硐岩石硬度高，稳定性较好，为 不破坏管片，取１的系数比较合适，即每推进一环同步注 浆量为３．５ｍ 左右。 图１管片拼装程序框图 ２．３管片生产供应 管片生产供应是在地面建设管片厂及其配套设施，提 前预制好工程所需管片。厂房厂区总面积约７０３５０ｍ ，其 中：钢筋车问１７５０ｍ ，成型车间１７５０ｍ。，混凝土搅拌站及 料场３５００ｍ ，储运场及养护池５０００ｍ 。 ３施工工艺 副平硐采用复合式硬岩掘进机进行掘进施工，巷 道全断面一次掘进成形。掘进机每掘进完１．５ｍ后， 错缝拼装１．５ｍ宽预制钢筋混凝土管片，每环由６块 （ＦＴ、Ｌ１Ｔ、Ｌ２Ｔ、Ｂ１Ｔ、Ｂ２Ｔ、Ｂ３Ｔ）组成，外径 同步注浆材料确定：本工程实际施工中同步注浆先期 ６２００ｒａｍ，内径５７００ｒａｍ，厚度２５０ｍｍ，宽度１５００ｒａｍ，楔 形量２０ｒａｍ；掘进与支护顺序作业。 ３．１施工顺序 采用可硬性浆液，材料为粉煤灰、砂、膨润土等（俗称双 液浆）。但根据实际观测，发现效果较差，主要表现在管 片错台误差超过规范要求，虽然双液浆具有流动性好，注 浆便利，成本低等优势，但是存在凝固周期长，遇水易流 失等缺点，特别是掘进工作面后部５环管片范围内，随着 首先布置测量控制点与ＴＢＭ机测量系统构成系统，指 导掘进，然后进行掘进并同步注浆，掘进完毕１．５ｍ后进行 管片拼装。 ３．２巷道掘进方式 后配套台车压在管片上后，管片底部双液浆初凝阶段无法 抵抗台车重量，造成管片沉降量大。所以在副平硐掘进 ２．８ｋｉｎ后及时更换注浆系统，主要以注入砂浆为主，取得 了较好效果。 衬砌壁后二次补压注浆及遇裂隙水段处理：衬砌壁后 二次注浆采用双液浆，采取措施一是对有裂隙水段进行泄 水，二是及时施工止水环箍，在有裂隙水发生区域前后 ２０ｍ之内进行环箍施工，环箍施工主要采用煤矿用封堵材 料一一玛丽散。环箍施工完毕后，采用双液浆填充裂隙水 段，裂隙水成功封堵之后，对区域外流失的浆液进行补 注。 采用硬岩掘进机进行掘进，：上仓内渣土通过螺旋输送 机输送到台车 皮带，通过皮带输送到渣土箱中，通过电 机车运输出硐。 ３．３ ＴＢＭ机掘进及管片拼装 ＴＢＭ机推进主要参数控制：根据地层不同特性分别采 用不同掘进模式进行开挖。在不稳定地层中，掘进机可以 采用土压平衡模式掘进；在稳定性较好地层中采用敞开式 掘进；根据实际地层不同还可以采用半敞开式掘进，三种 模式可灵活转换。通过这几种工作模式的组合工作，确保 安全可靠掘进。 一４工程施工难点及对策 ４．１工程重难点分析 ８４一 中国科技信息２０１ ４年第ｏ５期・ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｍａｒ．２０１４ 工程科技 序号 糍黼 ｌ 设备选型 ５．３ 综合解决困扰煤矿掘进工作面 ｜｜ 。 ｛礓鞋 髓 ≯ｉ｜ｌ｜ 两大难题：一是煤矿巷道掘进中永久 ｌ、设备选型标准：可靠性第一，技术先进性第二，经济性第三； 支护与临时支护之间的合理、安全衔 ２、设备选型厦则：选择的掘进机的类型及配置满足工期、施工条件和施 接。ＴＢＭ机掘进支护时管片对接全过 工环境等要求；其故参考类似地质条件下掘ｉ整机选型、施工实例殛其效果 １、搜 早探明、预注浆、快封闭，太水：墅疏塘结合，以堵为主”的原则； 安全保障程度高。二是掘进面粉尘治理 ２、采用地质超前预报殛超前钻探等手段，以先进的设备进行预报处理， 大大改善。ＴＢＭ机施工可以做到全封 提前判明前方地质 水文情况，采取有针对性过水库安全技术措施； 表２重难点施工对策表 程在护盾下安装对接，不存在控顶距， ２ 涌突水处理 ３、施工治水采用上坡掘进，底板轨枕下设置了排水通道，施工阶段洞内 闭，ＴＢＭ机舱外粉尘较少，工人在平硐 积水主要以自流排水为主，特殊地段采用强制排水，确保洞内的ｌｌｌ￣ｉＮ施工。： 作业场所内空气质量与外部地面空气相 １、依靠科技攻关，优化方案，加强技术管理，提高信息化施工水平，突 当，作业环境大大改善。 出网络化、数据采集和处理自动化，积极推广 渐材料、新工艺和新技术 ， 总之，ＴＢＭ机在煤矿平硐施工中 ３ 快速掘进措施 实现不良地质段安全稳产；实行平行和流水作业保证答工序快速有序循环 ２、重点做好开挖、支护、出渣 材科运输各施工环节的协调、配台，将 具有对围岩破坏少、掘进速度高、作业 各工序之间的干扰碱小到最低。施工通风、供电，机械设备等环节加强管、 环境好，后续施工工序简化等优势，尤 用、养 修，使之得到充分保障． 其在以人为本，环保理念越来越被重视 １、由于隧洞地层存在渗水、涌水、构造应力和断层破碎带等地质灾害， 的今天，这些优点显得尤为重要。相信 ４ 巷道安全监测 会威胁隧洞施工和运行安全，ｉ圭｝行隧洞安全监狈 艮有必要； ＴＢＭ机在我国煤矿未来建设中的比重将 ２、本工程隧洞安全监测内容为隧洞收敛变形监、坝帅围岩松动圈监测； 会越来越大，其发展应用的前景十分广 ①设备选型：设备功能和性能指标与本工程设计、工 阔。但是，这种先进的现代化巷道掘进工艺如果要完全适 程地质符合性非常重要。涝坝湾煤矿副平硐选用ＺＴＥ６４２０ 应煤矿建设存在许多值得总结的地方，结合我矿ＴＢＭ机实 复合式硬岩掘进机，总体来说比较成功，满足工程建设需 际施工中遇到的问题，教训及建议如下： 要，但从工程实践看仍有许多改进之处，这一点在后述的 （１）ＴＢＭ机渣土外运十分困难，主要因ＴＢＭ机掘进中 经验教训中补充说明。 注入了大量润滑剂，导致渣土含水量增加，，Ｏｌ，ｔｌｌ￣渣土全部 ②基岩裂隙水、孔隙潜水和穿越地面石门子水库：副 成稀糊状，造成出洞口后渣土外排十分困难，特别是冬季 平硐沿线岩体中分布的泥质岩夹层具有相对隔水性，局部 外排更为困难。建议从源头控制住水量，降低渣土含水 有基岩裂隙水、孔隙潜水赋存，同时，平硐还需穿越石门 量。 子水库东边界下方６６ｍ处左右，对施工安全有巨大危害， （２）ＴＢＭ机施工对巷道地质勘探程度要求较高，翔实的 矿井突涌水预测和治理也是本工程的一个难点。 地勘资料，对设备选型及后期掘进更有利。而涝坝湾煤矿 ③ＴＢＭ机检修和保养非常关键：掘进机属于大型掘进 副平硐井筒地质勘探资料少，有一定局限性。所以做好巷 设备，主机和后配套均必须进行日常检修和保养。 道地勘是保证ＴＢＭ机快速掘进的基础。 ④长距离通风是创造良好施工环境的关键：煤矿副平 （３）建议ＴＢＭ机施工长距离巷道通风必须达到煤矿巷 硐受地形条件及工法的，无法布置通风支洞和竖井。 道掘进中风筒续接不停风和掘进面双风机双电源要求。同 特别是本工程属煤矿巷道，瓦斯等有害气体危害很大，因 时，满足国家执行的 煤矿安全规程 相关规范要求，实 此施工通风也是副平硐施工难点之一。 现煤矿巷道掘进中的风电闭锁和瓦斯电闭锁要求。 ⑤施工运输：洞内出渣运输和材料运输全部采用轨道 （４）建议解决ＴＢＭ机及后配套设备等非防爆问题以及隧 运输。 道施工队伍从事煤矿掘进工程的施工资质问题。 ⑥冬季施工：山区冬季严寒，气温多在２０℃以 （５）建议促进ＴＢＭ机自配的气体监测与煤矿安全监测系 下，混凝土施工、浆液拌合及施工供水必须采取保温措 统的科学无缝对接。 施，以保证冬季顺利施工。 ６结束语 ４．２工程重难点对策（见表２） 通过对涝坝湾煤矿副平硐工程ＴＢＭ机施工工艺初步 ５．经验教训及建议 研究，期望这种有益的尝试能够促进主要用于铁路隧道施 通过对涝坝湾煤矿ＴＢＭ机施工工艺初步研究，我们认 工的先进工艺顺利引入煤矿建设，为我国煤矿建设积累了 为ＴＢＭ硬岩掘进机是 宝贵的经验，为煤矿矿井建设以后的工作奠定了良好的基 一种集掘进、出渣、支护和通风除尘等诸多功能为一 础。 体的大型高效联合作业机械。与传统的钻爆法相比，具备 以下优点： 参考文献 ５．１ 机械化程度高，使用劳动力少，劳动强度低，作 ［１】雷升祥主编．斜井ＴＢＭ法施工技术．北京：中国铁道出版社， 业环境好，作业连续，效率高，可进行多种功能的一条龙 ２０１ ２． 作业，施工速度为钻爆法的５倍以上。 ［２］周文波．盾构法隧道施工技术及应用．北京：中国建筑工业出 ５．２对围岩扰动少，开挖轮廓超挖量少，减少支护 版社．２００４． 量，降低工程费用。避免了因爆破振动可能引起的围岩松 ［５】唐经世，唐元宁．掘进机与盾构机．北京：中国铁道出版社， 动坍塌，施工安全性大大提高。 ２Ｏ０９ 一８５一
