可可蓋煤礦主副斜井TBM選型實踐

趙國良

(陜西延長石油榆林可可蓋煤業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

目前煤礦斜井建設通常采用鉆爆法施工，該方法施工進度慢(月進度70～100 m)，安全性差，對地質構造、涌水、圍巖松軟、泥化等地質條件的適應性差，安全生產管理難度大[1-3]。當巖石綜掘機施工在35 m2以上的大斷面井巷時，難以一次成巷，很少實現安全、高效、優質施工。針對傳統鉆爆法施工的諸多弊端，必須創新煤炭行業建井模式，推進煤礦斜井安全優質高效建設的重大技術變革，而盾構施工長距離斜井是解決這一系列問題的創新和突破[4-7]。盾構法施工集鉆、掘、護于一體，具有安全性高、應對復雜地層的能力強、施工進度快、井筒成型質量好、運營成本低的優點，月平均進尺在400 m以上。

1 工程概況

1.1 項目介紹

可可蓋煤礦位于國家規劃的陜北侏羅紀煤田榆橫礦區北區，行政區劃隸屬陜西省榆林市小紀汗鄉、岔河則鄉、馬合鎮管轄[8-10]。礦井設計生產能力10.00 Mt/a，服務年限93.0 a。礦井采用斜井開拓，西部工業場地集中布置主、副斜井。主副斜井工程擬采用明槽開挖+TBM工法施工。副斜井的長度為5 447 m，其中明槽段255 m，全斷面掘進機(TBM)施工段5 192 m，縱坡采用6°+平坡下行。主斜井長度5 420 m，其中明槽段255 m，TBM施工段5 165 m，縱坡采用5.6°下行。

1.2 工程地質條件

井田鉆孔揭露的地層自上而下還有白堊系下統洛河組，侏羅系中統安定組、直羅組、延安組地層。井田地質構造簡單，總體構造形態為一北西西向傾斜的單斜層，傾角小于1°。巖石耐磨性指數在1.26～2.55之間，井筒圍巖屬極低耐磨性等級。井筒圍巖鑿碎比功值在128.4～181.0之間，圍巖可鉆性為極易。最大水平主應力值為10.95～19.37 MPa，最小水平主應力值為7.91～13.23 MPa。

1.3 水文地質條件

根據地下水賦存的空間結構及含水介質劃分為5個含水巖層(組)和2個隔水巖層(組)，即第四系松散層孔隙潛水、白堊系下統洛河組孔隙裂隙承壓含水層、侏羅系中統安定組碎屑巖類裂隙承壓含水層、侏羅系中統直羅組碎屑巖類裂隙承壓含水層、侏羅系延安組碎屑巖類裂隙承壓水，第四系中更新統離石組隔水層、安定組上部泥巖類隔水層。當主副斜井開拓形成時，預估涌水量分別為7 139.95 m3/d、7 886.12 m3/d。斜井充水以頂板淋水和底板涌水為主要形式。相鄰小紀汗、巴拉素煤礦揭露2煤層時涌水量較大，水壓2～3 MPa，為靜態承壓水。井筒穿過地層統計見表1。

表1 井筒穿過地層統計

2 TBM設備選型

2.1 設備選型的條件

設備類型及使用范圍：TBM設備類型分為敞開式TBM、護盾式TBM、雙模式掘進機[11-14]。在發揮掘進速度的前提下，掘進機主要適用于以下地質條件。①敞開式掘進機主要適用于巖石整體較完整-完整，有較好自穩性的硬巖地層(50～150 MPa)。當采取有效支護手段并經論證，也可適用于軟巖隧道，但掘進速度應予以限制；②雙護盾式掘進機主要適用于巖體較完整，有一定自穩性的軟巖-硬巖地層(30～90 MPa)；③單護盾式掘進機主要適用于有一定自穩性的軟巖(5～60 MPa)。從斜井的總體布置、工程地質及水文地質條件、沿線環境條件、斜井襯砌結構、施工條件及工期等方面分析，選型時應重點考慮巖石的可掘性、開挖面的穩定性、開挖時洞壁穩定性、斷層破碎帶長度、擠壓地層的變形特征、支護類型等制約TBM施工性能等因素。

地質條件適應性：斜井淺層穿越的洛河組強-全風化層長度約1 800 m，白堊系強-全風化地層巖石飽和單軸抗壓強度為0 MPa，敞開式TBM依靠撐靴支撐在圍巖上提供反力，需要圍巖具有一定的抗壓強度，因此從地質條件考慮敞開式掘進機不適宜在本項目上應用。斜井穿越地層屬于軟巖，且上部白堊系洛河組強全風化地層穩定性差，宜采用護盾式TBM施工，特別是EPB&TBM 雙模式掘進機施工，可針對不同地層切換掘進模式，保證施工安全。對于深層穩定圍巖，采用加裝撐靴和噴錨設備進行掘進和支護。敞開式掘進機可根據不同地質條件采用不同的掘進參數，隨時調整。護盾式掘進機刀盤結構基本同敞開式，其掘進性能差別不大。

支護及掘進速度：敞開式掘進機在地質情況好的時候只需要進行錨噴作業，支護工作量小，速度快；地質情況較差時，需超前加固地層，支護工作量較大，速度慢。其掘進速度受地質影響較大，地質條件差時掘進速度慢。雙護盾掘進機可根據地質情況選擇掘進模式，支護速度快。其可根據地質情況調整掘進速度，受地質條件影響較小。單護盾掘進機采用管片支護，支護速度快。其支撐在管片上掘進，受地質條件影響較小，但支護與掘進不能同時進行，掘進速度較雙護盾慢。

應急處理的靈活性與速度：護盾式掘進機施工人員因有護盾保護，較敞開式掘進機安全。同時單護盾掘進機主機長度較雙護盾短，在軟巖大變形地層施工較為有利。敞開式掘進機在軟弱圍巖地層或遇到地質勘察未揭示的小型斷層、不整合接觸帶及大量的基巖裂隙水時，地下水、砂土會直接涌入作業空間，應急處理困難。護盾式掘進機在遇到上述未揭示的軟弱地質時，應急處理的靈活性也不夠，但是如果增加螺旋出土器后，在采用EPB&TBM雙模式掘進機時，可根據情況及時關閉艙門，轉變為螺旋出土，增加應急處理的靈活性。對于未查明的大變形地層，護盾式掘進機有被卡住的危險。但對比單護盾和雙護盾，因單護盾縮短了護盾的長度，增加了該類突發事件處理的靈活性，且處理時間較短。

2.2 選型確定

選型對比：以上幾種類型的TBM在本項目斜井的綜合比較見表2。

表2 TBM選型對比

選型分析：從地質條件看，斜井TBM段穿越的地層均為砂巖、泥巖，白堊系強-全風化地層巖石單軸抗壓強度為0 MPa，侏羅系巖層在9.42～50.7 MPa之間。斜井穿越地層屬于軟巖，地層雖發生突水的可能性小，但局部地層富水性較強，適合采用護盾式掘進機施工。從國內外經驗看，雙護盾TBM掘進速度快，應用范圍廣，但考慮到斜井井筒范圍均為軟巖，巖石強度不高，可能存在軟巖大變形的風險，雙護盾TBM盾體較長，軟巖大變形應急處理較單護盾差，本著安全可靠性為第一，掘進速度其次，因此斜井掘進機推薦采用單護盾TBM。另外，隧道洞口地段需穿越強-全風化白堊系洛河組地層，圍巖穩定性差。井筒圍巖屬于不穩定巖層，需要TBM具有穩定開挖面的能力，因此主副斜井選擇的TBM應具有土壓平衡功能。對于深層穩定圍巖采用噴錨支護，需加裝撐靴和噴錨設備。項目選用帶EPB模式的雙模單護盾TBM加裝撐靴和噴錨設備，在穿越淺層強-全風化巖層施工時采用EPB模式掘進，當開挖面具有自穩能力后轉換為TBM模式掘進。可以滿足淺層采用管片支護，深層采用噴錨支護的需求。

主要技術參數：刀盤直徑為7.6 m，刀盤轉速為5 r/min，刀盤驅動功率2 300 kW，滾刀50把，切刃齒刀60把，周邊切刃齒刀12把，另根據泡沫注入系統配置注入保護齒刀。為便于糾偏及處理軟巖大變形，刀盤外圍配置2把超挖刀，超挖量宜為5～10 cm；行程2.0 m。螺旋輸送機排土量在100%效率工況下不小于300 m3/h；月平均進尺約400 m、最高可達600 m。

3 結論

(1)從影響TBM施工的因素看，主、副斜井長度長、結構單一、工程地質與水文地質不存在限制施工的條件、施工場地開闊，現國內TBM機械制造、施工技術成熟，對于大坡度斜井TBM施工在國內外均有成功案例，主、副斜井采用TBM法施工方案可行。

(2)主、副井筒淺部風化巖層采用管片支護、深部穩定巖層采用錨噴支護方案，管片采用泄水降壓型鋼筋混凝土管片襯砌，其環內徑6.6 m，厚0.35 m，襯砌外徑7.3 m。錨噴支護結構采用外徑7.5 m，內徑7.2 m的圓形斷面，錨噴厚度150 mm，錨桿(索)、鋼筋網和噴射混凝土聯合支護，為便于施工組織仰拱塊采用預制結構。

(3)斜井掘進機選用帶EPB模式的單護盾雙模TBM并加裝撐靴和噴錨設備，在穿越洛河組強-全風化巖層施工時采用EPB模式掘進，管片支護，穿越下部穩定巖層時采用撐靴支撐圍巖提供反力，噴錨支護。

(4)主、副斜井各采用一臺TBM施工，常規施工工期各為27個月，其中TBM設計制造10個月、組裝調試2個月，TBM掘進12個月，拆卸硐室修建2個月，洞內拆卸1個月。

(5)主、副斜井TBM工程淺部風化巖層采用管片支護深部穩定巖層采用錨噴支護方案估算綜合延米單價5.72萬元/m。