煤礦巷道懸臂掘進機掘進施工技術研究

0 引言

在斷層破碎帶、高地應力等復雜地質條件下進行巷道開挖時，極易引起巷道坍塌、人員傷亡等問題。因此，針對巷道掘進技術及巷道穩定性的研究已逐漸成為當前熱點之一。近年來，我國已有大量學者研究圍巖變形問題，并取得了有益成果。周子寒等[通過巷道內縱向時間和空間效應，求解得到巷道支護時機，并通過調整支護時機使得巷道圍巖變形得到控制。丁秀麗等[2]分析了巷道圍巖大變形的由來與演變，研究了巷道圍巖大變形發生條件與力學機理，并將預測公式應用于實際工程。李松峰等[3為解決高地應力圍巖變形問題，采用加大預留圍巖變形量，不僅提高了圍巖穩定性，還取得了良好的經濟效益。潘銳等[4]以皇后嶺巷道為研究背景，通過現場數據監測與數值分析，研究了巷道初期支護圍巖變形與受力問題。王志龍等[5使用數值模擬軟件，研究了不同地應力條件、不同超前核心土加固長度與加固強度、不同支護剛度等條件下巷道圍巖的變形規律。

雖然目前我國學者對巷道圍巖變形問題研究較多，但關于懸臂掘進技術對圍巖變形影響的研究較少。本文基于懸臂式掘進機提出挖掘技術的改進方法，并對比研究銑挖法與傳統鉆爆法對圍巖變形的影響，試驗數據可為懸臂掘進技術提供理論依據與參考價值。

1工程概況

1.1 基本情況

某巷道DK289+941～DK391+134段，共計4個輔助坑道，最大埋深超過 800m ，最小埋深僅 23m. 。該標段內巷道主要穿越IⅢ級和IV級圍巖，其中IⅢ級圍巖占 28.9% IV級圍巖占 50.1% ，V級圍巖占 19.6% 。巷道主要穿越古生界泥盆系危關群上段、古生界泥盆系危關群下段。此外，研究區還有F2斷層破碎帶。

1.2工程地質條件

古生界泥盆系危關群上段主要由千枚巖、絹云石英千枚巖、炭質千枚巖組成，夾少量變質石英砂巖和石英巖，厚度大于 300m 。古生界泥盆系危關群下段主要由千枚巖、絹云石英千枚巖、含碳質千枚巖組成，夾少量變質石英砂巖和石英巖，厚度大于 400m 。

千枚巖呈灰至深灰色，礦物成分主要為石英、絹云母、綠泥石等，變晶結構，千枚狀構造，片理面具微弱的絲絹光澤，常見有白色石英脈，是巷道圍巖的主要構成。炭質千枚巖呈灰黑至黑色，礦物成份主要為絹云母、炭質等，變晶結構，千枚狀構造。

2軟巖變形特點及成因

2.1 軟巖變形特點

巷道掘進過程中，由于巷道穿越地層節理發育，且千枚巖和炭質千枚巖強度較低，掌子面周邊圍巖變形以塑性變形為主，導致巷道掌子面整體穩定性差。尤其在施工前期，巷道頂部圍巖局部溜塌現象頻發。

在初支未成環前，上部拱腰和拱頂發生較大擠壓和沉降變形，且難以控制，局部甚至出現初支開裂等不良現象。當施工擾動較大時，整個巷道變形發展快，拱頂沉降尤為顯著，嚴重影響巷道整體安全。

2.2軟巖變形成因

該巷道穿越的千枚巖和炭質千枚巖遇水易軟化，圍巖整體破碎、強度較低。巷道開挖會形成范圍較廣的臨空面，破壞了圍巖原有平衡。

研究區裂隙和節理發育，層間結合力整體不好。在開挖擾動、滲水等外力作用下，圍巖應力重分布，會產生較為嚴重的應力集中現象，導致巷道掌子面穩定性難以保證，極易發生失穩現象。另一反面，巷道掘進完成后初期支護不及時，圍巖可能發展成離散變形狀態，如遇滲水，將進一步加劇這種不利影響。

3施工控制技術

為有效控制軟巖大變形的問題，通過采用超前地質預報、強化超前支護措施等技術措施，保證巷道施工安全。

3.1采用超前地質預報技術

在巷道掘進前，采用超前地質預報儀對前方圍巖地質進行探測。利用懸臂掘進機切割圍巖產生的彈性波實為預報激發信號，通過疊加成像技術和反演解釋，獲得層析掃描三維圖像。層析掃描三維圖像如圖1所示。從圖1中可以看出，前方圍巖節理、裂隙發育，存在斷層破碎帶，圍巖整體呈碎裂結構，完整性較差。

圖1層析掃描三維圖像

3.2強化超前支護

針對圍巖較破碎、穩定性較差的標段，通過超前小導管進行注漿超前支護；針對巷道穿越斷層破碎帶等不良地質，通過超前小導管聯合大管棚進行超前支護。

3.3 施工方法優化

為減小圍巖施工擾動，在對圍巖進行超前注漿支護后，將三臺階鉆爆法優化為雙臺階懸臂掘進機開挖工藝。巷道掘進使用EBZ260H型懸臂式掘進機，該設備功率為444kW，截割功率 260k W，適應坡度 ±18^° 。為了使施工停放更方便，將上臺階的設計為長度 20m 、高度 5.8m 。下臺階長在 20m 之內，仰拱離掌子面距離維持在 40m 之內，以保護安全步距。在開挖上臺階時，預留核心土為梯形，高為 4.0m ，長為3.5m，上部寬為 2.2m ，底部寬為 4.8m 。

3.4應用鎖腳加固技術

采用錨固樁 + 雙鎖腳聯合支護體系，對巷道拱腳接頭進行加固。其中，鎖腳錨桿直徑為 42mm ，長度為 4m 每個節點布置4根鎖腳錨桿，并在拱架與鎖腳連接處使用鋼板一起焊接。錨固樁直徑為 89mm ，鉆孔直徑比樁徑大 17mm ，鉆孔深度為 70cm 。通過長度5m的鋼管進行注漿，鋼管軸線與水平線角度為 15^° 。

該技術通過增強鎖腳與錨固樁，將腳部集中荷載分散到周邊圍巖，增強腳部處圍巖強度和變形特性，減小圍巖變形與破壞。

3.5采用桁架縱向連接技術

將原設計的縱向鋼筋優化為前后錯置的桁架連接方式，該連接方式融合了剛性支護與跳躍式柔性連接特點，可以增加圍巖局部的抗剪性能與抗扭性能，有效提高初期支護的剛度與整體性。

3.6采用圍巖徑向注漿技術

通過徑向注漿加固圍巖，具體方案為：按梅花形布置注漿鋼管，鋼管兩個方向的間距均為 2m ，鋼管長度為7m，直徑為 42mm 。注漿水灰比為1：1，注漿壓力為2MPa。將干粉速凝劑加入水泥漿中，加快漿液固結，減小圍巖吸水，從而加快加固松動圈。

4改進前后對比分析

4.1 巷道變形對比

4.1.1邊墻累計水平變形對比

采取變形控制措施前后，繪制圍巖條件相近的兩個斷面的邊墻累計水平變形對比曲線。邊墻累計變形量如圖2所示。從圖2中可以看出，在未采取上述變形控制措施之前，隧道邊墻水平變形隨著掌子面的開挖，邊墻水平變形迅速增大。盡管隨著支護結構的架設，但邊墻累計水平變形降依舊超過 40cm ，可見巷道整體變形嚴重。

圖2邊墻累計變形量

當采取了上述變形控制措施后，隧道邊墻水平變形總體發展較為緩慢，只在掌子面開挖時有較大幅度增長。待巷道支護結束后，邊墻水平變形逐漸穩定，且累計水平變形較為改進前顯著降低，最大累計水平變形不超過20cm 。這是由于超前支護加固增加了掌子面圍巖的強度，提升了掌子面圍巖自身穩定性，且雙臺階懸臂掘進機開挖也減小了對圍巖的擾動。通過這些措施的實施，有效的降低了圍巖和混凝土的開裂掉落現象，成功避免了因變形問題導致的返工等情況。

4.1.2拱頂累計水平變形對比

采取變形控制措施前后，分別繪制巷道兩斷面的拱頂累計沉降及變形速率對比曲線。拱頂累計變形量如圖3所示，拱頂變形速率如圖4所示。

從圖3和圖4中可以看出，調整開挖工法后，采用懸臂掘進機開挖所引起的拱頂沉降以及對應的沉降速率，均明顯小于鉆爆法施工所造成的變形。在未采取控制措施前，拱頂范圍的累計沉降值在60～80cm間，最大沉降發生在巷道正上方拱底，且正上方拱頂沉降速率最大值近35mm/d。

而在采取了控制措施后，拱頂范圍的累計沉降值顯著降低，最大拱頂沉降不超過30cm ，且正上方拱頂沉降速率低于5mm/d。這是因為鉆爆法對圍巖的擾動大，尤其是在圍巖強度低的區段更為明顯。相比，采取懸臂機掘進后，其對周邊圍巖的擾動遠低于鉆爆法，且懸臂機掘進所引起的圍巖擾動處于改進后的支護結構體系承載范圍之內。

4.2超挖對比

懸臂機掘進與鉆爆法的線性超挖量和超挖率分別如圖5和圖6所示。由圖5和圖6所示可知，懸臂機掘進超挖厚度較小，大約為鉆爆法的一半。鉆爆法的平均線性超挖量超過 35cm ，而懸臂機掘進引起的平均線性超挖量低于 20cm 。同時，懸臂機掘進的超挖率也遠低于鉆爆法，斷面輪廓的成型效果更好，綜合經濟效益更高。

4.3施工效率對比

在使用EBZ260H型懸臂式掘進機后，巷道施工人員數量從原先的20人減少至5人，單個進尺的施工時間也由24h縮短至16h。每月的掘進長度從鉆爆法的30m提升至 55m 。可見，采取懸臂式掘進機不僅可以大幅降低人員傷亡風險，還能有效提升施工效率。

5結束語

本文依托某巷道為研究背景，針對軟弱圍巖大變形問題，采用了懸臂式掘進機施工工藝。針對軟巖大變形問題，提出了超前地質預報、強化超前加固支護、改進巷道開挖方法、徑向注漿加固圍巖等控制措施。

工程實踐表明，未采取變形控制措施前，邊墻累計水平變形達41cm，正上方拱頂累計沉降接近 80cm 。采取上述措施后，邊墻累計水平變形和正上方拱頂累計沉降顯著降低至19cm和 28cm ，有效降低了圍巖和混凝土的開裂掉落現象，避免了由變形帶來的返工等問題。

圖3拱頂累計變形量

圖4拱頂變形速率

圖5線性超挖量

圖6線性超挖率

在超挖控制方面，懸臂機掘進引起的超挖量約為鉆爆法的一半，且超挖率也遠低于鉆爆法，斷面輪廓的成型效果更好。施工效率方面，采用懸臂機掘進后，巷道施工人員數量顯著減少，施工速率提升了近一倍。

參考文獻

[1]周子寒，何川，陳子全，等.基于圍巖變形主動控制理念的隧道支護時機虛擬支撐力法[J].中國鐵道科學，2022，43（6）：76-88.

[2]丁秀麗，張雨霆，黃書嶺，等.隧洞圍巖大變形機制、擠壓大變形預測及應用[J].巖石力學與工程學報，2023，42（3）：521-544.

[3]李松峰，陳軍鋒.高地應力巷道圍巖變形控制方法[J].煤炭技術，2022，41（10）：33-35.

[4]潘銳，杜文正，程樺，等.隧道下穿采空區初期支護圍巖變形及受力研究[J].采礦與安全工程學報，2022，39（5）：901-910+920 =

[5]王志龍，趙大銘，嚴志偉，等.超前核心土加固對隧道圍巖變形規律的影響分析[J].地下空間與工程學報，2022，18（S1）：274-280+295