超大面積超深井巷道掘進(jìn)技術(shù)研究

超大面積超深井巷道掘進(jìn)技術(shù)研究

隨著能源需求的增加和資源開發(fā)強(qiáng)度的增加，國內(nèi)外煤礦逐漸進(jìn)入深度開采狀態(tài)。我國煤炭資源豐富,在未來相當(dāng)長時期內(nèi)煤炭仍然是我國的主要能源。根據(jù)目前資源開采狀況,我國煤礦開采深度以每年8~12m的速度遞增,東部礦井正以每年10~25m的速度發(fā)展向深部發(fā)展。近年來已有許多礦山相繼進(jìn)入深部開采,國有重點煤礦中,開采深度達(dá)1000m深礦井有數(shù)十處,最大采深已超過1300m。可以預(yù)計,在未來20a我國許多國有重點煤礦將相繼進(jìn)入到1000~1500m的深度或更深,稱之為超千米深井。在未來相當(dāng)長的一段時間里,超千米深井建設(shè)將是一種普遍現(xiàn)象。因此很有必要針對超千米深井巷道建設(shè)開展長遠(yuǎn)戰(zhàn)略性基礎(chǔ)研究。1rbm全段采樣rbm的提出1.1深部巷道圍巖支護(hù)體系煤礦巷道進(jìn)入超千米深部開拓和開采水平后,圍巖所處地質(zhì)環(huán)境劣化,地應(yīng)力增大、水頭壓力和涌水量加大、地溫梯度升高。受“三高一擾動”作用,高地應(yīng)力與低強(qiáng)度的矛盾突出,使深部巷道圍巖表現(xiàn)出特有的力學(xué)現(xiàn)象,導(dǎo)致突發(fā)性工程事故和重大災(zāi)變現(xiàn)象,非線性力學(xué)現(xiàn)象明顯增多(圖1),對深部巷道圍巖穩(wěn)定與施工安全控制提出了一系列嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由于深部巷道和淺部巷道圍巖的賦存條件和應(yīng)力環(huán)境存在根本差異,目前對深部巷道圍巖的變形破裂機(jī)理缺乏深入認(rèn)識和理解,淺部巷道建設(shè)形成的理論、設(shè)計方法和施工技術(shù)在進(jìn)入深部巷道建設(shè)后已逐步失效。目前在千米深度范圍內(nèi),巷道支護(hù)方式廣泛采用的是“錨-注-架”支護(hù)方式,但進(jìn)入超千米深部后,以“錨-注-架”為核心的支護(hù)體系已難以滿足要求。因此,必須盡快發(fā)展適應(yīng)深部巷道特點尤其是超千米深井巷道的掘進(jìn)技術(shù)和圍巖穩(wěn)定控制理論與技術(shù)。1.2煤礦通道的挖掘和維護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀1.2.1巖巷開挖技術(shù)現(xiàn)狀目前,國內(nèi)煤礦巖石巷道施工仍以鉆爆法為主,巖巷懸臂式掘進(jìn)機(jī)(綜掘機(jī))在我國處于探索階段。(1)全液壓鉆車在我國應(yīng)用情況常規(guī)鉆爆法即傳統(tǒng)的打眼、放炮掘進(jìn)方法,己有數(shù)百年的發(fā)展歷史。以鉆爆法為主的巖巷機(jī)械化作業(yè)線,主要有2種:一種是氣腿式鑿巖機(jī)配耙斗式或鏟斗式裝巖機(jī)作業(yè)線;另一種是全液壓鉆車配側(cè)卸裝巖機(jī)作業(yè)線。第1種在我國應(yīng)用較多,掘進(jìn)速度一般為60~70m/月。第2種在我國應(yīng)用較少,據(jù)統(tǒng)計,2005年全國重點煤礦全液壓鉆車在用臺數(shù)為27臺,掘進(jìn)進(jìn)尺為6200m。隨著鉆爆法開挖在國內(nèi)外大量地下工程中的廣泛應(yīng)用,該技術(shù)已相當(dāng)成熟,開挖速度也不斷地得到提高,一般月進(jìn)尺100~250m,常規(guī)鉆爆法具有以下優(yōu)點:適用性強(qiáng)、適用范圍廣;方便,當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件變化時可及時對施工方案進(jìn)行調(diào)整、靈活變化;設(shè)備運輸、組裝、拆卸方便,可回收重復(fù)利用;技術(shù)相對比較成熟,施工經(jīng)驗豐富,已形成了科學(xué)完整的工藝,便于掌握;成本低。但常規(guī)鉆爆法存在許多缺點:掘進(jìn)速度慢;施工工序繁雜;各工序干擾影響大;對圍巖擾動影響大,不利于圍巖穩(wěn)定;超欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重,斷面不規(guī)整;容易誘發(fā)沖擊地壓、巖爆、片幫等災(zāi)害;工人勞動強(qiáng)度高,施工環(huán)境惡劣,安全性差;施工質(zhì)量差,工程質(zhì)量控制難度大。(2)圍巖支護(hù)困難、掘進(jìn)效率低重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)(綜掘機(jī))用于大斷面巖巷的掘進(jìn)在我國處于試驗探索階段?；茨系V業(yè)集團(tuán)、新集能源股份公司、新汶礦業(yè)集團(tuán)及平頂山煤業(yè)集團(tuán)等企業(yè)先后引進(jìn)了佳木斯煤機(jī)廠、西安煤機(jī)廠的綜掘機(jī)和德國WAV300、奧地利AHM105、英國MK3型等重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)。但綜掘機(jī)(巖巷重型懸臂式掘進(jìn)機(jī))斷面成型困難,配套的后續(xù)支護(hù)不及時、圍巖變形控制困難,掘進(jìn)面除塵效果差。當(dāng)通過斷層破碎帶、地質(zhì)條件復(fù)雜的巖層時,極易趴“窩”,掘進(jìn)效率低。巖巷機(jī)械化高效掘進(jìn)是許多礦井巖巷掘進(jìn)面臨的技術(shù)“瓶頸”問題。1.2.2高強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)隨著礦井不斷向深部發(fā)展,各國均大力發(fā)展高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿支護(hù)技術(shù),推廣運用廣泛。目前,我國煤礦深部巷道圍巖支護(hù)廣泛采用的是“錨-注-架”支護(hù)體系———由高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索支護(hù),噴漿、注漿加固、U型鋼可縮性支架等若干種支護(hù)形式組成的聯(lián)合支護(hù)和卸壓技術(shù)等。但這些支護(hù)體系在超千米高地應(yīng)力軟弱圍巖區(qū)段將失效。德國是目前世界上煤礦開采深度最大的國家,主要礦井深度已達(dá)1200m,巷道支護(hù)采用的是錨桿、錨索、注漿和封閉型的鋼構(gòu)混凝土襯砌的多重高強(qiáng)聯(lián)合支護(hù),成本昂貴,推廣困難。德國的主要礦井現(xiàn)已停產(chǎn)。綜上,現(xiàn)有的掘進(jìn)和支護(hù)技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足超千米深井巷道建設(shè)對掘進(jìn)速度和圍巖穩(wěn)定性的要求。1.3單礦隧道開挖全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)TBM(FullFaceRockTunnelBoringMachine)(圖2)開挖是目前世界上最為先進(jìn)的隧洞開挖方法。1.3.1tbm特點(1)掘進(jìn)方面的優(yōu)點:掘進(jìn)速度快。全斷面開挖、出渣、支護(hù)以及灌漿等工藝同步進(jìn)行,一次成洞。可實現(xiàn)連續(xù)工作,施工效率高,掘進(jìn)速度一般為傳統(tǒng)鉆爆法的3~10倍,為綜掘速度的2~8倍,如2011年甘肅引洮工程7號隧洞護(hù)盾式TBM最大掘進(jìn)速率達(dá)1515m/月。(2)支護(hù)方面的優(yōu)點:(1)TBM施工其掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺非常小(可視為連續(xù)掘進(jìn)),能夠始終保持在低應(yīng)力條件下進(jìn)行,對圍巖擾動損傷小,開挖面平整規(guī)則,施工質(zhì)量高,有利于圍巖穩(wěn)定;(2)開挖斷面為圓形,圓形斷面受力狀態(tài)良好,能夠有效地避免或減少開挖后局部圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象,有利于圍巖穩(wěn)定;(3)使用管片支護(hù)(圖3)及TBM自帶的超前支護(hù),對TBM開挖后的圍巖支護(hù)效果良好。TBM在護(hù)盾末端安裝預(yù)制管片(圖3(a)),并使用灌漿機(jī)豆礫石漿液壁后回填(圖3(b)),使管片與圍巖緊密接觸,管片支護(hù)剛度大、強(qiáng)度高。(3)施工環(huán)境方面的優(yōu)點:(1)工作人員在護(hù)盾和管片的保護(hù)下工作,基本不與圍巖接觸,工作條件相對于常規(guī)鉆爆法和綜掘得到了很大改善,有利于施工人員的身體健康和生命安全;(2)施工噪音小,環(huán)境污染小,有利于環(huán)境保護(hù);(3)勞動強(qiáng)度低,有利于節(jié)省勞動力。(4)技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)點:對于長大深埋隧道,可以大大縮短工期,總體上比較經(jīng)濟(jì)。綜上,相對于常規(guī)鉆爆法,TBM開挖具有安全、優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)、有利于圍巖穩(wěn)定等優(yōu)點,因而廣泛用于輸水隧道工程以及山嶺隧道工程的建設(shè),并在許多工程中取得了良好的效益。1.3.2tbm設(shè)備的配置,TBM作為當(dāng)今世界上最為先進(jìn)的隧洞開挖設(shè)備,同時也存在一些缺點與不足:(1)對于不良工程地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差,不如常規(guī)鉆爆法靈活;(2)TBM設(shè)備的購置投入昂貴,維護(hù)費用高;(3)對工作人員的綜合素質(zhì)要求較高;(4)長隧道更能發(fā)揮TBM的優(yōu)越性,即要求達(dá)到一定的長徑比。1.3.3tbm在圍巖中的應(yīng)用國內(nèi)外隧洞實踐證明,當(dāng)隧洞長度與直徑之比大于600時,采用TBM進(jìn)行隧洞施工是經(jīng)濟(jì)的。TBM在山嶺隧道、引水隧洞以及城市地鐵中應(yīng)用廣泛。利用TBM成功開挖的圍巖基本上都是石灰?guī)r、砂巖等中硬巖。大直徑TBM在堅硬圍巖中的掘進(jìn)技術(shù)尚未完全成熟。此外,對于深埋長隧洞,不易于開挖支洞,采用TMB掘進(jìn)也較適宜。1.4比較當(dāng)前全球采礦和挖掘技術(shù)的比較1.4.1地質(zhì)條件適應(yīng)性通過以上各種掘進(jìn)、支護(hù)方式優(yōu)缺點分析及對許多煤礦巖巷現(xiàn)有掘進(jìn)方式和全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)掘進(jìn)實例的對比分析,可得出以下認(rèn)識:(1)掘進(jìn)速度:一般情況下,TBM施工掘進(jìn)速度為鉆爆法的3~10倍,為綜掘的2~8倍。(2)對地質(zhì)條件的適應(yīng)性:TMB掘進(jìn)對不良地質(zhì)條件敏感,適應(yīng)性較差,在復(fù)雜地質(zhì)條件下掘進(jìn)時容易出現(xiàn)各種工程地質(zhì)災(zāi)害,掘進(jìn)效率大大降低;常規(guī)爆破開挖法則比較靈活,可根據(jù)地質(zhì)條件、圍巖穩(wěn)定性情況靈活多變,及時調(diào)整施工方案,適應(yīng)性強(qiáng),可適用于各種地質(zhì)條件。綜掘機(jī)對地質(zhì)條件的適應(yīng)性介于鉆爆法和全斷面掘進(jìn)機(jī)之間。(3)圍巖穩(wěn)定性。全斷面掘進(jìn)機(jī)開挖斷面形狀為圓形,受力狀態(tài)較好,與隨著深度增加地應(yīng)力越趨向于靜水壓力狀態(tài)相得益彰;而鉆爆法和綜掘機(jī)開挖斷面形狀多為直墻半圓拱形或馬蹄形,受力條件較差,局部易出現(xiàn)應(yīng)力集中。開挖方式不同,對圍巖的擾動損傷程度不同。顯然爆破開挖對圍巖損傷擾動大,不利于圍巖穩(wěn)定。而全斷面掘進(jìn)機(jī)使用滾刀壓滾工作面破巖,對圍巖擾動小,有利于圍巖穩(wěn)定。全斷面掘進(jìn)機(jī)配備了多種支護(hù)方式(超前支護(hù)、注漿等),并能安裝高強(qiáng)度管片,比鉆爆法和綜掘的“錨-注-架”聯(lián)合支護(hù)強(qiáng)度高。且?guī)r巷常規(guī)開挖法中的支護(hù)往往不及時或是支護(hù)不到位,支護(hù)強(qiáng)度低,不適用于超千米深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制。(4)施工質(zhì)量:TBM法施工超欠挖現(xiàn)象少,斷面規(guī)整。且采用混凝土預(yù)制管片支護(hù),管片在預(yù)制車間流水線生產(chǎn)、蒸汽養(yǎng)護(hù),質(zhì)量可靠。鉆爆法超欠挖現(xiàn)象比較嚴(yán)重,斷面成形差,質(zhì)量難以控制。(5)施工環(huán)境:全斷面掘進(jìn)機(jī)開挖粉塵量小,施工環(huán)境好;而鉆爆法和綜掘開挖粉塵量大,需要經(jīng)常灑水降塵,施工環(huán)境差,且鉆爆法對圍巖擾動較大,容易誘發(fā)圍巖失穩(wěn)、巖爆等工程地質(zhì)災(zāi)害。1.4.2tbm與傳統(tǒng)鉆爆法比較(1)經(jīng)濟(jì)性:鉆爆法和綜掘開挖相對于全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)總體上比較經(jīng)濟(jì)一些。但對于超千米深井長大開拓巷道,采用鉆爆法或綜掘需要配備許多輔助設(shè)備和支護(hù)設(shè)備,還需要開挖大量聯(lián)絡(luò)巷道,這時采用TBM則整體上更為經(jīng)濟(jì)。(2)勞動力:TBM掘進(jìn)技術(shù)可節(jié)省大量勞動力,但對施工人員素質(zhì)要求較高;鉆爆法勞動強(qiáng)度高,需要勞動力多,勞動條件差。從前面的論述可以看出,常規(guī)鉆爆法具有技術(shù)相對成熟、易于根據(jù)條件變化調(diào)整施工方案等優(yōu)點,但掘進(jìn)速度慢、對圍巖的擾動大;全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)具有掘進(jìn)速度快、自動化程度高、對圍巖擾動小等優(yōu)點,但對地質(zhì)條件適應(yīng)性差、設(shè)備購置費用較高。1.5全段挖掘機(jī)滿足了煤礦開采一條深度走廊的需求1.5.1全斷面掘進(jìn)速度tbm現(xiàn)代化大型礦井建設(shè)期一般為2a左右,大型礦井的開拓大巷較長,要求巷道建設(shè)速度快、建設(shè)周期短,使得礦井建設(shè)部門面臨建設(shè)任務(wù)繁重的問題。為了追求巷道掘進(jìn)速度,許多巷道一味的強(qiáng)調(diào)進(jìn)尺,施工質(zhì)量差,且只進(jìn)行較簡單的支護(hù)。對于深部高地應(yīng)力軟巖巷道,在這種情況下巷道圍巖極易產(chǎn)生大變形破壞失穩(wěn),前期已掘巷道往往要經(jīng)歷多次巷道修復(fù),從而大大延長了建設(shè)周期,增加了工程投資,延誤了煤炭生產(chǎn),給煤礦帶來重大損失。在相同條件下,相對于常規(guī)爆破開挖和綜掘而言,全斷面掘進(jìn)機(jī)(TBM)掘進(jìn)速度為常規(guī)鉆爆法的3~10倍、為綜掘的2~8倍。若引進(jìn)全斷面掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道建設(shè),將極大地提高掘進(jìn)效率,縮短工期,為礦井帶來良好的效益。1.5.2巷道圍巖變形采用全斷面掘進(jìn)機(jī)支護(hù)的必要性由于對深部巷道圍巖的變形破裂機(jī)理缺乏深入認(rèn)識和理解,現(xiàn)有的以“錨-注-架”為核心的支護(hù)體系已難以滿足要求了。(1)掘進(jìn)方式有利于巷道圍巖穩(wěn)定。全斷面掘進(jìn)機(jī)(TBM)采用刀盤刀具滾壓破巖,對圍巖損傷擾動小,開挖面平整,施工質(zhì)量較高,有利于圍巖穩(wěn)定。(2)斷面形狀有利于巷道圍巖穩(wěn)定。從圖4可以看出,深部巷道變形后,自動趨向于圓形斷面發(fā)展。進(jìn)入超千米深部后,最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力更加趨近,全斷面掘進(jìn)機(jī)(TBM)開挖斷面為圓形,圓形斷面受力狀態(tài)良好,能夠有效地避免或減少開挖后局部圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象,有利于圍巖穩(wěn)定。(3)全斷面掘進(jìn)機(jī)的支護(hù)形式能夠?qū)鷰r進(jìn)行有效支護(hù)。全斷面掘進(jìn)機(jī)(TBM)能夠做到開挖與支護(hù)連續(xù)作業(yè),支護(hù)及時,使用管片支護(hù)(圖3(a)),管片剛度大,壁后灌漿(圖3(b))使得圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合,還能夠提供錨注聯(lián)合支護(hù),巷道穩(wěn)定能夠得到根本控制。1.5.3除塵除塵器設(shè)備全斷面掘進(jìn)機(jī)管理先進(jìn),配備的工作人員專業(yè)素質(zhì)高。全斷面掘進(jìn)機(jī)施工時,刀具破巖產(chǎn)生的粉塵被刀盤阻隔,且配備了專業(yè)的通風(fēng)除塵裝置,不至于蔓延到工作區(qū)間,對環(huán)境污染小,有利于環(huán)境保護(hù);工作人員在護(hù)盾和襯砌的保護(hù)下工作,基本不與圍巖接觸,工作環(huán)境相對于常規(guī)鉆爆法施工得到了很大改善,有利于施工人員的身體健康和生命安全。1.6現(xiàn)代大型礦山具有全斷面挖掘的條件1.6.1國神華集團(tuán)在形成巷道長徑比、長徑比中的應(yīng)用目前,隨著現(xiàn)代化大型礦井和特大型礦井的建設(shè),連接井底車場和采區(qū)的開拓大巷的長度大大增加,長達(dá)數(shù)公里。中國神華集團(tuán)在鄂爾多斯和榆林、神木礦區(qū)的部分礦井開拓大巷長度已經(jīng)超過6.5km,巷道長徑比已超過600。國內(nèi)外的實踐證明,當(dāng)隧洞長度與直徑之比大于600時,采用TBM進(jìn)行隧洞施工是經(jīng)濟(jì)的,我國已有許多大型或特大型礦井,如山西、淮南、內(nèi)蒙等礦區(qū)的部分開拓巷道的長徑比已達(dá)600~800,具備引進(jìn)全斷面掘進(jìn)機(jī)的條件。1.6.2引進(jìn)大型先進(jìn)設(shè)備現(xiàn)代化大型、特大型礦井擁有雄厚的資金,具備大資本投入的能力,有能力引進(jìn)大型先進(jìn)設(shè)備。全斷面掘進(jìn)機(jī)開挖、出渣、支護(hù)以及灌漿等工藝同步進(jìn)行,自帶支護(hù)設(shè)備,與鉆爆發(fā)和綜掘相比,可以大大節(jié)省施工設(shè)備成本。全斷面掘進(jìn)機(jī)開挖,勞動強(qiáng)度低,可節(jié)省大量勞動力,減少用工成本。1.7巷道掘進(jìn)和支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用前景曾在多個煤礦工程使用過全斷面掘進(jìn)機(jī)TBM施工,為全斷面掘進(jìn)機(jī)引入煤礦巷道建設(shè)提供了重要的數(shù)據(jù)和技術(shù)參考。我國首次將TBM引入煤礦巷道建設(shè)中的是1999年山西省鄉(xiāng)寧縣王家?guī)X礦井借鑒TBM在隧道中的成功運用最后選用TBM開挖超長平峒(10.8km)。山西大同集團(tuán)塔山礦在2005年礦井建設(shè)時已經(jīng)引入Robbins雙護(hù)盾TBM154-273掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)長3.5km的主平峒(主運輸巷)。在施工過程中,采用預(yù)制鋼筋砼輕枕代替管片,少部分Ⅳ,Ⅴ圍巖采用噴射混凝土加錨網(wǎng)的支護(hù)形式,工程取得了較好的施工效果。2010年神華集團(tuán)引入TBM建設(shè)運煤通道。2011年神華集團(tuán)計劃在新街臺格廟礦區(qū)使用TBM開挖長達(dá)7km的長距離斜井,并于9月28日,“神華TBM工法長距離斜井試驗工程可行性研究”在北京通過了專家論證會。原德國馬克公司(MannesmannDemagBergwerktechnik)(20世紀(jì)60—90年代)生產(chǎn)過用于煤礦的TBM掘進(jìn)機(jī),并設(shè)計了適用于煤礦支護(hù)用的設(shè)備,掘進(jìn)機(jī)還符合煤礦的防瓦斯標(biāo)準(zhǔn)。1986年起生產(chǎn)了用于中軟地層的MDS型、ADS型和HDS型盾構(gòu)和護(hù)盾式TBM。但該公司隨后因多種原因停止了該方向的生產(chǎn)制造和研究?；谏鲜龇治?可以得出以下結(jié)論:非常有必要發(fā)展超千米深井巷道掘進(jìn)新理論、新技術(shù);全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)(TBM)與現(xiàn)有的巷道掘進(jìn)、支護(hù)技術(shù)相比具有顯著優(yōu)點,且全斷面掘進(jìn)機(jī)滿足超千米深井巷道建設(shè)的需求,現(xiàn)代化大型礦井也具備引入全斷面掘進(jìn)機(jī)的條件,也有煤礦使用過全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的先例,因此筆者設(shè)想在解決所涉及的關(guān)鍵巖石力學(xué)和機(jī)械制造等問題的基礎(chǔ)上將全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)加以改進(jìn)引入到煤礦超千米深部巷道建設(shè),使之既保留TBM的優(yōu)點,同時又能滿足深部礦井開拓和開采的施工要求,便可以解決超千米深井巷道建設(shè)所遇到的困難。這樣的施工機(jī)械,稱其為全斷面巖石巷道掘進(jìn)機(jī)RBM(FullFaceRoadwayBoringMachine)。全斷面巖石巷道掘進(jìn)機(jī)(RBM)開挖支護(hù)技術(shù)將成為超千米深井巷道建設(shè)的首選和重要發(fā)展方向。2rbm需要解決超1000公里井的巖石力學(xué)問題2.1淺部平峒施工技術(shù)盡管在煤礦中使用過TBM,但是之前采用TBM掘進(jìn)的均為平峒,埋藏淺、地應(yīng)力小,而且圍巖大部分屬于Ⅱ,Ⅲ類,圍巖條件較好,與隧道中TBM施工區(qū)別不大。但深部巷道與淺部巷道圍巖的賦存條件和應(yīng)力環(huán)境存在根本差異,因此TBM在淺部平峒的施工理論技術(shù)很難適用于超千米深部巖石巷道建設(shè)。煤礦深部巖石巷道與交通隧道、引水隧洞存在許多不同之處,巷道只能根據(jù)礦床的賦存條件就地施工,線路選擇余地小,又由于巷道處于沉積巖地層,所遇到的圍巖主要有泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖等典型的軟弱巖層。并且受地質(zhì)構(gòu)造影響,地質(zhì)異常帶頻現(xiàn)。而在隧洞建設(shè)過程中,往往經(jīng)過詳細(xì)的工程勘察和充分論證后才確定線路,所以,通常TBM施工能夠避開大的地質(zhì)異常帶,而且施工中所遇到的巖石均一性要比在煤礦巷道中好得多,巖性變化不劇烈。而煤礦超千米深井巷道建設(shè)中,全斷面巖石巷道掘進(jìn)機(jī)(RBM)施工將遇到許多特殊的問題,如將面臨高地應(yīng)力、軟弱圍巖等問題,因此,對RBM的研究不能套用常規(guī)TBM的理論技術(shù),還需要進(jìn)一步深入研究。2.2rbm護(hù)盾被卡將全斷面掘進(jìn)機(jī)引入煤礦超千米深部巷道建設(shè),是一個系統(tǒng)工程,涉及學(xué)科復(fù)雜,將遇到許多巖石力學(xué)、機(jī)械制造和運輸組裝等問題。只有這些關(guān)鍵問題解決了,才能指導(dǎo)RBM的制造和施工。本文著重探討其需要解決的關(guān)鍵巖石力學(xué)問題。圖5,6為全斷面巖石巷道掘進(jìn)機(jī)的模型和縱剖面。RBM施工不如常規(guī)法靈活,在超千米深井使用RBM開挖巷道,由于巷道埋深大、地應(yīng)力高、圍巖較軟弱,高應(yīng)力與低強(qiáng)度的矛盾突出,圍巖變形量大,在部分區(qū)段可能出現(xiàn)圍巖擠壓性變形和高圍巖收斂量,極易超過開挖預(yù)留變形量(護(hù)盾與圍巖間隙),這將可能導(dǎo)致作用在護(hù)盾上的圍巖壓力過大,造成RBM護(hù)盾被卡,甚至導(dǎo)致護(hù)盾變形。而淺埋硬巖隧道TBM極少遇見卡盾問題。因此超千米深井RBM施工,將面臨其特有的問題———卡盾。由于煤礦深部巷道的建設(shè)環(huán)境與隧洞建設(shè)環(huán)境存在顯著差異,煤礦巷道圍巖較TBM隧道圍巖軟弱,巖性復(fù)雜多變,掘進(jìn)斷面圍巖往往軟硬不均,因此RBM施工將面臨另一關(guān)鍵問題———刀盤破巖問題。要解決的關(guān)鍵巖石力學(xué)問題為復(fù)雜多變地質(zhì)條件下RBM刀盤破巖機(jī)理、刀盤破巖的適應(yīng)性,給出合理的滾刀參數(shù)和滾刀布置方式。RBM的破巖機(jī)理與硬巖TBM破巖機(jī)理存在顯著不同。本論文重點分析RBM卡盾問題。圖7為RBM開挖的力學(xué)簡圖。RBM開挖時,護(hù)盾緊挨著刀盤,作為RBM機(jī)頭和機(jī)身的臨時支護(hù)。為了應(yīng)對圍巖擠壓變形,刀盤開挖時有一定的超挖量。進(jìn)行超挖的理由主要有2個方面:一是RBM機(jī)器轉(zhuǎn)向時要有超挖量為其提供轉(zhuǎn)向的空間;二是護(hù)盾與圍巖接觸前為圍巖變形預(yù)留一定空間,釋放更多的圍巖壓力,這是符合新奧法原理的。當(dāng)圍巖變形量超過RBM開挖預(yù)留變形量,以及RBM推進(jìn)系統(tǒng)的推力無法克服作用在RBM護(hù)盾上的圍巖壓力時,將導(dǎo)致RBM機(jī)身(護(hù)盾)被卡。RBM護(hù)盾被卡是由于圍巖擠壓大變形導(dǎo)致的,可以歸結(jié)為圍巖-護(hù)盾-支護(hù)相互作用的結(jié)果。研究護(hù)盾被卡問題可分為兩大部分:(1)卡盾機(jī)理;(2)卡盾的防治理論及防治措施。2.2.1必須解決的巖石力學(xué)問題(1)rbm開挖卸荷路徑下超養(yǎng)殖巷道圍巖擠壓變形機(jī)理RBM開挖后圍巖產(chǎn)生擠壓大變形,圍巖變形將使得圍巖與護(hù)盾間的間隙閉合,圍巖與護(hù)盾接觸并擠壓護(hù)盾,進(jìn)而使得護(hù)盾前移時護(hù)盾表面受到圍巖對它的摩擦阻力,當(dāng)護(hù)盾前移的推力無法克服所受的摩擦阻力時便發(fā)生卡機(jī)事故,可見,圍巖產(chǎn)生擠壓大變形是護(hù)盾被卡的必要條件。但RBM開挖卸荷路徑與常規(guī)鉆爆法存在很大差異,其擠壓變形機(jī)理與淺埋硬巖TBM開挖圍巖變形機(jī)理也存在顯著區(qū)別,因此,應(yīng)首先揭示RBM開挖卸荷路徑下超千米深井巷道圍巖擠壓變形機(jī)理。應(yīng)開展反映超千米深井巷道RBM開挖的高應(yīng)力軟弱圍巖RBM開挖卸荷路徑和卸荷速率下的三軸卸荷試驗及卸荷蠕變試驗,分析其瞬時力學(xué)響應(yīng)和長時流變力學(xué)特性及對圍巖的擾動損傷,建立卸荷彈塑性本構(gòu)模型和黏彈塑性本構(gòu)模型、強(qiáng)度準(zhǔn)則,揭示RBM開挖后圍巖擠壓變形機(jī)理。(2)圍巖變形規(guī)律為了揭示RBM卡盾機(jī)機(jī)理,必須計算出護(hù)盾周圍的圍巖變形量大小及其沿護(hù)盾長度方向的分布規(guī)律,從而得知從哪一點圍巖變形量超過護(hù)盾與圍巖間的預(yù)留變形量,即從該點起至護(hù)盾末端圍巖與護(hù)盾接觸并擠壓護(hù)盾。由于RBM掘進(jìn)存在2種工作狀態(tài):(1)連續(xù)不斷的掘進(jìn);(2)開挖暫停一段時間后重啟機(jī)器后再掘進(jìn)。因此,可將RBM卡盾分為連續(xù)掘進(jìn)和暫停機(jī)器一段時間后重啟機(jī)器再掘進(jìn)兩種工作狀態(tài)下的卡盾(圖8)。根據(jù)“Convergence-ConfinementMethod”理論,巷道開挖后,存在工作面空間效應(yīng)(FaceEffect),即工作面對巷道2~3倍跨度范圍內(nèi)圍巖變形具有空間約束效應(yīng)(圖8)。RBM的護(hù)盾相對開挖斷面尺寸較長,應(yīng)考慮工作面空間效應(yīng),工作面后方護(hù)盾周圍圍巖變形量是隨距離工作面距離變化的(圖9)。RBM開挖有超挖量ΔR,即預(yù)留的變形量ΔR?？拷ぷ髅嫣巼鷰r變形較小并未超過預(yù)留變形量ΔR,隨著距離工作面距離增大,圍巖變形量增大,當(dāng)圍巖表面位移超過開挖預(yù)留變形時,圍巖與護(hù)盾接觸,并擠壓護(hù)盾,要計算圍巖對護(hù)盾的擠壓力,必須先獲得護(hù)盾周圍巖體收斂變形沿巷道軸向方向的變化規(guī)律,計算出護(hù)盾周圍每一點的圍巖收斂量。深部高地應(yīng)力軟弱圍巖擠壓變形往往具有明顯的流變特性,表現(xiàn)為持續(xù)不斷的變形,收斂速度較慢。RBM較長時間的停機(jī)是非常有害的,由于圍巖流變特性,一次停機(jī)有可能導(dǎo)致原來未閉合的超挖間隙閉合了、原來閉合了的間隙由于圍巖流變作用使得圍巖對護(hù)盾的擠壓力隨時間不斷增大,造成更長時間的停機(jī)或護(hù)盾被卡。由此可知,RBM在擠壓性變形巷道中施工,護(hù)盾周圍的圍巖變形量和護(hù)盾所受的圍巖壓力是隨時間和隨距離開挖面空間而變化。為了預(yù)測判斷RBM的卡機(jī)狀態(tài),必須計算出護(hù)盾周圍巖體沿護(hù)盾長度方向的分布規(guī)律和隨時間的演化規(guī)律。如圖9所示,RBM連續(xù)掘進(jìn)工況下,掘進(jìn)速率較快,長度一般為8~15m的護(hù)盾周圍圍巖變形可以忽略其時間效應(yīng),只考慮其沿護(hù)盾長度方向的變化規(guī)律,選用卸荷彈塑性本構(gòu)模型。RBM在機(jī)器因檢修、休假等原因暫停一段時間后重啟機(jī)器工況下,計算護(hù)盾周圍圍巖變形量和圍巖壓力時除了考慮距離工作面的變化規(guī)律外,還應(yīng)考慮圍巖流變變形(時間效應(yīng)),選用卸荷黏彈塑性本構(gòu)模型。(3)圍巖支護(hù)時護(hù)盾受力分析計算護(hù)盾所受的圍巖壓力是判斷護(hù)盾是否被卡的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)護(hù)盾圍巖變形量超過開挖預(yù)留變形量,圍巖變形為塑性