趙國(guó)良

(陜西延長(zhǎng)石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

目前煤礦斜井建設(shè)通常采用鉆爆法施工，該方法施工進(jìn)度慢(月進(jìn)度70～100 m)，安全性差，對(duì)地質(zhì)構(gòu)造、涌水、圍巖松軟、泥化等地質(zhì)條件的適應(yīng)性差，安全生產(chǎn)管理難度大[1-3]。當(dāng)巖石綜掘機(jī)施工在35 m2以上的大斷面井巷時(shí)，難以一次成巷，很少實(shí)現(xiàn)安全、高效、優(yōu)質(zhì)施工。針對(duì)傳統(tǒng)鉆爆法施工的諸多弊端，必須創(chuàng)新煤炭行業(yè)建井模式，推進(jìn)煤礦斜井安全優(yōu)質(zhì)高效建設(shè)的重大技術(shù)變革，而盾構(gòu)施工長(zhǎng)距離斜井是解決這一系列問(wèn)題的創(chuàng)新和突破[4-7]。盾構(gòu)法施工集鉆、掘、護(hù)于一體，具有安全性高、應(yīng)對(duì)復(fù)雜地層的能力強(qiáng)、施工進(jìn)度快、井筒成型質(zhì)量好、運(yùn)營(yíng)成本低的優(yōu)點(diǎn)，月平均進(jìn)尺在400 m以上。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目介紹

可可蓋煤礦位于國(guó)家規(guī)劃的陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)北區(qū)，行政區(qū)劃隸屬陜西省榆林市小紀(jì)汗鄉(xiāng)、岔河則鄉(xiāng)、馬合鎮(zhèn)管轄[8-10]。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10.00 Mt/a，服務(wù)年限93.0 a。礦井采用斜井開(kāi)拓，西部工業(yè)場(chǎng)地集中布置主、副斜井。主副斜井工程擬采用明槽開(kāi)挖+TBM工法施工。副斜井的長(zhǎng)度為5 447 m，其中明槽段255 m，全斷面掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工段5 192 m，縱坡采用6°+平坡下行。主斜井長(zhǎng)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(zhì)條件

井田鉆孔揭露的地層自上而下還有白堊系下統(tǒng)洛河組，侏羅系中統(tǒng)安定組、直羅組、延安組地層。井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體構(gòu)造形態(tài)為一北西西向傾斜的單斜層，傾角小于1°。巖石耐磨性指數(shù)在1.26～2.55之間，井筒圍巖屬極低耐磨性等級(jí)。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(yīng)力值為10.95～19.37 MPa，最小水平主應(yīng)力值為7.91～13.23 MPa。

1.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水賦存的空間結(jié)構(gòu)及含水介質(zhì)劃分為5個(gè)含水巖層(組)和2個(gè)隔水巖層(組)，即第四系松散層孔隙潛水、白堊系下統(tǒng)洛河組孔隙裂隙承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)安定組碎屑巖類(lèi)裂隙承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組碎屑巖類(lèi)裂隙承壓含水層、侏羅系延安組碎屑巖類(lèi)裂隙承壓水，第四系中更新統(tǒng)離石組隔水層、安定組上部泥巖類(lèi)隔水層。當(dāng)主副斜井開(kāi)拓形成時(shí)，預(yù)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(jì)汗、巴拉素煤礦揭露2煤層時(shí)涌水量較大，水壓2～3 MPa，為靜態(tài)承壓水。井筒穿過(guò)地層統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 井筒穿過(guò)地層統(tǒng)計(jì)

2 TBM設(shè)備選型

2.1 設(shè)備選型的條件

設(shè)備類(lèi)型及使用范圍：TBM設(shè)備類(lèi)型分為敞開(kāi)式TBM、護(hù)盾式TBM、雙模式掘進(jìn)機(jī)[11-14]。在發(fā)揮掘進(jìn)速度的前提下，掘進(jìn)機(jī)主要適用于以下地質(zhì)條件。①敞開(kāi)式掘進(jìn)機(jī)主要適用于巖石整體較完整-完整，有較好自穩(wěn)性的硬巖地層(50～150 MPa)。當(dāng)采取有效支護(hù)手段并經(jīng)論證，也可適用于軟巖隧道，但掘進(jìn)速度應(yīng)予以限制；②雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)主要適用于巖體較完整，有一定自穩(wěn)性的軟巖-硬巖地層(30～90 MPa)；③單護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)主要適用于有一定自穩(wěn)性的軟巖(5～60 MPa)。從斜井的總體布置、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、沿線環(huán)境條件、斜井襯砌結(jié)構(gòu)、施工條件及工期等方面分析，選型時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮巖石的可掘性、開(kāi)挖面的穩(wěn)定性、開(kāi)挖時(shí)洞壁穩(wěn)定性、斷層破碎帶長(zhǎng)度、擠壓地層的變形特征、支護(hù)類(lèi)型等制約TBM施工性能等因素。

地質(zhì)條件適應(yīng)性：斜井淺層穿越的洛河組強(qiáng)-全風(fēng)化層長(zhǎng)度約1 800 m，白堊系強(qiáng)-全風(fēng)化地層巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為0 MPa，敞開(kāi)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(qiáng)度，因此從地質(zhì)條件考慮敞開(kāi)式掘進(jìn)機(jī)不適宜在本項(xiàng)目上應(yīng)用。斜井穿越地層屬于軟巖，且上部白堊系洛河組強(qiáng)全風(fēng)化地層穩(wěn)定性差，宜采用護(hù)盾式TBM施工，特別是EPB&TBM 雙模式掘進(jìn)機(jī)施工，可針對(duì)不同地層切換掘進(jìn)模式，保證施工安全。對(duì)于深層穩(wěn)定圍巖，采用加裝撐靴和噴錨設(shè)備進(jìn)行掘進(jìn)和支護(hù)。敞開(kāi)式掘進(jìn)機(jī)可根據(jù)不同地質(zhì)條件采用不同的掘進(jìn)參數(shù)，隨時(shí)調(diào)整。護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)基本同敞開(kāi)式，其掘進(jìn)性能差別不大。

支護(hù)及掘進(jìn)速度：敞開(kāi)式掘進(jìn)機(jī)在地質(zhì)情況好的時(shí)候只需要進(jìn)行錨噴作業(yè)，支護(hù)工作量小，速度快；地質(zhì)情況較差時(shí)，需超前加固地層，支護(hù)工作量較大，速度慢。其掘進(jìn)速度受地質(zhì)影響較大，地質(zhì)條件差時(shí)掘進(jìn)速度慢。雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)可根據(jù)地質(zhì)情況選擇掘進(jìn)模式，支護(hù)速度快。其可根據(jù)地質(zhì)情況調(diào)整掘進(jìn)速度，受地質(zhì)條件影響較小。單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)采用管片支護(hù)，支護(hù)速度快。其支撐在管片上掘進(jìn)，受地質(zhì)條件影響較小，但支護(hù)與掘進(jìn)不能同時(shí)進(jìn)行，掘進(jìn)速度較雙護(hù)盾慢。

應(yīng)急處理的靈活性與速度：護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)施工人員因有護(hù)盾保護(hù)，較敞開(kāi)式掘進(jìn)機(jī)安全。同時(shí)單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)主機(jī)長(zhǎng)度較雙護(hù)盾短，在軟巖大變形地層施工較為有利。敞開(kāi)式掘進(jìn)機(jī)在軟弱圍巖地層或遇到地質(zhì)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(shí)，地下水、砂土?xí)苯佑咳胱鳂I(yè)空間，應(yīng)急處理困難。護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)在遇到上述未揭示的軟弱地質(zhì)時(shí)，應(yīng)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(jìn)機(jī)時(shí)，可根據(jù)情況及時(shí)關(guān)閉艙門(mén)，轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪鐾?，增加?yīng)急處理的靈活性。對(duì)于未查明的大變形地層，護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)有被卡住的危險(xiǎn)。但對(duì)比單護(hù)盾和雙護(hù)盾，因單護(hù)盾縮短了護(hù)盾的長(zhǎng)度，增加了該類(lèi)突發(fā)事件處理的靈活性，且處理時(shí)間較短。

2.2 選型確定

選型對(duì)比：以上幾種類(lèi)型的TBM在本項(xiàng)目斜井的綜合比較見(jiàn)表2。

表2 TBM選型對(duì)比

選型分析：從地質(zhì)條件看，斜井TBM段穿越的地層均為砂巖、泥巖，白堊系強(qiáng)-全風(fēng)化地層巖石單軸抗壓強(qiáng)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(fā)生突水的可能性小，但局部地層富水性較強(qiáng)，適合采用護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)施工。從國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)看，雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)速度快，應(yīng)用范圍廣，但考慮到斜井井筒范圍均為軟巖，巖石強(qiáng)度不高，可能存在軟巖大變形的風(fēng)險(xiǎn)，雙護(hù)盾TBM盾體較長(zhǎng)，軟巖大變形應(yīng)急處理較單護(hù)盾差，本著安全可靠性為第一，掘進(jìn)速度其次，因此斜井掘進(jìn)機(jī)推薦采用單護(hù)盾TBM。另外，隧道洞口地段需穿越強(qiáng)-全風(fēng)化白堊系洛河組地層，圍巖穩(wěn)定性差。井筒圍巖屬于不穩(wěn)定巖層，需要TBM具有穩(wěn)定開(kāi)挖面的能力，因此主副斜井選擇的TBM應(yīng)具有土壓平衡功能。對(duì)于深層穩(wěn)定圍巖采用噴錨支護(hù)，需加裝撐靴和噴錨設(shè)備。項(xiàng)目選用帶EPB模式的雙模單護(hù)盾TBM加裝撐靴和噴錨設(shè)備，在穿越淺層強(qiáng)-全風(fēng)化巖層施工時(shí)采用EPB模式掘進(jìn)，當(dāng)開(kāi)挖面具有自穩(wěn)能力后轉(zhuǎn)換為T(mén)BM模式掘進(jìn)?？梢詽M(mǎn)足淺層采用管片支護(hù)，深層采用噴錨支護(hù)的需求。

主要技術(shù)參數(shù)：刀盤(pán)直徑為7.6 m，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為5 r/min，刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)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(jù)泡沫注入系統(tǒng)配置注入保護(hù)齒刀。為便于糾偏及處理軟巖大變形，刀盤(pán)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(jī)排土量在100%效率工況下不小于300 m3/h；月平均進(jìn)尺約400 m、最高可達(dá)600 m。

3 結(jié)論

(1)從影響TBM施工的因素看，主、副斜井長(zhǎng)度長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)單一、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)不存在限制施工的條件、施工場(chǎng)地開(kāi)闊，現(xiàn)國(guó)內(nèi)TBM機(jī)械制造、施工技術(shù)成熟，對(duì)于大坡度斜井TBM施工在國(guó)內(nèi)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(fēng)化巖層采用管片支護(hù)、深部穩(wěn)定巖層采用錨噴支護(hù)方案，管片采用泄水降壓型鋼筋混凝土管片襯砌，其環(huán)內(nèi)徑6.6 m，厚0.35 m，襯砌外徑7.3 m。錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)采用外徑7.5 m，內(nèi)徑7.2 m的圓形斷面，錨噴厚度150 mm，錨桿(索)、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，為便于施工組織仰拱塊采用預(yù)制結(jié)構(gòu)。

(3)斜井掘進(jìn)機(jī)選用帶EPB模式的單護(hù)盾雙模TBM并加裝撐靴和噴錨設(shè)備，在穿越洛河組強(qiáng)-全風(fēng)化巖層施工時(shí)采用EPB模式掘進(jìn)，管片支護(hù)，穿越下部穩(wěn)定巖層時(shí)采用撐靴支撐圍巖提供反力，噴錨支護(hù)。

(4)主、副斜井各采用一臺(tái)TBM施工，常規(guī)施工工期各為27個(gè)月，其中TBM設(shè)計(jì)制造10個(gè)月、組裝調(diào)試2個(gè)月，TBM掘進(jìn)12個(gè)月，拆卸硐室修建2個(gè)月，洞內(nèi)拆卸1個(gè)月。

(5)主、副斜井TBM工程淺部風(fēng)化巖層采用管片支護(hù)深部穩(wěn)定巖層采用錨噴支護(hù)方案估算綜合延米單價(jià)5.72萬(wàn)元/m。