深井煤矿TBM掘进巷道围岩损伤区震波CT监测

唐彬 王传兵 侯俊领 宋海清 黎明镜 林键

摘 要：以张集煤矿TBM开挖1413A高抽巷为研究对象，通过平行于高抽巷的轨道顺槽，向高抽巷施工监测钻孔，利用震波CT监测技术，对TBM 掘进过程中围岩的开挖损伤区进行原位测试。基于对一系列不同时段波速场数据的综合分析，给出岩体的结构特性，得到巷道开挖全过程中围岩损伤区的产生和发展的演化过程，分析该施工条件下的开挖损伤区范围、裂隙演化与TBM 施工的关系，并探讨开挖损伤区的形成和演化机制。研究成果为现场支护设计、支护时机、围岩变形特性和地质资料分析提供直接依据。

关键词：TBM；损伤区；震波CT；岩巷掘进

中图分类号：TD325 文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2017）06-0021-06

Abstract：In this article， with TBM excavation 1413A high extraction lane in Zhangji Coal Mine selected as the object of the study， in-situ test was carried out with the excavation damage zone of surrounding rock in the TBM tunneling process by applying seismic CT monitoring through drilling boreholes from adjacent roadway. Base on comprehensive analysis of wave velocity data， the formation and evolution of excavation damage zone in the process of TBM excavation had been gained， the relationship between TBM excavation and range of excavation damage zone was analyzed， and the mechanics of excavation damage zone formation was explored. The research provides a basic database for rock damage behaviors study and support design.

Key words：TBM； excavation damage zone； seismic CT； roadway excavation

在高瓦斯礦井的采掘工程中，需在煤层顶底板岩层中施工大量的瓦斯抽采巷道[1]。目前煤矿岩巷掘进主要采用钻爆法施工，安全性差、劳动强度大、掘进效率低下，从而导致矿井采掘接替紧张，难以满足煤矿高效安全生产的需要[2-4]。

TBM （Tunnel Boring Machine）法是一种采用全断面岩石掘进机施工隧道的先进技术。文献[5-6]研制出首台全断面岩石掘进机以来，TBM 在隧道施工中已被普遍采用。我国自上世纪60 年代引入该技术以来，在铁路、公路、水利水电和城市地铁等隧道工程中得到推广应用[7-8]。采用TBM 施工的岩石隧道已取得月进1 000 m以上的成绩（山西万家寨引黄入晋工程），施工技术与工艺日渐成熟。与传统钻爆法相比，该工法具有安全、快速、经济和环保等优势[9-11]。

煤矿深部地层TBM开挖巷道围岩损伤区分布与演化特性既有别于之前采用TBM开挖的山岭隧道，也与钻爆法开挖的巷道有很大不同。对于山岭隧道，围岩多为花岗岩之类的火成岩，岩石强度高，围岩损伤区范围较小，而煤矿巷道围岩多为砂岩、泥岩等沉积岩，强度较低，受TBM开挖扰动较大。而与钻爆法开挖的煤矿深部巷道相比，TBM开挖巷道掘进扰动较小，但围岩中储存了更多的弹性能，在TBM掘进后应力释放较为缓慢，损伤区分布演化特征较为特殊。

目前对TBM开挖煤矿深部巷道的研究较少，本文通过震波CT技术，对TBM开挖煤矿深部巷道围岩损伤区分布和演化特征进行了分析研究。

1 工程概况

淮南矿区煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，开采水平深，矿井瓦斯绝对涌出量大。随着矿井生产能力的提高，井巷掘进工程量越来越大，其中岩巷工程量占巷道总进尺的30%以上。目前在淮南矿区硬岩巷道（巷道围岩f 值大于6）掘进中，由于综掘机掘进时截齿磨损严重、破岩能力不足、施工时粉尘较大等缺陷，巷道掘进基本上仍采用传统的钻爆法施工，在硬岩巷道中钻爆法掘进速度慢、安全性差，已严重地影响矿井的安全高效生产[12-13]。

为提高煤矿深部硬岩巷道掘进效率和安全性，研发了世界首台立井煤矿全断面硬岩掘进机，其技术特征为：使用刀盘一次掘进巷道全部断面，出渣系统自动排出碎矸，安装在刀盘后方的支护系统随后安装锚杆等其他支护设施；同时为适应高瓦斯矿井作业需求，采用防爆动力系统，符合《煤矿安全规程》要求；机器采用模块化设计，可将各子系统拆散通过井筒罐笼和井下运输设备运至始发硐室组装[14]，符合立井煤矿设备运输最大尺寸的要求。

试验巷道为张集矿北区 1413A 高抽巷。巷道已采用钻爆法施工894 m，剩余700 m，巷道直径453 m，巷道标高-465 m。巷道围岩主要为粉细砂岩、中砂岩，抗压强度2567～134 MPa，抗拉强度226～78 MPa，弹性模量2381～4488 GPa，泊松比0111～036。部分地层裂隙发育，并伴有泥岩。

巷道围岩整体稳定性较好，部分地层裂隙发育，并伴有泥岩夹层。为了给巷道围岩稳定性分析和支护设计提供依据，进行了高抽巷附近地应力测试工作。本次测试采用钻孔应力解除法，选用KX-81型空心包体应力计和传感器围岩率定机。实测结果为：最大主应力为216 MPa，方位角为13072°，最小主应力为132 MPa，方位角为22355°；最大主应力是最小主应力的164 倍，表明该处水平应力具有较强的方向性。

2 监测方案

2.1 监测技术原理

地震波在岩石介质中传播过程时，携带大量的地质信息，并通过波速、频率及振幅等特性表现出来，其波速变化主要决定于构成岩石物质的物理性质。在软弱岩体、破碎带、断层和陷落柱等地质异常体部位常有较低的波速响应，即地震波速与岩体的结构特征有显著的相关性。围岩受TBM掘进影响，其结构会发生相应的变形与破坏，地震波波速也会出现明显的减小或异常。因此利用地震波CT测试技术，通过波速场重建，从而揭示围岩损伤发育程度及范围等具体特征。

地震CT测试是进行走时成像，建立在射线理论基础上，地震波以射线的形式在介质中传播。把成像区域划分为一系列的矩形网格，此时投影数据即为地震波走时，图像向量为矩形网格内慢度的平均值fi，则有

公式（2）采用迭代方法求解。其具体过程可归纳如下：定义初始慢度模型；使用射线追踪技术计算理论走时；对比理论走时与观测走时，如果残差大于给定的误差，则改动慢度模型；重复上述操作直到残差满足所给的收敛条件为止。研究中速度反演时采用联合迭代法（Simultaneous Iterative Reconstruction Technique， SIRT）对方程组进行求解，SIRT算法与算术迭代（Algebraic reconstruction technique， ART）等方法相比，具有收敛性好、图像重建的分辨率高、对初值选取精度依赖程度低等优点[16]。孔间震波成像原理如图1所示。

地震波CT处理是以波的旅行时特性为基础，纵波先行到达且不受其它类型波干扰，易于识别与处理。通过初至拾取，得到纵波到达时间函数并进行CT反演。将网格划分参数及炮、检点位置坐标等输入到不同CT反演成像模块，进行SIRT迭代计算可得出CT反演结果。由于测试断而范围有限，反演区域仅为掘进工作而的部分区域，网格单元划分为02 m×02 m。

2.2 监测钻孔布置

根据TBM掘进围岩应力损伤探测任务及施工条件，现场在1413A工作面轨道顺槽布置3个震波CT监测钻孔，共施工3个平行的监测孔，三个钻孔的孔口标高为-489 m，控制垂高30 m，控制平距40 m，钻孔长度50 m，设计角度38°，三组平行钻孔间距分别为22 m、23 m，控制巷道走向水平距离55 m范围内的围岩应力变化区域。钻孔布置如图2所示，钻孔参数如表1所示。

2.3 监测设备

Miniseis 24 综合工程探测仪是一款内置锂离子电池，具有24个高精度记录道的综合地震勘探系统。该系统内置高性能计算机用于进行数据采集系统的管理以及数据的管理，同时保留了计算机所有功能。Miniseis 24综合工程探测系统采用ΔΣ24位高精度、高速模数转换器，仪器具有最小25 μm的采样间隔和131 dB的动态范围。监测设备如图3所示。

3 监测结果及分析

震波CT资料的处理与解释以波的旅行时间特性为基础，纵波先行到达且不受其它类型波干扰，具有速度最高、频率高的特点，较易识别与处理；横波特征为能量大、频率低、波组特征明显。震波CT监测以纵波速度和横波速度CT切片为主进行解释。

具体来说，地震波在介质中传播，当介质均匀分布时，震波波速分布也较为均匀。当介质中出现构造异常时，速度值就会相应表现出增加或者减小，通常破碎的區域表现为低速区域。当介质受应力变化时，波速也会相应变化。如果介质受到压应力，则波速相应增大；当介质受到拉应力时，波速会相应减小。

3.1 单孔波速监测

数据采集时间，自2015年1月28日起，截止至2015年3月4日，共采集1#、2#、3#三个平行钻孔数据18组。TBM掘进过程中，3#钻孔将会首先受到扰动影响。

单孔波速图是以孔口为炮点，根据震波到达各个传感器的时间不同，计算波速。在致密的介质中，波速较大；介质较软或者受到破坏时波速会相应较小。

从图4（a）可以看出，当TBM掘进机相对孔较远时，波速基本没有发生变化。在孔口附近，由于破碎或者注浆不密实，致使孔口波速较小。当传感器在煤层时，相对于砂岩层，煤层中的速度较低，砂岩层速度较高。在2月10日，同一传感器所在位置，波速减小。对比TBM掘进记录可知，由于TBM已接近孔口，致使波速减小。

由图4（b）可以看出，在2月12日以后，波速整体减小，对比轨道顺槽其他两孔单孔记录，当掘进机经过2#孔后，波速无明显变化。出现该情况的原因为，当巷道掘进后，致使原来的岩层应力重新分布，当应力达到稳定后，波速不再变化。

如图4（c）所示，2月12日以后，1#单孔波速在30～35 m位置明显减小，这是由于TBM到达1#孔后重新改变了该区域应力分布情况，使该位置波速发生明显变化。

该趋势与3#孔对应性较好，对比同孔定点式应变传感光纤的应变分布图，由于在35 m左右表现为拉应变，使得波速降低，在45 m左右变现为压应变，使得波速较高。

3.2 多孔波速监测

图5为TBM掘进各阶段的三孔震波CT切片图，在1月28日，由于TBM距三个监测钻孔较远，波速较均一，由于钻孔穿过的岩层岩性不一致，使得波速值不同，但在同一岩层中，波速分布均匀，说明岩石介质在水平方向上分布均匀。

在2月10日，TBM掘进机已接近3#钻孔，在图5（b）中可以看出，由于TBM掘进机离3#钻孔较近，距1#、2#钻孔较远，3#孔波速发生变化。在孔底波速减小，这是由于TBM掘进时，3#孔底受力减小，使得波速降低；1#、2#孔速度无明显变化，说明TBM掘进机掘进时还未对1#、2#钻孔的监测区域造成明显的扰动。2月11日时，TBM掘进机已经过3#孔299 m，3#孔周边应力重新分布，波速逐渐稳定，此时TBM掘进机刚经过2#孔，因此对2#孔的波速值影响较大。3月4日，TBM掘进机已远离3个钻孔，应力分布达到平衡，波速重新达到稳定状态。

3.3 监测分析

图6所示为1#孔2月12日波速变化图，根据震波波速的变化情况，得出了TBM在掘进过程中对震波速度的影响范围。通过对震波速度的影响，可以得出TBM在掘进过程中对围岩的影响范围约为10m，而开挖损伤区半径在3 m左右。

由以上监测结果可以得出，由于TBM掘进机的快速掘进和支护，TBM掘进对围岩的超前影响范围较小。当TBM掘进至监测钻孔处时，围岩损伤区开始出现，在TBM通过钻孔测试位置5m左右以后，监测到明显的损伤区。这与钻爆法开挖施工中，超前影响较大，损伤区在掌子面前方，且损伤区发育速度较快的特征有着较大不同。出现这种情况的原因主要有：

1） 相比钻爆法开挖，TBM开挖对围岩扰动较小，超前影响范围小；

2） 钻爆法爆破施工产生的强烈的冲击荷载，使得围岩中的封闭应力得以松弛，较为完全地释放了围岩中的弹性能。而TBM开挖时，对围岩的挤压破坏并不明显，开挖后，存储在围岩中的弹性能缓慢释放，围岩的损伤主要来自于围岩的卸载破坏；

3） 由于TBM掘进速度快，对围岩扰动小，当围岩卸载，释放弹性能时，TBM已经向前掘进了一段距离，因此损伤区在TBM开挖掌子面的后方出现，并持续发育，直至围岩重新平衡，损伤区范围趋于稳定。

5 结论

1）TBM开挖对掘进面超前损伤的影响较小，损伤区在掌子面后方滞后出现、发育并最终趋于稳定。

2）在巷道径向方向上，损伤区范围为3m左右，塑性区范围为10 m左右。

3）TBM掘进的同时进行及时支护，可有效控制损伤区发育，并保证巷道围岩的稳定性和巷道掘进的安全性。

4）TBM掘进对围岩扰动较小，掘进效率高，适用在煤矿硬岩地层中长距离巷道的施工。

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（责任编辑：李 丽，吴晓红，编辑：丁 寒）