可可盖煤矿主副斜井TBM选型实践

赵国良

(陕西延长石油榆林可可盖煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

目前煤矿斜井建设通常采用钻爆法施工，该方法施工进度慢(月进度70～100 m)，安全性差，对地质构造、涌水、围岩松软、泥化等地质条件的适应性差，安全生产管理难度大[1-3]。当岩石综掘机施工在35 m2以上的大断面井巷时，难以一次成巷，很少实现安全、高效、优质施工。针对传统钻爆法施工的诸多弊端，必须创新煤炭行业建井模式，推进煤矿斜井安全优质高效建设的重大技术变革，而盾构施工长距离斜井是解决这一系列问题的创新和突破[4-7]。盾构法施工集钻、掘、护于一体，具有安全性高、应对复杂地层的能力强、施工进度快、井筒成型质量好、运营成本低的优点，月平均进尺在400 m以上。

1 工程概况

1.1 项目介绍

可可盖煤矿位于国家规划的陕北侏罗纪煤田榆横矿区北区，行政区划隶属陕西省榆林市小纪汗乡、岔河则乡、马合镇管辖[8-10]。矿井设计生产能力10.00 Mt/a，服务年限93.0 a。矿井采用斜井开拓，西部工业场地集中布置主、副斜井。主副斜井工程拟采用明槽开挖+TBM工法施工。副斜井的长度为5 447 m，其中明槽段255 m，全断面掘进机(TBM)施工段5 192 m，纵坡采用6°+平坡下行。主斜井长度5 420 m，其中明槽段255 m，TBM施工段5 165 m，纵坡采用5.6°下行。

1.2 工程地质条件

井田钻孔揭露的地层自上而下还有白垩系下统洛河组，侏罗系中统安定组、直罗组、延安组地层。井田地质构造简单，总体构造形态为一北西西向倾斜的单斜层，倾角小于1°。岩石耐磨性指数在1.26～2.55之间，井筒围岩属极低耐磨性等级。井筒围岩凿碎比功值在128.4～181.0之间，围岩可钻性为极易。最大水平主应力值为10.95～19.37 MPa，最小水平主应力值为7.91～13.23 MPa。

1.3 水文地质条件

根据地下水赋存的空间结构及含水介质划分为5个含水岩层(组)和2个隔水岩层(组)，即第四系松散层孔隙潜水、白垩系下统洛河组孔隙裂隙承压含水层、侏罗系中统安定组碎屑岩类裂隙承压含水层、侏罗系中统直罗组碎屑岩类裂隙承压含水层、侏罗系延安组碎屑岩类裂隙承压水，第四系中更新统离石组隔水层、安定组上部泥岩类隔水层。当主副斜井开拓形成时，预估涌水量分别为7 139.95 m3/d、7 886.12 m3/d。斜井充水以顶板淋水和底板涌水为主要形式。相邻小纪汗、巴拉素煤矿揭露2煤层时涌水量较大，水压2～3 MPa，为静态承压水。井筒穿过地层统计见表1。

表1 井筒穿过地层统计

2 TBM设备选型

2.1 设备选型的条件

设备类型及使用范围：TBM设备类型分为敞开式TBM、护盾式TBM、双模式掘进机[11-14]。在发挥掘进速度的前提下，掘进机主要适用于以下地质条件。①敞开式掘进机主要适用于岩石整体较完整-完整，有较好自稳性的硬岩地层(50～150 MPa)。当采取有效支护手段并经论证，也可适用于软岩隧道，但掘进速度应予以限制；②双护盾式掘进机主要适用于岩体较完整，有一定自稳性的软岩-硬岩地层(30～90 MPa)；③单护盾式掘进机主要适用于有一定自稳性的软岩(5～60 MPa)。从斜井的总体布置、工程地质及水文地质条件、沿线环境条件、斜井衬砌结构、施工条件及工期等方面分析，选型时应重点考虑岩石的可掘性、开挖面的稳定性、开挖时洞壁稳定性、断层破碎带长度、挤压地层的变形特征、支护类型等制约TBM施工性能等因素。

地质条件适应性：斜井浅层穿越的洛河组强-全风化层长度约1 800 m，白垩系强-全风化地层岩石饱和单轴抗压强度为0 MPa，敞开式TBM依靠撑靴支撑在围岩上提供反力，需要围岩具有一定的抗压强度，因此从地质条件考虑敞开式掘进机不适宜在本项目上应用。斜井穿越地层属于软岩，且上部白垩系洛河组强全风化地层稳定性差，宜采用护盾式TBM施工，特别是EPB&TBM 双模式掘进机施工，可针对不同地层切换掘进模式，保证施工安全。对于深层稳定围岩，采用加装撑靴和喷锚设备进行掘进和支护。敞开式掘进机可根据不同地质条件采用不同的掘进参数，随时调整。护盾式掘进机刀盘结构基本同敞开式，其掘进性能差别不大。

支护及掘进速度：敞开式掘进机在地质情况好的时候只需要进行锚喷作业，支护工作量小，速度快；地质情况较差时，需超前加固地层，支护工作量较大，速度慢。其掘进速度受地质影响较大，地质条件差时掘进速度慢。双护盾掘进机可根据地质情况选择掘进模式，支护速度快。其可根据地质情况调整掘进速度，受地质条件影响较小。单护盾掘进机采用管片支护，支护速度快。其支撑在管片上掘进，受地质条件影响较小，但支护与掘进不能同时进行，掘进速度较双护盾慢。

应急处理的灵活性与速度：护盾式掘进机施工人员因有护盾保护，较敞开式掘进机安全。同时单护盾掘进机主机长度较双护盾短，在软岩大变形地层施工较为有利。敞开式掘进机在软弱围岩地层或遇到地质勘察未揭示的小型断层、不整合接触带及大量的基岩裂隙水时，地下水、砂土会直接涌入作业空间，应急处理困难。护盾式掘进机在遇到上述未揭示的软弱地质时，应急处理的灵活性也不够，但是如果增加螺旋出土器后，在采用EPB&TBM双模式掘进机时，可根据情况及时关闭舱门，转变为螺旋出土，增加应急处理的灵活性。对于未查明的大变形地层，护盾式掘进机有被卡住的危险。但对比单护盾和双护盾，因单护盾缩短了护盾的长度，增加了该类突发事件处理的灵活性，且处理时间较短。

2.2 选型确定

选型对比：以上几种类型的TBM在本项目斜井的综合比较见表2。

表2 TBM选型对比

选型分析：从地质条件看，斜井TBM段穿越的地层均为砂岩、泥岩，白垩系强-全风化地层岩石单轴抗压强度为0 MPa，侏罗系岩层在9.42～50.7 MPa之间。斜井穿越地层属于软岩，地层虽发生突水的可能性小，但局部地层富水性较强，适合采用护盾式掘进机施工。从国内外经验看，双护盾TBM掘进速度快，应用范围广，但考虑到斜井井筒范围均为软岩，岩石强度不高，可能存在软岩大变形的风险，双护盾TBM盾体较长，软岩大变形应急处理较单护盾差，本着安全可靠性为第一，掘进速度其次，因此斜井掘进机推荐采用单护盾TBM。另外，隧道洞口地段需穿越强-全风化白垩系洛河组地层，围岩稳定性差。井筒围岩属于不稳定岩层，需要TBM具有稳定开挖面的能力，因此主副斜井选择的TBM应具有土压平衡功能。对于深层稳定围岩采用喷锚支护，需加装撑靴和喷锚设备。项目选用带EPB模式的双模单护盾TBM加装撑靴和喷锚设备，在穿越浅层强-全风化岩层施工时采用EPB模式掘进，当开挖面具有自稳能力后转换为TBM模式掘进。可以满足浅层采用管片支护，深层采用喷锚支护的需求。

主要技术参数：刀盘直径为7.6 m，刀盘转速为5 r/min，刀盘驱动功率2 300 kW，滚刀50把，切刃齿刀60把，周边切刃齿刀12把，另根据泡沫注入系统配置注入保护齿刀。为便于纠偏及处理软岩大变形，刀盘外围配置2把超挖刀，超挖量宜为5～10 cm；行程2.0 m。螺旋输送机排土量在100%效率工况下不小于300 m3/h；月平均进尺约400 m、最高可达600 m。

3 结论

(1)从影响TBM施工的因素看，主、副斜井长度长、结构单一、工程地质与水文地质不存在限制施工的条件、施工场地开阔，现国内TBM机械制造、施工技术成熟，对于大坡度斜井TBM施工在国内外均有成功案例，主、副斜井采用TBM法施工方案可行。

(2)主、副井筒浅部风化岩层采用管片支护、深部稳定岩层采用锚喷支护方案，管片采用泄水降压型钢筋混凝土管片衬砌，其环内径6.6 m，厚0.35 m，衬砌外径7.3 m。锚喷支护结构采用外径7.5 m，内径7.2 m的圆形断面，锚喷厚度150 mm，锚杆(索)、钢筋网和喷射混凝土联合支护，为便于施工组织仰拱块采用预制结构。

(3)斜井掘进机选用带EPB模式的单护盾双模TBM并加装撑靴和喷锚设备，在穿越洛河组强-全风化岩层施工时采用EPB模式掘进，管片支护，穿越下部稳定岩层时采用撑靴支撑围岩提供反力，喷锚支护。

(4)主、副斜井各采用一台TBM施工，常规施工工期各为27个月，其中TBM设计制造10个月、组装调试2个月，TBM掘进12个月，拆卸硐室修建2个月，洞内拆卸1个月。

(5)主、副斜井TBM工程浅部风化岩层采用管片支护深部稳定岩层采用锚喷支护方案估算综合延米单价5.72万元/m。