TBM 法用于金属矿山深部开拓巷道的风险分析及应对措施

朱爱山，周慧鹏，李 勇

（1.浙江省隧道工程集团有限公司，浙江 杭州 310030；2.中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

0 引言

多年前国土资源部发布了深部找矿的意见［1］，深部采矿也进入了攻坚期。山东某金矿矿体多埋深1 km 以下，完整花岗岩结构，勘查表明仅有极少量水。各类开拓巷道总长超过35 km，整个矿山工程建设期需5 年。据调查采用钻爆法开拓巷道每月进尺在60～100 m，随着深度的增加，岩爆、涌水和高温问题的影响日益严重，施工速度也越来越慢。其进度不能满足矿山远景规划要求，“采掘失衡”矛盾凸显，资源优势不能得到充分发挥。而国际金价瞬息万变，投资风险和资金成本均高，必须改变开拓方法，早日生产。

TBM 法施工速度快、安全、质量好，在水利、市政、公路、煤矿等［2-4］运用已很多，但至今国内深部金属矿山巷道采用TBM 法开拓还未见有报道。王富林［5］对深部复杂岩层巷道围岩控制与支护技术做了研究；刘永等［6］做了应力巷道深部开采支护方式的研究；黄丹等［7］做了TBM 在地下金属矿山应用中的发展现状与趋势分析。针对本黄金矿巷道，相关单位作了充分的调研和论证，决定采用TBM 法施工。通过实践，总结TBM 在矿山使用方法，推动矿山事业发展，并在正式使用前对各种风险进行充分分析，提前采取相应的预防措施。

1 金属矿山TBM 法开拓巷道风险

TBM 法施工速度是钻爆法的4～10 倍，用人少，但施工也存在风险：一是设备选型风险；二是地质原因造成的岩爆问题、围岩变形过大卡机问题、不良地层涌水或突泥问题和高温施工环境等问题。根据2019 年公开资料统计了42 条TBM 法隧道，因地质原因影响造成施工困难的有11 条，其中完全失败的有4 条；只有1 例为设备自身选型不当施工进展缓慢。其占比见图1。

图1 TBM 法隧道施工情况Fig.1 Tunnel construction results by the TBM method

2019 年10 月文登抽水蓄能项目排水廊道施工采用一台直径3.53 m 凯式TBM 机［8-9］，成功穿越了抗压强度140～200 MPa、石英含量50%～60%的花岗岩地层，且顺利通过8 个30 m 转弯半径S 形弯，日掘进27.548 m。2020 年5 月10 日，世界首台矿用小转弯全断面硬岩掘进机正式下线［10］，将用于贵州省四季春煤矿。据不完全统计，国外已有100 台TBM设备在60 余座矿山开挖超过220 km 的矿山井巷工程。随着国产TBM 装备性能的提升和深部地质探测技术的发展，金属矿山TBM 法施工开拓巷道成为可能。

以上数据及案例表明：设备选型不当或设备自身质量问题造成失败的很少，不良地层又是卡机的主因，随着TBM 质量和技术的提高，地质原因仍是造成TBM 法失败的主因［11-12］。

2 地质报告不详造成TBM 选型不准

TBM 法隧道较长，往往穿越多座山峰，按照勘查标准勘查对环境的破坏很大，所以勘查详细程度多数不够，故在TBM 选型时缺乏针对性设计，一旦地层有变化，本身自带的超前地质预报系统又没有很好发挥作用，就会对前方地质情况做出错误判断。在没有预支护的情况下，TBM 贸然推进，就很容易出现水淹TBM 或塌方等严重问题。

金属矿山勘查相对市政、交通等工程勘查详细程度更高，且多集中在一定区域，岩性相对单一。深部岩层多为完整的火成岩，透水量极低，有利于TBM 法应用。但随着深度的增加岩爆发生的概率越来越高；按照每100 m 升温1.8 ℃，深部巷道温度也在30 ℃以上；同时随着深度的增加空气中氯离子含量高，易造成设备腐蚀；如果有破碎带涌水突泥的风险也愈高。

3 风险应对措施

3.1 岩爆问题

根据冯夏庭等［13］、江权等［14］、于洋等［15］对深埋隧洞岩爆研究，岩爆形成有3 种因素：（1）断裂、硬性结构面对岩爆孕育起到促进作用；（2）受爆破扰动诱发的时滞型岩爆；（3）底板开裂及上抬岩爆。TBM法巷道主要是第一和第三种。较强岩爆多发生在埋深超1000 m 地层，1000 m 以内偶有小型岩爆，其形成机理易于分析，但要判断在哪里出现还很难实现。通过以下措施可以降低岩爆危害：

（1）对于具有强岩爆风险的深埋地下工程，应加强岩爆监测（微震监测），及时掌握岩体破坏趋势，基于微震信息演化可以定量地进行岩爆预警和动态调控。

（2）初期支护可以减少岩爆。按岩爆监测数据调整并加强Ⅱ、Ⅲ类围支护参数。

（3）较慢的掘进施工速度，可使围岩应力重新分布，降低岩爆风险。

（4）圆形较小断面，平顺的隧道轮廓有利围岩应力重新分布。

（5）应力集中区，可采用钻孔释放应力，对干燥岩石不间断散洒水用于软化岩石。

3.2 高温环境

根据环境温度及其和人体热平衡之间的关系，通常把35 ℃以上的生活环境和32 ℃以上的生产劳动环境作为高温环境。为保证良好劳动环境，通风是最有效的方法，也较为简单。长时间在外作业工人同时辅以矿井热害气冷式个体防护服，同时TBM后配套设置空调房，确保人员安全。

3.3 涌水或突泥问题

预防涌水或突泥，关键是超前地质预防，应采取物探和钻探相结合的方法确定地质情况，再采用分段式膜袋法注浆工法。

3.3.1TGP206A 地质超前预报仪预报

利用在隧道围岩内以排列方式激发的弹性波，在向三维空间传播的过程中，遇到岩体弹性阻抗界面，即地质岩性变化的界面、构造破碎带、空洞、岩溶和岩溶发育带等，会产生弹性波的反射，这种反射回波通过预先埋置在隧道围岩内的检波装置接收下来，再用处理系统锁定掌子面前方一定角度范围，提取反射回波并对其旅行的时间、传播的衰减以及相位的变化等进行分析，进而对隧道掌子面前方的岩体地质条件做出预报和判断。

3.3.2钻机水平超深孔钻探

根据地质超前预报情况再设计置探水钻孔位置、方位、倾角、深度以及钻孔数目。通常采用三角布置，顶部两侧各一个，底板一个，中间一个，孔深50 m。

3.3.3分段式膜袋法注浆工法

（1）注浆参数确定。采用FLAC3D 进行模拟，根据勘察成果、现场实际经验，给出合理的初始参数，对注浆加固范围，径向加固厚度，掌子面前方加固长度等参数进行分析优化处理。普通水泥-水玻璃双液浆适用于有水的中粗砂、粗砂层、砂砾石、砂卵石以及断层破碎带注浆堵水工程。其特点是：胶凝时间可控，可以达到控域注浆目的；早期强度较高，利于注浆后就立即进行开挖施工。在有水尤其是富含水的地层中，可以达到快速凝固，防止浆液被水稀释，影响注浆效果。

（2）注浆工艺。止浆岩盘→钻孔→制作膜袋注浆管→分次分段注浆。

（3）钻孔设备。钻爆法通常采用锚固钻机，TBM 法隧道钻机设置：尽可能靠近工作面，具备大于50 m 钻深、孔径110 mm 为宜。

3.4 TBM 需增强针对性设计

矿山巷道随矿体位置设计，转弯多在30 m 以内，断面类型多，竖井、斜井与平洞交织，设计阶段就要开始考虑断面的统一和坡度要求。TBM 机可据此作针对性设计，提高防腐能力和其适应性。

3.4.1超小转弯半径的适应性

V 型推进系统设计详见图2，可实现最小25 m的转弯半径。

图2 V 型推进系统模拟Fig.2 Simulation diagram of the V-type propulsion system

3.4.2超前钻探及预支护岩石定向钻技术

TBM 法隧道，超前预注浆支护多在护盾后施作扇形孔，再注浆，正面注浆孔较少。而岩石定向钻双杆空气锤技术可通过正面施作定向孔，实现精准注浆，同时也减少了钻孔数量。双杆空气锤定向钻在钻进硬岩时，与传统旋转钻头相比，双层杆钻机与空气锤组合可以提高钻进效率。空气锤采用双转向点设计，结合了板条钻头和二度弯曲接头，在出、入岩层过渡时，转向响应速度更快。高频空气锤振动（35～38 Hz）极其平稳，对钻机和电子设备冲击较小。见图3。

图3 TBM 配套岩石定向钻示意Fig.3 TBM complete with rock directional drilling

3.4.3后配套侧卸梭车

出渣运输占整个施工成本的10%～20%，是影响掘响掘速度的关键条件之一。坡度≯11°的斜井、平洞可采用内燃卡车运输，采用钻爆法修整调车及避车道。梭车作为后配套临时贮料箱，容积与转运卡车到位间隔时间相适应，在运输间断期间进行换步，做到施工不间断。

4 经济分析

（1）随着电子化雷管的推广普及，炸材的支出成本也大幅度提高，钻爆法施工的价格优势已经无法弥补其安全性差、功效低的缺点。另外人工成本的增加同样使钻爆法施工趋于落后的局面。

（2）钻爆法施工通风要求及成本远远高于TBM法。深部采矿环境温度高达30～35 ℃，TBM 法机械化程度高，用人少，环境好，有利于施工阶段安全。

（3）符合地质条件要求，能控制超欠挖，可大大减少支护工程量。支护量仅为矿山法的5%～15%。

（4）TBM 法施工成本为钻爆法的4～5 倍，随着施工洞长加大，大于5000 m 后，其施工成本呈下降趋势，预期可降至钻爆法的2～2.5 倍；但掘进速度快，环保，是发展方向。同时计算综合经济效益和时间成本、金融投资成本，TBM 可以满足快速施工、安全管理，降本增效的目的。

（5）TBM 法与钻爆法施工对比见表1。

表1 TBM 法与钻爆法巷道优缺点对比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages between the TBM methodand the drilling blasting method

5 结语

（1）金属矿山的勘查比普通市政、交通工程类的勘查更为详细，且深部岩石岩性大多数单一，完整，水量少，地质方面的风险相对较小。

（2）小转弯TBM 机等已经有在类似地层成功实用的案例，设备自身质量或选型原因的风险较小。

（3）针对可能出现的风险，也有针对性的应对措施，这些措施均有成功的实例，不良地层风险处理风险较小。

（4）TBM 法机械化程度高，人工少，安全风险也很小。

（5）TBM 机的价格相比以前已降低了很多。

综上所述，笔者认为TBM 用于金属矿山巷道是可行的。

TBM 用在金属矿山，对推进矿山尤其是深井矿山开拓机械化、解决深井开拓“三高一扰动”（高井深、高地应力、高温，强烈的采矿扰动）这一国际性难题具有深远意义，应尽快开展相应工作。