立井煤矿硬岩TBM施工巷道支护设计技术

图４张集矿盾构掘进高抽巷数值计算断面边界条件 开挖后，分两种工况进行数值模拟：工况一为开挖后 不支护，工况二为开挖后锚网支护，顶板锚杆间距为ｌｍ×
霈一
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ａ＝（最）∽
式中，口为锚杆间距，ｍ；Ｋ为锚杆安全系数，一般取 １．５—２；ｙ为岩石容重，ｋＮ／ｍ３；平均容重ｙ＝２５．２ｋＮ／ｍ３； Ｑ为锚杆锚固力，取１００ｋＮ。当锚杆直径为２０ｒａｍ，如＝
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｍｎａｎ ２３２００１，Ｃｈｉｎａ；
Ｉｎｄｕｓｔｒｙ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｍｐａｎｙ
Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｈｕｍｎａｎ ２３２００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ
ｔｈｅ ｌｏｗ
ｄｒｉｖｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｇａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｒｏａｄｗａｙ，ｈｉｓｈ ｌａｂｏｒ
煤炭工程
第４７卷第１２期
ｄｏｉ：１０．１ １７９９／ｃｅ２０１５１２０１ １
ＣＯＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖ０１．４７，Ｎｏ．１２
立井煤矿硬岩ＴＢＭ施工巷道支护设计技术
唐彬１”，王传兵２
（１．安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南２３２００１；２．淮南矿业集团，安徽淮南２３２００１）
摘要：针对高瓦斯煤矿瓦斯治理巷道掘进效率低下、劳动强度大、严重影响采场接替的问 题，提出了使用ＴＢＭ施工立井煤矿瓦斯治理巷道的技术方案。以巷道围岩物性参数和现场实测 应力场数据为基础，综合理论计算和数值模拟的手段，确定了巷道的支护形式和设计方法。揭示 了ＴＢＭ施工立井煤矿硬岩巷道特殊的地质条件和应力场条件下，巷道围岩应力及位移的分布规 律。根据淮南煤矿立井提升的特点研制了适用于立井煤矿的全断面硬岩掘进机（ＴＢＭ），并配套 相应的排矸、支护和运输系统。巷道掘进平均日进尺１３．５ｍ，最高日进尺３０．７ｍ。掘进效率为炮 掘工艺的５～１０倍。现场监测结果表明，支护结构可靠，巷道稳定，围岩位移小，安全性高。 关键词：立井；硬岩；全断面掘进机（ＴＢＭ）；支护设计；高瓦斯煤矿
Ｈｕａｉｎａｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ
ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｈａｆｔ ｃｏａｌ
ａ
ＴＭＢ ｍａｃｈｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｇａｎｇｕｅ
ａｖｅｒａｇｅ
ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ，
ｔｈｅ
ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ
ｍｉｎｅ．Ｔｈｅ
ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ
煤炭工程
２０１５年第１２期
１工程概况
试验巷道为张集矿北区１４１３Ａ高抽巷。巷道已施工
在巷道掘进过程中，同时连接风筒、管线，并安装单轨吊 轨道。运输系统和接料平台如图２所示。
８９４ｍ，剩余７００ｍ，巷道直径４．５３ｍ，巷道标高一４６５ｍ。巷
道围岩主要为粉细砂岩、中砂岩，抗压强度２５．６７— １３４ＭＰａ，抗拉强度２．２６～７．８ＭＰａ，弹性模量２３．８ｌ一 ４４．８８ＧＰａ，泊松比０．１１１～０．３６。部分地层裂隙发育，并伴 有泥岩。三维地震测量结果表明巷道将会揭露一条落差为 １．２ｍ的正断层。巷道布置如图１所示。
ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ
ｔｈｅ ｓｔｏｐｅ
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ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｉｎ ｈｉｓｈ ｇａｓ ｃｏａｌ
ｍｉｎｅ，ＴＢＭ
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ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇａｓ ｃｏｎｔｒｏＨｉｎｇ
ｒｏａｄｗａｙ．Ｂａｓｅｄ
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ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ｄａｔａ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌａｗｓ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ ｒｏａｄｗａｙ ｉｎ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｈａｆｔ ｃｏａｌ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ
ｄｅｓｉｇｎ；ｈｉｓｈ
ｇａｓ
ｃｏａｌ
ｍｉｎｅ
美国罗宾斯（Ｒｏｂｂｉｎｓ）公司自１９５２年设计制造出了现 代意义上的第一台软岩ＴＢＭ后，１９５６年又研制成功了硬岩 ＴＢＭ。此后的３０年间，ＴＢＭ技术得到了较快发展并被大量 运用于隧道和市政工程¨。１。国内首次成功的ＴＢＭ工程实 践是１９９１－－１９９２年，采用罗宾斯５．４ｍ双护盾式ＴＢＭ施工 的引大入秦工程３０Ａ号和３８号输水隧洞Ｈ’５１。在国内煤矿 领域，塔山煤矿在２００３年使用罗宾斯（Ｒｏｂｂｉｎｓ）双护盾全 断面掘进机施工主平硐Ｍ４１；大海则矿使用土压平衡ＴＢＭ 开挖主斜井ｕ０１；新街台格庙矿３号井也已于２０１２年开始尝 收稿日期：２０１５—０６—１０
ａｎｄ
ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ
ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈａｒｄ ｒｏｃｋ
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ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｒｅｖｅａｌｅｄ，ｕｓｉｎｇ ＴＢＭ
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作者简介：唐彬（１９８７一），男，安徽淮南人，在读博士研究生，工程师，从事矿山岩土工程方向研究和矿井设计工 作，Ｅ—ｍａｉｌ：ｔａｎｇｂｉｎ０５５４＠１６３．ｃｏｍ。 引用格式：唐彬，王传兵．立井煤矿硬岩ＴＢＭ施工巷道支护设计技术［Ｊ］．煤炭工程，２０１５，４７（１２）：３１－３３，３７．
３１
万方数据
３２
ｄ：１．１３｜翌
～矿Ｉ 式中，ｄ为锚杆杆体直径，ｍｍ；Ｑ为锚固力，由拉拔
万方数据
２０１５年第１２期
煤炭工程
试验确定，也可由经验确定，普通锚杆取５０—９０ｋＮ，高强 锚杆取１００—２００ｋＮ；ｏｒ。为杆体材料抗拉强度，普通锚杆用 Ｑ２３５钢材，高强锚杆用Ｑ３４５钢材。 经计算，并从支护结构安全角度考虑，锚杆选用 ｑｂ２０ｍｍ×２０００ｒａｍ高强锚杆，设计抗拔力不小于１００ｋＮ。 ３）锚杆间、排距。根据每根锚杆悬吊载荷大小确定锚 杆间距口与排距ｂ（通常ｎ＝ｂ），锚杆悬吊岩石载荷（Ｇ＝ ０２如ｙ）等于锚杆锚固力（Ｑ）。在考虑了安全系数（Ｋ）的情况 下：
ｌｍ，锚杆型号为ｑｂ２０ｍｍ，Ｌ＝２ｍ。模拟得出，巷道顶底板 发生了水平挤压应力集中：工况一顶板最大水平压应力达 到一２．９４５×１０ ７Ｐａ；工况二顶板最大水平压应力达到一 ２．９２７×１０７Ｐａ，应力集中系数达到１．７４。同时巷道两帮发 生了竖向挤压应力集中，工况一帮部最大竖向压应力达到
一１．６×１０ １０
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图２单轨吊接料平台（１ＩＬＩｎ）
１４１３Ａ轨道巷
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图１
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３巷道支护设计
由于该工程为ＴＢＭ首次在立井煤矿硬岩巷道中应用，
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１４１３Ａ高抽巷平面图
巷道施工和支护方面缺乏成熟的经验可以借鉴。为此，将
采用动态设计和信息化施工，确保施工安全和支护有效。 在施工前按支护结构设计理论并采用数值计算设计支护方 案，掘进过程中进行现场实测，通过信息反馈，合理确定 施工参数并优化支护设计。
试使用双模式ＴＢＭ【１“。上述矿井使用ＴＢＭ施工的巷道全 部为斜井或平硐，始发站均位于地面。而立井煤矿ＴＢＭ需 要在井下进行组装、调试和始发，所有部件均通过副井运 至井下组装硐室。２０１５年１月，世界首台立井煤矿全断面 硬岩掘进机在淮南矿业集团张集煤矿投入试运行，至２０１５ 年３月，由张集矿岩巷队完成了长度为７００ｍ的试验巷道的 施工。巷道掘进工艺和支护设计方法既不同于公路隧道或 市政工程隧洞，也与煤矿常见的直墙拱形巷道有很大区别。
１・２５ｍ，间距为。≤（茜，＿）
锚杆间排距取为：ｌｍ×ｌｍ。
＝１４５４・８ｍｍ；结合工程经验，
７Ｐａ，工况二帮部最大竖向压应力达到一１．５３×
７Ｐａ，应力集中系数达到１．２３。两种工况下，围岩均未出
４）网片。挂网网片按工程类比法可采用钢筋网片，网 间压茬不少于１００ｍｍ。巷道支护方案如图３所示。
现拉应力，围岩开挖并施加锚杆后，应力集中降低不明显， 说明围岩的自承能力较好。 工况一帮部最大位移为１９．５ｍｍ，巷道水平方向收敛为 ３９ｍｍ；工况二帮部最大位移为１７．９ｍｍ，巷道水平方向收 敛为３５．８ｍｍ；工况一顶板下沉最大位移为３２．１ｎｌｒｆｌ，底板 底鼓最大位移为３１．３ｍｍ，巷道竖向收敛为６３．４ｍｍ。工况 二顶板下沉最大位移为２４．４ｍｍ，底板底鼓最大位移为 ３０ｍｍ，巷道竖向收敛为５４．４ｍｍ。 如图５所示，采用锚网支护后，巷道的塑性区范围缩 小不明显，但是塑性应变程度有所减小。两种工况下巷道 顶底板和帮部的收敛值均较小，锚网支护后，巷道变形的 减小幅度不明显。
中图分类号：ＴＤ２６３
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７１—０９５９（２０１５）１２－００３１－０４
Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｈａｒｄ Ｒｏｃｋ
ＴＢＭ
Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ Ｒｏａｄｗａｙｓ
ＴＡＮＧ Ｂｉｎｌ”，ＷＡＮＧ Ｃｈｕａｎ—ｂｉｎ９２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ
ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ２．Ｈｕｍｎａｎ Ｍｉｎｉｎｇ
２．１设备组装
立井煤矿全断面硬岩掘进机采用模块化设计，其现场
组装工序为：①设备运至地面后，首先将设备各模块拆解，
并分组编号；②分装：将编组的各模块装载至矿用平板车
上；③设备经副井一轨道大巷运输至组装硐室；④对设备 进行安装调试；⑤设备进入始发硐室开始掘进。 ２．２掘进工艺
掘进机每个破岩掘进循环行程为１．５０ｍ。掘进时，撑 靴伸出撑紧巷帮，并将设备向前推进。利用刀盘上布置的 滚刀挤压岩面，将岩石破碎。刀盘转动的同时，通过刀盘 铲刀将岩石碎块铲至刀盘中心的溜渣槽上，掘进机后接 １．０ｍ带式输送机，将碎岩通过采区排矸胶带机运至混合 井，再由混合井９ｔ箕斗提升至地面。
如＝可Ｂ
式中，Ｂ为巷道跨度，ｍ；，为岩石坚固性系数。
用手持式锚杆机安装锚杆。使用西２０ｍｍ×２０００ｍｍ的螺纹 钢锚杆，间排距ｌｍ。锚杆施工可与掘进同步进行。当顶板 破碎、裂隙发育时，需人工找顶清理浮矸后增加锚杆或锚 索以提高支护强度。施工锚索时，则应降低掘进速度或停 止掘进，防止在锚索施工中设备前进距离过长，损坏钻杆、 锚索或机具。
ｒａｔｅ
Ｗａｓ １３．５ｍ／ｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍ腿ｒａｔｅ Ｗａｓ ３０．７ｍ／ｄ．ｗｈｉｃｈ Ｗａｓ ５—１０ ｓｕｐｐｏｒｔ Ｗａｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｓａｆｅ，ｒｏａｄｗａｙ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｗａｓ
ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ—ａｎｄ—ｂｌａｓｔｉｎｇ．Ｆｉｅｌｄ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｅｄ ｅｎｓｕｒｅｄ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｒｏｃｋ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｈａｆｔ；ｈａｒｄ ｒｏｃｋ；ＴＢＭ；ｓｕｐｐｏｒｔ
３．１
立井煤矿全断面硬岩掘进机（Ｉ＂ＢＭ）直径４．５３ｍ，长 ５１ｍ，由刀盘，盾体、后配套等部分组成，电气设备防爆， 液压件、结构件经煤安认证。巷道采用锚网支护，设备配 置两台遥控锚杆打眼机。
按支护结构设计理论进行支护设计
由于高抽巷大部分岩性为粉细砂岩、中砂岩，岩石本
２施工工艺
身强度较高，岩层的普氏系数，＞６，属于稳定围岩。由于 ＂ＩＢＭ掘进后松动圈小，锚杆设计可按悬吊理论进行计算。 利用悬吊作用进行锚杆支护设计时，锚杆长度可根据坚硬 岩层的高度或平衡拱的拱高来确定，锚杆的锚固力及布置 可根据所悬吊岩层的重量来确定。 １）锚杆长度。锚杆长（￡）可按下式计算： Ｌ＝Ｌｌ＋厶＋厶
２．３
式中，厶为锚杆外露长度，其值主要取决于锚杆类型，
对于端锚锚杆，一般取Ｌ，＝０．１５ｍ，Ｌ。＝垫板厚度＋螺母厚 度＋（０．０２—０．０３），ｍ；厶为锚杆有效长度，ｍ；厶为锚 杆锚固段长度，ｍ。 因为巷道处于ｆ＞６的中砂岩中，锚杆有效锚固长度可 按下式选取：
支护工艺
巷道采用锚网支护。由液压锚杆钻机施工锚杆眼，使
取ｆ＝６，则：当Ｂ＝４５３０ｍｍ时，如＝昙＝４．５３／（２×
６）＝０．３８ｍ，所以锚杆长度Ｌ＝０．１５＋０．３８＋０．８＝１．３３ｍ； 可取锚杆长度：Ｌ＝１．６～２．０ｍ。 ２）锚杆直径。根据杆体承载力与锚固力等强度原则确 定，则：
２．４辅助wenku.baidu.com输
设备采用一台单轨吊作为辅助运输系统。将人员、锚 杆、管线等由采区车场运至设备后部搭设的接料平台上。