TBM 法用于金屬礦山深部開拓巷道的風險分析及應(yīng)對措施

朱愛山，周慧鵬，李 勇

（1.浙江省隧道工程集團有限公司，浙江 杭州 310030；2.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

0 引言

多年前國土資源部發(fā)布了深部找礦的意見［1］，深部采礦也進入了攻堅期。山東某金礦礦體多埋深1 km 以下，完整花崗巖結(jié)構(gòu)，勘查表明僅有極少量水。各類開拓巷道總長超過35 km，整個礦山工程建設(shè)期需5 年。據(jù)調(diào)查采用鉆爆法開拓巷道每月進尺在60～100 m，隨著深度的增加，巖爆、涌水和高溫問題的影響日益嚴重，施工速度也越來越慢。其進度不能滿足礦山遠景規(guī)劃要求，“采掘失衡”矛盾凸顯，資源優(yōu)勢不能得到充分發(fā)揮。而國際金價瞬息萬變，投資風險和資金成本均高，必須改變開拓方法，早日生產(chǎn)。

TBM 法施工速度快、安全、質(zhì)量好，在水利、市政、公路、煤礦等［2-4］運用已很多，但至今國內(nèi)深部金屬礦山巷道采用TBM 法開拓還未見有報道。王富林［5］對深部復(fù)雜巖層巷道圍巖控制與支護技術(shù)做了研究；劉永等［6］做了應(yīng)力巷道深部開采支護方式的研究；黃丹等［7］做了TBM 在地下金屬礦山應(yīng)用中的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析。針對本黃金礦巷道，相關(guān)單位作了充分的調(diào)研和論證，決定采用TBM 法施工。通過實踐，總結(jié)TBM 在礦山使用方法，推動礦山事業(yè)發(fā)展，并在正式使用前對各種風險進行充分分析，提前采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 金屬礦山TBM 法開拓巷道風險

TBM 法施工速度是鉆爆法的4～10 倍，用人少，但施工也存在風險：一是設(shè)備選型風險；二是地質(zhì)原因造成的巖爆問題、圍巖變形過大卡機問題、不良地層涌水或突泥問題和高溫施工環(huán)境等問題。根據(jù)2019 年公開資料統(tǒng)計了42 條TBM 法隧道，因地質(zhì)原因影響造成施工困難的有11 條，其中完全失敗的有4 條；只有1 例為設(shè)備自身選型不當施工進展緩慢。其占比見圖1。

圖1 TBM 法隧道施工情況Fig.1 Tunnel construction results by the TBM method

2019 年10 月文登抽水蓄能項目排水廊道施工采用一臺直徑3.53 m 凱式TBM 機［8-9］，成功穿越了抗壓強度140～200 MPa、石英含量50%～60%的花崗巖地層，且順利通過8 個30 m 轉(zhuǎn)彎半徑S 形彎，日掘進27.548 m。2020 年5 月10 日，世界首臺礦用小轉(zhuǎn)彎全斷面硬巖掘進機正式下線［10］，將用于貴州省四季春煤礦。據(jù)不完全統(tǒng)計，國外已有100 臺TBM設(shè)備在60 余座礦山開挖超過220 km 的礦山井巷工程。隨著國產(chǎn)TBM 裝備性能的提升和深部地質(zhì)探測技術(shù)的發(fā)展，金屬礦山TBM 法施工開拓巷道成為可能。

以上數(shù)據(jù)及案例表明：設(shè)備選型不當或設(shè)備自身質(zhì)量問題造成失敗的很少，不良地層又是卡機的主因，隨著TBM 質(zhì)量和技術(shù)的提高，地質(zhì)原因仍是造成TBM 法失敗的主因［11-12］。

2 地質(zhì)報告不詳造成TBM 選型不準

TBM 法隧道較長，往往穿越多座山峰，按照勘查標準勘查對環(huán)境的破壞很大，所以勘查詳細程度多數(shù)不夠，故在TBM 選型時缺乏針對性設(shè)計，一旦地層有變化，本身自帶的超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)又沒有很好發(fā)揮作用，就會對前方地質(zhì)情況做出錯誤判斷。在沒有預(yù)支護的情況下，TBM 貿(mào)然推進，就很容易出現(xiàn)水淹TBM 或塌方等嚴重問題。

金屬礦山勘查相對市政、交通等工程勘查詳細程度更高，且多集中在一定區(qū)域，巖性相對單一。深部巖層多為完整的火成巖，透水量極低，有利于TBM 法應(yīng)用。但隨著深度的增加巖爆發(fā)生的概率越來越高；按照每100 m 升溫1.8 ℃，深部巷道溫度也在30 ℃以上；同時隨著深度的增加空氣中氯離子含量高，易造成設(shè)備腐蝕；如果有破碎帶涌水突泥的風險也愈高。

3 風險應(yīng)對措施

3.1 巖爆問題

根據(jù)馮夏庭等［13］、江權(quán)等［14］、于洋等［15］對深埋隧洞巖爆研究，巖爆形成有3 種因素：（1）斷裂、硬性結(jié)構(gòu)面對巖爆孕育起到促進作用；（2）受爆破擾動誘發(fā)的時滯型巖爆；（3）底板開裂及上抬巖爆。TBM法巷道主要是第一和第三種。較強巖爆多發(fā)生在埋深超1000 m 地層，1000 m 以內(nèi)偶有小型巖爆，其形成機理易于分析，但要判斷在哪里出現(xiàn)還很難實現(xiàn)。通過以下措施可以降低巖爆危害：

（1）對于具有強巖爆風險的深埋地下工程，應(yīng)加強巖爆監(jiān)測（微震監(jiān)測），及時掌握巖體破壞趨勢，基于微震信息演化可以定量地進行巖爆預(yù)警和動態(tài)調(diào)控。

（2）初期支護可以減少巖爆。按巖爆監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整并加強Ⅱ、Ⅲ類圍支護參數(shù)。

（3）較慢的掘進施工速度，可使圍巖應(yīng)力重新分布，降低巖爆風險。

（4）圓形較小斷面，平順的隧道輪廓有利圍巖應(yīng)力重新分布。

（5）應(yīng)力集中區(qū)，可采用鉆孔釋放應(yīng)力，對干燥巖石不間斷散灑水用于軟化巖石。

3.2 高溫環(huán)境

根據(jù)環(huán)境溫度及其和人體熱平衡之間的關(guān)系，通常把35 ℃以上的生活環(huán)境和32 ℃以上的生產(chǎn)勞動環(huán)境作為高溫環(huán)境。為保證良好勞動環(huán)境，通風是最有效的方法，也較為簡單。長時間在外作業(yè)工人同時輔以礦井熱害氣冷式個體防護服，同時TBM后配套設(shè)置空調(diào)房，確保人員安全。

3.3 涌水或突泥問題

預(yù)防涌水或突泥，關(guān)鍵是超前地質(zhì)預(yù)防，應(yīng)采取物探和鉆探相結(jié)合的方法確定地質(zhì)情況，再采用分段式膜袋法注漿工法。

3.3.1TGP206A 地質(zhì)超前預(yù)報儀預(yù)報

利用在隧道圍巖內(nèi)以排列方式激發(fā)的彈性波，在向三維空間傳播的過程中，遇到巖體彈性阻抗界面，即地質(zhì)巖性變化的界面、構(gòu)造破碎帶、空洞、巖溶和巖溶發(fā)育帶等，會產(chǎn)生彈性波的反射，這種反射回波通過預(yù)先埋置在隧道圍巖內(nèi)的檢波裝置接收下來，再用處理系統(tǒng)鎖定掌子面前方一定角度范圍，提取反射回波并對其旅行的時間、傳播的衰減以及相位的變化等進行分析，進而對隧道掌子面前方的巖體地質(zhì)條件做出預(yù)報和判斷。

3.3.2鉆機水平超深孔鉆探

根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報情況再設(shè)計置探水鉆孔位置、方位、傾角、深度以及鉆孔數(shù)目。通常采用三角布置，頂部兩側(cè)各一個，底板一個，中間一個，孔深50 m。

3.3.3分段式膜袋法注漿工法

（1）注漿參數(shù)確定。采用FLAC3D 進行模擬，根據(jù)勘察成果、現(xiàn)場實際經(jīng)驗，給出合理的初始參數(shù)，對注漿加固范圍，徑向加固厚度，掌子面前方加固長度等參數(shù)進行分析優(yōu)化處理。普通水泥-水玻璃雙液漿適用于有水的中粗砂、粗砂層、砂礫石、砂卵石以及斷層破碎帶注漿堵水工程。其特點是：膠凝時間可控，可以達到控域注漿目的；早期強度較高，利于注漿后就立即進行開挖施工。在有水尤其是富含水的地層中，可以達到快速凝固，防止?jié){液被水稀釋，影響注漿效果。

（2）注漿工藝。止?jié){巖盤→鉆孔→制作膜袋注漿管→分次分段注漿。

（3）鉆孔設(shè)備。鉆爆法通常采用錨固鉆機，TBM 法隧道鉆機設(shè)置：盡可能靠近工作面，具備大于50 m 鉆深、孔徑110 mm 為宜。

3.4 TBM 需增強針對性設(shè)計

礦山巷道隨礦體位置設(shè)計，轉(zhuǎn)彎多在30 m 以內(nèi)，斷面類型多，豎井、斜井與平洞交織，設(shè)計階段就要開始考慮斷面的統(tǒng)一和坡度要求。TBM 機可據(jù)此作針對性設(shè)計，提高防腐能力和其適應(yīng)性。

3.4.1超小轉(zhuǎn)彎半徑的適應(yīng)性

V 型推進系統(tǒng)設(shè)計詳見圖2，可實現(xiàn)最小25 m的轉(zhuǎn)彎半徑。

圖2 V 型推進系統(tǒng)模擬Fig.2 Simulation diagram of the V-type propulsion system

3.4.2超前鉆探及預(yù)支護巖石定向鉆技術(shù)

TBM 法隧道，超前預(yù)注漿支護多在護盾后施作扇形孔，再注漿，正面注漿孔較少。而巖石定向鉆雙桿空氣錘技術(shù)可通過正面施作定向孔，實現(xiàn)精準注漿，同時也減少了鉆孔數(shù)量。雙桿空氣錘定向鉆在鉆進硬巖時，與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆頭相比，雙層桿鉆機與空氣錘組合可以提高鉆進效率?？諝忮N采用雙轉(zhuǎn)向點設(shè)計，結(jié)合了板條鉆頭和二度彎曲接頭，在出、入巖層過渡時，轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度更快。高頻空氣錘振動（35～38 Hz）極其平穩(wěn)，對鉆機和電子設(shè)備沖擊較小。見圖3。

圖3 TBM 配套巖石定向鉆示意Fig.3 TBM complete with rock directional drilling

3.4.3后配套側(cè)卸梭車

出渣運輸占整個施工成本的10%～20%，是影響掘響掘速度的關(guān)鍵條件之一。坡度≯11°的斜井、平洞可采用內(nèi)燃卡車運輸，采用鉆爆法修整調(diào)車及避車道。梭車作為后配套臨時貯料箱，容積與轉(zhuǎn)運卡車到位間隔時間相適應(yīng)，在運輸間斷期間進行換步，做到施工不間斷。

4 經(jīng)濟分析

（1）隨著電子化雷管的推廣普及，炸材的支出成本也大幅度提高，鉆爆法施工的價格優(yōu)勢已經(jīng)無法彌補其安全性差、功效低的缺點。另外人工成本的增加同樣使鉆爆法施工趨于落后的局面。

（2）鉆爆法施工通風要求及成本遠遠高于TBM法。深部采礦環(huán)境溫度高達30～35 ℃，TBM 法機械化程度高，用人少，環(huán)境好，有利于施工階段安全。

（3）符合地質(zhì)條件要求，能控制超欠挖，可大大減少支護工程量。支護量僅為礦山法的5%～15%。

（4）TBM 法施工成本為鉆爆法的4～5 倍，隨著施工洞長加大，大于5000 m 后，其施工成本呈下降趨勢，預(yù)期可降至鉆爆法的2～2.5 倍；但掘進速度快，環(huán)保，是發(fā)展方向。同時計算綜合經(jīng)濟效益和時間成本、金融投資成本，TBM 可以滿足快速施工、安全管理，降本增效的目的。

（5）TBM 法與鉆爆法施工對比見表1。

表1 TBM 法與鉆爆法巷道優(yōu)缺點對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages between the TBM methodand the drilling blasting method

5 結(jié)語

（1）金屬礦山的勘查比普通市政、交通工程類的勘查更為詳細，且深部巖石巖性大多數(shù)單一，完整，水量少，地質(zhì)方面的風險相對較小。

（2）小轉(zhuǎn)彎TBM 機等已經(jīng)有在類似地層成功實用的案例，設(shè)備自身質(zhì)量或選型原因的風險較小。

（3）針對可能出現(xiàn)的風險，也有針對性的應(yīng)對措施，這些措施均有成功的實例，不良地層風險處理風險較小。

（4）TBM 法機械化程度高，人工少，安全風險也很小。

（5）TBM 機的價格相比以前已降低了很多。

綜上所述，筆者認為TBM 用于金屬礦山巷道是可行的。

TBM 用在金屬礦山，對推進礦山尤其是深井礦山開拓機械化、解決深井開拓“三高一擾動”（高井深、高地應(yīng)力、高溫，強烈的采礦擾動）這一國際性難題具有深遠意義，應(yīng)盡快開展相應(yīng)工作。