金属矿山深部采矿TBM法开拓巷道

金属矿山深部采矿TBM法开拓巷道

二O二O年十二月

目录1、前言2、TBM施工风险应对措施3、TBM针对性设计4、总结

一、前言

矿山开拓巷道矿山法掘进每月100m左右，深部采矿斜坡道工程多超过7000m,基建阶段4-5年。掘进速度不能满足矿山远景规划要求，“采掘失衡”矛盾凸显，资源优势不能充分发挥。1、岩爆问题开采成本巨增也是风险，投入与产出是决策阶段工作“采掘矛盾”与“各种风险并存”，需找一条出路。2、不良地层涌水或突泥问题3、高温施工环境问题深部开采存在的风险

TBM法隧道在水利工程、公路工程、市政工程已有广泛应用。

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，用于贵州省四季春煤矿。而金属矿山TBM法开拓巷道在国外据不完全统计，已有100台TBM设备在60余座矿山开挖超过220km的矿山井巷工程，而国内还未见报到。

2019年10月文登抽水蓄能项目上层、中层、下层排水廊道施工采用TBM方案，TBM总长度38m,平均日掘进27.548m，且顺利通过30m转弯半径“S”弯：开挖直径3.53m，掘进总长度2.4km（上层排水廊道926m，中层排水廊道639m，下层排水廊道839m），水平转弯半径R30m。围岩石英二长岩、二长花岗岩，抗压强度140-200MPa，最高220MPa，石英含量50%-60%；围岩完整性好，II、III类围岩占比超过90%，RQD值70-80%。

类似条件让TBM走进金属矿山成为可能！上层排水廊道二、TBMD矿山开拓巷道风险应对

深部开采是指深度大于600m的地下开采作业。开采深度大于2000m时，为超深开采。1深部开采概念

开采深度小于300m，称浅部开采。开采深度介于300～600m，称中等深度开采。2深部开拓巷道要求莱州瑞海金矿采选工程主要工程量表特点：断面不一，埋深不一，功能及用途各异要求：斜坡道坡度一般不大于15%，转弯半径不小于20m，无轨运输行人及行车断面多为4.5×3.8m3

TBM对巷道要求要求：

--TBM设计最小转弯半径最小为30m，建议设计转弯半径为不小于40m。--组装洞室长40m，高9.8m，宽7.8m；--始发洞断面城门形，长15m，高6m，宽5.6m。4风险应对4.1岩爆

岩爆是指地下开采的深部或构造应力很高的区域，在临空岩体中发生突发式破坏的现象。这种现象称为岩爆。发生的原因是临空岩体积聚的应变能突然而猛烈地全部释放，致使岩体发生像爆炸一样的脆性断裂。冲击地压造成大量岩石崩落，并产生巨大声响和气浪冲击，不但可将矿井破坏，而且震动波可危及地面建筑物。多榀拱架严重变形拱架断裂拱架断裂岩爆造成后果：支护失效。多榀拱架严重变形拱架断裂岩爆视频多榀拱架严重变形拱架断裂软岩应力释放视频

原因：围岩强度适应不了集中的过高应力而突发的失稳破坏。

4.1.1岩爆形成的原因一、断裂、硬性结构面对岩爆孕育起到促进作用，在节理面易形成岩爆。二、受爆破扰动诱发的时滞型岩爆。三、底板开裂及上抬岩爆。岩爆形成：硬性结构面(断层)硬性结构面(断层)受爆破影响的时滞性岩爆底板上拱岩爆

4.1.2岩爆分类岩爆形成：一般埋深大于600米，就有岩爆，多为微型。超过1000米会形成中等或强烈岩爆。1.轻微岩爆是指围岩表层无声响或不易察觉的微弱响声，劈裂的岩块自由下落或松弛后下落，规模小，表现为岩坑较浅，爆落岩片尺寸小、数量少，多为破裂剥落型，σθ/σc≈0.3～0.5，对施工影响小。2.中等岩爆是指爆裂脱落、剥离现象较严重，岩屑或岩块向临空面弹出，伴有清脆爆裂声，表现为岩爆坑连续分布，规模较大，坑径可达数米，坑深一般小于2m，爆落岩石尺寸较大，数量多，多为弹射型及破裂剥落型，σθ/σc≈0.5～0.7，对施工有一定影响。3.强烈岩爆是指岩爆时伴有巨响，具有锐利边棱的大小岩石碎片迅猛飞出，表现为岩爆坑连续分布，坑深一般都在2m以上，爆落岩石尺寸大，数量多，且造成围岩大面积开裂失稳，严重威胁施工人员及设备安全，σθ/σc≈0.7～0.9，对正常施工及硐室影响大。4.剧烈岩爆会发生剧烈的爆裂弹射甚至抛掷性破坏，有似炮弹巨响声，岩爆具有突发性，并迅速向围岩深部发展，影响深度可大于2m，σθ/σc>0.9，严重影响甚至可以摧毁工程，释放的能量可相当于200多吨TNT炸药。严重的岩爆象小地震一样，可在100多公里之外测到，测到的最大震级为4.6级。

较强岩爆多发生在埋深超1000米地层，1000米以内偶有小型岩爆，其形成机理易于分析，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.加强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。

4.1.3预防岩爆4.2岩爆易造成TBM卡机及卡机措施地质问题和设备问题是造成卡机的二大主因。随着设备选型技术方法的完善，设备问题造成卡机已很少出现。因地质原因造成的卡机主要有：岩爆或崩落、围岩膨胀造成缩径。4.2.1TBM卡机的原因4.2.2TBM预防卡机施工措施（1）施工中参考施工地质图，对可能发生地质情况作出初步判断；对施工地质图中怀疑的地段，采用必要的超前地质预报，作为施工中的指导；并加强施工期观察；（2）对TBM电气、液压、机械、轨道系统和灌浆系统（主要指化学灌浆系统）等进行系统维护保养或完善，使TBM以最佳状态通过不良地质洞段；（3）TBM正常工作时，对岩渣的岩性、块度、成份和变化趋势作出判断。及运行过程中，TBM精确地纪录下了包括液压推进油缸的实时压强（MPa），主电机的功率参数（kw或A），以及机头前进速度（mm/min）等。根据掘进时的参数对前方的岩石情况做出的判断；TBM防止卡机施工措施（4）在不良地质段，提前封堵刀盘铲斗的侧进料口，减少出渣量，确保刀盘可自由的活动；（5）采取多种操作模式，防止卡机事件的发生；（6）一旦发生卡机现象，必须马上作出处理措施，防止窝工引起延长的脱困周期；（7）继续落实岗位责任制，使人力资源得到有效的发挥和利用；（8）刀盘扩挖4.2.3TBM脱困处理措施（1）化学灌浆由于原状围岩（膨胀泥岩）的可灌性差，主要用于对松散围岩的固结，确保机组外围岩的稳定。（2）导洞开挖脱困导洞分为：从两腰线部位向前、后方开挖；从两侧底部向前方开挖；从护盾上方开挖。其主要目的是为了释放围岩自重应力和水平膨胀应力，根据不同的现场条件可采取不同的开挖方式。4.3涌水或突泥

涌水又称突水。地下峒室、巷道施工过程中，穿过溶洞发育的地段，尤其遇到地下暗河系统，厚层含水砂砾石层，及与地表水连通的较大断裂破碎带等所发生的突然大量涌水现象。它对地下工程的施工危害极大。突泥突砂灾害，又称涌砂涌泥灾害。伴随矿井突水活动，大量泥砂涌入井巷所造成的灾害。泥砂主要来源于岩溶陷落柱、断裂破碎带、松散含水层。涌水突泥（1）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。4.3.1预防涌水或突泥

（2）超前地质预报有异常，采用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50-80m。4.3.2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。（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50-100m钻深，孔径110㎜为宜。（4）注浆材料1）普通水泥单液浆适用于无水的中粗砂、粗砂层、砂砾石、砂卵石以及断层破碎带注浆。其具有胶凝时间长、固结强度高、单价低、颗粒粗的特点，因此其适用于无水层，如果地层含水，其初凝时间长，易被地下水稀释，影响加固效果；终凝时间长，强度上升缓慢，不利于注浆完成后就立即进长开挖作业；颗粒粗，在细砂层中注浆困难。 

2）改性水玻璃：适用于无水或潮湿的粉细砂地层。其具有胶凝时间短、强度低、渗透性好的特点，并且其随时间强度逐渐损失，因此特别适用粉细砂层的超前小导管注浆以及深孔注浆时的钻孔和封孔施工。

3）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；在无水的砂砾（卵）石层，为了达到控制注浆范围目的可采用此浆液。

膜袋式分段注浆工艺

4.3.3注浆效果

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。4.4高温环境4.4.1通风最有效

但也存在弊端：①在轴流风机设施运转期间，新鲜的贯穿气流难以被顺利的整合至工作面上;②胶质软风筒通风阻力偏大、隔热性能较低，造成抵达作业面的风量较小、风速偏低、风温较高;③在地下井巷中，轴流风机的噪音和回音较大，可能会影响矿工作业情绪状态有时候开采单位通常会应用以释放压缩空气，以同步降低矿井下环境的温度、湿度。

通风措施，可能还达不到要求，还需采取其他个人防护措施。4.4.2矿井热害气冷式个体防护服

该种防护服服装样式是背心式，起到降温作用的是是一套由涡旋管制冷器及服装内部按照一定规律部署的微孔塑料软管衬层。在外界将7～8Pa的压缩空气输注进涡旋管制冷器以后，能够形成约为10℃的冷空气。冷空气整合至服装的微型孔细塑料软管后能均匀分布，且在防护服里形成满足矿工矿下生产作业需求的的内环境，热空气经由消音器会征途排放至周边空气内。 

4.4.3空调系统

TBM为高度自动化设备，人员少，人员可在室内远程操作；后配套可安装空调房，房内温度26度，氧气含量不低于20%。

三、TBM矿山应用针对设计1设计优化

TBM法最怕的“涌水、突泥、卡机、高温”问题得以解决，TBM选型、配置和运输组织是矿山巷道工程核心。以招金一矿山为例，不影响使用功能对斜坡道工程进行设计优化。

TBM承担斜坡道施工任务优化1：行车道宽高3.4*3.5，人行道宽1.0转弯R不小于40m优化2：每300米设错车休息平台，转弯不小于R不小于500m2

TBM选型

选型依据：本工程穿越地层为花岗岩，埋深超过1000m，岩石单轴抗压强度为120MPa左右，岩性单一，钻孔后的抽水试验所得各层最大涌水量为500m³/d，渗透系数最大为3.39m/d。主梁式TBM其优点是在极硬岩和硬岩中具有良好地掘进功能，适合在围岩稳定的条件下快速掘进，转弯半径较大凯式TBM其优点是在极硬岩和硬岩中具有良好地掘进功能，适合在围岩稳定的条件下快速掘进，在不良地质条件下有较强的适应能力，转弯半径最小可做到25m梁式与凯式结构对比

梁式缺点：

1、头架内安装的主驱动减速器和电机占用护盾长度，使护盾轴向尺寸较长，初支的及时性略差；

2、当巷道直径较小时，为上部获得支护空间，及布置设备，致使主梁下沉，侵占了下部空间，主梁底部空间较小，在破碎围岩，出现片帮，底部清渣困难，影响掘进效率；

3、撑靴面积集中在一个区域，在破碎带，在外力作用下易破碎、踏腔或跨落，不利于地层稳定，影响掘进效率；

4、TBM主机重心靠前，软弱围岩下有栽头的趋势；

5、遇软岩时，由于单对水平支撑板与岩石接触面积大，接地比压较大，岩壁易塌陷；在撑靴区域有塌陷时，撑靴不能有效避开塌陷区，影响换步和掘进。

凯式优势：

1、短护盾支护及时——机头架内不安装主驱动的主减速器和电机，不占用护盾长度，使护盾轴向尺寸较短，空顶距短，初支的及时性好；

2、辅助工法（人员操作）空间大——主梁沿中线位置，主梁上部空间较为宽敞，辅助工法施作空间良好，物料从上部运输时空间良好，有利于不良围岩的辅助工法施作，在隧洞直径较小时，该优势十分明显；

3、支撑定位灵活——由于断层、破碎带出现踏腔，撑靴单独动作，进行选择性支撑；

4、支撑接地比压小——由于断层、破碎地段岩层比压低靴板支撑点分散，避免支撑点地层的应力集中。靴板数量多，总面积大，有利于降低靴板接地比压并获得足够的反推力；

5、底部空间大—便于机械化清渣；

6、重心—TBM重心靠后，能避免在软弱地层栽头问题。梁式与凯式TBM优缺对比，选用凯式TBM机

凯式TBM用于矿山，减少功能，缩短编组长度，仅具有：

1、掘进功能（机组内石碴运输、滚刀换装吊运)

2、超前物探和超前钻探（也可用于注浆钻孔）3、锚杆支护功能3

TBM特殊设计

3.1V型推进系统设计

主机25m转弯半径模拟推进油缸V型布置，提供掘进推力、平衡刀盘掘进扭矩。推进油缸引：悬臂掘进机--平巷、小角度斜井;f<8或<11

硬岩矩形掘进机主要应用于类矩形截面的岩石巷道开挖，主要适用于围岩相对稳定地层的掘进施工，主体为Ⅲ类及其以上围岩的地质。其主要组成为刀盘、盾体、主梁、推进系统、后支撑、拖拉系统、前部辅助吊机、拖车、泵站、配电柜、变压器、内外水系统、后部辅助吊机、前部输送机、主控室、皮带机。3.2超前探测与支护设计超前探测与支护设计--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：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（2100-2300击每分钟）极其平稳，对钻机和电子设备冲击较小。超前探测与支护设计--定向钻FDP-68型定向钻机采用全液压驱动，履带双速行走，双低速马达驱动动力头双速钻进，结构先进简捷；齿轮齿条传动系统，运动平稳可靠；桅杆可在8°-16°范围内调节开孔角度，前后移动装置新颖独特；该钻机采用具有国际领先水平的控制技术，扭矩大、动力配置高、结构设计合理、操纵方式先进、采用ф102×3米长的钻杆，钻机施工效率高。3.3皮带运输超小转弯半径的适应性-浮动式皮带机设计上下调节螺杆左右调节螺杆皮带架上下、左右可调节；短皮带架设计。曲线皮带运输视频垂直皮带运输3.4侧卸梭矿车运输梭矿车运输梭矿车主要参数：容积：15m3载重：30T功率：22kW最小转弯半径：30m最大行车速度：15kM/h工序500米进车掘进500米出渣换步（出渣）卸渣（掘进）效率9km/h26mm/min9km/h3m³/min用时约5min约40min/m约5min5min/次5min/次合计50min/m0min开挖断面参数：面积：9.782m2虚方：约15m3在运输期间进行换步，做到施工不间断。如断面较大，让梭车做为后配套临时贮料箱即可。4、施工工艺流程

TBM掘进模式选择提供了三种推进模式：

自动扭矩控制，仅适应于均质软岩。选择此种工作模式的判断依据是：掘进时，扭矩先达到额定值而推力未达到额定值，胶带输送机上无大块岩渣输出，则可判断固岩为均质软岩状态，可选择自动控制扭矩模式。

自动推力控制，仅适用于均质硬岩。选择此种工作模式的判断依据是：掘进时推力达到最大值而扭矩未达到额定值，而可判定围岩为硬岩状态，选择自定推力模式。

手动控制模式，适用于变化着的各种地质。如果不能判定围岩状态，或掌子面围岩软硬不均，节理发育，边有破碎带和断层时必须选择手动控制模式。

运输车辆安全管理措施：1、编制卡车运输安全管理制度，对车辆运输进行管理。2、所运输车辆配置可靠的刹车系统。3、采用信息化技术对运输车辆实施高效调度运行指挥，编组车辆洞内运行过程监控通过定位监控系统实现。4、安排专人对巷道内道路进行日常维护。5、所有运输车辆严格控制超载、超宽、超高现象。6、严格控制编组列车运行速度，运行速度不得超过5km/h。7、加强运行与维护保养人员的技能和岗位培训，严禁违章操作。

TBM通过破碎带安全管理措施：1、施工中加强超前地质预报工作。采用合适的超前地质预报仪器定性判断前方围岩情况，必要时采取超前钻探措施，指导施工生产顺利进行。2、TBM开挖过程中，做好地质编录，提出对策和措施，每个开挖工班配一名工程师跟班，确保各种施工安全措施、技术交底的落实。掘进通过断层破碎带时，会出现掌子面及其附近开挖面岩石坍塌或的现象，对可能出现的主