朱愛山，周慧鵬，李 勇

（1.浙江省隧道工程集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310030；2.中鐵工程裝備集團(tuán)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(jìn)入了攻堅(jiān)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(gè)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(jìn)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(yán)重，施工速度也越來越慢。其進(jìn)度不能滿足礦山遠(yuǎn)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(jià)瞬息萬變，投資風(fēng)險(xiǎn)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(yùn)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(bào)道。王富林［5］對深部復(fù)雜巖層巷道圍巖控制與支護(hù)技術(shù)做了研究；劉永等［6］做了應(yīng)力巷道深部開采支護(hù)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(shí)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(fēng)險(xiǎn)進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)

TBM 法施工速度是鉆爆法的4～10 倍，用人少，但施工也存在風(fēng)險(xiǎn)：一是設(shè)備選型風(fēng)險(xiǎn)；二是地質(zhì)原因造成的巖爆問題、圍巖變形過大卡機(jī)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(jì)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(dāng)施工進(jìn)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(xiàng)目排水廊道施工采用一臺直徑3.53 m 凱式TBM 機(jī)［8-9］，成功穿越了抗壓強(qiáng)度140～200 MPa、石英含量50%～60%的花崗巖地層，且順利通過8 個(gè)30 m 轉(zhuǎn)彎半徑S 形彎，日掘進(jìn)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(jìn)機(jī)正式下線［10］，將用于貴州省四季春煤礦。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(dāng)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(jī)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(bào)告不詳造成TBM 選型不準(zhǔn)

TBM 法隧道較長，往往穿越多座山峰，按照勘查標(biāo)準(zhǔn)勘查對環(huán)境的破壞很大，所以勘查詳細(xì)程度多數(shù)不夠，故在TBM 選型時(shí)缺乏針對性設(shè)計(jì)，一旦地層有變化，本身自帶的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(cuò)誤判斷。在沒有預(yù)支護(hù)的情況下，TBM 貿(mào)然推進(jìn)，就很容易出現(xiàn)水淹TBM 或塌方等嚴(yán)重問題。

金屬礦山勘查相對市政、交通等工程勘查詳細(xì)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(shí)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(fēng)險(xiǎn)也愈高。

3 風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)作用；（2）受爆破擾動誘發(fā)的時(shí)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(qiáng)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(jī)理易于分析，但要判斷在哪里出現(xiàn)還很難實(shí)現(xiàn)。通過以下措施可以降低巖爆危害：

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

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

（3）較慢的掘進(jìn)施工速度，可使圍巖應(yīng)力重新分布，降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)。

（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(fēng)是最有效的方法，也較為簡單。長時(shí)間在外作業(yè)工人同時(shí)輔以礦井熱害氣冷式個(gè)體防護(hù)服，同時(shí)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(bào)儀預(yù)報(bào)

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(shí)間、傳播的衰減以及相位的變化等進(jìn)行分析，進(jìn)而對隧道掌子面前方的巖體地質(zhì)條件做出預(yù)報(bào)和判斷。

3.3.2鉆機(jī)水平超深孔鉆探

根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)情況再設(shè)計(jì)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(gè)，底板一個(gè)，中間一個(gè)，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(jìn)行模擬，根據(jù)勘察成果、現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)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(diǎn)是：膠凝時(shí)間可控，可以達(dá)到控域注漿目的；早期強(qiáng)度較高，利于注漿后就立即進(jìn)行開挖施工。在有水尤其是富含水的地層中，可以達(dá)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(jī)，TBM 法隧道鉆機(jī)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(qiáng)針對性設(shè)計(jì)

礦山巷道隨礦體位置設(shè)計(jì)，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(jì)階段就要開始考慮斷面的統(tǒng)一和坡度要求。TBM 機(jī)可據(jù)此作針對性設(shè)計(jì)，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(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳見圖2，可實(shí)現(xiàn)最小25 m的轉(zhuǎn)彎半徑。

圖2 V 型推進(jìn)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(hù)巖石定向鉆技術(shù)

TBM 法隧道，超前預(yù)注漿支護(hù)多在護(hù)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)注漿，同時(shí)也減少了鉆孔數(shù)量。雙桿空氣錘定向鉆在鉆進(jìn)硬巖時(shí)，與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆頭相比，雙層桿鉆機(jī)與空氣錘組合可以提高鉆進(jìn)效率?？諝忮N采用雙轉(zhuǎn)向點(diǎn)設(shè)計(jì)，結(jié)合了板條鉆頭和二度彎曲接頭，在出、入巖層過渡時(shí)，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(jī)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(yùn)輸占整個(gè)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(yùn)輸，采用鉆爆法修整調(diào)車及避車道。梭車作為后配套臨時(shí)貯料箱，容積與轉(zhuǎn)運(yùn)卡車到位間隔時(shí)間相適應(yīng)，在運(yùn)輸間斷期間進(jìn)行換步，做到施工不間斷。

4 經(jīng)濟(jì)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(jià)格優(yōu)勢已經(jīng)無法彌補(bǔ)其安全性差、功效低的缺點(diǎn)。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(fēng)要求及成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TBM法。深部采礦環(huán)境溫度高達(dá)30～35 ℃，TBM 法機(jī)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(hù)工程量。支護(hù)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(jìn)速度快，環(huán)保，是發(fā)展方向。同時(shí)計(jì)算綜合經(jīng)濟(jì)效益和時(shí)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(diǎn)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(xì)，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(fēng)險(xiǎn)相對較小。

（2）小轉(zhuǎn)彎TBM 機(jī)等已經(jīng)有在類似地層成功實(shí)用的案例，設(shè)備自身質(zhì)量或選型原因的風(fēng)險(xiǎn)較小。

（3）針對可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，也有針對性的應(yīng)對措施，這些措施均有成功的實(shí)例，不良地層風(fēng)險(xiǎn)處理風(fēng)險(xiǎn)較小。

（4）TBM 法機(jī)械化程度高，人工少，安全風(fēng)險(xiǎn)也很小。

（5）TBM 機(jī)的價(jià)格相比以前已降低了很多。

綜上所述，筆者認(rèn)為TBM 用于金屬礦山巷道是可行的。

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