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)
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。
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]。
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。
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。
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。
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。
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。
(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
(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。