HSP超前探测技术在煤矿TBM掘进巷道中的应用研究

随着全断面掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)逐渐应用于煤矿岩巷掘进,对不良地质构造进行超前准确快速预测的需求日益迫切。通过对主动源地震波超前探测方法的特点和TBM破岩震源超前探测技术的适用性进行分析,结合煤矿巷道地质和生产条件,提出了适用于煤矿巷道TBM掘进的HSP超前探测方法。以河南平顶山首山一矿TBM掘进底板瓦斯治理巷道为工程背景,选用防爆硬件一体化设计的探测仪器在煤矿巷道中进行应用。构建了空间型观测方式对煤矿巷道近水平煤线进行探测,优化了双护盾TBM掘进巷道狭小空间检波器阵列式布置参数;基于时频分析、互相关干涉处理、反射与散射联合反演等方法处理原始信号并进行探测结果成像。研究表明:采用空间型观测方式可实现与巷道小角度斜交煤线的识别,设计震源与首检波器间距离为15 m时最优。通过时频分析提取有效信号,利用互相关干涉法获取虚拟震源道和反射特征曲线,并结合反射与散射联合反演成像得到探测区域地层反射能量分布图,能够较准确地推测得到围岩存在的不良地质构造。通过比较现场开挖揭露情况与探测结果发现两者吻合度较高,表明HSP超前探测方法可实现掘进工作面前方100 m范围内超前无损地质预测,有助于提高煤矿岩巷TBM掘进速度。

矿用硬岩巷道机械化掘进破岩形式研究现状及展望

硬岩巷道快速掘进是实现煤矿智能高效开采的重要环节,悬臂掘进机、TBM和底切割装备都在尝试解决这一难点,掘进技术和装备的发展直接影响采矿的安全生产和经济效益。首先,总结了悬臂掘进机在硬岩截割工况的适用范围和截齿消耗现状,分析截割破岩形式的现场试验,发现在较高的岩石强度条件下,截齿消耗量较正常磨损翻倍,掘进速度与开采速度的不匹配,严重制约了矿井生产。其次,分析了滚刀破岩形式和装备在矿山领域的应用和新产品现状,得出移动式矿用掘进设备采用滚刀挤压破岩,块状渣土少,粉末多,刀盘推力小,导致破岩能力不足。最后,分析了线性底切割破岩技术和非线性底切割技术的原理和装备研发现状。结果表明:随着振荡频率的提高,切削力显著降低,非线性底切割破岩单位体积消耗能量少,优势明显。但在硬岩条件下的掘进效率、设备稳定性等关键问题有待验证,非线性底切割技术有望突破未来矿山硬岩掘进的技术难题。

用P-CCNBD试样测定岩石动态扩展韧度和观察动态止裂现象

关于动态断裂的全过程,包括动态起裂、扩展和止裂的报道在科学文献中受到日益增长的关注。研究岩石的动态扩展和动态止裂,用分离式霍普金森压杆径向冲击大直径(φ160 mm)的预裂人字形切槽巴西圆盘(pre-cracked chevron notched Brazilian disc——P-CCNBD)试样的试验,测定了大理岩的I型动态扩展韧度,而不仅是动态起裂韧度。确定的方法是试验―数值―解析法,而不是通常的准静态法,因为,大尺寸试样在动态试验中不满足应力平衡条件。裂尖起裂时刻和裂纹扩展速度采用应变片和裂纹扩展计监测;将有关试验数据,包括霍普金森压杆施加在试样上的的动态荷载输入有限元程序,对P-CCNBD进行三维动态数值模拟,再结合普适函数的半解析修正,得到动态应力强度因子的时间历程。结果表明,P-CCNBD大理岩试样的动态起裂韧度随加载率的增大而增大,试样的动态扩展韧度略低于动态起裂韧度,且扩展韧度随裂纹扩展速度的加快而增大。此外,对裂纹扩展速度振荡和扩展路径曲折现象进行了分析,讨论了P-CCNBD试样实现动态止裂的可能性。

深部高应力隧道TBM护盾长度和推力计算方法研究

岩石隧道掘进机(TBM)法开挖长隧道是一种安全、快速、有效的隧道开挖方法,但TBM复杂高应力隧道掘进时易发生卡机事故,因此,TBM在设计之初应尽可能考虑地质环境的影响,降低TBM的卡机风险。通过分析高应力常规地层和高应力软弱破碎地层对TBM的影响,提出了高应力常规地层和高应力软弱破碎地层TBM卡机的两个判据。根据两个判据提出了考虑围岩力学参数的高应力隧道TBM护盾长度设计和推力设计理论计算方法,并给出了参数选取依据。最后依据西南地区某高应力隧道的实际围岩地质参数,计算分析了现有TBM设计的合理性。本研究可为TBM的盾体长度和推力设计计算提供围岩力学参数依据。

基于CVISC模型的深埋圆硐黏弹塑性解

为解决高地应力围岩挤压型大变形问题,根据以往挤压型大变形隧道案例,选取适用于泥岩、砂岩、粉质砂岩等各向同性软岩,利用Burgers模型和M-C塑性体串联形成的CVISC黏弹塑性模型,结合CVISC模型黏弹性元件和弹塑性元件相互独立的特性,将围岩径向位移分为瞬时弹塑性阶段位移和黏弹性阶段位移,分别推导塑性区和黏弹性区径向位移解析解,叠加组合形成围岩位移分布解析解,分析围岩径向位移场、应力场随时间变化规律,全面描述硐室变形规律。借助FLAC3D和相关文献理论解答验证其适用性,在此基础上进行长期变形的参数敏感性分析,结果表明各阶段最关键的3个参数分别是内摩擦角、黏聚力和弹性模量,蠕变参数仅在其控制阶段具有显著敏感度。

深部岩芯饼化现象的应力机制探索

岩芯饼化是深部工程区高地应力现象的典型表现之一,其饼化形貌特征一定程度上可以反映地应力大小与方向。依托世界埋深(2 400 m)最深的锦屏地下实验室,开展现场取样,详细记录不同孔号、孔向的饼化岩芯。基于3维蓝光LED非接触式扫描技术,获得了岩饼断面和侧面离散点精准3维数据,重构了岩饼断面和侧面的精细形貌,观察了岩饼的整体形态及端面错台的分布情况。同时,开展岩饼不同类型形态及不同方向剖面迹线的分形特征研究,并结合数值模型探讨了岩芯残根不同位置应力分布特征对岩芯饼化现象的影响。结果表明:岩饼断裂端面有4种表现形态,其中典型的形态为岩饼周边出现错台和岩饼呈现单侧变薄形态;岩饼端面剖面迹线最大分维值的方向与最大主应力分力方向一致。裂纹扩展可分为两种情况,从岩芯径向向内发展贯穿和从岩芯轴向开展,前者产生一侧偏薄、一侧偏厚的岩饼,后者会产生灯盏状破坏并在断面外围位置出现错台;前者反映了处于三向不等地应力条件下的岩芯裂缝将沿较大主应力方向扩展,后者探讨了钻杆钻进过程旋转和地应力共同作用下产生饼化现象的原因,反映了深部岩芯饼化现象的应力机制。研究结论可望为分辨饼化现象的成因及判识所处工程区地应力环境提供一些有益的参考。

深部不同深度岩石脆延转化力学行为研究

岩石脆延转化力学行为规律是深部岩石力学研究的重要内容之一,同时也是影响深地工程安全高效实施的关键因素。为研究深部不同深度岩石脆延转化力学行为差异性规律,以松辽盆地1000~6400 m不同赋存深度的砂岩、砾岩和安山岩为研究对象,开展了同一深度岩石不同应力水平下、不同深度岩石同一应力水平下以及不同深度岩石原位应力水平下的常规三轴实验,并采用峰前和峰后脆性指标分析了岩石的脆性特征,初步揭示了深部不同深度岩石脆延转化力学行为的关键影响因素与差异性规律。研究结果表明:不同深度岩石脆延转化并非是瞬时的,而是存在一个脆延性逐渐转换的应力区间。同一深度岩石不同应力水平下其脆延特征主要受围压影响。对于1600 m深砂岩,其脆性整体上随着围压的增大而减小,出现了从脆性—延性—应变硬化的转变,并且其峰后塑性逐渐增强,直到峰后呈现完全塑性。50~70 MPa应力水平范围为1600 m深砂岩的脆延转化区间;相同围压下不同深度岩石的脆延特征主要受其本身矿物组分的影响。对于松辽盆地岩石样品,其硬相矿物和中等相矿物的含量总体上随着深度的增加而增大,导致其脆性随深度的增加而增大,由浅至深表现出延性—脆延转化—脆性的特征;不同深度岩石原位应力水平下其峰后特征随着深度的增加呈现出不同的特征:1000~3500 m深砂岩表现出峰后应变软化特征、4800 m深砂岩和5100~5600 m深砾岩表现出峰后脆性特征、6400 m以深的安山岩表现出峰后塑性流动特征。岩石的脆延特征受诸多因素的影响,其中岩石的矿物组分和应力环境对其脆延特征的影响存在博弈现象。随着深度的增加硬相矿物和中等相矿物含量的增加会导致岩石的脆性增长,而岩石加载应力水平的增加,又会抑制岩石的脆性增长。

煤矿岩巷TBM适应性与新技术发展

全断面掘进机(TBM)在煤矿岩巷掘进逐步得到推广应用,但TBM机型设计适应性不足已成为影响TBM掘进煤矿岩巷掘进效率的主要原因。通过对比分析煤矿巷道常规使用的掘进技术与TBM掘进技术,得出TBM应用于煤矿巷道掘进时必须考虑巷道围岩条件的差异化和需求特殊化。煤矿TBM的设计要基于机型的特点,结合煤矿岩巷的施工条件进行设计。针对煤矿岩巷工程的施工难题研发出了特有的“V型推进”系统,实现巷道小转弯半径施工;采用与TBM配套的“超前探测”技术进行超前地质预测,通过强化TBM的初期支护能力、加强脱困能力等设计来应对不良地层;基于“排水+堵水”处理思路,形成TBM掘进巷道的超前注浆封堵方式的防突水技术;通过在TBM刀盘、盾体内搭载的气体实时监测系统,开发了TBM巷道防瓦斯突出技术;进行了高地温施工环境下,TBM关键部件冷却、刀盘喷雾通风等针对性设计。创新技术在“贵州贵能聚鑫煤矿”、“四季春煤矿”、“平煤首山一矿”、“山西惠源煤矿”等矿井进行了应用并取得成功。随着煤矿未来开采所面临的更复杂严峻的工况,矿用TBM未来也将朝着强机动性、地质适应性、支护多样性、设计系列化、行业标准化、掘进体系智能化等方面不断发展探索,今后开发研制出智能化矿用TBM,既是掘进机技术在煤矿领域推广的重大机遇,也是一项艰巨的技术挑战。

云贵地区煤矿TBM施工技术应用研究

云贵两省是我国南方重要的煤炭生产基地,初步探明贵州省南、北盘江腹地煤炭储量达330亿t,其中可就近通过水运的煤炭储量达到92亿t,急需高效、安全地开采煤炭。近年来,TBM(全断面隧道掘进机,Tunnel Boring Machine)因其高程度智能化、安全高效的优点已逐渐应用于煤矿巷道的掘进,尤其是中东部众多矿区。在立足于国内煤矿针对TBM施工进行了大量的应用研究工作之上,进行了大量调研,分析了TBM施工技术与煤矿常用的传统钻爆法和综掘法在现代化煤矿的不同类型巷道中的适用性与先进性,发现TBM施工技术因其高效的破岩方式在运输大巷等硬岩巷道施工中优势更加明显,掘支平行作业程度高,破岩时对围岩扰动较小,有利于围岩稳定,同时在长距离开拓巷道掘进时综合成本优势十分显著,且施工一次成硐,可实现一巷三用,但是对地质条件适应性较差。以贵能公司聚鑫煤矿+1095 m运输大巷的掘进工程为工程实例,提出了满足全断面掘进机快速施工煤矿硬岩巷道特点与要求的巷道支护型式和施工技术,研发的“贵能二号”TBM在实际工程中实现了“小断面、大坡度、小转弯半径”的成功应用。将常规隧道TBM与不同采掘深度和服务年限特点的煤矿巷道相结合,开发出适用于不同类型煤矿巷道且具有特色的矿用TBM,大幅提高了矿井建设的高效性和安全性,研究对TBM施工技术在煤矿领域的发展具有重要的推广和借鉴意义。

滚刀-高移速水射流耦合切削极硬花岗岩试验与模拟研究

目前,全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀与高压水射流耦合破岩研究中,水射流切槽大多由低移速水射流切割而成,这与实际情况下耦合在TBM刀盘上的高移速水射流所制备的切槽不同,进而影响滚刀-水射流耦合破岩结果的可靠性。针对上述问题,采用2种喷嘴直径(0.5 mm和0.7 mm)、3种移速(1.8,2.4和3.0 m/s)的高移速水射流,耦合小尺度TBM滚刀(刃宽为2.3 mm和直径为43.2 mm),对极硬花岗岩进行切削试验,研究不同切削模式下的岩石破碎效果、滚刀法向力以及破岩比能的变化规律,同时开展全尺度滚刀与高移速水射流切槽耦合破岩的数值模拟,作为小尺度破岩试验的补充。研究结果表明:高移速水射流切槽的底长和高度随喷嘴直径的增大而增大,随喷嘴移速的增大而减小;在共轨破岩试验中,小滚刀下方岩石被高移速水射流部分移除,导致破岩载荷和破岩效率降低;在错轨破岩试验中,当小滚刀与水射流切槽间距大于15 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果趋于消失,当间距为12 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果最显著,破岩比能比纯滚刀切削降低68%;由于高移速水射流切槽小、滚刀刃宽大,导致切槽对滚刀破岩的辅助效果很小。为提升高移速水射流辅助TBM滚刀破岩效果,建议提升水射流的切割能力从而提升切槽深度,适当减小滚刀刃宽从而提升滚刀贯入岩石的能力,适当减小滚刀与切槽间距从而发挥切槽临空辅助破岩作用。

采空区影响下穿层巷道变形特征及支护技术研究

针对梁北矿在采空区下近距离掘进-550 m水平东翼开拓巷道围岩不易稳定的问题,采用数值模拟方法分析了相邻2个不同时间开采的工作面形成的采空区和煤柱对开拓巷道附近围岩的应力分布规律和变形特征;并基于多层次耦合承载结构的支护原理,给出了相应的变形控制对策和支护方案,在现场进行了应用。研究结果表明:随着工作面的推进,采空区底板岩层原岩应力恢复区由采空区中部向四周扩散,塑性破坏区呈“倒马鞍”状分布;穿层巷道受邻近未稳定采空区垮落岩层逐步压实扰动过程产生的应力和煤柱应力集中产生的影响,塑性破坏区呈非对称分布。基于巷道围岩破坏形成破碎区、塑性区和弹性区的分区特征,提出充分利用内外承载体形成多层次耦合承载结构的支护对策;采用“高强锚网索+浅深部围岩分次注浆+喷浆”多层次耦合控制技术,在现场取得了良好的应用效果。

适应复杂多变地质隧道双结构TBM研制与应用

西南艰险山区隧道建设面临着高原高寒、地形高差大、地质条件复杂等方面严峻挑战,应用全断面隧道掘进机(TBM)是高效建成隧道的有效途径之一,但常规TBM已无法满足复杂地质多变隧道施工要求。为保障TBM安全、高效施工,提出了一种适应极端复杂地质环境的新型双结构TBM。通过对复杂地质条件下TBM工程研究与实践,首先,探讨了不良地质下不同机型TBM的适应性,分析敞开式TBM在高地应力岩爆地层、节理密集带及蚀变岩地层下隧道变形机理;其次,针对岩爆、破碎及节理密集带地层敞开式TBM施工痛点,基于常规敞开式TBM结构,开展预留超前地质预报接口、主机结构增强、强化支护能力和清渣能力、超前释放地应力、安全防护措施、防卡机及脱困等设计,针对单一结构形式TBM面对复杂地质的局限性,建立常规地质“网–喷–锚”敞开支护和不良地质“钢管片–辅推”封闭支护的双结构支护体系;最后,依托于西南某铁路隧道项目,结合双结构TBM现场应用情况,评价双结构TBM在不良地质条件下的适应性,现场整体掘进率表明,双结构TBM在地质多变隧道施工应用效果良好,对于解决在复杂地质条件下TBM施工有一定的借鉴意义。

抽水蓄能电站TBM洞内材料运输系统研究

物料运输系统在TBM隧道施工中有着举足轻重的地位,合理的物料运输设计可有效提高出渣效率、降低机器故障率和施工成本等。抽水蓄能电站隧洞群具有交叉多、短洞多、小曲线转弯多、断面变化频繁等特点,对TBM物料运输及出渣带来了巨大挑战。本文依托河北抚宁抽水蓄能电站工程项目,针对隧洞超小曲线物料运输难题,通过对比有轨运输与无轨运输的优缺点,确定了物料运输方案,项目采用传统出渣方式进行施工,研究了一种“桥架式转载皮带机+搭接式连续皮带机”的急转弯技术,实现连续出渣,提高掘进效率。

抽水蓄能电站TBM隧洞支护设计研究

文章分析了某抽水蓄能电站TBM支护技术。首先分析了抽水蓄能电站TBM支护系统,总结TBM施工过程中围岩安全监测方法,基于TBM施工过程中通过不断收集地质编录、松动圈数据及沉降点监测数据等地质资料,对TBM支护设计参数进行优化,有效加快施工进度并节省投资,为后续针对TBM施工的洞室支护标准编制提供依据。

抽水蓄能电站TBM施工方案研究

某抽水蓄能电站地质复杂,TBM掘进线路最小转弯半径R=90m,且弯段较多,掘进过程中存在姿态控制困难、胶带跑偏、轨行式结构脱轨等风险,不利于TBM的标准化和适用性。因此,根据TBM对施工环境以及地质条件因素的适用性要求,提出一种适用于抽水蓄能平洞TBM施工的布置方案。对比分析TBM与钻爆法施工经济指标,得出结论:TBM施工费用合理,施工效率是人工钻爆法的4倍以上,同时降低了安全风险,减少了石方洞挖过程中的超欠挖工程量,提高了现场施工质量,为同行从业者在同类或类似工程的设计、施工提供参考。

抚宁抽水蓄能电站TBM出渣方案优化

随着国家铁路和水利项目陆续开始建设,相应的隧道建设也在不断的增多,出现越来越多小转弯半径的隧道,这对于TBM出渣系统的适应性要求更高。为了解决超小曲线半径TBM出渣问题,本文以抚宁抽水蓄能项目为例进行探讨,开展了TBM小曲线皮带机的针对性设计,提出了设计隧道皮带机转弯时需注意的重难点,通过现场改造,将传统出渣方式优化为连续皮带机出渣方式,提高了出渣效率,为今后隧道TBM皮带机转弯设计提供了参考。

多次应力波作用下P-CCNBD岩样动态断裂的能量耗散特性研究

为了研究多次应力波作用下岩石的动态断裂破坏规律,采用直径100 mm的分离式霍普金森压杆径向加载直径为160 mm的含预制裂纹人字形切槽巴西圆盘大理岩试样,分别采用裂纹扩展计和普通应变片测定试样裂尖的起裂和扩展过程,分析试样破坏过程中的动态断裂规律和能量耗散特性。结果表明:在0.13 MPa的子弹发射压力下,出现了试样被多次应力波作用形成破坏的试验现象;入射能、反射能和耗散能均随着作用次数的增加而逐渐减小,但是试样的总耗散能却随作用次数的增加而增大;试样的能量耗散率和动态断裂韧度都随作用次数的增大而减小,并且满足近似的线性关系,这有助于理解多次应力波作用下岩石的动态断裂机制。

测试岩石抗拉强度双圆环试样构型和尺寸优化研究

针对岩石抗拉强度测试所采用的双圆环试样易产生应力集中导致测试值偏小的问题,提出了一种新构型试样.采用ANSYS有限元软件模拟计算了121个含有不同内外圆环切割深度的双圆环试样的受载应力分布情况,分析了切割深度对试样受拉区和应力集中区的影响;在GCTS岩石力学试验机上测试了16个双圆环砂岩试样的抗拉强度值,并与巴西劈裂法的测试值进行了对比研究.结果表明:试样受拉区轴向变化曲线呈现出“双峰值现象”,两应力集中区的极值差随切割深度变化的等高线图为扇形分布图,零点线的斜率约为0.3;环形受拉区和应力集中区的峰值应力受切割深度影响显著,区域内峰值差异大是测试值偏低的主要原因;当双圆环试样的尺寸采用内圆环切割深度为4~8 mm,外圆环切割深度为14~16 mm时,应力集中区的平衡因子不超过2%,此时,额外弯矩对受拉区的影响较小,应力分布较均匀,能够实现最佳压拉转换,基于该尺寸双圆环试件得到的抗拉强度测试值接近巴西劈裂法,但标准差更小,能够相对准确地测试岩石的抗拉强度.

硬岩掘进机高压水砂前混破岩影响因素试验研究

将前混合磨料水射流破岩技术应用于硬岩掘进机(TBM)上,有望解决隧道施工过程中遇到高强度岩石时,传统滚刀破岩效率低、成本高的难题,但前混合磨料水射流破岩受多种因素影响,系统复杂,在TBM破岩掘进领域的应用还不够成熟。基于此,利用高压水、砂破岩试验装置,开展了固定状态下喷头定时、移动状态下喷头定速的对比试验,研究不同静水压、射距、喷嘴的运动状态对磨料平均消耗量以及破岩坑槽深度和宽度的影响,针对破岩宽度效果,各因素影响大小依次为移动状态、射距、静水压;针对破岩深度,各因素影响大小依次为移动状态、静水压、射距。通过探究前混合磨料水射流技术的破岩最佳参数,为TBM的新型破岩技术研究提供依据。

软岩大变形分类分级方法及TBM适应性

针对目前缺乏不同大变形等级下的TBM施工适宜性评价方法的问题,通过分析软岩大变形机理,总结大变形相关分级方法,考虑TBM掘进影响因素,建立软岩隧道TBM法适宜性分级标准,将其划分为非常适宜、适宜、较适宜、适宜性差、不适宜五个等级,并通过工程实例验证该方法的合理性,为软岩隧道大变形分级及TBM适宜性评价提供合理的参考依据,进而选择合适的施工方法和防治措施。