基于TBM掘进性能和适应性分析的围岩分级方法及应用.pdf
《基于TBM掘进性能和适应性分析的围岩分级方法及应用.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于TBM掘进性能和适应性分析的围岩分级方法及应用.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、基于 TBM 掘进性能和适应性分析的围岩分级方法及应用刘佳伟1,张盛1,2,陈召1,杨战标3,冀畔俊4,魏永辉1(1.河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作 454001;2.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南 焦作 454001;3.平顶山天安煤业股份有限公司 煤炭开采利用研究院,河南 平顶山 467099;4.河南平宝煤业有限公司,河南 许昌 461714)摘要:煤矿巷道变化的围岩地质条件影响着全断面岩石掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)的推广应用,准确评估煤矿岩体可掘性和岩层 TBM 适应性对 TBM 高效施工至关重要。基于对岩体参数和岩
2、体可掘性指标的评价,采用优劣解距离法(TOPSIS)建立了岩体可掘性分级模型,并结合不同地质条件的 BQ 值和 TBM 利用率的相关性分析,提出了岩层适应性分级模型。以日掘进速度为判断指标,进行岩体可掘性和岩层适应性评估,建立了一套基于 TBM 施工性能的围岩综合分级方法,采用河南平顶山首山一矿底板瓦斯抽采巷道 TBM 掘进过程中的工程数据,对 TBM 围岩综合分级方法进行了现场应用。结果表明:在岩体可掘性等级为级,地层 TBM 适应性等级为 3 级的条件下,TBM 施工巷道平均月进尺可达到 400 m;当 TBM 利用率不足 20%时,极有可能会出现卡机、出渣困难等现场问题。围岩综合分级方法
3、通过利用自动采集的 TBM 掘进数据和围岩性质的综合分析,能够动态评估 TBM 在不同围岩地质条件下的施工性能,并为 TBM 掘进控制参数设计提供了理论依据。关键词:TBM;煤矿岩巷;围岩分级;可掘性;岩层适应性中图分类号:TU45 文献标志码:A 文章编号:1001-1986(2023)08-0161-10AmethodforclassificationofsurroundingrockbasedontheexcavatabilityperformanceandadaptabilityoftunnelboringmachinesanditsapplicationsLIU Jiawei1,ZH
4、ANG Sheng1,2,CHEN Zhao1,YANG Zhanbiao3,JI Panjun4,WEI Yonghui1(1.School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454001,China;2.Collaborative InnovationCenter of Coal Work Safety and Clean High Efficiency Utilization,Jiaozuo 454001,China;3.Coal Mining and Utilization Re
5、searchInstitute,Pingdingshan Tianan Coal Mining Co.,Ltd.,Pingdingshan 467099,China;4.Henan Pingbao Coal Co.,Ltd.,Xuchang 461714,China)Abstract:The varying geological conditions of the surrounding rocks of coal mine roadways influence the wide applica-tion of full-face rock tunnel boring machines(TBM
6、s).Therefore,accurately assessing the excavatability of rock massesin coal mines and the rock adaptability of TBMs is crucial for the efficient operation of TBMs.Based on the evaluationresults of the parameters and excavatability of rock masses,this study built a classification model for rock mass e
7、xcavat-ability using the technique for order preference by similarity to ideal solution(TOPSIS).Furthermore,combining thecorrelation analysis between the BQ values of different geological conditions and the utilization ratio of TBMs,thisstudy proposed a classification model for TBM adaptability to r
8、ock layers.Moreover,this study evaluated the rock mass 收稿日期:2023-05-26;修回日期:2023-07-21基金项目:国家自然科学基金项目(51674101,52174074)第一作者:刘佳伟,1997 年生,男,陕西眉县人,硕士研究生,从事巷道围岩控制方面的研究.E-mail:通信作者:张盛,1976 年生,男,山西朔州人,博士,教授,博士生导师,从事岩石力学及巷道围岩控制方法的教学与研究工作.E-mail: 第 51 卷 第 8 期煤田地质与勘探Vol.51 No.82023 年 8 月COAL GEOLOGY&EXPLORA
9、TIONAug.2023刘佳伟,张盛,陈召,等.基于 TBM 掘进性能和适应性分析的围岩分级方法及应用J.煤田地质与勘探,2023,51(8):161170.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.05.0290LIU Jiawei,ZHANG Sheng,CHEN Zhao,et al.A method for classification of surrounding rock based on the excavatabilityperformance and adaptability of tunnel boring machines and its applic
10、ationsJ.Coal Geology&Exploration,2023,51(8):161170.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.05.0290excavatability and the rock adaptability of TBMs based on the daily advance rate.Accordingly,it established a compre-hensive classification method for surrounding rocks based on TBM performance.As indicated by t
11、he field application ofthis classification method based on the engineering data from the TBM excavation of a gas drainage roadway on thefloor in Shoushan Mine No.1,the average monthly footage of the roadway achieved using a TBM could reach 400 m un-der a rock mass excavatability of Grade I and a roc
12、k adaptability of Grade 3.When the utilization ratio of TBM was lessthan 20%,on-site problems,such as TBM jamming and difficulties with slag discharge,were highly liable to occur.Based on the automatically collected TBM excavation data and the analysis results of surrounding rock properties,thecompr
13、ehensive classification method for surrounding rocks proposed in this study can dynamically evaluate the perform-ance of TBMs under different geological conditions of surrounding rocks,thus providing a theoretical basis for thedesign of the tunning control parameters of TBMs.Keywords:Tunnel Boring M
14、achine(TBM);coal mine roadway;classification of surrounding rocks;excavatability;ad-aptability to rock layers 煤矿井下岩巷掘进效率低下,一直以来是制约煤矿高效生产的“卡脖子”问题。相对于爆破法和综掘法等传统的掘进方式,全断面岩石掘进机(Tunnel Bor-ing Machine,TBM)具有诸多优点,在我国交通、水利和矿山等工程领域得到广泛应用1-3。但是,TBM 装备在煤矿井下的应用仍存在“理论缺失”“技术嫁接”“装备不适”等一系列关键科学问题尚未突破,这些问题很大程度上制约了煤矿
15、巷道高效智能掘进的现实需求。针对 TBM 掘进巷道能够大幅提高巷道的掘进速度,同时,发挥 TBM“岩机”信息互相反馈的优势,能为底板瓦斯抽采巷道布置层位的确定和灾害防控做好保障。对 TBM 掘进巷道进行围岩分级,开展 TBM 施工性能的评估,是当前巷道掘进研究中的一项重要课题,对现场施工技术指导,以及对施工工期和成本的预测至关重要4-10。目前,国内外学者提出了众多用于 TBM 施工性能预测的模型。科罗拉多矿业学院提出了 CSM 模型11,该模型是在室内切割试验的基础上,搭建了滚刀推力和滚动力的计算公式。H.P.Sanio12提出了适用于层状和片状岩层的滚刀破岩性能预测公式;周思阳等13通过几
16、何关系积分,给出了单把滚刀破岩垂直推力的计算公式。上述模型主要通过理论计算和室内试验,实现了对 TBM 净掘进速度的预测。部分学者在现有围岩分级方法的基础上进行细化分级和参数修正,给出了 TBM 岩体可掘性分级方法。Z.T.Bieniawski 等14研究了 TBM 施工性能与岩体可掘性分级 RMR 之间的关系,建立了 RME 模型;N.Barton 等15在 Q 分级系统的基础上考虑了一系列影响 TBM 掘进性能的因素,提出了 QTBM模型。此外,还有一些学者基于大量现场数据和岩体地质参数的统计结果,通过回归分析建立了 TBM 掘进参数与岩体参数之间的关系,进而实现围岩分级。如杜立杰等16利
17、用多元回归分析,给出了已知岩石单轴抗压强度与岩体完整性指数的条件下,预测贯入度、掘进速度和所需推力的方法;龚秋明等17基于引汉济渭工程 TBM 施工数据,分别给出了岩体 RMR 值与TBM 利用率和净掘进速度的拟合公式;薛亚东等18综合考虑岩体可掘性和地层 TBM 适应性,建立了 TBM施工围岩综合分级模型。然而,尽管对岩层 TBM 适应性的评价可在一定程度上参考传统围岩分级方法建立模型19-20,但岩体可掘性评价中所用的指标应是对 TBM 破岩能力有明显影响的定量指标,并能够充分反映 TBM 掘进性能和围岩条件的交互关系8,21,目前国内外对该方面的研究还不够深入。此外,部分 TBM 施工围
18、岩分级模型采用的公式相对繁琐,选取的参数之间存在相关性,导致分级结果和现场有较大差距22-28。需要结合实际工程开展相关研究。鉴于此,综合 TBM 岩体可掘性分级模型和岩层适应性分级模型,笔者建立了基于 TBM 施工性能的围岩综合分级方法,利用河南平顶山首山一矿底板瓦斯抽采巷道 TBM 掘进过程中采集到的“岩机”数据对分级方法进行了验证。研究成果为 TBM 掘进控制参数的设计提供了理论依据和工程指导。1TBM 围岩综合分级方法综合考虑 TBM 对岩体的可掘性和岩层 TBM 适应性,建立的 TBM 掘进巷道围岩综合分级方法如图 1所示。在进行 TBM 岩体可掘性分级时,首先对岩体参数与多种 TB
19、M 可掘性评价指标的相关性进行分析,然后采用优劣解距离法(TOPSIS)对岩体可掘性等级进行准确划分,最后对岩体可掘性进行分级并对刀盘贯入度 P 进行预测;在进行岩层 TBM 适应性分级时,开展了对典型地质条件工程岩体质量指标 BQ 值和TBM 利用率 U 的相关性分析,并对不同岩层 TBM 适应性等级范围内的利用率 U 的取值进行了预测29。岩体的可掘性是指岩体抵抗刀具破岩的能力和对滚刀磨损的能力,通过 TBM 净掘进速度 PR(penetra-162 煤田地质与勘探第 51 卷tion rate)反映。岩层 TBM 适应性是指 TBM 在该岩层中各项性能的发挥水平,通过利用率 U(util
20、ization)来反映。TBM 的性能和施工的经济性最终反映在施工速度 AR(advance rate)上2,18,30,计算公式为:AR=PRU(1)式中:AR 为 TBM 开挖距离与施工总时间的比值;PR 为 TBM 连续掘进长度与有效掘进时间的比值。TOPSIS 是一种考虑多因素影响的多目标决策方法31-32。通过构建正、负理想解并计算样本与最优方案的贴合度,实现 TBM 掘进巷道围岩的可掘性等级划分。TOPSIS 方法划分可掘性等级可分为以下 4 个步骤。1)初始评价指标矩阵标准化假设对 m 个具有 n 个特征属性的岩体样本进行可掘性等级划分,初始评价指标矩阵为:F=(xij)mn(2
21、)xij式中:F 为初始评价指标矩阵;为样本的特征值。为了消除不同特征参数维度和范围的影响,特征值按下式进行归一化处理,并构建标准化决策矩阵:fij=xijmin(xij)max(xij)min(xij)(3)fij式中:为标准化决策矩阵。2)标准化决策矩阵加权W=w1,w2,wn基于岩体参数对岩体可掘性评价指标影响大小的权重向量,对标准化后的决策矩阵进行加权,得到加权标准化决策矩阵 V:V=(vij)mn=w1f11w2f12wnf1nw1f21w2f22wnf2n.w1fm1w2fm2wnfmn(4)3)贴合度计算加权标准化决策矩阵的正、负理想解可表示为:V+=max(vij)=v+1,v
22、+2,v+nV=min(vij)=v1,v2,vn(5)式中:V+为正理想解;V为负理想解。分别计算单个岩体样本与正理想解的距离 Di+和负理想解的距离 Di-:Di+=vtnj=1(vijv+j)2Di=vtnj=1(vijvj)2(6)则贴合度可按下式进行计算:E+i=Di/(Di+Di)(7)4)岩体可掘性分级将岩体参数样本和分级边界按式(2)式(7)计算贴合度,得到不同岩体可掘性等级对应的贴合度范围,并确定岩体样本贴合度所属范围,完成岩体可掘性分级。TBM 掘进巷道围岩综合分级方法考虑 TBM 掘进性能和岩层适应性,以 TBM 施工速度 AR 为评价指标所建立。具体应用时,首先将 TB
23、M 施工巷道划分为不同围岩地质条件,分别进行岩体可掘性分析和岩层TBM 适应性分析,最后,根据 TBM 施工速度 AR 为评价指标进行 TBM 掘进巷道围岩综合分级。2首山一矿工程背景及数据库建立首山一矿己15-17煤层开采深度达到 900 m,实测瓦 岩体参数岩体参数与 TBM 可掘性评价指标的相关性分析 构建标准化决策矩阵标准化决策矩阵加权岩体样本与分级边界贴合度计算及修正确定岩体样本贴合度所属等级范围完成岩体可掘性分级对决定系数 R2 归一化处理并确定权重值 基于相关性分析提出贴合度修正系数 权重向量修正因子TOPSIS 模型岩体可掘性等级划分贯入度 P 预测 TBM 利用率 U 与不同
24、地质条件 BQ 值的相关性分析 岩层 TBM 适应性等级划分利用率 U 预测基于TBM施工性能的围岩综合分级方法60PNU1 000AR=图 1 TBM 掘进巷道围岩综合分级方法Fig.1 Comprehensive method for excavatability classification of surrounding rocks in a roadway excavated with a TBM第 8 期刘佳伟等:基于 TBM 掘进性能和适应性分析的围岩分级方法及应用 163 斯压力为 0.813.60 MPa,瓦斯含量为 10.4619.55 m3/t,属于高瓦斯突出矿井。在大采深
25、和高强度开采的背景下,“抽”“掘”“采”三者平衡是有效解决深部煤层瓦斯灾害防控,实现矿井高产高效建设的关键问题。由于底板瓦斯抽采巷道掘进工程量大,且距离煤层较近,很容易发生穿层掘进,误揭煤等情况。对 TBM 掘进巷道围岩综合分级进行研究,能够为 TBM 掘进的底抽巷层位确定和安全生产提供支持。以首山一矿己15-17煤层底板瓦斯抽采巷道为工程背景,该巷道受地下水影响较小,掘进层位的岩性主要为灰岩,其饱和单轴抗压强度平均为 121 MPa,属于坚硬岩,局部岩体节理裂隙发育,对 TBM 掘进和支护存在一定影响。底板瓦斯抽采巷道采用直径为 4.33 m双护盾 TBM 进行掘进,TBM 掘进己15-17
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 TBM 掘进 性能 适应性 分析 围岩 分级 方法 应用
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。