CN113622934B - 煤矿井巷不良地质带敞开式tbm掘进机超前支护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统及方法，包括岩、煤层中使用的超前支护用钻进，TBM盾壳上面的预留的孔洞，超前大管棚、超前小导管、超前支护锚杆及注浆泵，为了解决煤矿井巷中施工遇不良地质带的问题，在施工的过程中采用在TBM盾壳上面的预留的孔洞安装超前大管棚，超前小导管、超前支护锚杆等方式进行超前支护，利用注浆泵注浆对不良地段井巷围岩进行超前加固，为了避免TBM掘进机在掘进的过程中碎矸石、浮煤等掉落在调节槽中阻挡超前管棚、导管及锚杆外扎角的调节，在调节槽贯穿TBM盾壳的开口处设置有抵挡板，抵挡板被阻挡在调节槽的斜面上而不会向调节槽的内部移动，达到阻挡碎矸石、浮煤等掉落在调节槽中的目的。

Description

煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统及方法

技术领域

本发明涉及TBM施工技术领域，具体涉及煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统及方法。

背景技术

TBM设备掘进至断层破碎带时，由于掌子面附近的围岩破碎、松散，TBM设备刀盘应顶在掌子面上，暂不后退，更不能在无推进的状态下转动刀盘进行掘进开挖出渣，否则，会造成刀盘前部更大范围坍塌，形成空穴，而一旦形成刀盘前部的空洞，处理起来困难更大，而且会延误工期。

根据地勘资料，TBM施工时主要存在破碎带、交错层理和可能产生的断层，施工中，在物探结果预测前方为软弱围岩时，施作超前探孔予以验证，视探孔取芯分析情况决定掘进措施，施工难度大；为此我们提供煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统及方法解决上述问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统及方法，当TBM开挖规模较小的破碎带和软岩段施工时，TBM刀盘侧护盾两侧岩石坍塌、掉落，一般小面积的软弱结构，调整掘进参数、降低撑靴的压力，TBM就可安全通过。

为了实现上述目的，本发明采用的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统，煤炭矿层中使用的超前支护用的钻进，TBM盾壳上面的预留的孔洞，超前大管棚、超前小导管、超前支护锚杆，注浆泵，还包括：

设置于TBM盾壳并支撑于巷道两帮的撑靴；

设置于TBM盾壳的调节槽，调节槽中活动设置有导向管，所述调节槽的一端贯穿TBM盾壳，另一端贯穿TBM掘进机远离工作面的一侧，调节槽贯穿TBM盾壳的一端通过铰接轴活动铰接有抵挡板，调节槽内壁上设置有限制抵挡板向调节槽内部移动的斜面，调节槽贯穿TBM掘进机远离工作面的一侧活动贴合有橡胶板，橡胶板的上端固定在TBM掘进机的表面，所述导向管中活动穿过有倾斜锚固在巷道顶板中的超前支护锚杆；

设置于TBM盾壳的加强机构，所述加强机构包括安装在巷道顶板上的超前大管棚、固定在超前大管棚底部的钢拱架，固定在钢拱架底部的金属网片组件，所述超前大管棚与钢拱架之间设置有辅助加强机构，金属网片组件的一侧设置有向其内部喷射混凝土的混凝土喷射组件。

作为上述方案的进一步优化，所述TBM盾壳设置有供加强机构安装进入的缺口，所述调节槽的下端内部固定设置有支撑在导向管底部中间位置的支撑杆，支撑杆与导向管的底部铰接，调节槽的下端内部靠近抵挡板的一端设置有伸缩单元，伸缩单元的上下两端分别活动铰接在导向管的端部与调节槽的底部。

为了解决TBM在不良地质带不能正常运行的问题，本装置中设置了导向管，当TBM开挖规模较小的破碎带和软岩段施工时，TBM刀盘侧护盾两侧岩石坍塌、掉落，一般小面积的软弱结构，调整掘进参数、降低撑靴的压力，TBM就可安全通过，通过软弱围岩地带后，尽快加固围岩，主要是沿井筒周围钻孔对围岩进行固结注浆，地下水丰富时，对注浆厚度、长度加强控制，如岩石特别破碎，应该视情况，在撑靴部位及附近采取加固措施，具体的如：

打超前支护锚杆、挂网、喷射混凝土，确保撑靴稳固支撑，顺利掘进，TBM掘进采用低转速、高扭矩掘进，过程中同时通过观察TBM刀具的切深和转速变化，或通过皮带输送机上的石渣情况判断，发现岩石开始破碎、岩石强度明显降低等前兆，出现夹层、渗水等现象时应特别注意；

其中，超前管棚、导管及锚杆可调，以调整超前支护锚杆的倾斜角度，通常情况下，超前支护锚杆的倾斜度为七度，可根据实际地质层进行调节，当伸缩单元启动并伸缩时，导向管的中部会通过与支撑杆铰接的位置进行转动，从而控制导向管的角度，伸缩单元可使用气缸或电动推杆等装置。

装置中，为了避免TBM掘进机在掘进的过程中碎矸石、浮煤等掉落在调节槽中阻挡超前管棚、导管及锚杆外扎角的调节，在调节槽贯穿TBM盾壳的开口处设置有抵挡板，抵挡板被阻挡在调节槽的斜面上而不会向调节槽的内部移动，达到阻挡碎矸石、浮煤等掉落在调节槽中的目的，确保超前管棚、导管及锚杆能够调节。

其中，抵挡板和橡胶板配合还起到了阻挡碎矸石、浮煤等掉落在调节槽中的现象，易于清洁，且抵挡板可以铰接轴为轴向TBM盾壳转动，当从导向管中打入超前支护锚杆时，超前支护锚杆能够顺利抵触抵挡板向TBM盾壳打开而将超前支护锚杆锚固在煤炭矿层中。

作为上述方案的进一步优化，所述超前大管棚的一端上表面设置有注浆孔，另一端下表面设置有进孔，超前大管棚的一端设置有端部结构，另一端设置有密封盖，超前大管棚中设置有盛装袋，所述盛装袋的一端开口，开口端朝向端部结构，另一端闭口并固定在密封盖上，密封盖卡合固定在超前大管棚的端部，且密封盖外表面固定设置有拉环，所述注浆孔呈T字形槽体结构，注浆孔贯穿超前大管棚外表面的一端开口大，注浆孔中密封塞有上密封塞，进孔中密封塞有下密封塞。

当TBM开挖规模较大破碎带时，根据超前地质预报的成果，结合掘进过程中观察到的各种不良现象进行综合分析，确认处于较大破碎带或Ⅴ类围岩地段时，应本着保守支护的原则，采用超前处理的措施，具体的包括：

通过地质超前预报，确定掌子面前方断层的性质、特征、规模等情况，特别是涌水量、斜井内水与地表水的连通性、岩体结构状况和次生软弱构造对施工和支护的影响程度，以便采取相应的处理措施，在设计或监理人的指导下，采取超前注浆、超前小导管注浆、超前超前支护锚杆(或超前大管棚)等处理措施，进行预处理。

TBM盾壳的加强机构进一步的保证了TBM掘进机能够通过规模较大的破碎带，首先，在TBM掘进机掘进时，在TBM盾壳的煤炭矿层中打入超前大管棚，超前大管棚设置有多组，多组超前大管棚呈圆形阵列状围绕在TBM掘进机的上端外圈，起到了进一步支撑的目的；

在超前大管棚的底部固定焊接有钢拱架，起到将多组超前大管棚连接为整体，提高整体支护的目的；

为了进一步避免碎矸石、浮煤等从多组超前大管棚、多组钢拱架之间的间隙大量掉落，在钢拱架的底部固定焊接有金属网片组件，在金属网片组件中喷射混凝土，确保煤炭矿井周围的强度，确保煤炭矿井结构强度；

为了节省材料，超前大管棚设置呈中空圆柱形结构，当在煤炭矿层中打入超前大管棚时可在超前大管棚中注浆达到提高超前大管棚整体强度的目的，具体的，通过进孔处注浆，浆液通过注浆孔喷射超前大管棚中及其上部的煤炭矿层结构层中，同时提高煤炭矿层结构层和超前大管棚的支撑强度；

而为了避免向超前大管棚中注浆时浆液从超前大管棚的端部排出，在超前大管棚的一端卡合有密封盖，密封盖与超前大管棚之间过盈配合，或者密封盖通过螺纹配合连接在超前大管棚的端部，根据具体注浆最大压力下密封盖不脱落为准，而超前大管棚的另一端设置有活动封板，在超前大管棚中被浆液填充产生压力时，浆液会推动活动封板进一步压紧密封在中间开口中，避免超前大管棚中的浆液从端部流出而被喷射到煤炭矿井内壁层结构中而产生泄露的现象；

超前大管棚是沿开挖轮廓线顶拱120°范围内向TBM前方打入以构成棚架，超前大管棚底部由钢拱架进行支撑，在超前大管棚机器承载壳的共同棚架作用下，进行安全施工，超前大管棚的长度通常为15～20米，相临超前大管棚中心间距为30～50厘米，纵向两组管棚的搭接长度控制在6～8米，超前大管棚的超前大管棚分节组成，每节长4米和6米二种，超前大管棚内径75毫米，壁厚5毫米，接头采用厚壁管箍，丝扣长度150毫米，并错开布置，同一横断面接头数量不超过50％，相邻超前大管棚的接头相错量不小于1米，钻孔应分为奇数和偶数，编号为奇数的孔第一节管采用6米超前大管棚，编号为偶数的孔第一节管采用4米超前大管棚，超前大管棚上间隔25厘米按梅花形钻φ8毫米的小孔，超前大管棚的直径较大，因此考虑到超前大管棚便于安装在煤炭矿层中的方式；

为了避免打孔操作，将超前大管棚设置呈空心圆柱体结构，超前大管棚插入煤炭矿层结构层中的接触面积小，易于将超前大管棚打入煤炭矿层中，而考虑到超前大管棚需后续进行注浆操作，因此，在超前大管棚打入煤炭矿层中之后，土壤等会进入超前大管棚内部，后续需要清理，为了方便清理，在超前大管棚中设置有盛装袋，盛装袋的一端闭口并固定在密封盖上，盛装袋的另一端开口且固定有弹性环绳，弹性环绳卡合在凹槽中实现固定，土壤等从中间开口进入时抵触活动封板向超前大管棚的内部移动，土壤会顺利通过活动封板的外圈空隙进入超前大管棚的内部然后依次进入盛装袋中存储，需要使用超前大管棚注浆时，密封盖取出并将盛装袋连带盛装袋中的土壤清理出，再将密封盖安装上即可，方便清理超前大管棚中的土壤；

浆液通过注浆孔排出时会抵触上密封塞向外移动打开。

作为上述方案的进一步优化，所述端部结构包括固定在超前大管棚内圈处的限位环与贴合在限位环外圈处的活动封板，限位环的内圈设置有中间开口，所述超前大管棚的内壁上固定焊接有竖向设置的导向板，导向板中滑动设置有导向杆，导向杆的端部固定在活动封板远离中间开口的一面，导向板的表面固定焊接有推动活动封板贴合在限位环表面的第一弹簧，活动封板的直径小于导向杆的内径且大于限位环的内径。

需要说明的是，导向杆起到了导向活动封板伸缩的目的。

作为上述方案的进一步优化，所述超前大管棚的内壁上固定设置有支撑架，支撑架上通过转动轴活动铰接有压板，所述压板远离转动轴的一端且靠近超前大管棚内壁的一侧设置有凹槽，所述盛装袋的开口一端固定设置有弹性环绳，弹性环绳活动卡合在凹槽中，所述超前大管棚的内壁上位于弹性环绳与转动轴之间设置有内陷槽，内陷槽的底部固定焊接有拉持压板贴合于超前大管棚内壁上的第二弹簧。

进一步的，在土壤从盛装袋开口进入盛装袋中时压力压板贴合在超前大管棚内壁上，而第二弹簧也起到了拉持压板贴合在超前大管棚内壁上的作用，保证了弹性环绳卡合在凹槽与超前大管棚内壁之间不易脱落，土壤会顺利进入盛装袋中，而拉动盛装袋时，盛装袋端部的弹性环绳抵触凹槽内壁从而使得压板以转动轴为轴向超前大管棚轴线位置转动，此时，弹性环绳利用弹性作用收口将盛装袋端部密封，盛装袋中的土壤易于被全部取出。

作为上述方案的进一步优化，所述辅助加强机构包括一体设置的受力板、施力板，受力板、施力板之间形成V字形结构，钢拱架的表面设置有分别供受力板、施力板活动穿过的第二槽、第一槽，所述钢拱架的底部固定焊接有定位支撑板，定位支撑板中转动设置有活动穿过施力板、第二槽之间组成的V字形结构中部的活动轴，活动轴的端部通过螺纹配合连接有限位螺母，所述施力板、受力板均在超前大管棚的两侧设置有一组，施力板活动贴合于超前大管棚远离钢拱架的一端表面，受力板端部活动贴合于超前大管棚靠近钢拱架一端的侧面，超前大管棚贴合在钢拱架上的部分与钢拱架之间固定焊接，超前大管棚、钢拱架均设置有多组，多组钢拱架之间沿着其轴线方向分布，多组超前大管棚的走向沿着钢拱架轴线且贴合于钢拱架的外圈呈圆形阵列状分布。

需要说明的是，煤炭矿井内壁层结构产生的应力较大，为了避免超前大管棚与钢拱架之间的焊接结构脱落，在钢拱架与超前大管棚之间设置有加强固定的辅助加强机构；

具体的，当超前大管棚受应力移动时会压合受力板，使得受力板端部向钢拱架底部移动，此时，受力板与施力板之间组成的V字形结构以活动轴为轴进行转动，转动后施力板移动朝向贴合在超前大管棚的一侧，因此，超前大管棚两侧的施力板会施加给超前大管棚一个压紧、抓紧的力，也就是应力越大超前大管棚的位置越不容易移动，起到了稳定钢拱架、超前大管棚之间结构稳定性的目的。

作为上述方案的进一步优化，所述金属网片组件包括由外到内设置的第一挂网、第二挂网、第三挂网，第一挂网、第二挂网、第三挂网之间通过连接钢筋固定连接，连接钢筋设置于第一挂网、第二挂网、第三挂网的边缘位置，第一挂网、第二挂网、第三挂网之间组成用于混凝土喷射的空间，第一挂网固定焊接在钢拱架的底部，第一挂网、第二挂网、第三挂网的网格长宽大小依次变小。

其中，金属网片组件处便于喷射混凝土，利用混凝土凝固之后增强煤炭矿井内壁层结构的强度；

为了避免喷射混凝土时出现混凝土回弹料较多而污染主机设备的现象，金属网片组件设置呈三层网格，第一挂网、第二挂网、第三挂网的网格长宽大小依次变小，喷射混凝土使用的混凝土喷射单元端部的注浆软管从第一喷射口、第二喷射口伸入第一挂网、第二挂网之间形成的空间当中进行喷射，混凝土首先填充在第一挂网、第二挂网之间形成的空间当中，多余容易回弹掉落的混凝土会通过第二挂网的空隙掉落在第二挂网与第三挂网之间，避免了混凝土直接大量掉落的现象；

且三层网格结构支撑在混凝土结构层中增加了混凝土结构层的强度；

通俗的说，当混凝土中大颗粒和小颗粒共同填充在第一挂网、第二挂网之间形成的空间当中时，只有一部门位于混凝土外围的小颗粒会通过第二挂网的空隙掉落在第三挂网、第二挂网之间形成的空间当中，由于第三挂网的空隙更小，小颗粒混凝土不易掉落，因此，减少了混凝土出现回弹料的现象；

具体填充混凝土时，将喷射头先塞入第一挂网、第二挂网之间形成的空间中部，此时，通过混凝土喷射单元向注浆软管中喷射混凝土，混凝土通过注浆软管从喷射头而喷射第一挂网、第二挂网之间形成的空间当中，然后转动辊轴并对注浆软管进行慢速卷绕，喷射头会在第一挂网、第二挂网之间形成的空间当中移动，从而将第一挂网、第二挂网之间形成的空间当中全部喷射混凝土，以此方法在第三挂网、第二挂网之间形成的空间当中也喷射混凝土，为了方便喷射头进入第一挂网、第二挂网之间形成的空间中部，可采用人工从网格空隙位置辅助喷射头移动的方式，也可使用在第三挂网内壁贴合磁铁，磁铁吸附喷射头移动的方式，喷射头矩形不锈钢喷头；

根据实际需求可在辊轴的端部连接电机。

作为上述方案的进一步优化，所述金属网片组件的两端内侧均设置有供混凝土喷射的混凝土喷射口，混凝土喷射口包括设置于第三挂网上的第一喷射口与设置于第二挂网上的第二喷射口，第一喷射口中密封塞有喷射口密封塞。

为了快速增加煤炭矿井内壁层结构的强度，符合TBM掘进机快速掘进的需求，金属网片组件的两端内侧均设置有供混凝土喷射的混凝土喷射口，方便同时喷射混凝土。

作为上述方案的进一步优化，所述混凝土喷射组件包括用于将混凝土泵出的混凝土喷射单元与连通在混凝土喷射单元端部的注浆软管，所述注浆软管呈多圈卷绕在辊轴上，注浆软管的端部依次穿过第一喷射口、第二喷射口并伸入第一挂网、第二挂网之间组成的空间中，注浆软管远离混凝土喷射单元的端部设置有喷射头。

本实施例中，混凝土喷射单元使用普通的混凝土喷射机。

作为上述方案的进一步优化，所述喷射头中设置有与注浆软管连通的主通道和与主通道连通的分通道，分通道呈放射状贯穿喷射头远离注浆软管的一面且设置有多组，多组分通道之间的夹角相等。

为了增加喷射头喷射混凝土的喷射面积，可在喷射头中设置有分通道，混凝土呈放射状喷射在第一挂网、第二挂网之间形成的空间当中，一次性喷射的面积广，喷射混凝土的效率高；

装置中，因超前大管棚和钢拱架是超前固定在煤炭矿井内壁上，需要考虑TBM掘进机的通过性，因此，使得撑靴骑跨钢拱架，若是钢拱架间距小难以跨越时，在钢拱架的内壁上设置有垫木垫在TBM掘进机与钢拱架之间，避免TBM掘进机上的撑靴损伤钢拱架与撑靴发生损伤的现象；

具体的，垫木得两端为倾斜面，方便塞入TBM掘进机与TBM掘进机之间，煤炭矿井上也设置有易于超前大管棚、钢拱架、垫木塞入安装的缺口，垫木靠近钢拱架的一侧设置有吸附固定在钢拱架内壁上的磁性层，方便垫木的固定。

本发明还公开了一种支护方法，包括如上任一所述的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统，还包括以下步骤：

S1：超前探测，在物探结果预测前方为软弱围岩时，施作超前探孔予以验证，视探孔取芯分析情况决定掘进措施；

S2：超前支护，第一步先在TBM掘进机掘进方向超前打入超前大管棚，沿开挖轮廓线顶拱120°范围内向TBM前方打入钢管构成棚架，尾部由钢拱架进行支撑，在管棚及其承载壳的共同棚架作用下，进行安全施工作业；

S3：短行程进尺开挖，在在管棚的支护作用下采用短行程进尺开挖，及时架设钢拱架，管棚在钢拱架外露10～15厘米左右，由拱架支撑住管棚，并将二者相焊接牢固，随后按设计图纸并进行锚、网、喷支护；

S4：超前小导管注浆，对软弱、构造影响破碎段等不良地质,采用TBM自带钻机钻孔、清孔,设计安设φ42mm无缝钢管,采用TBM自带注浆机注水泥浆,注浆压力一般为0.12～0.15MPa，当单孔注浆量达到设计注浆量时,或达到注浆压力持荷10min后,即可结束注浆；

S5：护盾后手喷混凝土，在软弱破碎围岩地段,需要在护盾后初喷混凝土尽快封闭围岩,此时将TBM后配套上喷混凝土区域的混凝土输送管路接长,延伸至护盾后,采用人工喷射混凝土方式进行初喷作业，待该段进入机械喷混凝土区域后,采用机械喷射方式复喷至设计厚度；

S6：防塌式掘进，TBM掘进至断层破碎带时，TBM刀盘应顶在掌子面上，不要轻易后退，更不能在无推进的状态下转动刀盘掘进，对不同围岩地质条件的地段，喷射混凝土厚度及时进行调整，调整设备的技术参数，降低对围岩的承压力，减小扰动，此时采用较低的刀盘转速从而控制刀盘的推进速度，使掘进速度降为50％以下，当洞壁围岩不能为撑靴提供足够的支撑力时，可通过小范围锁死部分支撑靴的方法，减小其对围岩的支撑压力，同时相应地减小TBM推力、推进速度，TBM采用凹入式滚刀，防止边刀区域围岩松动，可以降低水平撑靴的推力以便与围岩情况和顶板的承载能力相符合，在全负荷下正常的水平支撑压力约2.9MPa，在软弱岩层中最小可以减小到1.3Mpa，当岩体十分破碎，以致刮渣器不能及时清渣时，可利用刀盘的反转，避免刀盘卡塞事故的发生，在撑靴部位附近打密集锚杆，应急喷射混凝土进行加固，及时封闭围岩，并垫钢板，增加围岩强度和可支撑能力；

S7：撑靴坍塌部位处理，在撑靴出现塌腔的部位垫密集的砂袋，供撑靴支撑，当支撑通过破碎带或塌腔部位后，再取出砂袋。再对坍塌区域利用锚网喷及时进行封闭，对范围大且坍塌于护盾上的空腔回填时，在喷射混凝土内加入适量速凝剂，TBM设备通过断层后，再进行注浆处理，尽快加固围岩；

S8：刀盘顶护盾上方围岩塌腔处理，开挖后刀盘顶护盾段上方围岩出现部分崩塌或局部掉块时，主要采用φ22.L＝2.8m锚杆，挂钢筋网(φ8mm、@100×100mm)，再喷射混凝土进行支护。

本发明的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统及方法，具备如下有益效果：

1.本发明的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统及方法，包括煤炭矿层中使用的超前支护用的钻进，TBM盾壳上面的预留的孔洞，超前大管棚、超前小导管、超前支护锚杆，注浆泵，为了解决煤矿井巷中施工遇不良地质带的问题，在施工的过程中采用在TBM盾壳上面的预留的孔洞安装超前大管棚，超前小导管、超前支护锚杆等方式进行加强支护，利用注浆泵注浆对煤矿井巷进行超前支护；

2.本发明的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统及方法，包括设置于TBM盾壳并支撑于巷道两帮的撑靴，为了解决TBM在不良地质带不能正常运行的问题，本装置中设置了导向管，当TBM开挖规模较小的破碎带和软岩段施工时，TBM刀盘侧护盾两侧岩石坍塌、掉落，一般小面积的软弱结构，调整掘进参数、降低撑靴的压力，TBM就可安全通过；

3.本发明的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统及方法，包括设置于TBM盾壳的调节槽，为了避免TBM掘进机在掘进的过程中碎矸石、浮煤等掉落在调节槽中阻挡超前管棚、导管及锚杆外扎角的调节，在调节槽贯穿TBM盾壳的开口处设置有抵挡板，抵挡板被阻挡在调节槽的斜面上而不会向调节槽的内部移动，达到阻挡碎矸石、浮煤等掉落在调节槽中的目的，确保超前管棚、导管及锚杆能够调节；

4.本发明的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统及方法，包括设置于TBM盾壳的加强机构，在超前大管棚的底部固定焊接有钢拱架，起到将多组超前大管棚连接为整体，提高整体支护的目的。

参照后文的说明与附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式，应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制，在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的TBM掘进机结构示意图；

图3为本发明的图2中A处结构放大示意图；

图4为本发明的加强机构结构示意图；

图5为本发明的加强机构剖视图；

图6为本发明的超前大管棚结构示意图；

图7为本发明的端部结构结构示意图；

图8为本发明的密封盖结构示意图；

图9为本发明的图4中B处结构放大示意图；

图10为本发明的图5中C处结构放大示意图；

图11为本发明的图7中D处结构放大示意图；

图12为本发明的超前大管棚下方铺设金属网片组件时的结构示意图；

图13为本发明的图11中金属网片组件的剖视图；

图14为本发明的图13中E处结构放大示意图；

图15为本发明的图13中F处结构放大示意图；

图16为本发明的向金属网片组件中喷射混凝土时的结构示意图；

图17为本发明的图16中G处结构放大示意图；

图18为本发明的喷射头结构示意图；

图19为本发明的垫木结构示意图。

图中：煤炭矿层1、煤炭矿井2、TBM掘进机3、撑靴4、加强机构5、超前支护锚杆6、伸缩单元7、支撑杆8、导向管9、调节槽10、抵挡板11、铰接轴12、橡胶板13、缺口14、钢拱架15、超前大管棚16、辅助加强机构17、注浆孔18、进孔19、端部结构20、密封盖21、盛装袋22、限位环23、中间开口24、活动封板25、导向杆26、导向板27、第一弹簧28、压板29、凹槽30、弹性环绳31、支撑架32、转动轴33、内陷槽34、第二弹簧35、拉环36、下密封塞37、施力板38、受力板39、定位支撑板40、活动轴41、第一槽42、第二槽43、金属网片组件44、第一挂网45、第二挂网46、第三挂网47、连接钢筋48、第一喷射口49、第二喷射口50、喷射口密封塞51、混凝土喷射组件52、混凝土喷射单元53、辊轴54、注浆软管55、喷射头56、主通道57、分通道58、垫木59、上密封塞60。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于、设有”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接、相连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，“固连”为固定连接的含义，固定连接的方式有很多种，不作为本文的保护范围，本文中所使用的术语“垂直的”“水平的”“左”“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在限制本发明，本文中所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合；

请参阅说明书附图1-19，本发明提供一种技术方案：煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统，包括岩、煤层中使用的超前支护用的钻进，TBM盾壳上面的预留的孔洞，超前大管棚16、超前小导管、超前支护锚杆6及注浆泵，还包括：

设置于TBM盾壳并支撑于巷道两帮的撑靴4，巷道两帮为煤炭矿井2的内壁；

设置于TBM盾壳的调节槽10，调节槽10中活动设置有导向管9，调节槽10的一端贯穿TBM盾壳，另一端贯穿TBM掘进机3远离工作面的一侧，调节槽10贯穿TBM盾壳的一端通过铰接轴12活动铰接有抵挡板11，调节槽10内壁上设置有限制抵挡板11向调节槽10内部移动的斜面，调节槽10贯穿TBM掘进机3远离工作面的一侧活动贴合有橡胶板13，橡胶板13的上端固定在TBM掘进机3的表面，导向管9中活动穿过有倾斜锚固在巷道顶板中的超前支护锚杆6；

设置于TBM盾壳的加强机构5，加强机构5包括安装在巷道顶板上的超前大管棚16、固定在超前大管棚16底部的钢拱架15，固定在钢拱架15底部的金属网片组件44，超前大管棚16与钢拱架15之间设置有辅助加强机构17，金属网片组件44的一侧设置有向其内部喷射混凝土的混凝土喷射组件52。

装置中，TBM盾壳上面的预留的孔洞为调节槽10，注浆泵使用现有技术中常见的注浆泵，对煤炭矿井2中进行超前注浆支护。

TBM盾壳设置有供加强机构5安装进入的缺口14，调节槽10的下端内部固定设置有支撑在导向管9底部中间位置的支撑杆8，支撑杆8与导向管9的底部铰接，调节槽10的下端内部靠近抵挡板11的一端设置有伸缩单元7，伸缩单元7的上下两端分别活动铰接在导向管9的端部与调节槽10的底部。

为了解决TBM在不良地质带不能正常运行的问题，本装置中设置了导向管9，当TBM开挖规模较小的破碎带和软岩段施工时，TBM刀盘侧护盾两侧岩石坍塌、掉落，一般小面积的软弱结构，调整掘进参数、降低撑靴4的压力，TBM就可安全通过，通过软弱围岩地带后，尽快加固围岩，主要是沿井筒周围钻孔对围岩进行固结注浆，地下水丰富时，对注浆厚度、长度加强控制，如岩石特别破碎，应该视情况，在撑靴4部位及附近采取加固措施，具体的如：

打超前支护锚杆6、挂网、喷射混凝土，确保撑靴4稳固支撑，顺利掘进，TBM掘进采用低转速、高扭矩掘进，过程中同时通过观察TBM刀具的切深和转速变化，或通过皮带输送机上的石渣情况判断，发现岩石开始破碎、岩石强度明显降低等前兆，出现夹层、渗水等现象时应特别注意；

其中，导向管9的倾斜度可调，以调整超前支护锚杆6的倾斜角度，通常情况下，超前支护锚杆6的倾斜度为七度，可根据实际地质层进行调节，当伸缩单元7启动并伸缩时，导向管9的中部会通过与支撑杆8铰接的位置进行转动，从而控制导向管9的角度，伸缩单元7可使用气缸或电动推杆等装置。

装置中，为了避免TBM掘进机3在掘进的过程中碎矸石、浮煤等掉落在调节槽10中阻挡导向管9进行调节，在调节槽10贯穿TBM盾壳的开口处设置有抵挡板11，抵挡板11被阻挡在调节槽10的斜面上而不会向调节槽10的内部移动，达到阻挡碎矸石、浮煤等掉落在调节槽10中的目的，确保导向管9的倾斜度能够调节。

其中，抵挡板11和橡胶板13配合还起到了阻挡碎矸石、浮煤等掉落在调节槽10中的现象，易于清洁，且抵挡板11可以铰接轴12为轴向TBM盾壳转动，当从导向管9中打入超前支护锚杆6时，超前支护锚杆6能够顺利抵触抵挡板11向TBM盾壳打开而将超前支护锚杆6锚固在煤炭矿层1中。

超前大管棚16的一端上表面设置有注浆孔18，另一端下表面设置有进孔19，超前大管棚16的一端设置有端部结构20，另一端设置有密封盖21，超前大管棚16中设置有盛装袋22，盛装袋22的一端开口，开口端朝向端部结构20，另一端闭口并固定在密封盖21上，密封盖21卡合固定在超前大管棚16的端部，且密封盖21外表面固定设置有拉环36，注浆孔18呈T字形槽体结构，注浆孔18贯穿超前大管棚16外表面的一端开口大，注浆孔18中密封塞有上密封塞60，进孔19中密封塞有下密封塞37。

当TBM开挖规模较大破碎带时，根据超前地质预报的成果，结合掘进过程中观察到的各种不良现象进行综合分析，确认处于较大破碎带或Ⅴ类围岩地段时，应本着保守支护的原则，采用超前处理的措施，具体的包括：

通过地质超前预报，确定掌子面前方断层的性质、特征、规模等情况，特别是涌水量、斜井内水与地表水的连通性、岩体结构状况和次生软弱构造对施工和支护的影响程度，以便采取相应的处理措施，在设计或监理人的指导下，采取超前注浆、超前小导管注浆、超前超前支护锚杆或超前大管棚等处理措施，进行预处理。

TBM盾壳的加强机构5进一步的保证了TBM掘进机3能够通过规模较大的破碎带，首先，在TBM掘进机3掘进时，在TBM盾壳的煤炭矿层1中打入超前大管棚16，超前大管棚16设置有多组，多组超前大管棚16呈圆形阵列状围绕在TBM掘进机3的上端外圈，起到了进一步支撑的目的；

在超前大管棚16的底部固定焊接有钢拱架15，起到将多组超前大管棚16连接为整体，提高整体支护的目的；

为了进一步避免碎矸石、浮煤等从多组超前大管棚16、多组钢拱架15之间的间隙大量掉落，在钢拱架15的底部固定焊接有金属网片组件44，在金属网片组件44中喷射混凝土，确保煤炭矿井2周围的强度，确保煤炭矿井2结构强度；

为了节省材料，超前大管棚16设置呈中空圆柱形结构，当在煤炭矿层1中打入超前大管棚16时可在超前大管棚16中注浆达到提高超前大管棚16整体强度的目的，具体的，通过进孔19处注浆，浆液通过注浆孔18喷射超前大管棚16中及其上部的煤炭矿层1结构层中，同时提高煤炭矿层1结构层和超前大管棚16的支撑强度；

而为了避免向超前大管棚16中注浆时浆液从超前大管棚16的端部排出，在超前大管棚16的一端卡合有密封盖21，密封盖21与超前大管棚16之间过盈配合，或者密封盖21通过螺纹配合连接在超前大管棚16的端部，根据具体注浆最大压力下密封盖21不脱落为准，而超前大管棚16的另一端设置有活动封板25，在超前大管棚16中被浆液填充产生压力时，浆液会推动活动封板25进一步压紧密封在中间开口24中，避免超前大管棚16中的浆液从端部流出而被喷射到煤炭矿井2内壁层结构中而产生泄露的现象；

超前大管棚16是沿开挖轮廓线顶拱120°范围内向TBM前方打入以构成棚架，超前大管棚16底部由钢拱架15进行支撑，在超前大管棚16机器承载壳的共同棚架作用下，进行安全施工，超前大管棚16的长度通常为15～20米，相临超前大管棚16中心间距为30～50厘米，纵向两组管棚的搭接长度控制在6～8米，超前大管棚16的超前大管棚分节组成，每节长4米和6米二种，超前大管棚16内径75毫米，壁厚5毫米，接头采用厚壁管箍，丝扣长度150毫米，并错开布置，同一横断面接头数量不超过50％，相邻超前大管棚16的接头相错量不小于1米，钻孔应分为奇数和偶数，编号为奇数的孔第一节管采用6米超前大管棚16，编号为偶数的孔第一节管采用4米超前大管棚16，超前大管棚16上间隔25厘米按梅花形钻φ8毫米的小孔，超前大管棚16的直径较大，因此考虑到超前大管棚16便于安装在煤炭矿层1中的方式；

为了避免打孔操作，将超前大管棚16设置呈空心圆柱体结构，超前大管棚16插入煤炭矿层1结构层中的接触面积小，易于将超前大管棚16打入煤炭矿层1中，而考虑到超前大管棚16需后续进行注浆操作，因此，在超前大管棚16打入煤炭矿层1中之后，土壤等会进入超前大管棚16内部，后续需要清理，为了方便清理，在超前大管棚16中设置有盛装袋22，盛装袋22的一端闭口并固定在密封盖21上，盛装袋22的另一端开口且固定有弹性环绳31，弹性环绳31卡合在凹槽30中实现固定，土壤等从中间开口24进入时抵触活动封板25向超前大管棚16的内部移动，土壤会顺利通过活动封板25的外圈空隙进入超前大管棚16的内部然后依次进入盛装袋22中存储，需要使用超前大管棚16注浆时，密封盖21取出并将盛装袋22连带盛装袋22中的土壤清理出，再将密封盖21安装上即可，方便清理超前大管棚16中的土壤；

浆液通过注浆孔18排出时会抵触上密封塞60向外移动打开。

端部结构20包括固定在超前大管棚16内圈处的限位环23与贴合在限位环23外圈处的活动封板25，限位环23的内圈设置有中间开口24，超前大管棚16的内壁上固定焊接有竖向设置的导向板27，导向板27中滑动设置有导向杆26，导向杆26的端部固定在活动封板25远离中间开口24的一面，导向板27的表面固定焊接有推动活动封板25贴合在限位环23表面的第一弹簧28，活动封板25的直径小于导向杆26的内径且大于限位环23的内径。

需要说明的是，导向杆26起到了导向活动封板25伸缩的目的。

超前大管棚16的内壁上固定设置有支撑架32，支撑架32上通过转动轴33活动铰接有压板29，压板29远离转动轴33的一端且靠近超前大管棚16内壁的一侧设置有凹槽30，盛装袋22的开口一端固定设置有弹性环绳31，弹性环绳31活动卡合在凹槽30中，超前大管棚16的内壁上位于弹性环绳31与转动轴33之间设置有内陷槽34，内陷槽34的底部固定焊接有拉持压板29贴合于超前大管棚16内壁上的第二弹簧35。

进一步的，在土壤从盛装袋22开口进入盛装袋22中时压力压板29贴合在超前大管棚16内壁上，而第二弹簧35也起到了拉持压板29贴合在超前大管棚16内壁上的作用，保证了弹性环绳31卡合在凹槽30与超前大管棚16内壁之间不易脱落，土壤会顺利进入盛装袋22中，而拉动盛装袋22时，盛装袋22端部的弹性环绳31抵触凹槽30内壁从而使得压板29以转动轴33为轴向超前大管棚16轴线位置转动，此时，弹性环绳31利用弹性作用收口将盛装袋22端部密封，盛装袋22中的土壤易于被全部取出。

辅助加强机构17包括一体设置的受力板39、施力板38，受力板39、施力板38之间形成V字形结构，钢拱架15的表面设置有分别供受力板39、施力板38活动穿过的第二槽43、第一槽42，钢拱架15的底部固定焊接有定位支撑板40，定位支撑板40中转动设置有活动穿过施力板38、第二槽43之间组成的V字形结构中部的活动轴41，活动轴41的端部通过螺纹配合连接有限位螺母，施力板38、受力板39均在超前大管棚16的两侧设置有一组，施力板38活动贴合于超前大管棚16远离钢拱架15的一端表面，受力板39端部活动贴合于超前大管棚16靠近钢拱架15一端的侧面，超前大管棚16贴合在钢拱架15上的部分与钢拱架15之间固定焊接，超前大管棚16、钢拱架15均设置有多组，多组钢拱架15之间沿着其轴线方向分布，多组超前大管棚16的走向沿着钢拱架15轴线且贴合于钢拱架15的外圈呈圆形阵列状分布。

需要说明的是，煤炭矿井2内壁层结构产生的应力较大，为了避免超前大管棚16与钢拱架15之间的焊接结构脱落，在钢拱架15与超前大管棚16之间设置有加强固定的辅助加强机构17；

具体的，当超前大管棚16受应力移动时会压合受力板39，使得受力板39端部向钢拱架15底部移动，此时，受力板39与施力板38之间组成的V字形结构以活动轴41为轴进行转动，转动后施力板38移动朝向贴合在超前大管棚16的一侧，因此，超前大管棚16两侧的施力板38会施加给超前大管棚16一个压紧、抓紧的力，也就是应力越大超前大管棚16的位置越不容易移动，起到了稳定钢拱架15、超前大管棚16之间结构稳定性的目的。

金属网片组件44包括由外到内设置的第一挂网45、第二挂网46、第三挂网47，第一挂网45、第二挂网46、第三挂网47之间通过连接钢筋48固定连接，连接钢筋48设置于第一挂网45、第二挂网46、第三挂网47的边缘位置，第一挂网45、第二挂网46、第三挂网47之间组成用于混凝土喷射的空间，第一挂网45固定焊接在钢拱架15的底部，第一挂网45、第二挂网46、第三挂网47的网格长宽大小依次变小。

其中，金属网片组件44处便于喷射混凝土，利用混凝土凝固之后增强煤炭矿井2内壁层结构的强度；

为了避免喷射混凝土时出现混凝土回弹料较多而污染主机设备的现象，金属网片组件44设置呈三层网格，第一挂网45、第二挂网46、第三挂网47的网格长宽大小依次变小，喷射混凝土使用的混凝土喷射单元53端部的注浆软管55从第一喷射口49、第二喷射口50伸入第一挂网45、第二挂网46之间形成的空间当中进行喷射，混凝土首先填充在第一挂网45、第二挂网46之间形成的空间当中，多余容易回弹掉落的混凝土会通过第二挂网46的空隙掉落在第二挂网46与第三挂网47之间，避免了混凝土直接大量掉落的现象；

且三层网格结构支撑在混凝土结构层中增加了混凝土结构层的强度；

通俗的说，当混凝土中大颗粒和小颗粒共同填充在第一挂网45、第二挂网46之间形成的空间当中时，只有一部门位于混凝土外围的小颗粒会通过第二挂网46的空隙掉落在第三挂网47、第二挂网46之间形成的空间当中，由于第三挂网47的空隙更小，小颗粒混凝土不易掉落，因此，减少了混凝土出现回弹料的现象；

具体填充混凝土时，将喷射头56先塞入第一挂网45、第二挂网46之间形成的空间中部，此时，通过混凝土喷射单元53向注浆软管55中喷射混凝土，混凝土通过注浆软管55从喷射头56而喷射第一挂网45、第二挂网46之间形成的空间当中，然后转动辊轴54并对注浆软管55进行慢速卷绕，喷射头56会在第一挂网45、第二挂网46之间形成的空间当中移动，从而将第一挂网45、第二挂网46之间形成的空间当中全部喷射混凝土，以此方法在第三挂网47、第二挂网46之间形成的空间当中也喷射混凝土，为了方便喷射头56进入第一挂网45、第二挂网46之间形成的空间中部，可采用人工从网格空隙位置辅助喷射头56移动的方式，也可使用在第三挂网47内壁贴合磁铁，磁铁吸附喷射头56移动的方式，喷射头56矩形不锈钢喷头；

根据实际需求可在辊轴54的端部连接电机。

金属网片组件44的两端内侧均设置有供混凝土喷射的混凝土喷射口，混凝土喷射口包括设置于第三挂网47上的第一喷射口49与设置于第二挂网46上的第二喷射口50，第一喷射口49中密封塞有喷射口密封塞51。

为了快速增加煤炭矿井2内壁层结构的强度，符合TBM掘进机3快速掘进的需求，金属网片组件44的两端内侧均设置有供混凝土喷射的混凝土喷射口，方便同时喷射混凝土。

混凝土喷射组件52包括用于将混凝土泵出的混凝土喷射单元53与连通在混凝土喷射单元53端部的注浆软管55，注浆软管55呈多圈卷绕在辊轴54上，注浆软管55的端部依次穿过第一喷射口49、第二喷射口50并伸入第一挂网45、第二挂网46之间组成的空间中，注浆软管55远离混凝土喷射单元53的端部设置有喷射头56。

本实施例中，混凝土喷射单元53使用普通的混凝土喷射机。

喷射头56中设置有与注浆软管55连通的主通道57和与主通道57连通的分通道58，分通道58呈放射状贯穿喷射头56远离注浆软管55的一面且设置有多组，多组分通道58之间的夹角相等。

为了增加喷射头56喷射混凝土的喷射面积，可在喷射头56中设置有分通道58，混凝土呈放射状喷射在第一挂网45、第二挂网46之间形成的空间当中，一次性喷射的面积广，喷射混凝土的效率高；

装置中，因超前大管棚16和钢拱架15是超前固定在煤炭矿井2内壁上，需要考虑TBM掘进机3的通过性，因此，使得撑靴4骑跨钢拱架15，若是钢拱架15间距小难以跨越时，在钢拱架15的内壁上设置有垫木59垫在TBM掘进机3与钢拱架15之间，避免TBM掘进机3上的撑靴4损伤钢拱架15与撑靴4发生损伤的现象；

具体的，垫木59得两端为倾斜面，方便塞入TBM掘进机3与TBM掘进机3之间，煤炭矿井2上也设置有易于超前大管棚16、钢拱架15、垫木59塞入安装的缺口14，垫木59靠近钢拱架15的一侧设置有吸附固定在钢拱架15内壁上的磁性层，方便垫木59的固定。

本发明还公开了一种支护方法，包括如上任一所述的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统，还包括如下步骤：

S1：超前探测，在物探结果预测前方为软弱围岩时，施作超前探孔予以验证，视探孔取芯分析情况决定掘进措施；

S2：超前支护，第一步先在TBM掘进机掘进方向超前打入超前大管棚，沿开挖轮廓线顶拱120°范围内向TBM前方打入钢管构成棚架，尾部由钢拱架进行支撑，在管棚及其承载壳的共同棚架作用下，进行安全施工作业；

管棚长15～20米，沿井筒顶拱120°范围内布设，相临钢管中心间距为30～50厘米，纵向两组管棚的搭接长度控制在6～8米，管棚的钢管分节组成，每节长4米和6米二种，钢管内径75毫米，壁厚5毫米，接头采用厚壁管箍，丝扣长度150毫米，并错开布置，同一横断面接头数量不超过50％，相邻钢管的接头相错量不小于1米，钻孔应分为奇数和偶数，编号为奇数的孔第一节管采用6米钢管，编号为偶数的孔第一节管采用4米钢管，钢管上间隔25厘米按梅花形钻φ8毫米的小孔。

钻孔，TBM施工时利用TBM主机上配置的超前钻机在井筒拱部进行钻设超前孔，仰角为7°，孔径为108毫米，钻深孔需多次接管，钻杆连接套与钻杆同材质，两端加工成内螺扣(配合钻杆首尾端外螺扣)，连接套的最小壁厚10毫米，钻孔时，将扶直器套在钻机上，随钻杆钻进向前平移，第一节钻杆钻入岩层尾部剩余20～30厘米时停止钻进，用两把管钳人工卡紧钻杆(注意不得卡丝扣)，钻机低速反转，脱开钻杆，钻机沿导轨退回原位，人工装入第二节钻杆，并在钻杆前端安装好连接套，钻机低速送至第一根钻杆尾部，方向对准后联成一体，引导孔直径比管棚外径大5～20毫米，孔深大于管长0.5米以上，钻孔达到要求深度后，按同样方法拆卸钻杆，钻机退回原位。

顶管，采用大孔引导和管棚钻进相结合的工艺，即先钻大于棚管直径的引导孔，然后用钻机的冲击和推力(顶进棚管时钻机不使用回转压力)将安有工作管头的棚管沿引导孔低速推进，冲击压力控制在1.8～2.2Mpa，推进压力控制在4～6Mpa。接管后再顶管：第一根钢管推进孔内，孔外剩余30～40厘米时，开动钻机反转，使顶进连接套与钢管脱离，钻机退回原位，大臂落下，人工装上第二节钢管，大臂重新对正，钻机缓慢低速前进对准第一节钢管端部，人工持管钳进行钢管联接，使两节钢管在联接套处联成一体，钻机再以冲击压力和推进压力低速顶进钢管，根据管棚设计长度，按同样方法继续接长钢管。

管棚注浆，为加强管棚的刚度和强度，按设计将钢管全部打好后，掏尽钢管内残渣，若围岩十分破碎，需进行棚管补强，一般在钢管内喷射水泥浆，水灰比控制在3∶1～1∶1之间，注浆初压0.5～1.0Mpa，终压为1.0～2.0Mpa，注浆结束后用M10水泥砂浆填充，形成钢管混凝土。在坍方及围岩破碎且富水地段，在钢管内先焊接Φ22钢筋，再向管内注水泥浆(水灰比为1∶1)或水泥、水玻璃浆液(双液比为1：0.5，水玻璃浓度为30～35Be)。

S3：短行程进尺开挖，在在管棚的支护作用下采用短行程进尺开挖，及时架设钢拱架，管棚在钢拱架外露10～15厘米左右，由拱架支撑住管棚，并将二者相焊接牢固，随后按设计图纸并进行锚、网、喷支护；

S4：超前小导管注浆，对软弱、构造影响破碎段等不良地质,采用TBM自带钻机钻孔、清孔,设计安设φ42mm无缝钢管,采用TBM自带注浆机注水泥浆,注浆压力一般为0.12～0.15MPa，当单孔注浆量达到设计注浆量时,或达到注浆压力持荷10min后,即可结束注浆；

超前小导管按拱顶大于120°范围布设，长度3000mm，采用外径φ42mm，t＝3.25mm的钢焊管，为便于超前小导管插入围岩内，钢管前端做成尖锥状，注浆孔间距为20cm，直径8mm，梅花形布置，钢管尾部留1.2m的预留止浆段，环向间距300～400mm，沿井筒纵向搭接长度为1m。

超前小导管设置于相邻的超前大管棚之间并锚固于煤炭矿井内壁中。

液浆采用普通硅42.5#水泥单浆液，浆液配合比W:C＝0.8～1.1，在施作过程中可根据实际情况进行调配。注浆时孔口压力控制在0.3～0.75MPa左右，注浆终压力控制在1MPa左右，注浆应由低处向高处，以利充填密实，避免浆液被水稀释离析。

注浆终压达到设计终压且注浆量达到理论量的80％；或虽未达到设计终压已达设计浆量，即可结束该孔注浆。

S5：护盾后手喷混凝土，在软弱破碎围岩地段,需要在护盾后初喷混凝土尽快封闭围岩,此时将TBM后配套上喷混凝土区域的混凝土输送管路接长,延伸至护盾后(混凝土输送泵具备相应能力),采用人工喷射混凝土方式进行初喷作业，待该段进入机械喷混凝土区域后,采用机械喷射方式复喷至设计厚度。

喷射混凝土主要原材料选用:水泥为425号普通硅酸盐水泥；砂子为细度模数3.2～3.3；粗骨料粒径为5～10mm。

S6：防塌式掘进，TBM掘进至断层破碎带时，TBM刀盘应顶在掌子面上，不要轻易后退，更不能在无推进的状态下转动刀盘掘进，对不同围岩地质条件的地段，喷射混凝土厚度及时进行调整，调整设备的技术参数，降低对围岩的承压力，减小扰动，此时采用较低的刀盘转速从而控制刀盘的推进速度，使掘进速度降为50％以下，当洞壁围岩不能为撑靴提供足够的支撑力时，可通过小范围锁死部分支撑靴的方法，减小其对围岩的支撑压力，同时相应地减小TBM推力、推进速度，TBM采用凹入式滚刀，防止边刀区域围岩松动，可以降低水平撑靴的推力以便与围岩情况和顶板的承载能力相符合，在全负荷下正常的水平支撑压力约2.9MPa，在软弱岩层中最小可以减小到1.3Mpa，当岩体十分破碎，以致刮渣器不能及时清渣时，可利用刀盘的反转，避免刀盘卡塞事故的发生，在撑靴部位附近打密集锚杆，应急喷射混凝土进行加固，及时封闭围岩，并垫钢板，增加围岩强度和可支撑能力；

S7：撑靴坍塌部位处理，在撑靴出现塌腔的部位垫密集的砂袋，供撑靴支撑，当支撑通过破碎带或塌腔部位后，再取出砂袋。再对坍塌区域利用锚网喷及时进行封闭，对范围大且坍塌于护盾上的空腔回填时，在喷射混凝土内加入适量速凝剂，TBM设备通过断层后，再进行注浆处理，尽快加固围岩；

S8：刀盘顶护盾上方围岩塌腔处理，开挖后刀盘顶护盾段上方围岩出现部分崩塌或局部掉块时，主要采用φ22.L＝2.8m锚杆，挂钢筋网(φ6.5mm、@100×100mm)，再喷射混凝土进行支护。

开挖后围岩在刀盘或刀盘顶护盾处出现较大坍塌时，必须停机处理：

(1)人工采用长6m的4分钢管清撬护盾顶部危石；

(2)再进行人工喷砼(将随机安放在材料平板小车上的干喷机沿轨道推到第一节主梁下部)；

(3)随后架立钢拱架，施作系统锚杆(φ22，L＝2.8m、间距0.8m)；

(4)在钢拱架与围岩之间铺设焊接1.5mm厚钢板封闭塌腔，钢板表面铺设钢筋网便于喷射砼施工；(两层钢筋网之间设置有可移动喷射，缩短等进行喷射的方式)

(5)再用φ22钢筋纵向焊接在相邻钢拱架之间支撑上面的钢板和网片(特殊情况下可采用型钢纵向焊接)。

(6)形拱架随刀盘前进，逐榀架立。

(7)从钢板预留口回填C25混凝土至钢板与塌腔围岩之间，回填密实使塌腔与周围岩石连成一体。

(8)待混凝土初凝稳定后，重新开始掘进。

仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统，包括岩、煤层中使用的超前支护用钻进，TBM盾壳上面的预留的孔洞，超前大管棚、超前小导管、超前支护锚杆及注浆泵，其特征在于，还包括：

设置于TBM盾壳并支撑于巷道两帮的撑靴；

设置于TBM盾壳的调节槽，调节槽中活动设置有导向管，所述调节槽的一端贯穿TBM盾壳，另一端贯穿TBM掘进机远离工作面的一侧，调节槽贯穿TBM盾壳的一端通过铰接轴活动铰接有抵挡板，调节槽内壁上设置有限制抵挡板向调节槽内部移动的斜面，调节槽贯穿TBM掘进机远离工作面的一侧活动贴合有橡胶板，橡胶板的上端固定在TBM掘进机的表面，所述导向管中活动穿过有倾斜锚固在巷道顶板中的超前支护锚杆；

设置于TBM盾壳的加强机构，所述加强机构包括安装在巷道顶板上的超前大管棚、固定在超前大管棚底部的钢拱架，固定在钢拱架底部的金属网片组件，所述超前大管棚与钢拱架之间设置有辅助加强机构，金属网片组件的一侧设置有向其内部喷射混凝土的混凝土喷射组件；

所述辅助加强机构包括一体设置的受力板、施力板，受力板、施力板之间形成V字形结构，钢拱架的表面设置有分别供受力板、施力板活动穿过的第二槽、第一槽，所述钢拱架的底部固定焊接有定位支撑板，定位支撑板中转动设置有活动穿过施力板、第二槽之间组成的V字形结构中部的活动轴，活动轴的端部通过螺纹配合连接有限位螺母，所述施力板、受力板均在超前大管棚的两侧设置有一组，施力板活动贴合于超前大管棚远离钢拱架的一端表面，受力板端部活动贴合于超前大管棚靠近钢拱架一端的侧面，超前大管棚贴合在钢拱架上的部分与钢拱架之间固定焊接，超前大管棚、钢拱架均设置有多组，多组钢拱架之间沿着其轴线方向分布，多组超前大管棚的走向沿着钢拱架轴线且贴合于钢拱架的外圈呈圆形阵列状分布。

2.根据权利要求1所述的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统，其特征在于：所述TBM盾壳设置有供加强机构安装进入的缺口，所述调节槽的下端内部固定设置有支撑在导向管底部中间位置的支撑杆，支撑杆与导向管的底部铰接，调节槽的下端内部靠近抵挡板的一端设置有伸缩单元，伸缩单元的上下两端分别活动铰接在导向管的端部与调节槽的底部。

3.根据权利要求2所述的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统，其特征在于：所述超前大管棚的一端上表面设置有注浆孔，另一端下表面设置有进孔，超前大管棚的一端设置有端部结构，另一端设置有密封盖，超前大管棚中设置有盛装袋，所述盛装袋的一端开口，开口端朝向端部结构，另一端闭口并固定在密封盖上，密封盖卡合固定在超前大管棚的端部，且密封盖外表面固定设置有拉环，所述注浆孔呈T字形槽体结构，注浆孔贯穿超前大管棚外表面的一端开口大，注浆孔中密封塞有上密封塞，进孔中密封塞有下密封塞。

4.根据权利要求3所述的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统，其特征在于：所述端部结构包括固定在超前大管棚内圈处的限位环与贴合在限位环外圈处的活动封板，限位环的内圈设置有中间开口，所述超前大管棚的内壁上固定焊接有竖向设置的导向板，导向板中滑动设置有导向杆，导向杆的端部固定在活动封板远离中间开口的一面，导向板的表面固定焊接有推动活动封板贴合在限位环表面的第一弹簧，活动封板的直径小于导向杆的内径且大于限位环的内径。

5.根据权利要求4所述的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统，其特征在于：所述超前大管棚的内壁上固定设置有支撑架，支撑架上通过转动轴活动铰接有压板，所述压板远离转动轴的一端且靠近超前大管棚内壁的一侧设置有凹槽，所述盛装袋的开口一端固定设置有弹性环绳，弹性环绳活动卡合在凹槽中，所述超前大管棚的内壁上位于弹性环绳与转动轴之间设置有内陷槽，内陷槽的底部固定焊接有拉持压板贴合于超前大管棚内壁上的第二弹簧。

6.根据权利要求5所述的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统，其特征在于：所述金属网片组件包括由外到内设置的第一挂网、第二挂网、第三挂网，第一挂网、第二挂网、第三挂网之间通过连接钢筋固定连接，连接钢筋设置于第一挂网、第二挂网、第三挂网的边缘位置，第一挂网、第二挂网、第三挂网之间组成用于混凝土喷射的空间，第一挂网固定焊接在钢拱架的底部，第一挂网、第二挂网、第三挂网的网格长宽大小依次变小。

7.根据权利要求6所述的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统，其特征在于：所述金属网片组件的两端内侧均设置有供混凝土喷射的混凝土喷射口，混凝土喷射口包括设置于第三挂网上的第一喷射口与设置于第二挂网上的第二喷射口，第一喷射口中密封塞有喷射口密封塞。

8.根据权利要求7所述的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统，其特征在于：所述混凝土喷射组件包括用于将混凝土泵出的混凝土喷射单元与连通在混凝土喷射单元端部的注浆软管，所述注浆软管呈多圈卷绕在辊轴上，注浆软管的端部依次穿过第一喷射口、第二喷射口并伸入第一挂网、第二挂网之间组成的空间中，注浆软管远离混凝土喷射单元的端部设置有喷射头，所述喷射头中设置有与注浆软管连通的主通道和与主通道连通的分通道，分通道呈放射状贯穿喷射头远离注浆软管的一面且设置有多组，多组分通道之间的夹角相等。

9.一种支护方法，其特征在于：包括如权利要求1-8任一所述的煤矿井巷不良地质带敞开式TBM掘进机超前支护系统，还包括以下步骤：

S1：超前探测，在物探结果预测前方为软弱围岩时，施作超前探孔予以验证，视探孔取芯分析情况决定掘进措施；

S2：超前支护，第一步先在TBM掘进机掘进方向超前打入超前大管棚，沿开挖轮廓线顶拱120°范围内向TBM前方打入钢管构成棚架，尾部由钢拱架进行支撑，在管棚及其承载壳的共同棚架作用下，进行安全施工作业；

S3：短行程进尺开挖，在管棚的支护作用下采用短行程进尺开挖，及时架设钢拱架，管棚在钢拱架外露10～15厘米，由拱架支撑住管棚，并将二者相焊接牢固，随后按设计图纸并进行锚、网、喷支护；

S4：超前小导管注浆，对软弱、构造影响破碎段不良地质,采用TBM自带钻机钻孔、清孔,设计安设φ42mm无缝钢管,采用TBM自带注浆机注水泥浆,注浆压力为0.12～0.15MPa，当单孔注浆量达到设计注浆量时,或达到注浆压力持荷10min后,即可结束注浆；

S5：护盾后手喷混凝土，在软弱破碎围岩地段,需要在护盾后初喷混凝土尽快封闭围岩,此时将TBM后配套上喷混凝土区域的混凝土输送管路接长,延伸至护盾后,采用人工喷射混凝土方式进行初喷作业，待该段进入机械喷混凝土区域后,采用机械喷射方式复喷至设计厚度；

S6：防塌式掘进，TBM掘进至断层破碎带时，TBM刀盘应顶在掌子面上，不要轻易后退，更不能在无推进的状态下转动刀盘掘进，对不同围岩地质条件的地段，喷射混凝土厚度及时进行调整，调整设备的技术参数，降低对围岩的承压力，减小扰动，此时采用较低的刀盘转速从而控制刀盘的推进速度，使掘进速度降为50％以下，当洞壁围岩不能为撑靴提供足够的支撑力时，通过小范围锁死部分支撑靴的方法，减小其对围岩的支撑压力，同时相应地减小TBM推力、推进速度，TBM采用凹入式滚刀，防止边刀区域围岩松动，降低水平撑靴的推力以便与围岩情况和顶板的承载能力相符合，在全负荷下正常的水平支撑压力2.9MPa，在软弱岩层中最小减小到1.3Mpa，当岩体十分破碎，以致刮渣器不能及时清渣时，利用刀盘的反转，避免刀盘卡塞事故的发生，在撑靴部位附近打密集锚杆，应急喷射混凝土进行加固，及时封闭围岩，并垫钢板，增加围岩强度和可支撑能力；

S7：撑靴坍塌部位处理，在撑靴出现塌腔的部位垫密集的砂袋，供撑靴支撑，当支撑通过破碎带或塌腔部位后，再取出砂袋，再对坍塌区域利用锚网喷及时进行封闭，对范围大且坍塌于护盾上的空腔回填时，在喷射混凝土内加入适量速凝剂，TBM设备通过断层后，再进行注浆处理，尽快加固围岩；

S8：刀盘顶护盾上方围岩塌腔处理，开挖后刀盘顶护盾段上方围岩出现部分崩塌或局部掉块时，采用锚杆和挂钢筋网，再喷射混凝土进行支护。