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简介（作者编辑）：盾构施工煤矿斜井超前地质预报技术分析及其工程应用_夏明锬.pdf
摘要（系统识别）：
施工技术
2016年11月上
116
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
第45卷第21期
D0L:10.7672/sgjs2016210116
盾构施工煤矿斜井超前地质预报技术分析
及其工程应用
夏明锬
(中铁十一局集团有限公司，湖北武汉430061)
摘要]采用超前地质预报技术对煤矿斜井工作面前方不良地质进行预测是保障施工安全、优质和高效必不可少
的工作。通过对比常见的4种超前地质预报的方法特点，结合采用盾构施工煤矿斜井过程中电磁环境复杂、工作
面后方空间受限的施工条件，确定采用超前钻探作为斜井施工过程中的超前地质预报方法。同时，在国内首条采
用盾构施工的煤矿斜井一神东补连塔煤矿斜井中进行了现场验证，并将预报结果与地勘资料、后期盾构出渣情
况进行了对比。验证结果表明，超前钻探地质预报方法具有准确性和直观性，适合应用于采用盾构施工的煤矿斜
井建设。
[关键词隧道工程；煤矿；斜；盾构；超前地质预报；工程应用
[中图分类号]U45
文献标识码]A
[文章编号]10028498(2016)21011604
Analysis of Advanced Geology Forecast in Colliery Inclined Shaft Tunnel by
Shield Construction and Its Engineering Application
Xia Mingtan
China Railway 11th Bureau Group Co.,Ld.,Wuhan,Hubei 430061,China)
Abstract:Advanced geology forecast for unfavorable geology beyond coal slope tunnel working face is a
necessary work to make tunnel construction safe,high quality and efficient.In this paper,four advanced
geology forecast methods are compared.In consideration of the complex electromagnetism environment
and the limited space after shield,forward boring method is used to forecast the advanced geology.
Meanwhile,forward boring method is applied in the first colliery inclined shaft tunnel by shield-
Shendong Bulianta colliery.Furthermore,the forecast result is compared with the engineering geology
database and shield residue.The results show that forward drilling method is an accuracy and intuitive
method and it is suitable for colliery inclined shaft tunnel construction by shield.
Key words:tunnels;colliery;inclined shaft;shielding;advanced geology forecast;application
煤矿斜井施工中的超前地质预报技术是利用
过程中有害气体的预测与控制技术。文献[5]提出
一定的技术和手段，收集斜井工作面前方相关地质
了盾构施工煤矿斜井的管片泄水降压技术。文献
条件资料，并运用相关理论和经验对这些资料进行
[6]提出了通过对围岩进行注浆加固的方法，对煤
分析，进而查明施工工作面前方可能存在的不良地
矿斜井中的风化断层破碎带进行处置。
质条件，如溶洞、断层破碎带、富水、有害气体等。
由此可见，盾构施工煤矿斜井的施工过程中，
目前，已有许多学者提出了盾构施工煤矿斜井过程
已知的不良地质条件困难并不可怕。然而，煤矿斜
中已知的不良地质条件的处置技术。文献[12]提
井的施工过程中，盾构工作面前方的不良地质和风
出了盾构施工煤矿斜井过程中高压富水地层的综
险往往是未知的，不良地质条件和风险的未知性才
合处置技术。文献[34]提出了盾构施工煤矿斜井
是引起盾构施工事故的主要原因。因此，对于未知
风险的预测和盾构工作面前方不良地质的超前地
*“十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAB10B05)
质预报技术尤为重要。文献[7410]介绍了钻爆法隧
[作者简介]夏明锬，博士后，工程师，E-mail:601761378@qq.com
[收稿日期201610H7
道施工中采用的地质雷达法和超前钻探法等超前
?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
2016No.21
夏明锬：盾构施工煤矿斜井超前地质预报技术分析及其工程应用
117
地质预报技术。
质发射高频电磁脉冲波，然后通过工作面前方岩体
然而，斜井条件下采用盾构与超前地质预报相
反射，被接收器接收。电磁波的幅度、反射时间和
结合的技术方法，尚未见公开报道。本文依托国内
波形会根据前方地质岩体的不同而产生相应几何
首条采用盾构施工的神东补连塔煤矿斜井工程，通
形状和性质的变化。由此，根据电磁波的幅度、反
过对不同超前地质预报方法的特点对比，确定了采
射时间和波形的不同，可以预测工作面前方地质岩
用超前钻探作为盾构施工的超前地质预报方法，并
体的节理构造和埋深位置等相关信息。
在依托工程中进行了现场验证。
地质雷达将接收到的电磁波信号经过处理后
1超前地质预报内容
发送到计算机，然后通过滤波等数据后处理，最终
受煤矿斜井深埋超长、连续下坡、富水高压、地
形成地质雷达探测图。
层多变等客观因素的影响，为保证斜井施工过程中
通过测定工作面前方地质岩体反射回的电磁
的安全、优质和高效，斜井超前地质预报工作必不
波的时间、电磁波的波速和发射与接收天线的间
可少。针对神东补连塔煤矿斜井工程地质特点和
距，可通过下式计算出前方不良地质岩体埋深：
潜在的主要地质灾害问题，施工期超前地质预报主
(1)
要内容：①突涌水和突泥工作面前方一定范围内
有无突（涌）水、突泥，并查明其范围、规模、性质，预
式中：h为不良地质岩体的埋深；v为前方地质中电
测突（涌）水量的大小及其变化规律，并评价其对施
磁波的波速；t为电磁波的反射时间；x为发射与接
工的影响：②有害气体斜井前方有害气体含量、
收天线的距离。
成分及动态变化；③断层破碎带断层的位置、岩
2.4超前钻探预测法
体的完整度、岩体孔隙率、破碎带是否含水。
超前钻探预测法是通过超前钻机向工作面前
2超前地质预报方案比选
方打入超前钎杆，然后根据钻入钎杆的冲击压力、
目前，常用的超前地质预报方法主要包括物探
转钎扭矩、推进力和卡钎次数来预测工作面前方的
法预报如TSP法、地质雷达探测、BEAM法等，以及
地质情况。钻孔的数量、方位、外插角和钻入深度
直接预报法如超前钻探法。
可根据需求人为控制。超前钻探地质预测方法可
2.1TSP超前地质预报系统
以有效判断前方不均匀岩土的岩层交界位置、岩体
TSP超前地质预报方法是通过不同地质条件中
破碎程度、岩体孔隙率、是否含水、是否存在有害气
地震波的反射特性来预测前方地质条件的方法。
体等。超前钻探预测方法准确度高，而且可以直观
这是在工作面后方进行一排微量爆破，以此产生地
地体现工作面前方地质的特点，有效避免了物探地
震波在前方地质中传播。当前方地质出现地下水、
质预测法的不确定性与多解性。
断层破碎带等不良地质条件时，一部分信号被反射
2.5超前地质预报方法确定
回来，然后通过接收器转化为电信号。最后根据反
不同超前地质预报方法的特点对比如表1所示。
射信号的方向和时间，经过软件处理得到前方不良
表1超前地质预报特点对比
地质的方向和位置。
Table 1 Characteristic comparison of different
2.2BEAM法
advanced geology forecast methods
BEAM法(（bore tunneling electrical ahead
预报
预报
技术
适用
monitoring),是从外部和内部同时发射屏障电流和
方法
距离
原理
范围
备注
测量电流。电流聚集进入盾构工作面前方地质中
预报断层、溶洞
至
后，通过接收端电能储存能力参数的变化来预测前
TSP
前方150m
地震波法
和富水带的位
少6h
置和规模
方地质岩石的孔隙率和含水性。BEAM处理器便于
前方3倍
操作，占用空间小，不但适用于现有斜井的测量，同
BEAM
洞径，
预测断层、溶洞
不影响
电法
和富水带位置
施工
样更适合于现代化高机械化的盾构上安装使用。
约40m
和规模
BEAM是一种无损技术，在盾构掘进的过程中能够
工作面前方大
地质雷
前方
电磁反
的岩石节理裂
至
持续地工作，在任何硬岩和软土层地质情况下，
达法
15~25m
射法
隙和其破碎
少2h
BEAM可在土压平衡式盾构、泥水盾构、单双护盾盾
程度
构机上安装使用，而不受盾构厂家的影响。
物理取样
重点预报涌水、
超
前方
和钻进参
预测断层、溶洞
至
2.3地质雷达法
钻探
30-50m
少1h
数分析
和富水带位置
地质雷达法是采用发射天线向盾构工作面地
和规模
?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.
http://www.cnki.net
摘要（系统识别）：
施工技术
2016年11月上
116
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
第45卷第21期
D0L:10.7672/sgjs2016210116
盾构施工煤矿斜井超前地质预报技术分析
及其工程应用
夏明锬
(中铁十一局集团有限公司，湖北武汉430061)
摘要]采用超前地质预报技术对煤矿斜井工作面前方不良地质进行预测是保障施工安全、优质和高效必不可少
的工作。通过对比常见的4种超前地质预报的方法特点，结合采用盾构施工煤矿斜井过程中电磁环境复杂、工作
面后方空间受限的施工条件，确定采用超前钻探作为斜井施工过程中的超前地质预报方法。同时，在国内首条采
用盾构施工的煤矿斜井一神东补连塔煤矿斜井中进行了现场验证，并将预报结果与地勘资料、后期盾构出渣情
况进行了对比。验证结果表明，超前钻探地质预报方法具有准确性和直观性，适合应用于采用盾构施工的煤矿斜
井建设。
[关键词隧道工程；煤矿；斜；盾构；超前地质预报；工程应用
[中图分类号]U45
文献标识码]A
[文章编号]10028498(2016)21011604
Analysis of Advanced Geology Forecast in Colliery Inclined Shaft Tunnel by
Shield Construction and Its Engineering Application
Xia Mingtan
China Railway 11th Bureau Group Co.,Ld.,Wuhan,Hubei 430061,China)
Abstract:Advanced geology forecast for unfavorable geology beyond coal slope tunnel working face is a
necessary work to make tunnel construction safe,high quality and efficient.In this paper,four advanced
geology forecast methods are compared.In consideration of the complex electromagnetism environment
and the limited space after shield,forward boring method is used to forecast the advanced geology.
Meanwhile,forward boring method is applied in the first colliery inclined shaft tunnel by shield-
Shendong Bulianta colliery.Furthermore,the forecast result is compared with the engineering geology
database and shield residue.The results show that forward drilling method is an accuracy and intuitive
method and it is suitable for colliery inclined shaft tunnel construction by shield.
Key words:tunnels;colliery;inclined shaft;shielding;advanced geology forecast;application
煤矿斜井施工中的超前地质预报技术是利用
过程中有害气体的预测与控制技术。文献[5]提出
一定的技术和手段，收集斜井工作面前方相关地质
了盾构施工煤矿斜井的管片泄水降压技术。文献
条件资料，并运用相关理论和经验对这些资料进行
[6]提出了通过对围岩进行注浆加固的方法，对煤
分析，进而查明施工工作面前方可能存在的不良地
矿斜井中的风化断层破碎带进行处置。
质条件，如溶洞、断层破碎带、富水、有害气体等。
由此可见，盾构施工煤矿斜井的施工过程中，
目前，已有许多学者提出了盾构施工煤矿斜井过程
已知的不良地质条件困难并不可怕。然而，煤矿斜
中已知的不良地质条件的处置技术。文献[12]提
井的施工过程中，盾构工作面前方的不良地质和风
出了盾构施工煤矿斜井过程中高压富水地层的综
险往往是未知的，不良地质条件和风险的未知性才
合处置技术。文献[34]提出了盾构施工煤矿斜井
是引起盾构施工事故的主要原因。因此，对于未知
风险的预测和盾构工作面前方不良地质的超前地
*“十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAB10B05)
质预报技术尤为重要。文献[7410]介绍了钻爆法隧
[作者简介]夏明锬，博士后，工程师，E-mail:601761378@qq.com
[收稿日期201610H7
道施工中采用的地质雷达法和超前钻探法等超前
?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
2016No.21
夏明锬：盾构施工煤矿斜井超前地质预报技术分析及其工程应用
117
地质预报技术。
质发射高频电磁脉冲波，然后通过工作面前方岩体
然而，斜井条件下采用盾构与超前地质预报相
反射，被接收器接收。电磁波的幅度、反射时间和
结合的技术方法，尚未见公开报道。本文依托国内
波形会根据前方地质岩体的不同而产生相应几何
首条采用盾构施工的神东补连塔煤矿斜井工程，通
形状和性质的变化。由此，根据电磁波的幅度、反
过对不同超前地质预报方法的特点对比，确定了采
射时间和波形的不同，可以预测工作面前方地质岩
用超前钻探作为盾构施工的超前地质预报方法，并
体的节理构造和埋深位置等相关信息。
在依托工程中进行了现场验证。
地质雷达将接收到的电磁波信号经过处理后
1超前地质预报内容
发送到计算机，然后通过滤波等数据后处理，最终
受煤矿斜井深埋超长、连续下坡、富水高压、地
形成地质雷达探测图。
层多变等客观因素的影响，为保证斜井施工过程中
通过测定工作面前方地质岩体反射回的电磁
的安全、优质和高效，斜井超前地质预报工作必不
波的时间、电磁波的波速和发射与接收天线的间
可少。针对神东补连塔煤矿斜井工程地质特点和
距，可通过下式计算出前方不良地质岩体埋深：
潜在的主要地质灾害问题，施工期超前地质预报主
(1)
要内容：①突涌水和突泥工作面前方一定范围内
有无突（涌）水、突泥，并查明其范围、规模、性质，预
式中：h为不良地质岩体的埋深；v为前方地质中电
测突（涌）水量的大小及其变化规律，并评价其对施
磁波的波速；t为电磁波的反射时间；x为发射与接
工的影响：②有害气体斜井前方有害气体含量、
收天线的距离。
成分及动态变化；③断层破碎带断层的位置、岩
2.4超前钻探预测法
体的完整度、岩体孔隙率、破碎带是否含水。
超前钻探预测法是通过超前钻机向工作面前
2超前地质预报方案比选
方打入超前钎杆，然后根据钻入钎杆的冲击压力、
目前，常用的超前地质预报方法主要包括物探
转钎扭矩、推进力和卡钎次数来预测工作面前方的
法预报如TSP法、地质雷达探测、BEAM法等，以及
地质情况。钻孔的数量、方位、外插角和钻入深度
直接预报法如超前钻探法。
可根据需求人为控制。超前钻探地质预测方法可
2.1TSP超前地质预报系统
以有效判断前方不均匀岩土的岩层交界位置、岩体
TSP超前地质预报方法是通过不同地质条件中
破碎程度、岩体孔隙率、是否含水、是否存在有害气
地震波的反射特性来预测前方地质条件的方法。
体等。超前钻探预测方法准确度高，而且可以直观
这是在工作面后方进行一排微量爆破，以此产生地
地体现工作面前方地质的特点，有效避免了物探地
震波在前方地质中传播。当前方地质出现地下水、
质预测法的不确定性与多解性。
断层破碎带等不良地质条件时，一部分信号被反射
2.5超前地质预报方法确定
回来，然后通过接收器转化为电信号。最后根据反
不同超前地质预报方法的特点对比如表1所示。
射信号的方向和时间，经过软件处理得到前方不良
表1超前地质预报特点对比
地质的方向和位置。
Table 1 Characteristic comparison of different
2.2BEAM法
advanced geology forecast methods
BEAM法(（bore tunneling electrical ahead
预报
预报
技术
适用
monitoring),是从外部和内部同时发射屏障电流和
方法
距离
原理
范围
备注
测量电流。电流聚集进入盾构工作面前方地质中
预报断层、溶洞
至
后，通过接收端电能储存能力参数的变化来预测前
TSP
前方150m
地震波法
和富水带的位
少6h
置和规模
方地质岩石的孔隙率和含水性。BEAM处理器便于
前方3倍
操作，占用空间小，不但适用于现有斜井的测量，同
BEAM
洞径，
预测断层、溶洞
不影响
电法
和富水带位置
施工
样更适合于现代化高机械化的盾构上安装使用。
约40m
和规模
BEAM是一种无损技术，在盾构掘进的过程中能够
工作面前方大
地质雷
前方
电磁反
的岩石节理裂
至
持续地工作，在任何硬岩和软土层地质情况下，
达法
15~25m
射法
隙和其破碎
少2h
BEAM可在土压平衡式盾构、泥水盾构、单双护盾盾
程度
构机上安装使用，而不受盾构厂家的影响。
物理取样
重点预报涌水、
超
前方
和钻进参
预测断层、溶洞
至
2.3地质雷达法
钻探
30-50m
少1h
数分析
和富水带位置
地质雷达法是采用发射天线向盾构工作面地
和规模
?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.
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