淺析臺格廟礦區(qū)盾構法施工煤礦斜井全斷面掘進機技術及應用

南清安

（神華集團有限責任公司科技發(fā)展部，北京市東城區(qū)，100011）

1 引言

臺格廟礦區(qū)煤層賦存較深，可采煤層埋深一般在650m 左右。為快捷、高效運輸，礦井設計選擇斜井開拓方式，坡度為6°，斜井長度達6000 m以上。如此長的斜井在國內(nèi)外煤礦都比較罕見，若采用常規(guī)的鉆爆法建井，不但施工周期長，而且安全管理難度大。所以，在設計首對井筒時，選擇了具有安全、高效、成型好、適應性強等特點的盾構法進行施工。

盾構法施工集開挖、支護和出渣運輸工序于一體，可有效實現(xiàn)長大隧道施工的工廠化作業(yè)，已廣泛應用于交通、水電、市政、國防等工程領域。但在煤炭行業(yè)采用盾構法施工的斜井國內(nèi)還沒有成功案例，尤其施工長距離斜井 （大于4000 m）國際上也無先例。因此，臺格廟礦區(qū)盾構法施工斜井意義重大，其不僅開拓了盾構法施工的新領域，還為煤礦高效建設探索了一條新的路徑。

2 臺格廟斜井特點分析

臺格廟礦區(qū)位于鄂爾多斯高原的中南部，總體地勢呈北高南低，一般海拔標高1300～1420 m，相對高差120m，賦煤標高578～1049m。斜井從地表斜貫到地下煤層，與交通、水電等常規(guī)隧道相比，差異很大。

2.1 斜井坡度較大、距離較長

煤層在地下埋藏的越深，布置斜井的長度越大。當埋深一定時，斜井的長度長短取決于坡度的大小。臺格廟礦區(qū)首個礦井煤層埋深約為680 m，在綜合考慮將來斜井中運行設備的適應性和安全性，以及斜井施工設備的適用性、安全性和施工的經(jīng)濟性后，選取坡度為-10.5% （6°下坡）時，斜井長度達6550 m。目前，國內(nèi)采用盾構法施工的交通隧道最長達21.5 km、引水隧道最長達166km，但其坡度均在3°以下；地鐵隧道坡度最大為5.5°，但長度都在1600m 以下。

2.2 穿越地層多、地質(zhì)條件復雜

隧道一般都在同一地層中施工，巖性基本穩(wěn)定，地質(zhì)條件相對簡單。臺格廟礦區(qū)斜井須穿過多個地層，地層由老至新發(fā)育有侏羅系中統(tǒng)延安組、安定組、白堊系下統(tǒng)志丹群、第三系上新統(tǒng)和第四系等。其巖性主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部附存含礫粗砂巖及泥巖破碎帶等。巖石的力學強度不高，巖體質(zhì)量較差，穩(wěn)固性也較差。巖石以軟弱巖石-半堅硬巖石為主，泥巖類遇水軟化變形，甚至有崩解破壞現(xiàn)象。

2.3 斜井穿越的地層有含水層和隔水層

臺格廟礦區(qū)斜井另一突出特點是，斜井穿越的地層中有含水層和隔水層。含水層有第四系全新統(tǒng)風積沙層孔隙潛水含水層，白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙裂隙含水層，侏羅系中統(tǒng)安定組孔隙裂隙含水層，侏羅系直羅組孔隙裂隙含水層和侏羅系中下統(tǒng)延安組頂部孔隙裂隙含水層。隔水層有白堊系下統(tǒng)志丹群和安定組隔水層。主要含水層的單位涌水量q=0.0424～0.1319 L／ （s·m），滲 透 系 數(shù)K =0.05724～0.12593m／d，富水性為性弱-中等。

3 MBM 的提出

盾構法施工隧道的核心是全斷面掘進設備。歐美將全斷面隧道掘進機統(tǒng)稱為TBM （tunnel boring machine），日本則一般統(tǒng)稱為盾構機，細分可稱為硬巖隧道掘進機和軟地層隧道掘進機。目前國內(nèi)一般習慣將巖石隧道掘進機稱為TBM，將軟地層隧道掘進機稱為盾構機 （Shield Machine）。其中，巖石隧道TBM 又分為敞開式TBM、雙護盾式TBM、單護盾式TBM；軟地層盾構機按支護地層的形式分為敞開式盾構、壓縮空氣盾構、泥水盾構和土壓平衡盾構 （簡稱EPB，Earth Pressure Balance）。

一般煤礦斜井穿越地層多，地質(zhì)條件比較復雜，既有硬巖也有軟巖，還有水和瓦斯的影響，與通常隧道的水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件差別很大。常用于隧道全斷面掘進的設備，都滿足不了煤礦斜井的盾構法施工要求，必須為其 “量體裁衣”，開發(fā)一種新的全斷面掘進機?，F(xiàn)把用于盾構法施工煤礦斜井的全斷面掘進機稱為MBM （Mine Boring Machine），以與隧道全斷面掘進機相區(qū)別。

4 臺格廟MBM 特性探討

針對臺格廟斜井的特點，研發(fā)的臺格廟MBM，既能在巖石中掘進，又能在軟地層中掘進。因此，該機采用隧道盾構法施工的單護盾式TBM與EPB盾構相互轉換的雙結構模式：當?shù)刭|(zhì)軟弱、地下水大時，以EPB 盾構模式掘進；當進入全斷面巖層，地下水較少時，以單護盾TBM 模式掘進，實現(xiàn)相對連續(xù)、高效工作。

4.1 臺格廟MBM 技術參數(shù)

臺格廟礦區(qū)斜井設計內(nèi)徑6.6m，拼裝式管片厚350mm、寬1500mm，施工進度：平均月進尺350m 以上，最高月進尺600m 以上。臺格廟礦區(qū)MBM 技術參數(shù)如下：

（1）刀盤直徑：7620 mm，刀盤偏心設計10 mm，盾體為錐形。

（2）EPB模式：刀盤開口率35%，刀盤配18 in滾刀47把，切刀66把。

（3）驅(qū)動電機 （變頻）：功率8×315kW，轉速0～6.4r／min，扭矩8300kN·m （2.9r／min時），主驅(qū)動密封承壓5bar。

（4）主軸壽命：大于15000h。

（5）推進液壓缸：230／200-2300型，液壓缸數(shù)量為15對+4根，額定總推力42378kN，最大總推力49442kN。

（6）螺旋輸送機：內(nèi)徑920mm，最大運輸能力450m3／h。

（7）皮帶機：帶寬900 mm，最大運輸能力850t／h。

（8）總裝機功率：4600kW。

同時，臺格廟MBM 還配備有害氣體檢測、通風除塵、排水、豆礫石吹填、注漿、導向和可視化監(jiān)測等系統(tǒng)。

4.2 臺格廟MBM 技術特點

臺格廟MBM 是為臺格廟礦區(qū)研制的礦用全斷面掘進機，與常用的隧道全斷面掘進機大不相同，其主要技術特點如下：

（1）該機可在單護盾TBM 模式與EPB 盾構模式之間進行轉換，既能在巖石中掘進，又能在軟地層中掘進，適應性強。

（2）由于臺格廟MBM 是單護盾TBM 與EPB盾構機的優(yōu)化組合，所以其既具備單護盾TBM 簡單、快捷、經(jīng)濟的優(yōu)點，又具有EPB 盾構穩(wěn)重、持續(xù)、抗變的優(yōu)勢。

（3）該機能在護盾的保護下完成掘進、出渣、管片拼裝等作業(yè)，具有機械化程度高、施工工序連續(xù)的優(yōu)點，比傳統(tǒng)的隧道施工進度快，周期短，無須支模、綁筋、澆筑、養(yǎng)護、拆模等工藝。

（4）采用預制混凝土管片跟進襯砌的作業(yè)方式，施工進度快、質(zhì)量好。由于跟進襯砌及時，使大部分在地層中賦存的承壓水，不會因地層開挖而得到及時釋放。因此，白堊紀巖層遇水軟化崩解的地質(zhì)災害，會隨之大大緩解。

（5）前護盾非常短，既具有TBM 的大推力、高速度的優(yōu)勢，又可有效避免在圍巖發(fā)生較大變形甚至失穩(wěn)時，受圍巖變形的夾制而被 “困”。

（6）配備的地質(zhì)預測預報系統(tǒng)和超前地質(zhì)鉆探系統(tǒng)，能夠有效地對破碎帶、巖溶、突涌水等進行提前探測，以便提前采取應對措施，避免事故的發(fā)生。

（7）在穿越瓦斯地層時，可根據(jù)需要對可能的瓦斯聚集煤層采用超前鉆探的方法檢驗其濃度，并對聚集的瓦斯采取打孔卸壓的方法，進行卸壓并稀釋。

（8）配置的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，對瓦斯數(shù)據(jù)進行采集處理。當瓦斯?jié)舛冗_到預警值時發(fā)出警報，MBM 將自動停止工作，并啟動防爆應急設備。

（9）在掘進過程中能在刀盤前方注入泡沫劑和水霧，避免刀盤切削巖石時產(chǎn)生火花，防止火花引燃瓦斯，降低瓦斯爆炸的危險性。

4.3 臺格廟MBM 缺陷

臺格廟MBM 的工作方式：當采用EPB 盾構模式掘進時，切削下來的渣土通過螺旋機排放；采用單護盾TBM 模式掘進時，須將螺旋機拆除，更換刀盤和刀具，安裝中心皮帶機，利用中心出渣環(huán)和皮帶機出渣，由此不可避免地帶來以下缺陷：

（1）在應對地層變化，進行兩種掘進模式轉換時，由于受空間條件的限制，拆裝難度大，用時長，大約需要2～3周。

（2）掘進機推進與管片安裝不能同步，作業(yè)循環(huán)為：掘進→輔助液壓缸回收→安裝管片→再掘進。因此，在一定程度上影響施工效率。

（3）EPB 盾構模式掘進時，采用螺旋輸送機排渣，由于受空間限制，掘進機的出渣能力在一定程度上受限。

（4）臺格廟MBM 刀盤采用開口式刀盤，刀盤面板上受開口率的制約，刀盤的刀具數(shù)量相對減少，刀盤的刃間距偏大，整機的破巖能力有一定程度的降低。

5 結語

臺格廟礦區(qū)長距離大坡度斜井采用盾構法施工，在國內(nèi)外煤礦建井中均是首次實踐。為其研發(fā)的臺格廟MBM，也是國內(nèi)首臺盾構法施工煤礦斜井的全斷面掘進機。該機采用單護盾式TBM 與EPB盾構相互轉換的雙模式結構，能否適用于臺格廟礦區(qū)斜井的建設，有待進一步實踐檢驗。

［1］ 陳饋，洪開榮，吳學松等.盾構施工技術 ［M］.北京：人民交通出版社，2009