TBM技術(shù)在我國(guó)煤礦中的應(yīng)用

秦曉光，徐輝東，劉林林（中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽合肥230601）

TBM技術(shù)在我國(guó)煤礦中的應(yīng)用

秦曉光，徐輝東，劉林林（中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽合肥230601）

TBM應(yīng)用于煤礦巖石巷道掘進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程操作，使所有施工作業(yè)均在可靠支護(hù)下進(jìn)行，大幅提高作業(yè)安全性和生產(chǎn)效率，改善施工作業(yè)環(huán)境，保障工作人員的健康水平。本文介紹TBM技術(shù)在我國(guó)煤礦應(yīng)用的情況，并與傳統(tǒng)鉆爆法施工技術(shù)進(jìn)行比較和分析，提出了煤礦應(yīng)用TBM應(yīng)注意的問(wèn)題。

煤礦；全斷面掘進(jìn)機(jī)；應(yīng)用

TBM（Tunnel Boring Machine）為主要用于巖石地層掘進(jìn)的全斷面掘進(jìn)機(jī)。煤礦全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)破破巖、裝巖、轉(zhuǎn)載、臨時(shí)支護(hù)、噴霧防塵等工序，機(jī)械化程度高，工序簡(jiǎn)單，施工速度快，施工巷道質(zhì)量高，支護(hù)簡(jiǎn)單，工作安全。推廣應(yīng)用適用于煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件下的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)，對(duì)于提高我國(guó)煤礦巖巷掘進(jìn)機(jī)械化水平，加快掘進(jìn)速度，保證施工安全和工程質(zhì)量具有重要的意義。

1　目前我國(guó)煤礦巖巷掘進(jìn)機(jī)械化水平及存在的主要問(wèn)題

隨著煤礦機(jī)械化程度的提高，我國(guó)煤礦建井技術(shù)在立井、斜井的機(jī)械化配套施工工藝和綜采、綜掘技術(shù)均達(dá)到世界先進(jìn)水平，采煤和煤及半煤巖巷道掘進(jìn)基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。但巖巷的機(jī)械化水平和掘進(jìn)速度都明顯落后，煤礦巖巷施工技術(shù)發(fā)展滯后的現(xiàn)狀已嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)和礦井建設(shè)的速度。

目前巖巷掘進(jìn)多采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工，巖石巷道平均月進(jìn)尺100m左右。該施工方法占用人員多、工序復(fù)雜、速度慢、效率低、安全隱患多，嚴(yán)重制約了煤礦基建和生產(chǎn)。

部分巖巷采用綜掘機(jī)掘進(jìn)，但存在以下問(wèn)題：工作面粉塵濃度高，嚴(yán)重影響職工身體健康；巖石硬度系數(shù)f>6時(shí)，掘進(jìn)速度慢，平均月進(jìn)尺 120m左右，效率低；截齒、配件消耗量大，掘進(jìn)成本較高；支護(hù)問(wèn)題未得到系統(tǒng)的解決。

2　我國(guó)煤礦TBM應(yīng)用情況

2.1東曲煤礦東平硐和楊家礦井下盤(pán)區(qū)集中運(yùn)輸大巷TBM施工

煤科總院上海分院掘進(jìn)機(jī)械研究所在20世紀(jì)80年代先后研制成功直徑3.2m和直徑5m煤礦全斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)。山西古交礦區(qū)東曲煤礦東平硐采用直徑5m全斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)，14個(gè)月掘進(jìn)1448m，平均月進(jìn)尺103.4m，最高月進(jìn)尺202m。云南羊場(chǎng)煤礦楊家礦井下盤(pán)區(qū)集中運(yùn)輸大巷，采用直徑3.2m全斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)巷道 1014m，平均月進(jìn)尺156.18m，最高月進(jìn)尺260.58m，最高日進(jìn)尺18.6m。

2.2塔山煤礦主平硐TBM施工

山西大同塔山煤礦主平硐斷面直徑4.82m，施工巷道3400m。2003年，采用美國(guó)羅賓斯公司制造的155-274雙護(hù)盾型全斷面掘進(jìn)機(jī)，最高月進(jìn)尺達(dá)到560m，平均月進(jìn)尺483m。

2.3澇壩灣煤礦副平硐TBM施工

新疆澇壩灣煤礦副平硐工程直徑6.42m，巖石硬度系數(shù)f=3～7.3。2014年采用中國(guó)鐵建重工集團(tuán)制造的DZ028型硬巖掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)5800m，使用管片3844環(huán)。歷時(shí)1160日歷天，最高日進(jìn)尺達(dá)到18m。

2.4張煤集礦TBM試驗(yàn)段巷道施工

安徽淮南張集煤礦試驗(yàn)段巷道直徑4.53m，巖石為石英砂巖，巖石硬度系數(shù)f=8。2015年1～3月，采用北方重工集團(tuán)制造的煤礦全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，最高日進(jìn)尺達(dá)到30.7m，平均月進(jìn)尺404m。

2.5補(bǔ)連塔煤礦2號(hào)輔運(yùn)平硐TBM施工

內(nèi)蒙古補(bǔ)連塔煤礦2號(hào)輔運(yùn)平硐全長(zhǎng)2745m，凈直徑為6.6m，開(kāi)挖直徑7.62m。2015年6～12月，采用中國(guó)鐵建重工集團(tuán)制造的全斷面掘進(jìn)機(jī)，最高月進(jìn)尺達(dá)639m。

3　煤礦TBM施工工法與傳統(tǒng)鉆爆法的比較分析

3.1掘進(jìn)速度

以直徑4.53m圓形巷道，巖石硬度系數(shù)f<10計(jì)算，TBM平均掘進(jìn)速度為4～6m/h，利用率約40～45%。按平均掘進(jìn)速度1.5m/h，作業(yè)工效80%估算，采用TBM施工工法，每月施工進(jìn)尺可達(dá)到600～800m。由前文可知，在TBM技術(shù)在我國(guó)煤礦尚未成熟應(yīng)用的情況下，2005年，張集煤礦達(dá)到了平均月進(jìn)尺404m，補(bǔ)連塔煤礦達(dá)到了最高月進(jìn)尺639m。

同樣條件下，鉆爆法掘進(jìn)期間一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)（放線、鉆孔、裝藥、爆破、除渣）時(shí)間約為8小時(shí)，炮孔深度為2.5m，作業(yè)工效按照80%計(jì)算，鉆爆法施工月進(jìn)尺約為100～120m。

由上可知，在煤礦巖巷TBM施工工法掘進(jìn)速度是傳統(tǒng)鉆爆法掘進(jìn)速度的4～5倍。

3.2施工成本

TBM工法由于用人少，超挖少，支護(hù)材料節(jié)省，因此可節(jié)約各項(xiàng)費(fèi)用。如按同上條件，在正常掘進(jìn)速度下，煤礦TBM工法每米成本包括人工費(fèi)約760元，材料費(fèi)約600元，機(jī)械費(fèi)約4150元，輔助費(fèi)約580元，綜合取費(fèi)約2600元，支護(hù)費(fèi)用約480元。合計(jì)每米成本約0.9萬(wàn)元。

傳統(tǒng)鉆爆法每米成本含人工費(fèi)約3700元，材料費(fèi)約2700元，機(jī)械費(fèi)約3300元，直接工程費(fèi)約9800元，企業(yè)管理費(fèi)約1700元。合計(jì)每米成本約2.1萬(wàn)元。

經(jīng)比較，采用TBM法在未計(jì)算設(shè)備安裝、拆除費(fèi)用以及為安裝、拆卸設(shè)備而準(zhǔn)備的工作面及設(shè)施費(fèi)用時(shí)，TBM施工工法較鉆爆法每米巖巷施工成本大大低。另外，巷道長(zhǎng)度、是否獨(dú)頭掘進(jìn)、施工組織能力等因素可能會(huì)影響以上對(duì)施工成本的估算。

3.3職業(yè)健康、安全和質(zhì)量等

TBM可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程操作，所有施工作業(yè)均在可靠支護(hù)下進(jìn)行；掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖對(duì)洞壁外的圍巖擾動(dòng)少，沒(méi)有鉆爆法的炸藥等化學(xué)物質(zhì)的爆炸和煙霧，杜絕了工作面粉塵污染，改善了施工作業(yè)環(huán)境，保障了工作人員的健康水平。作業(yè)環(huán)境和安全性比鉆爆法大大提高。

TBM掘進(jìn)機(jī)由于是刀具擠壓和切割洞壁巖石，開(kāi)挖的洞徑尺寸精確、誤差小，可以控制在士2cm范圍內(nèi)。開(kāi)挖隧道的洞壁光滑美觀，糙率約為0.019，比鉆爆法光面爆破的糙率小17%。同時(shí)，提高了巷道原巖支撐能力，減少了巷道維護(hù)費(fèi)用，增加了巷道的服務(wù)年限。

4　煤礦應(yīng)用TBM技術(shù)應(yīng)注意的問(wèn)題

4.1在煤礦的地質(zhì)適應(yīng)性

不同類(lèi)型的TBM適用的地層不同，TBM應(yīng)根據(jù)煤礦地質(zhì)條件設(shè)計(jì)和制造。同時(shí)設(shè)備應(yīng)滿足煤礦井下防爆、接地比壓等要求。

4.2不適宜中短距離巷道的施工

TBM設(shè)備投資較高，設(shè)備運(yùn)輸、安裝和拆卸時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于中短隧道很難發(fā)揮其優(yōu)越性。當(dāng)巷道長(zhǎng)度與直徑之比大于600時(shí)，采用TBM施工才具有經(jīng)濟(jì)性及可行性。

4.3礦井下放和運(yùn)輸

TBM屬大型專(zhuān)用設(shè)備，應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)以適應(yīng)煤礦應(yīng)用。經(jīng)優(yōu)化過(guò)的煤礦全套TBM設(shè)備也重達(dá)數(shù)百噸，最大部件重量達(dá)20t，拼裝長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)50m。因此對(duì)煤礦巷道的施工場(chǎng)地和礦井下放運(yùn)輸?shù)榷继岢隽撕芨叩囊蟆?/p>

4.4設(shè)備購(gòu)置成本大，對(duì)人員素質(zhì)要求高

TBM設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用較高，TBM施工需要高素質(zhì)的技術(shù)人員和管理隊(duì)伍，這些都影響到煤礦TBM施工技術(shù)的適用性。

［1］唐 彬，王傳兵.立井煤礦硬巖TBM施工巷道支護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.煤炭工程，2015（12）.

［2］劉 文.TBM在塔山煤礦特殊條件下施工中的應(yīng)用［J］.全國(guó)礦山建設(shè)學(xué)術(shù)會(huì)議，2006.

［3］高潤(rùn)平，劉 文.隧道掘進(jìn)機(jī)在塔山煤礦平硐施工中的應(yīng)用［J］.煤礦開(kāi)采，2005，10（5）.

［4］宮全紅.TBM巖巷掘進(jìn)機(jī)在平峒施工中的運(yùn)用［J］.煤炭工程，2004（6）.

［5］唐 彬，程 樺，等.TBM施工煤礦深埋硬巖巷道圍巖穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用.［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2016，33（2）.

TD262.12

A

2095-2066（2016）26-0099-02

2016-9-2

秦曉光（1961-），男，安徽淮南人，高級(jí)工程師，安徽理工大學(xué)工程碩士，中煤礦山建設(shè)集團(tuán)工程技術(shù)部副部長(zhǎng)兼技術(shù)中心副主任。