全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）在煤礦中的應(yīng)用研究

楊 簡(jiǎn)

（華能云南滇東能源有限責(zé)任公司礦業(yè)分公司通防部，云南 曲靖 655508）

在煤礦井巷工程施工過程中，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)是能夠同步進(jìn)行巷道掘進(jìn)排矸和支護(hù)的大型成套機(jī)械化施工設(shè)備。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)主要包括盾構(gòu)機(jī)、硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)兩類，主要適用于開挖地層硬度比較高的硬巖地層以及穩(wěn)定性比較強(qiáng)的圍巖地層等。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)在城市地鐵隧道工程建設(shè)和礦山企業(yè)井巷工程掘進(jìn)中有著十分廣泛的應(yīng)用。

1 TBM在煤礦中的應(yīng)用概述

煤礦企業(yè)是我國(guó)最主要的能源企業(yè)之一，相關(guān)煤礦施工工程質(zhì)量和進(jìn)度直接關(guān)系著煤礦的產(chǎn)出以及相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。煤礦礦井建設(shè)最主要的工程是井巷工程，其至少占總工程量的40%，建井周期比較長(zhǎng)，技術(shù)要點(diǎn)也比較多。施工過程中容易受到各種因素的影響，因此要想保證整體礦井工程施工進(jìn)度和工程效益，必須確保井巷工程的施工速度和質(zhì)量[1]。

在煤礦礦井工程施工建設(shè)中，礦井的開拓對(duì)于整個(gè)施工過程起到?jīng)Q定性的影響，直接決定了礦井基建工程量的大小和相關(guān)施工技術(shù)的應(yīng)用，最主要的是直接關(guān)系礦井未來的生產(chǎn)效益。因此，要加強(qiáng)對(duì)礦井開拓工作的管理，運(yùn)用現(xiàn)代化的技術(shù)手段確保礦井開拓高效，煤礦常用的開拓技術(shù)和工藝主要包括鉆爆法、懸臂式掘進(jìn)機(jī)等。這些施工技術(shù)雖然在當(dāng)前煤礦行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，但是其工程建設(shè)速度比較慢，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，相應(yīng)的人員工作環(huán)境較差，井下成型質(zhì)量也難以得到保證，難以滿足企業(yè)對(duì)大型現(xiàn)代化礦山工程的要求，所以需要對(duì)傳統(tǒng)的礦井開拓方式進(jìn)行改革，采用先進(jìn)的開拓技術(shù)來提高整體施工質(zhì)量[2]。

采用盾構(gòu)機(jī)和全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)法進(jìn)行煤礦礦井施工，可以確保整個(gè)施工工程在安全的情況下進(jìn)行，減少生產(chǎn)過程中的不安全因素，保障企業(yè)員工的生命安全。就目前來看，TBM與盾構(gòu)工法施工相對(duì)安全可靠，技術(shù)也相應(yīng)成熟起來，相對(duì)于傳統(tǒng)掘進(jìn)工藝來說，TBM方法掘進(jìn)速度比較快，大大縮短工期，相應(yīng)巷道成型的質(zhì)量也能得到保證。人工勞動(dòng)環(huán)境也得到很大改善，施工安全性強(qiáng)。該方法在一些大型煤礦企業(yè)巷道掘進(jìn)工程建設(shè)中有著突出的優(yōu)勢(shì)，可以有效降低整個(gè)生產(chǎn)的成本。所以，在對(duì)大型煤礦工程進(jìn)行巷道掘進(jìn)施工時(shí)，要優(yōu)先使用TBM工法或者盾構(gòu)法來有效提升地下資源的開發(fā)利用率，改進(jìn)巷道掘進(jìn)工藝，提升整個(gè)煤礦企業(yè)的工作效率[3]。

2 TBM在煤礦中的應(yīng)用實(shí)例

2.1 平峒掘進(jìn)工程

采用平硐開拓的礦井一般煤炭賦存和開采條件比較簡(jiǎn)單，需要的設(shè)備較少，相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益比較高。例如，我國(guó)新疆瑪納斯?jié)硥螢趁旱V就是一個(gè)典型的煤礦平硐工程，該工程項(xiàng)目位于烏魯木齊100 km內(nèi)的瑪納斯縣里塔西河的南側(cè)。在進(jìn)行主平硐工程改造時(shí)，擴(kuò)建副平硐工程采用的施工方法就是全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施工方案，副平硐全長(zhǎng)約為6000 m，平硐坡度為0.004，最大的埋深是400 m[4]。該工程項(xiàng)目地工程地質(zhì)以粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉、砂巖細(xì)砂巖以及中砂巖為主，相應(yīng)的地質(zhì)條件在飽和狀態(tài)下，單軸極限抗壓強(qiáng)度超出40 MPa，軟化系數(shù)在0.17～0.75。該副平硐工程建設(shè)項(xiàng)目所在地多為一軟化的巖石，巖石層間結(jié)合力較小，一般結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度比較高。綜合分析當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件來看，雖然施工比較簡(jiǎn)單，但是由于巖石之間的結(jié)合力較小，施工期間容易出現(xiàn)坍塌，巖石總體的抗剪斷能力比較低。所以，在進(jìn)行施工掘進(jìn)之前，需要對(duì)影響施工過程的各種因素進(jìn)行討論，并對(duì)相應(yīng)施工的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行探究，確保整個(gè)工程的安全，選擇合適的施工方案，運(yùn)用相應(yīng)技術(shù)來支撐施工，減少人員的投入，保證施工人員的安全[5]。

該項(xiàng)目使用的設(shè)備為復(fù)合型盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)在工程項(xiàng)目開始的兩年時(shí)間里，成功貫通掘進(jìn)里程約為6000 m，與傳統(tǒng)的施工方案相比，利用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工可以顯著提升施工速度，效率是原有施工技術(shù)的三倍以上。盾構(gòu)機(jī)總推力約為12000 kN，盾構(gòu)機(jī)正常工作的推進(jìn)速度為30 mm/min，從最初的設(shè)計(jì)方案來看，盾構(gòu)機(jī)的總體性能可以達(dá)到相應(yīng)的施工要求。但在實(shí)際工程項(xiàng)目施工中，盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用仍然存在一定的難度[6]。相對(duì)于傳統(tǒng)施工項(xiàng)目來說，盾構(gòu)機(jī)的設(shè)備成本比較高，在該工程項(xiàng)目中，盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用也會(huì)面臨各種問題。

首先，該工程項(xiàng)目需要的一次性施工距離長(zhǎng)，在利用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工時(shí)，需要盾構(gòu)機(jī)持續(xù)不斷地工作。我國(guó)盾構(gòu)機(jī)大都使用六米直徑系列，盾構(gòu)機(jī)單次接近6000 m的巷道工程較少，基本沒有相關(guān)案例可以遵循，這就對(duì)盾構(gòu)機(jī)的相關(guān)壽命和維護(hù)工作提出了新要求。在盾構(gòu)機(jī)工作過程中，相關(guān)技術(shù)人員要及時(shí)對(duì)盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)的問題進(jìn)行解決，定期排查故障，維護(hù)盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件。此外，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)完成后要在洞內(nèi)進(jìn)行拆機(jī)，因此在進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到盾構(gòu)機(jī)在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)拆機(jī)操作，確保盾構(gòu)機(jī)能夠充分發(fā)揮其掘進(jìn)作用。在進(jìn)行地層開挖時(shí)，由于乙醚巖砂巖為主的地層抗拉強(qiáng)度比較大，因此需要盾構(gòu)機(jī)相應(yīng)的刀盤刀具和螺旋輸送機(jī)，具有較高的抗磨強(qiáng)度和抗腐蝕能力，確保整個(gè)施工工程安全平穩(wěn)地進(jìn)行。煤層區(qū)域?qū)υO(shè)備也有一定的安全性要求，尤其是要求設(shè)備具有防爆性設(shè)計(jì)，做好盾構(gòu)機(jī)的有害氣體監(jiān)測(cè)工作，在盾構(gòu)機(jī)中設(shè)計(jì)應(yīng)急系統(tǒng)，并安裝防爆緊急處理系統(tǒng)，在盾構(gòu)機(jī)施工過程中減少安全隱患。

2.2 斜井掘進(jìn)工程

經(jīng)過多年的持續(xù)開采，我國(guó)很多埋藏較深的煤礦已經(jīng)消耗殆盡，需要對(duì)煤炭資源進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)和利用，主要通過斜井巷道來實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)連續(xù)出煤，利用先進(jìn)的技術(shù)提高煤炭運(yùn)送能力，從而加強(qiáng)深埋層煤礦的開采。當(dāng)前，煤礦主井采取斜井開拓，是未來大型深埋礦層建設(shè)的主要發(fā)展方向。但是，斜井開拓方式的建設(shè)成本較高，距離較長(zhǎng)，建井周期較長(zhǎng)，占地面積較大，需要更高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。以我國(guó)內(nèi)蒙古鄂爾多斯新街臺(tái)格廟煤礦斜井項(xiàng)目工程建設(shè)為例，該工程共規(guī)劃有7個(gè)井田，煤炭產(chǎn)能約為2000萬t/a，其中采用主副斜井開拓，采用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)方法進(jìn)行工程掘進(jìn)試驗(yàn)，最大埋深有690 m，總長(zhǎng)度約為6000 m，坡度為6°。

該項(xiàng)斜井工程地段以砂質(zhì)泥巖、泥巖等為主，斷面的穩(wěn)定性比較強(qiáng)，相應(yīng)的局部施工存在斷層破碎帶、高壓富水層以及軟巖變形等情況。工程地質(zhì)特點(diǎn)綜合復(fù)水性偏下，透水系數(shù)不高，工程地質(zhì)和水文條件比較適合應(yīng)用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)。根據(jù)斜井工程的特點(diǎn)進(jìn)行分析，斜井工程具有深埋較長(zhǎng)、富水高壓、連續(xù)下坡以及地層多變的特點(diǎn)，施工前，需要根據(jù)相關(guān)工程項(xiàng)目的具體要求開展充分的工程調(diào)研，制定有效的施工方案，專家審核通過后才可以進(jìn)行施工。

最終使用的施工方案是單護(hù)盾式全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)和集成土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)模式。這兩種掘進(jìn)模式在施工過程中可以根據(jù)施工實(shí)際情況相互轉(zhuǎn)換，保證設(shè)備具有較高的施工效率和較好的地質(zhì)適應(yīng)性。斜井掘進(jìn)施工工程雖然具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和成本控制優(yōu)勢(shì)，但是在相關(guān)設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中也存在一定的困難，比如斜井巷道深埋的距離比較大，要求施工設(shè)備具有良好的穩(wěn)定性，相應(yīng)地，需要保證關(guān)鍵零部件的使用壽命，而且在掘進(jìn)過程中要能夠進(jìn)行維護(hù)。要保證相應(yīng)的主驅(qū)動(dòng)軸承、刀盤刀具、管片拼裝機(jī)以及螺旋輸送機(jī)的工作效果。

其次，掘進(jìn)施工期間可能需要長(zhǎng)距離的連續(xù)下坡工作，因此需要提升物料運(yùn)輸設(shè)備的工作效率，加強(qiáng)相應(yīng)通風(fēng)系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的建設(shè)。相關(guān)設(shè)備必須具有良好的安全性，優(yōu)化整個(gè)施工流程，施工期間，重載物料頻繁運(yùn)輸、皮帶機(jī)斷帶、膠輪運(yùn)輸車下坡緊急制動(dòng)以及有害氣體增加等情況，都會(huì)影響全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的使用性能，進(jìn)而影響整個(gè)工程項(xiàng)目的建設(shè)效率。

最后，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)在較大坡度施工時(shí)，相關(guān)設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)動(dòng)力原位拆解，并綜合考慮施工期間的地層加固、大尺寸部件分塊設(shè)計(jì)、洞內(nèi)吊裝方案設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的拆機(jī)工裝研制等情況，保證全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)原位拆解的功能。另外，其需要在局部地段實(shí)現(xiàn)不同模式的轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)不同的地質(zhì)環(huán)境，確保掘進(jìn)效率。在進(jìn)行局部區(qū)段掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換時(shí)，需要明確出渣系統(tǒng)和刀盤轉(zhuǎn)換等工作內(nèi)容。實(shí)際操作中，由于巷道內(nèi)工程施工空間比較小，而工作量較大，因此在考查設(shè)備施工性能時(shí)，要重點(diǎn)提高掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換效率，確保整個(gè)工程的施工質(zhì)量。

3 TBM的發(fā)展趨勢(shì)

隨著各種工程項(xiàng)目的持續(xù)開展，掘進(jìn)機(jī)的市場(chǎng)需求量呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。盾構(gòu)機(jī)和全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)在煤礦礦井工程中的應(yīng)用日益廣泛，尤其是在煤礦井巷工程項(xiàng)目中，獲得了大量成功的應(yīng)用。TBM掘進(jìn)工藝是礦井建設(shè)的未來發(fā)展方向，表現(xiàn)出無與倫比的優(yōu)勢(shì)，有效創(chuàng)新了我國(guó)礦井開拓方式，完善了TBM產(chǎn)品系列，整體提升礦井施工的關(guān)鍵技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益。

近年來，掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用技術(shù)水平和產(chǎn)品制造工藝不斷提高，尤其是在煤層礦井不同斷面尺寸的研究和開發(fā)中，相應(yīng)的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)針對(duì)性系統(tǒng)的開發(fā)和參數(shù)設(shè)置已經(jīng)提上煤礦掘進(jìn)機(jī)改革的日程。TBM掘進(jìn)工藝不斷得到優(yōu)化，隨著煤礦工程項(xiàng)目的不斷增大，我國(guó)的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)不斷發(fā)展并日趨成熟。未來，掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更加廣闊。但是，TBM技術(shù)在當(dāng)前煤礦工程中并沒有得到有效的推廣，很多企業(yè)仍然延續(xù)傳統(tǒng)的煤礦掘進(jìn)技術(shù)，掘進(jìn)速度較慢，經(jīng)濟(jì)效益也較低，因此加大TBM掘進(jìn)機(jī)在煤礦施工的應(yīng)用是當(dāng)前TBM技術(shù)推廣的目標(biāo)。

4 結(jié)語

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用能夠有效加快煤礦工程項(xiàng)目建設(shè)速度，提升巷道掘進(jìn)效率，提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。本文主要分析了TBM技術(shù)在煤礦礦山建設(shè)中的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)，介紹了相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例，指出了TBM技術(shù)的未來發(fā)展方向，希望加快TBM技術(shù)的推廣和應(yīng)用，促進(jìn)煤礦企業(yè)更好地開展建設(shè)。