TBM盾構機在陽煤集團大斷面巖巷中的研究與應用

柴文軍

（陽泉煤業(yè)（集團）有限責任公司三礦，山西 陽泉 045000）

0 引言

陽煤集團所屬的絕大部分煤礦為高突礦井，開拓準備等巷道主要布置在巖層，同時為治理采掘工作面瓦斯施工的高位抽采巷、低位抽采巷和底抽巷均為巖巷，因此陽煤集團巖巷進尺量很高。根據(jù)統(tǒng)計，近五年巖巷進尺基本穩(wěn)定在10萬米，占進尺總量的29.6%，而開拓準備等大斷面巖巷進尺量占巖巷進尺總量的30%以上。目前，陽煤集團巖巷仍主要采用傳統(tǒng)的鉆爆法，掘進效率低、勞動強度大、作業(yè)環(huán)境差，嚴重制約礦井建設速度和水平采區(qū)的有序接替，不能適應煤礦高效生產(chǎn)的需求。

盾構掘進技術在隧道、地鐵等領域的應用十分廣泛，具有掘進速度快、機械化程度高、勞動強度低等優(yōu)勢，是一種比較先進的施工技術[2、3]。目前，國外已有一些煤礦將盾構掘進技術應用于煤礦井下巷道掘進，并取得了良好技術效果。我國很多煤礦也開始進行盾構掘進技術在煤礦中應用的嘗試，并取得了一定的實踐經(jīng)驗。神東補連塔煤礦2號輔運巷道，采用單護盾式盾構施工，盾構掘進直徑7.63m，總掘進長度2718m，最高月進尺639m[4]；淮南礦業(yè)集團張集礦2015年初試驗QJYC045M敞開式盾構機，取得了最高班進尺14.5m，最高日進尺30.7m，平均日進尺13.5m，折合月進尺404m[5]。

1 試驗地點基本情況

1.1 巷道概況

陽煤集團新景公司+525水平保安8#煤采區(qū)南回風巷（簡稱南回風巷，下同），設計長度3724m，巷道主要用于保安8#煤采區(qū)的通風，兼具行人、運輸?shù)淖饔?。巷道斷面為圓形,荒直徑4.53m，凈直徑4.33m，巷道荒斷面 16.12m2，凈斷面 14.73m2，為全巖錨噴支護，噴厚100mm。

巷道布置在8#煤層上部9～14m的K7砂巖層中，埋深約560m，巖層情況穩(wěn)定，傾角平均4～5°，頂板為中粒砂巖或細粒砂巖，底板為泥巖。地表位于陽泉市郊區(qū)舊街鄉(xiāng)高嶺村附近的山梁溝谷地帶，所在位置無建筑物、村莊、鐵道等，對巷道施工無影響。巷道井下位于尚未施工的保安8#煤采區(qū)軌道巷以南，兩巷道水平距離約55m，南側(cè)為未開拓區(qū)域，巷道掘進對周圍巷道無明顯影響，巷道開拓布置平面如圖1。

圖1 巷道開拓布置平面圖

1.2 水文地質(zhì)情況

新景公司太原組灰?guī)r和山西組砂巖兩含水層的含水量非常小，補給條件也非常差，在采掘空間局部低洼處（如向斜軸部）可能出現(xiàn)局部淋水或少量涌水現(xiàn)象，對采掘活動影響較小。根據(jù)探測得知，巷道掘進過程中遇到的斷層均為中小斷層，揭露的陷落柱基本不含水。

1.3 瓦斯情況

巷道在掘進過程中，瓦斯涌出量較小，個別瓦斯涌出量較大處，采取打排放孔的方式對瓦斯進行釋放，必要時進行瓦斯抽放。全程進行通風及瓦斯監(jiān)測，積極采取防排瓦斯措施，以保障巷道施工安全順利。

1.4 支護設計

巷道開口至360m位于8#煤與6#煤之間的砂質(zhì)泥巖中，巷道支護設計為錨噴，每排布置3根頂錨索，間排距1m；錨桿、錨索交替布置。錨桿規(guī)格：Φ20×2000mm螺紋鋼，間排距0.8×1m；錨索規(guī)格：Φ21.6×7200mm；進入6#煤與8#煤之間的k7砂巖后，沿砂巖中部施工，巷道底板距8#煤層間距約8-20m，K7砂巖厚度1.3～13.78m，平均厚度7.5m，巷道頂部錨索“二一二”交替布置，錨索間距2m，排距 1m，規(guī)格：Φ21.6×6200mm，見圖 2、圖 3。

2 盾構掘進設備簡介

全斷面巖石掘進機（TBM）是當今最先進的掘進裝備，陽煤集團從2015年開始，聯(lián)合科研單位和裝備制造廠家一起研究討論調(diào)研盾構掘進技術，經(jīng)過前期多方調(diào)研了解和實地考察，發(fā)現(xiàn)QJYC045M全斷面巖巷掘進機（盾構機）比較基本能滿足我公司試驗需要，且該機型之前也有過在其他公司的應用經(jīng)驗。

圖2 巷道斷面布置圖

圖3 巷道斷面支護示意圖

QJYC045M敞開式盾構機由北方重工集團有限公司制造生產(chǎn)，開挖直徑Φ4.53m，總長55m，總重400T。由刀盤、驅(qū)動、護盾、大梁、撐靴推進機構、后支撐機構、支護機構、后配套拖車等構成，是集掘進、支護、出渣、導向、防爆技術于一體的高度機械化、自動化的大型設備。可適應巖石單軸抗壓強度30MPa-300MPa的巖巷施工，配有完善的甲烷、溫度、壓力、流量等多種傳感器。實現(xiàn)了安全、高效、環(huán)保的煤礦巖巷掘進施工。主要技術參數(shù)見表1。

3 TBM盾構機工業(yè)試驗情況

3.1 TBM盾構機安裝

1）前期準備：TBM盾構機安裝前需做安裝硐室、始發(fā)硐室、敷設安裝軌道、鋼板、安裝基礎，施工起吊錨索、安裝起吊鋼梁等，前期準備工作周期長。

2）安裝順序：支撐、主驅(qū)動→主梁→推進及撐緊機構→后支撐→G1～G5拖車安裝→刀盤與主驅(qū)動把合固定。

3）安裝方法：首先在安裝硐室安裝腳手架平臺，然后安裝頂部軌道梁，再在軌道梁上安裝30T、10T氣動葫蘆各2個，利用安裝好的氣動葫蘆將盾構機各個部件起吊到安裝位置進行安裝。

表1 QJYC045M敞開式盾構機主要技術參數(shù)

4）安裝時間：TBM盾構機于2017年10月25日開始安裝，于2017年11月18日安裝完成。

3.2 試驗情況

從2017年11月22日開始至2018年11月13日結(jié)束，累計掘進進尺3490m，平均月進408m，最高月進562m；平均日進13.36m，最高日進31.5m；平均班進4.46m，最高班進15.5m，平均掘進速度為炮掘的5～6倍。

3.3 掘進效率評價

3.3.1 盾構施工法

巷道掘進：掘進及矸石運輸方式：QJYC045M掘進機利用帶有滾刀的刀盤擠壓將巖石截割破碎，通過刀盤鏟板將破碎的巖石裝入刀盤后方刮板輸送機，然后通過盾構機自帶一運皮帶、二運皮帶轉(zhuǎn)載至盾構機后方800mm皮帶輸送機運至溜矸立眼下部緩沖矸倉。

輔助運輸方式：材料、輔助設備等采用單軌吊運輸。

3.3.2 勞動生產(chǎn)組織

TBM盾構機掘進隊現(xiàn)在冊人員數(shù)為115人，正常出勤86人，隊組實行“三·八”制作業(yè)，八點為檢修班，四點班和零點班為生產(chǎn)班。生產(chǎn)班平均出勤27人，檢修班平均出勤35人。

3.3.3 循環(huán)作業(yè)方式

TBM盾構機破巖掘進每個循環(huán)進度1.5m，當一個循環(huán)結(jié)束時，停止掘進，刀盤后退3～5cm，放下主機后支撐腿，將主機支撐牢固后，收回前后兩側(cè)水平撐靴，前移撐靴一個循環(huán)的距離，然后根據(jù)導向系統(tǒng)提供的主機位置參數(shù)進行調(diào)向，隨后將兩水平撐靴伸出至一定壓力，收回后支撐離地大約5～10cm。通過拖拉油缸拖后配套并前移一個循環(huán)的距離后，然后進行下一個循環(huán)作業(yè)。

3.3.4 支護工藝

巷道支護利用TBM盾構機自帶1#，2#和5#平臺進行，可實現(xiàn)部分支護與掘進平行作業(yè)。

1#平臺：TBM掘進時伸縮油缸前部呈緩慢的不停往前移動，伸縮油缸及后部列車掘進時處于靜止狀態(tài)。盾體及驅(qū)動前移過后方才露出圍巖，為保證施工安全，不出現(xiàn)空頂作業(yè)，在驅(qū)動后方、撐靴前部的主梁上（1#平臺）進行正頂錨索及頂部錨桿支護作業(yè)。

圖4 1#平臺頂錨桿錨索支護現(xiàn)場圖

圖5 2#平臺補打錨索支護現(xiàn)場圖

2#平臺：位于撐靴后方、前部伸縮油缸上方（該平臺在盾構機掘進時處于靜止狀態(tài)，只有在盾構機完成一個循環(huán)進行前移時才移動），該處進行其余頂部錨索跟進。

5#平臺：為加長平臺，巷道中下部錨桿在此施工。同時5#平臺配備2臺PZ-7型濕式噴漿機，平臺左右各一臺，兩側(cè)各放特制料斗一個，存放噴漿料，便于及時進行巷道噴漿支護。

3.3.5 掘進效率分析

盾構施工法與傳統(tǒng)的鉆爆施工相比，在破、裝、運、支等關鍵工序上均有明顯優(yōu)勢，因此掘進效率高。

1）破、裝、運工序分析。盾構施工法是機械式破巖掘進，刀盤最大轉(zhuǎn)速10.6rpm，最高掘進速度100mm/min，破巖采用帶有滾刀的刀盤擠壓將巖石剝落成小塊巖石，裝、運巖通過刀盤鏟刀將巖石碎塊帶到刀盤后方刮板輸送機，然后通過盾構機自帶一運皮帶、二運皮帶轉(zhuǎn)載；與鉆爆施工法相比，機械化程度高，破巖速度快，裝巖、運巖可以實現(xiàn)連續(xù)、高效。

2）支護工序分析。巷道掘進支護分為臨時支護和永久支護。與鉆爆施工法相比，盾構施工法臨時支護采用機器前頭的護盾進行臨時支護，安全、高效、方便；永久支護利用設備自身的風動或液壓鉆機進行錨桿錨索的打孔、安裝，具有省時、省力，施工質(zhì)量高、勞動強度低等優(yōu)點，同時部分永久支護可滯后與掘進平行作業(yè)，因此更加縮短了永久支護時間。

4 TBM盾構機適用性分析

1）盾構機掘進施工的優(yōu)勢：①掘進速度快，施工效率高；②機械化水平高，勞動強度低；③施工環(huán)境好，工人效率好；④圍巖擾動小、巷道斷面好，利于支護；⑤安全性高。

2）盾構機掘進施工的不足：①臨時支護護盾具有一定的適應性，圍巖破碎時，支護受影響；②轉(zhuǎn)向性能較差，對巖層起伏適應有限；③對巷道圍巖硬度有要求，有一定適應條件；④沒有排水設備，影響下山施工；⑤前期準備復雜，對準備硐室、安裝技術、安裝時間要求較高，前期投入較大。

5 結(jié)論

TBM盾構機在陽煤集團大斷面巖巷中的成功應用表明：

1）TBM盾構機是當今最先進的大斷面巖巷掘進裝備，集鉆巖、掘進、支護于一體，使用電子、信息遙測、遙控燈高新技術對全部作業(yè)進行制導和監(jiān)控，使掘進過程始終處于最佳狀態(tài)，與鉆爆法相比，具有掘進速度快、巷道成型質(zhì)量好、勞動強度低及降低粉塵改善作業(yè)環(huán)境等優(yōu)勢，是一種先進的施工技術。

2）由于煤礦的特殊性，盾構法施工在井下大斷面巖巷中的應用還處在起步階段，對地質(zhì)條件變化的適應性仍需提高。

3）煤礦井下大斷面巖巷掘進在提升掘進設備的前提下，同時需突破頂板安全和圍巖控制技術，加強設備維修維護力量、實現(xiàn)主要工序的全機械化和連續(xù)性，實現(xiàn)各個部分充分發(fā)揮、協(xié)同集成作業(yè)。