盾構(gòu)法在煤礦掘進(jìn)施工中的應(yīng)用

李 剛，李 冰，張 萌，姚立權(quán)

（1.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110161；2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

目前國(guó)內(nèi)外煤巷掘進(jìn)多采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)，支護(hù)多用錨聯(lián)網(wǎng)工藝（錨網(wǎng)＋錨桿＋錨索＋鋼帶），少量使用掘錨機(jī)、連采機(jī)、全斷面掘進(jìn)機(jī),缺少鉆掘護(hù)運(yùn)一體成套機(jī)械化裝備。傳統(tǒng)煤巷掘進(jìn)技術(shù)效率低、成本高、安全性差、工作環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度高，并隨著煤礦開(kāi)采深度和地質(zhì)條件復(fù)雜度增加，以及勞動(dòng)力匱乏、環(huán)境保護(hù)和施工質(zhì)量高要求等因素,給快速掘進(jìn)技術(shù)帶來(lái)了諸多困難，傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)械設(shè)備和工藝嚴(yán)重制約行業(yè)發(fā)展[1-5]。因此掘進(jìn)需要技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)大型機(jī)械化采掘提出高標(biāo)準(zhǔn)高要求。近十幾年國(guó)內(nèi)外對(duì)盾構(gòu)法巷道掘進(jìn)進(jìn)行大量研究，推動(dòng)了煤巷快速掘進(jìn)的發(fā)展[6-9]。盾構(gòu)法集鉆、掘、護(hù)、運(yùn)于一體，能夠有效實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)大巷道施工的工廠化作業(yè)，是世界上最先進(jìn)的大型綜合性隧道施工方法，代表著國(guó)際隧道施工技術(shù)的最高水平。20 世紀(jì)90 年代后國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件足夠成熟，開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用盾構(gòu)施工技術(shù)和設(shè)備，使盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用在煤礦掘進(jìn)中成為可能。根據(jù)煤礦開(kāi)采現(xiàn)狀和實(shí)際工程，重點(diǎn)介紹盾構(gòu)法在煤礦巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用技術(shù)。

1 盾構(gòu)機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成及適用條件

1.1 盾構(gòu)機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成

盾構(gòu)機(jī)是1 種專(zhuān)門(mén)用于隧道工程的大型高科技綜合施工設(shè)備，從煤礦采掘生產(chǎn)過(guò)程和實(shí)現(xiàn)功能的角度出發(fā)，把盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)分解為：掘進(jìn)系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)、導(dǎo)線系統(tǒng)、冷卻與除塵系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、語(yǔ)音通訊系統(tǒng)和設(shè)備列車(chē)?？刂葡到y(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的核心，監(jiān)控盾構(gòu)系統(tǒng)中盾構(gòu)機(jī)、輸送設(shè)備、支護(hù)設(shè)備。盾構(gòu)機(jī)外殼（簡(jiǎn)稱(chēng)盾殼）是鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，在巷道內(nèi)可以移動(dòng)，開(kāi)挖機(jī)構(gòu)、排土機(jī)構(gòu)、支護(hù)機(jī)構(gòu)和推進(jìn)機(jī)構(gòu)等機(jī)械裝置裝在盾殼內(nèi)，進(jìn)行煤層挖掘、碴土排運(yùn)和盾構(gòu)推進(jìn)行走等工序操作，保證巷道結(jié)構(gòu)在一次施工中完成。

1.2 適用條件

由于煤礦巷道的地質(zhì)情況十分復(fù)雜，并且斷面形狀和尺寸不同，因此施工方案選擇的合適與否直接影響到工程施工準(zhǔn)備期的長(zhǎng)短，也影響下一步工序的施工安全、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

地質(zhì)條件復(fù)雜的巷道開(kāi)挖特點(diǎn)為巷道橫斷面積大、埋層淺、周?chē)鷰r石破碎以及偏壓等，施工中問(wèn)題較多。全斷面硬巖盾構(gòu)機(jī)，密封結(jié)構(gòu)，適用于硬基地層，巷道成型好，對(duì)周?chē)h(huán)境影響小，開(kāi)挖面在掘進(jìn)中能維持穩(wěn)定。

2 盾構(gòu)法進(jìn)行煤礦掘進(jìn)的技術(shù)方案

2.1 設(shè)備選型及注意事項(xiàng)

需要有針對(duì)性的綜合礦井的工程地質(zhì)、水文、施工條件、使用用途、構(gòu)筑物特點(diǎn)等因素進(jìn)行盾構(gòu)法設(shè)備選型。設(shè)備選型的難點(diǎn)：一是解決在1 臺(tái)盾構(gòu)設(shè)備上具備同時(shí)應(yīng)對(duì)硬巖和軟弱地層功能的問(wèn)題；二是解決在安全可靠的前提下，使盾構(gòu)設(shè)備發(fā)揮最大效率的問(wèn)題；三是解決應(yīng)對(duì)各種可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)及突發(fā)情況下的設(shè)備配套問(wèn)題；四是解決適應(yīng)煤礦要求的設(shè)備配置問(wèn)題[10-11]。綜合以上難點(diǎn)，盾構(gòu)法煤礦掘進(jìn)的設(shè)備選型注意事項(xiàng)如下。

1）廣泛調(diào)查工程區(qū)的地質(zhì)條件、水文條件、周邊環(huán)境，為設(shè)備選型獲取第一手的詳細(xì)地質(zhì)資料。

2）深入分析各種盾構(gòu)法設(shè)備的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)以及適應(yīng)性，進(jìn)行綜合比選，擇優(yōu)而取。

3）參與盾構(gòu)法設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造全過(guò)程，掌握盾構(gòu)設(shè)備工作原理、工作性能、操作方式、組織原則，配齊配強(qiáng)各種應(yīng)對(duì)地質(zhì)變化的設(shè)備。

4）盾構(gòu)設(shè)備配備先進(jìn)的導(dǎo)向系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)掌握掘進(jìn)姿態(tài)，確保掘進(jìn)方向和姿態(tài)準(zhǔn)確無(wú)誤，配備地質(zhì)超前鉆孔、毒害氣體監(jiān)測(cè)、排水、壁后填充等各種設(shè)備。

5）掘進(jìn)施工時(shí)，充分考慮下坡“栽頭”的問(wèn)題，適當(dāng)提高底部千斤頂?shù)耐屏?，及時(shí)調(diào)整姿態(tài)。

6）針對(duì)長(zhǎng)距離、大埋深、連續(xù)下坡對(duì)刀盤(pán)傾斜狀態(tài)引發(fā)的換刀技術(shù)難題，TBM 需對(duì)換刀作業(yè)工裝、工具進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。

假設(shè)整個(gè)盾構(gòu)設(shè)備全部埋深在500 m 的煤層，盾構(gòu)法設(shè)備選型模型如圖1。

圖1 盾構(gòu)法設(shè)備選型模型圖Fig.1 Model diagram of shield tunneling equipment selection

2.2 施工模式轉(zhuǎn)換

在通過(guò)含礫砂巖層、泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖互層，地層含水量變化較大，在刀盤(pán)結(jié)泥餅、刮渣板和溜渣槽堵塞等地段，TBM 模式無(wú)法向前繼續(xù)推進(jìn)，此時(shí)須將TBM 模式轉(zhuǎn)換成盾構(gòu)模式，通過(guò)注入泡沫改良煤石，使煤石能順利排出，從而能使掘進(jìn)順利進(jìn)行。在不易結(jié)泥餅地段，為提高掘進(jìn)速度，盾構(gòu)設(shè)備將從盾構(gòu)模式轉(zhuǎn)換到TBM 模式。

2.3 盾構(gòu)機(jī)的工作原理及施工工序

2.3.1 工作原理

盾構(gòu)法掘進(jìn)巷道的基本原理是用盾構(gòu)機(jī)的鋼質(zhì)組件（盾構(gòu)）沿巷道設(shè)計(jì)軸線挖掘土體，邊挖掘邊向前推進(jìn)，同時(shí)巷道成型。在巷道初步襯砌建成前，挖出的土體依靠盾構(gòu)的防護(hù)設(shè)計(jì)，保障人員和設(shè)備安全。配置具有完成掘進(jìn)、出碴、導(dǎo)向、支護(hù)功能的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、出碴、導(dǎo)向、支護(hù)4 項(xiàng)基本功能。盾構(gòu)施工法在推進(jìn)、出煤、襯砌注漿等方面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、施工遠(yuǎn)程控制信息化以及無(wú)人化，具有降低施工勞動(dòng)強(qiáng)度和掘進(jìn)速度較快等優(yōu)點(diǎn)。

2.3.2 施工工序

對(duì)于煤礦巷道而言，巷道施工的第1 道工序?yàn)檫M(jìn)入礦硐，此工序的成功實(shí)施是整個(gè)巷道施工成敗的關(guān)鍵。首先進(jìn)行掘進(jìn)的準(zhǔn)備工作（盾構(gòu)機(jī)下井、就位調(diào)試、設(shè)置掘進(jìn)基準(zhǔn)）→開(kāi)挖掘進(jìn)→啟動(dòng)首級(jí)運(yùn)輸系統(tǒng)（刮板輸送機(jī)）→啟動(dòng)次級(jí)運(yùn)輸系統(tǒng)（刮板輸送機(jī)）→啟動(dòng)推進(jìn)千斤頂→設(shè)備正常→（正常掘進(jìn)、運(yùn)輸煤石、巷道支護(hù)、回填注漿）→達(dá)到循環(huán)進(jìn)尺→停止掘進(jìn)→延伸軌道→下一循環(huán)掘進(jìn)→到達(dá)終點(diǎn)→盾構(gòu)解體運(yùn)出[12]。盾構(gòu)法施工的工序流程如圖2。

圖2 盾構(gòu)法施工的工序流程圖Fig.2 Process flow chart of shield tunneling construction

巷道掘進(jìn)在電機(jī)旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)時(shí)開(kāi)始。當(dāng)?shù)侗P(pán)回轉(zhuǎn)時(shí)，推進(jìn)油缸向前推動(dòng)盾構(gòu)使刀盤(pán)上的刀具對(duì)巷道面進(jìn)行挖掘。挖掘出的煤塊通過(guò)開(kāi)放式刀盤(pán)進(jìn)入土艙，然后進(jìn)入刮板輸送機(jī)。刮板輸送機(jī)從土艙中輸送出煤塊，然后傾瀉在1 條巷道輸送系統(tǒng)。盾構(gòu)繼續(xù)推進(jìn)，直到已經(jīng)推進(jìn)了1 個(gè)巷道襯砌寬度。經(jīng)過(guò)這樣的1 個(gè)推進(jìn)，挖掘停止。下一步進(jìn)行錨桿支護(hù)，并且襯砌砂漿。

在掘進(jìn)工況時(shí)，水泥漿被從注漿車(chē)內(nèi)輸送到臺(tái)車(chē)上的水泥漿箱里，然后被注漿泵泵入注漿管線，穿過(guò)盾尾內(nèi)壁管路，然后注漿車(chē)與機(jī)車(chē)脫離。

當(dāng)巷道處于不穩(wěn)定的煤層中時(shí)，有必要全面掌握盾構(gòu)內(nèi)環(huán)境，并盡量減少巷道上的地表沉降。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)和推進(jìn)時(shí)，煤石通過(guò)刀盤(pán)進(jìn)入密封土艙并暫時(shí)停留，以保持巷道端面壓力[13-14]。

輕微直線和坡度偏差可以在煤層狀況和操作員的判斷基礎(chǔ)上通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)耐七M(jìn)缸“推力模式”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為使盾構(gòu)轉(zhuǎn)向，選擇1 個(gè)推力模式涉及設(shè)定不同的推進(jìn)油缸壓力。增加一側(cè)推進(jìn)油缸壓力將導(dǎo)致盾構(gòu)在挖掘中轉(zhuǎn)向相反方向。壓力由單獨(dú)控制每組油缸的比例減壓閥控制，主壓力的限制將控制整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)壓力。

3 盾構(gòu)法施工的技術(shù)要求

3.1 盾構(gòu)法的方向定位

在煤礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中，為保證盾構(gòu)機(jī)按照設(shè)計(jì)的位置和路線快速掘進(jìn)，依靠常規(guī)的人工測(cè)量已經(jīng)不能滿足煤礦開(kāi)采的要求。激光導(dǎo)向系統(tǒng)是借助激光傳感技術(shù)、測(cè)繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助等技術(shù)指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)巷道施工的先進(jìn)的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)曲線及時(shí)調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)，采用信息化監(jiān)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)施工，提高推進(jìn)水平。

3.2 導(dǎo)向系統(tǒng)組成及原理

導(dǎo)向系統(tǒng)主要是由目標(biāo)單元、控制單元、接口單元組成。目標(biāo)單元由數(shù)據(jù)處理單元和光靶傳感器組成，光靶傳感器能夠接收激光束，檢測(cè)到盾構(gòu)切口環(huán)的垂直位移和水平位移、滾動(dòng)角和仰角、激光入射水平角數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)目標(biāo)單元采集傳給控制單元，達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量目的?？刂茊卧械倪h(yuǎn)程的微機(jī)系統(tǒng)及顯示屏，與目標(biāo)單元連接，可以進(jìn)行建模、數(shù)據(jù)輸入和計(jì)算，在屏幕上顯示盾構(gòu)位置偏差計(jì)算值，指導(dǎo)操作人員及時(shí)修正，利于準(zhǔn)確操作。接口單元由激光經(jīng)緯儀、電子測(cè)距儀和激光發(fā)射裝置構(gòu)成，在巷道璧上安裝激光經(jīng)緯儀，測(cè)量基準(zhǔn)依靠激光經(jīng)緯儀發(fā)出的激光，接口單元的經(jīng)緯儀的坐標(biāo)（x，y，H）、激光數(shù)據(jù)、距離數(shù)據(jù)被控制單元接收[15-18]。

激光束打到目標(biāo)單元上，測(cè)出光點(diǎn)在靶上的位置（x，y）與盾構(gòu)切口位置（x，y）偏差。這些數(shù)據(jù)顯示在盾構(gòu)屏上，而目標(biāo)單元的自身軸線與激光束的軸線關(guān)系、盾構(gòu)的仰角和滾動(dòng)角由計(jì)算獲得，控制單元通過(guò)電纜通信接收目標(biāo)單元數(shù)據(jù)。目標(biāo)單元與盾構(gòu)軸線的安裝誤差加在控制單元計(jì)算中，計(jì)算出目標(biāo)單元對(duì)應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)軸線與巷道設(shè)計(jì)軸線偏差位置（x，y），通過(guò)盾構(gòu)實(shí)際軸線與巷道軸線的夾角關(guān)系，預(yù)測(cè)出操作屏上，盾構(gòu)操作人員以此來(lái)調(diào)節(jié)盾構(gòu)推進(jìn)方向。

3.3 盾構(gòu)初始位置的確定

水平角、仰角和滾動(dòng)角盾構(gòu)切口環(huán)的3 個(gè)參數(shù)采用常規(guī)方法測(cè)得，將測(cè)得的目標(biāo)單元與盾構(gòu)機(jī)的位置（x，y）的相對(duì)位置數(shù)據(jù)在顯示屏上輸入，并傳輸?shù)娇刂茊卧?/p>

為保證發(fā)射的激光束能夠被目標(biāo)單元有效接收，在巷道的直線段每隔約50 m 安裝接口單元，在巷道的曲線段每隔約20 m 安裝接口單元，同時(shí)經(jīng)緯儀的坐標(biāo)（x，y，z）由人工測(cè)出，作為盾構(gòu)位置偏差計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)輸入控制單元中。盾構(gòu)法導(dǎo)向的設(shè)備框如圖3。

圖3 盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)備框圖Fig.3 Block diagram of shield guidance system equipment

4 應(yīng)用效果分析

補(bǔ)連塔煤礦是我國(guó)第1 個(gè)采用盾構(gòu)法掘進(jìn)煤巷斜井的國(guó)有礦。盾構(gòu)法巷道施工與傳統(tǒng)開(kāi)采施工方式比較見(jiàn)表1。

表1 盾構(gòu)法巷道施工與傳統(tǒng)開(kāi)采施工方式比較Table 1 Comparison between shield tunneling method and traditional mining method

1）從掘進(jìn)速度來(lái)說(shuō)，盾構(gòu)法施工的掘進(jìn)速度是傳統(tǒng)巷道施工速度的4 倍及以上，有效的提高了施工的速度[19-20]。

2）從設(shè)備制造周期的角度來(lái)說(shuō)，由于盾構(gòu)法施工的設(shè)備比較復(fù)雜，制造周期是傳統(tǒng)設(shè)備的2 倍。

3）從巷道的走向精度來(lái)說(shuō)，盾構(gòu)法施工采用了先進(jìn)的激光導(dǎo)向定位技術(shù)，能夠有效的控制誤差在10 mm 以?xún)?nèi)，對(duì)于巷道的地質(zhì)條件來(lái)說(shuō)非常重要。

4）從安全角度來(lái)判斷，盾構(gòu)法施工是采用全鋼架結(jié)構(gòu)的盾體掘進(jìn)，當(dāng)掘進(jìn)萬(wàn)之后，后部實(shí)時(shí)自動(dòng)的錨桿鉆技術(shù)進(jìn)行支護(hù)，有效的防止煤層的脫落。傳統(tǒng)的施工方式，由于只是單一的挖掘，造成了支護(hù)的滯后，所以安全性比較低。

5）從施工環(huán)境方面來(lái)說(shuō)，盾構(gòu)法施工有獨(dú)立的操作室，有專(zhuān)門(mén)的除塵系統(tǒng)，能有效的降低粉塵量。

6）一次成井質(zhì)量高，礦井后期的運(yùn)營(yíng)及維護(hù)成本較傳統(tǒng)掘進(jìn)施工法下降50%以上。

7）存在問(wèn)題。煤礦的管理水平、工人接受認(rèn)可和施工工藝使用熟練程度將直接影響生產(chǎn)效率，此項(xiàng)技術(shù)在煤礦推廣應(yīng)用任重道遠(yuǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

重點(diǎn)介紹了采用盾構(gòu)法實(shí)現(xiàn)煤礦巷道掘進(jìn)的技術(shù)方案，以及盾構(gòu)法煤礦掘進(jìn)的工藝、導(dǎo)向方式控制、超前探測(cè)和新型支護(hù)等高新技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的研究，實(shí)現(xiàn)煤巷掘進(jìn)一體成套設(shè)備機(jī)械化、自動(dòng)化，在應(yīng)用中表現(xiàn)出煤礦掘進(jìn)快速、高效、安全、降成本的優(yōu)勢(shì)。煤巷盾構(gòu)法是煤巷掘進(jìn)工藝和支護(hù)理論的革命性創(chuàng)新，這標(biāo)志著我國(guó)礦用掘進(jìn)一體裝備技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平。今后將不斷出現(xiàn)盾構(gòu)施工方式在礦井的應(yīng)用，必將顯著提高煤礦智能化、智慧化、專(zhuān)業(yè)化程度。