敞開式TBM設(shè)備在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用探究

馮海龍

陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司 陜西 咸陽(yáng) 713600

1 引言

正通煤業(yè)公司在用TBM，全稱為敞開式全斷面隧道硬巖掘進(jìn)機(jī)，型號(hào)ZT602。設(shè)備最大開挖直徑6.53m，整機(jī)長(zhǎng)度167m，主機(jī)長(zhǎng)度21m，重800t，總裝機(jī)功率3000kW。該設(shè)備是目前國(guó)內(nèi)煤礦企業(yè)在用直徑最大的敞開式TBM。該設(shè)備集掘進(jìn)、支護(hù)、出矸等施工工序于一體連續(xù)作業(yè)，是機(jī)、電、液、光、氣等系統(tǒng)集成的工廠化流水線掘進(jìn)施工裝備，掘進(jìn)速度為普掘施工的5～10倍、綜掘施工的3～5倍，具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

2 敞開式TBM設(shè)備在煤礦領(lǐng)域的初次嘗試

為了提高開拓大巷掘進(jìn)速度，解決生產(chǎn)接續(xù)緊張的問(wèn)題，正通煤業(yè)經(jīng)過(guò)充分調(diào)研考察和技術(shù)論證，決定跨界引進(jìn)TBM，以實(shí)現(xiàn)高效快速掘進(jìn)，緩解礦井生產(chǎn)接續(xù)緊張局面。2017年3月公司首次提出“TBM應(yīng)用于煤礦井下開拓大巷施工”的課題；2018年9月，確定設(shè)備制造單位未鐵建重工；2019年8月完成巷道布置設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)方案，開始設(shè)備制作及現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)備施工；2020年4月完成TBM設(shè)備下線驗(yàn)收；2020年5月TBM設(shè)備開始進(jìn)場(chǎng)；2020年6月15日開始入井組裝；2020年8月27日設(shè)備主體組裝完成并聯(lián)調(diào)聯(lián)試；2020年9月18日開始試掘進(jìn)；10月1日正式掘進(jìn)。正通煤業(yè)TBM項(xiàng)目采用礦方采購(gòu)并無(wú)償提供工程實(shí)體材料，承包人帶TBM掘進(jìn)機(jī)、后配套設(shè)備及施工人員等完成井巷工程施工的合作方式。首次掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)施工人員和設(shè)備之間磨煉，為敞開式TBM設(shè)備在煤礦領(lǐng)域真正應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

3 敞開式TBM設(shè)備在煤礦領(lǐng)域的成功應(yīng)用

高家堡煤礦井田范圍廣、面積大，但資源賦存不均衡。礦井東西縱跨近26公里，同時(shí)受沖擊地壓影響，盤區(qū)開拓大巷全部布置在巖層中，開拓工程量巨大。各采區(qū)及采煤工作面垂直大巷單翼順序布置，采掘接續(xù)和采掘活動(dòng)的展開都嚴(yán)重受限于開拓大巷的及時(shí)快速延伸。在除此嘗試敞開式TBM設(shè)備后，項(xiàng)目組對(duì)合作方式和人員配置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。敞開式TBM施工范圍為正通煤業(yè)公司西區(qū)開拓大巷掘進(jìn)，共計(jì)巷道長(zhǎng)度13000m。公司配備TBM施工隊(duì)伍一支，在冊(cè)人員143人，其中管理人員22人，地面13人，井下直接工78人、輔助工30人；勞動(dòng)組織方式為“三八制”，具體井下勞動(dòng)定員情況:每班共33人，其中維修工6人，TBM司機(jī)1人，支護(hù)工14人、后圍工5人、攪拌站司機(jī)1人、拌料工2人、錨噴工3人、皮帶機(jī)司機(jī)1人。

根據(jù)制約井下巷道掘進(jìn)速度的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):破巖及支護(hù)，正通煤業(yè)公司制定了“先掘后錨”、“一掘一錨”、“分區(qū)支護(hù)”的掘進(jìn)施工方針，詳細(xì)工藝描述如下:

巷道破巖方面:采用TBM大推力擠壓破巖、旋轉(zhuǎn)割巖方式實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)，截割步距1.2m，正常地質(zhì)條件下用時(shí)約0.5h。

巷道支護(hù)方面:因TBM設(shè)備自帶支護(hù)系統(tǒng)靈活性較差，目前巷道支護(hù)改用人工抱鉆方式打設(shè)。目前TBM設(shè)備配有四個(gè)支護(hù)平臺(tái)，具備4部支護(hù)設(shè)備同時(shí)施工，為盡可能縮短支護(hù)時(shí)間，正通煤業(yè)公司根據(jù)設(shè)備支護(hù)平臺(tái)設(shè)置人為將巷道支護(hù)劃分為四部分同時(shí)施工，平均每個(gè)支護(hù)區(qū)域負(fù)責(zé)2.5棵錨桿及2.3棵錨索支護(hù)，正常情況下每個(gè)步距支護(hù)用時(shí)1小時(shí)。

巷道噴漿方面:因其噴漿工作量較大，正通煤業(yè)公司在井下建造了專用噴漿料的攪拌站，通過(guò)專用罐車經(jīng)電機(jī)車運(yùn)送至TBM噴混系統(tǒng)位置，其噴方式為人工遙控的濕式機(jī)械噴漿方式，噴漿量為0.82m3/m

物料運(yùn)輸方面:采用電機(jī)車軌道運(yùn)輸至鐵路端頭，端頭距迎頭約40m，該40m區(qū)域物料需人工運(yùn)輸。

4 敞開式TBM設(shè)備在煤礦領(lǐng)域創(chuàng)佳績(jī)

自2020年10月開掘以來(lái)，項(xiàng)目小組通過(guò)對(duì)敞開式TBM設(shè)備進(jìn)行了一系列適應(yīng)性局部改造，解決了液壓錨桿機(jī)靈活度不足、支護(hù)空間不足、冒頂片幫后底部矸石清理困難及頂板破碎帶的臨時(shí)支護(hù)問(wèn)題等一系列難題，TBM掘進(jìn)速度不斷提升:2020年10月份有效生產(chǎn)天數(shù)24d，完成進(jìn)尺182m，單進(jìn)7.6m/d；11月份有效生產(chǎn)天數(shù)30d，完成進(jìn)尺304.8m，單進(jìn)10.16m/d；12月份有效生產(chǎn)天數(shù)24d，完成進(jìn)尺260m，單進(jìn)10.83m/d；2021年1月份有效生產(chǎn)天數(shù)26d，完成進(jìn)尺275m，單進(jìn)米10.58m/d，掘進(jìn)效率呈逐步上升態(tài)勢(shì)。

5 敞開式TBM設(shè)備在煤礦領(lǐng)域應(yīng)用前景及發(fā)展方向

相對(duì)于普通的采掘設(shè)備，敞開式TBM設(shè)備直徑為6.53m，設(shè)備體積大。設(shè)備機(jī)組部件從地面運(yùn)送到千米以下的井下是一個(gè)難題，而井下空間相對(duì)狹窄，如何順利高效進(jìn)行設(shè)備組裝也是難題。為了更順利地將設(shè)備組件從地面運(yùn)送到井下現(xiàn)場(chǎng)，將部件設(shè)計(jì)成分體式組裝結(jié)構(gòu)，或者設(shè)計(jì)成自動(dòng)化伸縮的方式，是解決上述問(wèn)題的有效途徑。在設(shè)備主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，可采用下沉的形式，便于增加主梁前段上部操作空間，方便錨桿鉆機(jī)布置，有利于解決支護(hù)錨桿在施工過(guò)程中必須通過(guò)隧道界面中心線的難題。通過(guò)優(yōu)化主梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，留下更多的空間，便于施工操作，而且也便于清理刮板機(jī)，有效避免皮帶機(jī)下部堆積渣料情況。此外，針對(duì)敞開式TBM設(shè)備體積大的問(wèn)題，繼續(xù)探索輕型TBM設(shè)備是未來(lái)發(fā)展應(yīng)用的重要方向。目前，正通煤業(yè)公司在目前TBM成功應(yīng)用及輕型TBM實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索輕型TBM在井工長(zhǎng)距離、小斷面巖巷中的應(yīng)用，目前輕型TBM設(shè)備已經(jīng)開始初次嘗試應(yīng)用，掘進(jìn)目標(biāo)400米/月。另外，通過(guò)敞開式TBM施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)影響掘進(jìn)效果的因素主要是地質(zhì)因素、刀具性能、機(jī)械設(shè)備功率、操作技術(shù)水平、管理組織水平。未來(lái)，敞開式TBM設(shè)備在煤礦領(lǐng)域中的應(yīng)用研究也將圍繞上述因素展開。如加強(qiáng)地質(zhì)勘察工作，使TBM設(shè)備施工工藝和地質(zhì)環(huán)境條件更匹配；制定TBM設(shè)備操作、維護(hù)、檢修、管理等制度和標(biāo)準(zhǔn)，便于提高TBM設(shè)備使用規(guī)范度，減少設(shè)備誤操作；做好相關(guān)工作人員的技術(shù)培訓(xùn)，使TBM施工過(guò)程更加順利，提高設(shè)備使用效率。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著現(xiàn)代化技術(shù)的快速更迭，采掘行業(yè)中的一體化設(shè)備也越來(lái)越多。敞開式TBM設(shè)備在煤礦領(lǐng)域中的應(yīng)用雖然剛剛起步，但是已經(jīng)表現(xiàn)出了安全、高效、智能、環(huán)保等綜合優(yōu)勢(shì)，符合煤礦產(chǎn)業(yè)時(shí)代發(fā)展的需求。未來(lái)隨著從業(yè)人員的深入研究，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用狀況，敞開式TBM設(shè)備將得到更普遍的應(yīng)用，推動(dòng)煤礦企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。