TBM掘進(jìn)煤礦巷道研究現(xiàn)狀與展望

王要平 張風(fēng)林 徐火祥 馮依贊 張海驕 唐彬

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司; 2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院; 3.安徽理工大學(xué)深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽 淮南 232001)

我國長期以來一直將煤炭作為主要的一次能源，2021年煤炭消費(fèi)量占據(jù)了能源消費(fèi)總量的半數(shù)以上。為了更有效地利用資源，國務(wù)院發(fā)布了《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020）》，其中提出了在蒙東、寧東和晉北等地區(qū)建設(shè)14億噸級(jí)大型煤炭基地的計(jì)劃[1]。

目前，在煤礦巷道的掘進(jìn)工程中，我國常采用鉆爆法施工。鉆爆法雖然有不受斷面形狀的限制，適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但在采用炸藥爆破時(shí)，易出現(xiàn)超挖、欠挖的現(xiàn)象。爆破對(duì)圍巖擾動(dòng)大，后期圍巖支護(hù)難度較大。炸藥采用人工裝填，施工危險(xiǎn)性高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，掘進(jìn)效率低下。爆破后產(chǎn)生有毒有害煙塵，工作環(huán)境惡劣。而懸臂式掘進(jìn)機(jī)破巖能力有限，難以在硬巖地層掘進(jìn)。由此造成煤礦巖巷掘進(jìn)速度落后于工作面回采速度，造成煤礦采掘失調(diào)。

全斷面掘進(jìn)機(jī)（TBM）是一種機(jī)械化掘進(jìn)設(shè)備，其采用滾刀破巖，可以實(shí)現(xiàn)破巖、出渣、支護(hù)等工序的同時(shí)進(jìn)行，機(jī)械化程度高，能夠加快施工的速度，縮短工期，同時(shí)工人的施工環(huán)境也大大改善；其開挖斷面光滑，對(duì)圍巖的擾動(dòng)很小，大大降低了對(duì)圍巖的擾動(dòng)和環(huán)境的影響[2]。自20 世紀(jì)60 年代TBM 出現(xiàn)以來，已在隧道、水利、交通和市政工程中得到廣泛應(yīng)用[3]。近年來，TBM也被應(yīng)用到煤礦巷道掘進(jìn)施工中。

本文針對(duì)TBM 掘進(jìn)煤礦巷道工程問題，梳理分析煤礦巷道TBM 掘進(jìn)研究現(xiàn)狀，總結(jié)TBM 掘進(jìn)煤礦巷道施工中的問題和經(jīng)驗(yàn)，展望煤礦TBM 未來發(fā)展方向，為TBM 安全高效施工煤礦巷道，保障煤礦正常的采掘接替提供參考。

1 TBM掘進(jìn)煤礦巷道研究現(xiàn)狀

1.1 TBM在平硐掘進(jìn)工程中的應(yīng)用

山西東曲煤礦為設(shè)計(jì)年產(chǎn)400 萬t 的特大型煤礦，20 世紀(jì)80 年代，為建設(shè)東曲煤礦，相關(guān)技術(shù)人員研制了開挖直徑為5 m 的EJ50 型全斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)并將其應(yīng)用在東曲煤礦主平硐的掘進(jìn)工程[4]。工程于1986 年6 月進(jìn)行試掘進(jìn)，試掘進(jìn)期間最高月進(jìn)為202 m，工程于1989年底掘進(jìn)完成，共掘進(jìn)3 600 m[5]。

同樣采用TBM 施工的還有位于新疆的瑪納斯?jié)硥螢趁旱V副平硐掘進(jìn)工程。該平硐的最大埋深為400 m，開挖直徑為6.46 m。工程于2014 年開始掘進(jìn)，由中國鐵建二十四局集團(tuán)承建，采用ZTE6420 復(fù)合式硬巖掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)期間最高月進(jìn)為364.5 m，共掘進(jìn)了6 200 m[6]。由于工程所在位置地質(zhì)條件較差，巖石多為軟巖且結(jié)構(gòu)面非常發(fā)育，工程在克服這些困難的同時(shí)掘進(jìn)速度依然大大快于普通礦用綜掘機(jī)。

1.2 TBM在斜井掘進(jìn)工程中的應(yīng)用

神華東補(bǔ)連塔煤礦2號(hào)副井的掘進(jìn)工程是我國首次將TBM運(yùn)用到煤礦斜井掘進(jìn)的工程[7]。斜井的開挖半徑為7.62 m，最大埋深為280 m，巷道長度為2 745 m。工程于2015年7月開始掘進(jìn)，并于同年的12月掘進(jìn)完成，最高月進(jìn)為639 m[8]。該工程的成功，打開了我國采用TBM 掘進(jìn)煤礦巷道的新篇章，促進(jìn)了TBM 在煤礦巷道掘進(jìn)工程中的應(yīng)用和對(duì)深部煤炭資源的開發(fā)。

陜西榆林可可蓋煤礦主、副斜井工程為TBM掘進(jìn)工程，其中主斜井采用TBM施工的長度為5 040.937 m，副斜井采用TBM 施工的長度為5 192 m。工程于2021年4月TBM開始進(jìn)場(chǎng)，掘進(jìn)期間最大月進(jìn)為812.6 m[9]。本工程是迄今為止采用敞開式TBM 施工的埋深最大、距離最長的煤礦斜井[10]。

1.3 TBM在立井巷道掘進(jìn)工程中的應(yīng)用

淮南礦業(yè)集團(tuán)張集礦1413A高抽的部分掘進(jìn)工程為TBM掘進(jìn)，采用的TBM設(shè)備為世界首臺(tái)為煤礦立井巷道設(shè)計(jì)的TBM[11]。工程于2015 年開始，共掘進(jìn)了704 m，最高日進(jìn)尺30.7 m，平均日進(jìn)尺13.5 m[12]。

2017年11月，陽泉新景煤礦8#煤采區(qū)南回風(fēng)巷掘進(jìn)工程采用了型號(hào)為QJYC045M 的TBM 進(jìn)行施工，該TBM 與淮南1413A 高抽巷相同。巷道直徑為4.53 m，長達(dá)3 499 m。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了一次連續(xù)成巷，并且最高月進(jìn)度達(dá)到了608 m[13]。同時(shí),與淮南張集礦1413A 高抽巷相比，新景煤礦成功解決了底板巖渣對(duì)拖車運(yùn)行的影響問題。

2 煤礦TBM裝備研究現(xiàn)狀

2.1 大直徑全斷面掘進(jìn)機(jī)

EQC6330 型（新礦1 號(hào)）大斷面全斷面掘進(jìn)機(jī)是北方重工為山東新汶礦業(yè)集團(tuán)新巨龍礦區(qū)專門研發(fā)的，并被成功運(yùn)用在該礦區(qū)的二水平北區(qū)回風(fēng)大巷，是全球首臺(tái)應(yīng)用于大埋深、長距離煤礦巖巷施工的大直徑全斷面掘進(jìn)機(jī)。

該機(jī)全長86 m，質(zhì)量700 t，開挖直徑為6.33 m，最高可用于200 MPa 的巖層，設(shè)計(jì)掘進(jìn)能力為5.4 m/h，設(shè)計(jì)掘進(jìn)速度為500～800 m/月。其特點(diǎn)具體如下。

2.1.1 掘進(jìn)速度快

當(dāng)圍巖強(qiáng)度較低、圍巖完整性良好的情況下，全斷面掘進(jìn)機(jī)具有很高的掘進(jìn)速度，在挖掘地層直徑為4～6 m、巷道巖石硬度達(dá)到100 MPa 的煤礦巷道時(shí)，它創(chuàng)下了單月1 209.8 m 的掘進(jìn)紀(jì)錄。即使遇到軟弱圍巖、斷層和破碎帶等影響因素，其綜合掘進(jìn)速度仍可達(dá)到每月600 m。

2.1.2 具有很好的適應(yīng)性

該機(jī)能夠在強(qiáng)度不大于200 MPa 的巖石地層掘進(jìn)，即使在巷道巖石強(qiáng)度較高的情況下，也能較為輕松的破巖；同時(shí)，由于全斷面整體一次成型，不會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生太大擾動(dòng)，因此在圍巖狀況不佳的地層也能使用，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.1.3 具有良好的防塵、制冷效果

該機(jī)采用多點(diǎn)式高效通風(fēng)和除塵裝置，刀片表面采用多點(diǎn)式噴霧和降塵裝置，經(jīng)過煤礦安全防爆資質(zhì)認(rèn)證，TBM 整機(jī)和各機(jī)電系統(tǒng)部件均符合嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)和要求。

隨著煤礦巷道掘進(jìn)的難度加大，煤礦的開采和巷道的掘進(jìn)之間的矛盾日益突出。EQC6330 型大斷面全斷面掘進(jìn)機(jī)的出現(xiàn)有效地解決了這一難題，同時(shí)解決了支護(hù)速度跟不上掘進(jìn)速度的難題，是國內(nèi)煤礦巷道掘進(jìn)裝備發(fā)展的一個(gè)重大的里程碑。

2.2 小直徑全斷面掘進(jìn)機(jī)

EQS2530 型全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)是世界上第一臺(tái)專門為煤礦巷道建設(shè)所設(shè)計(jì)的微型TBM，其開挖直徑為2.5 m，長為56 m，其中盾體為9 m，后配套與拖車為47 m，總重為132 t。淮南張集礦北一煤采區(qū)高抽巷的掘進(jìn)就是采用的EQS2530 型TBM，在工程掘進(jìn)的147天中，其平均月進(jìn)300 m，并取得了淮南礦區(qū)通過盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)巖石巷道的單進(jìn)新紀(jì)錄[14]。

EQS2530 型全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)與大型盾構(gòu)機(jī)相比，具備三大優(yōu)勢(shì)。第一，該機(jī)具有安裝、拆卸方便快捷的特點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)，部件可以整體運(yùn)輸，從而減少了起吊環(huán)節(jié)，同時(shí)運(yùn)輸、安裝、拆卸工作量小，大大縮短了安裝、拆卸時(shí)間。第二，該機(jī)型安全系數(shù)高，整機(jī)重量輕，降低了設(shè)備起吊、運(yùn)輸?shù)陌踩L(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)設(shè)備由人員進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，現(xiàn)場(chǎng)所需人員很少，且設(shè)備有多重保護(hù)系統(tǒng)，可以安全可靠地運(yùn)行。第三，該機(jī)系統(tǒng)非常穩(wěn)定，采用全液壓驅(qū)動(dòng)，易于實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，且在設(shè)備運(yùn)行時(shí)可以進(jìn)行調(diào)速，液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，使用起來更加安全、可靠。

3 TBM掘進(jìn)煤礦巷道圍巖支護(hù)研究現(xiàn)狀

3.1 錨桿支護(hù)

錨桿支護(hù)是通過對(duì)開挖面附近的巖石進(jìn)行加固、擠壓巷道周圍破碎的巖體、懸吊開挖面快要掉落的巖石等支撐巷道結(jié)構(gòu)，保持巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在煤礦巷道支護(hù)中，采用錨桿支護(hù)可以有效減少煤礦安全生產(chǎn)事故，保證施工質(zhì)量。

3.1.1 錨桿支護(hù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）機(jī)械化程度高。錨桿支護(hù)技術(shù)可以采用機(jī)械進(jìn)行施工的方式，確保整體的施工質(zhì)量，同時(shí)能有效縮短工期，降低施工成本。

（2）具有很強(qiáng)的靈活性。在具體工程中可根據(jù)工程情況調(diào)整支護(hù)參數(shù)，以提高支護(hù)效果，提升支護(hù)質(zhì)量。

（3）具有很強(qiáng)的支護(hù)能力。錨桿支護(hù)可以有效提高巷道的抗震能力和承載能力，保持圍巖的穩(wěn)定性，增強(qiáng)巷道的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.1.2 煤礦巷道掘進(jìn)中錨桿技術(shù)應(yīng)用的影響因素

（1）地應(yīng)力。在設(shè)計(jì)錨桿參數(shù)前，應(yīng)測(cè)量地應(yīng)力大小。地應(yīng)力的大小會(huì)對(duì)圍巖的形狀產(chǎn)生一定的影響。在巷道掘進(jìn)工程中，如果地應(yīng)力過大，就需要應(yīng)用錨桿支護(hù)技術(shù)，以保證圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[15]。

（2）巷道圍巖強(qiáng)度。隨著圍巖強(qiáng)度的增大，圍巖對(duì)錨桿支護(hù)的作用力也隨之增大。因此，應(yīng)充分考慮圍巖強(qiáng)度的影響，避免出現(xiàn)荷載超載等問題。

3.2 管片支護(hù)

使用護(hù)盾式全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)煤礦巷道時(shí)，一般采用圓形管片襯砌。管片按材質(zhì)和形狀主要可分為鋼管片、球墨鑄鐵管片、鋼筋混凝土（RC）管片和復(fù)合型管片等。該方式的優(yōu)點(diǎn)包括：（1）適用于軟巖，當(dāng)圍巖較差，千斤頂不能獲得推力室，可采用尾部推力千斤頂對(duì)已安裝的管片來獲得推力；（2）采用雙護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī)在圍巖較好時(shí)，可以同時(shí)進(jìn)行掘進(jìn)和換步來提高循環(huán)速度；（3）采用管片安裝機(jī)安裝管片，速度快，支護(hù)效果好，安全性高。

除錨桿支護(hù)和管片支護(hù)外，煤礦TBM 支護(hù)技術(shù)還有錨網(wǎng)噴等。此外，還有一些新的支護(hù)技術(shù)被不斷地研究出來。例如：唐彬等人提出了一種裝配式的支護(hù)結(jié)構(gòu)，制作模型并進(jìn)行足尺試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬[16]；胡雄玉等人提出一種煤礦斜井讓壓支護(hù)技術(shù)，即在高地應(yīng)力作用下讓管片襯砌配合碎石可壓縮層的一種支護(hù)技術(shù)[17]。

4 TBM掘進(jìn)煤礦巷道未來展望

4.1 TBM掘進(jìn)體系的智能化

煤礦巷道的施工環(huán)境復(fù)雜多變，復(fù)雜的地貌地質(zhì)條件給工程施工造成了許多不確定性，對(duì)施工人員的安全有著很大的威脅，因此未來使用TBM 進(jìn)行巷道的施工會(huì)更加智能化，減少甚至不用工人實(shí)地作業(yè)，盡可能減少對(duì)施工人員危險(xiǎn)。

4.2 煤礦TBM更加標(biāo)準(zhǔn)化

首先，TBM 設(shè)備的一些關(guān)鍵部件的標(biāo)準(zhǔn)化，不同TBM 設(shè)備間的零件可以相互更換，維修更為方便。其次，認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)化，煤礦TBM 的各個(gè)系統(tǒng)部件必須滿足要求才能獲得認(rèn)證，使得TBM 掘進(jìn)煤礦巷道更為安全。

4.3 提高煤礦TBM的地層適應(yīng)性

目前，TBM 掘進(jìn)巷道對(duì)圍巖的適應(yīng)性還比較差，遇到軟弱巖層等時(shí)，會(huì)有卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致開挖進(jìn)度緩慢。隨著科技的發(fā)展，未來TBM 掘進(jìn)巷道會(huì)更加適應(yīng)圍巖的變化。

4.4 煤礦巖巷TBM施工技術(shù)的多樣化

目前，礦用TBM 已經(jīng)有許多新技術(shù)被成功應(yīng)用，如超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)、小轉(zhuǎn)彎半徑和智能支護(hù)技術(shù)等。未來，隨著更多的煤礦巷道的掘進(jìn)工程采用TBM進(jìn)行施工，與煤礦TBM 相關(guān)的新技術(shù)的研究也會(huì)越來越多，會(huì)有越來越多的新技術(shù)被研究出并成功應(yīng)用于煤礦巷道的掘進(jìn)施工中，TBM 掘進(jìn)煤礦巷道的技術(shù)體系會(huì)更加完善。

4.5 TBM掘進(jìn)煤礦巷道支護(hù)技術(shù)會(huì)更加豐富

目前，關(guān)于用TBM 掘進(jìn)的煤礦巷道的支護(hù)方法還沒有一個(gè)完整的體系，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)掘進(jìn)速度快于支護(hù)速度，從而導(dǎo)致需要暫停掘進(jìn)來等支護(hù)的進(jìn)度的情況。在未來，與TBM 更加適應(yīng)的支護(hù)技術(shù)會(huì)被研究出來，從而可以杜絕掘進(jìn)速度與支護(hù)速度不匹配的情況。

5 結(jié)論

目前，TBM 在掘進(jìn)煤礦巷道中的應(yīng)用數(shù)量雖不如在地鐵等工程上的應(yīng)用，但隨著掘進(jìn)煤礦巷道的難度增大，以及TBM 在掘進(jìn)煤礦巷道技術(shù)的成熟，TBM 在掘進(jìn)煤礦巷道上的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，在煤礦平硐、斜井、立井等巷道的掘進(jìn)工程中均有應(yīng)用，并取得了良好的成績。

針對(duì)不同工程、不同地質(zhì)條件和不同施工要求，如大半徑、大埋深、長距離、高溫、高應(yīng)力等工程情況，所研發(fā)的TBM 設(shè)備也更能滿足工程的需要。TBM 在掘進(jìn)煤礦巷道的適應(yīng)性也越來越強(qiáng)。

在TBM 掘進(jìn)煤礦巷道的支護(hù)技術(shù)方面，雖然目前關(guān)于此方面的研究還較少，但隨著TBM 在掘進(jìn)煤礦巷道上廣泛應(yīng)用，已經(jīng)有人對(duì)此方面進(jìn)行研究，以后關(guān)于此方面的研究也會(huì)越加越多，煤礦TBM 支護(hù)體系會(huì)逐漸完善。