頂管機在煤礦高抽巷掘進中的應用

高艷軍

（陽煤集團三礦， 山西 陽泉 045000）

引言

頂管機是微型、小型盾構機的俗稱，是一種先進、新型的適用于井下高抽巷施工的機械裝備。其工作原理同盾構機相同。煤礦井下高抽巷用的頂管機直徑一般在1.4～3.5m，其對巖石硬度適應性較大，最高可達400MPa。此外，頂管機還具有集鉆、支護、掘進于一身的優點，并應用遙感等高新技術對作業的所有過程進行監督和控制，從而保證了掘進過程的最佳狀態。頂管機在國際上也得到廣泛應用，主要用于天然氣、石油以及市政等工程中。相比之下，傳統的鉆爆法施工仍然是我國巷道掘進采用的主要方法，這種方法安全性較差和施工效率低下。此外，懸臂式巖巷掘進機也被我國部分煤礦所采用，但其較大的尺寸不可避免地擴大高抽巷巷道斷面，最大可擴大到15m2。雖然掘進的效率通過這種方式得到了一定的提高，但嚴重磨損掘進機截齒的同時也大大增加了開挖量。我國煤礦礦井的高抽巷一般位于煤層上方裂隙帶中的堅硬巖石中，且要求的橫截面積較小（4～8m2）。頂管機的特性適用于此種作業條件，將適當改進后的頂管機應用于煤礦高抽巷掘進開挖中，將大幅度提高掘進效率和成本[1-2]。

1 工作原理及技術工藝

1.1 工作原理

頂管機的工作原理雖然與盾構機相同，但仍有一些不同之處：頂管機為實現連續碎巖與掘進，依靠固定在巷道外的推進油缸提供推進力，然后通過多節連接的水泥管或鋼管將推進力傳遞到頂管機的機頭。機頭在推進力的作用下使掘進刀盤上的滾刀緊壓巖面并旋轉,在刀盤強大的推力和扭矩作用下實現掘進。此外，需要通過絞車牽引的礦車來實現巷道碎巖的運輸，并通過安裝在礦車裝車點的攝像頭來給巷道外人員提供礦車是否已經裝滿的信息。

1.2 技術工藝

由于頂管機掘進長度一般較短，最大掘進長度約為600m。因此需要適當改進現有的井下高抽巷掘進工藝。改進后的井下高抽巷頂管機施工的技術工藝如圖1所示，在現有的高抽巷掘進工藝的基礎上需要多掘進聯絡巷道，頂管機安裝在其末端后依次向左右各掘進600m，隨后將頂管機和圓形頂管運輸至下一條聯絡巷末端繼續重復上一操作。施工完成后，將圓形頂管撤出，使施工完成后的高抽巷成為一條裸巷，人員也不允許再進入。圓形頂管應采用鋼制的以實現多次使用。

圖1 頂管機掘進高抽巷施工技術工藝圖

2 頂管機掘進高抽巷存在的問題及解決辦法

2.1 線纜的快接和延伸

由于頂管機在高抽巷掘進時需將多節管道連接后推進，但諸如通信電纜、壓風管、動力電纜、液壓油管等線纜均要從管道的中間穿過，不可避免地需要每推進一節頂管都需要連接一次線纜，因此設計和生產獲得煤安認證的線纜快速連接裝置的進程亟需加快。

2.2 頂管機防爆

由于目前市面上沒有具有防爆認證的頂管機，所以要對頂管機防爆性能進行研究并獲得煤礦安全標志認證后才能將頂管機應用于井下高抽巷掘進。

2.3 管道的運輸與存放

目前大多數井下高抽巷的長度在800～1 500m之間，而頂管長度最長僅為4m，這就需要數以百計的管道來完成巷道掘進。但由于礦井空間有限和聯絡巷坡度較大，頂管管道的運輸和存放問題應當被充分考慮。

2.4 通風

在使用頂管機掘進時遇到檢修人員進出的情況下，需要對洞內進行通風以保證人員呼吸。采用通壓風管的方式可有效解決這一問題。

2.5 排水

在使用頂管機掘進過程中可能會遇到含水巖層，若巷道末端水平高度高于起始段，水會由于重力自行流出，但若末端低于起始段，安裝排水設備必不可少。

3 采用頂管機掘進高抽巷的經濟性計算與分析

上文技術工藝所述若高抽巷采用頂管機掘進，因此另外的聯絡巷道的掘進是不可避免的，這會增加施工成本。因此，需基于礦井實際情況對現有及頂管機掘進的施工成本進行經濟性計算與分析。

以沁水盆地的礦井為例，通常的高抽巷與回風巷的水平距離約為30～50m，以聯絡巷道起點距離回風巷40m來計算。根據“豎三帶”理論可知：裂隙帶高度位于煤層頂板以上的采高的6～12倍的范圍內，高抽巷一般位于煤層頂板以上的采高的6～8倍的范圍內。沁水盆地煤厚平均約為6m，則高抽巷距離煤層底板垂直高度在42～54m范圍內。若平段留17m的長度，加上高抽巷爬坡段的角度約為36°來計算，則爬坡段長度約68m，從而單條聯絡巷道總長度約85 m。以下按照某工作面高抽巷長度為1 200m計算。

采用頂管機掘進巷道橫截面為直徑約為1.7m的圓形巷道，若頂管機每次可在施工地點左右方向各推進600m（如上頁圖1所示），因此需要多掘聯絡巷道1條，長度為85m。且聯絡巷道橫截面為15m2左右的巷道。

橫截面積為15m2左右頂管機掘進綜合成本為W 萬元 /m，a、b、c、d 分別為鋼制頂管使用 1～4 次時頂管機在高抽巷每米掘進時的綜合成本，則有：

1）重復使用1次成本=W×85+a×1 200。

2）重復使用2次成本=W×85+b×1 200。

3）重復使用3次成本=W×85+c×1 200。

4）重復使用4次成本=W×85+d×1 200。

假設施工橫截面積為5m×3.2m的矩形高抽巷。掘進機掘進綜合成本為A×1 200m以上計算，A為這一橫截面積下單位長度的掘進成本，其取值受巖石硬度、礦區地質構造、人員成本和頂管成本等因素影響而有些許的不同。根據分析計算只要鋼制頂管重復使用2次，采用頂管機掘進的成本接近掘進機掘進成本，重復使用3次及以上，頂管機掘進的成本要低于掘進機掘進成本。因此當頂管機總掘進長度大于1 200m時，采用頂管機掘進開挖高抽巷可節省更多成本。

4 結論

1）采用頂管機掘進長度大于1 200m的高抽巷時更為經濟；

2）雖然高抽巷可以有效降低井下工作面的瓦斯濃度，但工作面回采前采用傳統方式掘進高抽巷速度較慢，這一定程度上造成了工作面生產交替緊張，而頂管機的使用可有效解決這一問題。