全斷面隧道掘進機（TBM）在煤礦中的應用研究

楊 簡

（華能云南滇東能源有限責任公司礦業分公司通防部，云南 曲靖 655508）

在煤礦井巷工程施工過程中，全斷面隧道掘進機是能夠同步進行巷道掘進排矸和支護的大型成套機械化施工設備。全斷面隧道掘進機主要包括盾構機、硬巖隧道掘進機兩類，主要適用于開挖地層硬度比較高的硬巖地層以及穩定性比較強的圍巖地層等。全斷面隧道掘進機在城市地鐵隧道工程建設和礦山企業井巷工程掘進中有著十分廣泛的應用。

1 TBM在煤礦中的應用概述

煤礦企業是我國最主要的能源企業之一，相關煤礦施工工程質量和進度直接關系著煤礦的產出以及相應的經濟效益。煤礦礦井建設最主要的工程是井巷工程，其至少占總工程量的40%，建井周期比較長，技術要點也比較多。施工過程中容易受到各種因素的影響，因此要想保證整體礦井工程施工進度和工程效益，必須確保井巷工程的施工速度和質量[1]。

在煤礦礦井工程施工建設中，礦井的開拓對于整個施工過程起到決定性的影響，直接決定了礦井基建工程量的大小和相關施工技術的應用，最主要的是直接關系礦井未來的生產效益。因此，要加強對礦井開拓工作的管理，運用現代化的技術手段確保礦井開拓高效，煤礦常用的開拓技術和工藝主要包括鉆爆法、懸臂式掘進機等。這些施工技術雖然在當前煤礦行業有廣泛的應用，但是其工程建設速度比較慢，安全風險較大，相應的人員工作環境較差，井下成型質量也難以得到保證，難以滿足企業對大型現代化礦山工程的要求，所以需要對傳統的礦井開拓方式進行改革，采用先進的開拓技術來提高整體施工質量[2]。

采用盾構機和全斷面隧道掘進機法進行煤礦礦井施工，可以確保整個施工工程在安全的情況下進行，減少生產過程中的不安全因素，保障企業員工的生命安全。就目前來看，TBM與盾構工法施工相對安全可靠，技術也相應成熟起來，相對于傳統掘進工藝來說，TBM方法掘進速度比較快，大大縮短工期，相應巷道成型的質量也能得到保證。人工勞動環境也得到很大改善，施工安全性強。該方法在一些大型煤礦企業巷道掘進工程建設中有著突出的優勢，可以有效降低整個生產的成本。所以，在對大型煤礦工程進行巷道掘進施工時，要優先使用TBM工法或者盾構法來有效提升地下資源的開發利用率，改進巷道掘進工藝，提升整個煤礦企業的工作效率[3]。

2 TBM在煤礦中的應用實例

2.1 平峒掘進工程

采用平硐開拓的礦井一般煤炭賦存和開采條件比較簡單，需要的設備較少，相應的經濟效益比較高。例如，我國新疆瑪納斯澇壩灣煤礦就是一個典型的煤礦平硐工程，該工程項目位于烏魯木齊100 km內的瑪納斯縣里塔西河的南側。在進行主平硐工程改造時，擴建副平硐工程采用的施工方法就是全斷面隧道掘進機施工方案，副平硐全長約為6000 m，平硐坡度為0.004，最大的埋深是400 m[4]。該工程項目地工程地質以粉砂質泥巖、泥質粉、砂巖細砂巖以及中砂巖為主，相應的地質條件在飽和狀態下，單軸極限抗壓強度超出40 MPa，軟化系數在0.17～0.75。該副平硐工程建設項目所在地多為一軟化的巖石，巖石層間結合力較小，一般結構強度較低，結構面發育程度比較高。綜合分析當地的地質條件來看，雖然施工比較簡單，但是由于巖石之間的結合力較小，施工期間容易出現坍塌，巖石總體的抗剪斷能力比較低。所以，在進行施工掘進之前，需要對影響施工過程的各種因素進行討論，并對相應施工的風險進行探究，確保整個工程的安全，選擇合適的施工方案，運用相應技術來支撐施工，減少人員的投入，保證施工人員的安全[5]。

該項目使用的設備為復合型盾構機，盾構機在工程項目開始的兩年時間里，成功貫通掘進里程約為6000 m，與傳統的施工方案相比，利用盾構機進行施工可以顯著提升施工速度，效率是原有施工技術的三倍以上。盾構機總推力約為12000 kN，盾構機正常工作的推進速度為30 mm/min，從最初的設計方案來看，盾構機的總體性能可以達到相應的施工要求。但在實際工程項目施工中，盾構機的應用仍然存在一定的難度[6]。相對于傳統施工項目來說，盾構機的設備成本比較高，在該工程項目中，盾構機的設計和應用也會面臨各種問題。

首先，該工程項目需要的一次性施工距離長，在利用盾構機進行施工時，需要盾構機持續不斷地工作。我國盾構機大都使用六米直徑系列，盾構機單次接近6000 m的巷道工程較少，基本沒有相關案例可以遵循，這就對盾構機的相關壽命和維護工作提出了新要求。在盾構機工作過程中，相關技術人員要及時對盾構機出現的問題進行解決，定期排查故障，維護盾構機關鍵部件。此外，在盾構機掘進完成后要在洞內進行拆機，因此在進行盾構機結構設計時，必須考慮到盾構機在有限空間內實現拆機操作，確保盾構機能夠充分發揮其掘進作用。在進行地層開挖時，由于乙醚巖砂巖為主的地層抗拉強度比較大，因此需要盾構機相應的刀盤刀具和螺旋輸送機，具有較高的抗磨強度和抗腐蝕能力，確保整個施工工程安全平穩地進行。煤層區域對設備也有一定的安全性要求，尤其是要求設備具有防爆性設計，做好盾構機的有害氣體監測工作，在盾構機中設計應急系統，并安裝防爆緊急處理系統，在盾構機施工過程中減少安全隱患。

2.2 斜井掘進工程

經過多年的持續開采，我國很多埋藏較深的煤礦已經消耗殆盡，需要對煤炭資源進行進一步的開發和利用，主要通過斜井巷道來實現皮帶機連續出煤，利用先進的技術提高煤炭運送能力，從而加強深埋層煤礦的開采。當前，煤礦主井采取斜井開拓，是未來大型深埋礦層建設的主要發展方向。但是，斜井開拓方式的建設成本較高，距離較長，建井周期較長，占地面積較大，需要更高的技術標準。以我國內蒙古鄂爾多斯新街臺格廟煤礦斜井項目工程建設為例，該工程共規劃有7個井田，煤炭產能約為2000萬t/a，其中采用主副斜井開拓，采用全斷面隧道掘進機方法進行工程掘進試驗，最大埋深有690 m，總長度約為6000 m，坡度為6°。

該項斜井工程地段以砂質泥巖、泥巖等為主，斷面的穩定性比較強，相應的局部施工存在斷層破碎帶、高壓富水層以及軟巖變形等情況。工程地質特點綜合復水性偏下，透水系數不高，工程地質和水文條件比較適合應用全斷面隧道掘進機技術。根據斜井工程的特點進行分析，斜井工程具有深埋較長、富水高壓、連續下坡以及地層多變的特點，施工前，需要根據相關工程項目的具體要求開展充分的工程調研，制定有效的施工方案，專家審核通過后才可以進行施工。

最終使用的施工方案是單護盾式全斷面隧道掘進機掘進和集成土壓平衡盾構機掘進模式。這兩種掘進模式在施工過程中可以根據施工實際情況相互轉換，保證設備具有較高的施工效率和較好的地質適應性。斜井掘進施工工程雖然具有較好的經濟效益和成本控制優勢，但是在相關設計和應用過程中也存在一定的困難，比如斜井巷道深埋的距離比較大，要求施工設備具有良好的穩定性，相應地，需要保證關鍵零部件的使用壽命，而且在掘進過程中要能夠進行維護。要保證相應的主驅動軸承、刀盤刀具、管片拼裝機以及螺旋輸送機的工作效果。

其次，掘進施工期間可能需要長距離的連續下坡工作，因此需要提升物料運輸設備的工作效率，加強相應通風系統和排水系統的建設。相關設備必須具有良好的安全性，優化整個施工流程，施工期間，重載物料頻繁運輸、皮帶機斷帶、膠輪運輸車下坡緊急制動以及有害氣體增加等情況，都會影響全斷面隧道掘進機的使用性能，進而影響整個工程項目的建設效率。

最后，全斷面隧道掘進機在較大坡度施工時，相關設備必須實現動力原位拆解，并綜合考慮施工期間的地層加固、大尺寸部件分塊設計、洞內吊裝方案設計以及相應的拆機工裝研制等情況，保證全斷面隧道掘進機實現洞內原位拆解的功能。另外，其需要在局部地段實現不同模式的轉換，以適應不同的地質環境，確保掘進效率。在進行局部區段掘進模式轉換時，需要明確出渣系統和刀盤轉換等工作內容。實際操作中，由于巷道內工程施工空間比較小，而工作量較大，因此在考查設備施工性能時，要重點提高掘進模式轉換效率，確保整個工程的施工質量。

3 TBM的發展趨勢

隨著各種工程項目的持續開展，掘進機的市場需求量呈現穩定增長的趨勢，具有非常廣闊的市場前景。盾構機和全斷面隧道掘進機在煤礦礦井工程中的應用日益廣泛，尤其是在煤礦井巷工程項目中，獲得了大量成功的應用。TBM掘進工藝是礦井建設的未來發展方向，表現出無與倫比的優勢，有效創新了我國礦井開拓方式，完善了TBM產品系列，整體提升礦井施工的關鍵技術水平和經濟效益。

近年來，掘進機應用技術水平和產品制造工藝不斷提高，尤其是在煤層礦井不同斷面尺寸的研究和開發中，相應的全斷面隧道掘進機針對性系統的開發和參數設置已經提上煤礦掘進機改革的日程。TBM掘進工藝不斷得到優化，隨著煤礦工程項目的不斷增大，我國的全斷面隧道掘進機不斷發展并日趨成熟。未來，掘進機的應用領域會更加廣闊。但是，TBM技術在當前煤礦工程中并沒有得到有效的推廣，很多企業仍然延續傳統的煤礦掘進技術，掘進速度較慢，經濟效益也較低，因此加大TBM掘進機在煤礦施工的應用是當前TBM技術推廣的目標。

4 結語

全斷面隧道掘進機的應用能夠有效加快煤礦工程項目建設速度，提升巷道掘進效率，提高煤礦的經濟效益。本文主要分析了TBM技術在煤礦礦山建設中的應用及其優勢，介紹了相應的應用實例，指出了TBM技術的未來發展方向，希望加快TBM技術的推廣和應用，促進煤礦企業更好地開展建設。