TBM盾構(gòu)機(jī)在陽煤集團(tuán)大斷面巖巷中的研究與應(yīng)用

柴文軍

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司三礦，山西 陽泉 045000）

0 引言

陽煤集團(tuán)所屬的絕大部分煤礦為高突礦井，開拓準(zhǔn)備等巷道主要布置在巖層，同時(shí)為治理采掘工作面瓦斯施工的高位抽采巷、低位抽采巷和底抽巷均為巖巷，因此陽煤集團(tuán)巖巷進(jìn)尺量很高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，近五年巖巷進(jìn)尺基本穩(wěn)定在10萬米，占進(jìn)尺總量的29.6%，而開拓準(zhǔn)備等大斷面巖巷進(jìn)尺量占巖巷進(jìn)尺總量的30%以上。目前，陽煤集團(tuán)巖巷仍主要采用傳統(tǒng)的鉆爆法，掘進(jìn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差，嚴(yán)重制約礦井建設(shè)速度和水平采區(qū)的有序接替，不能適應(yīng)煤礦高效生產(chǎn)的需求。

盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)在隧道、地鐵等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，具有掘進(jìn)速度快、機(jī)械化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢(shì)，是一種比較先進(jìn)的施工技術(shù)[2、3]。目前，國外已有一些煤礦將盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下巷道掘進(jìn)，并取得了良好技術(shù)效果。我國很多煤礦也開始進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)在煤礦中應(yīng)用的嘗試，并取得了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。神東補(bǔ)連塔煤礦2號(hào)輔運(yùn)巷道，采用單護(hù)盾式盾構(gòu)施工，盾構(gòu)掘進(jìn)直徑7.63m，總掘進(jìn)長度2718m，最高月進(jìn)尺639m[4]；淮南礦業(yè)集團(tuán)張集礦2015年初試驗(yàn)QJYC045M敞開式盾構(gòu)機(jī)，取得了最高班進(jìn)尺14.5m，最高日進(jìn)尺30.7m，平均日進(jìn)尺13.5m，折合月進(jìn)尺404m[5]。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)基本情況

1.1 巷道概況

陽煤集團(tuán)新景公司+525水平保安8#煤采區(qū)南回風(fēng)巷（簡(jiǎn)稱南回風(fēng)巷，下同），設(shè)計(jì)長度3724m，巷道主要用于保安8#煤采區(qū)的通風(fēng)，兼具行人、運(yùn)輸?shù)淖饔谩Ｏ锏罃嗝鏋閳A形,荒直徑4.53m，凈直徑4.33m，巷道荒斷面 16.12m2，凈斷面 14.73m2，為全巖錨噴支護(hù)，噴厚100mm。

巷道布置在8#煤層上部9～14m的K7砂巖層中，埋深約560m，巖層情況穩(wěn)定，傾角平均4～5°，頂板為中粒砂巖或細(xì)粒砂巖，底板為泥巖。地表位于陽泉市郊區(qū)舊街鄉(xiāng)高嶺村附近的山梁溝谷地帶，所在位置無建筑物、村莊、鐵道等，對(duì)巷道施工無影響。巷道井下位于尚未施工的保安8#煤采區(qū)軌道巷以南，兩巷道水平距離約55m，南側(cè)為未開拓區(qū)域，巷道掘進(jìn)對(duì)周圍巷道無明顯影響，巷道開拓布置平面如圖1。

圖1 巷道開拓布置平面圖

1.2 水文地質(zhì)情況

新景公司太原組灰?guī)r和山西組砂巖兩含水層的含水量非常小，補(bǔ)給條件也非常差，在采掘空間局部低洼處（如向斜軸部）可能出現(xiàn)局部淋水或少量涌水現(xiàn)象，對(duì)采掘活動(dòng)影響較小。根據(jù)探測(cè)得知，巷道掘進(jìn)過程中遇到的斷層均為中小斷層，揭露的陷落柱基本不含水。

1.3 瓦斯情況

巷道在掘進(jìn)過程中，瓦斯涌出量較小，個(gè)別瓦斯涌出量較大處，采取打排放孔的方式對(duì)瓦斯進(jìn)行釋放，必要時(shí)進(jìn)行瓦斯抽放。全程進(jìn)行通風(fēng)及瓦斯監(jiān)測(cè)，積極采取防排瓦斯措施，以保障巷道施工安全順利。

1.4 支護(hù)設(shè)計(jì)

巷道開口至360m位于8#煤與6#煤之間的砂質(zhì)泥巖中，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)為錨噴，每排布置3根頂錨索，間排距1m；錨桿、錨索交替布置。錨桿規(guī)格：Φ20×2000mm螺紋鋼，間排距0.8×1m；錨索規(guī)格：Φ21.6×7200mm；進(jìn)入6#煤與8#煤之間的k7砂巖后，沿砂巖中部施工，巷道底板距8#煤層間距約8-20m，K7砂巖厚度1.3～13.78m，平均厚度7.5m，巷道頂部錨索“二一二”交替布置，錨索間距2m，排距 1m，規(guī)格：Φ21.6×6200mm，見圖 2、圖 3。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)備簡(jiǎn)介

全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM）是當(dāng)今最先進(jìn)的掘進(jìn)裝備，陽煤集團(tuán)從2015年開始，聯(lián)合科研單位和裝備制造廠家一起研究討論調(diào)研盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)，經(jīng)過前期多方調(diào)研了解和實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)QJYC045M全斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)（盾構(gòu)機(jī)）比較基本能滿足我公司試驗(yàn)需要，且該機(jī)型之前也有過在其他公司的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

圖2 巷道斷面布置圖

圖3 巷道斷面支護(hù)示意圖

QJYC045M敞開式盾構(gòu)機(jī)由北方重工集團(tuán)有限公司制造生產(chǎn)，開挖直徑Φ4.53m，總長55m，總重400T。由刀盤、驅(qū)動(dòng)、護(hù)盾、大梁、撐靴推進(jìn)機(jī)構(gòu)、后支撐機(jī)構(gòu)、支護(hù)機(jī)構(gòu)、后配套拖車等構(gòu)成，是集掘進(jìn)、支護(hù)、出渣、導(dǎo)向、防爆技術(shù)于一體的高度機(jī)械化、自動(dòng)化的大型設(shè)備。可適應(yīng)巖石單軸抗壓強(qiáng)度30MPa-300MPa的巖巷施工，配有完善的甲烷、溫度、壓力、流量等多種傳感器。實(shí)現(xiàn)了安全、高效、環(huán)保的煤礦巖巷掘進(jìn)施工。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3 TBM盾構(gòu)機(jī)工業(yè)試驗(yàn)情況

3.1 TBM盾構(gòu)機(jī)安裝

1）前期準(zhǔn)備：TBM盾構(gòu)機(jī)安裝前需做安裝硐室、始發(fā)硐室、敷設(shè)安裝軌道、鋼板、安裝基礎(chǔ)，施工起吊錨索、安裝起吊鋼梁等，前期準(zhǔn)備工作周期長。

2）安裝順序：支撐、主驅(qū)動(dòng)→主梁→推進(jìn)及撐緊機(jī)構(gòu)→后支撐→G1～G5拖車安裝→刀盤與主驅(qū)動(dòng)把合固定。

3）安裝方法：首先在安裝硐室安裝腳手架平臺(tái)，然后安裝頂部軌道梁，再在軌道梁上安裝30T、10T氣動(dòng)葫蘆各2個(gè)，利用安裝好的氣動(dòng)葫蘆將盾構(gòu)機(jī)各個(gè)部件起吊到安裝位置進(jìn)行安裝。

表1 QJYC045M敞開式盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4）安裝時(shí)間：TBM盾構(gòu)機(jī)于2017年10月25日開始安裝，于2017年11月18日安裝完成。

3.2 試驗(yàn)情況

從2017年11月22日開始至2018年11月13日結(jié)束，累計(jì)掘進(jìn)進(jìn)尺3490m，平均月進(jìn)408m，最高月進(jìn)562m；平均日進(jìn)13.36m，最高日進(jìn)31.5m；平均班進(jìn)4.46m，最高班進(jìn)15.5m，平均掘進(jìn)速度為炮掘的5～6倍。

3.3 掘進(jìn)效率評(píng)價(jià)

3.3.1 盾構(gòu)施工法

巷道掘進(jìn)：掘進(jìn)及矸石運(yùn)輸方式：QJYC045M掘進(jìn)機(jī)利用帶有滾刀的刀盤擠壓將巖石截割破碎，通過刀盤鏟板將破碎的巖石裝入刀盤后方刮板輸送機(jī)，然后通過盾構(gòu)機(jī)自帶一運(yùn)皮帶、二運(yùn)皮帶轉(zhuǎn)載至盾構(gòu)機(jī)后方800mm皮帶輸送機(jī)運(yùn)至溜矸立眼下部緩沖矸倉。

輔助運(yùn)輸方式：材料、輔助設(shè)備等采用單軌吊運(yùn)輸。

3.3.2 勞動(dòng)生產(chǎn)組織

TBM盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隊(duì)現(xiàn)在冊(cè)人員數(shù)為115人，正常出勤86人，隊(duì)組實(shí)行“三·八”制作業(yè)，八點(diǎn)為檢修班，四點(diǎn)班和零點(diǎn)班為生產(chǎn)班。生產(chǎn)班平均出勤27人，檢修班平均出勤35人。

3.3.3 循環(huán)作業(yè)方式

TBM盾構(gòu)機(jī)破巖掘進(jìn)每個(gè)循環(huán)進(jìn)度1.5m，當(dāng)一個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)，停止掘進(jìn)，刀盤后退3～5cm，放下主機(jī)后支撐腿，將主機(jī)支撐牢固后，收回前后兩側(cè)水平撐靴，前移撐靴一個(gè)循環(huán)的距離，然后根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)提供的主機(jī)位置參數(shù)進(jìn)行調(diào)向，隨后將兩水平撐靴伸出至一定壓力，收回后支撐離地大約5～10cm。通過拖拉油缸拖后配套并前移一個(gè)循環(huán)的距離后，然后進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)作業(yè)。

3.3.4 支護(hù)工藝

巷道支護(hù)利用TBM盾構(gòu)機(jī)自帶1#，2#和5#平臺(tái)進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)部分支護(hù)與掘進(jìn)平行作業(yè)。

1#平臺(tái)：TBM掘進(jìn)時(shí)伸縮油缸前部呈緩慢的不停往前移動(dòng)，伸縮油缸及后部列車掘進(jìn)時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)。盾體及驅(qū)動(dòng)前移過后方才露出圍巖，為保證施工安全，不出現(xiàn)空頂作業(yè)，在驅(qū)動(dòng)后方、撐靴前部的主梁上（1#平臺(tái)）進(jìn)行正頂錨索及頂部錨桿支護(hù)作業(yè)。

圖4 1#平臺(tái)頂錨桿錨索支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖5 2#平臺(tái)補(bǔ)打錨索支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)圖

2#平臺(tái)：位于撐靴后方、前部伸縮油缸上方（該平臺(tái)在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)，只有在盾構(gòu)機(jī)完成一個(gè)循環(huán)進(jìn)行前移時(shí)才移動(dòng)），該處進(jìn)行其余頂部錨索跟進(jìn)。

5#平臺(tái)：為加長平臺(tái)，巷道中下部錨桿在此施工。同時(shí)5#平臺(tái)配備2臺(tái)PZ-7型濕式噴漿機(jī)，平臺(tái)左右各一臺(tái)，兩側(cè)各放特制料斗一個(gè)，存放噴漿料，便于及時(shí)進(jìn)行巷道噴漿支護(hù)。

3.3.5 掘進(jìn)效率分析

盾構(gòu)施工法與傳統(tǒng)的鉆爆施工相比，在破、裝、運(yùn)、支等關(guān)鍵工序上均有明顯優(yōu)勢(shì)，因此掘進(jìn)效率高。

1）破、裝、運(yùn)工序分析。盾構(gòu)施工法是機(jī)械式破巖掘進(jìn)，刀盤最大轉(zhuǎn)速10.6rpm，最高掘進(jìn)速度100mm/min，破巖采用帶有滾刀的刀盤擠壓將巖石剝落成小塊巖石，裝、運(yùn)巖通過刀盤鏟刀將巖石碎塊帶到刀盤后方刮板輸送機(jī)，然后通過盾構(gòu)機(jī)自帶一運(yùn)皮帶、二運(yùn)皮帶轉(zhuǎn)載；與鉆爆施工法相比，機(jī)械化程度高，破巖速度快，裝巖、運(yùn)巖可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、高效。

2）支護(hù)工序分析。巷道掘進(jìn)支護(hù)分為臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)。與鉆爆施工法相比，盾構(gòu)施工法臨時(shí)支護(hù)采用機(jī)器前頭的護(hù)盾進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，安全、高效、方便；永久支護(hù)利用設(shè)備自身的風(fēng)動(dòng)或液壓鉆機(jī)進(jìn)行錨桿錨索的打孔、安裝，具有省時(shí)、省力，施工質(zhì)量高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)部分永久支護(hù)可滯后與掘進(jìn)平行作業(yè)，因此更加縮短了永久支護(hù)時(shí)間。

4 TBM盾構(gòu)機(jī)適用性分析

1）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工的優(yōu)勢(shì)：①掘進(jìn)速度快，施工效率高；②機(jī)械化水平高，勞動(dòng)強(qiáng)度低；③施工環(huán)境好，工人效率好；④圍巖擾動(dòng)小、巷道斷面好，利于支護(hù)；⑤安全性高。

2）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工的不足：①臨時(shí)支護(hù)護(hù)盾具有一定的適應(yīng)性，圍巖破碎時(shí)，支護(hù)受影響；②轉(zhuǎn)向性能較差，對(duì)巖層起伏適應(yīng)有限；③對(duì)巷道圍巖硬度有要求，有一定適應(yīng)條件；④沒有排水設(shè)備，影響下山施工；⑤前期準(zhǔn)備復(fù)雜，對(duì)準(zhǔn)備硐室、安裝技術(shù)、安裝時(shí)間要求較高，前期投入較大。

5 結(jié)論

TBM盾構(gòu)機(jī)在陽煤集團(tuán)大斷面巖巷中的成功應(yīng)用表明：

1）TBM盾構(gòu)機(jī)是當(dāng)今最先進(jìn)的大斷面巖巷掘進(jìn)裝備，集鉆巖、掘進(jìn)、支護(hù)于一體，使用電子、信息遙測(cè)、遙控?zé)舾咝录夹g(shù)對(duì)全部作業(yè)進(jìn)行制導(dǎo)和監(jiān)控，使掘進(jìn)過程始終處于最佳狀態(tài)，與鉆爆法相比，具有掘進(jìn)速度快、巷道成型質(zhì)量好、勞動(dòng)強(qiáng)度低及降低粉塵改善作業(yè)環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，是一種先進(jìn)的施工技術(shù)。

2）由于煤礦的特殊性，盾構(gòu)法施工在井下大斷面巖巷中的應(yīng)用還處在起步階段，對(duì)地質(zhì)條件變化的適應(yīng)性仍需提高。

3）煤礦井下大斷面巖巷掘進(jìn)在提升掘進(jìn)設(shè)備的前提下，同時(shí)需突破頂板安全和圍巖控制技術(shù)，加強(qiáng)設(shè)備維修維護(hù)力量、實(shí)現(xiàn)主要工序的全機(jī)械化和連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分充分發(fā)揮、協(xié)同集成作業(yè)。