盾構(gòu)技術(shù)在煤巷掘進中的應(yīng)用探討

王海超

(神東煤炭集團哈拉溝煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

目前，我國煤礦開采逐漸向深井開采，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，開采難度逐漸增大，對采煤裝備的要求也越來越高[1-2]。煤礦掘進主要完成施工大巷、順槽、切眼、回撤通道等任務(wù)，為長臂回采做好準備工作。目前，我國在巷道掘進過程中采用的機械設(shè)備主要有綜掘機、連續(xù)采煤機、掘錨機等設(shè)備。綜掘機主要應(yīng)用在全巖巷道中掘進，掘進效率相對較低。連續(xù)采煤機適合頂?shù)装鍡l件較好的雙巷掘進工作面中，配合梭車運煤、錨桿機支護，掘進效率較高，在特殊情況下，連采機掘進工藝也可應(yīng)用在單巷掘進中。掘錨機整機具備掘進、裝載、支護同時作業(yè)功能，主要應(yīng)用在單巷、頂?shù)装鍡l件差的巷道掘進中，實現(xiàn)了巷道的短掘短支，有效減少了空頂距，保證作業(yè)人員安全[3-4]。

針對現(xiàn)階段掘進設(shè)備中掘、錨、運失衡問題，煤炭企業(yè)積極尋求快速掘進解決方案，盾構(gòu)掘進系統(tǒng)逐漸在煤礦全巖巷道掘進中得到應(yīng)用，掘進效率和巷道施工質(zhì)量較傳統(tǒng)方式有了較大提升[5-9]。鑒于盾構(gòu)掘進在巖巷掘進中的優(yōu)勢，有必要對盾構(gòu)機在煤巷中的應(yīng)用進行進一步研究。

1 盾構(gòu)機分類和組成

1.1 盾構(gòu)機分類

盾構(gòu)機根據(jù)工作原理一般分為手掘式盾構(gòu)、擠壓式盾構(gòu)、半機械式盾構(gòu)(局部氣壓、全局氣壓)、機械式盾構(gòu)(開胸式切削盾構(gòu)、氣壓式盾構(gòu)、泥水加壓盾構(gòu)、土壓平衡盾構(gòu)、混合型盾構(gòu)、異型盾構(gòu))。按照掘進地層種類分為硬巖盾構(gòu)(TBM)、軟巖盾構(gòu)、軟土盾構(gòu)、硬軟巖土盾構(gòu)(復(fù)合盾構(gòu))等。按照盾構(gòu)機橫截面積大小分為超小型盾構(gòu)(φ<1 m)、小型盾構(gòu)(1 m≤φ<3.5 m)、中性盾構(gòu)(3.5 m≤φ<6 m)、大型盾構(gòu)(6 m≤φ<14 m)、超大型盾構(gòu)(14 m≤φ<18 m)、特大型盾構(gòu)(18 m≤φ)。按盾構(gòu)機截面積形狀分為半圓形、圓形、橢圓形、馬蹄形、雙圓搭接型(豎雙圓形、橫雙圓形)、三圓搭接形、四圓搭接形、矩形(矩形、凸字形、凹字形)[10-13]。

1.2 盾構(gòu)機組成

盾構(gòu)機是高度集成的隧道掘進設(shè)備，主要由刀盤、盾體、螺旋輸送機、管片拼裝機等部分組成，如圖1所示。刀盤在盾構(gòu)機起切削土層和支撐切削面的作用，是盾構(gòu)的重要組成部分。盾體是一個鋼結(jié)構(gòu)圓柱體部件，盾構(gòu)機盾體又分3部分，分別是前盾、中盾和尾盾[2]。

圖1 盾構(gòu)機組成示意

2 巖巷掘進應(yīng)用實例

2.1 新疆澇壩灣煤礦副井盾構(gòu)隧道工程

2012年9月由中國鐵建重工集團研發(fā)制造的盾構(gòu)機開始施工神華集團新疆澇壩灣煤礦副井盾構(gòu)隧道工程，該隧道線路穿越泥巖、斷層破碎帶、煤層，最大埋深達390 m且掘進距離長，采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工不僅施工風險大、成本高，而且施工速度慢，無法滿足工期要求。鐵建重工在充分總結(jié)國內(nèi)外盾構(gòu)和煤礦巷道施工技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，逐一解決了盾構(gòu)機在長距離掘進中面臨的刀盤刀具磨損量大、易糊刀盤、機器振動、姿態(tài)穩(wěn)定、高效出渣、長距離隧道通風除塵等難題，在掘進了5 845 m后，整條隧道宣告成功貫通，該設(shè)備的成功應(yīng)用為盾構(gòu)設(shè)備在煤礦的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

2.2 補連塔煤礦2號鋪運平硐工程

神華神東補連塔煤礦2號鋪運平硐在國內(nèi)率先采用單護盾TBM工法施工，輔運平硐全長2 745 m，其中明挖段26.316 m，TBM段2 718.224 m，井筒凈直徑6.6 m，解決了長距離、連下坡、上穿下跨既有巷道、掘進泥質(zhì)砂巖、多次穿越煤層、高壓富水等6大技術(shù)難題，創(chuàng)下了最高月掘進639 m的世界紀錄，工程于2016年7月6日安全順利竣工。該項工程的設(shè)計施工，填補了我國TBM在長距離大坡度煤礦斜井建設(shè)領(lǐng)域的技術(shù)空白，開創(chuàng)了煤礦斜井施工新模式，是煤礦建井模式的革命性變革，驗證了TBM施工煤礦斜井的關(guān)鍵技術(shù)和理論，對促進我國深層煤炭資源開發(fā)具有重大意義。

2.3 張集煤礦巖巷全斷面掘進工程

2015年北方重工集團為淮南礦業(yè)集團研制的世界首創(chuàng)煤礦巖巷全斷面掘進機—QJYC045M在張集煤礦投入試用。煤礦巖巷全斷面掘進機開挖直徑4.53 m，整機長度50 m，整機重量350 t，采用盤形滾刀破巖機理，利用全斷面刀盤一次破巖成洞，將水平梁敞開式TBM掘進機與煤礦運輸、支護等特殊施工要求相結(jié)合，集掘進、出渣、支護、除塵、通風、導(dǎo)向、防爆技術(shù)于一體，最高日進尺30.7 m，平均月進尺404 m，較傳統(tǒng)工藝提高4.5倍。其是高度機械化、自動化的煤礦巖巷施工設(shè)備，為解決我國煤礦發(fā)展的巖巷施工瓶頸問題奠定了堅實基礎(chǔ)，具有里程碑意義[5]。

2.4 其他案例

新巨龍公司980水平煤礦全巖巷掘進工程：2019年7月，由北方重工集團研制的大直徑大埋深全斷面盾構(gòu)機在山東能源新礦集團新巨龍公司980水平煤礦全巖巷掘進中應(yīng)用。該設(shè)備的研制和應(yīng)用實現(xiàn)了我國煤礦巖巷掘進機在大直徑、大埋深、復(fù)雜地層施工的新突破，設(shè)備采用特殊主梁設(shè)計，有效解決了支護錨桿必須通過隧道截面中心線的施工難題，該技術(shù)為國內(nèi)首創(chuàng)，解決了巖巷掘進過程中掘、支、運的不平衡，掘進速度可達500～800 m/月。該設(shè)備采用刀盤噴水、除塵風機聯(lián)合作業(yè)除塵，徹底解決了施工過程中粉塵大的難題，極大改善了工人工作環(huán)境。設(shè)備集掘進、運輸、支護、除塵、導(dǎo)軌安裝、通風、導(dǎo)向、瓦斯監(jiān)控于一體，具有安全、高效、智能、環(huán)保等特點。

“振興一號”盾構(gòu)機：2019年9月，同煤集團首臺由遼寧三三工業(yè)有限公司研制的盾構(gòu)機“振興一號”在塔山煤礦組裝完成。該設(shè)備總長度65 m，開挖直徑5.8 m，最大爬坡能力5°，集掘進、排矸、防塵、通風、導(dǎo)向、超前、監(jiān)測、監(jiān)控、冷卻、鉆探等技術(shù)于一體。“振興一號”盾構(gòu)機在井下的應(yīng)用，為建設(shè)智慧化礦山注入新的科技動力[6]。

3 盾構(gòu)機巖巷掘進應(yīng)用分析

3.1 優(yōu)缺點分析

優(yōu)點分析：在巖巷掘進中多采用鉆爆法和綜掘機掘進方法，安全保障差，斷面形狀不好控制，掘進效率較低。采用盾構(gòu)巖巷掘進工藝，機械化程度較高，極大降低了工人的勞動輕度，盾構(gòu)機刀盤一次性截割成巷，巷道成型質(zhì)量較好。尤其在硬巖掘進中，掘進效率遠高于傳統(tǒng)方式，安全系數(shù)高，對圍巖損傷小，產(chǎn)生的噪聲小，除塵效果好，較傳統(tǒng)掘進方式優(yōu)勢明顯[7]。

缺點分析：目前，大部分煤礦綜采工作面順槽、切眼、回撤通道等巷道掘進均在煤巷中進行施工，掘進巷道形狀均為矩形，施工質(zhì)量要求嚴格，方便液壓支架、超前支架、垛式支架等設(shè)備的安裝與使用，為長臂綜合機械化回采做好準備工作。而盾構(gòu)機掘進多為圓形或不規(guī)則圓形巷道，如若采用該設(shè)備掘進巷道作為綜采準備巷道時，很難滿足正常的安全生產(chǎn)需求。

3.2 盾構(gòu)機煤巷掘進需解決的問題

掘、支、運平衡作業(yè)：現(xiàn)階段，制約煤礦快速掘進的主要問題是掘、支、運平衡作業(yè)問題，其中最關(guān)鍵因素是支護速度制約掘進問題。鐵建重工最新研制的快掘系統(tǒng)在曹家灘煤礦應(yīng)用，該快掘系統(tǒng)采用掘錨機掘進和臨時支護、兩臺錨桿臺車補強支護的形式來解決現(xiàn)階段掘錨機掘進過程中掘支不平衡問題，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好。因此，盾構(gòu)掘進在煤巷應(yīng)用過程中首先要改變在隧道掘進過程中常用的預(yù)制管片支護形式，同時對整機系統(tǒng)進行深入設(shè)計研究，實現(xiàn)掘進、支護、運輸并行作業(yè)，同時對支護系統(tǒng)進行不斷優(yōu)化設(shè)計，滿足頂、幫快速支護需求。

掘進巷道成形：為了提高掘進巷道空間利用率和回采期間使用效果，現(xiàn)階段，所有長臂回采準備巷道全部施工成矩形巷道。而盾構(gòu)機掘進頭多為圓形刀盤或復(fù)合圓形刀盤，掘進巷道非矩形，巷道底板需二次回填方能滿足輔助行車要求，同時巷道頂幫為圓弧形，存在無效使用空間，增加了掘進成本，因此，從實用性和經(jīng)濟性方面考慮，盾構(gòu)掘進在煤巷應(yīng)用需要解決巷道成形問題。

快速適應(yīng)巷道頂?shù)装遄兓厔荩含F(xiàn)階段巷道掘進多采用沿底掘進，掘進過程中需根據(jù)底板變化情況進行上坡或下坡調(diào)整，防止出現(xiàn)割頂或割底掘進、影響綜采回采情況。但現(xiàn)階段盾構(gòu)機整機尺寸大，設(shè)備轉(zhuǎn)彎半徑大，不能實現(xiàn)掘進角度調(diào)整的快速響應(yīng)。因此，考慮綜采回采方面的問題，盾構(gòu)機設(shè)計過程中必須有效降低設(shè)備轉(zhuǎn)彎半徑(包括左右轉(zhuǎn)彎和上下轉(zhuǎn)彎)，順應(yīng)底板坡度變化，滿足煤巷掘進要求。

設(shè)備快速拆裝：盾構(gòu)機雖然巖巷掘進效率較高，但盾構(gòu)機體積龐大，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝和拆卸工期較長，在一次性較長距離巷道掘進中優(yōu)勢明顯。針對短距離煤巷掘進施工，綜合考慮拆裝時間，與現(xiàn)階段掘進設(shè)備相比不具備優(yōu)勢。因此，盾構(gòu)機在煤巷掘進中必須進行設(shè)備小型化、模塊化設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)備的快速搬運和安裝，有效縮短設(shè)備安裝和回撤周期，提升綜合掘進效率。

易于檢修及換件：盾構(gòu)掘進在長距離巷道掘進過程中，設(shè)備可靠性和易于檢修是制約掘進效率的關(guān)鍵問題，盾構(gòu)機設(shè)備龐大、掘進過程中無聯(lián)巷、無法長距離后退等問題導(dǎo)致設(shè)備更換大型部件困難重重，尤其像盾構(gòu)機刀盤、驅(qū)動部等大型部件，更換配件更是難上加難。因此，盾構(gòu)機在設(shè)計階段，必須保證關(guān)鍵部件、大型部件的可靠性，預(yù)留檢修空間，提高檢修效率。

施工聯(lián)巷：在煤礦巷道掘進過程中，為了方便生產(chǎn)和輔助運輸，需在兩條巷道延伸方向間隔一定距離開通聯(lián)絡(luò)巷道，連采機掘進聯(lián)巷間距一般為50 m，掘錨機掘進聯(lián)巷一般間隔200 m左右。因此，盾構(gòu)掘進在煤巷中的應(yīng)用還需有效解決施工聯(lián)巷問題。

4 結(jié)語

盾構(gòu)巖巷的成功應(yīng)用為其在煤巷掘進中應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在國家智慧礦山建設(shè)的指引與號召下，在煤炭企業(yè)和相關(guān)單位的共同努力下，需逐一解決盾構(gòu)掘進在煤巷掘進中存在的問題，發(fā)揮盾構(gòu)機機械化程度高、掘進效率高、安全保障高、職業(yè)危害少的特點，盡早實現(xiàn)盾構(gòu)煤巷掘進。總結(jié)提煉盾構(gòu)技術(shù)在煤巷掘進過程中可能面臨的問題，可以為盾構(gòu)機在煤巷掘進中的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。