敞開式TBM設備在煤礦領域的應用探究

馮海龍

陜西正通煤業有限責任公司 陜西 咸陽 713600

1 引言

正通煤業公司在用TBM，全稱為敞開式全斷面隧道硬巖掘進機，型號ZT602。設備最大開挖直徑6.53m，整機長度167m，主機長度21m，重800t，總裝機功率3000kW。該設備是目前國內煤礦企業在用直徑最大的敞開式TBM。該設備集掘進、支護、出矸等施工工序于一體連續作業，是機、電、液、光、氣等系統集成的工廠化流水線掘進施工裝備，掘進速度為普掘施工的5～10倍、綜掘施工的3～5倍，具有快速、優質、安全、經濟等優點。

2 敞開式TBM設備在煤礦領域的初次嘗試

為了提高開拓大巷掘進速度，解決生產接續緊張的問題，正通煤業經過充分調研考察和技術論證，決定跨界引進TBM，以實現高效快速掘進，緩解礦井生產接續緊張局面。2017年3月公司首次提出“TBM應用于煤礦井下開拓大巷施工”的課題；2018年9月，確定設備制造單位未鐵建重工；2019年8月完成巷道布置設計和設備設計方案，開始設備制作及現場的準備施工；2020年4月完成TBM設備下線驗收；2020年5月TBM設備開始進場；2020年6月15日開始入井組裝；2020年8月27日設備主體組裝完成并聯調聯試；2020年9月18日開始試掘進；10月1日正式掘進。正通煤業TBM項目采用礦方采購并無償提供工程實體材料，承包人帶TBM掘進機、后配套設備及施工人員等完成井巷工程施工的合作方式。首次掘進過程中，通過施工人員和設備之間磨煉，為敞開式TBM設備在煤礦領域真正應用奠定了基礎，積累了寶貴經驗。

3 敞開式TBM設備在煤礦領域的成功應用

高家堡煤礦井田范圍廣、面積大，但資源賦存不均衡。礦井東西縱跨近26公里，同時受沖擊地壓影響，盤區開拓大巷全部布置在巖層中，開拓工程量巨大。各采區及采煤工作面垂直大巷單翼順序布置，采掘接續和采掘活動的展開都嚴重受限于開拓大巷的及時快速延伸。在除此嘗試敞開式TBM設備后，項目組對合作方式和人員配置進行了優化設計。敞開式TBM施工范圍為正通煤業公司西區開拓大巷掘進，共計巷道長度13000m。公司配備TBM施工隊伍一支，在冊人員143人，其中管理人員22人，地面13人，井下直接工78人、輔助工30人；勞動組織方式為“三八制”，具體井下勞動定員情況:每班共33人，其中維修工6人，TBM司機1人，支護工14人、后圍工5人、攪拌站司機1人、拌料工2人、錨噴工3人、皮帶機司機1人。

根據制約井下巷道掘進速度的兩個關鍵點:破巖及支護，正通煤業公司制定了“先掘后錨”、“一掘一錨”、“分區支護”的掘進施工方針，詳細工藝描述如下:

巷道破巖方面:采用TBM大推力擠壓破巖、旋轉割巖方式實現巷道掘進，截割步距1.2m，正常地質條件下用時約0.5h。

巷道支護方面:因TBM設備自帶支護系統靈活性較差，目前巷道支護改用人工抱鉆方式打設。目前TBM設備配有四個支護平臺，具備4部支護設備同時施工，為盡可能縮短支護時間，正通煤業公司根據設備支護平臺設置人為將巷道支護劃分為四部分同時施工，平均每個支護區域負責2.5棵錨桿及2.3棵錨索支護，正常情況下每個步距支護用時1小時。

巷道噴漿方面:因其噴漿工作量較大，正通煤業公司在井下建造了專用噴漿料的攪拌站，通過專用罐車經電機車運送至TBM噴混系統位置，其噴方式為人工遙控的濕式機械噴漿方式，噴漿量為0.82m3/m

物料運輸方面:采用電機車軌道運輸至鐵路端頭，端頭距迎頭約40m，該40m區域物料需人工運輸。

4 敞開式TBM設備在煤礦領域創佳績

自2020年10月開掘以來，項目小組通過對敞開式TBM設備進行了一系列適應性局部改造，解決了液壓錨桿機靈活度不足、支護空間不足、冒頂片幫后底部矸石清理困難及頂板破碎帶的臨時支護問題等一系列難題，TBM掘進速度不斷提升:2020年10月份有效生產天數24d，完成進尺182m，單進7.6m/d；11月份有效生產天數30d，完成進尺304.8m，單進10.16m/d；12月份有效生產天數24d，完成進尺260m，單進10.83m/d；2021年1月份有效生產天數26d，完成進尺275m，單進米10.58m/d，掘進效率呈逐步上升態勢。

5 敞開式TBM設備在煤礦領域應用前景及發展方向

相對于普通的采掘設備，敞開式TBM設備直徑為6.53m，設備體積大。設備機組部件從地面運送到千米以下的井下是一個難題，而井下空間相對狹窄，如何順利高效進行設備組裝也是難題。為了更順利地將設備組件從地面運送到井下現場，將部件設計成分體式組裝結構，或者設計成自動化伸縮的方式，是解決上述問題的有效途徑。在設備主梁結構設計上，可采用下沉的形式，便于增加主梁前段上部操作空間，方便錨桿鉆機布置，有利于解決支護錨桿在施工過程中必須通過隧道界面中心線的難題。通過優化主梁設計結構，留下更多的空間，便于施工操作，而且也便于清理刮板機，有效避免皮帶機下部堆積渣料情況。此外，針對敞開式TBM設備體積大的問題，繼續探索輕型TBM設備是未來發展應用的重要方向。目前，正通煤業公司在目前TBM成功應用及輕型TBM實地調研的基礎上，繼續探索輕型TBM在井工長距離、小斷面巖巷中的應用，目前輕型TBM設備已經開始初次嘗試應用，掘進目標400米/月。另外，通過敞開式TBM施工經驗進行總結，發現影響掘進效果的因素主要是地質因素、刀具性能、機械設備功率、操作技術水平、管理組織水平。未來，敞開式TBM設備在煤礦領域中的應用研究也將圍繞上述因素展開。如加強地質勘察工作，使TBM設備施工工藝和地質環境條件更匹配；制定TBM設備操作、維護、檢修、管理等制度和標準，便于提高TBM設備使用規范度，減少設備誤操作；做好相關工作人員的技術培訓，使TBM施工過程更加順利，提高設備使用效率。

6 結語

綜上所述，隨著現代化技術的快速更迭，采掘行業中的一體化設備也越來越多。敞開式TBM設備在煤礦領域中的應用雖然剛剛起步，但是已經表現出了安全、高效、智能、環保等綜合優勢，符合煤礦產業時代發展的需求。未來隨著從業人員的深入研究，結合實際應用狀況，敞開式TBM設備將得到更普遍的應用，推動煤礦企業高質量發展。