全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)在和瑞煤業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐

韓軍義

（山西澤州天泰和瑞煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021）

山西澤州天泰和瑞煤業(yè)近年來(lái)新掘巷道中全巖巷道占比達(dá)35%左右。該煤礦采用鉆爆法施工全巖巷，破、裝、運(yùn)、支無(wú)法連續(xù)作業(yè)，掘進(jìn)效率低下，且粉塵濃度較高，嚴(yán)重制約礦井的生產(chǎn)接替。因此，必須對(duì)全巖巷道掘進(jìn)設(shè)備及工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[1-3]，有效提高全巖巷道的掘進(jìn)效率。

1 工程概況

山西澤州天泰和瑞煤業(yè)礦井面積1.243 5 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力45 萬(wàn)t/a，主要開采3#煤層。和瑞煤業(yè)西一盤區(qū)回風(fēng)巷長(zhǎng)度2235 m，滿足西一盤區(qū)回風(fēng)、行人、運(yùn)輸?shù)男枰Ｎ饕槐P區(qū)回風(fēng)巷開采的3#煤層厚度5.60～6.10 m，平均厚度5.80 m；煤層傾角1°～3°，平均傾角2°。直接頂為泥巖，厚度1.07～2.18 m；基本頂為中砂巖，局部為砂質(zhì)泥巖，厚度1.54～15.86 m。煤層硬度f(wàn)=5。巷道底板與3#煤留設(shè)54 m 層間距。根據(jù)鄰近巷道揭露，預(yù)計(jì)里程794 m、1254 m、1498 m 處分別存在H>7.0 m、16.5 m 和19.8 m 的正斷層，無(wú)陷落柱、沖刷等其他構(gòu)造。

西一盤區(qū)回風(fēng)巷設(shè)計(jì)斷面直徑5.8 m，掘進(jìn)斷面面積26.42 m2，全巖網(wǎng)噴支護(hù)，噴漿厚100 mm。支護(hù)采用Φ22 mm×2400 mm 的MG400 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，以巷道中心線對(duì)稱布置，間排距為1200 mm×1000 mm，每排7 根，配W 型鋼帶（450 mm×280 mm×3 mm）、碟形托盤（150 mm×150 mm×10 mm），掛Φ4 mm 菱形金屬網(wǎng)。采用1 支MSK2330 和1 支MSZ2360 樹指錨固劑。

2 全巖巷道掘進(jìn)設(shè)備分析

為實(shí)現(xiàn)全巖巷道的快速掘進(jìn)，和瑞煤業(yè)引進(jìn)了SS51300 型盾構(gòu)機(jī)作為全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)使用。SS51300 型盾構(gòu)機(jī)采用模塊化結(jié)構(gòu)，由刀盤、護(hù)盾、支護(hù)平臺(tái)及后配套臺(tái)車四部分構(gòu)成，采用全斷面刀盤一次性破巖成巷，開挖直徑5.8 m，總長(zhǎng)65 m，質(zhì)量480 t，最大爬坡能力5°，最小轉(zhuǎn)彎半徑70 m，整機(jī)功率2400 kW。

盾體總長(zhǎng)9 m，包括前盾、中盾和尾盾3 部分。前盾為敞開支撐式，主要用于支撐刀盤和主驅(qū)動(dòng)，并作為主推油缸回縮時(shí)的支撐點(diǎn)，內(nèi)裝350 kW 變頻電機(jī)6 臺(tái)，用于驅(qū)動(dòng)主軸承及刀盤工作。中盾為伸縮盾，可前后伸縮保證設(shè)備的正常步進(jìn)，內(nèi)設(shè)8組主推油缸，是設(shè)備前進(jìn)的動(dòng)力，并設(shè)16 組鉸接油缸，連接前盾和尾盾。尾盾為盾體前進(jìn)推力的支撐點(diǎn)，總質(zhì)量超過(guò)100 t。刀盤直徑5.8 m，可雙向旋轉(zhuǎn)，利用滾刀碾壓破碎巖石。

后配套：包括錨桿鉆平臺(tái)、臺(tái)車及各類配套設(shè)備。后配套包含多個(gè)系統(tǒng)。排矸系統(tǒng)：由盾體內(nèi)的移動(dòng)式帶式輸送機(jī)、尾盾和后配套臺(tái)車內(nèi)的固定帶式輸送機(jī)組成。支護(hù)系統(tǒng)：由支護(hù)平臺(tái)、2 臺(tái)液壓錨桿機(jī)和指形護(hù)盾組成，可作為臨時(shí)前探梁，并對(duì)網(wǎng)片進(jìn)行存儲(chǔ)和支撐，可在150°擺角范圍內(nèi)支護(hù)作業(yè)。超前鉆探系統(tǒng)：在錨桿鉆平臺(tái)下方安設(shè)氣動(dòng)鉆機(jī)，可實(shí)現(xiàn)超前鉆探90 m，滿足井下探放水要求。泡沫系統(tǒng)：主要是通過(guò)注入泡沫改良渣土性質(zhì)，防止泥巖黏結(jié)在刀盤上而降低切削效率，降低刀盤扭矩，減少刀具磨損，保證順利排矸。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 井下組裝

3.1.1 組裝室布置

本次盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)井下組裝，硐室全長(zhǎng)90 m，分為始發(fā)硐室、盾體組裝硐室、臺(tái)車存放硐室和臺(tái)車組裝硐室4 部分。硐室施工斷面大、支護(hù)難度大。硐室內(nèi)布置龍門吊3臺(tái)，包括100 t的1臺(tái)、5 t的1臺(tái)、10 t 的1 臺(tái)。

3.1.2 硐室支護(hù)參數(shù)

盾體組裝硐室掘進(jìn)斷面面積達(dá)120 m2，采用全巖錨網(wǎng)噴支護(hù)，噴漿厚度120 mm，采用分層施工，采用Φ22 mm×2400 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距1800 mm×1000 mm，錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×6300 mm，間排距1800 mm×1000 mm，錨桿、錨索交替布置，錨桿配W 型鋼帶（4800/3900/3000 mm×250 mm×4 mm），同時(shí)采用錨索組補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，“3-2-3”布置，錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×6300 mm/8300 mm，間排距3000 mm×2000 mm。

始發(fā)硐室掘進(jìn)斷面面積30.76 m2，全巖錨網(wǎng)噴支護(hù)，噴漿厚度200 mm。因盾構(gòu)機(jī)撐緊油缸行程較小，硐室要求質(zhì)量較高，施工難度較大。

3.1.3 組裝工藝、工序

（1）裝運(yùn)方式受罐籠及巷道運(yùn)輸能力限制，盾構(gòu)機(jī)裝運(yùn)分2 個(gè)階段，I 階段（地面卸裝、入井、運(yùn)輸）：經(jīng)地面龍門吊卸車并裝至特制平板車后，分批進(jìn)、出罐籠，并運(yùn)至組裝鬧室；Ⅱ階段（井下硐室卸車、組裝、調(diào)試）：經(jīng)硐室內(nèi)的龍門吊卸車、組裝，待組裝完成后進(jìn)行調(diào)試。

（2）組裝方案先組裝主機(jī)，后組裝后配套臺(tái)車，即先完成刀盤、主驅(qū)動(dòng)、前盾、中盾和尾盾組裝工作，然后完成連接橋、錨桿鉆、潛孔鉆、帶式輸送機(jī)和臺(tái)車等后配套的組裝工作，最后完成管線連接，整機(jī)組裝完畢。

3.2 盾構(gòu)機(jī)施工工藝和工序

3.2.1 施工工藝

通過(guò)將旋轉(zhuǎn)刀盤向工作面不斷推進(jìn)，利用高強(qiáng)度滾刀擠壓破碎巖石形成小塊，再通過(guò)鏟刀將巖石碎塊經(jīng)收渣口帶到刀盤中心的溜渣槽，落至輸送帶上完成排矸。

盾構(gòu)機(jī)破巖掘進(jìn)循環(huán)行程1 m，當(dāng)一個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)，首先將尾盾各護(hù)盾伸出撐緊巖壁作為支撐點(diǎn)，啟動(dòng)帶式輸送機(jī)；然后主驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，同時(shí)中盾主推油缸伸出并向前推進(jìn)，使刀盤滾壓切削工作面巖體，產(chǎn)生的渣子進(jìn)入刀盤內(nèi)的溜渣槽并集中滑落至帶式輸送機(jī)完成出矸；主推油缸完成1 m 最大行程后，將前盾各護(hù)盾伸出撐緊巖壁作為支撐點(diǎn)，期間工作人員在指形盾的保護(hù)下進(jìn)行支護(hù)作業(yè)；支護(hù)完成后再收回尾盾各護(hù)盾，主推油缸收縮并牽引后配套系統(tǒng)向前移動(dòng)1 m，即可進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

3.2.2 施工工序

安全檢查（15 min）→施工準(zhǔn)備、設(shè)備檢查（15 min）→尾盾的頂護(hù)盾和左右側(cè)護(hù)盾打開撐緊巖壁（3 min）→前盾的頂護(hù)盾和左右側(cè)護(hù)盾打開貼住巖壁（2 min）→倒序啟動(dòng)各部帶式輸送機(jī)（1 min）→啟動(dòng)刀盤，根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)并推進(jìn)（30 min），推進(jìn)過(guò)程與排矸、支護(hù)平行作業(yè)→一個(gè)掘進(jìn)行程結(jié)束，停止刀盤和帶式輸送機(jī)（1 min）→前盾的頂護(hù)盾和左右側(cè)護(hù)盾繼續(xù)打開撐緊巖壁，然后尾盾各護(hù)盾縮回（2 min）→主推進(jìn)油缸收回，牽引后配套臺(tái)車、三運(yùn)橋式轉(zhuǎn)載機(jī)前行（10 min）→下一個(gè)循環(huán)。

現(xiàn)階段正規(guī)作業(yè)循環(huán)1 m，用時(shí)80 min，按“2×12 h”工作制組織生產(chǎn)，其中早班檢修4 h，即正常可日進(jìn)15個(gè)循環(huán)。因前期為工業(yè)試掘進(jìn)階段，日循環(huán)相對(duì)較低，隨著設(shè)備的適應(yīng)性、人員的操作熟練程度提高，單循環(huán)時(shí)間可降至45～60 min，日進(jìn)尺可達(dá)20 m。

3.2.3 盾構(gòu)機(jī)隊(duì)勞動(dòng)組織

盾構(gòu)機(jī)隊(duì)正常出勤65 人，其中生產(chǎn)班平均16人，檢修班平均8 人，巷道掘進(jìn)采取“2×12 h”工作制，3 個(gè)生產(chǎn)班輪替作業(yè)。

3.2.4 支護(hù)工藝

臨時(shí)支護(hù)：采用指形盾作臨時(shí)前探支護(hù)，作業(yè)人員在指形盾的保護(hù)下，可實(shí)現(xiàn)150°擺角范圍內(nèi)支護(hù)作業(yè)。

永久支護(hù)：施工前在指形盾上放置金屬網(wǎng)→隨尾盾頂護(hù)盾升起緊貼巖壁→標(biāo)定眼位→利用前部錨桿鉆機(jī)依次施工4#、2#、6#錨桿孔→安裝樹脂錨固劑、錨桿、鋼帶、托盤→預(yù)緊錨桿達(dá)到設(shè)計(jì)要求→盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)向前推進(jìn)→后部液壓錨桿鉆機(jī)補(bǔ)充施工3#、5#、7#、1#錨桿孔→安裝樹脂錨固劑、錨桿、鋼帶、托盤→預(yù)緊錨桿達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.3 效果分析

從2021 年3 月1 日至2021 年4 月底，實(shí)際生產(chǎn)50 d 左右，掘進(jìn)進(jìn)尺510 m，平均日進(jìn)尺10.2 m，最高日進(jìn)尺28.6 m。隨著操作工人日漸熟練，單進(jìn)正在穩(wěn)步上升，預(yù)期月進(jìn)尺可達(dá)450 m 以上。對(duì)比之前的鉆爆法，掘進(jìn)速度提高了3.8 倍。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

以和瑞煤業(yè)西一盤區(qū)回風(fēng)巷為研究對(duì)象進(jìn)行工程費(fèi)用測(cè)算，采用鉆爆法與盾構(gòu)機(jī)法的對(duì)比進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。鉆爆法所需人工費(fèi)約1 531.20 萬(wàn)元，材料費(fèi)約472.32 萬(wàn)元，機(jī)械費(fèi)約163.08 萬(wàn)元，合計(jì)2 166.60 萬(wàn)元，按預(yù)算取費(fèi)后共計(jì)3 521.38 萬(wàn)元，因此鉆爆法每米掘進(jìn)單價(jià)為1.601 萬(wàn)元；盾構(gòu)機(jī)法所需人工費(fèi)約496.32 萬(wàn)元，材料費(fèi)約1 143.16 萬(wàn)元，機(jī)械費(fèi)約356.32 萬(wàn)元，合計(jì)2 166.60 萬(wàn)元，按預(yù)算取費(fèi)后共計(jì)3 226.89 萬(wàn)元，因此盾構(gòu)機(jī)法每米掘進(jìn)單價(jià)為1.467 萬(wàn)元。盾構(gòu)機(jī)法對(duì)比鉆爆法掘進(jìn)作業(yè)每米單價(jià)低1340 元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)論

SS51300 型盾構(gòu)機(jī)集破、裝、運(yùn)、支于一體，可以有效提高巷道掘進(jìn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。以和瑞煤業(yè)西一盤區(qū)回風(fēng)巷為案例，進(jìn)行了SS51300 型盾構(gòu)機(jī)的全斷面硬巖快速掘進(jìn)工藝的實(shí)踐應(yīng)用研究。實(shí)踐效果理想，西一盤區(qū)回風(fēng)巷掘進(jìn)速度提高了3.8 倍，對(duì)比鉆爆法掘進(jìn)作業(yè)每米單價(jià)低1340 元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。SS51300 型盾構(gòu)機(jī)在應(yīng)用過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)個(gè)別部件仍然超長(zhǎng)、超重，給盾構(gòu)機(jī)始發(fā)硐室的建設(shè)、盾構(gòu)機(jī)組裝、始發(fā)以及設(shè)備運(yùn)輸?shù)葞?lái)挑戰(zhàn)，同時(shí)盾構(gòu)機(jī)施工工藝、工序與以往掘進(jìn)工藝、工序大不相同，在設(shè)備操作、導(dǎo)向測(cè)量、超前鉆探、液壓錨桿鉆機(jī)操作等方面人才短缺，這些都是需要克服的問(wèn)題。