TBM掘進煤礦巷道研究現狀與展望

王要平 張風林 徐火祥 馮依贊 張海驕 唐彬

(1.淮南礦業(集團)有限責任公司; 2.安徽理工大學土木建筑學院; 3.安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室 安徽 淮南 232001)

我國長期以來一直將煤炭作為主要的一次能源，2021年煤炭消費量占據了能源消費總量的半數以上。為了更有效地利用資源，國務院發布了《能源發展戰略行動計劃（2014—2020）》，其中提出了在蒙東、寧東和晉北等地區建設14億噸級大型煤炭基地的計劃[1]。

目前，在煤礦巷道的掘進工程中，我國常采用鉆爆法施工。鉆爆法雖然有不受斷面形狀的限制，適應性強的優點，但在采用炸藥爆破時，易出現超挖、欠挖的現象。爆破對圍巖擾動大，后期圍巖支護難度較大。炸藥采用人工裝填，施工危險性高，勞動強度大，掘進效率低下。爆破后產生有毒有害煙塵，工作環境惡劣。而懸臂式掘進機破巖能力有限，難以在硬巖地層掘進。由此造成煤礦巖巷掘進速度落后于工作面回采速度，造成煤礦采掘失調。

全斷面掘進機（TBM）是一種機械化掘進設備，其采用滾刀破巖，可以實現破巖、出渣、支護等工序的同時進行，機械化程度高，能夠加快施工的速度，縮短工期，同時工人的施工環境也大大改善；其開挖斷面光滑，對圍巖的擾動很小，大大降低了對圍巖的擾動和環境的影響[2]。自20 世紀60 年代TBM 出現以來，已在隧道、水利、交通和市政工程中得到廣泛應用[3]。近年來，TBM也被應用到煤礦巷道掘進施工中。

本文針對TBM 掘進煤礦巷道工程問題，梳理分析煤礦巷道TBM 掘進研究現狀，總結TBM 掘進煤礦巷道施工中的問題和經驗，展望煤礦TBM 未來發展方向，為TBM 安全高效施工煤礦巷道，保障煤礦正常的采掘接替提供參考。

1 TBM掘進煤礦巷道研究現狀

1.1 TBM在平硐掘進工程中的應用

山西東曲煤礦為設計年產400 萬t 的特大型煤礦，20 世紀80 年代，為建設東曲煤礦，相關技術人員研制了開挖直徑為5 m 的EJ50 型全斷面巖巷掘進機并將其應用在東曲煤礦主平硐的掘進工程[4]。工程于1986 年6 月進行試掘進，試掘進期間最高月進為202 m，工程于1989年底掘進完成，共掘進3 600 m[5]。

同樣采用TBM 施工的還有位于新疆的瑪納斯澇壩灣煤礦副平硐掘進工程。該平硐的最大埋深為400 m，開挖直徑為6.46 m。工程于2014 年開始掘進，由中國鐵建二十四局集團承建，采用ZTE6420 復合式硬巖掘進機，掘進期間最高月進為364.5 m，共掘進了6 200 m[6]。由于工程所在位置地質條件較差，巖石多為軟巖且結構面非常發育，工程在克服這些困難的同時掘進速度依然大大快于普通礦用綜掘機。

1.2 TBM在斜井掘進工程中的應用

神華東補連塔煤礦2號副井的掘進工程是我國首次將TBM運用到煤礦斜井掘進的工程[7]。斜井的開挖半徑為7.62 m，最大埋深為280 m，巷道長度為2 745 m。工程于2015年7月開始掘進，并于同年的12月掘進完成，最高月進為639 m[8]。該工程的成功，打開了我國采用TBM 掘進煤礦巷道的新篇章，促進了TBM 在煤礦巷道掘進工程中的應用和對深部煤炭資源的開發。

陜西榆林可可蓋煤礦主、副斜井工程為TBM掘進工程，其中主斜井采用TBM施工的長度為5 040.937 m，副斜井采用TBM 施工的長度為5 192 m。工程于2021年4月TBM開始進場，掘進期間最大月進為812.6 m[9]。本工程是迄今為止采用敞開式TBM 施工的埋深最大、距離最長的煤礦斜井[10]。

1.3 TBM在立井巷道掘進工程中的應用

淮南礦業集團張集礦1413A高抽的部分掘進工程為TBM掘進，采用的TBM設備為世界首臺為煤礦立井巷道設計的TBM[11]。工程于2015 年開始，共掘進了704 m，最高日進尺30.7 m，平均日進尺13.5 m[12]。

2017年11月，陽泉新景煤礦8#煤采區南回風巷掘進工程采用了型號為QJYC045M 的TBM 進行施工，該TBM 與淮南1413A 高抽巷相同。巷道直徑為4.53 m，長達3 499 m。該項目實現了一次連續成巷，并且最高月進度達到了608 m[13]。同時,與淮南張集礦1413A 高抽巷相比，新景煤礦成功解決了底板巖渣對拖車運行的影響問題。

2 煤礦TBM裝備研究現狀

2.1 大直徑全斷面掘進機

EQC6330 型（新礦1 號）大斷面全斷面掘進機是北方重工為山東新汶礦業集團新巨龍礦區專門研發的，并被成功運用在該礦區的二水平北區回風大巷，是全球首臺應用于大埋深、長距離煤礦巖巷施工的大直徑全斷面掘進機。

該機全長86 m，質量700 t，開挖直徑為6.33 m，最高可用于200 MPa 的巖層，設計掘進能力為5.4 m/h，設計掘進速度為500～800 m/月。其特點具體如下。

2.1.1 掘進速度快

當圍巖強度較低、圍巖完整性良好的情況下，全斷面掘進機具有很高的掘進速度，在挖掘地層直徑為4～6 m、巷道巖石硬度達到100 MPa 的煤礦巷道時，它創下了單月1 209.8 m 的掘進紀錄。即使遇到軟弱圍巖、斷層和破碎帶等影響因素，其綜合掘進速度仍可達到每月600 m。

2.1.2 具有很好的適應性

該機能夠在強度不大于200 MPa 的巖石地層掘進，即使在巷道巖石強度較高的情況下，也能較為輕松的破巖；同時，由于全斷面整體一次成型，不會對圍巖產生太大擾動，因此在圍巖狀況不佳的地層也能使用，具有很強的適應性。

2.1.3 具有良好的防塵、制冷效果

該機采用多點式高效通風和除塵裝置，刀片表面采用多點式噴霧和降塵裝置，經過煤礦安全防爆資質認證，TBM 整機和各機電系統部件均符合嚴格的安全標準和要求。

隨著煤礦巷道掘進的難度加大，煤礦的開采和巷道的掘進之間的矛盾日益突出。EQC6330 型大斷面全斷面掘進機的出現有效地解決了這一難題，同時解決了支護速度跟不上掘進速度的難題，是國內煤礦巷道掘進裝備發展的一個重大的里程碑。

2.2 小直徑全斷面掘進機

EQS2530 型全斷面硬巖掘進機是世界上第一臺專門為煤礦巷道建設所設計的微型TBM，其開挖直徑為2.5 m，長為56 m，其中盾體為9 m，后配套與拖車為47 m，總重為132 t。淮南張集礦北一煤采區高抽巷的掘進就是采用的EQS2530 型TBM，在工程掘進的147天中，其平均月進300 m，并取得了淮南礦區通過盾構機盾構巖石巷道的單進新紀錄[14]。

EQS2530 型全斷面硬巖掘進機與大型盾構機相比，具備三大優勢。第一，該機具有安裝、拆卸方便快捷的特點，采用模塊化設計，部件可以整體運輸，從而減少了起吊環節，同時運輸、安裝、拆卸工作量小，大大縮短了安裝、拆卸時間。第二，該機型安全系數高，整機重量輕，降低了設備起吊、運輸的安全風險，同時設備由人員進行遠程操作，現場所需人員很少，且設備有多重保護系統，可以安全可靠地運行。第三，該機系統非常穩定，采用全液壓驅動，易于實現無級調速，且在設備運行時可以進行調速，液壓執行元件的運動平穩穩定，可實現過載保護，使用起來更加安全、可靠。

3 TBM掘進煤礦巷道圍巖支護研究現狀

3.1 錨桿支護

錨桿支護是通過對開挖面附近的巖石進行加固、擠壓巷道周圍破碎的巖體、懸吊開挖面快要掉落的巖石等支撐巷道結構，保持巷道結構的穩定性。在煤礦巷道支護中，采用錨桿支護可以有效減少煤礦安全生產事故，保證施工質量。

3.1.1 錨桿支護技術的優點

（1）機械化程度高。錨桿支護技術可以采用機械進行施工的方式，確保整體的施工質量，同時能有效縮短工期，降低施工成本。

（2）具有很強的靈活性。在具體工程中可根據工程情況調整支護參數，以提高支護效果，提升支護質量。

（3）具有很強的支護能力。錨桿支護可以有效提高巷道的抗震能力和承載能力，保持圍巖的穩定性，增強巷道的整體結構強度。

3.1.2 煤礦巷道掘進中錨桿技術應用的影響因素

（1）地應力。在設計錨桿參數前，應測量地應力大小。地應力的大小會對圍巖的形狀產生一定的影響。在巷道掘進工程中，如果地應力過大，就需要應用錨桿支護技術，以保證圍巖結構的穩定[15]。

（2）巷道圍巖強度。隨著圍巖強度的增大，圍巖對錨桿支護的作用力也隨之增大。因此，應充分考慮圍巖強度的影響，避免出現荷載超載等問題。

3.2 管片支護

使用護盾式全斷面掘進機掘進煤礦巷道時，一般采用圓形管片襯砌。管片按材質和形狀主要可分為鋼管片、球墨鑄鐵管片、鋼筋混凝土（RC）管片和復合型管片等。該方式的優點包括：（1）適用于軟巖，當圍巖較差，千斤頂不能獲得推力室，可采用尾部推力千斤頂對已安裝的管片來獲得推力；（2）采用雙護盾全斷面掘進機在圍巖較好時，可以同時進行掘進和換步來提高循環速度；（3）采用管片安裝機安裝管片，速度快，支護效果好，安全性高。

除錨桿支護和管片支護外，煤礦TBM 支護技術還有錨網噴等。此外，還有一些新的支護技術被不斷地研究出來。例如：唐彬等人提出了一種裝配式的支護結構，制作模型并進行足尺試驗，同時進行數值模擬[16]；胡雄玉等人提出一種煤礦斜井讓壓支護技術，即在高地應力作用下讓管片襯砌配合碎石可壓縮層的一種支護技術[17]。

4 TBM掘進煤礦巷道未來展望

4.1 TBM掘進體系的智能化

煤礦巷道的施工環境復雜多變，復雜的地貌地質條件給工程施工造成了許多不確定性，對施工人員的安全有著很大的威脅，因此未來使用TBM 進行巷道的施工會更加智能化，減少甚至不用工人實地作業，盡可能減少對施工人員危險。

4.2 煤礦TBM更加標準化

首先，TBM 設備的一些關鍵部件的標準化，不同TBM 設備間的零件可以相互更換，維修更為方便。其次，認證的標準化，煤礦TBM 的各個系統部件必須滿足要求才能獲得認證，使得TBM 掘進煤礦巷道更為安全。

4.3 提高煤礦TBM的地層適應性

目前，TBM 掘進巷道對圍巖的適應性還比較差，遇到軟弱巖層等時，會有卡機的風險，導致開挖進度緩慢。隨著科技的發展，未來TBM 掘進巷道會更加適應圍巖的變化。

4.4 煤礦巖巷TBM施工技術的多樣化

目前，礦用TBM 已經有許多新技術被成功應用，如超前地質預報技術、小轉彎半徑和智能支護技術等。未來，隨著更多的煤礦巷道的掘進工程采用TBM進行施工，與煤礦TBM 相關的新技術的研究也會越來越多，會有越來越多的新技術被研究出并成功應用于煤礦巷道的掘進施工中，TBM 掘進煤礦巷道的技術體系會更加完善。

4.5 TBM掘進煤礦巷道支護技術會更加豐富

目前，關于用TBM 掘進的煤礦巷道的支護方法還沒有一個完整的體系，有時會出現掘進速度快于支護速度，從而導致需要暫停掘進來等支護的進度的情況。在未來，與TBM 更加適應的支護技術會被研究出來，從而可以杜絕掘進速度與支護速度不匹配的情況。

5 結論

目前，TBM 在掘進煤礦巷道中的應用數量雖不如在地鐵等工程上的應用，但隨著掘進煤礦巷道的難度增大，以及TBM 在掘進煤礦巷道技術的成熟，TBM 在掘進煤礦巷道上的應用會越來越廣泛，在煤礦平硐、斜井、立井等巷道的掘進工程中均有應用，并取得了良好的成績。

針對不同工程、不同地質條件和不同施工要求，如大半徑、大埋深、長距離、高溫、高應力等工程情況，所研發的TBM 設備也更能滿足工程的需要。TBM 在掘進煤礦巷道的適應性也越來越強。

在TBM 掘進煤礦巷道的支護技術方面，雖然目前關于此方面的研究還較少，但隨著TBM 在掘進煤礦巷道上廣泛應用，已經有人對此方面進行研究，以后關于此方面的研究也會越加越多，煤礦TBM 支護體系會逐漸完善。