全断面隧道掘进机（TBM）在煤矿中的应用研究

2019-01-21杨简

中国资源综合利用 2019年3期

杨简

（华能云南滇东能源有限责任公司矿业分公司通防部，云南曲靖 655508）

在煤矿井巷工程施工过程中，全断面隧道掘进机是能够同步进行巷道掘进排矸和支护的大型成套机械化施工设备。全断面隧道掘进机主要包括盾构机、硬岩隧道掘进机两类，主要适用于开挖地层硬度比较高的硬岩地层以及稳定性比较强的围岩地层等。全断面隧道掘进机在城市地铁隧道工程建设和矿山企业井巷工程掘进中有着十分广泛的应用。

1 TBM在煤矿中的应用概述

煤矿企业是我国最主要的能源企业之一，相关煤矿施工工程质量和进度直接关系着煤矿的产出以及相应的经济效益。煤矿矿井建设最主要的工程是井巷工程，其至少占总工程量的40%，建井周期比较长，技术要点也比较多。施工过程中容易受到各种因素的影响，因此要想保证整体矿井工程施工进度和工程效益，必须确保井巷工程的施工速度和质量[1]。

在煤矿矿井工程施工建设中，矿井的开拓对于整个施工过程起到决定性的影响，直接决定了矿井基建工程量的大小和相关施工技术的应用，最主要的是直接关系矿井未来的生产效益。因此，要加强对矿井开拓工作的管理，运用现代化的技术手段确保矿井开拓高效，煤矿常用的开拓技术和工艺主要包括钻爆法、悬臂式掘进机等。这些施工技术虽然在当前煤矿行业有广泛的应用，但是其工程建设速度比较慢，安全风险较大，相应的人员工作环境较差，井下成型质量也难以得到保证，难以满足企业对大型现代化矿山工程的要求，所以需要对传统的矿井开拓方式进行改革，采用先进的开拓技术来提高整体施工质量[2]。

采用盾构机和全断面隧道掘进机法进行煤矿矿井施工，可以确保整个施工工程在安全的情况下进行，减少生产过程中的不安全因素，保障企业员工的生命安全。就目前来看，TBM与盾构工法施工相对安全可靠，技术也相应成熟起来，相对于传统掘进工艺来说，TBM方法掘进速度比较快，大大缩短工期，相应巷道成型的质量也能得到保证。人工劳动环境也得到很大改善，施工安全性强。该方法在一些大型煤矿企业巷道掘进工程建设中有着突出的优势，可以有效降低整个生产的成本。所以，在对大型煤矿工程进行巷道掘进施工时，要优先使用TBM工法或者盾构法来有效提升地下资源的开发利用率，改进巷道掘进工艺，提升整个煤矿企业的工作效率[3]。

2 TBM在煤矿中的应用实例

2.1 平峒掘进工程

采用平硐开拓的矿井一般煤炭赋存和开采条件比较简单，需要的设备较少，相应的经济效益比较高。例如，我国新疆玛纳斯涝坝湾煤矿就是一个典型的煤矿平硐工程，该工程项目位于乌鲁木齐100 km内的玛纳斯县里塔西河的南侧。在进行主平硐工程改造时，扩建副平硐工程采用的施工方法就是全断面隧道掘进机施工方案，副平硐全长约为6000 m，平硐坡度为0.004，最大的埋深是400 m[4]。该工程项目地工程地质以粉砂质泥岩、泥质粉、砂岩细砂岩以及中砂岩为主，相应的地质条件在饱和状态下，单轴极限抗压强度超出40 MPa，软化系数在0.17～0.75。该副平硐工程建设项目所在地多为一软化的岩石，岩石层间结合力较小，一般结构强度较低，结构面发育程度比较高。综合分析当地的地质条件来看，虽然施工比较简单，但是由于岩石之间的结合力较小，施工期间容易出现坍塌，岩石总体的抗剪断能力比较低。所以，在进行施工掘进之前，需要对影响施工过程的各种因素进行讨论，并对相应施工的风险进行探究，确保整个工程的安全，选择合适的施工方案，运用相应技术来支撑施工，减少人员的投入，保证施工人员的安全[5]。

该项目使用的设备为复合型盾构机，盾构机在工程项目开始的两年时间里，成功贯通掘进里程约为6000 m，与传统的施工方案相比，利用盾构机进行施工可以显著提升施工速度，效率是原有施工技术的三倍以上。盾构机总推力约为12000 kN，盾构机正常工作的推进速度为30 mm/min，从最初的设计方案来看，盾构机的总体性能可以达到相应的施工要求。但在实际工程项目施工中，盾构机的应用仍然存在一定的难度[6]。相对于传统施工项目来说，盾构机的设备成本比较高，在该工程项目中，盾构机的设计和应用也会面临各种问题。

首先，该工程项目需要的一次性施工距离长，在利用盾构机进行施工时，需要盾构机持续不断地工作。我国盾构机大都使用六米直径系列，盾构机单次接近6000 m的巷道工程较少，基本没有相关案例可以遵循，这就对盾构机的相关寿命和维护工作提出了新要求。在盾构机工作过程中，相关技术人员要及时对盾构机出现的问题进行解决，定期排查故障，维护盾构机关键部件。此外，在盾构机掘进完成后要在洞内进行拆机，因此在进行盾构机结构设计时，必须考虑到盾构机在有限空间内实现拆机操作，确保盾构机能够充分发挥其掘进作用。在进行地层开挖时，由于乙醚岩砂岩为主的地层抗拉强度比较大，因此需要盾构机相应的刀盘刀具和螺旋输送机，具有较高的抗磨强度和抗腐蚀能力，确保整个施工工程安全平稳地进行。煤层区域对设备也有一定的安全性要求，尤其是要求设备具有防爆性设计，做好盾构机的有害气体监测工作，在盾构机中设计应急系统，并安装防爆紧急处理系统，在盾构机施工过程中减少安全隐患。

2.2 斜井掘进工程

经过多年的持续开采，我国很多埋藏较深的煤矿已经消耗殆尽，需要对煤炭资源进行进一步的开发和利用，主要通过斜井巷道来实现皮带机连续出煤，利用先进的技术提高煤炭运送能力，从而加强深埋层煤矿的开采。当前，煤矿主井采取斜井开拓，是未来大型深埋矿层建设的主要发展方向。但是，斜井开拓方式的建设成本较高，距离较长，建井周期较长，占地面积较大，需要更高的技术标准。以我国内蒙古鄂尔多斯新街台格庙煤矿斜井项目工程建设为例，该工程共规划有7个井田，煤炭产能约为2000万t/a，其中采用主副斜井开拓，采用全断面隧道掘进机方法进行工程掘进试验，最大埋深有690 m，总长度约为6000 m，坡度为6°。

该项斜井工程地段以砂质泥岩、泥岩等为主，断面的稳定性比较强，相应的局部施工存在断层破碎带、高压富水层以及软岩变形等情况。工程地质特点综合复水性偏下，透水系数不高，工程地质和水文条件比较适合应用全断面隧道掘进机技术。根据斜井工程的特点进行分析，斜井工程具有深埋较长、富水高压、连续下坡以及地层多变的特点，施工前，需要根据相关工程项目的具体要求开展充分的工程调研，制定有效的施工方案，专家审核通过后才可以进行施工。

最终使用的施工方案是单护盾式全断面隧道掘进机掘进和集成土压平衡盾构机掘进模式。这两种掘进模式在施工过程中可以根据施工实际情况相互转换，保证设备具有较高的施工效率和较好的地质适应性。斜井掘进施工工程虽然具有较好的经济效益和成本控制优势，但是在相关设计和应用过程中也存在一定的困难，比如斜井巷道深埋的距离比较大，要求施工设备具有良好的稳定性，相应地，需要保证关键零部件的使用寿命，而且在掘进过程中要能够进行维护。要保证相应的主驱动轴承、刀盘刀具、管片拼装机以及螺旋输送机的工作效果。

其次，掘进施工期间可能需要长距离的连续下坡工作，因此需要提升物料运输设备的工作效率，加强相应通风系统和排水系统的建设。相关设备必须具有良好的安全性，优化整个施工流程，施工期间，重载物料频繁运输、皮带机断带、胶轮运输车下坡紧急制动以及有害气体增加等情况，都会影响全断面隧道掘进机的使用性能，进而影响整个工程项目的建设效率。

最后，全断面隧道掘进机在较大坡度施工时，相关设备必须实现动力原位拆解，并综合考虑施工期间的地层加固、大尺寸部件分块设计、洞内吊装方案设计以及相应的拆机工装研制等情况，保证全断面隧道掘进机实现洞内原位拆解的功能。另外，其需要在局部地段实现不同模式的转换，以适应不同的地质环境，确保掘进效率。在进行局部区段掘进模式转换时，需要明确出渣系统和刀盘转换等工作内容。实际操作中，由于巷道内工程施工空间比较小，而工作量较大，因此在考查设备施工性能时，要重点提高掘进模式转换效率，确保整个工程的施工质量。

3 TBM的发展趋势

随着各种工程项目的持续开展，掘进机的市场需求量呈现稳定增长的趋势，具有非常广阔的市场前景。盾构机和全断面隧道掘进机在煤矿矿井工程中的应用日益广泛，尤其是在煤矿井巷工程项目中，获得了大量成功的应用。TBM掘进工艺是矿井建设的未来发展方向，表现出无与伦比的优势，有效创新了我国矿井开拓方式，完善了TBM产品系列，整体提升矿井施工的关键技术水平和经济效益。

近年来，掘进机应用技术水平和产品制造工艺不断提高，尤其是在煤层矿井不同断面尺寸的研究和开发中，相应的全断面隧道掘进机针对性系统的开发和参数设置已经提上煤矿掘进机改革的日程。TBM掘进工艺不断得到优化，随着煤矿工程项目的不断增大，我国的全断面隧道掘进机不断发展并日趋成熟。未来，掘进机的应用领域会更加广阔。但是，TBM技术在当前煤矿工程中并没有得到有效的推广，很多企业仍然延续传统的煤矿掘进技术，掘进速度较慢，经济效益也较低，因此加大TBM掘进机在煤矿施工的应用是当前TBM技术推广的目标。