TBM盾构机在阳煤集团大断面岩巷中的研究与应用

柴文军

（阳泉煤业（集团）有限责任公司三矿，山西 阳泉 045000）

0 引言

阳煤集团所属的绝大部分煤矿为高突矿井，开拓准备等巷道主要布置在岩层，同时为治理采掘工作面瓦斯施工的高位抽采巷、低位抽采巷和底抽巷均为岩巷，因此阳煤集团岩巷进尺量很高。根据统计，近五年岩巷进尺基本稳定在10万米，占进尺总量的29.6%，而开拓准备等大断面岩巷进尺量占岩巷进尺总量的30%以上。目前，阳煤集团岩巷仍主要采用传统的钻爆法，掘进效率低、劳动强度大、作业环境差，严重制约矿井建设速度和水平采区的有序接替，不能适应煤矿高效生产的需求。

盾构掘进技术在隧道、地铁等领域的应用十分广泛，具有掘进速度快、机械化程度高、劳动强度低等优势，是一种比较先进的施工技术[2、3]。目前，国外已有一些煤矿将盾构掘进技术应用于煤矿井下巷道掘进，并取得了良好技术效果。我国很多煤矿也开始进行盾构掘进技术在煤矿中应用的尝试，并取得了一定的实践经验。神东补连塔煤矿2号辅运巷道，采用单护盾式盾构施工，盾构掘进直径7.63m，总掘进长度2718m，最高月进尺639m[4]；淮南矿业集团张集矿2015年初试验QJYC045M敞开式盾构机，取得了最高班进尺14.5m，最高日进尺30.7m，平均日进尺13.5m，折合月进尺404m[5]。

1 试验地点基本情况

1.1 巷道概况

阳煤集团新景公司+525水平保安8#煤采区南回风巷（简称南回风巷，下同），设计长度3724m，巷道主要用于保安8#煤采区的通风，兼具行人、运输的作用。巷道断面为圆形,荒直径4.53m，净直径4.33m，巷道荒断面 16.12m2，净断面 14.73m2，为全岩锚喷支护，喷厚100mm。

巷道布置在8#煤层上部9～14m的K7砂岩层中，埋深约560m，岩层情况稳定，倾角平均4～5°，顶板为中粒砂岩或细粒砂岩，底板为泥岩。地表位于阳泉市郊区旧街乡高岭村附近的山梁沟谷地带，所在位置无建筑物、村庄、铁道等，对巷道施工无影响。巷道井下位于尚未施工的保安8#煤采区轨道巷以南，两巷道水平距离约55m，南侧为未开拓区域，巷道掘进对周围巷道无明显影响，巷道开拓布置平面如图1。

图1 巷道开拓布置平面图

1.2 水文地质情况

新景公司太原组灰岩和山西组砂岩两含水层的含水量非常小，补给条件也非常差，在采掘空间局部低洼处（如向斜轴部）可能出现局部淋水或少量涌水现象，对采掘活动影响较小。根据探测得知，巷道掘进过程中遇到的断层均为中小断层，揭露的陷落柱基本不含水。

1.3 瓦斯情况

巷道在掘进过程中，瓦斯涌出量较小，个别瓦斯涌出量较大处，采取打排放孔的方式对瓦斯进行释放，必要时进行瓦斯抽放。全程进行通风及瓦斯监测，积极采取防排瓦斯措施，以保障巷道施工安全顺利。

1.4 支护设计

巷道开口至360m位于8#煤与6#煤之间的砂质泥岩中，巷道支护设计为锚喷，每排布置3根顶锚索，间排距1m；锚杆、锚索交替布置。锚杆规格：Φ20×2000mm螺纹钢，间排距0.8×1m；锚索规格：Φ21.6×7200mm；进入6#煤与8#煤之间的k7砂岩后，沿砂岩中部施工，巷道底板距8#煤层间距约8-20m，K7砂岩厚度1.3～13.78m，平均厚度7.5m，巷道顶部锚索“二一二”交替布置，锚索间距2m，排距 1m，规格：Φ21.6×6200mm，见图 2、图 3。

2 盾构掘进设备简介

全断面岩石掘进机（TBM）是当今最先进的掘进装备，阳煤集团从2015年开始，联合科研单位和装备制造厂家一起研究讨论调研盾构掘进技术，经过前期多方调研了解和实地考察，发现QJYC045M全断面岩巷掘进机（盾构机）比较基本能满足我公司试验需要，且该机型之前也有过在其他公司的应用经验。

图2 巷道断面布置图

图3 巷道断面支护示意图

QJYC045M敞开式盾构机由北方重工集团有限公司制造生产，开挖直径Φ4.53m，总长55m，总重400T。由刀盘、驱动、护盾、大梁、撑靴推进机构、后支撑机构、支护机构、后配套拖车等构成，是集掘进、支护、出渣、导向、防爆技术于一体的高度机械化、自动化的大型设备。可适应岩石单轴抗压强度30MPa-300MPa的岩巷施工，配有完善的甲烷、温度、压力、流量等多种传感器。实现了安全、高效、环保的煤矿岩巷掘进施工。主要技术参数见表1。

3 TBM盾构机工业试验情况

3.1 TBM盾构机安装

1）前期准备：TBM盾构机安装前需做安装硐室、始发硐室、敷设安装轨道、钢板、安装基础，施工起吊锚索、安装起吊钢梁等，前期准备工作周期长。

2）安装顺序：支撑、主驱动→主梁→推进及撑紧机构→后支撑→G1～G5拖车安装→刀盘与主驱动把合固定。

3）安装方法：首先在安装硐室安装脚手架平台，然后安装顶部轨道梁，再在轨道梁上安装30T、10T气动葫芦各2个，利用安装好的气动葫芦将盾构机各个部件起吊到安装位置进行安装。

表1 QJYC045M敞开式盾构机主要技术参数

4）安装时间：TBM盾构机于2017年10月25日开始安装，于2017年11月18日安装完成。

3.2 试验情况

从2017年11月22日开始至2018年11月13日结束，累计掘进进尺3490m，平均月进408m，最高月进562m；平均日进13.36m，最高日进31.5m；平均班进4.46m，最高班进15.5m，平均掘进速度为炮掘的5～6倍。

3.3 掘进效率评价

3.3.1 盾构施工法

巷道掘进：掘进及矸石运输方式：QJYC045M掘进机利用带有滚刀的刀盘挤压将岩石截割破碎，通过刀盘铲板将破碎的岩石装入刀盘后方刮板输送机，然后通过盾构机自带一运皮带、二运皮带转载至盾构机后方800mm皮带输送机运至溜矸立眼下部缓冲矸仓。

辅助运输方式：材料、辅助设备等采用单轨吊运输。

3.3.2 劳动生产组织

TBM盾构机掘进队现在册人员数为115人，正常出勤86人，队组实行“三·八”制作业，八点为检修班，四点班和零点班为生产班。生产班平均出勤27人，检修班平均出勤35人。

3.3.3 循环作业方式

TBM盾构机破岩掘进每个循环进度1.5m，当一个循环结束时，停止掘进，刀盘后退3～5cm，放下主机后支撑腿，将主机支撑牢固后，收回前后两侧水平撑靴，前移撑靴一个循环的距离，然后根据导向系统提供的主机位置参数进行调向，随后将两水平撑靴伸出至一定压力，收回后支撑离地大约5～10cm。通过拖拉油缸拖后配套并前移一个循环的距离后，然后进行下一个循环作业。

3.3.4 支护工艺

巷道支护利用TBM盾构机自带1#，2#和5#平台进行，可实现部分支护与掘进平行作业。

1#平台：TBM掘进时伸缩油缸前部呈缓慢的不停往前移动，伸缩油缸及后部列车掘进时处于静止状态。盾体及驱动前移过后方才露出围岩，为保证施工安全，不出现空顶作业，在驱动后方、撑靴前部的主梁上（1#平台）进行正顶锚索及顶部锚杆支护作业。

图4 1#平台顶锚杆锚索支护现场图

图5 2#平台补打锚索支护现场图

2#平台：位于撑靴后方、前部伸缩油缸上方（该平台在盾构机掘进时处于静止状态，只有在盾构机完成一个循环进行前移时才移动），该处进行其余顶部锚索跟进。

5#平台：为加长平台，巷道中下部锚杆在此施工。同时5#平台配备2台PZ-7型湿式喷浆机，平台左右各一台，两侧各放特制料斗一个，存放喷浆料，便于及时进行巷道喷浆支护。

3.3.5 掘进效率分析

盾构施工法与传统的钻爆施工相比，在破、装、运、支等关键工序上均有明显优势，因此掘进效率高。

1）破、装、运工序分析。盾构施工法是机械式破岩掘进，刀盘最大转速10.6rpm，最高掘进速度100mm/min，破岩采用带有滚刀的刀盘挤压将岩石剥落成小块岩石，装、运岩通过刀盘铲刀将岩石碎块带到刀盘后方刮板输送机，然后通过盾构机自带一运皮带、二运皮带转载；与钻爆施工法相比，机械化程度高，破岩速度快，装岩、运岩可以实现连续、高效。

2）支护工序分析。巷道掘进支护分为临时支护和永久支护。与钻爆施工法相比，盾构施工法临时支护采用机器前头的护盾进行临时支护，安全、高效、方便；永久支护利用设备自身的风动或液压钻机进行锚杆锚索的打孔、安装，具有省时、省力，施工质量高、劳动强度低等优点，同时部分永久支护可滞后与掘进平行作业，因此更加缩短了永久支护时间。

4 TBM盾构机适用性分析

1）盾构机掘进施工的优势：①掘进速度快，施工效率高；②机械化水平高，劳动强度低；③施工环境好，工人效率好；④围岩扰动小、巷道断面好，利于支护；⑤安全性高。

2）盾构机掘进施工的不足：①临时支护护盾具有一定的适应性，围岩破碎时，支护受影响；②转向性能较差，对岩层起伏适应有限；③对巷道围岩硬度有要求，有一定适应条件；④没有排水设备，影响下山施工；⑤前期准备复杂，对准备硐室、安装技术、安装时间要求较高，前期投入较大。

5 结论

TBM盾构机在阳煤集团大断面岩巷中的成功应用表明：

1）TBM盾构机是当今最先进的大断面岩巷掘进装备，集钻岩、掘进、支护于一体，使用电子、信息遥测、遥控灯高新技术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态，与钻爆法相比，具有掘进速度快、巷道成型质量好、劳动强度低及降低粉尘改善作业环境等优势，是一种先进的施工技术。

2）由于煤矿的特殊性，盾构法施工在井下大断面岩巷中的应用还处在起步阶段，对地质条件变化的适应性仍需提高。

3）煤矿井下大断面岩巷掘进在提升掘进设备的前提下，同时需突破顶板安全和围岩控制技术，加强设备维修维护力量、实现主要工序的全机械化和连续性，实现各个部分充分发挥、协同集成作业。