TBM 型盾构机在新景公司保安分区8#煤回风巷的应用

程 凯 王海凤

（阳泉煤业股份有限公司，山西 阳泉 045000）

1 工程概况

1.1 巷道概况

阳煤集团新景公司保安分区+525m 水平8#煤回风巷位于8 号煤层以上9～14m 位置处，8#煤回风巷开口位置位于8#煤采区系统巷内向正西方的黑色砂质泥岩中，巷道开口标高为+565.3m，岩石情况较稳定，岩层硬度系数为f=4-5。该采区8#煤层赋存呈单斜构造，倾角平均4～5°，总体呈西部高、东部低的特点。8#煤层老顶为K7 细粒砂岩，平均厚度为5.06m；直接顶为泥岩，平均厚度9.89m；直接底为砂纸泥岩，平均厚度4.13m；老底为K6细粒砂岩，平均厚度5.48m。区域岩层较稳定，施工时沿煤层底板向正西方向施工。目前，阳煤集团新景公司在进行岩石巷道掘进时，仍以传统的钻爆法为主，掘进效率较低，劳动强度大，严重影响着矿井建设水平，难以适应矿井高效生产的需求。

1.2 支护设计

8#煤回风巷道支护方式采用“锚杆+锚索+钢筋网+喷砼”的联合支护方式。锚杆选用规格为Φ20mm×2000mm 左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆，各锚杆之间的间、排距分别为800mm、1000mm。锚杆托盘选用规格为150mm×150mm×10mm的高强度可调心拱形锚杆托板。锚索选用规格 为Φ21.8mm×7200mm， 各 锚 索 之 间 的间、排距均为1000mm。锚索托盘选用规格为300mm×300mm×16mm 的高强度可调心拱形锚索托板。金属网选用网孔为100mm×100mm、网幅为Φ6mm×1100mm×2000mm 的圆钢加工制作而成。8#煤回风巷道支护结构示意如图1 所示。锚喷巷道混凝土配合比为水泥∶黄沙∶石屑=1:1.98:1.98，水灰比0.45，石屑粒径3～5mm，速凝剂每100kg 水泥掺入3～4kg，喷砼强度C20，喷砼厚度100mm。每个锚杆眼使用1 卷锚固剂，锚固剂型号为MSCK-23/80 型。每个锚索眼使用1 卷双速锚固剂，锚固剂型号为MSS-23/120 型，其中快、中速药卷比例为1:3。

图1 8#煤回风巷道支护结构图

2 盾构机掘进设备简介

2.1 设备构成

QJYC045M 型全断面岩巷掘进机，开挖直径Φ4.53m，总长55m，总重400t，由刀盘、大梁、撑靴、推进、后配套、液压系统、电控系统、通风除尘等系统构成，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[1]。盾构机的施工，适用于岩石硬度系数f=6 及以上的硬岩中掘进。QJYC045M 型全断面岩巷掘进机（TBM盾构机）结构模型如图2 所示。

图2 QJYC045M 型全断面岩巷掘进机（TBM 盾构机）结构模型

2.2 操作原理

TBM 型盾构机利用带有滚刀的刀盘挤压将岩石剥落成小块岩石，通过刀盘铲刀将岩石碎块带到刀盘中心的溜渣槽，然后落到一段转载机、二段转载机，经皮带机出渣。为保证快速施工需要，掘进与支护需要平行作业[2]。

2.3 TBM 型盾构机掘进流程

TBM 盾构机掘进过程与换步流程如图3 所示。

图3 TBM 盾构机掘进过程与换步流程图

3 施工工艺

3.1 掘进参数确定

当巷道围岩主体为细砂岩时，围岩整体性和稳定性较强，对盾构机刀具磨损较小，利用TBM 盾构机进行掘进时，推进速度的可选范围较大，此时可根据掘进效率选择最佳掘进功率，实现快速掘进。当巷道围岩主体为砂质泥岩时，围岩节理不发育，整体性、稳定性较高，通常情况下，以接近TBM 型盾构机额定推力的推进速度，即刀盘推力在8000kN 左右时的速度推进，可以获得较高的生产效率。当掘进工作面通过断层破碎区域时，由于巷道围岩破碎情况复杂，推进时，宜选用低速的刀盘转速，以保证推进的安全性[3]。

3.2 支护工艺

TBM 盾构机共设有5 个平台，根据各平台的工业布置特点，可在1#、2#、5#平台利用锚杆、锚索、锚网等进行加强支护。在现场施工过程中，在1#平台布置2 部锚索钻机，在临时支护的掩护下通过锚杆、锚索对顶板进行支护，保证顶板的稳定性。在2#平台布置2 台YT-28 风钻，对两肩窝进行锚杆支护作业，备用2 台MYT-140/320 型液压锚杆钻机，在围岩过硬或压风过小时替代风动锚索钻机，确保锚索支护不滞后[4]。5#平台为加长平台，主要完成巷道中下部锚杆的打设，施工过程中，在5#平台同时配备2 台MQTB130/2.5-3.1 型风动锚杆钻机和2台YT-28 型凿岩机，进行巷道中部锚杆与下部锚杆的打设。

3.3 循环作业方式

TBM 盾构机实现破岩掘进时的循环行程为1.50m，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TBM盾构机调向，调向完成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，即可接着进行下一个循环的掘进作业[5]。

4 施工地质管理

盾构机施工过程中采用“区域+局部”探测方式控制掘进层位：区域探测采用相邻巷道施工地质资料及钻探资料进行超前预测预报；局部探测采用锚索钻机、盾构机自带的ZDY1200S 架柱式钻机进行局部层位控制以及探放水的工作。在盾构机第一平台上、下各布置一台ZDY1200S 钻机，每次打钻深度150m，掘进120m，始终保证工作面前方有不少于30m 的超前钻探距离。

5 应用效果

5.1 掘进进尺记录

自2017 年12 月6 日TBM 盾构机在8#煤层回风巷投入使用以来，8#煤层回风巷在掘进期间实现了最大平均日进尺21.6m、最大班进尺15.5m、最大日进尺35.1m 的快速掘进目标，创造了月最大进尺561.9m 和年进尺3490m 记录。保安分区+525m水平8#煤层回风巷掘进进尺情况表如表1 所示。

表1 +525m 水平8#煤层回风巷掘进进尺情况表

5.2 施工效率对比

分别以佛洼东采区胶轮车辅运大巷、佛洼东采区胶带大巷作为参照对象与保安8#煤南回风巷掘进进尺数据进行对比，施工效率对比数据情况如表2所示。

表2 施工效率对比数据情况表

通过表2 所示对比数据可知，按折算进尺比较，由扒渣机、耙岩机（炮掘）、TBM 盾构机施工的巷道月最高进尺数分别为125.7m、95.4m 与561.9m。由TBM 盾构机施工的巷道进尺数较之扒渣机与耙岩机（炮掘）分别提高了436.2m/月、466.5m/月。通过TBM 盾构机进行巷道的掘进与施工，有效地提高了岩巷掘进效率。

6 结 语

随着煤炭产业的快速发展与结构性调整，矿井的生产水平大幅提高，在煤矿开采水平取得突飞猛进的同时，巷道的掘进效率却没有得到明显的提升，采掘失衡已经成为影响我国煤矿高产高效的主要因素。BTM 盾构机在阳煤集团新景公司保安分区+525m 水平8#煤回风巷的成功应用，实现了掘进施工自动化，大大降低了施工劳动强度，提高了矿井岩巷掘进效率，为煤矿实现安全高效生产的目标提供了一定的借鉴与参考。