盾构技术在煤巷掘进中的应用探讨

王海超

(神东煤炭集团哈拉沟煤矿，陕西 神木 719315)

0 引言

目前，我国煤矿开采逐渐向深井开采，地质条件越来越复杂，开采难度逐渐增大，对采煤装备的要求也越来越高[1-2]。煤矿掘进主要完成施工大巷、顺槽、切眼、回撤通道等任务，为长臂回采做好准备工作。目前，我国在巷道掘进过程中采用的机械设备主要有综掘机、连续采煤机、掘锚机等设备。综掘机主要应用在全岩巷道中掘进，掘进效率相对较低。连续采煤机适合顶底板条件较好的双巷掘进工作面中，配合梭车运煤、锚杆机支护，掘进效率较高，在特殊情况下，连采机掘进工艺也可应用在单巷掘进中。掘锚机整机具备掘进、装载、支护同时作业功能，主要应用在单巷、顶底板条件差的巷道掘进中，实现了巷道的短掘短支，有效减少了空顶距，保证作业人员安全[3-4]。

针对现阶段掘进设备中掘、锚、运失衡问题，煤炭企业积极寻求快速掘进解决方案，盾构掘进系统逐渐在煤矿全岩巷道掘进中得到应用，掘进效率和巷道施工质量较传统方式有了较大提升[5-9]。鉴于盾构掘进在岩巷掘进中的优势，有必要对盾构机在煤巷中的应用进行进一步研究。

1 盾构机分类和组成

1.1 盾构机分类

盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构、挤压式盾构、半机械式盾构(局部气压、全局气压)、机械式盾构(开胸式切削盾构、气压式盾构、泥水加压盾构、土压平衡盾构、混合型盾构、异型盾构)。按照掘进地层种类分为硬岩盾构(TBM)、软岩盾构、软土盾构、硬软岩土盾构(复合盾构)等。按照盾构机横截面积大小分为超小型盾构(φ<1 m)、小型盾构(1 m≤φ<3.5 m)、中性盾构(3.5 m≤φ<6 m)、大型盾构(6 m≤φ<14 m)、超大型盾构(14 m≤φ<18 m)、特大型盾构(18 m≤φ)。按盾构机截面积形状分为半圆形、圆形、椭圆形、马蹄形、双圆搭接型(竖双圆形、横双圆形)、三圆搭接形、四圆搭接形、矩形(矩形、凸字形、凹字形)[10-13]。

1.2 盾构机组成

盾构机是高度集成的隧道掘进设备，主要由刀盘、盾体、螺旋输送机、管片拼装机等部分组成，如图1所示。刀盘在盾构机起切削土层和支撑切削面的作用，是盾构的重要组成部分。盾体是一个钢结构圆柱体部件，盾构机盾体又分3部分，分别是前盾、中盾和尾盾[2]。

图1 盾构机组成示意

2 岩巷掘进应用实例

2.1 新疆涝坝湾煤矿副井盾构隧道工程

2012年9月由中国铁建重工集团研发制造的盾构机开始施工神华集团新疆涝坝湾煤矿副井盾构隧道工程，该隧道线路穿越泥岩、断层破碎带、煤层，最大埋深达390 m且掘进距离长，采用传统的钻爆法施工不仅施工风险大、成本高，而且施工速度慢，无法满足工期要求。铁建重工在充分总结国内外盾构和煤矿巷道施工技术经验的基础上，逐一解决了盾构机在长距离掘进中面临的刀盘刀具磨损量大、易糊刀盘、机器振动、姿态稳定、高效出渣、长距离隧道通风除尘等难题，在掘进了5 845 m后，整条隧道宣告成功贯通，该设备的成功应用为盾构设备在煤矿的应用奠定了坚实基础。

2.2 补连塔煤矿2号铺运平硐工程

神华神东补连塔煤矿2号铺运平硐在国内率先采用单护盾TBM工法施工，辅运平硐全长2 745 m，其中明挖段26.316 m，TBM段2 718.224 m，井筒净直径6.6 m，解决了长距离、连下坡、上穿下跨既有巷道、掘进泥质砂岩、多次穿越煤层、高压富水等6大技术难题，创下了最高月掘进639 m的世界纪录，工程于2016年7月6日安全顺利竣工。该项工程的设计施工，填补了我国TBM在长距离大坡度煤矿斜井建设领域的技术空白，开创了煤矿斜井施工新模式，是煤矿建井模式的革命性变革，验证了TBM施工煤矿斜井的关键技术和理论，对促进我国深层煤炭资源开发具有重大意义。

2.3 张集煤矿岩巷全断面掘进工程

2015年北方重工集团为淮南矿业集团研制的世界首创煤矿岩巷全断面掘进机—QJYC045M在张集煤矿投入试用。煤矿岩巷全断面掘进机开挖直径4.53 m，整机长度50 m，整机重量350 t，采用盘形滚刀破岩机理，利用全断面刀盘一次破岩成洞，将水平梁敞开式TBM掘进机与煤矿运输、支护等特殊施工要求相结合，集掘进、出渣、支护、除尘、通风、导向、防爆技术于一体，最高日进尺30.7 m，平均月进尺404 m，较传统工艺提高4.5倍。其是高度机械化、自动化的煤矿岩巷施工设备，为解决我国煤矿发展的岩巷施工瓶颈问题奠定了坚实基础，具有里程碑意义[5]。

2.4 其他案例

新巨龙公司980水平煤矿全岩巷掘进工程：2019年7月，由北方重工集团研制的大直径大埋深全断面盾构机在山东能源新矿集团新巨龙公司980水平煤矿全岩巷掘进中应用。该设备的研制和应用实现了我国煤矿岩巷掘进机在大直径、大埋深、复杂地层施工的新突破，设备采用特殊主梁设计，有效解决了支护锚杆必须通过隧道截面中心线的施工难题，该技术为国内首创，解决了岩巷掘进过程中掘、支、运的不平衡，掘进速度可达500～800 m/月。该设备采用刀盘喷水、除尘风机联合作业除尘，彻底解决了施工过程中粉尘大的难题，极大改善了工人工作环境。设备集掘进、运输、支护、除尘、导轨安装、通风、导向、瓦斯监控于一体，具有安全、高效、智能、环保等特点。

“振兴一号”盾构机：2019年9月，同煤集团首台由辽宁三三工业有限公司研制的盾构机“振兴一号”在塔山煤矿组装完成。该设备总长度65 m，开挖直径5.8 m，最大爬坡能力5°，集掘进、排矸、防尘、通风、导向、超前、监测、监控、冷却、钻探等技术于一体。“振兴一号”盾构机在井下的应用，为建设智慧化矿山注入新的科技动力[6]。

3 盾构机岩巷掘进应用分析

3.1 优缺点分析

优点分析：在岩巷掘进中多采用钻爆法和综掘机掘进方法，安全保障差，断面形状不好控制，掘进效率较低。采用盾构岩巷掘进工艺，机械化程度较高，极大降低了工人的劳动轻度，盾构机刀盘一次性截割成巷，巷道成型质量较好。尤其在硬岩掘进中，掘进效率远高于传统方式，安全系数高，对围岩损伤小，产生的噪声小，除尘效果好，较传统掘进方式优势明显[7]。

缺点分析：目前，大部分煤矿综采工作面顺槽、切眼、回撤通道等巷道掘进均在煤巷中进行施工，掘进巷道形状均为矩形，施工质量要求严格，方便液压支架、超前支架、垛式支架等设备的安装与使用，为长臂综合机械化回采做好准备工作。而盾构机掘进多为圆形或不规则圆形巷道，如若采用该设备掘进巷道作为综采准备巷道时，很难满足正常的安全生产需求。

3.2 盾构机煤巷掘进需解决的问题

掘、支、运平衡作业：现阶段，制约煤矿快速掘进的主要问题是掘、支、运平衡作业问题，其中最关键因素是支护速度制约掘进问题。铁建重工最新研制的快掘系统在曹家滩煤矿应用，该快掘系统采用掘锚机掘进和临时支护、两台锚杆台车补强支护的形式来解决现阶段掘锚机掘进过程中掘支不平衡问题，现场应用效果较好。因此，盾构掘进在煤巷应用过程中首先要改变在隧道掘进过程中常用的预制管片支护形式，同时对整机系统进行深入设计研究，实现掘进、支护、运输并行作业，同时对支护系统进行不断优化设计，满足顶、帮快速支护需求。

掘进巷道成形：为了提高掘进巷道空间利用率和回采期间使用效果，现阶段，所有长臂回采准备巷道全部施工成矩形巷道。而盾构机掘进头多为圆形刀盘或复合圆形刀盘，掘进巷道非矩形，巷道底板需二次回填方能满足辅助行车要求，同时巷道顶帮为圆弧形，存在无效使用空间，增加了掘进成本，因此，从实用性和经济性方面考虑，盾构掘进在煤巷应用需要解决巷道成形问题。

快速适应巷道顶底板变化趋势：现阶段巷道掘进多采用沿底掘进，掘进过程中需根据底板变化情况进行上坡或下坡调整，防止出现割顶或割底掘进、影响综采回采情况。但现阶段盾构机整机尺寸大，设备转弯半径大，不能实现掘进角度调整的快速响应。因此，考虑综采回采方面的问题，盾构机设计过程中必须有效降低设备转弯半径(包括左右转弯和上下转弯)，顺应底板坡度变化，满足煤巷掘进要求。

设备快速拆装：盾构机虽然岩巷掘进效率较高，但盾构机体积庞大，设备结构复杂，安装和拆卸工期较长，在一次性较长距离巷道掘进中优势明显。针对短距离煤巷掘进施工，综合考虑拆装时间，与现阶段掘进设备相比不具备优势。因此，盾构机在煤巷掘进中必须进行设备小型化、模块化设计，实现设备的快速搬运和安装，有效缩短设备安装和回撤周期，提升综合掘进效率。

易于检修及换件：盾构掘进在长距离巷道掘进过程中，设备可靠性和易于检修是制约掘进效率的关键问题，盾构机设备庞大、掘进过程中无联巷、无法长距离后退等问题导致设备更换大型部件困难重重，尤其像盾构机刀盘、驱动部等大型部件，更换配件更是难上加难。因此，盾构机在设计阶段，必须保证关键部件、大型部件的可靠性，预留检修空间，提高检修效率。

施工联巷：在煤矿巷道掘进过程中，为了方便生产和辅助运输，需在两条巷道延伸方向间隔一定距离开通联络巷道，连采机掘进联巷间距一般为50 m，掘锚机掘进联巷一般间隔200 m左右。因此，盾构掘进在煤巷中的应用还需有效解决施工联巷问题。

4 结语

盾构岩巷的成功应用为其在煤巷掘进中应用奠定了基础。在国家智慧矿山建设的指引与号召下，在煤炭企业和相关单位的共同努力下，需逐一解决盾构掘进在煤巷掘进中存在的问题，发挥盾构机机械化程度高、掘进效率高、安全保障高、职业危害少的特点，尽早实现盾构煤巷掘进。总结提炼盾构技术在煤巷掘进过程中可能面临的问题，可以为盾构机在煤巷掘进中的研发和应用提供参考。