敞开式TBM设备在煤矿领域的应用探究

冯海龙

陕西正通煤业有限责任公司 陕西 咸阳 713600

1 引言

正通煤业公司在用TBM，全称为敞开式全断面隧道硬岩掘进机，型号ZT602。设备最大开挖直径6.53m，整机长度167m，主机长度21m，重800t，总装机功率3000kW。该设备是目前国内煤矿企业在用直径最大的敞开式TBM。该设备集掘进、支护、出矸等施工工序于一体连续作业，是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线掘进施工装备，掘进速度为普掘施工的5～10倍、综掘施工的3～5倍，具有快速、优质、安全、经济等优点。

2 敞开式TBM设备在煤矿领域的初次尝试

为了提高开拓大巷掘进速度，解决生产接续紧张的问题，正通煤业经过充分调研考察和技术论证，决定跨界引进TBM，以实现高效快速掘进，缓解矿井生产接续紧张局面。2017年3月公司首次提出“TBM应用于煤矿井下开拓大巷施工”的课题；2018年9月，确定设备制造单位未铁建重工；2019年8月完成巷道布置设计和设备设计方案，开始设备制作及现场的准备施工；2020年4月完成TBM设备下线验收；2020年5月TBM设备开始进场；2020年6月15日开始入井组装；2020年8月27日设备主体组装完成并联调联试；2020年9月18日开始试掘进；10月1日正式掘进。正通煤业TBM项目采用矿方采购并无偿提供工程实体材料，承包人带TBM掘进机、后配套设备及施工人员等完成井巷工程施工的合作方式。首次掘进过程中，通过施工人员和设备之间磨炼，为敞开式TBM设备在煤矿领域真正应用奠定了基础，积累了宝贵经验。

3 敞开式TBM设备在煤矿领域的成功应用

高家堡煤矿井田范围广、面积大，但资源赋存不均衡。矿井东西纵跨近26公里，同时受冲击地压影响，盘区开拓大巷全部布置在岩层中，开拓工程量巨大。各采区及采煤工作面垂直大巷单翼顺序布置，采掘接续和采掘活动的展开都严重受限于开拓大巷的及时快速延伸。在除此尝试敞开式TBM设备后，项目组对合作方式和人员配置进行了优化设计。敞开式TBM施工范围为正通煤业公司西区开拓大巷掘进，共计巷道长度13000m。公司配备TBM施工队伍一支，在册人员143人，其中管理人员22人，地面13人，井下直接工78人、辅助工30人；劳动组织方式为“三八制”，具体井下劳动定员情况:每班共33人，其中维修工6人，TBM司机1人，支护工14人、后围工5人、搅拌站司机1人、拌料工2人、锚喷工3人、皮带机司机1人。

根据制约井下巷道掘进速度的两个关键点:破岩及支护，正通煤业公司制定了“先掘后锚”、“一掘一锚”、“分区支护”的掘进施工方针，详细工艺描述如下:

巷道破岩方面:采用TBM大推力挤压破岩、旋转割岩方式实现巷道掘进，截割步距1.2m，正常地质条件下用时约0.5h。

巷道支护方面:因TBM设备自带支护系统灵活性较差，目前巷道支护改用人工抱钻方式打设。目前TBM设备配有四个支护平台，具备4部支护设备同时施工，为尽可能缩短支护时间，正通煤业公司根据设备支护平台设置人为将巷道支护划分为四部分同时施工，平均每个支护区域负责2.5棵锚杆及2.3棵锚索支护，正常情况下每个步距支护用时1小时。

巷道喷浆方面:因其喷浆工作量较大，正通煤业公司在井下建造了专用喷浆料的搅拌站，通过专用罐车经电机车运送至TBM喷混系统位置，其喷方式为人工遥控的湿式机械喷浆方式，喷浆量为0.82m3/m

物料运输方面:采用电机车轨道运输至铁路端头，端头距迎头约40m，该40m区域物料需人工运输。

4 敞开式TBM设备在煤矿领域创佳绩

自2020年10月开掘以来，项目小组通过对敞开式TBM设备进行了一系列适应性局部改造，解决了液压锚杆机灵活度不足、支护空间不足、冒顶片帮后底部矸石清理困难及顶板破碎带的临时支护问题等一系列难题，TBM掘进速度不断提升:2020年10月份有效生产天数24d，完成进尺182m，单进7.6m/d；11月份有效生产天数30d，完成进尺304.8m，单进10.16m/d；12月份有效生产天数24d，完成进尺260m，单进10.83m/d；2021年1月份有效生产天数26d，完成进尺275m，单进米10.58m/d，掘进效率呈逐步上升态势。

5 敞开式TBM设备在煤矿领域应用前景及发展方向

相对于普通的采掘设备，敞开式TBM设备直径为6.53m，设备体积大。设备机组部件从地面运送到千米以下的井下是一个难题，而井下空间相对狭窄，如何顺利高效进行设备组装也是难题。为了更顺利地将设备组件从地面运送到井下现场，将部件设计成分体式组装结构，或者设计成自动化伸缩的方式，是解决上述问题的有效途径。在设备主梁结构设计上，可采用下沉的形式，便于增加主梁前段上部操作空间，方便锚杆钻机布置，有利于解决支护锚杆在施工过程中必须通过隧道界面中心线的难题。通过优化主梁设计结构，留下更多的空间，便于施工操作，而且也便于清理刮板机，有效避免皮带机下部堆积渣料情况。此外，针对敞开式TBM设备体积大的问题，继续探索轻型TBM设备是未来发展应用的重要方向。目前，正通煤业公司在目前TBM成功应用及轻型TBM实地调研的基础上，继续探索轻型TBM在井工长距离、小断面岩巷中的应用，目前轻型TBM设备已经开始初次尝试应用，掘进目标400米/月。另外，通过敞开式TBM施工经验进行总结，发现影响掘进效果的因素主要是地质因素、刀具性能、机械设备功率、操作技术水平、管理组织水平。未来，敞开式TBM设备在煤矿领域中的应用研究也将围绕上述因素展开。如加强地质勘察工作，使TBM设备施工工艺和地质环境条件更匹配；制定TBM设备操作、维护、检修、管理等制度和标准，便于提高TBM设备使用规范度，减少设备误操作；做好相关工作人员的技术培训，使TBM施工过程更加顺利，提高设备使用效率。

6 结语

综上所述，随着现代化技术的快速更迭，采掘行业中的一体化设备也越来越多。敞开式TBM设备在煤矿领域中的应用虽然刚刚起步，但是已经表现出了安全、高效、智能、环保等综合优势，符合煤矿产业时代发展的需求。未来随着从业人员的深入研究，结合实际应用状况，敞开式TBM设备将得到更普遍的应用，推动煤矿企业高质量发展。