全斷面硬巖掘進機在煤業的應用

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摘要：針對和瑞煤業大斷面全巖巷道以往主要采用鉆爆法施工，巷道掘進效率低下，嚴重制約礦井的生產接替情況，進行基于TBM盾構機設備應用的全斷面硬巖巷道快速掘進工藝的實踐應用研究。實踐效果理想，西一盤區回風巷掘進速度提高了3.8倍，對比鉆爆法掘進作業每米單價低1340元，經濟效益顯著。

關鍵詞：盾構機；大斷面；全巖巷道；快速掘進

山西澤州天泰和瑞煤業近年來新掘巷道中全巖巷道占比達35%左右。該煤礦采用鉆爆法施工全巖巷，破、裝、運、支無法連續作業，掘進效率低下，且粉塵濃度較高，嚴重制約礦井的生產接替。因此，必須對全巖巷道掘進設備及工藝進行優化調整[1-3]，有效提高全巖巷道的掘進效率。

1工程概況

山西澤州天泰和瑞煤業礦井面積1.2435km2，設計生產能力45萬t/a，主要開采3#煤層。和瑞煤業西一盤區回風巷長度2235m，滿足西一盤區回風、行人、運輸的需要。西一盤區回風巷開采的3#煤層厚度5.60~6.10m，平均厚度5.80m；煤層傾角1°~3°，平均傾角2°。直接頂為泥巖，厚度1.07~2.18m；基本頂為中砂巖，局部為砂質泥巖，厚度1.54~15.86m。煤層硬度f=5。巷道底板與3#煤留設54m層間距。根據鄰近巷道揭露，預計里程794m、1254m、1498m處分別存在H>7.0m、16.5m和19.8m的正斷層，無陷落柱、沖刷等其他構造。西一盤區回風巷設計斷面直徑5.8m，掘進斷面面積26.42m2，全巖網噴支護，噴漿厚100mm。支護采用Φ22mm×2400mm的MG400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，以巷道中心線對稱布置，間排距為1200mm×1000mm，每排7根，配W型鋼帶（450mm×280mm×3mm）、碟形托盤（150mm×150mm×10mm），掛Φ4mm菱形金屬網。采用1支MSK2330和1支MSZ2360樹指錨固劑。

2全巖巷道掘進設備分析

為實現全巖巷道的快速掘進，和瑞煤業引進了SS51300型盾構機作為全斷面硬巖掘進機使用。SS51300型盾構機采用模塊化結構，由刀盤、護盾、整機功率2400kW。盾體總長9m，包括前盾、中盾和尾盾3部分。前盾為敞開支撐式，主要用于支撐刀盤和主驅動，并作為主推油缸回縮時的支撐點，內裝350kW變頻電機6臺，用于驅動主軸承及刀盤工作。中盾為伸縮盾，可前后伸縮保證設備的正常步進，內設8組主推油缸，是設備前進的動力，并設16組鉸接油缸，連接前盾和尾盾。尾盾為盾體前進推力的支撐點，總質量超過100t。刀盤直徑5.8m，可雙向旋轉，利用滾刀碾壓破碎巖石。后配套：包括錨桿鉆平臺、臺車及各類配套設備。后配套包含多個系統。排矸系統：由盾體內的移動式帶式輸送機、尾盾和后配套臺車內的固定帶式輸送機組成。支護系統：由支護平臺、2臺液壓錨桿機和指形護盾組成，可作為臨時前探梁，并對網片進行存儲和支撐，可在150°擺角范圍內支護作業。超前鉆探系統：在錨桿鉆平臺下方安設氣動鉆機，可實現超前鉆探90m，滿足井下探放水要求。泡沫系統：主要是通過注入泡沫改良渣土性質，防止泥巖黏結在刀盤上而降低切削效率，降低刀盤扭矩，減少刀具磨損，保證順利排矸。

3工業性試驗

3.1井下組裝

3.1.1組裝室布置本次盾構機實現井下組裝，硐室全長90m，分為始發硐室、盾體組裝硐室、臺車存放硐室和臺車組裝硐室4部分。硐室施工斷面大、支護難度大。硐室內布置龍門吊3臺，包括100t的1臺、5t的1臺、10t的1臺。3.1.2硐室支護參數盾體組裝硐室掘進斷面面積達120m2，采用全巖錨網噴支護，噴漿厚度120mm，采用分層施工，采用Φ22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距1800mm×1000mm，錨索規格為Φ17.8mm×6300mm，間排距1800mm×1000mm，錨桿、錨索交替布置，錨桿配W型鋼帶（4800/3900/3000mm×250mm×4mm），同時采用錨索組補強支護，“3-2-3”布置，錨索規格為Φ17.8mm×6300mm/8300mm，間排距3000mm×2000mm。始發硐室掘進斷面面積30.76m2，全巖錨網噴支護，噴漿厚度200mm。因盾構機撐緊油缸行程較小，硐室要求質量較高，施工難度較大。3.1.3組裝工藝、工序（1）裝運方式受罐籠及巷道運輸能力限制，盾構機裝運分2個階段，I階段（地面卸裝、入井、運輸）：經地面龍門吊卸車并裝至特制平板車后，分批進、出罐籠，并運至組裝鬧室；Ⅱ階段（井下硐室卸車、組裝、調試）：經硐室內的龍門吊卸車、組裝，待組裝完成后進行調試。（2）組裝方案先組裝主機，后組裝后配套臺車，即先完成刀盤、主驅動、前盾、中盾和尾盾組裝工作，然后完成連接橋、錨桿鉆、潛孔鉆、帶式輸送機和臺車等后配套的組裝工作，最后完成管線連接，整機組裝完畢。

3.2盾構機施工工藝和工序

3.2.1施工工藝通過將旋轉刀盤向工作面不斷推進，利用高強度滾刀擠壓破碎巖石形成小塊，再通過鏟刀將巖石碎塊經收渣口帶到刀盤中心的溜渣槽，落至輸送帶上完成排矸。盾構機破巖掘進循環行程1m，當一個循環結束時，首先將尾盾各護盾伸出撐緊巖壁作為支撐點，啟動帶式輸送機；然后主驅動電機驅動刀盤旋轉，同時中盾主推油缸伸出并向前推進，使刀盤滾壓切削工作面巖體，產生的渣子進入刀盤內的溜渣槽并集中滑落至帶式輸送機完成出矸；主推油缸完成1m最大行程后，將前盾各護盾伸出撐緊巖壁作為支撐點，期間工作人員在指形盾的保護下進行支護作業；支護完成后再收回尾盾各護盾，主推油缸收縮并牽引后配套系統向前移動1m，即可進入下一個循環。3.2.2施工工序安全檢查（15min）→施工準備、設備檢查（15min）→尾盾的頂護盾和左右側護盾打開撐緊巖壁（3min）→前盾的頂護盾和左右側護盾打開貼住巖壁（2min）→倒序啟動各部帶式輸送機（1min）→啟動刀盤，根據導向系統參數調整盾構機姿態并推進（30min），推進過程與排矸、支護平行作業→一個掘進行程結束，停止刀盤和帶式輸送機（1min）→前盾的頂護盾和左右側護盾繼續打開撐緊巖壁，然后尾盾各護盾縮回（2min）→主推進油缸收回，牽引后配套臺車、三運橋式轉載機前行（10min）→下一個循環。現階段正規作業循環1m，用時80min，按“2×12h”工作制組織生產，其中早班檢修4h，即正?？扇者M15個循環。因前期為工業試掘進階段，日循環相對較低，隨著設備的適應性、人員的操作熟練程度提高，單循環時間可降至45~60min，日進尺可達20m。3.2.3盾構機隊勞動組織盾構機隊正常出勤65人，其中生產班平均16人，檢修班平均8人，巷道掘進采取“2×12h”工作制，3個生產班輪替作業。3.2.4支護工藝臨時支護：采用指形盾作臨時前探支護，作業人員在指形盾的保護下，可實現150°擺角范圍內支護作業。永久支護：施工前在指形盾上放置金屬網→隨尾盾頂護盾升起緊貼巖壁→標定眼位→利用前部錨桿鉆機依次施工4#、2#、6#錨桿孔→安裝樹脂錨固劑、錨桿、鋼帶、托盤→預緊錨桿達到設計要求→盾構機繼續向前推進→后部液壓錨桿鉆機補充施工3#、5#、7#、1#錨桿孔→安裝樹脂錨固劑、錨桿、鋼帶、托盤→預緊錨桿達到設計要求。

3.3效果分析

從2021年3月1日至2021年4月底，實際生產50d左右，掘進進尺510m，平均日進尺10.2m，最高日進尺28.6m。隨著操作工人日漸熟練，單進正在穩步上升，預期月進尺可達450m以上。對比之前的鉆爆法，掘進速度提高了3.8倍。

3.4經濟效益分析

以和瑞煤業西一盤區回風巷為研究對象進行工程費用測算，采用鉆爆法與盾構機法的對比進行經濟效益分析。鉆爆法所需人工費約1531.20萬元，材料費約472.32萬元，機械費約163.08萬元，合計2166.60萬元，按預算取費后共計3521.38萬元，因此鉆爆法每米掘進單價為1.601萬元；盾構機法所需人工費約496.32萬元，材料費約1143.16萬元，機械費約356.32萬元，合計2166.60萬元，按預算取費后共計3226.89萬元，因此盾構機法每米掘進單價為1.467萬元。盾構機法對比鉆爆法掘進作業每米單價低1340元，經濟效益顯著。

4結論

SS51300型盾構機集破、裝、運、支于一體，可以有效提高巷道掘進效率，降低勞動強度。以和瑞煤業西一盤區回風巷為案例，進行了SS51300型盾構機的全斷面硬巖快速掘進工藝的實踐應用研究。實踐效果理想，西一盤區回風巷掘進速度提高了3.8倍，對比鉆爆法掘進作業每米單價低1340元，經濟效益顯著。SS51300型盾構機在應用過程中，盾構機個別部件仍然超長、超重，給盾構機始發硐室的建設、盾構機組裝、始發以及設備運輸等帶來挑戰，同時盾構機施工工藝、工序與以往掘進工藝、工序大不相同，在設備操作、導向測量、超前鉆探、液壓錨桿鉆機操作等方面人才短缺，這些都是需要克服的問題。

【參考文獻】

［1］田聰.一種基于PLC的全斷面硬巖掘進機控制系統設計[J].礦業裝備，2020（05）：166-167.

［2］鄧斌.全斷面硬巖掘進機(TBM)驅動系統分析[J].設備管理與維修，2020（04）：136-138.

［3］程樺，唐彬，唐永志，等.深井巷道全斷面硬巖掘進機及其快速施工關鍵技術[J].煤炭學報，2020，45（09）：3314-3324.

作者：韓軍義 單位：山西澤州天泰和瑞煤業有限公司