TBM技術在我國煤礦中的應用

秦曉光，徐輝東，劉林林（中煤礦山建設集團有限責任公司，安徽合肥230601）

TBM技術在我國煤礦中的應用

秦曉光，徐輝東，劉林林（中煤礦山建設集團有限責任公司，安徽合肥230601）

TBM應用于煤礦巖石巷道掘進，可實現自動化和遠程操作，使所有施工作業均在可靠支護下進行，大幅提高作業安全性和生產效率，改善施工作業環境，保障工作人員的健康水平。本文介紹TBM技術在我國煤礦應用的情況，并與傳統鉆爆法施工技術進行比較和分析，提出了煤礦應用TBM應注意的問題。

煤礦；全斷面掘進機；應用

TBM（Tunnel Boring Machine）為主要用于巖石地層掘進的全斷面掘進機。煤礦全斷面巖石掘進機可以實現連續破破巖、裝巖、轉載、臨時支護、噴霧防塵等工序，機械化程度高，工序簡單，施工速度快，施工巷道質量高，支護簡單，工作安全。推廣應用適用于煤礦復雜地質條件下的全斷面巖石掘進機，對于提高我國煤礦巖巷掘進機械化水平，加快掘進速度，保證施工安全和工程質量具有重要的意義。

1　目前我國煤礦巖巷掘進機械化水平及存在的主要問題

隨著煤礦機械化程度的提高，我國煤礦建井技術在立井、斜井的機械化配套施工工藝和綜采、綜掘技術均達到世界先進水平，采煤和煤及半煤巖巷道掘進基本實現了機械化。但巖巷的機械化水平和掘進速度都明顯落后，煤礦巖巷施工技術發展滯后的現狀已嚴重影響煤礦的安全生產和礦井建設的速度。

目前巖巷掘進多采用傳統的鉆爆法施工，巖石巷道平均月進尺100m左右。該施工方法占用人員多、工序復雜、速度慢、效率低、安全隱患多，嚴重制約了煤礦基建和生產。

部分巖巷采用綜掘機掘進，但存在以下問題：工作面粉塵濃度高，嚴重影響職工身體健康；巖石硬度系數f>6時，掘進速度慢，平均月進尺 120m左右，效率低；截齒、配件消耗量大，掘進成本較高；支護問題未得到系統的解決。

2　我國煤礦TBM應用情況

2.1東曲煤礦東平硐和楊家礦井下盤區集中運輸大巷TBM施工

煤科總院上海分院掘進機械研究所在20世紀80年代先后研制成功直徑3.2m和直徑5m煤礦全斷面巖巷掘進機。山西古交礦區東曲煤礦東平硐采用直徑5m全斷面巖巷掘進機，14個月掘進1448m，平均月進尺103.4m，最高月進尺202m。云南羊場煤礦楊家礦井下盤區集中運輸大巷，采用直徑3.2m全斷面巖巷掘進機掘進巷道 1014m，平均月進尺156.18m，最高月進尺260.58m，最高日進尺18.6m。

2.2塔山煤礦主平硐TBM施工

山西大同塔山煤礦主平硐斷面直徑4.82m，施工巷道3400m。2003年，采用美國羅賓斯公司制造的155-274雙護盾型全斷面掘進機，最高月進尺達到560m，平均月進尺483m。

2.3澇壩灣煤礦副平硐TBM施工

新疆澇壩灣煤礦副平硐工程直徑6.42m，巖石硬度系數f=3～7.3。2014年采用中國鐵建重工集團制造的DZ028型硬巖掘進機掘進5800m，使用管片3844環。歷時1160日歷天，最高日進尺達到18m。

2.4張煤集礦TBM試驗段巷道施工

安徽淮南張集煤礦試驗段巷道直徑4.53m，巖石為石英砂巖，巖石硬度系數f=8。2015年1～3月，采用北方重工集團制造的煤礦全斷面硬巖掘進機掘進，最高日進尺達到30.7m，平均月進尺404m。

2.5補連塔煤礦2號輔運平硐TBM施工

內蒙古補連塔煤礦2號輔運平硐全長2745m，凈直徑為6.6m，開挖直徑7.62m。2015年6～12月，采用中國鐵建重工集團制造的全斷面掘進機，最高月進尺達639m。

3　煤礦TBM施工工法與傳統鉆爆法的比較分析

3.1掘進速度

以直徑4.53m圓形巷道，巖石硬度系數f<10計算，TBM平均掘進速度為4～6m/h，利用率約40～45%。按平均掘進速度1.5m/h，作業工效80%估算，采用TBM施工工法，每月施工進尺可達到600～800m。由前文可知，在TBM技術在我國煤礦尚未成熟應用的情況下，2005年，張集煤礦達到了平均月進尺404m，補連塔煤礦達到了最高月進尺639m。

同樣條件下，鉆爆法掘進期間一個掘進循環（放線、鉆孔、裝藥、爆破、除渣）時間約為8小時，炮孔深度為2.5m，作業工效按照80%計算，鉆爆法施工月進尺約為100～120m。

由上可知，在煤礦巖巷TBM施工工法掘進速度是傳統鉆爆法掘進速度的4～5倍。

3.2施工成本

TBM工法由于用人少，超挖少，支護材料節省，因此可節約各項費用。如按同上條件，在正常掘進速度下，煤礦TBM工法每米成本包括人工費約760元，材料費約600元，機械費約4150元，輔助費約580元，綜合取費約2600元，支護費用約480元。合計每米成本約0.9萬元。

傳統鉆爆法每米成本含人工費約3700元，材料費約2700元，機械費約3300元，直接工程費約9800元，企業管理費約1700元。合計每米成本約2.1萬元。

經比較，采用TBM法在未計算設備安裝、拆除費用以及為安裝、拆卸設備而準備的工作面及設施費用時，TBM施工工法較鉆爆法每米巖巷施工成本大大低。另外，巷道長度、是否獨頭掘進、施工組織能力等因素可能會影響以上對施工成本的估算。

3.3職業健康、安全和質量等

TBM可實現自動化和遠程操作，所有施工作業均在可靠支護下進行；掘進機開挖對洞壁外的圍巖擾動少，沒有鉆爆法的炸藥等化學物質的爆炸和煙霧，杜絕了工作面粉塵污染，改善了施工作業環境，保障了工作人員的健康水平。作業環境和安全性比鉆爆法大大提高。

TBM掘進機由于是刀具擠壓和切割洞壁巖石，開挖的洞徑尺寸精確、誤差小，可以控制在士2cm范圍內。開挖隧道的洞壁光滑美觀，糙率約為0.019，比鉆爆法光面爆破的糙率小17%。同時，提高了巷道原巖支撐能力，減少了巷道維護費用，增加了巷道的服務年限。

4　煤礦應用TBM技術應注意的問題

4.1在煤礦的地質適應性

不同類型的TBM適用的地層不同，TBM應根據煤礦地質條件設計和制造。同時設備應滿足煤礦井下防爆、接地比壓等要求。

4.2不適宜中短距離巷道的施工

TBM設備投資較高，設備運輸、安裝和拆卸時間長，對于中短隧道很難發揮其優越性。當巷道長度與直徑之比大于600時，采用TBM施工才具有經濟性及可行性。

4.3礦井下放和運輸

TBM屬大型專用設備，應采用模塊化設計以適應煤礦應用。經優化過的煤礦全套TBM設備也重達數百噸，最大部件重量達20t，拼裝長度最長達50m。因此對煤礦巷道的施工場地和礦井下放運輸等都提出了很高的要求。

4.4設備購置成本大，對人員素質要求高

TBM設備購置費用較高，TBM施工需要高素質的技術人員和管理隊伍，這些都影響到煤礦TBM施工技術的適用性。

［1］唐 彬，王傳兵.立井煤礦硬巖TBM施工巷道支護設計技術［J］.煤炭工程，2015（12）.

［2］劉 文.TBM在塔山煤礦特殊條件下施工中的應用［J］.全國礦山建設學術會議，2006.

［3］高潤平，劉 文.隧道掘進機在塔山煤礦平硐施工中的應用［J］.煤礦開采，2005，10（5）.

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TD262.12

A

2095-2066（2016）26-0099-02

2016-9-2

秦曉光（1961-），男，安徽淮南人，高級工程師，安徽理工大學工程碩士，中煤礦山建設集團工程技術部副部長兼技術中心副主任。