TBM 型盾構機在新景公司保安分區8#煤回風巷的應用

程 凱 王海鳳

（陽泉煤業股份有限公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

1.1 巷道概況

陽煤集團新景公司保安分區+525m 水平8#煤回風巷位于8 號煤層以上9～14m 位置處，8#煤回風巷開口位置位于8#煤采區系統巷內向正西方的黑色砂質泥巖中，巷道開口標高為+565.3m，巖石情況較穩定，巖層硬度系數為f=4-5。該采區8#煤層賦存呈單斜構造，傾角平均4～5°，總體呈西部高、東部低的特點。8#煤層老頂為K7 細粒砂巖，平均厚度為5.06m；直接頂為泥巖，平均厚度9.89m；直接底為砂紙泥巖，平均厚度4.13m；老底為K6細粒砂巖，平均厚度5.48m。區域巖層較穩定，施工時沿煤層底板向正西方向施工。目前，陽煤集團新景公司在進行巖石巷道掘進時，仍以傳統的鉆爆法為主，掘進效率較低，勞動強度大，嚴重影響著礦井建設水平，難以適應礦井高效生產的需求。

1.2 支護設計

8#煤回風巷道支護方式采用“錨桿+錨索+鋼筋網+噴砼”的聯合支護方式。錨桿選用規格為Φ20mm×2000mm 左旋無縱筋高強螺紋鋼錨桿，各錨桿之間的間、排距分別為800mm、1000mm。錨桿托盤選用規格為150mm×150mm×10mm的高強度可調心拱形錨桿托板。錨索選用規格 為Φ21.8mm×7200mm， 各 錨 索 之 間 的間、排距均為1000mm。錨索托盤選用規格為300mm×300mm×16mm 的高強度可調心拱形錨索托板。金屬網選用網孔為100mm×100mm、網幅為Φ6mm×1100mm×2000mm 的圓鋼加工制作而成。8#煤回風巷道支護結構示意如圖1 所示。錨噴巷道混凝土配合比為水泥∶黃沙∶石屑=1:1.98:1.98，水灰比0.45，石屑粒徑3～5mm，速凝劑每100kg 水泥摻入3～4kg，噴砼強度C20，噴砼厚度100mm。每個錨桿眼使用1 卷錨固劑，錨固劑型號為MSCK-23/80 型。每個錨索眼使用1 卷雙速錨固劑，錨固劑型號為MSS-23/120 型，其中快、中速藥卷比例為1:3。

圖1 8#煤回風巷道支護結構圖

2 盾構機掘進設備簡介

2.1 設備構成

QJYC045M 型全斷面巖巷掘進機，開挖直徑Φ4.53m，總長55m，總重400t，由刀盤、大梁、撐靴、推進、后配套、液壓系統、電控系統、通風除塵等系統構成，是集掘進、支護、出渣、導向、防爆技術于一體的高度機械化、自動化的大型設備[1]。盾構機的施工，適用于巖石硬度系數f=6 及以上的硬巖中掘進。QJYC045M 型全斷面巖巷掘進機（TBM盾構機）結構模型如圖2 所示。

圖2 QJYC045M 型全斷面巖巷掘進機（TBM 盾構機）結構模型

2.2 操作原理

TBM 型盾構機利用帶有滾刀的刀盤擠壓將巖石剝落成小塊巖石，通過刀盤鏟刀將巖石碎塊帶到刀盤中心的溜渣槽，然后落到一段轉載機、二段轉載機，經皮帶機出渣。為保證快速施工需要，掘進與支護需要平行作業[2]。

2.3 TBM 型盾構機掘進流程

TBM 盾構機掘進過程與換步流程如圖3 所示。

圖3 TBM 盾構機掘進過程與換步流程圖

3 施工工藝

3.1 掘進參數確定

當巷道圍巖主體為細砂巖時，圍巖整體性和穩定性較強，對盾構機刀具磨損較小，利用TBM 盾構機進行掘進時，推進速度的可選范圍較大，此時可根據掘進效率選擇最佳掘進功率，實現快速掘進。當巷道圍巖主體為砂質泥巖時，圍巖節理不發育，整體性、穩定性較高，通常情況下，以接近TBM 型盾構機額定推力的推進速度，即刀盤推力在8000kN 左右時的速度推進，可以獲得較高的生產效率。當掘進工作面通過斷層破碎區域時，由于巷道圍巖破碎情況復雜，推進時，宜選用低速的刀盤轉速，以保證推進的安全性[3]。

3.2 支護工藝

TBM 盾構機共設有5 個平臺，根據各平臺的工業布置特點，可在1#、2#、5#平臺利用錨桿、錨索、錨網等進行加強支護。在現場施工過程中，在1#平臺布置2 部錨索鉆機，在臨時支護的掩護下通過錨桿、錨索對頂板進行支護，保證頂板的穩定性。在2#平臺布置2 臺YT-28 風鉆，對兩肩窩進行錨桿支護作業，備用2 臺MYT-140/320 型液壓錨桿鉆機，在圍巖過硬或壓風過小時替代風動錨索鉆機，確保錨索支護不滯后[4]。5#平臺為加長平臺，主要完成巷道中下部錨桿的打設，施工過程中，在5#平臺同時配備2 臺MQTB130/2.5-3.1 型風動錨桿鉆機和2臺YT-28 型鑿巖機，進行巷道中部錨桿與下部錨桿的打設。

3.3 循環作業方式

TBM 盾構機實現破巖掘進時的循環行程為1.50m，當一個循環結束時，停止掘進，刀盤后退3～5cm，放下主機后支撐腿，將主機支撐牢固后，收回前后兩側水平撐靴，前移撐靴一個循環的距離，然后根據導向系統提供的主機位置參數進行TBM盾構機調向，調向完成后將兩水平撐靴伸出至一定壓力，收回后支撐離地大約5～10cm。通過拖拉油缸拖后配套并前移一個循環的距離后，即可接著進行下一個循環的掘進作業[5]。

4 施工地質管理

盾構機施工過程中采用“區域+局部”探測方式控制掘進層位：區域探測采用相鄰巷道施工地質資料及鉆探資料進行超前預測預報；局部探測采用錨索鉆機、盾構機自帶的ZDY1200S 架柱式鉆機進行局部層位控制以及探放水的工作。在盾構機第一平臺上、下各布置一臺ZDY1200S 鉆機，每次打鉆深度150m，掘進120m，始終保證工作面前方有不少于30m 的超前鉆探距離。

5 應用效果

5.1 掘進進尺記錄

自2017 年12 月6 日TBM 盾構機在8#煤層回風巷投入使用以來，8#煤層回風巷在掘進期間實現了最大平均日進尺21.6m、最大班進尺15.5m、最大日進尺35.1m 的快速掘進目標，創造了月最大進尺561.9m 和年進尺3490m 記錄。保安分區+525m水平8#煤層回風巷掘進進尺情況表如表1 所示。

表1 +525m 水平8#煤層回風巷掘進進尺情況表

5.2 施工效率對比

分別以佛洼東采區膠輪車輔運大巷、佛洼東采區膠帶大巷作為參照對象與保安8#煤南回風巷掘進進尺數據進行對比，施工效率對比數據情況如表2所示。

表2 施工效率對比數據情況表

通過表2 所示對比數據可知，按折算進尺比較，由扒渣機、耙巖機（炮掘）、TBM 盾構機施工的巷道月最高進尺數分別為125.7m、95.4m 與561.9m。由TBM 盾構機施工的巷道進尺數較之扒渣機與耙巖機（炮掘）分別提高了436.2m/月、466.5m/月。通過TBM 盾構機進行巷道的掘進與施工，有效地提高了巖巷掘進效率。

6 結 語

隨著煤炭產業的快速發展與結構性調整，礦井的生產水平大幅提高，在煤礦開采水平取得突飛猛進的同時，巷道的掘進效率卻沒有得到明顯的提升，采掘失衡已經成為影響我國煤礦高產高效的主要因素。BTM 盾構機在陽煤集團新景公司保安分區+525m 水平8#煤回風巷的成功應用，實現了掘進施工自動化，大大降低了施工勞動強度，提高了礦井巖巷掘進效率，為煤礦實現安全高效生產的目標提供了一定的借鑒與參考。