盾構技術在煤巷掘進中的應用探討

王海超

(神東煤炭集團哈拉溝煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

目前，我國煤礦開采逐漸向深井開采，地質條件越來越復雜，開采難度逐漸增大，對采煤裝備的要求也越來越高[1-2]。煤礦掘進主要完成施工大巷、順槽、切眼、回撤通道等任務，為長臂回采做好準備工作。目前，我國在巷道掘進過程中采用的機械設備主要有綜掘機、連續采煤機、掘錨機等設備。綜掘機主要應用在全巖巷道中掘進，掘進效率相對較低。連續采煤機適合頂底板條件較好的雙巷掘進工作面中，配合梭車運煤、錨桿機支護，掘進效率較高，在特殊情況下，連采機掘進工藝也可應用在單巷掘進中。掘錨機整機具備掘進、裝載、支護同時作業功能，主要應用在單巷、頂底板條件差的巷道掘進中，實現了巷道的短掘短支，有效減少了空頂距，保證作業人員安全[3-4]。

針對現階段掘進設備中掘、錨、運失衡問題，煤炭企業積極尋求快速掘進解決方案，盾構掘進系統逐漸在煤礦全巖巷道掘進中得到應用，掘進效率和巷道施工質量較傳統方式有了較大提升[5-9]。鑒于盾構掘進在巖巷掘進中的優勢，有必要對盾構機在煤巷中的應用進行進一步研究。

1 盾構機分類和組成

1.1 盾構機分類

盾構機根據工作原理一般分為手掘式盾構、擠壓式盾構、半機械式盾構(局部氣壓、全局氣壓)、機械式盾構(開胸式切削盾構、氣壓式盾構、泥水加壓盾構、土壓平衡盾構、混合型盾構、異型盾構)。按照掘進地層種類分為硬巖盾構(TBM)、軟巖盾構、軟土盾構、硬軟巖土盾構(復合盾構)等。按照盾構機橫截面積大小分為超小型盾構(φ<1 m)、小型盾構(1 m≤φ<3.5 m)、中性盾構(3.5 m≤φ<6 m)、大型盾構(6 m≤φ<14 m)、超大型盾構(14 m≤φ<18 m)、特大型盾構(18 m≤φ)。按盾構機截面積形狀分為半圓形、圓形、橢圓形、馬蹄形、雙圓搭接型(豎雙圓形、橫雙圓形)、三圓搭接形、四圓搭接形、矩形(矩形、凸字形、凹字形)[10-13]。

1.2 盾構機組成

盾構機是高度集成的隧道掘進設備，主要由刀盤、盾體、螺旋輸送機、管片拼裝機等部分組成，如圖1所示。刀盤在盾構機起切削土層和支撐切削面的作用，是盾構的重要組成部分。盾體是一個鋼結構圓柱體部件，盾構機盾體又分3部分，分別是前盾、中盾和尾盾[2]。

圖1 盾構機組成示意

2 巖巷掘進應用實例

2.1 新疆澇壩灣煤礦副井盾構隧道工程

2012年9月由中國鐵建重工集團研發制造的盾構機開始施工神華集團新疆澇壩灣煤礦副井盾構隧道工程，該隧道線路穿越泥巖、斷層破碎帶、煤層，最大埋深達390 m且掘進距離長，采用傳統的鉆爆法施工不僅施工風險大、成本高，而且施工速度慢，無法滿足工期要求。鐵建重工在充分總結國內外盾構和煤礦巷道施工技術經驗的基礎上，逐一解決了盾構機在長距離掘進中面臨的刀盤刀具磨損量大、易糊刀盤、機器振動、姿態穩定、高效出渣、長距離隧道通風除塵等難題，在掘進了5 845 m后，整條隧道宣告成功貫通，該設備的成功應用為盾構設備在煤礦的應用奠定了堅實基礎。

2.2 補連塔煤礦2號鋪運平硐工程

神華神東補連塔煤礦2號鋪運平硐在國內率先采用單護盾TBM工法施工，輔運平硐全長2 745 m，其中明挖段26.316 m，TBM段2 718.224 m，井筒凈直徑6.6 m，解決了長距離、連下坡、上穿下跨既有巷道、掘進泥質砂巖、多次穿越煤層、高壓富水等6大技術難題，創下了最高月掘進639 m的世界紀錄，工程于2016年7月6日安全順利竣工。該項工程的設計施工，填補了我國TBM在長距離大坡度煤礦斜井建設領域的技術空白，開創了煤礦斜井施工新模式，是煤礦建井模式的革命性變革，驗證了TBM施工煤礦斜井的關鍵技術和理論，對促進我國深層煤炭資源開發具有重大意義。

2.3 張集煤礦巖巷全斷面掘進工程

2015年北方重工集團為淮南礦業集團研制的世界首創煤礦巖巷全斷面掘進機—QJYC045M在張集煤礦投入試用。煤礦巖巷全斷面掘進機開挖直徑4.53 m，整機長度50 m，整機重量350 t，采用盤形滾刀破巖機理，利用全斷面刀盤一次破巖成洞，將水平梁敞開式TBM掘進機與煤礦運輸、支護等特殊施工要求相結合，集掘進、出渣、支護、除塵、通風、導向、防爆技術于一體，最高日進尺30.7 m，平均月進尺404 m，較傳統工藝提高4.5倍。其是高度機械化、自動化的煤礦巖巷施工設備，為解決我國煤礦發展的巖巷施工瓶頸問題奠定了堅實基礎，具有里程碑意義[5]。

2.4 其他案例

新巨龍公司980水平煤礦全巖巷掘進工程：2019年7月，由北方重工集團研制的大直徑大埋深全斷面盾構機在山東能源新礦集團新巨龍公司980水平煤礦全巖巷掘進中應用。該設備的研制和應用實現了我國煤礦巖巷掘進機在大直徑、大埋深、復雜地層施工的新突破，設備采用特殊主梁設計，有效解決了支護錨桿必須通過隧道截面中心線的施工難題，該技術為國內首創，解決了巖巷掘進過程中掘、支、運的不平衡，掘進速度可達500～800 m/月。該設備采用刀盤噴水、除塵風機聯合作業除塵，徹底解決了施工過程中粉塵大的難題，極大改善了工人工作環境。設備集掘進、運輸、支護、除塵、導軌安裝、通風、導向、瓦斯監控于一體，具有安全、高效、智能、環保等特點。

“振興一號”盾構機：2019年9月，同煤集團首臺由遼寧三三工業有限公司研制的盾構機“振興一號”在塔山煤礦組裝完成。該設備總長度65 m，開挖直徑5.8 m，最大爬坡能力5°，集掘進、排矸、防塵、通風、導向、超前、監測、監控、冷卻、鉆探等技術于一體。“振興一號”盾構機在井下的應用，為建設智慧化礦山注入新的科技動力[6]。

3 盾構機巖巷掘進應用分析

3.1 優缺點分析

優點分析：在巖巷掘進中多采用鉆爆法和綜掘機掘進方法，安全保障差，斷面形狀不好控制，掘進效率較低。采用盾構巖巷掘進工藝，機械化程度較高，極大降低了工人的勞動輕度，盾構機刀盤一次性截割成巷，巷道成型質量較好。尤其在硬巖掘進中，掘進效率遠高于傳統方式，安全系數高，對圍巖損傷小，產生的噪聲小，除塵效果好，較傳統掘進方式優勢明顯[7]。

缺點分析：目前，大部分煤礦綜采工作面順槽、切眼、回撤通道等巷道掘進均在煤巷中進行施工，掘進巷道形狀均為矩形，施工質量要求嚴格，方便液壓支架、超前支架、垛式支架等設備的安裝與使用，為長臂綜合機械化回采做好準備工作。而盾構機掘進多為圓形或不規則圓形巷道，如若采用該設備掘進巷道作為綜采準備巷道時，很難滿足正常的安全生產需求。

3.2 盾構機煤巷掘進需解決的問題

掘、支、運平衡作業：現階段，制約煤礦快速掘進的主要問題是掘、支、運平衡作業問題，其中最關鍵因素是支護速度制約掘進問題。鐵建重工最新研制的快掘系統在曹家灘煤礦應用，該快掘系統采用掘錨機掘進和臨時支護、兩臺錨桿臺車補強支護的形式來解決現階段掘錨機掘進過程中掘支不平衡問題，現場應用效果較好。因此，盾構掘進在煤巷應用過程中首先要改變在隧道掘進過程中常用的預制管片支護形式，同時對整機系統進行深入設計研究，實現掘進、支護、運輸并行作業，同時對支護系統進行不斷優化設計，滿足頂、幫快速支護需求。

掘進巷道成形：為了提高掘進巷道空間利用率和回采期間使用效果，現階段，所有長臂回采準備巷道全部施工成矩形巷道。而盾構機掘進頭多為圓形刀盤或復合圓形刀盤，掘進巷道非矩形，巷道底板需二次回填方能滿足輔助行車要求，同時巷道頂幫為圓弧形，存在無效使用空間，增加了掘進成本，因此，從實用性和經濟性方面考慮，盾構掘進在煤巷應用需要解決巷道成形問題。

快速適應巷道頂底板變化趨勢：現階段巷道掘進多采用沿底掘進，掘進過程中需根據底板變化情況進行上坡或下坡調整，防止出現割頂或割底掘進、影響綜采回采情況。但現階段盾構機整機尺寸大，設備轉彎半徑大，不能實現掘進角度調整的快速響應。因此，考慮綜采回采方面的問題，盾構機設計過程中必須有效降低設備轉彎半徑(包括左右轉彎和上下轉彎)，順應底板坡度變化，滿足煤巷掘進要求。

設備快速拆裝：盾構機雖然巖巷掘進效率較高，但盾構機體積龐大，設備結構復雜，安裝和拆卸工期較長，在一次性較長距離巷道掘進中優勢明顯。針對短距離煤巷掘進施工，綜合考慮拆裝時間，與現階段掘進設備相比不具備優勢。因此，盾構機在煤巷掘進中必須進行設備小型化、模塊化設計，實現設備的快速搬運和安裝，有效縮短設備安裝和回撤周期，提升綜合掘進效率。

易于檢修及換件：盾構掘進在長距離巷道掘進過程中，設備可靠性和易于檢修是制約掘進效率的關鍵問題，盾構機設備龐大、掘進過程中無聯巷、無法長距離后退等問題導致設備更換大型部件困難重重，尤其像盾構機刀盤、驅動部等大型部件，更換配件更是難上加難。因此，盾構機在設計階段，必須保證關鍵部件、大型部件的可靠性，預留檢修空間，提高檢修效率。

施工聯巷：在煤礦巷道掘進過程中，為了方便生產和輔助運輸，需在兩條巷道延伸方向間隔一定距離開通聯絡巷道，連采機掘進聯巷間距一般為50 m，掘錨機掘進聯巷一般間隔200 m左右。因此，盾構掘進在煤巷中的應用還需有效解決施工聯巷問題。

4 結語

盾構巖巷的成功應用為其在煤巷掘進中應用奠定了基礎。在國家智慧礦山建設的指引與號召下，在煤炭企業和相關單位的共同努力下，需逐一解決盾構掘進在煤巷掘進中存在的問題，發揮盾構機機械化程度高、掘進效率高、安全保障高、職業危害少的特點，盡早實現盾構煤巷掘進。總結提煉盾構技術在煤巷掘進過程中可能面臨的問題，可以為盾構機在煤巷掘進中的研發和應用提供參考。