深部高溫礦井大斷面巖巷TBM智能掘進技術
——以“新礦1號”TBM為例

張洪偉，胡兆鋒，程敬義，朱傳奇，趙毅鑫，鄭興博，呂長剛，高 翔，周 俊

(1.中國礦業大學(北京) 共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083; 2.安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001; 3.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001; 4.山東新巨龍能源有限責任公司，山東 菏澤 274918; 5.中國礦業大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 6.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110000)

我國煤礦巖巷掘進以炮掘和綜掘為主，此類掘進方法地質適應性強、簡單經濟，但還存在巷道成形質量差、作業風險較大、工作環境惡劣、掘進效率低等問題[1-2]。同時，隨著回采速度不斷加快，巖巷掘進效率卻難以突破，采掘接續問題愈發突出。全斷面隧道掘進機(TBM)以其智能高效、少人化、作業環境好、工序連續銜接等優勢已成為地鐵、公路、水電、市政等隧道工程領域的主流裝備[3]。此類裝備1999年開始引入煤礦巷道建設(山西省鄉寧縣王家嶺礦井平硐開拓)[4]，以后在煤礦大斷面、長距離巖石巷道掘進方面不斷得到成功應用，逐漸成為了硬巖巷道安全高效掘進和煤礦智能化水平提升的重要保障[5]。據統計，近5 a來，已有11座煤礦使用TBM，如塔山煤礦主平硐(φ4.82 m，全長3 023 m)、神東補連塔煤礦輔運巷道(φ7.62 m，全長2 745 m)、淮南張集煤礦高抽巷(φ4.5 m，全長1 594 m)、山西東曲煤礦(φ5 m，全長3 600 m)、云南羊場煤礦楊家礦井(φ3.2 m，全長1 014 m)，新巨龍煤礦(φ6.33 m，全長2 817 m)等。相對于傳統鉆爆法施工，TBM掘進月進尺高達400 m以上，是傳統鉆爆法的4～10倍、綜掘法的2～8倍[6]。

近些年，我國巖巷TBM掘進技術得到了飛速發展，眾多學者也對TBM地質適應性[7-9]、滾刀設計與破巖機理[10-12]、掘支作業及巷道圍巖控制[13-15]、通風及除塵技術[16-18]、超前探測與狀態感知[19-22]等開展了廣泛研究，取得了顯著的成果，為我國硬巖TBM掘進自動化、智能化水平的提升奠定了堅實的基礎。但是，在煤礦開采領域，很多礦區不可避免的進入了深部開采階段;其中，我國中東部主要礦井的開采深度已達到800～1 000 m，有47座礦井采深超過1 000 m，山東孫村煤礦最大采深超過1 500 m[23]。從煤礦使用TBM掘進巖巷的現狀來看，已有的TBM大多應用于淺部礦井，深部礦井應用很少，尤其是在超千米深井大斷面硬巖TBM掘進中并無應用先例。已知相對比較深的礦井中，陽煤集團TBM應用深度為560 m、淮南張集煤礦應用深度為510 m。此外，由于深層煤礦開采面臨“三高一擾動”的復雜應力環境[24]，淺部煤礦應用成功的TBM掘進技術還存在很多突出難題，如千米深井大尺寸TBM轉運與集成、深部高水平應力下超大斷面安裝硐室圍巖穩定性控制、一次成形大斷面巷道圍巖穩定性控制及長距離連續運輸、掘進機降溫除塵、超前地質預測與預報、沖擊地壓防控等。

鑒于山東新巨龍煤礦研發了適用于深部高溫礦井的TBM掘進裝備，并成功應用于千米深井，筆者系統論述了千米高溫礦井大斷面巖巷TBM智能掘進系統及圍巖穩定性控制技術，提出其建造及應用過程中的難點和解決思路，旨在為類似礦井采用TBM掘進巖巷提供一定的技術借鑒。

1 “新礦1號”TBM的研發及工程應用條件

1.1 TBM裝備的研發

山東新巨龍煤礦是我國典型的深部高溫礦井，利用TBM掘進的二水平北區回風大巷埋深約1 000 m。煤礦前期采用MH620硬巖掘進機進行開拓巷道施工，掘進速度慢，特別是巖石的普氏硬度系數大于10時，截齒及齒套磨損過快，嚴重影響采掘接續，每月平均進尺約100 m。TBM掘進區域巖層為7.56 m的粉砂巖。為實現安全快速掘進、提升礦井智能化水平，新巨龍煤礦聯合多家單位，于2018年研發了EQC6330全斷面TBM掘進系統(φ6.33 m)，實現了千米深井硬巖全斷面TBM智能高效掘進[25]。

1.2 工程應用條件

新巨龍煤礦可采煤層大部分處于2級高溫熱害區，高地溫及熱水上涌是導致該礦井熱害的主要熱源。其中，非煤系地層平均地溫梯度1.85 ℃/hm，煤系地層平均地溫梯度2.76 ℃/hm，采區大部分塊段原始巖溫為37～45 ℃，處于2級熱害區域。根據測算，掘進工作面空氣溫度一般在32～35 ℃，嚴重影響安全生產。該礦井主采3號煤的平均厚度為9.0 m的特厚煤層，同時也屬于沖擊地壓礦井。

如圖1所示，TBM安裝硐室為始發位置，位于二水平回風暗斜井BH64導線點以東40 m處，井下標高-971.4～-959.8 m，全長93 m。TBM掘進巷道由安裝硐室開始施工，井下標高-971.5～-948.8 m，地面標高+42.2～+43.6 m，大巷按R500 m的曲率半徑以2.1°上坡施工454.8 m，然后按0°方位以3°上坡施工2 361.7 m至設計位置，巷道全長2 816.5 m。

圖1 TBM安裝硐室及掘進巷道工程平面圖Fig.1 Engineering maps of the TBM installation cave and the TBM driving roadway

2 低位主梁TBM掘進機系統組成及特點

2.1 系統組成

“新礦1號”TBM掘進機開挖直徑6.33 m，整機功率高達2 400 kW，采用盤形滾刀破巖機理，利用全斷面刀盤一次破巖成巷，集掘進、出渣、支護、除塵、通風、導向、防爆技術于一體。TBM由刀盤、主驅動、護盾、主梁、撐緊推進機構、后支撐、轉載機構、后配套拖車等構成，設計最大推力為17 500 kN。掘進時，采用帶有滾刀的刀盤通過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，然后落到主機帶式輸送機上，由后配套帶式輸送機輸送至巷道外。其結構形式如圖2所示。

圖2 新礦1號TBM系統結構形式Fig.2 Structure formation of Xinkuang TBM

2.2 主要部件

(1)大直徑超重刀盤。刀盤直徑6.33 m，尺寸φ6 330 mm×1 725 mm，質量105 t，設計最大轉速9 r/min。采用1個中心塊和4個邊塊的設計，5塊刀盤通過連接法蘭用螺栓聯接，工地裝配后進行整體焊接。刀盤采用優質合金碳素鋼Q345D材料焊接而成，其正面設置有安裝刀座、鏟斗和降溫除塵用的噴水口，內部沿徑向設有多組豎向筋板，對整個刀盤起到豎向支撐作用，使整個刀盤結構形成一個完整的剛性整體。

此刀盤上配備了2種類型的滾刀，4把17吋中心雙聯滾刀和31把19寸單刃正滾刀。中心雙聯滾刀結構緊湊，拆裝方便;安裝方式為背裝式。面滾刀和邊滾刀均采用19寸單刃滾刀，同樣采用背裝式，便于現場更換。

(2)一體化盾體與主驅動。盾體與主驅動為一體化設計結構，主驅動既是驅動刀盤的傳動機構，又是護盾的支撐機構，驅動功率1 800 kW。刀盤與驅動連接，驅動與大梁連接，護盾有6個部分，均與驅動殼體連接。在掘進過程中，左右側護盾可徑向伸出或縮回100 mm，以滿足特殊的地質狀況或轉彎時的變徑要求。頂護盾通過頂護盾油缸和滑道安裝在刀盤支撐上，可徑向伸出40 mm或縮回110 mm。

(3)低位主梁與推進機構。不同于常規設計的中位主梁結構，“新礦1號”采用低位主梁結構，提供了充足的支護操作空間。主梁內部是主機帶式輸送機通道，主梁中段主要承載刀盤的扭矩，安裝鞍架和撐靴，為撐靴的向前滑動提供滑道。推進機構由推進部分、鞍架和撐緊部分組成，推進部分由推進液壓缸和鉸接座組成，推進部分前端與主驅動連接，后端與撐緊機構相連，撐緊機構主要由撐緊液壓缸和撐靴組成，并通過扭矩油缸與鞍架相連。主梁與護盾連接，用來傳遞推力和扭矩，承載支護機構和推進機構，與后支撐一起實現TBM推進和換步功能。

(4)全自動鉆機錨桿支護與尾支撐。支護機構由3臺液壓錨桿鉆機和鉆機平臺組成，撐靴前1臺、后2臺，實現了掘支一體化作業，如圖3所示。尾支撐與推進機構相連，TBM掘進時后支撐隨著主大梁一起前移。當TBM需要換步時，后下支承下降并支承在底板以承受機器后部重量，TBM完成換步后，尾支撐縮回，并隨主機一起前移。

圖3 錨桿鉆機結構和實物Fig.3 Structure schematic and pictures of bolting rigs

(5)超前勘探系統。超前勘探系統由固定在鞍架上的超前鉆機旋轉環和超前鉆機組成。進行超前勘探時，在液壓馬達驅動下鉆進，最小勘探角度6°，最大勘探深度50 m，使用釬尾為T38，左旋螺紋，超前鉆孔直徑φ73 mm，超前小導管直徑φ108 mm，壁厚10 mm。

(6)除塵、出渣及有害氣體探測系統。刀盤正面設置了噴水裝置，在刀盤切削巖石過程中進行噴水降塵。通過安裝CFTHBKO1/600干式除塵設備，除去懸浮粉塵。出渣系統由刮板輸送機、主機帶式輸送機與后配套帶式輸送機構成。主機帶式輸送機裝備有跑偏、打滑、撕裂、堆煤、煙霧、溫度和自動灑水等機械電氣安全保護裝置，在設備不同位置設置5個甲烷檢測傳感器，1個O2傳感器、1個H2S傳感器、1個CO傳感器，實現有害氣體閉鎖保護。“新礦1號”TBM掘進機部分部件結構如圖4所示。

2.3 整機特點

(1)主梁下置。考慮到錨桿必須垂直于巷道巖面90°打設的要求，設計時不同于普通掘進機的主梁上置結構，將主梁整體翻轉采用下置主梁結構，上部留有大的操作空間，可以滿足一次性打2.5 m的錨桿，解決了支護錨桿必須通過隧道截面中心線的施工難題和支護速度跟不上掘進速度的難題。

(2)主推缸前置。將主推油缸前置，推力直接作用到主驅動上，節省了3～4 m的主機長度，使得主機的轉彎半徑由500 m縮小到150 m。

(3)長距離連續輸運。通過安設滾動托架和跑偏輪設計，實現曲線半徑500 m拐彎需要，使用膠帶自動張緊裝置，實現TBM連續推進過程中膠帶自動收放，減少后部搭接膠帶施工時間，提高施工效率。

(4)曲線拐彎施工工藝優化。將掘進循環進度由1.4 m縮小至0.8 m，采用及時永久支護，減小空頂面積。優化巷道支護工藝，由原設計指形護盾下打設5根錨桿護頂，其余錨桿拖后至撐靴后部，優化為掘進工作面打設11根錨桿支護，將兩側支護各下壓2根錨桿。優化指形護盾使用工藝，減少反復支撐對頂板破壞，每次推進前，在指形護盾上敷鋼筋網，然后前移護盾，減少反復破壞，降低頂護盾、左上護盾、右上護盾、側護盾對巷幫的支撐，進行撤架前移，保證曲線段平穩度過。

(5)慣性導航過彎曲段。施工時，TBM始發后立即進入曲線段施工，半徑500 m，長度480 m，掘進中充分利用慣性導航系統，實現TBM姿態調整。

(6)高效降塵與制冷技術。通過刀盤設置噴水裝置，使刀盤切削巖石過程中，進行噴水降塵，使用護盾封閉隔離灰塵，保護隧道內部的干凈與清潔。采用CFTHBKO1/600干式除塵設備，清理懸浮粉塵。采用雙風機4空冷器4風筒降溫方案，使施工作業面保證在26 ℃左右。

3 大尺寸部件運輸與安裝技術

為滿足大尺寸部件立井下送和井下運輸，TBM采用分體模塊化設計，主要部件包括刀盤轉接環、刀盤支撐后部、刀盤支撐前部、主梁前段、左撐靴、右撐靴、刀盤中心塊、主軸承、大齒圈、側鞍架、左護盾、右護盾、頂護盾等22件大件。其中，刀盤中心塊質量最大，為24.3 t;左右護盾體積最大，為24.024 m3;給TBM運輸、安裝帶來極大困難。下井前，存在罐籠空間不足;大件進出罐難，安全隱患大;大尺寸部件運輸路線保障難;超重部件運輸對底板擾動大等突出問題。基于此，采取了以下技術措施:

(1)大尺寸部件運輸路線開幫及路面硬化技術。為保證TBM各部件順利運輸至安裝硐室，通過數值計算和物理模擬驗證，對-980 m邊界進風巷、-980 m邊界進風運輸四聯巷進行敷設鐵板，并對超大斷面安裝硐室進行路面硬化。由于配件最大不可拆卸件尺寸達到4.3 m×4.3 m×1.7 m，因此運輸路線巷道最低寬度不得低于4.3 m，且直墻段距底板不得低于2.5 m。通過開展模擬運輸過程，確定斷面不足位置(共13處)進行開幫處理與支護。此外，研發了專用超低車身平板車，長4 m、寬3 m、高0.45 m，并將專用平板車與WJ-15FB型多功能車相連接，使用WJ-15FB型多功能車牽引運輸大件及超重部件。

(2)大尺寸部件入罐與出罐技術。如圖5所示，原分層罐籠無法滿足大尺寸配件下井要求，后期更換為活動中盤式罐籠，下井前將大罐中盤拆除，下井時在另一側小罐增加1～2個車皮的配重，完成TBM組件下送。出罐時，將地軌機車與平盤連接使用，大件緩慢推出罐后掩車固定并解除與地軌機車的連接。打設9組吊掛錨桿，每組吊掛錨桿4根，并使用不少于6個5 t手拉葫蘆將大件進行起吊。起吊后使用手拉葫蘆調節大件位置狀態，將大件橫置換裝到專用平板車后封裝固定并運送。

圖5 大尺寸部件入罐與出罐技術Fig.5 Technology of large-size components entering and leaving the cage

(3)超重超大刀盤整體旋轉及吊裝技術。TBM大件22件，小件數百，其中刀盤由5個分塊拼裝完成，總質量達130 t。從平放位置翻轉至直立并與主驅動軸承對接，難度大，且現場機電設備多，電纜接線多，易出現觸電事故，風險極高。吊裝前，對大斷面安裝硐室超重部件吊裝圍巖穩定性控制進行了專項科研研究，開展了理論分析、數值計算、物理相似模擬等分析，最終確定利用6臺35 t回柱絞車配合動滑輪組進行施工，順利解決了TBM刀盤起吊、翻轉與圍巖穩定性控制問題，實現了安裝硐室斷面144 m2圍巖穩定性控制、井下單件130 t設備吊轉與976件部件現場拼裝，形成了深部高溫礦井97 m TBM整機的運輸與安裝關鍵技術。刀盤起吊翻轉如圖6所示。

圖6 刀盤起吊與翻轉技術Fig.6 TBM cutter lifting and turning technology

4 TBM智能掘進技術

4.1 監控及PLC控制技術

(1)井上下視頻監控技術。TBM視頻監控系統選用防護等級為IP66的高清攝像頭共4個，位置覆蓋左/右撐靴、主機帶式輸送機轉渣處和后配套帶式輸送機轉渣處。所有視頻信號傳送到主控室監控器上，存儲時間大于7 d。所采集的信息可在井下工業控制環網和地面工業控制環網傳送，實現井上下的實時監控。

(2)PLC控制系統。TBM掘進機上所有設備的數據通過I/O分站來采集，所有的邏輯控制通過主控室內的PLC完成。普通的信號分為數字量和模擬量2種信號，包括限位開關、壓力開關、壓力溫度傳感器、比例伺服閥等，采集的信號通過通訊發送給PLC進行處理。除了這些信號外，刀盤變頻、電能計量是通過通訊的方式來完成數據的交換。

TBM主控室內PLC的程序用梯形圖語言完成。每個系統功能的程序都分為:信號輸入、故障、主邏輯、信號輸出。每個系統啟動或運行都有系統啟動安全條件(PSC)，每個系統的PSC體現了主要的安全互鎖條件。

4.2 TBM導向控制技術

導向系統由硬件和軟件兩部分組成。其中，硬件包括激光靶、全站儀、雙軸傾斜儀、工業電腦、中央控制箱等部件;軟件包括導向模塊、地圖模塊、糾偏曲線模塊及系統配置模塊等。

TBM導向控制技術的原理為:將激光靶安裝在掘進機上作為系統的主要基準，首先確定好激光靶與掘進機軸線的準確位置關系，激光靶邊緣安裝一個棱鏡，全站儀通過這個棱鏡進行距離測量。為了保證導向系統的正常運行，在TBM上設置貫穿整個掘進機配套系統的激光窗。激光全站儀在巷道和TBM之間的激光通道中，且全站儀隨著TBM的推進前移。全站儀具有目標自動識別功能，并安裝有與視準軸平行的激光發射器。

定位掘進機姿態的基礎是2個已知的大地坐標點。一個點是指全站儀所處的點，全站儀需要與激光靶通視。全站儀需要通過第2個已知點(后視棱鏡)定向，從而得出掘進方向。掘進機的滾動角和俯仰角是通過液體阻尼雙軸傾斜儀測得。所有測得的原始數據均傳輸到主控室的導向系統軟件中計算TBM的準確空間姿態，并以數字及圖像的形式進行顯示。

4.3 復雜地層TBM掘進技術

(1)軟弱及困難地層掘進技術。TBM穿越軟弱及困難地層是業界高度關注和亟待解決的問題。在長距離推進中，不可避免的會出現撐靴巷幫內陷、卡機等問題，嚴重制約掘進進度。其中，還包括軟巖沉陷、軟硬相夾地層掘進防偏、平(豎)曲線巷道掘進軸線保持等問題。

解決技術主要包括:① 采用了新型主梁結構，優化機載液壓錨桿鉆機布置方式，實現錨桿與巖面輪廓線垂直的要求;② 采用了液壓脹殼式可收縮護盾結構，增加護盾底部和撐靴的面積，實現TBM在煤系地層的適應性;③ 采用了敞開式TBM推進，多組液壓錨桿鉆機錨注，自動調平的機尾改向裝置、糾偏連續帶式輸送機出渣;④ 采用了新型薄噴材料封閉技術，實現防爆單軌吊運輸與TBM車架運輸無縫銜接技術;⑤ 通過超前預注漿地層改良、TBM盾體形變局部襯砌等處理技術，解決軟巖地質條件下卡盾問題;⑥ 利用前探孔基于鉆屑法進行沖擊地壓傾向性預測，同時在巷道兩幫安裝應力在線監測監控裝置，對高應力地段施工泄壓鉆孔進行泄壓，解決因高地應力引起的卡盾等問題。

(2)TBM在煤系地層施工中的適應性和可靠性評價。為降低工程風險、最大限度地發揮設備效能，預先開展了TBM在煤系地層施工中的適應性和可靠性評價：① 分析了不同強度、完整性的巖層支撐TBM工作載荷的能力，確定了保持TBM工作姿態總體可控的最低圍巖條件閾值;② 分析了各種不同屬性地質構造的TBM可通過性，合理規劃TBM法巷道施工范圍;③ 研究了沖擊地壓、有害氣體、高溫、涌水等特殊地質條件下TBM可用性，建立地質改良基礎標準;④ 結合TBM極限性能指標，研究各類特殊地層改良方法及其可達到的最低改善指標，建立了經濟可靠的工程風險規避機制。

(3)破碎帶和高涌水地層掘進技術。新巨龍煤礦二水平北回風大巷掘進時的直接充水含水層為3號煤層頂板砂巖，富水性為弱～中等，為裂隙簡單類型。水主要以頂板淋水和底板滲水的形式進入掘進工作面。掘進期間正常涌水量為49 m3/h，最大涌水量62 m3/h，掘進區域無巖漿巖體、陷落柱等地質構造。

為保障掘進穩步進行，在穿越裂隙含水層、斷層破碎帶、圍巖裂隙發育等復雜地層時，可能會引起工程突水、TBM襯靴缺乏支撐圍巖而難以推進等問題。在解決方法上，首先優化了TBM裝備的刀盤結構、支護匹配方式和TBM后退功能，為工作面地質改良創造空間條件，實現特殊地層的預處理。然后，根據超前鉆探結果，對于不良地質段采用了超前注漿加固施工技術進行治理。最后，過破碎帶時對壁面同時采用噴漿處理。

4.4 TBM掘進操控技術

EQC6330TBM掘進機的電氣控制系統可對采集的數據進行快速準確的處理并將數據傳到監控界面上顯示，當“連鎖”條件滿足時對應的控制信號輸出，實現系統動作的控制。操作工結合監控界面顯示的數據可快速直觀的掌握設備各系統的性能，其中，掘進機施工工藝流程如圖7所示。

圖7 掘進機施工工藝流程Fig.7 Flow chart of the TBM during tunneling

主要工藝說明:

(1)運輸與掘進操控。“新礦1號”TBM掘進機采用刮板輸送機加兩級帶式輸送機輸送渣料，其中刮板輸送機和兩級帶式輸送機在設備上，連續帶式輸送機架設在巷道內。帶式輸送機界面中顯示一級刮板輸送機、兩級帶式輸送機PSC條件、馬達運行壓力、帶速、運行狀態及中部槽位置等信息。啟動時，先啟動巷道內的長距離連續帶式輸送機，然后啟動2級帶式輸送機。待2級帶式輸送機馬達壓力、速度正常后，啟動一級帶式輸送機。停止的順序按照上述順序逆向操作。

(2)除塵、有害氣體探測及刀盤啟停。掘進前，先啟動除塵風機，并確認有害氣體體積分數正常后，啟動刮板輸送機，最后啟動刀盤旋轉和推進系統。正常掘進時，主界面會顯示刀盤旋轉速度、扭矩、各電機電流、抱閘壓力等信息。除了以上數據外還顯示出刀盤運行模式、電機溫度和運行曲線。刀盤的運行具有正常模式、點動模式和脫困模式。

(3)掘進機調向。無論水平或垂直調向運動，都通過相對固定的撐靴來移動機器尾部完成。水平調向通過橫向移動主機尾部完成，尾部向左移動刀盤向右移動，尾部向右移動刀盤向左移動。垂直調向由垂直移動主機尾部完成，垂直調向由扭矩油缸控制機器尾部上下移動。左、右扭矩油缸伸縮控制機器的提升下降。掘進機偏轉的角度通過操作左扭矩油缸和右扭矩油缸相反方向上的控制開關進行。通過聯合使用頂護盾和側護盾，可以在掘進機作業過程中穩定機器的前部。側護盾也為水平調向提供支點并可補償邊刀的磨損。

5 TBM大斷面安裝硐室及掘進巷道圍巖穩定性控制技術

5.1 大斷面安裝硐室斷面設計及穩定性控制技術

(1)結構設計。TBM超大斷面安裝硐室采用過渡型斷面，如圖8所示，1—1斷面長×寬×高為40.0 m×8.0 m×7.0 m，2—2斷面為17.0 m×8.0 m×12.0 m，3—3斷面為9.0 m×8.0 m×9.0 m，4—4斷面為34.0 m×8.0 m×7.0 m。巷道最大斷面2—2處，掘進施工與支護困難，存在巷道大變形、后期難修復等突出問題。數值計算模型長100 m、寬100 m、高160 m。根據前期開展的深部地應力實測，設定安裝硐室上覆巖層自重應力為20 MPa，水平應力為垂直應力的1.9倍，即38 MPa，并采用Mohr-Coulomb破壞準則解算。

圖8 數值計算模型及巷道斷面Fig.8 Numerical calculation model and the roadway section

(2)巷道關鍵位置變形分析。從超大斷面安裝硐室位移云圖剖面(圖9(a))可以看出，y方向變形最劇烈的位置是3個頂板遺留臺階處，而且最大的臺階沿著巷道方向的變形量最大，中間和最小的臺階沿著巷道方向的變形量次之。這3個臺階在x方向上的變形較頂板其他位置大，尤其是最大的臺階和中部臺階，但是3個臺階處的頂板下沉量小。因此，影響這3個臺階垮落的因素不是垂直變形，而是因為y方向的水平變形將其擠出和x方向的水平變形導致的臺階向z和y方向的擴容現象。由圖9(b)可以看出，隨著巷道高度的增加，片幫的風險增加，從最大斷面2—2到最小斷面4—4，幫部變形影響范圍逐步加大，在安裝硐室最大斷面的幫部表現最明顯。因此，需要重點加強支護，防止片幫導致的硐室整體性失穩。

圖9 大斷面安裝硐室位移云圖剖面Fig.9 Section of displacement of large-section installation cave

(3)大斷面安裝硐室圍巖穩定性控制技術。臺階掘進法逐步控制片幫。改變巷道施工程序，將大斷面安裝硐室分上下2段施工，先沿巷道頂板掘進，刷掉余留，掛網打錨桿固定幫部，然后挖掉下部，即采用臺階法施工，直至破底，并繼續加固幫部。此種施工方式，可解決一次成巷造成支護不及時的問題，盡最大可能保持巷幫的自承載能力。由于采用臺階式掘進和錨桿掛網及時加固幫部，在巷道水平應力逐漸增大的過程中，水平應力和垂直應力趨于均化，幫部的自承載能力提高，從而對保持巷道的穩定性起到重要作用。

爆破法解危頂板遺留臺階。在裝卸硐室中，頂板屬于承載的主要結構體，應考慮到硐室的整體性，對硐室頂板進行聯合支護，同時根據后期使用情況進行補強支護，可以在頂板或者肩窩位置補打錨索，對頂板進行強化。硐室任何一部分圍巖失穩都可能引發整體失穩，變形最劇烈的位置是3個臺階處，而且最大的臺階沿著巷道延伸方向的變形量最大，因此，需要對3處臺階進行爆破處理。

巷道支護時，錨桿成排成行矩形布置，永久支護錨桿采用φ22 mm×2 500 mm無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm。兩幫頂角錨桿向巷道頂板傾斜，與水平方向夾角為10°～30°。錨桿錨固力不小于150 kN，錨桿擰緊力矩不低于400 N·m。錨索間排距1 900 mm×2 000 mm，并安設“一梁兩索”錨索梁加強支護，錨索采用φ21.8 mm×8 300 mm高預應力鋼絞線。針對容易變形的肩窩位置，補打道爾錨索進行加強支護，同原錨索處于同一排，間距2 m進行布置，每排補打2根，選用φ35 mm×10 300 mm的鋼絞線。

5.2 大斷面TBM掘進巷道圍巖穩定性控制技術

深部巷道特別是千米深井采動巷道，地應力高、采動影響強烈，導致巷道圍巖變形大、持續時間長、破壞嚴重[26]，其破壞的共性有:巷道開挖初期變形速度快、變形量大，巷道圍巖整體變形表現出強時效性和結構大變形特征;變形破壞常發生在巷道肩部、頂板中部、巷道底角處等應力集中部位;巷道底板變形表現為結構性流變，持續底臌嚴重，往往超過頂板的下沉量。

深部高水平應力作用下TBM巷道圍巖控制的關鍵點包括2部分，即控制圍巖破裂區、塑性區的發展和控制弱結構面的滑移變形。因此，采用錨網索支護對頂部整體控制，防止頂板局部破碎引發的巷道整體性破壞;采用加密支護或補強錨索支護對幫部加強支護，防止高水平應力誘發片幫;底部采用具有自成形特征的反拱控制，同時根據監測數據進行補強底角錨桿支護。

如圖10所示，圓形巷道斷面屬封閉式斷面可有效控制巷道變形，有效發揮錨桿支護作用。巷道采用“噴錨網索噴+錨網噴”支護方式，如圖10所示，頂部和幫部錨桿采用φ22 mm×2 500 mm無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿進行加強支護，間排距:1 000 mm×1 000 mm，托盤規格:200 mm×200 mm×12 mm，錨桿錨固力不小于150 kN，錨桿擰緊力矩不低于400 N·m。頂部錨索采用φ22 mm×6 300 mm高預應力鋼絞線，間排距2 200 mm×2 000 mm，錨固長度不低于1.5 m，預緊力為200 kN。對底板最低點往上500 mm范圍內進行硬化抹面形成反拱，最大回填高度1.35 m，再澆筑厚度為0.3 m的巷道底板，形成底板凈寬度5.1 m，巷道凈高度4.5 m的斷面，凈斷面面積22.76 m2。

圖10 巷道支護參數及控制體系Fig.10 Roadway support parameters and control system

6 深部高溫礦井TBM掘進降溫、降塵等聯合控制技術

6.1 TBM掘進降溫技術

新巨龍煤礦是典型的高地溫礦井，采用TBM掘進二水平北區回風大巷時，由于巷道為全巖巷道，且掘進地點處于通風末端，散熱量也很大，加劇了礦井熱害。根據前期測算，掘進工作面空氣溫度一般在32～35 ℃，因此，提出“雙風機4空冷器4風筒”的降溫方法，實現了高溫礦井降溫除濕除塵聯合控制，使掘進工作面溫度穩定在26 ℃以下。滿足《煤礦安全規程》中“生產礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26 ℃”、“采掘工作面的空氣溫度超過30 ℃，機電硐室的溫度超過34 ℃時，必須停止作業”的規定。

首先采用局部通風機壓入式通風(圖11)，最長供風距離3 100 m，滿足掘進工作面需風量;然后，安裝2臺制冷量230 kW的空冷器，并在巷道后部加設一臺30 kW風機，串一臺空冷機，給后部降溫。最后，采用井下WAT一期制冷硐室內制冷系統降溫，并考慮到二水平北區回風大巷在邊界采區供冷末端的供冷距離遠、阻力大，特使用加壓泵為工作面空冷器供冷。

圖11 TBM掘進大巷通風裝備Fig.11 Ventilation equipment of TBM driving roadway

6.2 降塵技術

在采礦過程中，由于鑿巖、爆破，裝卸礦等過程，會產生大量微細粉塵。礦塵按存在狀態劃分為浮游礦塵和沉積礦塵。井下粉塵的小顆粒多，分散度較高，在濕式作業的條件下，5 μm以下的粉塵占80%～90%。在濕式鑿巖時，井下粉塵產生的比例是:鑿巖占41.3%，爆破占45.6%，裝運礦(巖)石占13.1%。SiO2是最常見的硅的氧化物，是許多礦石或巖石的重要組成部分，所以礦塵中一般都含有SiO2。因此，加裝刀盤噴水裝置，使刀盤切削巖石過程中，進行噴水降塵，使用護盾封閉隔離灰塵，保護隧道內部的干凈與清潔，另外，采用德國CFTHBKO1/600干式除塵設備(圖12)進一步消除懸浮粉塵，巷道施工同時采用濕式防塵技術聯合防塵。

圖12 CFT除塵裝置Fig.12 CFT dust removal device

6.3 長距離可彎曲帶式輸送機保障技術

通過安設滾動托架加跑偏輪設計，使用膠帶自動張緊裝置，滿足TBM連續推進過程中膠帶自動收放，實現了曲線半徑500 m拐彎需要。主機帶式輸送機安裝在刀盤支撐、主梁內部，溜渣槽下方，裝備有跑偏、打滑、撕裂、堆煤、煙霧、溫度和自動灑水等機械電氣安全保護裝置。主機帶式輸送機主要由尾部轉向滾筒、驅動裝置、清掃器、張緊油缸、提升油缸、V形浮動刮板等組成。

6.4 過地質異常帶綜合保障技術

煤礦TBM掘進過程涉及一系列復雜的工程地質和水文地質問題。施工過程中常常遇到裂隙含水層、斷層破碎帶、圍巖裂隙發育等復雜地層，引起工程突水、TBM撐靴缺乏支撐圍巖而難以推進等問題。穿越斷層破碎帶施工時容易出現大變形、坍塌等災害問題，嚴重影響施工安全和進度、危害人員的安全。因此，通過超前預注漿地層改良、TBM盾體形變局部襯砌等控制技術，解決軟巖地質條件下卡盾問題;對高應力地段施工卸壓鉆孔進行卸壓，解決高地應力條件下卡盾等問題;優化了TBM裝備的刀盤結構、支護匹配方式和TBM后退功能，為工作面地質改良創造空間條件，實現特殊地層的預處理。

7 結論與展望

(1)圍繞深部高溫礦井TBM智能快速掘進系統的適用性問題，預先精準評估掘進巷道圍巖的地質條件，提高掘進期間應對不良地質條件的能力，減少巖性不斷變化和突發地質災害帶來的進尺不穩定及進尺停滯問題。

(2)圍繞深部高溫礦井TBM智能快速掘進機下井、轉運與安裝問題，研究并設計了合適的分模塊建造尺寸及質量，充分論證設備井下安裝可行性與可靠性，避免出現下井難轉運、危險系數高等突出問題。

(3)圍繞TBM裝備井下吊裝與集成問題，深入研究大斷面安裝硐室圍巖穩定性控制技術，盡可能減少大斷面硐室尤其是超大斷面硐室的開掘，降低圍巖失穩風險。

(4)圍繞深部高溫礦井TBM智能高效掘進問題，明確深部巷道圍巖對地質條件變化更加敏感這一特性，形成掘進機硬巖截割自適應技術及不良地質體隨掘隨探技術，深入研究掘支協同作業方式、軟弱地層改良技術、撐靴推進力保持技術、非均質地層推進技術等，保障掘進效率。