提升煤礦盾構(gòu)機(jī)（TBM）在巷道掘進(jìn)過(guò)程中的支護(hù)效率

昝志華

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司宏泰公司，山西 大同037001）

0 引言

2019年6月，集團(tuán)公司針對(duì)各生產(chǎn)礦井單進(jìn)水平低，同比全煤行業(yè)差距大的現(xiàn)狀，召開了快速掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)，會(huì)議指出當(dāng)前集團(tuán)公司的主業(yè)仍然是煤炭產(chǎn)業(yè)，樹立了“今天沒進(jìn)尺，明天無(wú)戰(zhàn)場(chǎng)”的理念，要求在今后工作中狠抓快速掘進(jìn)，努力提升單進(jìn)水平。并提出了引進(jìn)先進(jìn)裝備，明確要在井下巖巷掘進(jìn)中試驗(yàn)盾構(gòu)機(jī)。2019年12月，集團(tuán)公司引進(jìn)的首臺(tái)煤礦用盾構(gòu)機(jī)--“振興一號(hào)”正式在下屬的王村煤業(yè)公司井下組裝。2020年1月12日，盾構(gòu)機(jī)在井下始發(fā)成功，次日正式開始掘進(jìn)。

由于使用盾構(gòu)機(jī)施工井下巷道在全煤行業(yè)屬于全新工藝，對(duì)于集團(tuán)公司更是首次，隊(duì)組在前期掘進(jìn)過(guò)程中就經(jīng)常出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度快，支護(hù)跟不上，專門將盾構(gòu)機(jī)停下來(lái)補(bǔ)打支護(hù)的現(xiàn)象，無(wú)法發(fā)揮盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)、支護(hù)和排矸平行作業(yè)的優(yōu)勢(shì)，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)，不僅影響施工進(jìn)度還大幅增加了成本投入，所以想方設(shè)法“提升煤礦盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的支護(hù)效率”成為我單位的當(dāng)務(wù)之急。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，員工操作行為不規(guī)范和盾構(gòu)機(jī)支護(hù)系統(tǒng)缺陷是造成掘進(jìn)過(guò)程中支護(hù)效率低的主要原因。為此我們采取了一系列措施，一方面通過(guò)加強(qiáng)員工培訓(xùn)，規(guī)范操作行為，解決人的問(wèn)題；另一方面，對(duì)盾構(gòu)機(jī)支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)并改造，解決了設(shè)備的問(wèn)題。

圖1 “振興一號(hào)”煤礦用盾構(gòu)機(jī)地面裝配效果圖

因此，本文基于如何解決盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中支護(hù)效率低的問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)→整理分析→確定主要影響因素→針對(duì)性制定措施并應(yīng)用，最終取得了很好的效果，徹底解決了上述問(wèn)題。

1 設(shè)備介紹

1.1 盾構(gòu)機(jī)概述

我單位使用的盾構(gòu)機(jī)是由遼寧三三工業(yè)公司生產(chǎn)，并交由集團(tuán)下屬宏泰公司負(fù)責(zé)施工的第一臺(tái)煤礦用全斷面TBM掘進(jìn)機(jī)（盾構(gòu)機(jī)）。該設(shè)備是根據(jù)煤礦井下施工環(huán)境和工藝要求而專門設(shè)計(jì)，采用模塊化結(jié)構(gòu)組裝，主要由刀盤、護(hù)盾、支護(hù)平臺(tái)及后配套臺(tái)車4部分構(gòu)成。

設(shè)備開挖直徑5.8 m，總長(zhǎng)65 m，整機(jī)重量480 t，最大爬坡能力±5°，最小轉(zhuǎn)彎半徑70 m，主驅(qū)動(dòng)功率2 100 kW，整機(jī)總裝備功率2 400 kW,最大總推力13 000 k N，該設(shè)備額定推進(jìn)速度50 mm/min。

1.2 工作原理

其工作原理是通過(guò)前盾10根、尾盾22根頂幫護(hù)盾油缸撐緊圍巖，利用全斷面刀盤旋轉(zhuǎn)一次性破巖成巷，是集掘進(jìn)、排矸、支護(hù)、通風(fēng)、導(dǎo)向、超前鉆探技術(shù)于一體的先進(jìn)掘進(jìn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、支護(hù)、排渣等工序平行作業(yè)。

2 工程介紹

2.1 巷道概況

巷道為大同王村煤業(yè)公司山4號(hào)層西盤區(qū)回風(fēng)巷，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 505 m，全巖，?5 800 mm的圓形斷面，主要用于盤區(qū)回風(fēng)。巷道沿山4號(hào)煤層頂以上6～12 m巖層掘進(jìn),預(yù)計(jì)揭露的巖層為砂巖和砂質(zhì)泥巖，普氏系數(shù)f＝5，掘進(jìn)過(guò)程中瓦斯涌出量較小。

2.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

圖2 西盤區(qū)回風(fēng)巷斷面支護(hù)示意圖

巷道設(shè)計(jì)圓形斷面?5 800 mm，掘進(jìn)斷面26.42 m2，采用錨桿、錨索和網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)，噴漿厚度100 mm。支護(hù)采用?22 mm×2 400 mm、MG400左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，以巷道中心線對(duì)稱布置，間排距為1 200 mm×1 000 mm，每排7根，配套W型鋼護(hù)板（450 mm×280 mm×3 mm）和蝶形托盤（150 mm×150 mm×10 mm），掛?4 mm菱形金屬網(wǎng)。采用2支樹脂藥卷，M SK2330和M SZ2360。掘進(jìn)過(guò)程中在盾構(gòu)機(jī)后方利用矸石回填，鋪底厚度為600 mm。

3 分析盾構(gòu)機(jī)支護(hù)效率低的原因和主要影響因素

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2020年3月19-24日，共計(jì)6天，組織技術(shù)骨干現(xiàn)場(chǎng)盯班，對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間因支護(hù)影響掘進(jìn)的情況進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，并繪制了圖表見表1。

表1 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間因支護(hù)影響掘進(jìn)統(tǒng)計(jì)表

3.2 研究分析

通過(guò)研究分析發(fā)現(xiàn)造成盾構(gòu)機(jī)支護(hù)效率低的因素有：

1）地質(zhì)條件：如巷道頂板的巖性發(fā)生變化，會(huì)影響支護(hù)時(shí)間。

2）設(shè)備故障：如液壓錨桿鉆機(jī)機(jī)械故障無(wú)法工作；盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)故障，無(wú)法給液壓錨桿鉆機(jī)供油等。

3）結(jié)構(gòu)缺陷：如2號(hào)液壓錨桿鉆機(jī)設(shè)計(jì)不合理，支護(hù)時(shí)錨桿鉆機(jī)主要工作部位只能背對(duì)操作人員，無(wú)法正常觀測(cè)，影響支護(hù)時(shí)間；指形盾鋼梁間距小影響液壓錨桿鉆機(jī)鉆孔和安裝錨桿及其配件等。

4）員工行為：如操作液壓錨桿鉆機(jī)不熟練，鉆孔、換鉆桿、裝樹脂藥卷等時(shí)間長(zhǎng)；員工間的配合不夠默契，鋪網(wǎng)時(shí)間過(guò)久；操作液壓錨桿鉆機(jī)時(shí)施工錨桿的順序不正確，造成2臺(tái)液壓錨桿鉆機(jī)互相干涉，不能同時(shí)工作等。

5）輔助設(shè)施：如盾構(gòu)機(jī)支護(hù)平臺(tái)上的行人過(guò)橋影響液壓錨桿鉆機(jī)擺動(dòng)行程。

6）其它：因礦方原因停水、停電造成液壓錨桿鉆機(jī)無(wú)法工作。

4 針對(duì)主要影響因素制定措施

4.1 解決人為因素

1）杜絕因施工錨桿的順序不正確，造成2臺(tái)液壓錨桿鉆機(jī)互相干涉不能平行作業(yè)，導(dǎo)致支護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)，效率低。

采取措施：繪制施工示意圖并向操作人員講解，利用前部液壓錨桿鉆機(jī)依次施工4、6、2號(hào)錨桿，盾構(gòu)機(jī)向前移步后再利用后部液壓錨桿鉆機(jī)依次施工3、5、7、1號(hào)錨桿。

圖3 “振興一號(hào)”煤礦用盾構(gòu)機(jī)支護(hù)系統(tǒng)示意圖

圖4 “振興一號(hào)”煤礦用盾構(gòu)機(jī)液壓錨桿鉆機(jī)支護(hù)示意圖

2）因鋪網(wǎng)時(shí)間長(zhǎng)造成支護(hù)效率低。采取措施：鋪網(wǎng)前先提前將網(wǎng)片拼接鏈好；同時(shí)采用便于支撐網(wǎng)片的Y型長(zhǎng)桿工具便于工作人員操作；同時(shí)增加鋪網(wǎng)人員，由3人增加至4人。

3）因換鉆桿、裝樹脂藥卷時(shí)間長(zhǎng)等因操作不熟練的原因造成支護(hù)效率低。

4）采取措施：加強(qiáng)員工現(xiàn)場(chǎng)操作培訓(xùn)，提高熟練度和默契。

4.2 解決設(shè)備的問(wèn)題

1）對(duì)支護(hù)平臺(tái)后部的2號(hào)液壓錨桿鉆機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并改造，將液壓錨桿鉆機(jī)主要工作部位水平旋轉(zhuǎn)180°，方便工作人員觀測(cè)和操作。

2）對(duì)指形盾鋼梁進(jìn)行優(yōu)化，增大間距，方便工作人員操作液壓錨桿鉆機(jī)鉆孔和安裝錨桿及其配件等。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及效果

通過(guò)采取上述措施，目前已徹底解決了盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中支護(hù)效率低的問(wèn)題，發(fā)揮了盾構(gòu)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了全巖斷面26.4 m2最高日進(jìn)尺20 m，平均日進(jìn)尺13.4 m的好成績(jī)，較之前平均日進(jìn)尺6.1 m有了巨大提升，創(chuàng)造了十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益！

圖5 “振興一號(hào)”煤礦用盾構(gòu)機(jī)施工巷道支護(hù)效果

圖6 “振興一號(hào)”煤礦用盾構(gòu)機(jī)井下巷道掘進(jìn)效果

5 結(jié)論

煤礦用全斷面TBM掘進(jìn)機(jī)（盾構(gòu)機(jī)）在井下應(yīng)用過(guò)程中成功解決了支護(hù)效率低的經(jīng)驗(yàn)表明：

1）煤礦盾構(gòu)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)和排矸的平行作業(yè)，因此提高掘進(jìn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、改善作業(yè)環(huán)境方面技術(shù)先進(jìn)，較傳統(tǒng)施工工藝優(yōu)勢(shì)明顯。

2）目前煤礦盾構(gòu)機(jī)正處于應(yīng)用初期，其支護(hù)系統(tǒng)還不完善，超前支護(hù)方法不多，成為一大短板。

3）現(xiàn)階段絕大多數(shù)煤礦盾構(gòu)機(jī)只能對(duì)圓形巷道中上部進(jìn)行支護(hù)，當(dāng)遇到巷道兩幫破碎時(shí)只能借助人工搬運(yùn)傳統(tǒng)機(jī)具進(jìn)行補(bǔ)打支護(hù)，需要改進(jìn)。

4）目前煤礦盾構(gòu)機(jī)主要應(yīng)用在巖巷施工，還無(wú)法適應(yīng)工程占比更大的煤巷、半煤巖巷掘進(jìn)，因此，研發(fā)適合煤巷、半煤巷的盾構(gòu)機(jī)，將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。