大斷面煤礦TBM 組裝流程及關(guān)鍵技術(shù)

楊 壘

（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

1 設(shè)備與工程簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

近年來(lái)，已經(jīng)先后有12臺(tái)煤礦TBM投入礦井中，他們使用情況各不相同。它們有護(hù)盾式和敞開(kāi)式的，相對(duì)來(lái)說(shuō)煤礦圍巖軟弱易破碎，因此敞開(kāi)式更加適合該地質(zhì)，它能有效避免卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。該敞開(kāi)式TBM由北方重工集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)及制造，該設(shè)備主要由刀盤、主梁、撐緊裝置和12節(jié)后配套臺(tái)車組成（主結(jié)構(gòu)部件的重量及尺寸如表1所示），設(shè)備整機(jī)長(zhǎng)度為90m，總重約700t。該設(shè)備的開(kāi)挖直徑為φ6330mm，采用一個(gè)中心塊和4個(gè)邊塊的分體式刀盤。刀盤上配備39把19英寸單刃滾刀和4把17英寸雙刃滾刀，非常適用于煤礦地質(zhì)的隧道開(kāi)挖。刀盤驅(qū)動(dòng)配備5臺(tái)360kW水冷式變頻電機(jī)，電機(jī)通過(guò)減速機(jī)、齒圈等組件驅(qū)動(dòng)刀盤，刀盤最大轉(zhuǎn)速可達(dá)9r/min，推進(jìn)系統(tǒng)最大推力為17500kN，最大推進(jìn)速度100mm/min，脫困扭矩能夠達(dá)到4848kN·m。

表1 TBM的主要結(jié)構(gòu)件尺寸及質(zhì)量

在掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)4根推進(jìn)油缸的伸長(zhǎng)，將刀盤與掌子面進(jìn)行擠壓和滾壓，造成巖石的破碎掉落至溜渣槽上。渣石先通過(guò)刮板機(jī)、主機(jī)皮帶機(jī)，最后通過(guò)二運(yùn)皮帶機(jī)和隧道皮帶機(jī)將渣石運(yùn)至洞外。刀盤扭矩和推力通過(guò)撐靴傳遞到洞壁上。設(shè)備通過(guò)撐靴油缸來(lái)調(diào)整水平姿態(tài)，通過(guò)扭矩油缸來(lái)調(diào)整垂直姿態(tài)，操作靈活。當(dāng)掘進(jìn)完成1400mm后，通過(guò)尾支撐與底板接觸，撐靴與洞壁脫離，推進(jìn)油缸回收，完成換步作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，其掘進(jìn)效率是傳統(tǒng)作業(yè)方法的3~10倍[3]。

1.2 工程簡(jiǎn)介

山東新巨龍能源有限責(zé)任公司龍固礦井位于山東省荷澤市巨野縣龍堌鎮(zhèn)，礦井于2004年6月開(kāi)工建設(shè)，2009年11月建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)能力為年產(chǎn)600萬(wàn)t，是巨野煤田的一個(gè)特大型現(xiàn)代化礦井。礦井為低瓦斯、弱沖擊地壓礦井。該工程開(kāi)挖巷道為北大區(qū)二水平回風(fēng)大巷，其處于3煤頂板砂巖中，巖石穩(wěn)定性較好，富水性較弱。

首先TBM部件通過(guò)副井罐籠下放到井底車場(chǎng)，然后通過(guò)無(wú)軌膠輪車運(yùn)送到安裝硐室（如圖1所示），行駛路程為7.5km。由于罐籠的尺寸限制，所有零部件的尺寸均不能超過(guò)4.3m×4.3m×1.7m，其中有12件需要拆除罐籠中盤下放，9件超高部件需要換裝放倒后運(yùn)輸?shù)桨惭b硐室。井下現(xiàn)有換裝硐室位于運(yùn)輸路線上，換裝行車為16t鉤頭，起重凈高3.3m，25t行車起重凈高2.8m，寬度均為5m，起吊能力和空間尺寸均無(wú)法滿足TBM超大尺寸部件換裝，因此必須在下井口馬頭門處進(jìn)行換裝作業(yè)。

圖1 TBM安裝硐室及運(yùn)輸通道

TBM在完成組裝和調(diào)試后，礦方、施工方和設(shè)備廠家對(duì)設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)收。驗(yàn)收合格后，TBM開(kāi)始進(jìn)行步進(jìn)作業(yè)。當(dāng)兩側(cè)的撐靴與巖壁能夠完全接觸后，拆除步進(jìn)裝置，TBM就能夠依靠自身的推進(jìn)油缸和尾支撐進(jìn)行換步作業(yè)。該工程的掘進(jìn)長(zhǎng)度約2.7km，根據(jù)煤礦的施工要求，所成型的硐室必須進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)，然后進(jìn)行噴漿整形，待設(shè)備完成掘進(jìn)后，刀盤解體、主機(jī)拆除側(cè)護(hù)盾部分、后配套臺(tái)車逐次后退完成拆機(jī)作業(yè)。

2 TBM部件存放及組裝流程

2.1 組裝硐室現(xiàn)場(chǎng)布置

由于受到煤礦設(shè)計(jì)要求的限制，組裝硐室的長(zhǎng)25m，寬8m，高11.8m，導(dǎo)洞長(zhǎng)15m，無(wú)法滿足整機(jī)裝配的需求。現(xiàn)場(chǎng)采取先組裝主機(jī)部分，待主機(jī)部分組裝完成步進(jìn)后（步進(jìn)硐室長(zhǎng)度15m），再進(jìn)行后配套臺(tái)車部分的組裝。在硐室頂部布置起吊梁用于起吊掘進(jìn)機(jī)部件使用，同時(shí)在安裝硐室內(nèi)布置有壓風(fēng)（必須進(jìn)行干燥脫水處理），施工用水管路，10kV/1140V電源，安裝通風(fēng)機(jī)為作業(yè)地點(diǎn)通風(fēng)，地平澆筑混凝土，具備鋪設(shè)道軌及基座條件。組裝硐室處于地下千米，硐室內(nèi)氣溫高達(dá)32℃~35℃，制冷通風(fēng)條件必不可少。

在后配套臺(tái)車的安裝區(qū)域打錨桿，每節(jié)車架有4個(gè)吊耳，每個(gè)吊耳點(diǎn)位置設(shè)置1個(gè)錨桿吊點(diǎn)（2根錨桿合為1組作為1個(gè)安裝吊點(diǎn)），使用4個(gè)10t手拉葫蘆輔助調(diào)整安裝后續(xù)車架。將主巷與組裝洞室進(jìn)行單軌吊聯(lián)接，零散小件和組裝亟需部件可以通過(guò)單軌吊進(jìn)行運(yùn)輸。同時(shí)將鄰近的邊界進(jìn)回風(fēng)四聯(lián)巷作為轉(zhuǎn)運(yùn)和臨時(shí)存放場(chǎng)地，在此布置1臺(tái)小型柴油叉車，便于物資倒運(yùn)。

2.2 TBM設(shè)備進(jìn)場(chǎng)順序

由于組裝硐室的場(chǎng)地非常狹小，每個(gè)零部件必須嚴(yán)格按照先后順序進(jìn)場(chǎng)，否則現(xiàn)場(chǎng)二次倒運(yùn)部件將十分困難。同時(shí)新巨龍礦作為一個(gè)正在生產(chǎn)的煤礦，所有井下作業(yè)人員及物資都由該副井口進(jìn)行提升，因此在提升TBM設(shè)備部件的窗口時(shí)間內(nèi)工序銜接必須緊湊和得當(dāng)，不能長(zhǎng)時(shí)間占用罐籠。

設(shè)備的進(jìn)場(chǎng)順序：刀盤（下邊塊、左邊塊、中心塊、右邊塊、上邊塊）→底護(hù)盾→刀盤大齒圈、轉(zhuǎn)接環(huán)→刀盤主軸承→驅(qū)動(dòng)密封及密封壓環(huán)、密封擋環(huán)→刀盤支撐前部→刀盤支撐后部→主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速箱→主梁前段及刮板機(jī)→主推油缸→左、右護(hù)盾→鞍架→主梁中段→撐緊油缸→左、右撐靴→尾支撐→主梁皮帶支架→左、右上護(hù)盾→頂護(hù)盾→各車架及車架皮帶支架→各車架上部設(shè)備→管路、電纜及皮帶。

設(shè)備在組裝硐室的擺放順序必須嚴(yán)格按照安裝計(jì)劃來(lái)實(shí)施，充分利用組裝空間，例如左右護(hù)盾利用鐵鏈在大致安裝位置處垂直固定、主梁與鞍架提前預(yù)裝配等。為了不耽誤礦方的生產(chǎn)任務(wù)，大件設(shè)備部件應(yīng)拆除罐籠中層盤后，盡量集中下放，以縮短占用提升時(shí)間。

2.3 TBM的組裝流程

刀盤由1個(gè)中心塊和4個(gè)邊塊組成，需要先進(jìn)行組對(duì)，并螺栓聯(lián)接，然后進(jìn)行焊接。刀盤支撐已經(jīng)完全拆解成：刀盤大齒圈、轉(zhuǎn)接環(huán)、刀盤主軸承、驅(qū)動(dòng)密封及密封壓環(huán)、密封擋環(huán)、刀盤支撐前部、刀盤支撐后部等，需要裝配耗時(shí)最長(zhǎng)。基于以上原因，現(xiàn)場(chǎng)采取多邊施工的方案，刀盤與刀盤支撐同時(shí)進(jìn)行裝配，待主機(jī)部分部件全部運(yùn)抵硐室后，主機(jī)部分與后配套臺(tái)車部分同時(shí)進(jìn)行裝配（其組裝流程如圖2所示），最大限度地利用場(chǎng)地空間。

圖2 TBM的組裝流程圖

3 TBM大尺寸部件運(yùn)輸與安裝技術(shù)

3.1 大尺寸部件運(yùn)輸路線開(kāi)幫及路面硬化技術(shù)

為了保證TBM的大型部件能夠順利運(yùn)達(dá)組裝硐室，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和模擬運(yùn)輸情況，對(duì)-980m邊界回風(fēng)巷、四聯(lián)巷鋪設(shè)鋼板，并對(duì)沿途的風(fēng)門改造成適宜運(yùn)輸?shù)姆绞健?duì)局部運(yùn)輸巷道進(jìn)行了加固，同時(shí)對(duì)沿途的14處進(jìn)行了開(kāi)幫和刷頂作業(yè)，保證空間滿足運(yùn)輸條件。在大件運(yùn)送至安裝區(qū)域后，TBM車架布置區(qū)鋪設(shè)43kg的軌道4股（2組），內(nèi)組軌為900mm，用于行走普通礦車及運(yùn)送部件車輛使用，外租軌距為1600mm，用于行走TBM的車架使用。

該項(xiàng)目開(kāi)創(chuàng)性地使用了WJ-15FB型多功能運(yùn)輸車輛（如圖3所示），其配備了鏟斗、鏟叉、支架拖車、封底拖車、平板拖車、卷皮帶機(jī)、升級(jí)平臺(tái)、起吊裝置等工作機(jī)構(gòu)。具有爬坡能力強(qiáng)、操作靈活性好、運(yùn)輸效率高等特點(diǎn)。該車輛的最大載荷能夠達(dá)到30t，最大爬坡能力能夠達(dá)到14°，最小轉(zhuǎn)彎內(nèi)徑4000mm，外徑7000mm，能夠在跌巒起伏的巷道中運(yùn)轉(zhuǎn)自如，此次運(yùn)輸大型部件均由其配備的平板車進(jìn)行運(yùn)輸。

圖3 WJ-15FB型多功能運(yùn)輸車

3.2 大尺寸部件入罐、出罐和換裝技術(shù)

TBM設(shè)備中的超高部件一共有12件，下面以超高部件刀盤中心塊為例。

入罐：設(shè)備入罐前，拆除井上下口安全門，待本班運(yùn)輸完畢后恢復(fù)安全門。施工人員將井口25kW調(diào)度絞車提升繩與平板車車尾連接并稍帶勁，作為后留；采用安裝在進(jìn)車側(cè)的30t回柱絞車將平板車緩慢牽引至罐籠內(nèi)。平板車入罐后，使用木楔將平板車輪前后塞牢固，再將罐籠內(nèi)阻車器設(shè)置到阻車位置，刀盤中心塊的兩側(cè)再使用道木將其剎緊，防止下放期間失穩(wěn)。

由于部分設(shè)備重心過(guò)高，為防止設(shè)備進(jìn)入罐籠時(shí)傾倒，平板車運(yùn)行至罐籠時(shí)，首先在位于罐籠頂部套架鋼梁上選取1個(gè)起吊點(diǎn)，纏2根6×37-Φ34+FC-1670鋼絲繩套（鋼絲繩套與鋼梁接觸部位使用繩皮進(jìn)行保護(hù)），繩套在鋼梁上繞2圈，鋼絲繩下方掛設(shè)1臺(tái)10t手拉葫蘆，配合回柱絞車牽引進(jìn)入罐籠。設(shè)備在下放時(shí)應(yīng)平穩(wěn)，下放速度為1m/s，運(yùn)行至減速點(diǎn)自動(dòng)速度減至0.5 m/s。

出罐：罐籠運(yùn)行至井底正常停車位置時(shí)停車（使絞車過(guò)放，落實(shí)在托罐器上）。在罐籠出車側(cè)馬頭門上方靠近井筒側(cè)掛設(shè)一臺(tái)10t手拉葫蘆，拉動(dòng)手拉葫蘆使其稍帶勁。手拉葫蘆帶勁完成后，解除罐籠內(nèi)擋車設(shè)施，使用鏈條將井底電機(jī)車與平板車連接，緩慢推出罐籠，使平板車平穩(wěn)、緩慢出罐。

換裝：預(yù)先在井底馬頭門處掛設(shè)6臺(tái)10t手拉葫蘆作為起吊點(diǎn)，每一個(gè)起吊點(diǎn)配備一個(gè)10t卸扣及一根6×37-Φ34+FC-1670鋼絲繩套。當(dāng)平板車出罐后，利用繩套將TBM零部件鎖緊，并將手拉葫蘆帶勁，保持穩(wěn)定。所有起吊用具檢查無(wú)誤后，選擇設(shè)備上方4臺(tái)手拉葫蘆同時(shí)上提，設(shè)備起吊離開(kāi)平板車200mm時(shí)停止起吊3min，工作人員觀察頂板、錨索機(jī)吊索具情況。試吊無(wú)誤后，人工抽出平板車，讓防爆柴油鏟運(yùn)機(jī)倒至設(shè)備下方，前后點(diǎn)位的6臺(tái)手拉葫蘆相互配合，使設(shè)備逆時(shí)針90°旋轉(zhuǎn)，設(shè)備旋轉(zhuǎn)完畢后，下放設(shè)備至多功能運(yùn)輸車上并墊設(shè)方木，拆除手拉葫蘆與設(shè)備連接卸扣，完成單車設(shè)備換裝。

3.3 超重超大刀盤整體旋轉(zhuǎn)及吊裝技術(shù)

為了滿足煤礦井下運(yùn)輸?shù)囊螅琓BM設(shè)備被拆分成大件22件和200多件小件。其中所有附件裝配完成的整體刀盤重達(dá)105t，吊裝難度最大。吊裝前對(duì)頂板架設(shè)的起吊梁進(jìn)行了充分計(jì)算驗(yàn)證和受力模擬分析，保證起吊梁的強(qiáng)度和最大撓度滿足使用要求。在起吊過(guò)程中實(shí)時(shí)利用測(cè)量?jī)x器對(duì)起吊梁進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)變形大時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并終止作業(yè)。

在刀盤從平放至起立的過(guò)程中（如圖4所示），最終確定利用4 臺(tái)35 t 回柱絞車配合動(dòng)滑輪組進(jìn)行施工。在刀盤起立完成后，只有2臺(tái)滑車的吊點(diǎn)受力，適時(shí)改變滑輪形式，利用2個(gè)H100×6D定滑輪固定在起吊梁上。2臺(tái)回柱絞車各上繩采用6×37-Φ32-1670鋼絲繩，長(zhǎng)度150m，2根鋼絲繩各穿過(guò)2個(gè)滑輪形成滑輪組，鋼絲繩5穿10支繩。該方案順利解決TBM刀盤起吊、翻轉(zhuǎn)與圍巖穩(wěn)定性控制問(wèn)題。

圖4 刀盤反轉(zhuǎn)示意圖和現(xiàn)場(chǎng)圖

4 結(jié)語(yǔ)

“新礦一號(hào)”TBM煤礦井下組裝其構(gòu)件繁多且需要多次倒轉(zhuǎn)，井下運(yùn)輸距離長(zhǎng)，在前期礦方、組裝方和廠家多次進(jìn)行了專題研討，合理地安排了零部件的進(jìn)場(chǎng)順序和組裝工序，不僅順利地完成了組裝任務(wù)，而且將對(duì)煤礦生產(chǎn)的影響降到了最低。經(jīng)過(guò)多方的努力，最后比原計(jì)劃提前了21d完成了組裝任務(wù)，大大降低了施工成本，取得了滿意的效果。