TBM掘进煤矿巷道研究现状与展望

2023-11-01王要平张风林徐火祥冯依赞张海骄唐彬

科技资讯 2023年19期

王要平张风林徐火祥冯依赞张海骄唐彬

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司; 2.安徽理工大学土木建筑学院; 3.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南 232001)

我国长期以来一直将煤炭作为主要的一次能源，2021年煤炭消费量占据了能源消费总量的半数以上。为了更有效地利用资源，国务院发布了《能源发展战略行动计划（2014—2020）》，其中提出了在蒙东、宁东和晋北等地区建设14亿吨级大型煤炭基地的计划[1]。

目前，在煤矿巷道的掘进工程中，我国常采用钻爆法施工。钻爆法虽然有不受断面形状的限制，适应性强的优点，但在采用炸药爆破时，易出现超挖、欠挖的现象。爆破对围岩扰动大，后期围岩支护难度较大。炸药采用人工装填，施工危险性高，劳动强度大，掘进效率低下。爆破后产生有毒有害烟尘，工作环境恶劣。而悬臂式掘进机破岩能力有限，难以在硬岩地层掘进。由此造成煤矿岩巷掘进速度落后于工作面回采速度，造成煤矿采掘失调。

全断面掘进机（TBM）是一种机械化掘进设备，其采用滚刀破岩，可以实现破岩、出渣、支护等工序的同时进行，机械化程度高，能够加快施工的速度，缩短工期，同时工人的施工环境也大大改善；其开挖断面光滑，对围岩的扰动很小，大大降低了对围岩的扰动和环境的影响[2]。自20 世纪60 年代TBM 出现以来，已在隧道、水利、交通和市政工程中得到广泛应用[3]。近年来，TBM也被应用到煤矿巷道掘进施工中。

本文针对TBM 掘进煤矿巷道工程问题，梳理分析煤矿巷道TBM 掘进研究现状，总结TBM 掘进煤矿巷道施工中的问题和经验，展望煤矿TBM 未来发展方向，为TBM 安全高效施工煤矿巷道，保障煤矿正常的采掘接替提供参考。

1 TBM掘进煤矿巷道研究现状

1.1 TBM在平硐掘进工程中的应用

山西东曲煤矿为设计年产400 万t 的特大型煤矿，20 世纪80 年代，为建设东曲煤矿，相关技术人员研制了开挖直径为5 m 的EJ50 型全断面岩巷掘进机并将其应用在东曲煤矿主平硐的掘进工程[4]。工程于1986 年6 月进行试掘进，试掘进期间最高月进为202 m，工程于1989年底掘进完成，共掘进3 600 m[5]。

同样采用TBM 施工的还有位于新疆的玛纳斯涝坝湾煤矿副平硐掘进工程。该平硐的最大埋深为400 m，开挖直径为6.46 m。工程于2014 年开始掘进，由中国铁建二十四局集团承建，采用ZTE6420 复合式硬岩掘进机，掘进期间最高月进为364.5 m，共掘进了6 200 m[6]。由于工程所在位置地质条件较差，岩石多为软岩且结构面非常发育，工程在克服这些困难的同时掘进速度依然大大快于普通矿用综掘机。

1.2 TBM在斜井掘进工程中的应用

神华东补连塔煤矿2号副井的掘进工程是我国首次将TBM运用到煤矿斜井掘进的工程[7]。斜井的开挖半径为7.62 m，最大埋深为280 m，巷道长度为2 745 m。工程于2015年7月开始掘进，并于同年的12月掘进完成，最高月进为639 m[8]。该工程的成功，打开了我国采用TBM 掘进煤矿巷道的新篇章，促进了TBM 在煤矿巷道掘进工程中的应用和对深部煤炭资源的开发。

陕西榆林可可盖煤矿主、副斜井工程为TBM掘进工程，其中主斜井采用TBM施工的长度为5 040.937 m，副斜井采用TBM 施工的长度为5 192 m。工程于2021年4月TBM开始进场，掘进期间最大月进为812.6 m[9]。本工程是迄今为止采用敞开式TBM 施工的埋深最大、距离最长的煤矿斜井[10]。

1.3 TBM在立井巷道掘进工程中的应用

淮南矿业集团张集矿1413A高抽的部分掘进工程为TBM掘进，采用的TBM设备为世界首台为煤矿立井巷道设计的TBM[11]。工程于2015 年开始，共掘进了704 m，最高日进尺30.7 m，平均日进尺13.5 m[12]。

2017年11月，阳泉新景煤矿8#煤采区南回风巷掘进工程采用了型号为QJYC045M 的TBM 进行施工，该TBM 与淮南1413A 高抽巷相同。巷道直径为4.53 m，长达3 499 m。该项目实现了一次连续成巷，并且最高月进度达到了608 m[13]。同时,与淮南张集矿1413A 高抽巷相比，新景煤矿成功解决了底板岩渣对拖车运行的影响问题。

2 煤矿TBM装备研究现状

2.1 大直径全断面掘进机

EQC6330 型（新矿1 号）大断面全断面掘进机是北方重工为山东新汶矿业集团新巨龙矿区专门研发的，并被成功运用在该矿区的二水平北区回风大巷，是全球首台应用于大埋深、长距离煤矿岩巷施工的大直径全断面掘进机。

该机全长86 m，质量700 t，开挖直径为6.33 m，最高可用于200 MPa 的岩层，设计掘进能力为5.4 m/h，设计掘进速度为500～800 m/月。其特点具体如下。

2.1.1 掘进速度快

当围岩强度较低、围岩完整性良好的情况下，全断面掘进机具有很高的掘进速度，在挖掘地层直径为4～6 m、巷道岩石硬度达到100 MPa 的煤矿巷道时，它创下了单月1 209.8 m 的掘进纪录。即使遇到软弱围岩、断层和破碎带等影响因素，其综合掘进速度仍可达到每月600 m。

2.1.2 具有很好的适应性

该机能够在强度不大于200 MPa 的岩石地层掘进，即使在巷道岩石强度较高的情况下，也能较为轻松的破岩；同时，由于全断面整体一次成型，不会对围岩产生太大扰动，因此在围岩状况不佳的地层也能使用，具有很强的适应性。

2.1.3 具有良好的防尘、制冷效果

该机采用多点式高效通风和除尘装置，刀片表面采用多点式喷雾和降尘装置，经过煤矿安全防爆资质认证，TBM 整机和各机电系统部件均符合严格的安全标准和要求。

随着煤矿巷道掘进的难度加大，煤矿的开采和巷道的掘进之间的矛盾日益突出。EQC6330 型大断面全断面掘进机的出现有效地解决了这一难题，同时解决了支护速度跟不上掘进速度的难题，是国内煤矿巷道掘进装备发展的一个重大的里程碑。

2.2 小直径全断面掘进机

EQS2530 型全断面硬岩掘进机是世界上第一台专门为煤矿巷道建设所设计的微型TBM，其开挖直径为2.5 m，长为56 m，其中盾体为9 m，后配套与拖车为47 m，总重为132 t。淮南张集矿北一煤采区高抽巷的掘进就是采用的EQS2530 型TBM，在工程掘进的147天中，其平均月进300 m，并取得了淮南矿区通过盾构机盾构岩石巷道的单进新纪录[14]。

EQS2530 型全断面硬岩掘进机与大型盾构机相比，具备三大优势。第一，该机具有安装、拆卸方便快捷的特点，采用模块化设计，部件可以整体运输，从而减少了起吊环节，同时运输、安装、拆卸工作量小，大大缩短了安装、拆卸时间。第二，该机型安全系数高，整机重量轻，降低了设备起吊、运输的安全风险，同时设备由人员进行远程操作，现场所需人员很少，且设备有多重保护系统，可以安全可靠地运行。第三，该机系统非常稳定，采用全液压驱动，易于实现无级调速，且在设备运行时可以进行调速，液压执行元件的运动平稳稳定，可实现过载保护，使用起来更加安全、可靠。

3 TBM掘进煤矿巷道围岩支护研究现状

3.1 锚杆支护

锚杆支护是通过对开挖面附近的岩石进行加固、挤压巷道周围破碎的岩体、悬吊开挖面快要掉落的岩石等支撑巷道结构，保持巷道结构的稳定性。在煤矿巷道支护中，采用锚杆支护可以有效减少煤矿安全生产事故，保证施工质量。

3.1.1 锚杆支护技术的优点

（1）机械化程度高。锚杆支护技术可以采用机械进行施工的方式，确保整体的施工质量，同时能有效缩短工期，降低施工成本。

（2）具有很强的灵活性。在具体工程中可根据工程情况调整支护参数，以提高支护效果，提升支护质量。

（3）具有很强的支护能力。锚杆支护可以有效提高巷道的抗震能力和承载能力，保持围岩的稳定性，增强巷道的整体结构强度。

3.1.2 煤矿巷道掘进中锚杆技术应用的影响因素

（1）地应力。在设计锚杆参数前，应测量地应力大小。地应力的大小会对围岩的形状产生一定的影响。在巷道掘进工程中，如果地应力过大，就需要应用锚杆支护技术，以保证围岩结构的稳定[15]。

（2）巷道围岩强度。随着围岩强度的增大，围岩对锚杆支护的作用力也随之增大。因此，应充分考虑围岩强度的影响，避免出现荷载超载等问题。

3.2 管片支护

使用护盾式全断面掘进机掘进煤矿巷道时，一般采用圆形管片衬砌。管片按材质和形状主要可分为钢管片、球墨铸铁管片、钢筋混凝土（RC）管片和复合型管片等。该方式的优点包括：（1）适用于软岩，当围岩较差，千斤顶不能获得推力室，可采用尾部推力千斤顶对已安装的管片来获得推力；（2）采用双护盾全断面掘进机在围岩较好时，可以同时进行掘进和换步来提高循环速度；（3）采用管片安装机安装管片，速度快，支护效果好，安全性高。

除锚杆支护和管片支护外，煤矿TBM 支护技术还有锚网喷等。此外，还有一些新的支护技术被不断地研究出来。例如：唐彬等人提出了一种装配式的支护结构，制作模型并进行足尺试验，同时进行数值模拟[16]；胡雄玉等人提出一种煤矿斜井让压支护技术，即在高地应力作用下让管片衬砌配合碎石可压缩层的一种支护技术[17]。