TBM硬岩掘进机在煤矿掘进施工中的应用策略

用策略

摘要：传统掘进工艺及设备对煤矿掘进施工造成严重制约，需要对掘进技术进行创新，当前盾构法集成了钻、掘、护及运等多种功能为一体，可以实现长大巷道的流水化作业。煤矿存在地质条件复杂、距离长等多种不利条件，此次巷道掘进采用TBM掘进机进行煤矿掘进，设计采用了双护盾式岩石隧道掘进机（TBM）兼具的盾构机，探讨了煤矿掘进施工中盾构法的应用，对煤矿掘进施工水平的提高具有一定参考价值。

关键词：煤矿；掘进作业；盾构法 1工程特点

我矿区地势东南高西北低，海拔380-1040m，将要在北二采区240水平掘进巷道三条，分别为北二回风巷、北二辅助运输巷、北二胶带巷。长度大约1万多米，能最大限度发挥TBM硬岩掘进机的优势。该工程自上而下穿越第四系、二叠系、石炭系、奥陶系等地层，地质跨代多，地质条件比较复杂。一般而言隧道都处于同一地层，其地质条件比较简单，岩性也比较稳定。我矿区跨越多个地层，岩性复杂，涉及砂岩、石英砂岩、灰岩等，岩石多为坚硬岩石、半坚硬岩石。岩石力学强度高，稳固性强，岩体质量高。考虑到设备的安全性、适应能力，施工经济性等因素，选择3‰~7‰坡度，单条巷道长度达到3千多米。除了上述特点以外，该巷道所穿越的地层还含有隔水层及含水层。

2盾构机的设计

煤矿巷道地质条件复杂，断面尺寸、形状都存在差异，施工方案选择是否合理对准备期长短、工程质量、施工安全及经济效益都具有直接影响。传统的炮掘已不能满足矿井发展的需要。传统炮掘存在掘进效率低、围岩扰动大、巷道成型差、危险系数高等一系列弊端，但是传统锚喷支护的支护形式还是存在很多优势。

根据我矿地质条件及生产需要，选择了一种矿用新型敞开式TBM硬岩掘进机。TBM结合双护盾及主梁敞开式的设计优势，将主机设计为前盾、前盾尾壳、伸缩盾、撑紧盾，两两之间均为铰接连接，可以实现40m转弯半径掘进，同时采用了敞开式TBM的锚网喷支护理念以节约支护成本，特别适合在稳定性良好、中～厚埋深、中～高强度的煤矿岩巷巷道掘进中使用。

我矿岩巷掘进工作面岩石坚硬，与常规掘进机适应的工程地质条件及水文地质条件都存在较大差异。因此结合我矿的实际情况选用定制化的双护盾式硬岩隧道掘进机（TBM），我矿岩层的地下水不大，岩石硬度较高，采用双护盾TBM可以有效提高巷道施工效率。

3煤矿掘进施工中盾构法的应用 3.1合理选择设备

选择盾构机时需要综合考虑矿井的施工条件、地质水文、井下构筑物特点以及使用用途等多种条件，选择最适合实际情况的井下盾构设备。选型时需要确保盾构机具备以下特点：第一，要根据矿井的生产需求，选择最合适的机型；第二，需要确保1台盾构机可以同时应对坚硬岩层及软弱土层的不同工况；第三，需要可以有效处理施工过程中可能会出现的突发状况以及多种不良地质环境；第四，要以施工安全性为前提，将盾构机的施工效率优势充分发挥出来。

为了满足上述要求，选用盾构机时需要做好准备工作。第一，要全面分析作业区域的地质水文条件，要通过实际勘探来获得真实、全面的资料；第二，要综合分析多种类型盾构机的特点，分析设备的优势与缺陷，进行设备比选，结合地质水文勘察结果来选择最合适的设备；第三，要建立盾构作业体系，全面认识盾构设备的工作原理以及操作方法；第四，掘进过程中合理使用导向系统，掌握掘进作业姿态，对下坡栽头及小半径转弯等问题，及时对作业姿态进行调整，从而为有效、安全作业提供保障：第五，针对掘进巷道的特点对换刀工具及换刀方案进行调整，例如遇到软硬不均、下坡作业、埋深较大、巷道较长等情况时，需要研究刀盘各种刀具的磨损量，设计个体化的换刀工具从而实现有效、快速换刀；

3.2作业程序

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盾构安装作业时要在专业设备的帮助下将盾构设备安全送下井，组装调试盾构机，校对掘进作业位置基准，待完成前期准备工作之后才能正式作业。作业时依次启动连续皮带、后配套皮带、主机皮带、刀盘各个控制泵启动、刀盘启动、推进油缸推进开挖。当存在故障问题时对故障进行排查处理。确保设备没有任何异常后进行掘进施工、巷道支护以及喷浆和底板回填。当达到循环进尺后停止掘进，对轨道进行延伸后继续进行掘进施工，按照上述工序循环操作直至达到预定地点，解体盾构并运出。

巷道掘进时，刀盘旋转，将油缸向前推移从而让刀盘刀具切削巷道掌子面。挖掘的矸石经面板式刀盘旋转落入接渣斗，经主机皮带、后配套皮带及矿上输系统送出巷道。当掘进到一定巷道衬砌的长度时，对采用过锚杆支护过的巷道表面衬砌砂浆。

3.3作业要点

当盾构机在不稳定煤岩层作业时，需要全面分析环境，作业过程中尽可能控制巷道上方的地表沉降。

巷道掘进过程中，当作业面遇到的地层含水量较高、遇到沙泥互岩层、泥岩、砂砾岩层时，这时可能会出现流渣槽被堵、刀盘结泥饼等问题，需注入泡沫、膨润土等外加剂。以改善作业环境，顺利排出煤矸石，从而为掘进作业顺利进行提高保障。当巷道作业面不易结泥饼时，停止泡沫系统从而提高掘进速度。

3.4盾构机的拆解

斜井原位拆解时需要考虑到空间位置、构件尺寸及构件重量等，制定拆解流程，合理布置吊点，做好安全措施等。

拆解前需要对掌子面及拆机硐室进行注浆加固从而预防斜井发生塌方及涌水等突发情况，为拆解作业安全进行提供保障。编制拆解施工组织设计，准备设备、施工材料、专用工装，做好机具的设计及准备。拆解前将设备的清洁工作及渣土的清理工作做好。

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原位拆解时，盾构掘进至停机里程后将配套的拖车电缆、液压管路及液体管路断开，将标记做好，密封，做好防护及固定措施，按照顺序逐个拆解。拆解后配套台车时，要将拖车的连接梁进行拆分，拖车上的各个系统整体部件如液压泵站，变频柜等进行拆解。当拆解主机时，需要将主机的刀盘、主驱动系统、前盾、伸缩盾、撑紧盾进行拆解下来。拆解前检查工具、工装，以免发生破损、绳索脱扣等问题。

4结束语

盾构法应用于煤矿掘进施工可以为安全、高效施工提供保障，其对提高矿井综合效益具有重要作用。矿井管理人员应当重视盾构法在煤矿掘进施工中的作用，引进这一技术并积极应用，从而提高井下掘进作业的效率。

参考文献

[1] 戈文昌,管会生,宋颖鹏,等. 斜井盾构机栽头发生机理及预防措施研究[J]. 矿山机械,2017,45(12):9-13.