TBM盾构机在阳煤集团大断面岩巷中的研究与应用_柴文军.pdf

TBM盾构机在阳煤集团大断面岩巷中的研究与应用 柴文军 （阳泉煤业 （集团 ） 有限责任公司三矿 ，山西 阳泉 045000 ） 摘要阳煤集团绝大部分煤矿岩石巷道主要采用传统的钻爆施工法，这种施工方法由于破岩效率 低、 装运效率低、 支护效率低、 粉尘浓度高等问题， 导致掘进速度缓慢、 职业病高发， 尤其是开拓准备等 大断面岩巷掘进更加缓慢， 严重制约水平采区接替。 为提高大断面岩石巷道掘进效率、 优化作业环境， 阳泉集团大胆创新， 在大断面岩巷试验使用 TBM盾构机， 与传统钻爆施工法相比， 掘进速度提高了 5 倍多， 工作面粉尘降低了 80， 有效解决了大断面岩巷掘进速度慢的问题， 为大断面岩巷快速掘进闯 出一条新路。 关键词 盾构机 ； 大断面岩巷 ； 掘进速度 中图分类号 TD421文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 03- 0047- 04 Research and Application of TBM Shield Machine in Large Section Rock Roadway of Yangmei Group CHAI Wenjun （Yangquan Coal IndustryGroupCo., Ltd. No. 3 Mine , Yangquan 045000 ， China ） Abstract The majority ofcoal mine rock roadway ofYangmei Group mainly adopts traditional drilling and blasting construction . This construction has slowtunnelingspeed and occupational diseases due tolowrock breakingefficiency, lowshippingefficiency, lowsup- port efficiency and high dust concentration. High- rise, especially for large- section rock roads such as development preparation, is slower, which seriously restricts the replacement ofhorizontal mining areas. In order to improve the tunneling efficiency of large- section rock roadway and optimize the working environment, Yangquan Group has made bold innovations. In the large- section rock roadway test, the TBMshield machine is used. Compared with the traditional drilling and blasting construction , the tunneling speed is increased by more than 5 times, and the working dust is reduced. 80, effectively solves the problem of slowtunneling speed in large section rock roadway, and opens up a newroad for rapid tunnelingoflarge section rock roadway. Key words shield machine; large section rock roadway; tunnelingspeed 0引言 阳煤集团所属的绝大部分煤矿为高突矿井， 开 拓准备等巷道主要布置在岩层， 同时为治理采掘工 作面瓦斯施工的高位抽采巷、 低位抽采巷和底抽巷 均为岩巷， 因此阳煤集团岩巷进尺量很高。根据统 计， 近五年岩巷进尺基本稳定在 10 万米， 占进尺总 量的 29.6％， 而开拓准备等大断面岩巷进尺量占岩 巷进尺总量的 30以上。目前， 阳煤集团岩巷仍主 要采用传统的钻爆法， 掘进效率低、 劳动强度大、 作 业环境差， 严重制约矿井建设速度和水平采区的有 序接替， 不能适应煤矿高效生产的需求。 盾构掘进技术在隧道、 地铁等领域的应用十分 广泛， 具有掘进速度快、 机械化程度高、 劳动强度低 等优势， 是一种比较先进的施工技术[2、 3]。目前， 国外 已有一些煤矿将盾构掘进技术应用于煤矿井下巷 道掘进， 并取得了良好技术效果。我国很多煤矿也 开始进行盾构掘进技术在煤矿中应用的尝试， 并取 得了一定的实践经验。神东补连塔煤矿 2 号辅运巷 道， 采用单护盾式盾构施工， 盾构掘进直径 7.63m， 总掘进长度 2718m， 最高月进尺 639m[4]； 淮南矿业集 团张集矿 2015 年初试验 QJYC045M 敞开式盾构 机， 取得了最高班进尺 14.5m， 最高日进尺 30.7m， 平均日进尺 13.5m， 折合月进尺 404m[5]。 1试验地点基本情况 1.1巷道概况 阳煤集团新景公司 525 水平保安 8 煤采区 南回风巷 （简称南回风巷， 下同） ， 设计长度 3724m， 巷道主要用于保安 8 煤采区的通风， 兼具行人、 运 输的作用。巷道断面为圆形, 荒直径 4.53m， 净直径 4.33m， 巷道荒断面 16.12m2， 净断面 14.73m2， 为全岩 锚喷支护， 喷厚 100mm。 巷道布置在 8 煤层上部 9～14m 的 K7 砂岩层 中， 埋深约 560m， 岩层情况稳定， 倾角平均 4～5， 顶板为中粒砂岩或细粒砂岩， 底板为泥岩。地表位 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 47 ChaoXing 于阳泉市郊区旧街乡高岭村附近的山梁沟谷地带， 所在位置无建筑物、 村庄、 铁道等， 对巷道施工无影 响。巷道井下位于尚未施工的保安 8 煤采区轨道 巷以南， 两巷道水平距离约 55m， 南侧为未开拓区 域， 巷道掘进对周围巷道无明显影响， 巷道开拓布 置平面如图 1。 图 1巷道开拓布置平面图 1.2水文地质情况 新景公司太原组灰岩和山西组砂岩两含水层 的含水量非常小， 补给条件也非常差， 在采掘空间 局部低洼处 （如向斜轴部） 可能出现局部淋水或少 量涌水现象， 对采掘活动影响较小。根据探测得知， 巷道掘进过程中遇到的断层均为中小断层， 揭露的 陷落柱基本不含水。 1.3瓦斯情况 巷道在掘进过程中， 瓦斯涌出量较小， 个别瓦斯 涌出量较大处，采取打排放孔的方式对瓦斯进行释 放， 必要时进行瓦斯抽放。 全程进行通风及瓦斯监测， 积极采取防排瓦斯措施， 以保障巷道施工安全顺利。 1.4支护设计 巷道开口至 360m 位于 8 煤与 6 煤之间的砂 质泥岩中， 巷道支护设计为锚喷， 每排布置 3 根顶 锚索， 间排距 1m； 锚杆、 锚索交替布置。锚杆规格 Φ202000mm 螺纹钢， 间排距 0.81m； 锚索规格 Φ21.67200mm；进入 6 煤与 8 煤之间的 k7 砂 岩后， 沿砂岩中部施工， 巷道底板距 8 煤层间距约 8- 20m，K7 砂岩厚度 1.3～13.78m，平均厚度 7.5m， 巷道顶部锚索 “二一二” 交替布置， 锚索间距 2m， 排 距 1m， 规格 Φ21.66200mm， 见图 2、 图 3。 2盾构掘进设备简介 全断面岩石掘进机 （TBM ） 是当今最先进的掘进 装备， 阳煤集团从 2015 年开始， 联合科研单位和装备 制造厂家一起研究讨论调研盾构掘进技术， 经过前期 多方调研了解和实地考察，发现 QJYC045M全断面 岩巷掘进机 （盾构机 ） 比较基本能满足我公司试验需 要， 且该机型之前也有过在其他公司的应用经验。 图 2巷道断面布置图 图 3巷道断面支护示意图 QJYC045M敞开式盾构机由北方重工集团有限 公司制造生产， 开挖直径 Φ4.53m， 总长 55m， 总重 400T。由刀盘、 驱动、 护盾、 大梁、 撑靴推进机构、 后 支撑机构、 支护机构、 后配套拖车等构成， 是集掘 进、 支护、 出渣、 导向、 防爆技术于一体的高度机械 化、 自动化的大型设备。可适应岩石单轴抗压强度 30MPa- 300MPa 的岩巷施工，配有完善的甲烷、 温 度、 压力、 流量等多种传感器。实现了安全、 高效、 环 保的煤矿岩巷掘进施工。主要技术参数见表 1。 3TBM盾构机工业试验情况 3.1TBM盾构机安装 1） 前期准备 TBM 盾构机安装前需做安装硐 室、 始发硐室、 敷设安装轨道、 钢板、 安装基础， 施工 起吊锚索、 安装起吊钢梁等， 前期准备工作周期长。 2） 安装顺序 支撑、 主驱动→主梁→推进及撑 紧机构→后支撑→G1～G5 拖车安装→刀盘与主驱 动把合固定。 3） 安装方法首先在安装硐室安装脚手架平 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 48 ChaoXing 台， 然后安装顶部轨道梁， 再在轨道梁上安装 30T、 10T 气动葫芦各 2 个，利用安装好的气动葫芦将盾 构机各个部件起吊到安装位置进行安装。 表 1QJYC045M敞开式盾构机主要技术参数 4） 安装时间 TBM盾构机于 2017 年 10 月 25 日开始安装， 于 2017 年 11 月 18 日安装完成。 3.2试验情况 从 2017 年 11 月 22 日开始至 2018 年 11 月 13 日结束， 累计掘进进尺 3490m， 平均月进 408m， 最高 月进 562m； 平均日进 13.36m， 最高日进 31.5m； 平均 班进 4.46m， 最高班进 15.5m， 平均掘进速度为炮掘 的 5～6 倍。 3.3掘进效率评价 3.3.1盾构施工法 巷道掘进 掘进及矸石运输方式 QJYC045M掘 进机利用带有滚刀的刀盘挤压将岩石截割破碎， 通 过刀盘铲板将破碎的岩石装入刀盘后方刮板输送 机， 然后通过盾构机自带一运皮带、 二运皮带转载 至盾构机后方 800mm 皮带输送机运至溜矸立眼下 部缓冲矸仓。 辅助运输方式 材料、 辅助设备等采用单轨吊 运输。 3.3.2劳动生产组织 TBM盾构机掘进队现在册人员数为 115 人， 正 常出勤 86 人， 队组实行 “三八” 制作业， 八点为检 修班， 四点班和零点班为生产班。生产班平均出勤 27 人， 检修班平均出勤 35 人。 3.3.3循环作业方式 TBM盾构机破岩掘进每个循环进度 1.5m， 当一 个循环结束时， 停止掘进， 刀盘后退 3～5cm， 放下主 机后支撑腿， 将主机支撑牢固后， 收回前后两侧水 平撑靴， 前移撑靴一个循环的距离， 然后根据导向 系统提供的主机位置参数进行调向， 随后将两水平 撑靴伸出至一定压力，收回后支撑离地大约 5～ 10cm。通过拖拉油缸拖后配套并前移一个循环的距 离后， 然后进行下一个循环作业。 3.3.4支护工艺 巷道支护利用 TBM盾构机自带 1， 2 和 5 平 台进行， 可实现部分支护与掘进平行作业。 1 平台 TBM掘进时伸缩油缸前部呈缓慢的不 停往前移动， 伸缩油缸及后部列车掘进时处于静止状 态。盾体及驱动前移过后方才露出围岩， 为保证施工 安全， 不出现空顶作业， 在驱动后方、 撑靴前部的主梁 上 （1 平台 ） 进行正顶锚索及顶部锚杆支护作业。 图 41 平台顶锚杆锚索支护现场图 图 52 平台补打锚索支护现场图 2 平台 位于撑靴后方、 前部伸缩油缸上方 （该 平台在盾构机掘进时处于静止状态， 只有在盾构机 完成一个循环进行前移时才移动） ，该处进行其余 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 基本性能参数单位参数值 整机性能 隧道开挖直径mm4530 整机长度m85m 设计掘进速度mm/min100 整机重量t500 刀盘 刀盘重量t50 滚刀类型中心双联滚刀和单刃正滚刀 驱动装置 驱动形式电机驱动 转速rpm0～10.6 功率kW1440 最大扭矩kN.m2140 脱困扭矩kN.m2560 推进系统 额定总推力kN12000 掘进行程mm1500 一次转载机 皮带宽带mm650 皮带速度m/s2- 3 二次转载机 皮带宽带mm650 皮带速度m/s2- 3 功率kW30 冷却水泵 功率kW15 流量m3/h35 供电 供电电压kV6000 装机功率kVA2000 49 ChaoXing 顶部锚索跟进。 5 平台 为加长平台， 巷道中下部锚杆在此施 工。同时 5 平台配备 2 台 PZ- 7 型湿式喷浆机， 平 台左右各一台， 两侧各放特制料斗一个， 存放喷浆 料， 便于及时进行巷道喷浆支护。 3.3.5掘进效率分析 盾构施工法与传统的钻爆施工相比， 在破、 装、 运、 支等关键工序上均有明显优势， 因此掘进效率高。 1）破、 装、 运工序分析。盾构施工法是机械式破 岩掘进，刀盘最大转速 10.6rpm，最高掘进速度 100mm/min， 破岩采用带有滚刀的刀盘挤压将岩石剥 落成小块岩石， 装、 运岩通过刀盘铲刀将岩石碎块带 到刀盘后方刮板输送机， 然后通过盾构机自带一运皮 带、 二运皮带转载； 与钻爆施工法相比， 机械化程度 高， 破岩速度快， 装岩、 运岩可以实现连续、 高效。 2）支护工序分析。巷道掘进支护分为临时支护 和永久支护。与钻爆施工法相比， 盾构施工法临时支 护采用机器前头的护盾进行临时支护， 安全、 高效、 方 便； 永久支护利用设备自身的风动或液压钻机进行锚 杆锚索的打孔、 安装， 具有省时、 省力， 施工质量高、 劳 动强度低等优点， 同时部分永久支护可滞后与掘进平 行作业， 因此更加缩短了永久支护时间。 4TBM盾构机适用性分析 1） 盾构机掘进施工的优势 ① 掘进速度快， 施 工效率高； ② 机械化水平高， 劳动强度低； ③ 施工 环境好， 工人效率好； ④ 围岩扰动小、 巷道断面好， 利于支护； ⑤ 安全性高。 2） 盾构机掘进施工的不足 ①临时支护护盾具 有一定的适应性， 围岩破碎时， 支护受影响； ②转向 性能较差， 对岩层起伏适应有限； ③对巷道围岩硬 度有要求， 有一定适应条件； ④没有排水设备， 影响 下山施工； ⑤前期准备复杂， 对准备硐室、 安装技 术、 安装时间要求较高， 前期投入较大。 5结论 TBM 盾构机在阳煤集团大断面岩巷中的成功 应用表明 1） TBM盾构机是当今最先进的大断面岩巷掘进 装备， 集钻岩、 掘进、 支护于一体， 使用电子、 信息遥 测、遥控灯高新技术对全部作业进行制导和监控， 使 掘进过程始终处于最佳状态， 与钻爆法相比， 具有掘 进速度快、 巷道成型质量好、 劳动强度低及降低粉尘 改善作业环境等优势， 是一种先进的施工技术。 2） 由于煤矿的特殊性， 盾构法施工在井下大断 面岩巷中的应用还处在起步阶段， 对地质条件变化 的适应性仍需提高。 3） 煤矿井下大断面岩巷掘进在提升掘进设备 的前提下，同时需突破顶板安全和围岩控制技术， 加强设备维修维护力量、 实现主要工序的全机械化 和连续性， 实现各个部分充分发挥、 协同集成作业。 参考文献 [1] 张召冉,郭义先,矫伟刚,佟文晶.大断面斜井基岩段钻爆 法高效快速施工技术研究[J].煤炭科学技术,2018,4602 126- 130. 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