煤礦巷道TBM適應(yīng)性技術(shù)研究及應(yīng)用*

于慶增,張 嘯,寧向可

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450016)

0 引言

近年來,我國煤礦行業(yè)發(fā)展迅速,每年新掘巷道長度超過12 000km,規(guī)模巨大［1］。目前以鉆爆法為主的巖巷機(jī)械化作業(yè)線主要有兩種方式,一種是氣腿式鑿巖機(jī)配耙斗式或鏟斗式裝巖機(jī)作業(yè)線;另一種是全液壓鉆車配側(cè)卸裝巖機(jī)作業(yè)線。第1種在我國應(yīng)用較多,掘進(jìn)速度一般為 60～70m/月。常規(guī)鉆爆法雖然具有可隨地質(zhì)條件變化及時調(diào)整施工方案、設(shè)備拆卸方便可回收重復(fù)利用、成本低等優(yōu)點(diǎn),但也存在較多缺點(diǎn),如掘進(jìn)速度慢、施工工序繁雜、對圍巖擾動影響大、超欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重、工人勞動強(qiáng)度高、施工環(huán)境惡劣、安全性差等。巷道掘進(jìn)在煤礦生產(chǎn)中占據(jù)十分重要的位置,事關(guān)礦井采掘接替和高質(zhì)量發(fā)展;但巖巷機(jī)械化高效掘進(jìn)是許多礦井巖巷掘進(jìn)面臨的技術(shù)瓶頸問題,采掘失衡矛盾愈加突出［2-5］。

近年來,全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(以下簡稱“TBM”)技術(shù)不斷進(jìn)步,已在公路、鐵路及引調(diào)水工程中廣泛應(yīng)用,具有自動化程度高、無需爆破、施工效率高的優(yōu)點(diǎn),是目前廣泛采用的隧洞施工設(shè)備［6-9］。鑒于TBM能夠?qū)崿F(xiàn)掘錨一體模塊化集成,煤礦企業(yè)迫切希望改變傳統(tǒng)開挖模式,將TBM應(yīng)用于煤礦的巷道掘進(jìn),并推進(jìn)TBM的智能化掘進(jìn)［10］。為滿足煤礦巖巷智能掘進(jìn)工程建設(shè)需求,攻克TBM在超小轉(zhuǎn)彎、高瓦斯等復(fù)雜困難條件下應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)難題,自主研制煤礦巖巷TBM智能連續(xù)快速掘進(jìn)技術(shù)迫在眉睫［11］。

1 礦用TBM面臨的難題

TBM技術(shù)在煤礦巷道的應(yīng)用推廣得到業(yè)內(nèi)重視,從2019年開始,每年都有新的煤礦掘進(jìn)項(xiàng)目采用TBM進(jìn)行施工,礦用TBM數(shù)量激增,據(jù)統(tǒng)計(jì),2021年采用礦用TBM施工的項(xiàng)目達(dá)16個以上。雖然TBM在煤礦領(lǐng)域已初步顯示出優(yōu)勢,但其面臨的技術(shù)難題不同于傳統(tǒng)隧道(洞),對煤礦施工的特殊環(huán)境及要求認(rèn)識不足,將導(dǎo)致TBM在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)不理想甚至完全失敗。通過對大量煤礦巷道洞徑、地質(zhì)、長度等參數(shù)分析,目前煤礦巷道TBM施工面臨的難題主要包括6個方面。

1)轉(zhuǎn)彎半徑小 煤礦巷道采用TBM法掘進(jìn)主要包括運(yùn)輸大巷、瓦斯抽排巷等,而以瓦斯抽排巷數(shù)量更多,瓦斯抽排巷線路圍繞煤層走向,主要用于煤層開采過程中的瓦斯抽排,線路轉(zhuǎn)彎半徑小、數(shù)量多,且水平和垂直轉(zhuǎn)彎共存,對TBM轉(zhuǎn)彎適應(yīng)性和靈活性要求高。還存在巷道單條長度不長且?guī)в幸欢ㄆ露?拐彎通常大于90°且轉(zhuǎn)彎半徑≤100m的難點(diǎn)。

2)復(fù)雜地質(zhì)變化快 煤礦巖層多以沉積巖層為主,巖性較軟,且受煤層富含瓦斯及強(qiáng)烈開采擾動的影響,造成巷道掘進(jìn)時生產(chǎn)條件惡劣。同時工程施工前通常缺乏詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查,地形地質(zhì)復(fù)雜、地域差別大,無前期資料可參考。TBM主機(jī)和后配套設(shè)計(jì)需進(jìn)行優(yōu)化,需考慮如何通過斷層破碎帶和防止軟巖大變形卡機(jī)。

3)支護(hù)理念不同 煤礦巷道普遍的支護(hù)形式為錨網(wǎng)結(jié)構(gòu),很少采用鐵路、水工隧洞的拱架和噴混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)。煤礦巷道支護(hù)理念為“掘支同步”,即開挖的圍巖必須及時完成支護(hù),避免片幫、塌方等安全風(fēng)險(xiǎn)。而且錨桿和錨索支護(hù)要求垂直于洞壁,即法向錨桿或錨索,對錨桿或錨索的支護(hù)角度、支護(hù)數(shù)量、壓盤及外露長度有嚴(yán)格要求,因此礦用TBM支護(hù)系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì),需考慮如何滿足煤礦巷道支護(hù)要求,提高支護(hù)效率和質(zhì)量。

4)逢掘必探 煤礦巷道掘進(jìn)需要具備“逢掘必探”功能,即先探后掘,避免掘進(jìn)煤層或者瓦斯含量突變。而非煤TBM探測與掘進(jìn)是分開的兩項(xiàng)工序,即采用千米鉆機(jī)提前探測掘進(jìn)前方狀態(tài),然后TBM掘進(jìn),完成一定長度后,再停機(jī)探測,轉(zhuǎn)換效率低,影響掘進(jìn)進(jìn)尺。必須開發(fā)適應(yīng)煤礦巷道掘進(jìn)的TBM“逢掘必探”技術(shù)。

5)煤礦深井巷道罐籠尺寸小 煤礦巷道在地面以下較深的位置,TBM零部件需要通過現(xiàn)有的運(yùn)輸通道(豎井罐籠或者已建好的城門洞斷面平硐)運(yùn)輸至洞內(nèi)組裝位置,其允許運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)件尺寸和質(zhì)量受限,同時井下組裝質(zhì)量要求嚴(yán)格。在煤礦井下進(jìn)行組裝,TBM裝備設(shè)計(jì)必須滿足罐籠最大不可拆卸件的下井尺寸和質(zhì)量要求,在大部件分塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,整機(jī)長度要盡量短,以減少運(yùn)輸、組裝、轉(zhuǎn)場工作量。以首山一礦為例,其罐籠要求最大不可拆卸件尺寸(長×寬×高)<5 400mm×1 500mm×2 000mm,最大件質(zhì)量<14t。對于上百噸的TBM關(guān)鍵部件,需突破大尺度部件分塊路線與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性匹配技術(shù)。

6)安全風(fēng)險(xiǎn)高 深井煤礦工程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)高,對各種因素如巖石強(qiáng)度偏低、高地應(yīng)力、瓦斯突出等風(fēng)險(xiǎn)均要進(jìn)行全面考慮,《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確提出,掘進(jìn)工作面減人提效,固定崗位無人值守與遠(yuǎn)程監(jiān)控。礦用TBM須配置實(shí)用性強(qiáng)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

2 礦用TBM適應(yīng)性技術(shù)

2.1 不同直徑不同轉(zhuǎn)彎半徑TBM結(jié)構(gòu)適應(yīng)性關(guān)鍵技術(shù)

1)主機(jī)結(jié)構(gòu) 礦用TBM主機(jī)基于雙護(hù)盾TBM設(shè)計(jì)理念,創(chuàng)新主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),縮短前盾和支撐盾整體長度,采用“前盾+伸縮盾+支撐盾”的結(jié)構(gòu)形式,前大后小成倒錐形布置,保持與洞壁合理的間隙。其中前盾與支撐盾之間、伸縮前盾與伸縮后盾之間采用浮動式鉸接設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)小于10倍開挖洞徑的轉(zhuǎn)彎。設(shè)備掘進(jìn)時,推進(jìn)油缸提供刀盤掘進(jìn)的推力,可以通過對推進(jìn)油缸控制,實(shí)現(xiàn)TBM的小轉(zhuǎn)彎調(diào)向和糾滾。

基于煤礦巷道4m級和6m級兩種直徑,開發(fā)了平行布置加扭矩梁結(jié)構(gòu)和V形布置兩種主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),兩種結(jié)構(gòu)推進(jìn)油缸周向均勻布置在前盾與支撐盾之間。推進(jìn)油缸平行布置結(jié)構(gòu)簡單,控制方便,推進(jìn)與扭矩傳遞分開,扭矩裝置占據(jù)兩側(cè)空間,小直徑TBM布置困難,適應(yīng)于6m級TBM(見圖1a)。V形布置是相鄰2個推進(jìn)油缸成V形設(shè)置,控制相對煩瑣,推進(jìn)與扭矩傳遞并行,取消扭矩裝置,小直徑TBM布置有優(yōu)勢,適用于4m級TBM,可兼顧盾體內(nèi)部人員作業(yè)空間問題(見圖1b)。

圖1 小轉(zhuǎn)彎半徑TBM主機(jī)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性技術(shù)Fig.1 Adaptability technologies of TBM structure for small radius turning

2)皮帶機(jī)及后配套結(jié)構(gòu) 小轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)采用短、窄皮帶架設(shè)計(jì),皮帶架可靈活調(diào)節(jié),為浮動式支撐結(jié)構(gòu)。后配套采用緊湊型設(shè)計(jì),縮短了整機(jī)長度。

2.2 適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件的雙支撐技術(shù)

敞開式TBM轉(zhuǎn)彎半徑一般在20倍洞徑以上,而護(hù)盾式TBM轉(zhuǎn)彎半徑可做到10倍洞徑,深井煤礦巷道連續(xù)小轉(zhuǎn)彎多,只能采用護(hù)盾式TBM,但護(hù)盾式TBM在軟弱破碎圍巖情況下?lián)窝セ蚍€(wěn)定器無法撐到硐壁上,導(dǎo)致無法掘進(jìn)或者無法換步的問題。針對煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件,研制出雙支撐雙推進(jìn)脫困TBM(見圖2)。其主機(jī)結(jié)構(gòu)由前向后依次布置刀盤、前盾、前盾穩(wěn)定器、主推進(jìn)裝置、支撐盾及主撐靴、支撐盾后側(cè)的反力環(huán),反力環(huán)和支撐盾之間連接有輔助推進(jìn)裝置(輔助撐靴)。在正常地質(zhì)條件下,由主撐靴撐緊硐壁,穩(wěn)定器輔助換步;在軟弱破碎地質(zhì)條件下,當(dāng)穩(wěn)定器或主撐靴無法撐緊硐壁,不能提供有效的推進(jìn)力時,使用輔助撐靴撐緊圍巖,通過輔助推進(jìn)裝置進(jìn)行換步或者通過輔助推進(jìn)裝置提供反力點(diǎn)進(jìn)行掘進(jìn),使TBM在隧洞內(nèi)不安裝管片且在軟弱破碎圍巖情況下仍能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)或者換步,保證掘進(jìn)作業(yè)正常進(jìn)行,大幅提高了不良地質(zhì)條件下礦用TBM的快速通過能力。

圖2 雙支撐雙推進(jìn)TBMFig.2 Double-support and double-thrust TBM

2.3 支護(hù)技術(shù)

2.3.1分級分區(qū)聯(lián)合支護(hù)方案

煤礦巷道在TBM掘進(jìn)后,針對巷道自穩(wěn)時間短,特別是巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、斷層結(jié)構(gòu)面豐富、巖體軟弱破碎的區(qū)域,圍巖流變特性明顯,巷道支護(hù)困難,不容易實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的難題,分析出TBM掘進(jìn)過程中對圍巖的擾動損傷過程,揭示出“圍巖-TBM-支護(hù)”相互作用關(guān)系及力學(xué)行為特征。基于此,礦用TBM主機(jī)區(qū)域向后依次配置鋼筋排、鋼拱架錨桿支護(hù)、網(wǎng)片支護(hù)和錨索支護(hù)的組合式支護(hù)系統(tǒng)(見圖3),強(qiáng)化礦用TBM初期支護(hù)能力、提升支護(hù)設(shè)備適用性,解決了單一支護(hù)方式工作范圍無法覆蓋拱頂及幫部的問題。

圖3 礦用TBM支護(hù)Fig.3 TBM support system for mine

2.3.2智能法向錨桿技術(shù)

煤礦巷道施工作業(yè)規(guī)程中對錨桿支護(hù)有嚴(yán)格的要求,必須使用垂直于巖面的法向錨桿進(jìn)行支護(hù)作業(yè),并且煤礦井下作業(yè)環(huán)境較差,作業(yè)難度較大,目前煤礦巷道錨桿作業(yè)多采用風(fēng)動鉆機(jī)進(jìn)行打孔作業(yè),當(dāng)巖石硬度較高時,存在打孔速度慢、環(huán)境不友好的問題、人工接桿、拆桿耗費(fèi)時間長等因素均導(dǎo)致作業(yè)效率低下。礦用TBM錨桿系統(tǒng)配置如下：礦用TBM配置多套(3套以上)相互獨(dú)立的錨桿鉆機(jī),其中3號錨桿鉆機(jī)為智能錨桿鉆機(jī),可實(shí)現(xiàn)一鍵控制,自動實(shí)現(xiàn)定位、鉆孔、接桿、退鉆功能。3套鉆機(jī)前后依次布置在支撐盾后部的滑車上,其中1號、2號錨桿鉆機(jī)布置在第1節(jié)滑車主框架上,鉆孔方向垂直于洞壁(法向),鉆孔范圍覆蓋拱頂>195°(見圖4a);3號錨桿鉆機(jī)布置在第2節(jié)滑車主框架上,配置鉆桿庫(8根鉆桿),具備自動接鉆桿功能,一次鉆孔作業(yè)深度≥10m,鉆孔范圍覆蓋拱頂>165°(見圖4b)。TBM配置的錨桿鉆機(jī)采用液壓沖擊式鑿巖機(jī),在巖石硬度160MPa時仍能保持較高的鉆孔速度,解決了鉆孔效率難題,3號錨桿鉆機(jī)配置的自動換桿裝置形成了一鍵啟動、自動作業(yè)的深孔智能化法向錨桿鉆機(jī)系統(tǒng),解決了人工接桿、拆桿耗費(fèi)時間難題。

圖4 錨桿鉆機(jī)Fig.4 Anchor drilling rigs

2.3.3柔性網(wǎng)片快速鋪設(shè)技術(shù)

與常規(guī)山嶺隧道施工不同,煤礦巷道地質(zhì)多以泥巖、砂巖、灰?guī)r等為主,巖石硬度整體不高,且整體較破碎,網(wǎng)片支護(hù)量非常大,且目前多以人工鋪設(shè)網(wǎng)片的方式進(jìn)行,網(wǎng)片鋪設(shè)速度慢,且在破碎圍巖段存在巖石掉落砸傷作業(yè)人員的風(fēng)險(xiǎn)。

針對煤礦巷道施工連續(xù)鋪網(wǎng)支護(hù)的需求,根據(jù)煤礦巷道的服務(wù)年限,基于礦用TBM開發(fā)了柔性網(wǎng)片快速鋪設(shè)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了軸向、環(huán)向等兩種柔性網(wǎng)片快速鋪設(shè),提高了網(wǎng)片鋪設(shè)效率。完善了錨桿+網(wǎng)片支護(hù)匹配工藝,將礦用網(wǎng)片與TBM相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化減人的目標(biāo)。

此方案柔性網(wǎng)片的延伸鋪設(shè)方向與TBM掘進(jìn)軸線方向一致,機(jī)構(gòu)主要包括固定在驅(qū)動箱或盾體上的柔性網(wǎng)片卷固定支架、柔性網(wǎng)片卷、固定在盾體上的網(wǎng)片換向滾輪等(見圖5)。TBM掘進(jìn)過程中,人工將成卷的柔性網(wǎng)片安裝在固定支架上,并將柔性網(wǎng)片的端部繞過固定在盾體上的換向滾輪,拖出盾體外側(cè),利用錨桿鉆機(jī)在柔性網(wǎng)片的端部進(jìn)行錨桿支護(hù),將柔性網(wǎng)片端部固定在隧洞巖壁上,TBM掘進(jìn)時,柔性網(wǎng)片會自動被拖出,再利用錨桿鉆機(jī)以要求的間距將網(wǎng)片固定在洞壁上;當(dāng)柔性網(wǎng)片全部被拖出后,再安裝新的柔性網(wǎng)片卷即可。

圖5 柔性網(wǎng)片快速鋪設(shè)技術(shù)Fig.5 Fast laying technology of flexible mesh

2.4 超前探測技術(shù)

礦用TBM上搭載常態(tài)化多自由度大鉆深超前鉆機(jī),實(shí)現(xiàn)煤礦巷道“逢掘必探”的作業(yè)需求(見圖6),具備沿巷道軸線施工超前探孔及幫控探孔功能,實(shí)現(xiàn)了上、下、左、右4個區(qū)域全覆蓋,具備角度調(diào)節(jié)功能,鉆機(jī)工作狀態(tài)可在前方探孔和幫控探孔間快速轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)150m鉆探無卡鉆、無斷桿、快速高效。

圖6 多自由度大鉆深超前鉆機(jī)Fig.6 Multi degree of freedom advance drilling rig

1)常態(tài)化超前鉆機(jī) 主機(jī)后方的滑車上布置1臺超前鉆機(jī)裝置(見圖7),主要由超前鉆機(jī)、擺動支架、擺動油缸、固定支架、俯仰油缸組成,配置獨(dú)立液壓系統(tǒng)。其正前方預(yù)留2個孔位,探測距離不小于120m。在俯仰油缸帶動下,具備大范圍俯仰角度調(diào)節(jié)功能,周邊沿一定外插角鉆孔范圍不小于拱頂180°。

圖7 超前鉆機(jī)裝置Fig.7 Advance drilling unit

2)配置礦用手持式淺孔軌跡儀 適用于煤礦井下地質(zhì)勘探孔、瓦斯抽放孔、探放水孔、注漿加固孔等的鉆孔軌跡記錄。

3)配置礦用瞬變電磁儀 進(jìn)行超前孔底水文地質(zhì)勘探,其基本原理是將探頭放置于淺孔孔底,在孔外按照一定的角度間隔旋轉(zhuǎn)發(fā)射線框,逐點(diǎn)測量孔底的接收探頭數(shù)據(jù),形成孔底的超前探測。

2.5 適應(yīng)罐籠TBM分塊設(shè)計(jì)技術(shù)

常規(guī)TBM刀盤、主驅(qū)動、主軸承、盾體等主要結(jié)構(gòu)件承受載荷大,遵循在滿足道路運(yùn)輸條件的情況下,盡量少分塊的原則。但礦用TBM關(guān)鍵部分結(jié)構(gòu)尺寸滿足道路運(yùn)輸條件下,仍不適應(yīng)煤礦巷道的運(yùn)輸要求,礦用TBM關(guān)鍵部件需繼續(xù)分塊,但TBM各部件不是獨(dú)立的,而是相互配合連接的,因此在分塊設(shè)計(jì)過程中需要考慮連接結(jié)構(gòu)的影響。

針對刀盤和盾體分塊是否具備連接螺栓安裝位置、刀盤分塊是否影響刀具布置數(shù)量及其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、盾體分塊是否影響推進(jìn)油缸安裝及其組裝工藝制定、驅(qū)動箱分塊是否滿足強(qiáng)度及其安裝精度要求、臺車分塊是否滿足拖拉強(qiáng)度等問題,提出了刀盤、主驅(qū)動箱、盾體、臺車應(yīng)對不同邊界的拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計(jì)方法,開發(fā)了同一部件不同分塊數(shù)量設(shè)計(jì)策略,解決了分塊連接與結(jié)構(gòu)布置高度協(xié)調(diào)的難題。

2.6 深井巷道地面遠(yuǎn)程控制技術(shù)

基于礦用TBM機(jī)身位姿精準(zhǔn)測量、定向?qū)Ш脚c糾偏、設(shè)備群協(xié)同與數(shù)字孿生驅(qū)動等基礎(chǔ)理論和技術(shù),構(gòu)建了“AR+VR”遠(yuǎn)程決策、“視覺+”位姿測量以及“UWB”人機(jī)定位集成系統(tǒng),解決了智能決策、精確定位、軌跡規(guī)劃和設(shè)備群碰撞預(yù)警難題,實(shí)現(xiàn)了TBM精準(zhǔn)定位、定向遠(yuǎn)程智能掘進(jìn)。礦用TBM設(shè)置井下和地面兩套控制室,其靈活性、適應(yīng)性增強(qiáng);控制室多場景布置可實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)工作面少人化,破解人-機(jī)-環(huán)共生安全問題(見圖8)。

圖8 遠(yuǎn)程控制技術(shù)Fig.8 Remote control technology

2.7 智能“兩閉鎖”技術(shù)

1)風(fēng)電、瓦電閉鎖 礦用TBM整機(jī)按照風(fēng)電閉鎖、瓦電閉鎖設(shè)計(jì),在新鮮風(fēng)流和污風(fēng)風(fēng)流中分別配置礦用防爆氣體檢測系統(tǒng),智能監(jiān)測CH4,CO,O2,CO2,H2S等氣體含量;在安全監(jiān)控系統(tǒng)專用防爆計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示,并設(shè)置報(bào)警點(diǎn)和斷電點(diǎn),當(dāng)檢測到含量超標(biāo)時,自動報(bào)警或整機(jī)斷電。配置風(fēng)速及風(fēng)量智能檢測系統(tǒng)。每15天至少進(jìn)行一次風(fēng)電閉鎖和甲烷電閉鎖試驗(yàn)。

2)配電與驅(qū)動系統(tǒng) 向掘進(jìn)機(jī)整機(jī)提供電力供應(yīng),分配電能,并控制電機(jī)運(yùn)行,為各系統(tǒng)動作提供動力源。配置符合煤安標(biāo)準(zhǔn)的專用變壓器、專用電纜、專用開關(guān)。

3 工程應(yīng)用

3.1 小半徑轉(zhuǎn)彎技術(shù)應(yīng)用

1)應(yīng)用于貴州聚鑫煤礦的“貴能二號”TBM,開挖直徑6.03m,采用主機(jī)小半徑轉(zhuǎn)彎技術(shù),實(shí)現(xiàn)煤礦巷道的連續(xù)化施工,做到了“短巷長掘”,累計(jì)掘進(jìn)3 500m,一期工程貫通,已順利完成4個直徑60m轉(zhuǎn)彎,實(shí)現(xiàn)折返180°的轉(zhuǎn)彎。

2)應(yīng)用于河南平寶煤業(yè)的“平寶號”TBM,開挖直徑4.33m,完成了180°折返、直徑40m轉(zhuǎn)彎,也是全球礦用TBM首次在直徑40m超小轉(zhuǎn)彎施工領(lǐng)域應(yīng)用成功。

3.2 雙支撐技術(shù)應(yīng)用

應(yīng)用于山西惠源煤礦副斜井(1號回風(fēng)巷)的“宏源號”TBM,需要穿越地質(zhì)構(gòu)造帶、采空區(qū)、薄煤層、灰?guī)r等特殊工況區(qū),3次穿煤施工、過地質(zhì)破碎帶施工,配置了獨(dú)立輔助撐靴機(jī)構(gòu)。

3.3 超前鉆機(jī)技術(shù)應(yīng)用

“貴能二號”TBM配置的超前鉆機(jī)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)2h安裝不少于30m鉆桿;12h鉆孔153m,平均12m/h(含接桿);2h退鉆桿153根,平均退鉆時間1根/min。

3.4 大尺度分塊技術(shù)應(yīng)用

煤礦巷道TBM均采用大尺度分塊技術(shù),實(shí)現(xiàn)礦用TBM 6m級刀盤分6塊,4m級刀盤分5塊,6m級盾體分7塊,并首次應(yīng)用主軸承、驅(qū)動箱分塊技術(shù)(見圖9)。

圖9 大尺度分塊技術(shù)應(yīng)用Fig.9 Application of large scale blocking technology

3.5 TBM地面遠(yuǎn)程操控

“平寶號”TBM配置地面遠(yuǎn)程操作系統(tǒng),實(shí)時動態(tài)顯示、檢測TBM設(shè)備掘進(jìn)參數(shù),保存施工及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。在遇到瓦斯突出等風(fēng)險(xiǎn)時,井下人員撤出,切換地面操作,實(shí)現(xiàn)無人化、智能掘進(jìn)。該遠(yuǎn)程操控技術(shù)已在國內(nèi)文登抽水蓄能水電站、貴能聚鑫煤礦等多個項(xiàng)目成功應(yīng)用。

4 結(jié)語

現(xiàn)代化大型礦井已具備引入全斷面掘進(jìn)機(jī)的條件,全斷面掘進(jìn)機(jī)滿足深井巷道建設(shè)的需求,該技術(shù)將成為深部煤礦巖巷建設(shè)的重要發(fā)展方向。通過對礦用TBM適應(yīng)性技術(shù)進(jìn)行分析,得到下列結(jié)論。

1)煤礦巷道與鐵路、水工隧洞在工程背景方面有很大差異,需根據(jù)煤礦巷道的難點(diǎn)分析進(jìn)行量身定制。煤礦巷道服務(wù)年限、巷道走向、圍巖支護(hù)方式、復(fù)雜地質(zhì)條件都會影響TBM的設(shè)計(jì)。

2)目前針對煤礦巷道工程特有的超小半徑轉(zhuǎn)彎、軟弱圍巖破碎帶、瓦斯突出、安全性差等難題研發(fā)出了具有針對性的“主機(jī)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性技術(shù)、雙支撐雙推進(jìn)技術(shù)、支護(hù)技術(shù)、“超前探測、大尺度分塊技術(shù)、智能兩閉鎖”等新技術(shù)。

下一步將繼續(xù)開展智能化掘進(jìn)和支護(hù)、信息化平臺集成關(guān)鍵技術(shù),加快TBM在煤礦中的推廣應(yīng)用步伐。