煤矿用全断面掘进机在晋能控股煤业集团的应用

 

煤矿用全断面掘进机在晋能控股煤业集团的应用

晋能控股煤业集团宏泰公司 邓晋龙 索文慧  刘志远

 

摘要：全断面掘进机及盾构机在市政、隧道等非煤行业有着成熟的应用经验，但煤矿埋藏深、环境复杂、支护要求高，全断面掘进机对煤矿环境的适应有着更高的理论与技术要求。针对当前煤矿用全断面掘进机支护速度慢、智能化程度低、行业相关标准空白等问题，由晋能控股煤业集团牵头、宏泰公司投资并施工，在晋能控股煤业集团王村矿引进了辽宁三三工业有限公司制造的煤矿用全断面巷道掘进机“振兴一号”。本文从“振兴一号”在王村矿应用的背景与意义出发，在应用概况与发展趋势、社会经济效益、成果分析等方面，详细论述了煤矿用全断面巷道掘进机在晋能控股煤业集团应用推广的广阔前景。

关键词：煤矿；全断面掘进机；晋能控股煤业集团

全断面掘进机（简称TBM）在市政、隧道等非煤行业有着成熟的应用经验，但煤矿埋藏深、环境复杂、支护要求高，需满足安全生产条件等，因此，其对井下煤矿环境的适应有着更高的理论与技术要求。

“振兴一号”煤矿用全断面掘进机针对当前制约煤矿巷道施工的掘进速度低、采掘失调等问题，以全断面巷道掘进机为基础，实现煤矿巷道硬岩快速智能掘进，可达到直径5.8m的煤矿巷道硬岩一次成巷、掘锚同步作业和巷道硬岩快速掘进，关键技术填补了行业空白，具有良好的社会经济效益，是打造“智慧矿山”和实现煤矿井下无人化开采的有益尝试。

一、研究背景与意义

煤炭行业在我国国民经济中占有重要的战略地位，但信息化建设滞后等因素制约着我国煤炭行业走向大而强的进程。为改变这一现状，国家已将煤炭行业的信息化建设提上重要日程，以信息化为手段改造我国传统的煤炭工业企业，促使它们实现管理信息化，以信息化带动工业化，发挥后发优势，达到提高核心竞争力的目的。

作为占据我国能源主导地位的煤炭，在一次能源结构中占比70%左右。在今后相当长的一段时间内，煤炭仍将作为非常重要的战略资源，在我国经济和社会发展中占有极其重要的地位，我国经济高度依赖煤炭的特征短时间内很难发生改变。晋能控股煤业集团有限公司（简称晋能控股煤业集团）作为我国的第三大煤矿国有企业，拥有煤田面积6157平方公里，探明总储量达892亿吨。在当前形势下，煤炭开采依旧是晋能控股煤业集团的重点工作。

掘进与回采是煤矿开采的两个关键环节。传统的巷道掘进方法，其速度往往跟不上回采速度，时长出现采掘失衡现象。尤其当岩石硬度高时，其掘进速度下降明显，“遇硬降速”是致使井下开拓工期变长的主要原因。为此，除了增强传统掘进设备能力、优化传统掘进施工工艺外，也需寻找新的煤矿井下掘进方式类似打破困局。

安全、有效、快速的巷道掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件。在市政、隧道领域有着多年应用历史的隧道用全断面掘进机使用刀盘进行破岩掘进，设备破岩推力大、扭矩大，破碎硬岩能力强。同时，破碎出的岩渣采取封闭式转运方式，岩渣、煤粉不泄露到环境中，这种方式劳动环境好、劳动强度低，工人可坐在整洁明亮的操作室内操作施工，符合晋能控股煤业集团“减员增效”的要求，可进一步推动“智慧矿山”的建设探索。

二、应用概况及发展趋势

煤矿用全断面掘进机主要采用盘形滚刀破岩，作为一种新兴破岩方式，它在其他煤矿常用机械破岩设备中是不采用的。因此，其在煤炭围岩中破岩所需的推力、扭矩、效率等参数，对掘进机旋转、推进及支撑方案的影响是决定性的，只有对其进行深入研究，才能达到优化破岩刀具形状、优化刀盘布置及优化刀盘与护盾之间的关系，进而合理优化掘进机参数、提高掘进效率、提高社会经济效益的目的。

全断面盾构机是一套综合性设备，集掘进、出渣、支护、除尘、通风、导向、防爆技术于一体，极大提高了煤矿巷道施工效率，是高度机械化、自动化的煤矿巷道施工设备。当前煤矿用全断面盾构机大部分为由地面始发的掘进机，少见始发于井下的掘进机的相关研究和报道。同时，因始发地点设计位于井下，掘进机需要拆解后分块运至井下进行拼装，此过程同样没有相应的研究结果。晋能控股煤业集团的此次尝试，对这两部分工艺的研究弥补了相关技术领域的空白。

三、社会经济效益

“振兴一号”煤矿用全断面掘进机具有掘进速度快、安全系数高、适应性强等特点，其推广应用后可大幅提升晋能控股煤业集团千万吨级矿井的建设速度和质量，确保建设安全和安全生产，为同煤集团带来巨大经济效益。此外，“振兴一号”的应用了实现掘进工作面上减少掘进作业人员70%、掘进速度提高2-3倍的目标，其研究成果具有很大的市场潜力和推广应用前景，将会产生巨大的社会效益。

晋能控股集团“十四五”规划目标中明确指出：“（到“十四五”末）煤炭产量确保实现5亿吨，力争6亿吨”。“振兴一号”煤矿用全断面隧道掘进机的引进符合晋能控股集团发展的战略规划。同时，当前煤炭行业的发展趋势是建设现代化特大型安全高效绿色矿井发展趋势，“振兴一号”的推广应用集生产、学术、研发为一体，晋能控股煤业集团宏泰公司与矿山深井建设技术国家工程研究中心、辽宁三三工业有限公司等单位协同攻关，创造性地将新技术、新工艺引入了煤炭行业，为煤矿巷道掘进建设带来了革命性变化，更具先进性和示范带动作用。

四、工程概况及施工运用

巷道位于井下西盘区，设计为全岩巷，北为西盘区辅运巷，西、南全为实煤区，东为东盘区三条盘区巷。工作面对应上覆侏罗系煤层已露头，局部零星分布，上覆不存在采空积水区。砂岩含水层分布于山4#煤层的顶板和底板。顶板砂岩有2～3层，厚15～20m，是山4#煤层开采的直接充水含水层。根据井田岩溶水水位标高和山4#煤层底板标高等值线，以及2017-16号水文钻孔水位标高1107m，王村煤业公司山4#煤层属于带压开采。巷道内山4#煤层安全隔水层厚度为3.7m，但煤层底板有效隔水层厚度为117.3m，此巷道底板距奥灰水顶界面最小隔水层厚度远大于安全隔水层厚度，故此巷为带压开采安全区，对开采煤层影响小，突水危险性小。本工作面主要导水通道为断层裂隙，根据已有资料，工作面所揭露断层为不导水或弱导水断层，故不会对巷道掘进造成影响，在掘进过程中必须配备良好的排水系统跟至工作面。

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，例如通到软硬不均、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。

全断面巷道掘进机使用刀盘进行破岩掘进，掘进后使用护盾进行临时支护，保护掘进机主机本体。护盾之后使用锚杆和挂网及喷射混凝土进行永久支护。掘锚分离，掘进速度快，对支护速度提出了很高的要求。同时，研究掘进工作面前方煤岩体应力随巷道掘进变化规律；研究掘锚分离巷道围岩变形破坏特征理论变形破坏规律，是煤炭资源绿色高效开发理论中的重要环节。

盾构机采用循环作业方式。盾构机破岩掘进每个循环行程1m，当一个循环结束时，首先使尾盾伸出各护盾撑紧岩壁作为支撑点，前盾的顶护盾和左右侧护盾打开贴住岩壁，启动皮带，然后使主驱动电机驱动刀盘旋转，同时中盾主推油缸伸出并向前推进，使刀盘滚压切削工作面岩体，产生渣子进入到刀盘内的溜渣槽并集中滑落到皮带输送机完成出矸，主推油缸直至完成1m最大行程，在此期间工作人员可以在指形盾的保护下进行平行支护，支护完成后使前盾继续伸出各护盾撑紧岩壁作为支撑点，尾盾再收回各护盾，主推油缸收缩并牵引后配套系统向掘进方向移动1m，然后即可接着进行下一个循环的掘进作业。

巷道掘进工艺。安全检查→施工准备、设备检查→尾盾的顶护盾和左右侧护盾打开撑紧岩壁（3min）→前盾的顶护盾和左右侧护盾打开贴住岩壁（2min）→倒序启动各部皮带输送机（1min）→启动刀盘，根据导向系统参数调整盾构机姿态并推进（30min），推进过程与排矸、支护平行作业→一个掘进行程结束，停止刀盘和皮带（1min）→前盾的顶护盾和左右侧护盾继续打开撑紧岩壁，然后尾盾各护盾缩回（2min）→主推油缸收回，牵引后配套台车、三运桥式转载机前行（10min）→下一个循环。

巷道掘进支护顺序。施工前在指形盾外层放置好金属网→推进时指形盾随尾盾顶护盾一同升起并紧贴岩壁→根据激光指示标定眼位→利用前部液压锚杆钻机施工4#、6#和2#锚杆孔→上树脂药、锚杆→上W型钢护板和锚杆托板→预紧锚杆达到设计要求→盾构机向前推进→后部液压锚杆钻机补充施工3#、5#、7#和1#锚杆孔→上树脂药、锚杆→上W型钢护板和锚杆托板→预紧锚杆达到设计要求。

五、成果分析

针对制约煤矿工程施工中巷道掘进速度低，尤其是硬岩巷道掘进速度低及采掘失调等问题，“振兴一号”煤矿用全断面隧道掘进机实现了煤矿巷道硬岩快速掘进，达到了直径2.5-7m的煤矿巷道硬岩一次成巷、掘锚同步作业的目标。同时，“振兴一号”的掘进、姿态控制、出渣、支护、除尘、刀盘的耐磨性等性能均经受住了考验，隧道成型稳定、美观，平均掘进速度达35-45mm/min，取得了最高日进20米、最高月进406米的高水平战绩，相较于传统钻爆法最高月进50米—60米，掘进效率提高了6-8倍。

此外巷道标准化、成型各方面都位列前茅。盾构机掘进项目部先后接待各省多次参观学习，是各单位学习的榜样。该设备是根据煤矿井下巷道施工环境进行设计，采用模块化结构，主要由刀盘、护盾、支护平台及后配套台车四部分构成。设备开挖直径5.8m，总长65m，整机重量480t，其中盾体长度9m，后配套台车9节，单节车长5.1m。该设备额定推进速度为50mm/min，能够大幅提高煤矿井下岩巷的掘进效率，是对传统炮掘施工工艺的一次革命。其工作原理是通过全断面刀盘一次性破岩成巷，集掘进、排矸、支护、通风、导向、超前钻探技术于一体的先进掘进设备。

基于全断面掘进机在煤矿环境下施工，开挖、支护、出渣、防爆、通风等难度增加，施工工艺也有所不同，“振兴一号”的应用还在煤矿用全断面掘进机破岩工艺、推进和支撑系统工艺、排渣系统工艺、支护工艺等工艺理论及方案研究方面，以及掘进机拆卸、运输、井下安装、回收和现场配套管缆、运输系统设计、现场多工艺协同掘进技术研究等方面完成了工业性实验，做出了有益探索。

煤矿建设领域将打造一批技术领先、安全高效、绿色环保、节能减排、本质安全、和谐发展的现代化千万吨级矿区，而全断面TBM掘进机在煤矿建设中的运用，标志着我国现代化隧道施工装备已经达到世界领先水平，这对于我国高端装备制造业的创新发展具有里程舜的意义。将为煤矿盾构机快速、高效建井提供核心技术支撑，填补我国煤矿斜井盾构施工技术空白，开创煤矿施工新模式，对促进我国深层煤矿资源开发具有重大意义。本项目研究依托晋能控股煤业集团盾构机建设煤矿试验工程进行示范应用，对于创新煤矿修建模式，转变煤炭工业发展方式，引领煤炭工业健康发展具有重大意义。煤矿用盾构机，这对于提升煤矿建设现代化水平、推进世界煤炭工业技术革新具有重要意义。

六、结语

随着绿色矿山建设的大力提倡，盾构机作为一种安全、环保的隧道建设机器，改变了中国传统的煤矿并底建设模式，可以预见，在采矿工程中，为了更好的发展我国的煤矿企业，就需要切实对其机械装备和工艺的发展进行仔细分析，并在未来发展中注重对盾构机的使用，以此来提高煤矿岩巷掘进效幸，以促进我国煤矿企业的进一步发展。未来我国煤矿建设领域将重点建设特大型矿井，深部煤层井深已达到1000米以上，且掘进地层复杂、地质条件多变，对煤矿巷道掘进装备提出了更高要求。“振兴一号”的具体实践，使煤矿用全断面掘进机的应用进一步趋于成熟，为其进行大面积推广打下了坚实的理论和技术基础。

以煤矿用全断面掘进机为代表的智能掘进装备践行了煤炭产业发展的指导思想，符合新时期煤炭工业高质量发展要求，可为现代化煤矿“绿色化、数字化、信息化、智能化”的发展提供重要支撑，同时将带来安全、高效、节能、环保的社会经济效益，发展前景十分广阔。

 

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