TBM掘进煤矿巷道研究现状与展望.pdf

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.19 能 源 与 环 境科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONTBM掘进煤矿巷道研究现状与展望王要平 1 张风林 2*徐火祥 1 冯依赞 1 张海骄 1 唐彬2，3(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)摘要：全断面掘进机（TBM）以其机械化程度高、掘进速度快的优势已被广泛应用于地铁、水利等工程中。随着煤矿开采的深度不断增加，爆破法掘进煤矿巷道已不能适应，TBM也逐渐应用于煤矿巷道的掘进，并取得了良好的效果。该文通过查询相关资料，以具体工程实例，介绍了TBM掘进煤矿巷道在平硐、斜井、立井上的应用现状；以具体的全断面掘进机为例，介绍了应用在煤矿巷道中的全断面掘进机的研究现状；同时，介绍了TBM掘进煤矿巷道的支护技术现状，最后描述了TBM在掘进煤矿巷道中的未来展望。关键词：煤矿巷道 全断面掘进机 锚杆支护 现状与展望中图分类号：TD55文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)19-0197-05Research Status and Prospect of Coal Mine Roadway Driven by the TBMWANG Yaoping1 ZHANG Fenglin2*XU Huoxiang1 FENG Yizan1 ZHANG Haijiao1 TANG Bin2,3(1.Huainan Mining(Group)Co.,Ltd.;2.School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science and Technology;3.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines,Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui Province,232001 China)Abstract:The tunnel boring machine(TBM)is widely used in subways,water conservancy and other projects because of its advantages of high mechanization and fast driving speed.As the depth of coal mining becomes deeper and deeper,the blasting method can no longer adapt to drive mining roadways,and the TBM is gradually applied to drive mining roadways and achieves good results.Through inquiring relevant data,this paper introduces the application status of driving mining roadways by the TBM in adits,inclined shafts and vertical shafts by concrete engineering examples,introduces the research status of the full-section tunnel boring machines applied in coal mine roadways with a specific full-section tunnel boring machine as an example,also introduces the status quo of the support technology of driving mine roadways by TBMs,and finally describes the future prospect of the TBM in the excavation of mine roadways.Key Words:Coal mine roadway;Tunnel boring machine;Anchor bolt support;Current situation and prospectDOI：10.16661/ki.1672-3791.2304-5042-3498基金项目：安徽省自然科学基金面上项目“TBM掘进煤矿巷道装配式支护结构力学性能与设计方法”（项目编号：2208085ME118）；安徽高校自然科学研究重大项目“TBM掘进煤矿深井巷道围岩时效变形与装配式拱架协同作用机理研究”（项目编号：KJ2021ZD0049）；深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室自主课题资助项目“煤矿深井巷道TBM快速掘进围岩扰动机理研究”（项目编号：SKLMRDPC20ZZ04）。作者简介：王要平（1981），男，本科，工程师，主要从事煤矿井巷工程设计与施工工作。通信作者：张风林（2000），男，硕士在读，主要从事矿山岩土工程研究工作，E-mail：。197SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯能 源 与 环 境 2023 NO.19 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯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（20142020），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 m5。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 m6。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 m8。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 m9。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 TBM11。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 m12。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 m13。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500800 m/月。其特点具体如下。198SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.19 能 源 与 环 境科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION2.1.1 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46 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。199SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯能 源 与 环 境 2023 NO.19 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯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。4 TBM掘进煤矿巷道未来展望4.1 TBM掘进体系的智能化煤矿巷道的施工环境复杂多变，复杂的地貌地质条件给工程施工造成了许多不确定性，对施工人员的安全有着很大的威胁，因此未来使用TBM进行巷道的施工会更加智能化，减少甚至不用工人实地作业，尽可能减少对施工人员危险。4.2 煤矿TBM更加标准化首先，TBM设备的一些关键部件的标准化，不同TBM设备间的零件可以相互更换，维修更为方便。其次，认证的标准化，煤矿TBM的各个系统部件必须满足要求才能获得认证，使得TBM掘进煤矿巷道更为安全。4.3 提高煤矿TBM的地层适应性目前，TBM掘进巷道对围岩的适应性还比较差，遇到软弱岩层等时，会有卡机的风险，导致开挖进度缓慢。随着科技的发展，未来TBM掘进巷道会更加适应围岩的变化。4.4 煤矿岩巷TBM施工技术的多样化目前，矿用TBM已经有许多新技术被成功应用，如超前地质预报技术、小转弯半径和智能支护技术等。未来，随着更多的煤矿巷道的掘进工程采用TBM进行施工，与煤矿TBM相关的新技术的研究也会越来越多，会有越来越多的新技术被研究出并成功应用于煤矿巷道的掘进施工中，TBM掘进煤矿巷道的技术体系会更加完善。4.5 TBM掘进煤矿巷道支护技术会更加丰富目前，关于用 TBM 掘进的煤矿巷道的支护方法还没有一个完整的体系，有时会出现掘进速度快于支护速度，从而导致需要暂停掘进来等支护的进度的情况。在未来，与TBM更加适应的支护技术会被研究出来，从而可以杜绝掘进速度与支护速度不匹配的情况。5 结论目前，TBM在掘进煤矿巷道中的应用数量虽不如在地铁等工程上的应用，但随着掘进煤矿巷道的难度增大，以及TBM在掘进煤矿巷道技术的成熟，TBM在掘进煤矿巷道上的应用会越来越广泛，在煤矿平硐、斜井、立井等巷道的掘进工程中均有应用，并取得了良好的成绩。针对不同工程、不同地质条件和不同施工要求，如大半径、大埋深、长距离、高温、高应力等工程情况，所研发的TBM设备也更能满足工程的需要。TBM在掘进煤矿巷道的适应性也越来越强。在 TBM 掘进煤矿巷道的支护技术方面，虽然目前关于此方面的研究还较少，但随着TBM在掘进煤矿巷道上广泛应用，已经有人对此方面进行研究，以后关于此方面的研究也会越加越多，煤矿TBM支护体系会逐渐完善。参考文献1 代恩虎,王勇,鲁义强,等.云贵地区煤矿TBM施工技术应用研究J.煤炭科学技术,2022,50(10):10-18.2 刘泉声,黄兴,时凯,等.煤矿超千米深部全断面岩石巷道掘进机的提出及关键岩石力学问题J.煤炭学报,2012,37(12):2006-2013.3 唐彬,程桦,姚直书,等.TBM施工煤矿深埋硬岩巷道围岩稳定性分析及工程应用J.采矿与安全工程学报,2016,33(2):260-264.4 杨生华,芮丰,蒋卫良,等.煤矿全断面岩巷掘进机开发应用与发展J.煤炭科学技术,2019,47(6):1-10.5 龙志阳,郭孝先.全断面掘进机发展和应用J.建井技术,2017,38(5):7-13,6.6 范京道,封华,宋朝阳,等.可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井关键技术与装备J.煤炭学报,2022,47(1):499-514.7 HUANG X,LIU Q,SHI K,et al.Application and Prospect of Hard Rock TBM for Deep Roadway Construction in Coal MinesJ.Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology 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十字交叉路口处理方案（1）根据交叉路口通行车辆数，来确定交叉路口每条路的车道数。北方车辆左拐时不太容易，应在东入口处增加一道车道，将出口处直行与右转车道并合，具体见图208。（2）靠近东南大学成贤学院的一角有围墙阻挡视线，可以设立凸型反光镜，来增大视野。行人和驾驶员可提前得知前方道路信息，避免一些交通事故的发生。（3）在交叉路口处适当道路拓宽，拓宽右转弯车道。（4）4个拐角增设高杆探照灯，具体见图21。（5）增设左转导向车道。左转车辆提前进入左转导向车道等待，后方车辆积压将减少，缩短车辆排队时间和排队长度，对交叉路口进行管理控制和渠化设计，有利于提高路口通行速度，缓解交叉路口交通阻塞压力，具体见图22。（6）在交叉路口处设置警示标志，提高驾驶人员对行驶路线、方向的辨别度，同时加强对驾驶人员目视化警示管理 9。（7）交叉路口处设置超速监测装置，加强对人员约束力，设减速标线，确保车辆低速通过交叉路口，具体见图23、图24。4 结语经过这次东大路升级改造的方案研究，笔者深刻了解道路升级改造方案往往比新建道路方案更困难，不仅需要对项目区进行详细的现场外业勘察，对外业调查、原始资料及试验成果进行整理分析，还需要有创新思维的大脑，既能发现问题，同时也能提出解决问题的方案。通过对东大路道路升级改造方案的研究，能为决策者提供有效的参考信息，从而做出更优化的决策，为以后类似项目提供重要的理论借鉴。参考文献1 王海波.裂缝灌缝技术在公路沥青路面养护中的应用J.交通世界,2023(8):106-108.2 邱晓光.沥青混凝土路面裂缝病害分析及解决对策J.运输经理世界,2021(15):72-74.3 陈淼荥.薄层罩面沥青混合料路用性能评价J.交通世界,2022(23):26-29.4 陈涛,洪盛祥,王鸿森,等.二次就地热再生沥青路面性能及经济效益研究J.现代交通技术,2022(6):12-17.5 赵江,魏丽敏,邓理明,等.市政道路管道沟槽回填泡沫轻质土数值分析J.公路工程,2022(3):186-193.6 赵大宇.道路下市政管线沟槽回填加固过程模拟分析J.建设科技,2022(12):103-105.7 陈金密.拉森钢板桩支护技术在污水沟槽开挖中的应用J.福建建材,2022(10):88-90.8 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