深井巷道全断面硬岩掘进机及其快速施工关键技术.pdf

第 45 卷第 9 期煤炭学报Vol. 45 No. 9 2020 年9 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYSep. 2020 扫码关注 程桦,唐彬,唐永志,等. 深井巷道全断面硬岩掘进机及其快速施工关键技术[J]. 煤炭学报,2020,4593314- 3324. CHENG Hua,TANG Bin,TANG Yongzhi,et al. Full face tunnel boring machine for deep-buried roadways and its key rapid excavation technologies[J]. Journal of China Coal Society,2020,4593314-3324. 深井巷道全断面硬岩掘进机及其快速施工关键技术 程 桦1,唐 彬1,3,唐永志2,姚直书1,王传兵2,荣传新1 1. 安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001; 2. 淮南矿业集团有限责任公司,安徽 淮南 232001; 3. 淮南矿业集团博士后科研工作 站,安徽 淮南232001 摘 要针对煤矿深井硬岩巷道掘进效率低下的技术难题,综合考虑深立井煤矿巷道工程环境和全 断面掘进机技术特点,通过全断面掘进机施工煤矿深井岩巷可行性研究,制定了煤矿深井巷道全断 面硬岩掘进机技术指标,研制了煤矿深井巷道全断面硬岩掘进机;基于考虑全断面掘进机施工扰动 影响的岩石循环加卸载试验,建立了全断面掘进机快速施工围岩准静态循环加卸载损伤本构模型 和非线性强度准则,并用于巷道围岩稳定性数值模拟中;通过数值模拟和现场监测,揭示了全断面 掘进机快速施工围岩力学响应机理,提出了满足全断面掘进机快速施工煤矿硬岩巷道特点与要求 的巷道支护形式和施工技术;通过分析煤矿全断面硬岩掘进机施工巷道围岩的稳定性,提出巷道顶 板锚杆快速支护方案,并得到现场实测验证;针对立井井筒运输能力受限、井下工作环境空间狭小、 设备需要频繁拆装转场等问题,研发了全断面岩石掘进机井下有限空间运输、组装、拆解技术,创新 了全断面岩石掘进机井下始发、掘进关键技术;采用掘进、支护、排矸、辅助运输同步作业方式,解决 了硬岩巷道快速施工难题。 最后,通过在淮南张集煤矿西二采区 1413A 高抽巷进行工业性试验验 证研究成果。 结果表明全断面掘进机施工煤矿深井硬岩巷道,平均月进尺达 404 m,最高月进尺 达 560 m,为现有硬岩巷道掘进效率的 5 10 倍。 关键词全断面掘进机;煤矿深井;硬岩巷道;快速掘进 中图分类号TD263;TD421． 5 文献标志码A 文章编号0253-9993202009-3314-11 收稿日期2019-07-10 修回日期2019-10-17 责任编辑郭晓炜 DOI10. 13225/ j. cnki. jccs.2019.0927 基金项目国家自然科学基金资助项目51804006;中国博士后科学基金面上资助项目2018M642503 作者简介程 桦1956,男,安徽巢湖人,教授,博士生导师。 Tel0554-6668713,E-mailhcheng aust． edu． cn Full face tunnel boring machine for deep-buried roadways and its key rapid excavation technologies CHENG Hua1,TANG Bin1,3,TANG Yongzhi2,YAO Zhishu1,WANG Chuanbing2,RONG Chuanxin1 1. School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China; 2. Huainan Mining Industry Group Co. ,Ltd. ,Huainan 232001,China; 3. Postdoctoral Research Station,Huainan Mining Industry Group Co. ,Ltd. ,Huainan 232001,China AbstractTo overcome the problem of low penetration rate of hard rock roadways in deep-buried coal mine,the engi- neering environment of deep-buried coal mine roadways excavation and technical features of tunnel boring machines TBMs were comprehensively investigated. The technical index of deep-buried coal mine TBM was established through the feasibility researches of excavating deep-buried coal mine roadways by using TBMs,then the deep-buried coal mine TBM was developed. Based on some cyclic loading-unloading rock tests which con-sidering the disturbance of TBM excavation,the quasi-static cyclic loading-unloading damage constitutive model and non-linear failure criterion 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 第 9 期程 桦等深井巷道全断面硬岩掘进机及其快速施工关键技术 were established and introduced into the numerical simulation of roadway stability study. Through numerical simulation and site monitoring,the mechanical response mechanism of roadway sur-rounding rocks under TBM rapid excavation was revealed,and the roadway support pattern and technique which fulfill the requirements of TBM-excavated coal mine roadways were proposed and verified in site applications. To overcome the problems of restricts on the lifting ca- pacity of vertical shaft,limited working space of underground working sites and frequent mobilization of equipment,the techniques of TBM transportation,assembly as well as disassembly in limited space were developed,and the key tech- niques of TBM launching and excavation were in-novated. The problem of hard rock rapid excavation was resolved by adapting synchronous operation of excavation,supporting,lashing and auxiliary transportation. Finally,the research re- sults were verified by industrial tests which implemented in the overlying methane drainage roadway of 1413A longwall panel in Zhangji coal mine,Huainan,China. The test results indicated that in excavating deep-buried coal mine road- ways by using TBMs,the average penetration rate reached up to 404 m/ month and the highest penetration rate was 560 m/ month,which is 5 to 10 times of current penetration rate of hard rock coal mine roadways. Key wordsTBM;deep buried coal mine;hard rock roadway;rapid excavation 随着人类对能源需求量的增加和开采强度的不 断加大,浅部资源日益减少,国内外矿山均相继进入 深部资源开采状态[1]。 为在深部地层高地应力条件 下保证巷道的稳定性,目前我国深井煤矿永久、半永 久巷道普遍在岩层中掘进[2]。 同时,煤与瓦斯突出 矿井也需施工大量的瓦斯抽采巷道,从而导致煤矿岩 巷掘进工程量大幅增长[3]。 由于悬臂式掘进机破岩 能力有限,目前我国煤矿硬岩巷道仍普遍采用钻爆法 施工。 钻爆法虽适用面广,操作灵活,但施工危险性 高,劳动强度大,掘进效率低下煤矿硬岩地层中 40 80 m/ 月。 当前落后的硬岩巷道掘进技术极大 地限制了煤矿的安全生产和采掘接替工作[4]。 全 断 面 掘 进 机, 即 TBM Tunnel Boring Ma- chine,是一种靠旋转并推进刀盘,通过布置在刀盘 上的盘形滚刀破碎岩石而使隧洞全断面一次成形的 设备[5]。 全断面掘进机破岩能力强,且集开挖掘进、 支护和排渣运输工序于一体,可有效提升煤矿安全性 与掘进效率,降低煤矿工人的劳动强度、改善工作条 件[6],从而大幅缩短巷道施工周期,提高煤矿采掘接 替效率。 自 20 世纪 80 年代以来,以德国 Minis- ter Stein 和 Franz Haniel, 澳大利亚 West Cliff, 美 国 Westmoreland,加拿大 Donkin-Morien 等为代表的 煤矿采用 TBM 掘进斜井或平硐,取得了较为理想的 效果[7-9]。 我国煤矿全断面掘进工程应用始于 2003 年塔山煤矿主平硐。 2015 年,神东补连塔煤矿使用 全断面掘进机掘进主斜井[10-11]。 全断面掘进机在煤 矿斜井和平硐掘进中已取得较多成果案例,但在深井 煤矿巷道掘进中的应用鲜有报道。 深井煤矿多采用 立井开拓,由于立井运输能力的限制,相比采用平硐、 斜井运输的煤矿,其在全断面掘进机运输、组装、材料 辅助运输、排矸、巷道支护等方面存在诸多困难。 因 此,开展煤矿深井硬岩巷道全断面掘进机快速掘进技 术研究,对实现煤矿岩巷安全高效掘进,确保煤矿正 常采掘接替,改善岩巷掘进工作环境等具有重要意 义。 笔者针对煤矿深井巷道全断面硬岩掘进机施工 的特殊条件,分析其适应性设计要求;基于模块化设 计理念,研制全断面硬岩掘进机在刀盘与滚刀、整机 防爆、主驱动、排矸与防尘、支护系统等方面的创新; 研究全断面掘进机掘进巷道围岩稳定性及其支护方 式;研发全断面掘进机运输、组装、始发、掘进、支护、 拆卸转场等施工关键技术与工艺。 最后,介绍全断面 掘进机快速掘进张集煤矿西二采区 1413A 采煤工作 面高抽巷成功案例,验证了该技术与施工方法将成为 实现我国煤矿岩巷掘进自动化、少人化、安全高效的 发展方向。 1 煤矿全断面硬岩掘进机研制 1． 1 设计原则与技术指标 与用于山岭隧道掘进的 TBM 不同,深井煤矿立 井罐笼提升能力有限,井下运输、组装工作空间局促 且有瓦斯涌入隐患。 因此在全断面掘进机设计初期, 需依据矿井工程地质条件,对全断面掘进机构造与技 术参数进行优化设计,重点考虑设备防爆与各部件尺 寸、重量优化。 制定设备技术指标时,应根据矿井瓦 斯地质条件确定设备采用局部防爆或整机防爆。 并 根据矿井井筒、巷道尺寸和运输设备能力,确定刀盘 等重、大部件尺寸。 以本文所述工程案例为例,首先综合考虑深立井 煤矿巷道工程环境和全断面掘进机技术特点,通过对 全断面掘进机施工煤矿深井岩巷可行性研究,提出其 设计原则与技术指标如下 5133 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 1煤矿深井巷道全断面硬岩掘进机整机应满 足模块化、轻量化和紧凑化要求,以便井下拆装和运 输。 设备重量应控制在400 t 以内,防止拆装、掘进时 损坏始发轨道和巷道底板。 设备直径宜选为 4 5 m,以在满足巷道工作空间的同时降低设备拆装、运 输的难度;设备总长度应控制在60 m 之内,以减少设 备拆装、运输和拆装硐室施工的工作量。 2煤矿深井巷道全断面硬岩掘进机各部件应 实现轻量化、小型化。 根据罐笼、矿车、单轨吊等运输 设备的运输能力和井下巷道的通过能力,掘进机最大 部件尺寸应小于 5 000 mm2 500 mm1 800 mm,质 量低于 20 t,以方便设备井下运输、拆装。 3各子系统和整机均应满足煤矿机电设备防 爆要求。 4掘进机撑靴不应破坏巷道围岩。 煤矿深井 巷道地质条件复杂,存在软弱围岩,全断面掘进机撑 靴接地比压应小于 3 MPa,以避免掘进机步进时撑靴 破坏巷道围岩。 5掘进机后配套系统中的排矸系统、支护系 统、辅助运输系统以及管路、风筒的延伸、接续操作应 与设备掘进速度相匹配;通风能力应满足硬岩切削、 除尘、瓦斯抽排和供风的要求。 1． 2 全断面硬岩掘进机研制 1． 2． 1 免焊高强度分体刀盘 根据设计要求,刀盘的开挖直径 4． 53 m,整体尺 寸 4 530 mm4 530 mm1 685 mm,刀盘总质量不含 刀具为 38． 4 t,采用平面圆角型结构。 经多方案对 比,刀盘采用中间等质量分瓣布局方式图 1。 图 1 中间等质量分瓣式刀盘 Fig． 1 Central equal weight split type cutting head 刀盘两瓣采用 286 根 M36 高强螺栓把和,所有 螺栓配有楔块式防松垫片确保螺栓在掘进振动条件 下连接稳固。 同时,刀盘法兰之间设置定位圆柱销, 以方便刀盘现场安装定位图 2。 刀盘上选用 17 吋中心双联和 17 吋单刃两种类 型滚刀。 其中,面滚刀和边滚刀均采用 17 吋单刃正 图 2 分瓣刀盘连接法兰结构 Fig． 2 Connection flange of split type cutting head 中心双联滚刀,采用背装式安装。 刀盘正面均匀布置 4 个出渣铲斗,铲斗与溜渣板 组成出渣通道,保证掘进产生的岩渣快速顺利排出。 滚刀座自带冷却水喷射装置图 3,喷水口位于 刀具旁,结构紧凑,有利于降尘及降低刀具温度。 图 3 喷水滚刀刀座 Fig． 3 Water jet disc cutter holder 该新型分瓣刀盘布置合理、刀具拆卸方便、受力 较好,单瓣质量 19． 2 t,满足了井上下运输、组装、不 准电焊接等要求。 1． 2． 2 整机防爆设计与制造 全断面掘进机动力、电控、操作部分加装防爆外 壳;将锚杆钻机滑动梁、拖链、注脂泵等设备使用的铝 合金、塑料更换为不锈钢或碳素结构钢等阻燃材料; 在滚刀刀座部位设置喷水系统图 3,防止滚刀摩擦 生热达到瓦斯引火温度,消除破岩过程中的火灾和瓦 斯爆炸隐患;采用光谱型瓦斯浓度传感器,提高工作 面瓦斯浓度监测精度和响应速度;导向系统通过研发 液压马达驱动棱镜、防爆工控机、防爆全站仪实现防 爆功能图 4;将拖车结构平台设计为风筒与拖车合 二为一的箱型结构,形成嵌入式多功能通风除尘系 统,提高了设备的空间利用率图 5。 通过以上设备整机及各子系统的防爆设计与制 造,整机获得 MA 煤矿安全认证,为煤矿本安型设备。 1． 2． 3 支护机构 主支护机构由 2 台液压凿岩钻机、推进梁、补偿 机构、拖链、主传动系及液压控制阀组成,可在设备掘 进过 程 中 同 步 实 施 锚 杆 打 孔。 钻 孔 最 大 深 度 为 2 700 mm。 液压凿岩钻机安装在钻机环架滑道 6133 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 第 9 期程 桦等深井巷道全断面硬岩掘进机及其快速施工关键技术 图 4 防爆导向系统 Fig． 4 Explosion-proof guidance system 图 5 嵌入式通风除尘系统 Fig． 5 Embedded ventilation dust removal system 上,通过回转装置和水平液压油缸驱动,实现锚杆钻 机在圆周方向130和沿巷道轴向一个步距1． 5 m 范围内锚杆安装工作。 1 号拖车与主梁后方预设锚 杆机安装位,可根据现场工程情况选装锚杆机,作为 主支护机构的补充。 1． 3 技术参数 图 6 为通过前述设计制造研发的 QJYC045M 型 煤矿全断面硬岩掘进机。 该掘进机由刀盘、撑靴、后 配套、排矸系统、除尘系统、支护系统、物料输送系统 等子系统组成。 其采用的防爆动力系统,符合煤矿安 全规程要求;基于模块化设计,可将各子系统拆散通 过井筒罐笼和井下运输设备运至始发硐室组装,符合 立井煤矿设备运输最大尺寸要求。 2 全断面掘进机施工巷道围岩稳定性与支护 全断面掘进机较好地解决了悬臂式掘进机破岩 能力不足、在煤矿硬岩巷道掘进中掘进效率低下,以 及钻爆法危险性高、劳动强度大等问题。 但相比以往 典型的隧道/ 巷道 TBM 掘进工程,全断面掘进机施工 煤矿深部硬岩巷道具有以下特殊性。 图 6 QJYC045M 型煤矿全断面硬岩掘进机 Fig． 6 QJYC045M coal mine hard rock TBM 表 1 QJYC045M 型全断面掘进机主要技术参数 Table 1 Main specifications of QJYC045M TBM 设备技术参数数值 设备直径/ m4． 53 滚刀尺寸/ inch17 滚刀数量30 最大顶推力/ kN12 000 扭矩/ kNm -1 1 132 2 187 脱困扭矩/ kNm -1 2 500 刀盘转速/ rmin -1 0 10． 6 设备功率/ kW1 440 设备长度/ m51 设备质量/ t350 1煤矿深部硬岩地层岩性不同。 煤矿深部硬 岩以硅质、钙质胶结的硬砂岩或石灰岩等沉积岩为 主,其岩石物性既不同于以花岗岩、大理岩为代表的 火成岩或变质岩,也有别于泥质胶结的泥岩、砂质泥 岩等软岩。 2煤矿深部地应力场条件特殊。 煤矿深部地 层以构造应力为主,最大主应力为水平应力,最大主 应力可达竖向应力的 2． 5 倍以上,且具有极强的方向 性。 这与 TBM 施工的地铁、市政工程隧道主要受覆 层的自重应力影响的地应力场条件有较大不同。 3掘进扰动特性不同。 之前煤矿深部硬岩巷 道多采用钻爆法施工,掘进对围岩的扰动是爆破荷载 和动态卸荷共同作用的结果,而全断面掘进机掘进 时,围岩应力路径为循环准静态加卸荷。 因此,全断面掘进机施工煤矿深井硬岩巷道,其 围岩稳定性分析的关键在于获得煤系地层硬岩在深 部构造应力场和准静态循环加卸荷条件下的岩石本 构模型和强度准则。 由施工现场取得岩样,开展煤矿 深部地层硬岩准静态循环加卸荷试验,获得全断面掘 进机施工硬岩巷道围岩本构关系与强度准则,作为巷 道围岩稳定性与支护设计的基础。 2． 1 准静态卸荷岩石损伤本构模型与强度准则 基于岩石损伤力学理论,推导准静态卸荷条件下 考虑各向异性损伤的岩石损伤本构模型,并由 TBM 掘进巷道施工现场取样,获取巷道围岩试件,开展不 同围岩条件下,模拟 TBM 掘进应力路径的岩石循环 7133 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 加卸荷试验。 基于试验结果,验证岩石损伤本构模 型、拟合岩石非线性包络线并得出岩石强度准则。 在 随后的巷道围岩稳定性数值分析中,引入所得岩石损 伤本构模型和强度准则,以提高数值计算的准确性。 2． 1． 1 本构模型 基于岩石损伤力学理论,考虑岩石在最大、小主 应力方向损伤的各向异性,推导得出其静态卸荷岩石 损伤本构模型为 σ C ～ε I - DCε D QD1 RRQRTRTD2 Q 1 - γΓ γI 式中,σ 为岩石应力张量;C ～为岩石刚度张量;ε 为岩 石应变张量;I 为单位张量;D 为岩石损伤张量;C 为 无损岩石材料刚度张量;Q 为损伤扩展率各向异性张 量;D1为最大主应力方向损伤张量;R 为旋转张量; RT为转置张量;D2为最小主应力方向损伤张量;γ 为 岩石各向异性系数;Γ为岩石各项异性张量。 2． 1． 2 强度准则 由 TBM 掘进巷道取得石英砂岩样本,加工为 ϕ50 mm100 mm 圆柱形标准试件,使用 MTS-816 型 电液压伺服刚性试验机,试验选取 15,20,25,30 MPa 四种围压,轴向力按 0． 01 kN/ s 的速率加载至预定值 后,保持围压不变,降低轴压至岩石试件破坏,如第 1 轮卸荷试件未破坏,则提高轴压等级再次卸荷围压直 至试件破坏,记录岩石试件应力-应变曲线[13]。 图 7 为根据三轴循环加卸荷试验拟合的不同线 型的强度包络线,以强度包络线的相关系数为依据, 拟合优选出幂函数型岩石强度准则 τ 6． 946σ0． 77 23． 72 图 7 各线型 Mohr 强度包络线对比 Fig． 7 Contrast of multi-type Mohr strength envelopes 2． 2 巷道围岩稳定性与支护数值分析 2． 2． 1 计算模型 以张集矿 1413A 工作面高抽巷设计方案为工程 背景,将三轴循环加卸载试验得到的静态卸荷岩石损 伤本构模型与强度准则引入 FLAC3D数值计算软件 中,数值分析全断面掘进机掘进巷道稳定性,优选支 护方案。 该高抽巷位于张集矿西二 A 组煤采区 1 煤顶 板。 巷道长度 1 594 m, 巷 道 断 面 为 圆 形, 直 径 4． 53 m,方位角 32,坡度为 0． 2,巷道围岩岩性为 砂岩[12-13]。 如图 8 所示,模型宽度垂直于巷道轴向60 m, 高度垂直方向取 60 m,长度沿巷道掘进方向取 120 m。 巷道位于模型中心,直径 4． 53 m。 计算模型 共有单元 40 000 个,节点 41 041 个。 图 8 数值计算模型 Fig． 8 Numerical simulation model 2． 2． 2 计算参数 1围岩力学参数。 现场围岩取芯测得的围岩 力学参数见表 2。 表 2 围岩力学参数 Table 2 Typical rock property 密度/ kgm -3 弹性模 量/ GPa 体积模 量/ GPa 剪切模 量/ GPa 泊松 比 黏聚力/ MPa 内摩擦 角/ 2 500452518． 750． 209． 045 2锚杆参数。 支护采用 ϕ20 mm2 000 mm 高 强螺纹钢锚杆,钢筋标号 Q345,其技术参数见表 3。 表 3 锚杆参数 Table 3 Rockbolt mechanic property 直径/ mm 长度/ mm 弹性模 量/ GPa 抗拉强 度/ MPa 泊松 比 锚固剂刚度/ kNm -1 锚固剂内摩 擦角/ 202 0002063450． 301 00054 3地应力场参数。 根据施工现场实测地应力 数据,在模型上表面z 轴方向施加荷载 14． 3 MPa, 左右表面x 轴方向施加 23． 91 MPa 荷载,前后表 面y 轴方向施加 12． 71 MPa 荷载[14-16]。 8133 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 第 9 期程 桦等深井巷道全断面硬岩掘进机及其快速施工关键技术 4支护工况。 全断面掘进机掘进工况分掘 进、支 护、 排 矸 3 个 阶 段, 每 个 掘 进 循 环 步 进 1． 5 m。 3 种支护工况分别为工况 1,开挖后不支护;工 况 2,开挖后仅支护巷道顶板,每排 6 根锚杆;工况 3, 支护顶板和巷帮,每排 10 根锚杆。 锚杆规格 ϕ20 mm2 000 mm,间距为 1 m1 m。 支护方式如图 9 所示。 图 9 支护工况示意 Fig． 9 Roadway supporting patterns 2． 2． 3 数值计算结果与分析 1位移分析。 如图 10 所示,3 种工况下,巷道 顶板围岩竖向位移分别为 4． 0,2． 2 和 2． 1 mm;巷道 底板围岩竖向位移分别为 2． 29,2． 30 和 2． 50 mm;巷 道帮部围岩水平方向位移分别为 7． 63,7． 20 和 2． 01 mm。 工况 2,3 条件下巷道顶底板和帮部的收 敛值均较小。 相比工况 2,工况 3 在增加帮部支护的 情况下,巷道变形的减小幅度不明显。 图 10 巷道围岩位移 Fig． 10 Displacements of roadway surrounding rocks 2应力分析。 由图 11 可得,巷道顶底板出现 水平挤压应力集中,3 种工况下顶板水平应力分别为 41． 33,41． 35 和 40． 55 MPa;底板顶板水平应力分别 为 41． 67,44． 30 和 41． 47 MPa。 巷道两帮出现了竖 向挤压应力集中,3 种工况下巷道帮部围岩最大竖向 应力分别为 20． 9,22． 3 和 24． 4 MPa。 3 种工况下,围 岩开挖并施加锚杆后,应力集中程度降低不明显,表 明围岩的自承能力较好。 由图 12 可以看出,3 种工况下,巷道围岩塑性区 图 11 巷道围岩应力分布 Fig． 11 Stress distribution of roadway surrounding rocks 图 12 巷道围岩塑性区分布 Fig． 12 Roadway surrounding rocks plastic zone distribution 分布有很大不同。 工况 1 中塑性区均匀分布在巷道 周边围岩处。 工况 2 相比工况 1 塑性区范围大幅减 小,尤其是顶板处的塑性区范围减小较为明显。 工况 3 中塑性区范围最小,仅存在于底板与帮部的局部区 域。 综合考虑巷道掘进后围岩应力、位移分布特性、 巷道支护安全性和掘进效率,最终优选工况 2,即顶 板施工 6 根锚杆的支护方案。 9133 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 3 煤矿硬岩全断面掘进机施工关键技术 3． 1 全断面掘进机井下运输与组装 在全断面掘进机掘进前,需将设备主要部件由地 面运至井下组装硐室组装完毕后始发。 如图 13 所 示,全断面掘进机井下运输路线分为 3 部分① 从地 面将设备部件由副井罐笼运至井底车场;② 使用有 轨矿车将各部件由井底车场运至采区车场;③ 单轨 吊车将各部件由采区车场经采区系统巷道运至采区 内的全断面掘进机组装/ 始发硐室。 图 13 全断面掘进机井下运输路线 Fig． 13 Underground transporting route of TBM 在采用罐笼运输全断面掘进机部件时,须确保各 部件尺寸和质量不超过罐笼的最大运输能力。 在井 下水平运输大巷中采用运输能力较大的有轨矿车,保 证运输效率。 而采区内斜巷众多,如采用斜井绞车运 输,掘进机部件在采区内需进行多次的绞车转载。 采 区斜巷内采用单轨吊车,可实现连续运输,从而大幅 提高运输效率。 在全断面掘进机组装硐室顶板处设置起吊滑轮, 单轨吊车首先将全断面掘进机部件运至组装硐室,而 后采用起吊滑轮进行组装。 全断面掘进机组装和部 件运输安装从前到后的顺序依次进行,先运输、组装 全断面掘进机前部的刀盘、电机等部件,最后组装全 断面掘进机尾部后配套系统,防止全断面掘进机运输 与组装工序相互干扰。 3． 2 始发与掘进 全断面掘进机组装完毕后,需步进至巷道内始 发。 拆装硐室空间有限,难以安装始发反力架。 因此 在底板设置步进孔,步进油缸牛腿插入步进孔内固定 后,顶推设备实现始发图 14。 该工艺省去了反力 架的安装拆除工作,且占用空间少。 掘进时,煤矿全断面硬岩掘进机的撑紧油缸撑紧 巷道两帮,推进油缸推动主驱动和刀盘,主驱动驱动 刀盘旋转破岩,掘进步距 1． 5 m。 图 14 煤矿全断面掘进机始发装置 Fig． 14 Launching system of coal mine TBM 基于前期可钻性研究和现场试验,根据掘进巷道 围岩特性,优化选取掘进参数见表 4。 表 4 深井煤矿全断面硬岩掘进机掘进参数 Table 4 Excavation parameters of deep coal mine TBM 岩性围岩分级刀盘转速/ rmin -1 推力/ kN 细砂岩/ 石灰岩I II10． 67 000 8 000 砂质泥岩III IV8． 56 000 断层、破碎地层V5． 54 000 5 000 注围岩分级参照工程岩体分级标准GBT502182014。 3． 3 巷道支护施工 考虑立井开拓的深部煤矿井筒、巷道空间尺寸较 小,且深井煤矿中大量岩巷为瓦斯治理巷道和采区系 统巷道,属临时或半永久巷道,为降低支护成本、提高 支护效率,全断面掘进机掘进巷道采用锚杆支护,并 根据情况辅以钢筋网片或喷射混凝土进行支护。 施 工前根据计算结果制定支护方案,施工中根据地质条 件调整支护参数。 在全断面掘进机掘进过程中同步实施锚杆打孔 施工。 如图 15 所示,掘进机主梁上的 2 台锚杆机分 别负责左、右帮部和顶板锚杆施工,可同时施工锚杆 孔,彼此独立、互不干扰。 完成锚杆孔施工后,依 次挂网安装锚杆。 锚杆机可沿环形轨道滑动,同 时可绕锚杆机座旋转,锚杆安装角控制在 75以上, 符合煤矿安全规程和施工措施的要求。 如锚杆钻机 无法实现设计的锚杆安装角度,在主梁两侧设有可折 叠锚杆机操作平台及配套风水管路接口,可根据现场 需要增设锚杆钻机,以增加锚杆安装的灵活性。 另于 1 号拖车上安设一台锚杆机,主要用于安装单轨吊轨 道。 3． 4 TBM 排矸与材料运输 全断面掘进机采用安装在设备底部的带式输送 机排矸。 滚刀破碎的矸石随着刀盘的转动,由刀盘铲 0233 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 第 9 期程 桦等深井巷道全断面硬岩掘进机及其快速施工关键技术 图 15 煤矿全断面掘进机锚杆机布置 Fig． 15 Bolter configuration of coal mine TBM 斗铲起,经溜渣槽倾倒至排矸带式输送机上。 矸石经 采区带式输送机、矿井主运带式输送机进入矸石仓, 最终经矸石井由箕斗或经副井由矿车运至地面。 由 于全断面掘进机掘进速度快,单位时间内排矸量大, 因此在施工前应确保矿井的排矸能力与全断面掘进 机的掘进效率相匹配。 全断面掘进机掘进中所需的耗材和支护材料,则 通过布设在巷道顶部的单轨吊车进行运输。 在全断 面掘进机最后一节拖车上设置接料平台,由单轨吊车 运来的各类材料可直接卸载在接料平台上。 单轨吊 车、接料平台和排矸带式输送机分别设置在巷道的顶 部、中部和底部,以避免施工中相互干扰。 3． 5 全断面掘进机井下拆解与转运 在与全断面掘进机掘进巷道相贯通的接收巷道 处修建拆卸硐室。 全断面掘进机掘进贯通后,全断面 掘进机前方较大、较重部件,如刀盘、撑靴、电机等由 拆卸硐室顶部安装的起吊滑轮吊运至有轨矿车上,后 方后配套系统则由全断面掘进机巷道内的单轨吊车 吊运拆卸。 拆解后的全断面掘进机部件从巷道两侧 分别由有轨矿车和单轨吊运至下一个全断面掘进机 掘进巷道的组装硐室,重复设备组装和始发工作。 4 工程应用 4． 1 工程概况 全断面掘进机首次掘进试验地点选在张集煤矿 西二采区 1413A 高抽巷。 该高抽巷位于张集煤矿西 二采区 1413A 采煤工作面顶板。 巷道长度 1 594 m, 巷道直径 4． 53 m,巷道埋深-500 m。 最大主应力方 位角为 130． 2,最大、最小水平应力和竖向应力分别 为 14． 3,13． 2 和 21． 6 MPa。 巷道围岩主要为粉细砂 岩、中砂岩,抗压强度 25． 67 134． 00 MPa,弹性模量 23． 81 44． 88 GPa,泊松比0． 111 0． 360。 部分地层 裂隙发育,并伴有泥岩夹层。 全断面掘进机掘进巷道 布置如图 16 所示。 图 16 全断面掘进机掘进巷道布置 Fig． 16 Layout of TBM-excavated roadway 1233 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 4． 2 快速掘进与支护 巷道采用全断面掘进机施工,单轨吊车进行人 员、材料运输,带式输送机排矸,由安装在全断面掘进 机主梁上的两台锚杆机安装锚杆,掘进、排矸、支护同 步进行。 全断面掘进机及配套设备与巷道中布设的 电缆、供水、压风管路连接。 利用检修班完成设备维 护、检修和供水、供电、压风管路、单轨吊轨道、风筒和 带式输送机的接续工作。 根据本文全断面掘进机掘进巷道围岩稳定性与 支护中的计算结果,综合考虑巷道施工安全性、支护 效果和掘进效率,最终采用顶板支护的方案。 即在顶 板安装 6 根 ϕ20 mm2 000 mm 树脂锚杆,间排距 1 m1 m。 局部破碎地层根据现场情况补打锚杆或 锚索以增加支护强度[17-18]。 该巷道采用研发的 QJYC045M 型煤矿全断面硬 岩掘进机施工,取得了掘进机平均月进尺 404 m,最 高月进尺 560 m 的国内煤矿深井岩石巷道月进尺最 高记录。 4． 3 现场监测 采用激光测距仪监测巷道围岩收敛变形。 沿巷 道轴线共布置 10 个观测断面,由于巷道底板布设排 矸带式输送机,因此,每个测站仅在巷道上部和帮部 布置 5 个测点图 17,图 17 中,1 5 为收敛变形测 点,① ④为锚杆受力测点。 图 18