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第 45 卷第 6 期煤炭学报Vol. 45 No. 6 2020 年6 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJun. 2020 扫码关注 王杜娟,贺飞,王勇,等. 煤矿岩巷全断面掘进机TBM及智能化关键技术[J]. 煤炭学报,2020,4562031- 2044. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. ZN20. 0206 WANG Dujuan,HE Fei,WANG Yong,et al. Tunnel boring machine TBM in coal mine and its intelligent key tech- nology[J]. Journal of China Coal Society,2020,4562031-2044. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. ZN20. 0206 煤矿岩巷全断面掘进机TBM及智能化关键技术 王杜娟1,贺 飞1,2,王 勇1,荆留杰1,赵先发1 1. 中铁工程装备集团有限公司,河南 郑州 450000; 2. 中南大学 机电工程学院,湖南 长沙 410083 摘 要岩巷掘进技术和装备的发展直接关系到煤矿生产的能力和安全。 随着综合机械化采煤技 术的迅速发展,回采工作面推进速度越来越快,对巷道掘进速度的要求越来越高。 煤矿岩巷掘进技 术,经历了钻爆法、综掘法,现在已经发展到第 3 个阶段 TBM 工法。 传统的钻爆法、综掘法受技术 和施工工艺限制,越来越无法满足各重大工程对施工效率、安全性、社会效益、经济收益等提出的更 高要求,难以满足煤矿采掘平衡发展。 TBM 实现高效破岩、连续出渣、快速支护,通风除尘、供排水 同步作业。 分析了近几年国内煤矿 TBM 施工案例,提出矿用 TBM 开发关键技术,TBM 针对煤矿井 下特殊工程地质条件设计,实现掘锚运同步、及时支护,提高对坡度、围岩适应性,小半径转弯能力, 融合千米定向钻机技术,做到逢掘必探,设备、施工规范和组织管理有机融合;提出工序衔接关键在 于“探得远,掘得快,支得住,运得出”。 分析煤矿巷道特点,提出设备系列化、模块化设计规划,关 键部件国产化发展方向。 依托大数据分析和云计算平台,按照“以感知为基础,以信息融合为中 心,以智能掘进为目标”的原则,规划 TBM 智能掘进技术体系;开发掘进智能控制软件 TBM- Smart,系统架构划分为数据采集层、数据分析层、实时决策层,包括七大功能模块。 分析煤矿行业 面临的瓶颈和未来发展,提出矿用 TBM 向“机械化换人、自动化减人、智能化解放人”方向发展。 关键词煤矿岩巷掘进;全断面硬岩掘进机;掘锚运同步;技术融合;智能化掘进 中图分类号TD263 文献标志码A 文章编号0253-9993202006-2031-14 收稿日期2020-02-15 修回日期2020-05-18 责任编辑常 琛 作者简介王杜娟1978,女,陕西扶风人,教授级高级工程师。 E-mailwangdujuan crectbm． com 通讯作者王 勇1982,男,河南南召人,工程师。 E-mailwangyong crectbm． com Tunnel boring machine TBM in coal mine and its intelligent key technology WANG Dujuan1,HE Fei1,2,WANG Yong1,JING Liujie1,ZHAO Xianfa1 1. China Railway Engineering Equipment Croup Co. ,Ltd. ,Zhengzhou 450000,China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China AbstractThe development of rock tunneling technology and equipment is directly related to the ability and safety of coal mine production. With the rapid development of comprehensive mechanized coal mining technology,the advance- ment speed of the mining face is getting faster,and the requirements for the speed of roadway drivage are getting high- er. The boring technology in coal mine roadway drivage has experienced the drilling and blasting and the com- prehensive excavation ,and has now developed to the third stage of the TBM . Traditional drilling and blasting s and comprehensive excavation s are restricted by technologies and construction techniques, and they are increasingly unable to meet the higher requirements of major projects for construction efficiency,safety, social benefits,economic benefits,etc. It is difficult to meet the balanced development of coal mining and roadway driv- age. The full face hard rock tunnel boring machine TBM achieves efficient rock breaking,continuous slagging,rapid 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 support,ventilation,dust removal,and water supply and drainage synchronization. This paper analyzes the construction cases of domestic coal mines in recent years,and proposes some key technologies for the development of mining TBM. The TBM is designed for the special engineering geological conditions in coal mining,realizes the synchronization of excavation,anchor and transportation,and timely support,improves the adaptability to slope,surrounding rock,and small radius turning ability,integrates the directional rig technology of thousands of meters,and is necessary for explo- ration,and integrates the equipment,construction specifications and organization management organically. It is pro- posed that the key of process connection lies in “long distance exploration,fast drivage,robust support and efficient transportation”. Also,the paper analyzes the characteristics of coal mine roadways,and puts forward the development direction of equipment serialization,modular design planning,and localization of key components. Relying on the big data analysis and cloud computing plat,in accordance with the principle of “based on perception,ination fu- sion as the center,and intelligent tunneling as the goal”,the TBM intelligent tunneling technology system is planned. TBM-Smart,the intelligent control software for tunneling,has been developed. The system architecture is divided into data acquisition layer,data analysis layer,and real-time decision-making layer,including seven functional modules. In addition,the paper analyzes the bottleneck and future development faced by the coal mining industry,and proposes the development of mining TBM in the direction of “mechanical substitution,automatic reduction of personnel,and intelli- gent excavation”. New equipment and new construction s can improve the efficiency and safety of rock roadway boring,and are of great significance for ensuring the normal development of coal mining and roadway drivage,ing a production system for the mining area as soon as possible,and ensuring stable and high production in the mine. Key wordscoal mining rock tunnel boring; full face hard rock tunnel boring machine;excavation,anchoring and transport synchronization;technology fusion;intelligent tunneling 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国,占全球 煤炭产量的 45 50。 在未来相当长的时间内, 煤炭仍然是我国主体能源,预测到 2030 年仍占 50 以上[1]。 改革开放40 余年我国煤炭工业实现了历史 性的跨越,煤炭生产方式正在由粗放向集约高效现代 化方向转变。 国有重点大型煤炭企业采煤机械化程 度由 1978 年的 32． 34提高到 2018 年的 96． 1,煤 巷掘进机械化程度由 14． 5 提高到 54． 1 [2];随着 综合机械化采煤技术的迅速发展,回采速度加快,采 掘接替关系愈来愈紧张,对巷道的掘进速度要求相应 提高[3]。 在矿井建设方面,特别是岩巷施工技术和 装备的发展缓慢,大断面岩巷平均月进尺 50 80 m。 长期以来,煤矿企业注意力集中在工作面开采环节, 不重视岩巷掘进环节,导致岩巷掘进技术水平落后于 采煤技术[4],岩巷掘进机械化程度发展缓慢,难以实 现采掘平衡发展,直接关系到煤矿高效集约化生产, 制约煤矿的科学发展。 长期以来,岩巷掘进主要以钻爆法施工为主,优 点是地质适应性好,对围岩均质性质无要求,比较简 单、经济的一种方法,缺点是炮眼利用率低,超挖量 大,巷道成形质量差,作业环境恶劣,工序多且配套装 备机械化程度低,工序衔接时间长,施工效率低,安全 性差,单循环进尺低,平均月进尺在 40 120 m,掘进 效率低,限制了煤矿的安全生产和采掘接替工作[5], 只能被动增加掘进工作面数和井下人员数量。 钻爆 法适用于巷道短,地质条件较复杂的工程。 掘进技术 发展到第 2 阶段,以悬臂掘进机为代表的综掘法,国 内起步于 20 世纪 70 年代初,比世界各主要产煤国晚 15 20 a,主要用于煤巷和半煤岩巷道[3],岩石单轴 抗压强度达到 70 MPa 以上,破岩能耗高,截齿损耗 严重,是截齿的经济截割硬度极限。 综掘法与钻爆法 相比,减少了部分工序和工序衔接时间,仍面临以下 几个问题掘进和支护不能同步,掘支交叉作业互相 影响,巷道开挖面不能实现及时支护,塌方、冒顶、片 帮等安全隐患大;硬岩掘进效率低,工法适用范围有 限;除尘和通风条件差,工作环境恶劣,职业健康危害 大,其综合月进尺平均在 60 200 m。 掘进技术发展 到第 3 阶段全断面掘进机以下简称 TBM,较好地 解决了综掘机破岩能力不足、硬岩掘进效率低,以及 钻爆法危险性高、劳动强度大等问题[5]。 TBM 为集机械、电子、液压、激光导向、传感技术 于一体的工厂化施工装备,实现了高效破岩、连续出 渣、快速支护、通风除尘、供排水多道工序同步作业, 具有高效、安全、环保、优质、综合效益高等优点[6]。 矿用 TBM 工法先进,技术成熟,配套完善,主要体现 在以下几个方面。 1快速破岩、排矸、支护同步作业,排水、通 风、物料运输统筹协作,变交叉作业为平行作业,工厂 2302 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 6 期王杜娟等煤矿岩巷全断面掘进机TBM及智能化关键技术 化施工; 2优质导向精度高,超挖量少,围岩扰动小, 成洞质量高; 3高效施工速度快,缩短工期,节省人员;自 动化运输物料,减少作业人员,降低劳动强度; 4安全及时支护,逢掘必探,少人化作业,避 免爆破施工,事故大大减少; 5节能滚刀寿命长,刀具更换频率低;洞壁光 滑,有效降低风阻,减少支护材料消耗; 6环保除尘效果良好,作业环境优良;减少环 境污染,保护生态环境。 TBM 已在国内外煤矿主副斜井、运输巷和瓦斯 抽放巷施工,通过结构优化,整机长度从常规的 300 m 左右,压缩到 60 m 左右,还有继续优化缩短的 空间;采用锚网喷支护代替了管片支护。 根据国内外 使用情况统计分析,采用 TBM 掘进速度可达到钻爆 法的3 10 倍,为综掘法的2 8 倍[7];秦晓光等[8]通 过调查 TBM 在我国煤矿中的应用情况,减少人员投 入,掘进速度提升 4 5 倍,体现了技术优势和工法的 先进性。 1 TBM 在煤矿岩巷掘进的应用 1． 1 国内应用情况 近 5 a 来,国内先后有 11 座矿井使用 TBM,使用 情况大致分为以下 4 种情况 1围岩、矿山压力、TBM 设计 3 个方面结合较 好的矿井,工效提高明显,月进尺 400 600 m,对比 传统工法,工效提高了 4 6 倍; 2部分矿井岩石硬度较低、易风化,围岩完整 性差;例如山东某矿采用 TBM 施工,月进尺仅 200 m 左右,与综掘机工效相当; 3部分矿井 TBM 结构设计存在缺陷,施工存 在安全隐患,无法满足煤矿安全生产需要; 4围岩、矿山压力及 TBM 设计均结合较好,但 矿井后配套系统制约 TBM 施工进度,月进度仅维持 在 300 m 左右。 矿用 TBM 主要为敞开式和护盾式,在围岩坚硬、 稳定性好的情况下,均可以实现快速掘进。 从及时支 护、减小空顶距方面考虑,凯式结构和主梁式结构比 护盾式更能适应破碎围岩,凯式结构重心靠后,接地 比压更小,能够实现长距离连续扩挖,减小卡机风险, 辅助工法作业空间大;敞开式结构目前难以实现小半 径转弯。 护盾式结构主机长,大埋深地层容易卡盾, 通过改进结构可以实现小半径转弯,能够适应煤矿巷 道转弯要求。 矿用 TBM 需要在现有结构形式基础上 改进创新,以满足煤矿巷道施工要求。 1． 2 TBM 掘进煤矿岩巷的优势 1高效破硬岩。 TBM 充分利用了岩石抗剪强度较低的原理,刀 具滚动不打滑,使用寿命长,提高了破岩效率,降低设 备破岩时的能耗。 H． TUNCDEMIR 等[9]在分析不同 截割工具、岩渣粗糙度指标 CI 和不同工具破岩比能 耗 SEMJ/ m3的基础上得出以上结论,如图 1 所示, 其中,n 为不同截割工具系数;k 为岩石强度。 FREN- ZEL 等[10]根据大量岩体磨耗性试验发现,围岩地质 特性和 TBM 掘进参数是影响滚刀磨损的关键因素。 其中,V 型滚刀为楔形截面滚刀,CCS 型滚刀为常截 面滚刀。 图 1 各种采矿开采技术对能源单位的形成 Fig． 1 Relationship between specific energy and n value 2对巷道影响小。 滚刀破岩超挖量小,降低对围岩破坏,巷道完整性 好,矿压显现不明显,优化巷道内支护密度,节省支护成 本。 钱鸣高等[11]分析 λ 变化时0≤λ≤1的应力分布 图,得出圆形巷道两侧切向应力集中系数处于 2 3,应 力集中系数明显小于矩形断面巷道,如图2 所示。 图 2 圆形孔应力集中系数曲线 Fig． 2 Stress concentration coefficient curve of circular hole 圆形断面巷道稳定性最好,机械开挖施工难度最 低,尤其适用于埋深大、矿压大的工况;圆形巷道加上 3302 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 锚杆支护,可以大大降低围岩应力集中。 3掘进与支护平行作业。 传统炮掘工艺完成一个循环需要 6 道工序,悬臂 综掘工艺需要 2 道工序,TBM 将多道工序集成在一 台设备上,实现掘支运一体化,简化掘进工序,提高掘 进工效。 4高效喷水灭尘、抽风除尘。 配置高效除尘系统,改善现场作业环境,工作环 境比传统炮掘及综掘工艺大有改观,减少粉尘等职业 危害。 5各项先进技术高度集成。 可实现千米钻机、三维物探、高效除尘、快速支 护、远程控制、带式输送机自动张紧等各项技术的有 效集成,是最有望实现掘进自动化、智能化的先进装 备。 2 矿用 TBM 关键技术 矿用 TBM 岩巷工程,主要是轨道运输巷,胶带运 输巷,主回风巷,瓦斯抽放巷包括底抽巷和高抽 巷。 基于巷道用途不同,TBM 施工层位、巷道截面 以及设计服务年限区别很大,直接关系到巷道支护工 艺和支护成本以及对设备的功能要求。 同时,巷道设 计又受制于矿产资源赋存条件,工程地质条件以及矿 井建设规划,这对 TBM 整机设计提出了很高的要求。 煤矿常规巷道单条长度不长,巷道带有一定坡度 且需要拐弯。 矿山 TBM 工程施工前通常缺乏详细地 质调查的条件和时间,地域差别大,地形地质复 杂[12],对井下组装、下井尺寸和质量要求苛刻。 这些 都大大增加了 TBM 设计和施工的难度。 经过几十年的发展,TBM 在铁路、公路等传统硬 岩隧道施工中得到大规模推广应用,取得良好的成 绩,但是在煤矿领域的研究和工程应用,还处于探索 阶段,针对煤矿小空间、高瓦斯、不同功用等特殊工 况,还有许多关键技术课题有待进一步研究,如图 3 所示。 图 3 矿用 TBM 研究重点 Fig． 3 Research focus of mining TBM 2． 1 工况及 TBM 地质适应性 煤矿地质环境以沉积岩为主,多为泥质胶结硅质 胶结,不同于土层结构,硬度介于次软和极硬岩石之 间[13]。 施工层位分单一地层和复合地层;单一地层, 岩性接近均质,便于施工管理;复合地层,岩性复杂, TBM 主机和后配套设计需进行改进,考虑如何过断 层破碎带,如何防止软岩大变形卡机,防控突涌水等 灾害[14-15],针对复合地层开挖,需要开发双模和多模 式 TBM,如图 4 所示。 在斜井施工中,TBM 面临揭 煤,目前缺乏相应的施工标准和规范。 可以发挥 TBM 拼装拱架和管片的优势,顺利穿越松软煤层;瓦 斯突出矿井施工,详细分析揭煤过程中遇到的极端情 况和各种影响因素,形成施工操作规范;危险作业时 人员撤出,远程操作,转入“有人巡视,无人掘进”模 式[16]。 图 4 双模多模式盾构 Fig． 4 Double mode-multi-mode shield 4302 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 6 期王杜娟等煤矿岩巷全断面掘进机TBM及智能化关键技术 针对不同埋深地层,研究不同地应力下岩石与盾 体相互作用机理,不同岩性围岩收敛变形曲线,有效 解决 TBM 卡机风险。 特殊的工况条件,要求矿用 TBM 具有良好的地质适应性,尤其是顶板和底板适 应性,空顶距要小,接地比压小,便于快速通过不良地 质段。 整机进行模块化设计,分块设计,减小部件下 井尺寸和重量,便于运输,洞内快速组装,便于设备转 场。 2． 2 巷道截面及其利用率 目前 TBM 只能进行圆形断面开挖,圆形断面应 力集中系数小,强度高,适应于埋深大,地应力高,有 冲击地压的工况场合。 巷道断面形状尺寸应根据矿 井生产能力,巷道用途及围岩物理力学性能进行确 定。 图 5 为瓦斯抽放巷,顶部运输物料,底部出渣,侧 帮通风;图 6 为贵州某矿运输大巷断面设计图,在圆 形断面的基础上,利用洞内矸石底部回填,巷道底部 运输设备和人员通道,顶部胶带机出渣。 图 5 瓦斯抽放巷示意 Fig． 5 Schematic diagram of gas drainage tunnel 针对浅埋深,压力显现不大,断面利用率要求高 的煤矿,可以在圆形断面的基础上通过机械 2 次扩 挖,改造为拱形巷道,保证顶板稳定性,断面利用率提 高 13． 7,如图 7 所示。 2． 3 矿用 TBM 标准化 煤矿的特殊性,要求矿用设备安全性能高,生产 效率高,易操作易维护。 轴承、密封、液压电气元器件 等关键零部件标准化、自主化、国产化,打破国外技术 封锁与垄断,不断提高国内企业技术与产品竞争力, 才能完全满足煤矿对设备价格、质量、交货期的综合 要求。 技术、产品、施工、组织管理标准化研究至关重要。 首先符合 TBM 国家标准,还要符合煤炭行业标准,最终 形成企业标准,指导设计研发、生产制造,检验和验收, 图 6 运输大巷示意 Fig． 6 Schematic diagram of transportation tunnel 图 7 底部 2 次扩挖 Fig． 7 Secondary expansion of bottom 设备操作。 旨在提高产品通用性增强部件互换性,施工 作业规范性,提高效率,保证施工人员安全。 矿用 TBM 标准化包含以下 4 部分工作 1产品系列化。 煤矿大型综采设备已经定型, 煤矿巷道截面设计,以满足实际需要为准则。 根据笔 者多年研究,煤矿巷道采用圆形断面,巷道直径主要 分以下 4 个系列,ϕ3 m 级,ϕ4 m 级,ϕ5 m 级,ϕ6 m 级;系列化可以减少类别,便于产品改进升级,有利于 设计、生产、采购、巷道施工,也有利于降低设备成本, 缩短制造周期。 2部件通用化。 轴承密封等关键外购件,大型 结构件,电气液压元器件,模块化设计,统一接口尺 寸,提高通用性和互换性,既提高产品可靠性,也有利 于降低库存。 3零件标准化。 制定企业标准件库,不断扩大 企标件范围。 通过标准化研究,全面提升产品性能, 有助于矿用 TBM 工法推广。 4认证标准化。 煤矿岩巷 TBM 正处于初期发 展阶段,行业标准正在制订中。 安标中心把 TBM 划 5302 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 入采掘设备序列,矿用 TBM 机械、电气、液压、流体各 系统必须符合煤矿防爆管理的要求,所有配套件必须 按照采掘工作面设备选型,相关元器件需要取得煤安 认证,整机通过煤安认证。 2． 4 支护与掘进工效匹配 TBM 快速掘进要求掘支同步。 巷道支护根据工 程地质资料,围岩类别及特征进行设计,须满足巷道 支护强度要求,科学合理计算支护材料消耗。 一般采 用锚、网、喷支护代替管片支护,支护成本大大降低。 支护作业在 TBM 一个掘进循环中完成,避免掘支失 调。 根据支护强度要求和单钻机支护效率,配置钻机 数量。 锚杆与锚索支护分开,多钻机、各工序交叉平 行作业,达到支护与掘进匹配。 详实的工程地质资 料,先进的支护设备,合理的施工工艺,科学的施工组 织管理,高素质施工队伍,是 TBM 实现高效掘进的关 键因素。 开展智能支护系统研究,基于掘进参数、盾体位 移和受力等多元信息的判识,实现精准识别、快速处 理。 2． 5 结构形式和掘进参数优化 TBM 结构形式和掘进参数设计是影响掘进效率 的关键因素。 国内外学者做了大量研究工作,程永亮 等[17]对刀盘结构形式、结构参数研究,提出 TBM 刀 盘地质适应性设计方法;刘志杰等[18]针对围岩属性 进行适应性设计,充分利用刀盘设计实例中积累的成 功经验和科学数据,综合考虑,提出刀盘主参数设计 方法;张娜等[19]建立 TBM 混合云管理平台,通过分 析 TBM 掘进过程参数随时间变化规律,建立岩机关 系模型,为科学掘进方案提供参考依据,如图 8 所示。 TBM 工作过程中振动很大,容易对围岩特别是 松动围岩造成破坏。 围岩不稳定情况下,重点研究不 同刀盘转速,贯入度,掘进速度下 TBM 振动对围岩的 影响,优化掘进参数快速通过断层破碎带。 围岩条件 良好情况下,以出料粒度值为基础,研究不同掘进参 数下,如何获得最佳粒度值,实现滚刀破岩最佳比能 耗,减少延米滚刀消耗,减少换刀时间和换刀频率;建 立刀盘刀具实时感知系统,如图 9 所示;研发换刀机 器人,实现安全、及时、快速换刀。 图 8 掘进参数优化模型 Fig． 8 Optimization model of driving parameters 图 9 刀盘刀具实时感知系统 Fig． 9 Real time perception system of cutter head and cutter 6302 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 6 期王杜娟等煤矿岩巷全断面掘进机TBM及智能化关键技术 2． 6 掘进清洁化作业 井下环境复杂,传统工法施工过程中产生大 量粉尘、有害气体、振动和噪声污染,带腐蚀性的 水雾,高温或者低温等危害,其中粉尘的危害最 大,引起职业病总人数的比例达到 90 ,严重危害 职工健康。 TBM 刀盘上配置外喷雾灭尘系统,主 机后部配置有干式或湿式除尘器,可以大大降低 工作面粉尘含量,改善工作区域作业环境;TBM 配 置排水泵及时解决巷道积水;配置有害气体检测 装置,加大进风解决有害气体问题。 下一步需要 重点研究大坡度、长距离巷道掘进面临的通风排 水问题;TBM 设备振动和噪声不大,符合煤矿安全 认证要求。 矿用 TBM 可实现风速,进风量,除尘风机抽污风 量等参数达到最佳匹配,除尘风机采用变频控制,解 决掘进距离不断增大对除尘效果的影响。 井下热源 多,高温热害对人体健康影响很大。 以人为本,推进 高温矿井职业健康管理,TBM 配置矿用制冷机组作 为未来重要研究方向。 3 TBM 快速掘进技术 矿用 TBM 要实现快速高效掘进充分体现工法先 进性,设备是基础,工况是前提,管理是关键。 在符合 煤矿安全规程的前提下,设备、施工、管理有机融合。 提高设备安全性,可靠性,符合煤矿工人安全操作习 惯。 3． 1 透明化掘进工作面的打造 安全生产是煤矿企业开展各项工作的第 1 要务。 TBM 掘进过程中,针对水和瓦斯灾害,必须做到有 疑必探,逢掘必探,先治后掘。 王存飞等[20]在分析煤 矿企业自动化智能化开采特殊要求的基础上,从智能 应用层、信息层、传输层和感知层 4 个层次上对整个 透明工作面的架构进行设计。 TBM 配置先进的不良 地质探测系统,如图 10 所示。 超前地质预报可实现 对 TBM 前方断层、破碎带、含水构造等不良地质的预 测,并为 TBM 掘进提供安全掘进建议。 该模块主要 包含不良地质超前探测、预报结果及评价、综合评价、 施工建议措施等功能。 图 10 不良地质探测系统 Fig． 10 Bad geological detection system 矿用 TBM 融合千米定向钻机技术,如图 11 所 示,在地质条件复杂,特别是煤与瓦斯突出矿井比例 较大的云贵川和淮南等地区,要求逢掘必探,物探先 行,钻探验证;TBM 用于大巷掘进,穿煤层施工,面临 揭煤问题,刀盘特殊设计,预留打钻孔;换步时,设计 特殊钢管片,辅助实现换步,防止撑靴挤压巷帮造成 片帮;定向钻机从巷帮开孔,绕行至刀盘前方煤体,进 入煤体后在煤体内实施顺层钻孔,提前进行瓦斯抽 放,卸压消突,实现智能、安全、精准掘进。 3． 2 爬坡及转弯掘进控制技术 矿用 TBM 发展趋势主机移动灵活、适应性强, 适应较大坡度,小半径转弯;出渣是制约设备快速掘 进的关键因素。 融合大倾角带式输送机出渣技术和 转弯胶带机技术,如图 12 所示,主机胶带机采用浮动 式结构,增加挡边轮和压带轮,在转弯段,避免胶带跑 偏,倾覆,减少撒料,实现转弯段连续出渣。 在长距离大坡度掘进时,需配置 2 套独立撑紧系 统,确保换步时 TBM 始终能够撑紧硐壁,防止溜车, 如图 13 所示。 主推进系统液压油缸带行程传感器,分为上下左右 4 组,通过控制不同油缸的推进行程,调整设备姿态。 3． 3 支护方式多样化 TBM 选型的重要前提条件是围岩能够自稳或者 在一定时间内自稳。 顶板被列为煤矿“五大自然灾 害”之一,煤矿巷道顶板管理是重点,关系到施工安 全和施工作业进度。 在机型选择和结构设计上,缩短 7302 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 图 11 TBM定向钻探技术 Fig． 11 TBMdirectional drilling technology 图 12 转弯胶带机 Fig． 12 Turning belt conveyor 图 13 大坡度施工 Fig． 13 Large slope construction 盾体长度或者增加临时支护装置,尽量减少空顶距, 延长顶板稳定时间,通过锚网支护,钢拱架支护,应急 喷砼支护,对新暴露围岩联合支护,防止冒顶事故发 生,做到及时支护才能安全掘进,如图 14 所示。 3． 4 出渣方式多样化 TBM 集成煤矿现有出渣设备,如可 90弯曲刮板 运输机,长距离大跨度转载机,自动张紧、可伸缩带式 输送机,机动灵活梭式矿车,小半径转弯胶轮车,轨道 图 14 联合支护效果 Fig． 14 Combined support effect 矿车出渣等等;TBM 在小半径转弯掘进时,出渣严重 制约掘进,多种出渣方式相结合,可实现 TBM 破岩, 装载,排矸连续作业,如图 15 所示。 图 15 出渣方式 Fig． 15 Slag discharging 4 TBM 智能掘进技术 TBM 掘进过程中产生的岩体力学数据、机电液 数据、滚刀消耗数据、渣片图像数据、施工耗材数据 等,蕴含着丰富的岩-机相互作用信息。 目前缺乏有 效的平台对这些多元异构数据进行标准化采集与挖 掘利用,造成大量数据资源浪费。 同时 TBM 现场施 工环境复杂多变,传统的 TBM 掘进控制依赖于现场 技术人员的施工经验,掘进参数不合理、姿态调控不 及时、支护决策不当,易造成设备异常损坏、塌方、卡 机等工程事故发生,开展 TBM 智能掘进关键技术研 究是解决上述问题的有效途径,也是 TBM 技术未来 发展的必然趋势。 谢和平等[21]从重大科学发现对能 源科技发展促进作用的视角,提出矿井建设与地下空 间一体化利用等四大煤炭革命理念,提出了煤炭革命 3． 0,4． 0,5． 0 三个发展阶段构想。 矿用 TBM 利用大 数据、云计算平台和智能掘进系统TBM-Smart,减 人提效,逐步实现机械化换人、自动化减人、智能化掘 进,最终目标实现无人化、自主掘进 8302 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 6 期王杜娟等煤矿岩巷全断面掘进机TBM及智能化关键技术 4． 1 TBM 智能掘进技术体系 TBM 智能掘进技术研究应按照“以感知为基础, 以信息融合为中心,以智能掘进为目标”的原则进行 设计建设,解决 TBM 掘进缺感知、缺数据、缺决策的 问题。 TBM 智能掘进总体研究体系,如图 16 所示, 基于一套数据标准体系、一系列感知终端、建设一条 数据传输通道、开发一个 TBM 云服务平台,面向项目 各参与方实现按需服务。 图 16 TBM 智能化研究体系 Fig． 16 TBM intelligent research system TBM 智能化整体研究体系可分为边缘感知层、 数据传输层、信息融合层以及决策应用层 1边缘感知层用于提高设备对巷道掘进工作 面前方不良地质信息探测与预警能力,加强设备自身 运行状态感知能力,获取更多源的结构化和非结构化 信息; 2数据传输层汇总不同类型数据,传输至平台 层并进行分类存储,保证各类数据实时性与完整性, 用于后期数据挖掘与分析; 3平台融合层用于将所获取多源信息进行深 度挖掘和融合,用于开展大数据分析、知识库和规则 库的建立; 4决策应用层根据开发的专家知识库、虚拟掘 进实验平台、掘进参数预估模型、智能导向模型等给 予 TBM 智能辅助驾驶建议。