中南大学机电工程学院 湖南省长沙市 410006
摘要：随着煤炭开采技术的进步，采掘设备重型化、大型化已成为现代化大型矿井的发展趋势，全断面隧道掘进机也逐渐成为矿山领域巷道施工的重要手段。但掘进机施工煤矿巷道带来的掘进、出渣、支护及不良地层处理问题，需要在未来施工中逐一解决。本文着重介绍国内已有的掘进机施工煤矿巷道经验，旨在为后续设备制造和施工提供参考。
1. 玛纳斯涝坝湾煤矿副平硐工程
1.1 地质情况
本工程为由神华新疆能源有限责任公司所开发的玛纳斯涝坝湾煤矿副平硐工程，是国内首次将大型复合式岩石掘进机用于煤矿巷道的工程。工程地点位于新疆维吾尔族自治区乌鲁木齐以西100km处玛纳斯县境内，地处玛纳斯县南部距县城55km塔西河乡涝坝湾内塔西河南侧。
本工程主要内容为副平硐及石门施工：副平硐南北走向，设计长度5318m，石门设计长度900m，总长6218m。本工程6.2公里隧道共有4个地质探孔。沿隧道前进方向分别是G2011-4、G2011-3、G2011-2、G2011-1。
图5.1 新疆玛纳斯涝坝湾副平硐地理位置
图5.2 新疆玛纳斯涝坝湾副平硐岩层照片
1.2 工程特点及设备简介
本工程的特点及难点如下：
6.2km独头掘进，最大埋深320m；
主要为泥质粉砂岩、砂砾岩岩体，抗压强度6～54MPa，局部存在富水层、破碎带等不良地质；
穿越涝坝湾湖，湖面标高1823m，局部穿越煤层；
首次采用具有“安全、快速、环保”优势的全断面掘进机（复合式盾构机）施工煤矿平硐；
地处偏僻，物资运输难度大；冬季洞外始发。
本工程采用铁建重工ZTE6420复合式盾构机。可以根据地层的不同特性分别采用不同的掘进模式进行开挖：在不稳定的地层中开挖时掘进机可以采用土压平衡模式掘进；在稳定性比较好的地层中可以采用敞开式掘进；根据实际地层的不同还可以采用半敞开式掘进；三种掘进模式可以灵活转换。
2012年9月8日始发，2015年1月20贯通，累计掘进5855m，中途因其他不可控因素停机约4个月。最高日进尺21m，最高周进尺50.5m，最高月进尺300，平均月进尺243m。2015年3月至5月完成洞内拆解。
1.3 工程施工总结
本工程采用普通复合式土压平衡盾构机，掘进过程中存在一下几个问题。
图5.3 铁建重工复合式盾构机
1.3.1 裂隙水
掘进过程中发现掌子面及土仓出现大量裂隙水。
图5.4 掌子面与土舱裂隙涌水
1.3.2 砂砾岩
2013年3月下旬开始遭遇砂砾岩，对刀具伤害较大，非正常磨损现象严重。
图5.5 掌子面砂砾岩 图5.6 非正常损坏刀具
1.3.3 设备震动
盾构机在遭遇砂砾岩后设备震动明显加强，对测量系统观测点影响较大，同时由于设备的震动导致刀具轨迹不均匀降低了刀具使用的寿命。
由于本盾构机开挖直径为6460mm，盾构机外径为6420mm，盾体与洞壁的间隙为10～20mm。上部有两个稳定器（油顶撑靴），但是使用时会导致推进阻力较大，并且有导致掘进机轴线难以控制的可能。因此建议稳定器设置在对称设置在掘进机两侧，并可以在撑住岩壁的情况下与掘进机相对运动。
1.3.4 掘进速度较慢
由于刀具损耗速度过快，为保护刀具，刀盘转速设定为2.4rpm，并降低刀盘的贯入度，掘进速度仅为10mm/min左右，刀盘扭矩为1000kNm（为设计的30%）左右，总推力为7000～8500kN（为最大推力的20%）。由于17”滚刀最大承载为250kN，不能通过提高推力来提高掘进速度，仅能提高转速提高掘进速度。
1.3.5 泥岩中掘进
新疆涝坝湾副平硐巷道工程地质多为泥质粉砂岩，掘进过程中经常发生糊刀、刀盘结饼现象。针对泥质砂岩的特性，根据地质特点，选择合理的土体改良方法，同时做到定期清洗刀盘，有效的减少或者杜绝了糊刀、结饼现象。
图5.7 刀盘泥饼清理前后对比
1.3.6 螺旋机磨损和堵塞
由于泥质砂岩的特点，出渣经常导致螺旋机堵塞。针对这种情况，在项目部和铁建重工的协调配合下，对螺旋机进行了尾部改造，同时对掘进参数及土体改良参数进行优化，有效的降低了螺旋机堵塞的频率。
1.3.7 姿态控制
盾构机在硬岩地层掘进易发生盾构机栽头现象。
1.3.8 管片出盾尾后容易沉降错台
本工程为硬岩隧道，管片拖出盾尾后，同步水泥浆液凝固之前，由于自重很容易发生管片下沉和错台，最大可达40mm。建议盾尾加装真圆保持器，或则同步注浆系统改装成适合注豆粒石的注浆系统，以保证管片真圆度，提高衬砌质量。
1.3.9 换刀
由于盾构机刀盘不能后退，硬岩地层刀具磨损严重，换刀时需要在掌子面开洞，影响施工进度。建议增加刀盘后退功能，提高换刀效率。
1.3.10 设备防爆
煤矿建设项目对安全要求十分严格，目前大多数盾构机或TBM都不具备防爆功能，不能完全符合煤矿建设需求。建议增加防爆设计理念，或者针对设备特点制定防爆措施。
1.3.11 冬季施工
新疆冬季最低气温达-30℃，洞内影响较小。但是对于壁后同步注浆影响较大，洞外浆液的拌制运输经常由于低温冻结原因导致浆液无法运输至洞内。因此建议后配套系统中增加一套浆液拌制系统以实现浆液的洞内拌制。
1.3.12 长距离隧道刀盘、主轴承的维护保养
本工程全长6.2km，且为独头隧道。盾构机核心部件，如刀盘、主轴承等，连续使用过程中，如果由于保养维护不善，导致的故障将严重的影响施工进度，且更换维修耗时长、费用高、难度大。因此建议提供针对设备自身性能特点与结合施工现场工况编制可行的主要部件的维护保养方案或措施。
2. 内蒙古神华集团补连塔煤矿斜井工程
2.1 工程概况
补连塔煤矿位于内蒙古伊金霍洛旗境内，本工程为补连塔煤矿增设的物料运输巷道斜井工程。斜井总长度均为2868m，其中明挖段长度为110m、盾构段长度为2758m，坡度5度下坡，最大埋深220m，井筒净直径为6.6m。井筒每1000m设置一处宽50m的无轨胶轮车停车平台，为在12煤层处设置一井筒与12煤层的联络巷道。根据地层剖面，其中穿越表土层长度约110m，白垩系志丹群长度约460m，侏罗系安定组、直罗组约1150m，侏罗系延安组约1148m。
图5.8 掌子面岩石
2.2 工程特点及设备简介
该工程主要的施工难点：
泥质砂岩容易造成TBM糊刀盘；
大坡度下坡掘进对设备的特殊要求，包括开挖、出碴、排水、设备布置等；
高进尺（500m/月）和物料运输效率的矛盾；
可能遇到的有害气体对设备的安全要求。
针对工程的特点，采用铁建重工生产的ZTT7640斜井单护盾TBM。设备采用主动铰接，出碴采用皮带机，隧道内采用连续皮带机。片壁后填充采用豆砾石、细石混凝土、双液注浆。通风除尘系统、应急排污系统、应急照明系统等采用防爆设计，具备有害气体监测与报警系统。运输采用MSV无轨胶轮车。
图5.9 斜井单护盾TBM
2.3 施工业绩及总结
2015年4月28，TBM组装调试完成，开始试掘进。2015年6月，停机并拆除临时隧道皮带机，始组装调试连续皮带机。2015年12月3日完成掘进，最高日进尺40.5m（27环），最高月进尺682.5m，累计掘进2709.5m，平均月进尺503.5m（除去5月试掘进）。物料运输、管片拼装是制约进度的主要原因。
设备在掘进过程出现过的问题：
TBM纯掘进一环（1.5m）需30min，目前物料运输、管片拼装是制约进度的主要原因，但通过优化管理，运输问题已经逐步得到解决；
糊刀盘问题，通过在刀盘背面、接碴斗焊接链条，并及时清理，已经控制；
刀盘栽头问题，通过主动铰接油缸、中盾顶部稳定器、前盾底部稳定器来调整主机姿态；
刀盘单向旋转带来盾体扭转问题，刀盘双向旋转又可能有反向扭矩过大的问题，目前通过推进油缸纠滚防扭功能，盾体扭转已经得到控制。
图5.10 刀盘结泥饼照片
图5.11 刀盘结泥饼得到解决
3. 小结
本章节通过玛纳斯涝坝湾副平硐所使用的复合式盾构机、补连塔煤矿使用的斜井单护盾TBM这两个实际案例，进一步提出掘进机在大坡度斜井施工过程中需解决的难题：
1）刀盘、接碴斗在泥质砂岩、泥岩地层结泥饼问题；
2）刀盘在下坡掘进或者硬岩掘进过程中“栽头”、震动等问题；
3）斜井下坡的物料运输问题；
4）砂砾岩中掘进刀具磨损问题；
5）全断面岩石中掘进盾体防扭问题。
论文作者:龙斌
论文发表刊物:《基层建设》2018年第13期
论文发表时间:2018/7/10
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