盾构法在煤矿掘进施工中的应用

李 刚，李 冰，张 萌，姚立权

（1.辽宁装备制造职业技术学院 机械工程学院，辽宁 沈阳110161；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

目前国内外煤巷掘进多采用悬臂式掘进机，支护多用锚联网工艺（锚网＋锚杆＋锚索＋钢带），少量使用掘锚机、连采机、全断面掘进机,缺少钻掘护运一体成套机械化装备。传统煤巷掘进技术效率低、成本高、安全性差、工作环境恶劣、劳动强度高，并随着煤矿开采深度和地质条件复杂度增加，以及劳动力匮乏、环境保护和施工质量高要求等因素,给快速掘进技术带来了诸多困难，传统掘进机械设备和工艺严重制约行业发展[1-5]。因此掘进需要技术创新，对大型机械化采掘提出高标准高要求。近十几年国内外对盾构法巷道掘进进行大量研究，推动了煤巷快速掘进的发展[6-9]。盾构法集钻、掘、护、运于一体，能够有效实现长大巷道施工的工厂化作业，是世界上最先进的大型综合性隧道施工方法，代表着国际隧道施工技术的最高水平。20 世纪90 年代后国内的经济和技术条件足够成熟，开始大规模应用盾构施工技术和设备，使盾构机应用在煤矿掘进中成为可能。根据煤矿开采现状和实际工程，重点介绍盾构法在煤矿巷道掘进中的应用技术。

1 盾构机的系统构成及适用条件

1.1 盾构机的系统构成

盾构机是1 种专门用于隧道工程的大型高科技综合施工设备，从煤矿采掘生产过程和实现功能的角度出发，把盾构机系统分解为：掘进系统、输送系统、支护系统、导线系统、冷却与除尘系统、控制系统、语音通讯系统和设备列车。控制系统是盾构机的核心，监控盾构系统中盾构机、输送设备、支护设备。盾构机外壳（简称盾壳）是钢质结构，在巷道内可以移动，开挖机构、排土机构、支护机构和推进机构等机械装置装在盾壳内，进行煤层挖掘、碴土排运和盾构推进行走等工序操作，保证巷道结构在一次施工中完成。

1.2 适用条件

由于煤矿巷道的地质情况十分复杂，并且断面形状和尺寸不同，因此施工方案选择的合适与否直接影响到工程施工准备期的长短，也影响下一步工序的施工安全、质量和经济效益。

地质条件复杂的巷道开挖特点为巷道横断面积大、埋层浅、周围岩石破碎以及偏压等，施工中问题较多。全断面硬岩盾构机，密封结构，适用于硬基地层，巷道成型好，对周围环境影响小，开挖面在掘进中能维持稳定。

2 盾构法进行煤矿掘进的技术方案

2.1 设备选型及注意事项

需要有针对性的综合矿井的工程地质、水文、施工条件、使用用途、构筑物特点等因素进行盾构法设备选型。设备选型的难点：一是解决在1 台盾构设备上具备同时应对硬岩和软弱地层功能的问题；二是解决在安全可靠的前提下，使盾构设备发挥最大效率的问题；三是解决应对各种可能出现的不良地质及突发情况下的设备配套问题；四是解决适应煤矿要求的设备配置问题[10-11]。综合以上难点，盾构法煤矿掘进的设备选型注意事项如下。

1）广泛调查工程区的地质条件、水文条件、周边环境，为设备选型获取第一手的详细地质资料。

2）深入分析各种盾构法设备的特点、优势以及适应性，进行综合比选，择优而取。

3）参与盾构法设备的设计与制造全过程，掌握盾构设备工作原理、工作性能、操作方式、组织原则，配齐配强各种应对地质变化的设备。

4）盾构设备配备先进的导向系统，可实时掌握掘进姿态，确保掘进方向和姿态准确无误，配备地质超前钻孔、毒害气体监测、排水、壁后填充等各种设备。

5）掘进施工时，充分考虑下坡“栽头”的问题，适当提高底部千斤顶的推力，及时调整姿态。

6）针对长距离、大埋深、连续下坡对刀盘倾斜状态引发的换刀技术难题，TBM 需对换刀作业工装、工具进行相应设计。

假设整个盾构设备全部埋深在500 m 的煤层，盾构法设备选型模型如图1。

图1 盾构法设备选型模型图Fig.1 Model diagram of shield tunneling equipment selection

2.2 施工模式转换

在通过含砾砂岩层、泥岩、砂质泥岩和砂岩互层，地层含水量变化较大，在刀盘结泥饼、刮渣板和溜渣槽堵塞等地段，TBM 模式无法向前继续推进，此时须将TBM 模式转换成盾构模式，通过注入泡沫改良煤石，使煤石能顺利排出，从而能使掘进顺利进行。在不易结泥饼地段，为提高掘进速度，盾构设备将从盾构模式转换到TBM 模式。

2.3 盾构机的工作原理及施工工序

2.3.1 工作原理

盾构法掘进巷道的基本原理是用盾构机的钢质组件（盾构）沿巷道设计轴线挖掘土体，边挖掘边向前推进，同时巷道成型。在巷道初步衬砌建成前，挖出的土体依靠盾构的防护设计，保障人员和设备安全。配置具有完成掘进、出碴、导向、支护功能的机构，实现掘进、出碴、导向、支护4 项基本功能。盾构施工法在推进、出煤、衬砌注浆等方面实现自动化、智能化、施工远程控制信息化以及无人化，具有降低施工劳动强度和掘进速度较快等优点。

2.3.2 施工工序

对于煤矿巷道而言，巷道施工的第1 道工序为进入矿硐，此工序的成功实施是整个巷道施工成败的关键。首先进行掘进的准备工作（盾构机下井、就位调试、设置掘进基准）→开挖掘进→启动首级运输系统（刮板输送机）→启动次级运输系统（刮板输送机）→启动推进千斤顶→设备正常→（正常掘进、运输煤石、巷道支护、回填注浆）→达到循环进尺→停止掘进→延伸轨道→下一循环掘进→到达终点→盾构解体运出[12]。盾构法施工的工序流程如图2。

图2 盾构法施工的工序流程图Fig.2 Process flow chart of shield tunneling construction

巷道掘进在电机旋转刀盘时开始。当刀盘回转时，推进油缸向前推动盾构使刀盘上的刀具对巷道面进行挖掘。挖掘出的煤块通过开放式刀盘进入土舱，然后进入刮板输送机。刮板输送机从土舱中输送出煤块，然后倾泻在1 条巷道输送系统。盾构继续推进，直到已经推进了1 个巷道衬砌宽度。经过这样的1 个推进，挖掘停止。下一步进行锚杆支护，并且衬砌砂浆。

在掘进工况时，水泥浆被从注浆车内输送到台车上的水泥浆箱里，然后被注浆泵泵入注浆管线，穿过盾尾内壁管路，然后注浆车与机车脱离。

当巷道处于不稳定的煤层中时，有必要全面掌握盾构内环境，并尽量减少巷道上的地表沉降。当盾构掘进和推进时，煤石通过刀盘进入密封土舱并暂时停留，以保持巷道端面压力[13-14]。

轻微直线和坡度偏差可以在煤层状况和操作员的判断基础上通过选择适当的推进缸“推力模式”来实现的。为使盾构转向，选择1 个推力模式涉及设定不同的推进油缸压力。增加一侧推进油缸压力将导致盾构在挖掘中转向相反方向。压力由单独控制每组油缸的比例减压阀控制，主压力的限制将控制整个推进系统压力。

3 盾构法施工的技术要求

3.1 盾构法的方向定位

在煤矿巷道掘进过程中，为保证盾构机按照设计的位置和路线快速掘进，依靠常规的人工测量已经不能满足煤矿开采的要求。激光导向系统是借助激光传感技术、测绘技术、计算机辅助等技术指导盾构机巷道施工的先进的控制系统。系统根据参数曲线及时调整优化施工参数，采用信息化监测结果指导施工，提高推进水平。

3.2 导向系统组成及原理

导向系统主要是由目标单元、控制单元、接口单元组成。目标单元由数据处理单元和光靶传感器组成，光靶传感器能够接收激光束，检测到盾构切口环的垂直位移和水平位移、滚动角和仰角、激光入射水平角数据，数据经目标单元采集传给控制单元，达到实时测量目的。控制单元中的远程的微机系统及显示屏，与目标单元连接，可以进行建模、数据输入和计算，在屏幕上显示盾构位置偏差计算值，指导操作人员及时修正，利于准确操作。接口单元由激光经纬仪、电子测距仪和激光发射装置构成，在巷道璧上安装激光经纬仪，测量基准依靠激光经纬仪发出的激光，接口单元的经纬仪的坐标（x，y，H）、激光数据、距离数据被控制单元接收[15-18]。

激光束打到目标单元上，测出光点在靶上的位置（x，y）与盾构切口位置（x，y）偏差。这些数据显示在盾构屏上，而目标单元的自身轴线与激光束的轴线关系、盾构的仰角和滚动角由计算获得，控制单元通过电缆通信接收目标单元数据。目标单元与盾构轴线的安装误差加在控制单元计算中，计算出目标单元对应的盾构机轴线与巷道设计轴线偏差位置（x，y），通过盾构实际轴线与巷道轴线的夹角关系，预测出操作屏上，盾构操作人员以此来调节盾构推进方向。

3.3 盾构初始位置的确定

水平角、仰角和滚动角盾构切口环的3 个参数采用常规方法测得，将测得的目标单元与盾构机的位置（x，y）的相对位置数据在显示屏上输入，并传输到控制单元。

为保证发射的激光束能够被目标单元有效接收，在巷道的直线段每隔约50 m 安装接口单元，在巷道的曲线段每隔约20 m 安装接口单元，同时经纬仪的坐标（x，y，z）由人工测出，作为盾构位置偏差计算的标准输入控制单元中。盾构法导向的设备框如图3。

图3 盾构机导向系统设备框图Fig.3 Block diagram of shield guidance system equipment

4 应用效果分析

补连塔煤矿是我国第1 个采用盾构法掘进煤巷斜井的国有矿。盾构法巷道施工与传统开采施工方式比较见表1。

表1 盾构法巷道施工与传统开采施工方式比较Table 1 Comparison between shield tunneling method and traditional mining method

1）从掘进速度来说，盾构法施工的掘进速度是传统巷道施工速度的4 倍及以上，有效的提高了施工的速度[19-20]。

2）从设备制造周期的角度来说，由于盾构法施工的设备比较复杂，制造周期是传统设备的2 倍。

3）从巷道的走向精度来说，盾构法施工采用了先进的激光导向定位技术，能够有效的控制误差在10 mm 以内，对于巷道的地质条件来说非常重要。

4）从安全角度来判断，盾构法施工是采用全钢架结构的盾体掘进，当掘进万之后，后部实时自动的锚杆钻技术进行支护，有效的防止煤层的脱落。传统的施工方式，由于只是单一的挖掘，造成了支护的滞后，所以安全性比较低。

5）从施工环境方面来说，盾构法施工有独立的操作室，有专门的除尘系统，能有效的降低粉尘量。

6）一次成井质量高，矿井后期的运营及维护成本较传统掘进施工法下降50%以上。

7）存在问题。煤矿的管理水平、工人接受认可和施工工艺使用熟练程度将直接影响生产效率，此项技术在煤矿推广应用任重道远。

5 结 语

重点介绍了采用盾构法实现煤矿巷道掘进的技术方案，以及盾构法煤矿掘进的工艺、导向方式控制、超前探测和新型支护等高新技术在实际生产中的研究，实现煤巷掘进一体成套设备机械化、自动化，在应用中表现出煤矿掘进快速、高效、安全、降成本的优势。煤巷盾构法是煤巷掘进工艺和支护理论的革命性创新，这标志着我国矿用掘进一体装备技术达到世界先进水平。今后将不断出现盾构施工方式在矿井的应用，必将显著提高煤矿智能化、智慧化、专业化程度。