程 樺，唐 彬,3，唐永志，姚直書，王傳兵，榮傳新

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001; 2.淮南礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232001; 3.淮南礦業(yè)集團博士后科研工作站，安徽 淮南 232001)

隨著人類對能源需求量的增加和開采強度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內(nèi)外礦山均相繼進入深部資源開采狀態(tài)[1]。為在深部地層高地應(yīng)力條件下保證巷道的穩(wěn)定性，目前我國深井煤礦永久、半永久巷道普遍在巖層中掘進[2]。同時，煤與瓦斯突出礦井也需施工大量的瓦斯抽采巷道，從而導(dǎo)致煤礦巖巷掘進工程量大幅增長[3]。由于懸臂式掘進機破巖能力有限，目前我國煤礦硬巖巷道仍普遍采用鉆爆法施工。鉆爆法雖適用面廣，操作靈活，但施工危險性高，勞動強度大，掘進效率低下(煤礦硬巖地層中40～80 m/月)。當(dāng)前落后的硬巖巷道掘進技術(shù)極大地限制了煤礦的安全生產(chǎn)和采掘接替工作[4]。

全斷面掘進機，即TBM(Tunnel Boring Machine)，是一種靠旋轉(zhuǎn)并推進刀盤,通過布置在刀盤上的盤形滾刀破碎巖石而使隧洞全斷面一次成形的設(shè)備[5]。全斷面掘進機破巖能力強，且集開挖掘進、支護和排渣運輸工序于一體，可有效提升煤礦安全性與掘進效率，降低煤礦工人的勞動強度、改善工作條件[6]，從而大幅縮短巷道施工周期，提高煤礦采掘接替效率。自20世紀(jì)80年代以來，以德國Minister Stein和Franz Haniel，澳大利亞West Cliff，美國Westmoreland，加拿大Donkin-Morien等為代表的煤礦采用TBM掘進斜井或平硐，取得了較為理想的效果[7-9]。我國煤礦全斷面掘進工程應(yīng)用始于2003年塔山煤礦主平硐。2015年，神東補連塔煤礦使用全斷面掘進機掘進主斜井[10-11]。全斷面掘進機在煤礦斜井和平硐掘進中已取得較多成果案例，但在深井煤礦巷道掘進中的應(yīng)用鮮有報道。深井煤礦多采用立井開拓，由于立井運輸能力的限制，相比采用平硐、斜井運輸?shù)拿旱V，其在全斷面掘進機運輸、組裝、材料輔助運輸、排矸、巷道支護等方面存在諸多困難。因此，開展煤礦深井硬巖巷道全斷面掘進機快速掘進技術(shù)研究，對實現(xiàn)煤礦巖巷安全高效掘進，確保煤礦正常采掘接替，改善巖巷掘進工作環(huán)境等具有重要意義。

筆者針對煤礦深井巷道全斷面硬巖掘進機施工的特殊條件，分析其適應(yīng)性設(shè)計要求;基于模塊化設(shè)計理念，研制全斷面硬巖掘進機在刀盤與滾刀、整機防爆、主驅(qū)動、排矸與防塵、支護系統(tǒng)等方面的創(chuàng)新;研究全斷面掘進機掘進巷道圍巖穩(wěn)定性及其支護方式;研發(fā)全斷面掘進機運輸、組裝、始發(fā)、掘進、支護、拆卸轉(zhuǎn)場等施工關(guān)鍵技術(shù)與工藝。最后，介紹全斷面掘進機快速掘進張集煤礦西二采區(qū)1413A采煤工作面高抽巷成功案例，驗證了該技術(shù)與施工方法將成為實現(xiàn)我國煤礦巖巷掘進自動化、少人化、安全高效的發(fā)展方向。

1 煤礦全斷面硬巖掘進機研制

1.1 設(shè)計原則與技術(shù)指標(biāo)

與用于山嶺隧道掘進的TBM不同，深井煤礦立井罐籠提升能力有限，井下運輸、組裝工作空間局促且有瓦斯涌入隱患。因此在全斷面掘進機設(shè)計初期，需依據(jù)礦井工程地質(zhì)條件，對全斷面掘進機構(gòu)造與技術(shù)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，重點考慮設(shè)備防爆與各部件尺寸、重量優(yōu)化。制定設(shè)備技術(shù)指標(biāo)時，應(yīng)根據(jù)礦井瓦斯地質(zhì)條件確定設(shè)備采用局部防爆或整機防爆。并根據(jù)礦井井筒、巷道尺寸和運輸設(shè)備能力，確定刀盤等重、大部件尺寸。

以本文所述工程案例為例，首先綜合考慮深立井煤礦巷道工程環(huán)境和全斷面掘進機技術(shù)特點，通過對全斷面掘進機施工煤礦深井巖巷可行性研究，提出其設(shè)計原則與技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)煤礦深井巷道全斷面硬巖掘進機整機應(yīng)滿足模塊化、輕量化和緊湊化要求，以便井下拆裝和運輸。設(shè)備重量應(yīng)控制在400 t以內(nèi)，防止拆裝、掘進時損壞始發(fā)軌道和巷道底板。設(shè)備直徑宜選為4～5 m，以在滿足巷道工作空間的同時降低設(shè)備拆裝、運輸?shù)碾y度;設(shè)備總長度應(yīng)控制在60 m之內(nèi)，以減少設(shè)備拆裝、運輸和拆裝硐室施工的工作量。

(2)煤礦深井巷道全斷面硬巖掘進機各部件應(yīng)實現(xiàn)輕量化、小型化。根據(jù)罐籠、礦車、單軌吊等運輸設(shè)備的運輸能力和井下巷道的通過能力，掘進機最大部件尺寸應(yīng)小于5 000 mm×2 500 mm×1 800 mm，質(zhì)量低于20 t，以方便設(shè)備井下運輸、拆裝。

(3)各子系統(tǒng)和整機均應(yīng)滿足煤礦機電設(shè)備防爆要求。

(4)掘進機撐靴不應(yīng)破壞巷道圍巖。煤礦深井巷道地質(zhì)條件復(fù)雜，存在軟弱圍巖，全斷面掘進機撐靴接地比壓應(yīng)小于3 MPa，以避免掘進機步進時撐靴破壞巷道圍巖。

(5)掘進機后配套系統(tǒng)中的排矸系統(tǒng)、支護系統(tǒng)、輔助運輸系統(tǒng)以及管路、風(fēng)筒的延伸、接續(xù)操作應(yīng)與設(shè)備掘進速度相匹配;通風(fēng)能力應(yīng)滿足硬巖切削、除塵、瓦斯抽排和供風(fēng)的要求。

1.2 全斷面硬巖掘進機研制

1.2.1免焊高強度分體刀盤

根據(jù)設(shè)計要求，刀盤的開挖直徑4.53 m，整體尺寸4 530 mm×4 530 mm×1 685 mm，刀盤總質(zhì)量(不含刀具)為38.4 t，采用平面圓角型結(jié)構(gòu)。經(jīng)多方案對比，刀盤采用中間等質(zhì)量分瓣布局方式(圖1)。

圖1 中間等質(zhì)量分瓣式刀盤

刀盤兩瓣采用286根M36高強螺栓把和，所有螺栓配有楔塊式防松墊片確保螺栓在掘進振動條件下連接穩(wěn)固。同時，刀盤法蘭之間設(shè)置定位圓柱銷，以方便刀盤現(xiàn)場安裝定位(圖2)。

圖2 分瓣刀盤連接法蘭結(jié)構(gòu)

刀盤上選用17吋中心雙聯(lián)和17吋單刃兩種類型滾刀。其中，面滾刀和邊滾刀均采用17吋單刃正中心雙聯(lián)滾刀，采用背裝式安裝。

刀盤正面均勻布置4個出渣鏟斗，鏟斗與溜渣板組成出渣通道，保證掘進產(chǎn)生的巖渣快速順利排出。

滾刀座自帶冷卻水噴射裝置(圖3)，噴水口位于刀具旁，結(jié)構(gòu)緊湊，有利于降塵及降低刀具溫度。

圖3 噴水滾刀刀座

該新型分瓣刀盤布置合理、刀具拆卸方便、受力較好，單瓣質(zhì)量19.2 t，滿足了井上下運輸、組裝、不準(zhǔn)電焊接等要求。

1.2.2整機防爆設(shè)計與制造

全斷面掘進機動力、電控、操作部分加裝防爆外殼;將錨桿鉆機滑動梁、拖鏈、注脂泵等設(shè)備使用的鋁合金、塑料更換為不銹鋼或碳素結(jié)構(gòu)鋼等阻燃材料;在滾刀刀座部位設(shè)置噴水系統(tǒng)(圖3)，防止?jié)L刀摩擦生熱達到瓦斯引火溫度，消除破巖過程中的火災(zāi)和瓦斯爆炸隱患;采用光譜型瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎岣吖ぷ髅嫱咚節(jié)舛缺O(jiān)測精度和響應(yīng)速度;導(dǎo)向系統(tǒng)通過研發(fā)液壓馬達驅(qū)動棱鏡、防爆工控機、防爆全站儀實現(xiàn)防爆功能(圖4);將拖車結(jié)構(gòu)平臺設(shè)計為風(fēng)筒與拖車合二為一的箱型結(jié)構(gòu)，形成嵌入式多功能通風(fēng)除塵系統(tǒng)，提高了設(shè)備的空間利用率(圖5)。

通過以上設(shè)備整機及各子系統(tǒng)的防爆設(shè)計與制造，整機獲得MA煤礦安全認證，為煤礦本安型設(shè)備。

1.2.3支護機構(gòu)

圖4 防爆導(dǎo)向系統(tǒng)

圖5 嵌入式通風(fēng)除塵系統(tǒng)

主支護機構(gòu)由2臺液壓鑿巖鉆機、推進梁、補償機構(gòu)、拖鏈、主傳動系及液壓控制閥組成，可在設(shè)備掘進過程中同步實施錨桿打孔。鉆孔最大深度為2 700 mm。液壓鑿巖鉆機安裝在鉆機環(huán)架滑道上，通過回轉(zhuǎn)裝置和水平液壓油缸驅(qū)動，實現(xiàn)錨桿鉆機在圓周方向±130°和沿巷道軸向一個步距(1.5 m)范圍內(nèi)錨桿安裝工作。 1號拖車與主梁后方預(yù)設(shè)錨桿機安裝位，可根據(jù)現(xiàn)場工程情況選裝錨桿機，作為主支護機構(gòu)的補充。

1.3 技術(shù)參數(shù)

圖6為通過前述設(shè)計制造研發(fā)的QJYC045M型煤礦全斷面硬巖掘進機。該掘進機由刀盤、撐靴、后配套、排矸系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、支護系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。其采用的防爆動力系統(tǒng)，符合煤礦安全規(guī)程要求;基于模塊化設(shè)計，可將各子系統(tǒng)拆散通過井筒罐籠和井下運輸設(shè)備運至始發(fā)硐室組裝，符合立井煤礦設(shè)備運輸最大尺寸要求。

2 全斷面掘進機施工巷道圍巖穩(wěn)定性與支護

全斷面掘進機較好地解決了懸臂式掘進機破巖能力不足、在煤礦硬巖巷道掘進中掘進效率低下，以及鉆爆法危險性高、勞動強度大等問題。但相比以往典型的隧道/巷道TBM掘進工程，全斷面掘進機施工煤礦深部硬巖巷道具有以下特殊性。

圖6 QJYC045M型煤礦全斷面硬巖掘進機

表1 QJYC045M型全斷面掘進機主要技術(shù)參數(shù)

(1)煤礦深部硬巖地層巖性不同。煤礦深部硬巖以硅質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)的硬砂巖或石灰?guī)r等沉積巖為主，其巖石物性既不同于以花崗巖、大理巖為代表的火成巖或變質(zhì)巖，也有別于泥質(zhì)膠結(jié)的泥巖、砂質(zhì)泥巖等軟巖。

(2)煤礦深部地應(yīng)力場條件特殊。煤礦深部地層以構(gòu)造應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，最大主應(yīng)力可達豎向應(yīng)力的2.5倍以上，且具有極強的方向性。這與TBM施工的地鐵、市政工程隧道主要受覆層的自重應(yīng)力影響的地應(yīng)力場條件有較大不同。

(3)掘進擾動特性不同。之前煤礦深部硬巖巷道多采用鉆爆法施工，掘進對圍巖的擾動是爆破荷載和動態(tài)卸荷共同作用的結(jié)果，而全斷面掘進機掘進時，圍巖應(yīng)力路徑為循環(huán)準(zhǔn)靜態(tài)加卸荷。

因此，全斷面掘進機施工煤礦深井硬巖巷道，其圍巖穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵在于獲得煤系地層硬巖在深部構(gòu)造應(yīng)力場和準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)加卸荷條件下的巖石本構(gòu)模型和強度準(zhǔn)則。由施工現(xiàn)場取得巖樣，開展煤礦深部地層硬巖準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)加卸荷試驗，獲得全斷面掘進機施工硬巖巷道圍巖本構(gòu)關(guān)系與強度準(zhǔn)則，作為巷道圍巖穩(wěn)定性與支護設(shè)計的基礎(chǔ)。

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)卸荷巖石損傷本構(gòu)模型與強度準(zhǔn)則

基于巖石損傷力學(xué)理論，推導(dǎo)準(zhǔn)靜態(tài)卸荷條件下考慮各向異性損傷的巖石損傷本構(gòu)模型，并由TBM掘進巷道施工現(xiàn)場取樣，獲取巷道圍巖試件，開展不同圍巖條件下，模擬TBM掘進應(yīng)力路徑的巖石循環(huán)加卸荷試驗?；谠囼灲Y(jié)果，驗證巖石損傷本構(gòu)模型、擬合巖石非線性包絡(luò)線并得出巖石強度準(zhǔn)則。在隨后的巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析中，引入所得巖石損傷本構(gòu)模型和強度準(zhǔn)則，以提高數(shù)值計算的準(zhǔn)確性。

2.1.1本構(gòu)模型

基于巖石損傷力學(xué)理論，考慮巖石在最大、小主應(yīng)力方向損傷的各向異性，推導(dǎo)得出其靜態(tài)卸荷巖石損傷本構(gòu)模型為

D=QD1+RRQRTRTD2

Q=(1-γ)Γ+γI

2.1.2強度準(zhǔn)則

圖7為根據(jù)三軸循環(huán)加卸荷試驗擬合的不同線型的強度包絡(luò)線，以強度包絡(luò)線的相關(guān)系數(shù)為依據(jù)，擬合優(yōu)選出冪函數(shù)型巖石強度準(zhǔn)則

τ=6.946σ0.77+23.72

圖7 各線型Mohr強度包絡(luò)線對比

2.2 巷道圍巖穩(wěn)定性與支護數(shù)值分析

2.2.1計算模型

以張集礦1413A工作面高抽巷設(shè)計方案為工程背景，將三軸循環(huán)加卸載試驗得到的靜態(tài)卸荷巖石損傷本構(gòu)模型與強度準(zhǔn)則引入FLAC3D數(shù)值計算軟件中，數(shù)值分析全斷面掘進機掘進巷道穩(wěn)定性，優(yōu)選支護方案。

該高抽巷位于張集礦西二A組煤采區(qū)1煤頂板。巷道長度1 594 m，巷道斷面為圓形，直徑4.53 m，方位角32°，坡度為0.2%，巷道圍巖巖性為砂巖[12-13]。

如圖8所示，模型寬度(垂直于巷道軸向)60 m，高度(垂直方向)取60 m，長度(沿巷道掘進方向)取120 m。巷道位于模型中心，直徑4.53 m。計算模型共有單元40 000個，節(jié)點41 041個。

圖8 數(shù)值計算模型

2.2.2計算參數(shù)

(1)圍巖力學(xué)參數(shù)。現(xiàn)場圍巖取芯測得的圍巖力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 圍巖力學(xué)參數(shù)

(2)錨桿參數(shù)。支護采用φ20 mm×2 000 mm高強螺紋鋼錨桿，鋼筋標(biāo)號Q345，其技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 錨桿參數(shù)

(3)地應(yīng)力場參數(shù)。根據(jù)施工現(xiàn)場實測地應(yīng)力數(shù)據(jù)，在模型上表面(z軸方向)施加荷載14.3 MPa，左右表面(x軸方向)施加23.91 MPa荷載，前后表面(y軸方向)施加12.71 MPa荷載[14-16]。

但利用天敵赤眼蜂也并不是萬靈藥，盡管成本與使用殺蟲劑大致相當(dāng)，但在玉米植株上懸掛放有蜂群的硬紙板箱需要更多人工。法國南部使用殺蟲劑仍很普遍，因為那里的玉米種植者還要面對蜂群不攻擊的其他多種害蟲。在其他一些國家，農(nóng)民通過種植轉(zhuǎn)基因玉米來控制害蟲，但轉(zhuǎn)基因作物在法國是不允許的。盡管存在這些限制因素，但目前在根蟲構(gòu)成威脅的玉米種植區(qū)里仍然有23%的農(nóng)田引入了這種赤眼蜂。

(4)支護工況。全斷面掘進機掘進工況:分掘進、支護、排矸3個階段，每個掘進循環(huán)步進1.5 m。

3種支護工況分別為:工況1，開挖后不支護;工況2，開挖后僅支護巷道頂板，每排6根錨桿;工況3，支護頂板和巷幫，每排10根錨桿。

錨桿規(guī)格φ20 mm×2 000 mm，間距為1 m×1 m。支護方式如圖9所示。

圖9 支護工況示意

2.2.3數(shù)值計算結(jié)果與分析

(1)位移分析。如圖10所示，3種工況下，巷道頂板圍巖豎向位移分別為4.0，2.2和2.1 mm;巷道底板圍巖豎向位移分別為2.29，2.30和2.50 mm;巷道幫部圍巖水平方向位移分別為7.63，7.20和2.01 mm。工況2,3條件下巷道頂?shù)装搴蛶筒康氖諗恐稻^小。相比工況2，工況3在增加幫部支護的情況下，巷道變形的減小幅度不明顯。

圖10 巷道圍巖位移

(2)應(yīng)力分析。由圖11可得，巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)水平擠壓應(yīng)力集中，3種工況下頂板水平應(yīng)力分別為41.33，41.35和40.55 MPa;底板頂板水平應(yīng)力分別為41.67,44.30和41.47 MPa。巷道兩幫出現(xiàn)了豎向擠壓應(yīng)力集中，3種工況下巷道幫部圍巖最大豎向應(yīng)力分別為20.9，22.3和24.4 MPa。3種工況下，圍巖開挖并施加錨桿后，應(yīng)力集中程度降低不明顯，表明圍巖的自承能力較好。

圖11 巷道圍巖應(yīng)力分布

圖12 巷道圍巖塑性區(qū)分布

由圖12可以看出，3種工況下，巷道圍巖塑性區(qū)分布有很大不同。工況1中塑性區(qū)均勻分布在巷道周邊圍巖處。工況2相比工況1塑性區(qū)范圍大幅減小，尤其是頂板處的塑性區(qū)范圍減小較為明顯。工況3中塑性區(qū)范圍最小，僅存在于底板與幫部的局部區(qū)域。

綜合考慮巷道掘進后圍巖應(yīng)力、位移分布特性、巷道支護安全性和掘進效率，最終優(yōu)選工況2，即頂板施工6根錨桿的支護方案。

3 煤礦硬巖全斷面掘進機施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 全斷面掘進機井下運輸與組裝

在全斷面掘進機掘進前，需將設(shè)備主要部件由地面運至井下組裝硐室組裝完畢后始發(fā)。如圖13所示，全斷面掘進機井下運輸路線分為3部分:① 從地面將設(shè)備部件由副井罐籠運至井底車場;② 使用有軌礦車將各部件由井底車場運至采區(qū)車場;③ 單軌吊車將各部件由采區(qū)車場經(jīng)采區(qū)系統(tǒng)巷道運至采區(qū)內(nèi)的全斷面掘進機組裝/始發(fā)硐室。

在采用罐籠運輸全斷面掘進機部件時，須確保各部件尺寸和質(zhì)量不超過罐籠的最大運輸能力。在井下水平運輸大巷中采用運輸能力較大的有軌礦車，保證運輸效率。而采區(qū)內(nèi)斜巷眾多，如采用斜井絞車運輸，掘進機部件在采區(qū)內(nèi)需進行多次的絞車轉(zhuǎn)載。采區(qū)斜巷內(nèi)采用單軌吊車，可實現(xiàn)連續(xù)運輸，從而大幅提高運輸效率。

在全斷面掘進機組裝硐室頂板處設(shè)置起吊滑輪，單軌吊車首先將全斷面掘進機部件運至組裝硐室，而后采用起吊滑輪進行組裝。全斷面掘進機組裝和部件運輸安裝從前到后的順序依次進行，先運輸、組裝全斷面掘進機前部的刀盤、電機等部件，最后組裝全斷面掘進機尾部后配套系統(tǒng)，防止全斷面掘進機運輸與組裝工序相互干擾。

3.2 始發(fā)與掘進

全斷面掘進機組裝完畢后，需步進至巷道內(nèi)始發(fā)。拆裝硐室空間有限，難以安裝始發(fā)反力架。因此在底板設(shè)置步進孔，步進油缸牛腿插入步進孔內(nèi)固定后，頂推設(shè)備實現(xiàn)始發(fā)(圖14)。該工藝省去了反力架的安裝拆除工作，且占用空間少。

圖14 煤礦全斷面掘進機始發(fā)裝置

掘進時，煤礦全斷面硬巖掘進機的撐緊油缸撐緊巷道兩幫，推進油缸推動主驅(qū)動和刀盤，主驅(qū)動驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)破巖，掘進步距1.5 m。

基于前期可鉆性研究和現(xiàn)場試驗，根據(jù)掘進巷道圍巖特性，優(yōu)化選取掘進參數(shù)見表4。

表4 深井煤礦全斷面硬巖掘進機掘進參數(shù)

3.3 巷道支護施工

考慮立井開拓的深部煤礦井筒、巷道空間尺寸較小，且深井煤礦中大量巖巷為瓦斯治理巷道和采區(qū)系統(tǒng)巷道，屬臨時或半永久巷道，為降低支護成本、提高支護效率，全斷面掘進機掘進巷道采用錨桿支護，并根據(jù)情況輔以鋼筋網(wǎng)片或噴射混凝土進行支護。施工前根據(jù)計算結(jié)果制定支護方案，施工中根據(jù)地質(zhì)條件調(diào)整支護參數(shù)。

在全斷面掘進機掘進過程中同步實施錨桿打孔施工。如圖15所示，掘進機主梁上的2臺錨桿機分別負責(zé)左、右?guī)筒亢晚敯邋^桿施工，可同時施工錨桿孔，彼此獨立、互不干擾。完成錨桿孔施工后，依次(掛網(wǎng))安裝錨桿。錨桿機可沿環(huán)形軌道滑動，同時可繞錨桿機座旋轉(zhuǎn)，錨桿安裝角控制在75°以上，符合煤礦安全規(guī)程和施工措施的要求。如錨桿鉆機無法實現(xiàn)設(shè)計的錨桿安裝角度，在主梁兩側(cè)設(shè)有可折疊錨桿機操作平臺及配套風(fēng)水管路接口，可根據(jù)現(xiàn)場需要增設(shè)錨桿鉆機，以增加錨桿安裝的靈活性。另于1號拖車上安設(shè)一臺錨桿機，主要用于安裝單軌吊軌道。

圖15 煤礦全斷面掘進機錨桿機布置

3.4 TBM排矸與材料運輸

全斷面掘進機采用安裝在設(shè)備底部的帶式輸送機排矸。滾刀破碎的矸石隨著刀盤的轉(zhuǎn)動，由刀盤鏟斗鏟起，經(jīng)溜渣槽傾倒至排矸帶式輸送機上。矸石經(jīng)采區(qū)帶式輸送機、礦井主運帶式輸送機進入矸石倉，最終經(jīng)矸石井由箕斗或經(jīng)副井由礦車運至地面。由于全斷面掘進機掘進速度快，單位時間內(nèi)排矸量大，因此在施工前應(yīng)確保礦井的排矸能力與全斷面掘進機的掘進效率相匹配。

全斷面掘進機掘進中所需的耗材和支護材料，則通過布設(shè)在巷道頂部的單軌吊車進行運輸。在全斷面掘進機最后一節(jié)拖車上設(shè)置接料平臺，由單軌吊車運來的各類材料可直接卸載在接料平臺上。單軌吊車、接料平臺和排矸帶式輸送機分別設(shè)置在巷道的頂部、中部和底部，以避免施工中相互干擾。

3.5 全斷面掘進機井下拆解與轉(zhuǎn)運

在與全斷面掘進機掘進巷道相貫通的接收巷道處修建拆卸硐室。全斷面掘進機掘進貫通后，全斷面掘進機前方較大、較重部件，如刀盤、撐靴、電機等由拆卸硐室頂部安裝的起吊滑輪吊運至有軌礦車上，后方后配套系統(tǒng)則由全斷面掘進機巷道內(nèi)的單軌吊車吊運拆卸。拆解后的全斷面掘進機部件從巷道兩側(cè)分別由有軌礦車和單軌吊運至下一個全斷面掘進機掘進巷道的組裝硐室，重復(fù)設(shè)備組裝和始發(fā)工作。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

全斷面掘進機首次掘進試驗地點選在張集煤礦西二采區(qū)1413A高抽巷。該高抽巷位于張集煤礦西二采區(qū)1413A采煤工作面頂板。巷道長度1 594 m，巷道直徑4.53 m，巷道埋深-500 m。最大主應(yīng)力方位角為130.2°，最大、最小水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力分別為14.3，13.2 和 21.6 MPa。巷道圍巖主要為粉細砂巖、中砂巖，抗壓強度25.67～134.00 MPa，彈性模量23.81～44.88 GPa，泊松比0.111～0.360。部分地層裂隙發(fā)育，并伴有泥巖夾層。全斷面掘進機掘進巷道布置如圖16所示。

圖16 全斷面掘進機掘進巷道布置

4.2 快速掘進與支護

巷道采用全斷面掘進機施工，單軌吊車進行人員、材料運輸，帶式輸送機排矸，由安裝在全斷面掘進機主梁上的兩臺錨桿機安裝錨桿，掘進、排矸、支護同步進行。全斷面掘進機及配套設(shè)備與巷道中布設(shè)的電纜、供水、壓風(fēng)管路連接。利用檢修班完成設(shè)備維護、檢修和供水、供電、壓風(fēng)管路、單軌吊軌道、風(fēng)筒和帶式輸送機的接續(xù)工作。

根據(jù)本文全斷面掘進機掘進巷道圍巖穩(wěn)定性與支護中的計算結(jié)果，綜合考慮巷道施工安全性、支護效果和掘進效率，最終采用頂板支護的方案。即在頂板安裝6根φ20 mm×2 000 mm樹脂錨桿，間排距1 m×1 m。局部破碎地層根據(jù)現(xiàn)場情況補打錨桿或錨索以增加支護強度[17-18]。

該巷道采用研發(fā)的QJYC045M型煤礦全斷面硬巖掘進機施工，取得了掘進機平均月進尺404 m，最高月進尺560 m的國內(nèi)煤礦深井巖石巷道月進尺最高記錄。

4.3 現(xiàn)場監(jiān)測

采用激光測距儀監(jiān)測巷道圍巖收斂變形。沿巷道軸線共布置10 個觀測斷面，由于巷道底板布設(shè)排矸帶式輸送機，因此，每個測站僅在巷道上部和幫部布置5個測點(圖17)，圖17中，1～5為收斂變形測點，①～④為錨桿受力測點。圖18為第1 測站巷道圍巖收斂變形監(jiān)測結(jié)果。

圖17 巷道測站布置示意

由圖18可知，巷道開挖后初期變形較大，隨后變形趨緩，30 d 后巷道變形趨于穩(wěn)定，兩幫最大收斂變形為12 mm[19]。圖18中，1-2，1-3，1-4分別為1，2測點，1，3測點和1，4測點間3條測線的距離變化。

圖18 巷道收斂變形曲線

另外，對巷道施工過程中的錨桿受力變化過程進行了監(jiān)測。與圍巖收斂變形測試一樣，共布置10個觀測斷面，每個斷面安裝4 個錨桿測力計，圖19為第1 測站監(jiān)測結(jié)果。

圖19 錨桿受力變化過程

由圖19可知，4 根錨桿的初錨力均到達設(shè)計要求，在隨后的監(jiān)測期間內(nèi)，錨桿受力變化較小，其中靠近頂部的②和③錨桿軸力略有增大，最大值達62 kN;而靠近肩部的①和④錨桿軸力略有降低，但變化很小，最小值為43.1 kN。從錨桿受力監(jiān)測結(jié)果來看，在支護過程中，錨桿受力變化較小，說明巷道支護后圍巖很快趨于穩(wěn)定，錨桿支護有效，支護結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

4.4 現(xiàn)場工程技術(shù)問題及解決方案

淮南礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，全斷面掘進機施工過程中，除正常掘進區(qū)段外，局部區(qū)域出現(xiàn)瓦斯涌入、破碎頂板冒落和滾刀偏磨等問題。針對上述問題，提出相應(yīng)解決方案，確保了硬巖巷道的安全、快速掘進。

4.4.1掘進工作面瓦斯預(yù)警

巷道掘進層位距煤層較近，掘進過程中存在煤層瓦斯沿圍巖裂隙涌入巷道的隱患[20-21]。全斷面掘進機掘進速度快，揭露含瓦斯地層時瓦斯超限預(yù)警時間短，因此在全斷面掘進機上配置光譜型瓦斯傳感器，且與設(shè)備開關(guān)聯(lián)動，瓦斯超限時可發(fā)出警報并關(guān)閉電氣設(shè)備，同時自動增加工作面通風(fēng)流量。采用光譜型瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，監(jiān)測精度高，響應(yīng)速度快，可及時監(jiān)測工作面瓦斯?jié)舛鹊淖兓?，滿足高瓦斯條件下巖巷安全快速掘進工作的要求。

4.4.2破碎頂板處理

如圖20所示，在掘進的前150 m范圍內(nèi)，巷道頂板出現(xiàn)了泥巖夾層，導(dǎo)致掘進時頂板碎巖冒落，嚴(yán)重影響施工安全和掘進效率。為保證施工時人員、設(shè)備安全，在全斷面掘進機上加設(shè)指形護盾，增大防護面積。大塊碎巖采用手持式鑿巖機破碎成小塊后，由指形護盾空隙處落至巷道底板。操作人員在護盾下工作，且頂板落巖破碎工作和掘進可同步進行。保證了全斷面掘進在破碎頂板區(qū)域掘進的安全性和施工效率。

圖20 全斷面掘進機工作面破碎頂板

4.4.3滾刀偏磨防治

由于泥巖夾層的存在使得掘進時在滾刀周邊形成泥餅，泥餅被刀盤擠壓密實，并在工作面高溫條件下(30 ℃以上)脫水，最終卡滯滾刀，造成滾刀偏磨(圖21)。針對工程現(xiàn)場問題，采取的滾刀偏磨防治措施包括:① 滾刀和刀盤上涂抹廢機油，防止泥餅粘結(jié);② 掘進時打開滾刀噴水系統(tǒng)，沖刷滾刀、刀盤;③ 降低滾刀啟動扭矩，使?jié)L刀在泥餅粘結(jié)時仍可轉(zhuǎn)動;④ 每日檢修時檢查、清理滾刀和刀盤，防止?jié)L刀卡滯、偏磨。

圖21 滾刀偏磨

通過以上措施，使得平均滾刀壽命由132.47 m3/滾刀提升至1 618.86 m3/滾刀。大幅降低了滾刀消耗量和停機換刀時間，提高了掘進效率。

4.5 全斷面掘進機技術(shù)經(jīng)濟效益分析

采用全斷面掘進機施工采煤工作面瓦斯抽采巷道，巷道掘進效率相比之前相同地質(zhì)條件下鉆爆法施工的40～60 m/月提高至最高560 m/月，為現(xiàn)有煤礦深井硬巖巷道掘進效率的5～10倍，提前21個月完成了A組煤瓦斯治理工程。所需操作人員由90人降至30人，且所有人員均在護盾或操作室保護下工作，提高了硬巖巷道掘進的安全性和掘進效率，降低事故隱患，節(jié)支2 070萬元。使煤厚8 m、低灰低硫的A組煤工作面提前回采，開采煤炭598萬t，新增利潤49 634萬元，確保了礦井正常生產(chǎn)接替和可持續(xù)發(fā)展，取得了顯著的技術(shù)與經(jīng)濟效益。張集礦1413A工作面高抽巷采用全斷面掘進機與鉆爆法施工費用對比見表5。

表5 采用全斷面掘進機與鉆爆法工程費用對比

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)立井煤礦工程現(xiàn)場地質(zhì)、運輸和施工條件，研發(fā)了煤礦深井巷道全斷面硬巖掘進機。該掘進機不但滿足煤礦井下運輸、組裝、巖巷掘進、支護和輔助運輸特殊要求，而且符合高瓦斯煤礦防爆相關(guān)規(guī)程有關(guān)規(guī)定。

(2)基于深井煤礦地質(zhì)條件和深井煤礦掘進特點，通過砂巖三軸循環(huán)加卸載試驗，建立圍巖彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系和強度準(zhǔn)則，數(shù)值分析全斷面掘進機巷道掘進圍巖穩(wěn)定性，提出了頂板錨桿快速支護方案，并得到現(xiàn)場實測驗證。

(3)研發(fā)的全斷面巖石掘進機井下有限空間運輸、組裝、拆解以及全斷面巖石掘進機井下始發(fā)、掘進等關(guān)鍵技術(shù)，為實現(xiàn)深井煤礦全斷面掘進機巷道快速掘進提供了技術(shù)保障。

(4)研發(fā)的QJYC045M型煤礦全斷面硬巖掘進機及其施工關(guān)鍵技術(shù)，在淮南張集煤礦西二采區(qū)1413A高抽巷得到成功應(yīng)用，取得了平均月進尺404 m，最高月進尺560 m的國內(nèi)煤礦深井巖石巷道月進尺最高記錄。為今后推廣應(yīng)用硬巖巷道全斷面快速掘進技術(shù)，解決制約我國煤礦巖巷快速掘進技術(shù)難題，提供了成功案例。