代恩虎，王 勇，魯義強(qiáng), 3，邱洪登，閆少宏，楊 拓

(1.貴州貴能投資股份有限公司,貴州 六盤水 553000；2.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司, 河南 鄭州 450000；3.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 上海 200092;4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

煤炭一直以來都是我國(guó)最主要的一次能源[1]，2021年煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的56%。國(guó)務(wù)院發(fā)布《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》提出要在蒙東、寧東、晉北、晉中、晉東、兩淮、黃隴、陜北、新疆、神東、冀中、河南、魯西、云貴地區(qū)建設(shè)14個(gè)億噸級(jí)大型煤炭基地[2]。近40多年來，貴州省每年都有近400萬t煤炭以“統(tǒng)配煤”的形式遠(yuǎn)銷到兩廣、兩湖及浙、贛、閩、蘇、滬一帶，云貴地區(qū)作為我國(guó)南方重要的煤炭基地，有力支援了有關(guān)省(區(qū)、市)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，“黔煤外運(yùn)”也正式納入了國(guó)家宏觀調(diào)控的內(nèi)容。貴州地區(qū)已探明的煤炭資源分布相對(duì)集中，其中桐梓-遵義-安順-興義連線以西地區(qū)的煤炭資源占比達(dá)90%以上，六盤水市、黔西南州及普安等地主要為煙煤，畢節(jié)地區(qū)、遵義市、桐梓、仁懷及習(xí)水等地主要為無煙煤[3]。貴州地區(qū)具有優(yōu)質(zhì)資源連片分布，大中型礦床也相對(duì)集中的地域優(yōu)勢(shì)，且煤層埋藏較淺，薄煤層居多，煤類齊全，煤質(zhì)優(yōu)劣共存。相對(duì)于國(guó)內(nèi)其他地區(qū)，貴州省地質(zhì)條件較為復(fù)雜，為保證巷道長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，近年來貴州大多數(shù)煤礦在掘進(jìn)永久、半永久巷道時(shí)普遍在巖層中施工。煤與瓦斯突出礦井在生產(chǎn)前還需要施工大量的瓦斯抽采巷道，掘進(jìn)工程量也隨之大幅增長(zhǎng)?，F(xiàn)有的懸臂式掘進(jìn)機(jī)破巖能力十分有限，因此在硬巖巷道掘進(jìn)時(shí)應(yīng)用最多的依然是采用鉆爆法施工。鉆爆法具有適用面廣、操作靈活的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有施工危險(xiǎn)性高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、掘進(jìn)效率低下的缺點(diǎn)。落后的硬巖巷道掘進(jìn)技術(shù)極大限制了煤礦的安全生產(chǎn)和采掘接替工作，無法滿足現(xiàn)代化新建礦井高質(zhì)量建設(shè)要求。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)煤炭工業(yè)實(shí)現(xiàn)了歷史性的跨越，科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力大幅提升，煤炭生產(chǎn)方式正在由粗放向集約高效現(xiàn)代化方向轉(zhuǎn)變[4]。煤礦生產(chǎn)一直遵循“采掘并舉、掘進(jìn)先行”的方針，但是煤礦巖巷掘進(jìn)的速度和機(jī)械化水平依然落后，很多礦井大斷面巖巷平均月進(jìn)尺僅有50～80 m[5]，嚴(yán)重影響采掘接續(xù)計(jì)劃。

全斷面掘進(jìn)機(jī)(TBM)是專門用于開鑿隧道的大型機(jī)具，可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)、出渣等工序并行連續(xù)作業(yè)，具有機(jī)械化程度高、掘進(jìn)速度快、安全、環(huán)保、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)[6-7]，可在難以用傳統(tǒng)鉆爆法施工的復(fù)雜地理地貌深埋長(zhǎng)隧洞條件下施工，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化換人，自動(dòng)化減人，智能化掘進(jìn)”[8]。TBM在國(guó)內(nèi)煤礦巖巷掘進(jìn)的應(yīng)用還處于探索階段，目前在淮南礦業(yè)、山東能源、神東等都取得了不錯(cuò)的進(jìn)尺[9-12]。

貴州八部門聯(lián)合印發(fā)《貴州省煤礦智能化發(fā)展實(shí)施方案2020—2025年》，提出了具有貴州特色的煤礦智能化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，其中明確指出智能化綜掘工作面應(yīng)采用掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸“三位一體”高效快速掘進(jìn)技術(shù)體系，鼓勵(lì)礦用TBM應(yīng)用及推廣。為推動(dòng)全省煤礦安全生產(chǎn)和能源高質(zhì)量發(fā)展，省能源局、省財(cái)政廳印發(fā)關(guān)于支持加大煤礦安全生產(chǎn)投入的若干政策措施，支持購買關(guān)鍵裝備(盾構(gòu)機(jī)每臺(tái)獎(jiǎng)補(bǔ)300萬元)。

國(guó)產(chǎn)化的TBM已成為我國(guó)隧道快速施工的國(guó)之重器，在我國(guó)鐵道、水利、交通、市政等隧洞工程中應(yīng)用正在迅猛增長(zhǎng)[13-14]，為我國(guó)高鐵建設(shè)提供了堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)支撐，同時(shí)TBM的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸由傳統(tǒng)隧道(洞)擴(kuò)展到煤礦巷道[15-16]。將TBM應(yīng)用于煤礦是推進(jìn)煤礦高效安全開采的重要決策，自2019年4月起，貴州貴能投資股份有限公司聯(lián)合中國(guó)中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司經(jīng)過多次技術(shù)論證，為其下屬的聚鑫煤礦+1 095 m水平大巷研制成功了?6 030 mm大斷面、短機(jī)身、全巖巷盾構(gòu)機(jī)TBM，并成功完成了巷道掘進(jìn)，在工程實(shí)踐過程中總結(jié)了大量經(jīng)驗(yàn)，對(duì)TBM施工技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的推廣和借鑒意義。

1 工程概況

1.1 巷道地質(zhì)條件

聚鑫煤礦采用斜井-平硐聯(lián)合開拓方式，主、副平硐部分已完成施工。?6 030 mm TBM將施工主平硐延伸段和+1 095 m水平運(yùn)輸大巷。

+1 095 m水平運(yùn)輸大巷均為巖巷，相鄰無采掘巷道。主要用于形成運(yùn)輸、通風(fēng)、行人系統(tǒng)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2 126.8 m。巷道開口中線位于主平硐延伸段22號(hào)導(dǎo)向點(diǎn)前24.8 m處，按178°50′34″方位，+0.3%坡度掘進(jìn)1 497.7 m，然后轉(zhuǎn)向按167°38′15″方位，+0.3%坡度掘進(jìn)628.9 m到+1 095 m水平運(yùn)輸石門設(shè)計(jì)位置(圖1)。

圖1 +1 095 m水平運(yùn)輸大巷巷道布置Fig.1 Layout of +1 095 m transport tunnel

巷道頂、底板巖性主要為石灰?guī)r、粉砂巖、細(xì)砂巖等，根據(jù)地質(zhì)資料顯示，巷道掘進(jìn)過程中不會(huì)揭露落差較大的斷層，巖層較穩(wěn)定。掘進(jìn)區(qū)域巖(煤)層為一單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀穩(wěn)定，巖層厚度變化不大，巖層為傾角32°～40°，平均傾角38°，總體上地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，圖1為聚鑫煤礦+1 095 m運(yùn)輸大巷布置。

1.2 巷道參數(shù)設(shè)計(jì)

+1 095 m運(yùn)輸大巷為圓型斷面，凈斷面26.7 m2，掘進(jìn)斷面28.6 m2，凈寬5.83 m，凈高5.83 m，其斷面與掘進(jìn)期間設(shè)備布置如圖2所示。

圖2 運(yùn)輸大巷支護(hù)斷面Fig.2 Support section of large transport tunnel

2 TBM與煤礦常用施工技術(shù)對(duì)比分析

對(duì)比鉆爆法和綜掘法，TBM能夠?qū)崿F(xiàn)快速掘進(jìn)，提高安全性，改善煤礦掘進(jìn)工作面環(huán)境，緩解人員緊張等顯著優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。對(duì)比傳統(tǒng)鉆爆、綜掘、TBM法3種施工技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

2.1 技術(shù)先進(jìn)性對(duì)比

1)TBM高效破巖。TBM采用滾刀破巖(圖3)，全斷面開挖，是機(jī)械法開挖刀具損耗最經(jīng)濟(jì)的方式。TBM的破巖機(jī)理是滾刀不斷對(duì)巖石進(jìn)行剪切、擠壓、拉裂等綜合作用，從而巖石在內(nèi)部形成中間裂紋、側(cè)向裂紋、徑向裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致在巖石的掌子面上不斷形成片狀剝落，在運(yùn)輸大巷等硬巖巷道施工中，優(yōu)勢(shì)更加明顯。

2)掘進(jìn)與支護(hù)平行作業(yè)。傳統(tǒng)炮掘工藝需6道工序才可實(shí)現(xiàn)一個(gè)循環(huán)，綜掘工藝需2道工序，而TBM可將多道工序集成實(shí)現(xiàn)掘支運(yùn)一體化，開展掘進(jìn)和支護(hù)平行作業(yè)，通過帶式輸送機(jī)連續(xù)出渣，提高掘進(jìn)工效。TBM施工掘進(jìn)速度是傳統(tǒng)炮掘工藝的3～10倍，是綜掘工藝的2～8倍[17-18]。

FN—滾刀刀刃對(duì)巖石的法向拉力；S—滾刀的刀間距圖3 TBM滾刀破巖機(jī)理示意Fig.3 Schematic of TBM hob rock breaking mechanism

3)地質(zhì)條件的適應(yīng)性。TBM在巖性比較單一且穩(wěn)定的層位掘進(jìn)時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)，地質(zhì)適應(yīng)性較差，掘進(jìn)過程中對(duì)不良地質(zhì)條件極為敏感，一旦出現(xiàn)工程地質(zhì)災(zāi)害，效率將大幅降低。傳統(tǒng)鉆爆法相對(duì)靈活，對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性較強(qiáng)，可根據(jù)地質(zhì)條件和圍巖穩(wěn)定性情況及時(shí)調(diào)整施工方案。綜掘法對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性介于兩者之間。

4)圍巖穩(wěn)定性。鉆爆法和綜掘機(jī)開挖斷面形狀多為直墻半圓拱形或馬蹄形，局部易出現(xiàn)應(yīng)力集中，且施工過程中對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，不利于圍巖穩(wěn)定。而TBM采用滾刀破巖，對(duì)圍巖擾動(dòng)較小，且開挖斷面形狀為圓形，受力狀態(tài)較好，有利于圍巖穩(wěn)定。同時(shí)，TBM還配備多種支護(hù)方式(超前支護(hù)、注漿、錨網(wǎng)噴配合鋼拱架鋼筋排聯(lián)合支護(hù)等)，與傳統(tǒng)鉆爆法和綜掘法相比，支護(hù)更為及時(shí)，支護(hù)強(qiáng)度更高，且機(jī)械化程度高，避免了人為因素導(dǎo)致的工程質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，在深井巷道圍巖穩(wěn)定性控制中具有顯著優(yōu)勢(shì)。

5)施工質(zhì)量。TBM施工斷面十分規(guī)整，施工質(zhì)量較高。而傳統(tǒng)鉆爆法無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，超欠挖現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，斷面參差不齊，施工質(zhì)量難以得到保證。

6)施工環(huán)境。TBM配置大功率干式除塵器，除塵效果十分明顯。而傳統(tǒng)鉆爆法和綜掘法施工過程中產(chǎn)生的粉塵量較大，施工環(huán)境較差。

2.2 施工經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

1)經(jīng)濟(jì)性。施工短距離巷道工程時(shí)，采用鉆爆法和綜掘法掘進(jìn)相對(duì)于TBM更為經(jīng)濟(jì)。但是在長(zhǎng)距離開拓巷道掘進(jìn)時(shí)，特別是在硬度超過70 MPa的堅(jiān)硬巖層中施工時(shí)，選用鉆爆法或綜掘法掘進(jìn)需配置大量輔助和支護(hù)設(shè)備，這時(shí)采用TBM則整體上更為經(jīng)濟(jì)。

2)減人提效。應(yīng)用TBM掘進(jìn)對(duì)施工人員素質(zhì)要求較高，但是對(duì)人員數(shù)量要求較少，可以實(shí)現(xiàn)減人提效；而傳統(tǒng)鉆爆法和綜掘法對(duì)施工人員數(shù)量要求較高，且工人勞動(dòng)強(qiáng)度高。

綜上所述，傳統(tǒng)鉆爆法的優(yōu)勢(shì)主要是技術(shù)相對(duì)成熟、適合復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，同時(shí)掘進(jìn)速度慢、對(duì)圍巖擾動(dòng)大的缺點(diǎn)也十分顯著；TBM掘進(jìn)技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在掘進(jìn)速度快、自動(dòng)化程度高、對(duì)圍巖擾動(dòng)小、工程質(zhì)量高、施工安全等。當(dāng)巷道掘進(jìn)里程超過5～6 km，礦用TBM在延米費(fèi)用上具有優(yōu)勢(shì)；TBM使用壽命較長(zhǎng)，隨著掘進(jìn)里程增加，TBM的綜合成本優(yōu)勢(shì)更加明顯。應(yīng)用TBM掘進(jìn)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高度集約化、機(jī)械化的平行作業(yè)，能明顯縮短工期，為形成深部及超深規(guī)模資源開發(fā)利用的綜合機(jī)械化、連續(xù)開采模式提供了技術(shù)思路與研究方向[19]。

2.3 一巷三用

TBM施工一次成硐，可實(shí)現(xiàn)一巷多用，人員、物流、風(fēng)流合一。巷道頂部用于煤和矸石等物流運(yùn)輸，另一側(cè)用于行人和設(shè)備檢修通道，側(cè)幫用于風(fēng)、水、電輸送。中部主要用于設(shè)備運(yùn)輸和膠輪車行走。巷道底部鋪設(shè)預(yù)制水槽，用于巷道排水，如圖4所示。

圖4 掘進(jìn)期間設(shè)備布置Fig.4 Equipment layout diagram during excavation

3 TBM選型及關(guān)鍵技術(shù)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已有100多臺(tái)TBM在全世界60余座礦山開挖超過220 km的礦山井巷工程，但多應(yīng)用于金屬礦[19]。根據(jù)巖體條件、地質(zhì)環(huán)境、施工安全需求，TBM可大致分為3類，如圖5所示。

圖5 礦山工程應(yīng)用的TBM類型匯總Fig.5 Summary of TBM types for mine engineering application

通過開展復(fù)雜地質(zhì)條件巷道技術(shù)參數(shù)確定研究，充分考慮全斷面掘進(jìn)機(jī)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的擾動(dòng)影響，深入研究全斷面掘進(jìn)機(jī)快速施工圍巖力學(xué)響應(yīng)機(jī)理，提出了滿足全斷面掘進(jìn)機(jī)快速施工煤礦硬巖巷道特點(diǎn)與要求的巷道支護(hù)型式和施工技術(shù)；著力研發(fā)“小斷面、大坡度、小轉(zhuǎn)彎半徑”的“有人值守，無人操作”的智能TBM，開展巖-機(jī)相互作用理論與全過程量化研究，圍巖智能識(shí)別、評(píng)價(jià)與預(yù)警研究，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)感知與評(píng)價(jià)分析研究，TBM掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化策略及智能控制技術(shù)研究等方面的工作。將TBM智能化技術(shù)轉(zhuǎn)化成果與現(xiàn)代化智能礦山的開發(fā)利用深度融合，提升貴州礦山智能化技術(shù)水平，服務(wù)于貴州的礦業(yè)、安全、能源等戰(zhàn)略，促進(jìn)貴州省煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

3.1 TBM結(jié)構(gòu)選型及主要技術(shù)參數(shù)

“貴能二號(hào)”采用護(hù)盾式結(jié)構(gòu)，主機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：最小水平轉(zhuǎn)彎半徑尺為60 m；主機(jī)長(zhǎng)度為10 m，整機(jī)長(zhǎng)度為90 m，新刀開挖直徑為6 030 mm。設(shè)備總長(zhǎng)度為85 m，車間組裝情況如圖6所示。

圖6 車間組裝R60 m轉(zhuǎn)彎模擬Fig.6 Workshop assembly of R60 m turn simulation

護(hù)盾式TBM具有較強(qiáng)的通過能力，在單邊擴(kuò)挖50 mm的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)極小半徑連續(xù)轉(zhuǎn)彎，大幅提高了TBM靈活性；有盾殼的保護(hù)，遇到軟弱圍巖或斷層，能夠?qū)θ藛T和設(shè)備起到保護(hù)作用。對(duì)比敞開式TBM，護(hù)盾式TBM犧牲了空頂距，在圍巖壓力可控制的工況下，滿足礦井采區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)需求，快速形成生產(chǎn)系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)組成

“貴能二號(hào)”TBM掘進(jìn)機(jī)利用全斷面刀盤一次破巖成巷，集掘進(jìn)、出渣、支護(hù)、除塵、通風(fēng)、導(dǎo)向、防爆技術(shù)于一體，主要由刀盤、主驅(qū)動(dòng)、護(hù)盾、伸縮盾、撐緊推進(jìn)機(jī)構(gòu)、后配套拖車等組成，如圖7所示。

圖7 ?6 030 TBM出廠實(shí)物Fig.7 Physical factory of ?6 030 TBM

3.3 設(shè)備特點(diǎn)及施工方案

TBM采取三班制(一班檢修、兩班生產(chǎn))作業(yè)。掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，巖石受到刀盤擠壓剝落成小塊巖石，經(jīng)刀盤鏟刀進(jìn)入溜渣槽，然后落到一運(yùn)帶式輸送機(jī)上，最后由二運(yùn)帶式輸送機(jī)輸送至設(shè)備尾部。其主要特點(diǎn)性能指標(biāo)及施工方案見表2。

3.4 關(guān)鍵技術(shù)

1)適于復(fù)雜地質(zhì)條件和特種用途的盾構(gòu)機(jī)性能與參數(shù)確定。

2)智能TBM研發(fā)：①巖-機(jī)相互作用理論與全過程量化研究；②圍巖智能識(shí)別、評(píng)價(jià)與預(yù)警；③盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)感知與評(píng)價(jià)；④TBM海量施工數(shù)據(jù)分析與建模；⑤盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化策略及智能控制技術(shù)研究。

3)整機(jī)煤安防爆設(shè)計(jì)；能夠在煤與瓦斯突出礦井安全運(yùn)行，整機(jī)風(fēng)電閉鎖，瓦電閉鎖。

4)TBM分塊設(shè)計(jì)，包括刀盤、驅(qū)動(dòng)、盾體等大部件的分塊設(shè)計(jì)；最大不可拆卸尺寸：8 000 mm×3 610 mm×3 610 mm，最大質(zhì)量不超過25 t。

5)整機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，方便設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)組裝及拆卸。

6)實(shí)現(xiàn)超小轉(zhuǎn)彎半徑，轉(zhuǎn)彎半徑60 m。

4 工程應(yīng)用

TBM在地面進(jìn)行拆解，通過副運(yùn)輸大巷下井組裝，其中刀盤分為6塊，主驅(qū)動(dòng)箱分為2塊，最大不可拆卸件為：8 000 mm×2 500 mm×2 500 mm，模塊化設(shè)計(jì)可以滿足大部分礦井巷道運(yùn)輸條件，設(shè)備組裝情況如圖8所示。

圖8 井下組裝設(shè)備流程Fig.8 Flow of assembly equipment

4.1 井下組裝

巷道頂板及兩側(cè)幫采用錨網(wǎng)索+噴漿支護(hù)，圖9為錨網(wǎng)支護(hù)后效果。

圖9 錨網(wǎng)支護(hù)效果Fig.9 Bolting with wire mesh support result

4.2 小半徑轉(zhuǎn)彎施工

“貴能二號(hào)”礦用TBM，不僅取得了月進(jìn)尺的行業(yè)記錄，同時(shí)首次實(shí)現(xiàn)極小半徑轉(zhuǎn)彎，為礦井建設(shè)和規(guī)劃提供新的理念，圖10為轉(zhuǎn)彎施工成巷效果。

圖10 設(shè)備R60 m轉(zhuǎn)彎施工Fig.10 Equipment R60 m turning construction

4.3 物探先行，鉆探驗(yàn)證

配置ZDY6500K煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)，低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、全傾角電控鉆機(jī)。采用新型變幅裝置，能實(shí)現(xiàn)多種鉆孔角度和鉆孔高度的調(diào)節(jié)，額定轉(zhuǎn)矩6 500 N·m，探測(cè)距離300 m。一機(jī)多用，可以用于薄煤層雙層孔或多層孔施工、鄰近層瓦斯抽采鉆孔施工、穿層孔施工，能夠?qū)η胺剿屯咚惯M(jìn)行超前探測(cè)。側(cè)幫開孔施工如圖11所示。

圖11 超前鉆機(jī)工作狀態(tài)Fig.11 Working status of the front drilling rig

4.4 TBM“貴能二號(hào)”使用情況

2021年3月份開始正式掘進(jìn)，進(jìn)行人機(jī)磨合、調(diào)試進(jìn)尺近56 m，4月份安裝連續(xù)帶式輸送機(jī)進(jìn)尺261 m，5月份掘進(jìn)418 m(當(dāng)月最高日進(jìn)尺29.9 m、最高小班進(jìn)尺16.1 m)，6月份進(jìn)入轉(zhuǎn)彎段(轉(zhuǎn)彎半徑60 m、轉(zhuǎn)彎角度90°)、構(gòu)造影響圍巖破碎進(jìn)尺只有134 m，7月份整機(jī)進(jìn)入弧線段、加之圍巖破碎只掘進(jìn)了48 m，9、10月掘進(jìn)工作面存在裂隙構(gòu)造，進(jìn)度均只有148 m，11月工作17 d進(jìn)度121 m，目前保持每班進(jìn)尺5～6 m，每天進(jìn)尺約15 m，運(yùn)行良好，成巷效果如圖12所示，各月進(jìn)度統(tǒng)計(jì)直方圖如圖13所示。3月：上半月組裝，17號(hào)始發(fā)；4月：安裝連續(xù)膠帶運(yùn)輸機(jī)，打地質(zhì)鉆(耗時(shí)6 d)；5月：施工地質(zhì)鉆孔(耗時(shí)3 d)；6月：轉(zhuǎn)彎段(半徑75 m，90°轉(zhuǎn)向)，斷層構(gòu)造影響；7月：弧線施工，斷層構(gòu)造影響；8月：裂隙構(gòu)造影響；9月：裂隙構(gòu)造影響；10月：安裝轉(zhuǎn)彎輸送帶(耗時(shí)8 d)；11月：安裝轉(zhuǎn)彎輸送帶(耗時(shí)6 d)。

圖12 成巷效果Fig.12 Impression drawing of final roadway

圖13 各月進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)Fig.13 Monthly progress statistics

5 礦用TBM未來發(fā)展方向探討

礦用TBM目前還處于探索發(fā)展期，設(shè)備與煤礦應(yīng)用場(chǎng)景的融合還需要深入的研究，“貴能二號(hào)”的成功應(yīng)用，給礦用TBM產(chǎn)品與技術(shù)規(guī)劃提供了一些參考。

5.1 煤礦行業(yè)施工與TBM技術(shù)的融合

煤礦巖巷掘進(jìn)將更多采用TBM，同時(shí)筆者認(rèn)為TBM設(shè)備還有很多優(yōu)化的空間。

1)優(yōu)化設(shè)備長(zhǎng)度及配置。礦用TBM設(shè)備長(zhǎng)度控制住30～40 m，設(shè)備長(zhǎng)度盡可能短，增強(qiáng)設(shè)備的性價(jià)比。

2)機(jī)型和設(shè)備直徑定型。根據(jù)巷道服務(wù)年限和斷面要求，確定合適的直徑系列，有利于設(shè)備不斷優(yōu)化升級(jí)，從定制走向定型。

3)巷道轉(zhuǎn)彎半徑不宜過小。100 m左右的轉(zhuǎn)彎半徑有利于TBM選型。敞開式機(jī)型更有利于煤礦巷道施工，尤其是凱式TBM，能夠充分發(fā)揮設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，更適用煤礦應(yīng)用場(chǎng)景，如圖14所示。

圖14 凱式TBMFig.14 Gripper TBM

4)支護(hù)效率提高。礦用TBM與錨桿支護(hù)施工相結(jié)合；錨桿支護(hù)角度對(duì)鉆機(jī)布置形式影響較大，煤礦巖巷施工，巖石單軸抗壓強(qiáng)度在100 MPa以下的比例非常高，此工況下氣動(dòng)錨桿機(jī)鉆孔效率偏低，礦用TBM錨桿鉆機(jī)宜選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活的機(jī)型。在不同圍巖條件下，進(jìn)行科學(xué)合理的支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，提高支護(hù)效率，才能提高掘進(jìn)進(jìn)尺。

5.2 礦用TBM無人化操作、智能化自主掘進(jìn)

礦用TBM集眾多技術(shù)于一體，完全有條件實(shí)現(xiàn)智能化掘進(jìn)，未來的礦用TBM一定是少人甚至無人的。

研究TBM智能掘進(jìn)應(yīng)遵循“以感知為基礎(chǔ)，以信息融合為中心，以智能掘進(jìn)為目標(biāo)”的原則，解決TBM掘進(jìn)缺感知、缺數(shù)據(jù)、缺決策的問題[4]。TBM智能掘進(jìn)研究體系主要是基于一套數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系、一系列感知終端、建設(shè)一條數(shù)據(jù)傳輸通道、開發(fā)一個(gè)TBM云服務(wù)平臺(tái)，面向項(xiàng)目各參與方實(shí)現(xiàn)按需服務(wù)，如圖15所示[4]。

圖15 TBM智能化研究體系Fig.15 TBM intelligent research system

智能化掘進(jìn)機(jī)需要自主完成“感知—大數(shù)據(jù)分析—決策—執(zhí)行”，因此，如何將新一代信息技術(shù)有效應(yīng)用于隧道掘進(jìn)機(jī)，開發(fā)研制出智能化掘進(jìn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)整體設(shè)備的智能感知、智能施工、健康管理等，將成為工程領(lǐng)域的重大技術(shù)挑戰(zhàn)和未來的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)[20-21]。

6 結(jié) 論

1)開展復(fù)雜地質(zhì)條件巷道技術(shù)參數(shù)確定研究，充分考慮全斷面掘進(jìn)機(jī)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的擾動(dòng)影響，提出了滿足全斷面掘進(jìn)機(jī)快速施工煤礦硬巖巷道特點(diǎn)與要求的巷道支護(hù)型式和施工技術(shù)。

2)著力研發(fā)“小斷面、大坡度、小轉(zhuǎn)彎半徑”的“有人值守，無人操作”的智能TBM，開展巖-機(jī)相互作用理論與全過程量化研究，圍巖智能識(shí)別、評(píng)價(jià)與預(yù)警研究，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)感知與評(píng)價(jià)分析研究，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化策略及智能控制技術(shù)研究等方面的工作。

3)將TBM智能化技術(shù)轉(zhuǎn)化成果與現(xiàn)代化智能礦山的開發(fā)利用深度融合，促進(jìn)貴州省煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。提升了煤礦安全生產(chǎn)水平、保障礦井采掘生產(chǎn)高效接續(xù)，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，對(duì)促進(jìn)貴州省經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)和社會(huì)進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。