張洪偉，胡兆鋒，程敬義，朱傳奇，趙毅鑫，鄭興博，呂長剛，高 翔，周 俊

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點實驗室，北京 100083; 2.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001; 3.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001; 4.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918; 5.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 6.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110000)

我國煤礦巖巷掘進(jìn)以炮掘和綜掘為主，此類掘進(jìn)方法地質(zhì)適應(yīng)性強、簡單經(jīng)濟，但還存在巷道成形質(zhì)量差、作業(yè)風(fēng)險較大、工作環(huán)境惡劣、掘進(jìn)效率低等問題[1-2]。同時，隨著回采速度不斷加快，巖巷掘進(jìn)效率卻難以突破，采掘接續(xù)問題愈發(fā)突出。全斷面隧道掘進(jìn)機(TBM)以其智能高效、少人化、作業(yè)環(huán)境好、工序連續(xù)銜接等優(yōu)勢已成為地鐵、公路、水電、市政等隧道工程領(lǐng)域的主流裝備[3]。此類裝備1999年開始引入煤礦巷道建設(shè)(山西省鄉(xiāng)寧縣王家?guī)X礦井平硐開拓)[4]，以后在煤礦大斷面、長距離巖石巷道掘進(jìn)方面不斷得到成功應(yīng)用，逐漸成為了硬巖巷道安全高效掘進(jìn)和煤礦智能化水平提升的重要保障[5]。據(jù)統(tǒng)計，近5 a來，已有11座煤礦使用TBM，如塔山煤礦主平硐(φ4.82 m，全長3 023 m)、神東補連塔煤礦輔運巷道(φ7.62 m，全長2 745 m)、淮南張集煤礦高抽巷(φ4.5 m，全長1 594 m)、山西東曲煤礦(φ5 m，全長3 600 m)、云南羊場煤礦楊家礦井(φ3.2 m，全長1 014 m)，新巨龍煤礦(φ6.33 m，全長2 817 m)等。相對于傳統(tǒng)鉆爆法施工，TBM掘進(jìn)月進(jìn)尺高達(dá)400 m以上，是傳統(tǒng)鉆爆法的4～10倍、綜掘法的2～8倍[6]。

近些年，我國巖巷TBM掘進(jìn)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，眾多學(xué)者也對TBM地質(zhì)適應(yīng)性[7-9]、滾刀設(shè)計與破巖機理[10-12]、掘支作業(yè)及巷道圍巖控制[13-15]、通風(fēng)及除塵技術(shù)[16-18]、超前探測與狀態(tài)感知[19-22]等開展了廣泛研究，取得了顯著的成果，為我國硬巖TBM掘進(jìn)自動化、智能化水平的提升奠定了堅實的基礎(chǔ)。但是，在煤礦開采領(lǐng)域，很多礦區(qū)不可避免的進(jìn)入了深部開采階段;其中，我國中東部主要礦井的開采深度已達(dá)到800～1 000 m，有47座礦井采深超過1 000 m，山東孫村煤礦最大采深超過1 500 m[23]。從煤礦使用TBM掘進(jìn)巖巷的現(xiàn)狀來看，已有的TBM大多應(yīng)用于淺部礦井，深部礦井應(yīng)用很少，尤其是在超千米深井大斷面硬巖TBM掘進(jìn)中并無應(yīng)用先例。已知相對比較深的礦井中，陽煤集團TBM應(yīng)用深度為560 m、淮南張集煤礦應(yīng)用深度為510 m。此外，由于深層煤礦開采面臨“三高一擾動”的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境[24]，淺部煤礦應(yīng)用成功的TBM掘進(jìn)技術(shù)還存在很多突出難題，如千米深井大尺寸TBM轉(zhuǎn)運與集成、深部高水平應(yīng)力下超大斷面安裝硐室圍巖穩(wěn)定性控制、一次成形大斷面巷道圍巖穩(wěn)定性控制及長距離連續(xù)運輸、掘進(jìn)機降溫除塵、超前地質(zhì)預(yù)測與預(yù)報、沖擊地壓防控等。

鑒于山東新巨龍煤礦研發(fā)了適用于深部高溫礦井的TBM掘進(jìn)裝備，并成功應(yīng)用于千米深井，筆者系統(tǒng)論述了千米高溫礦井大斷面巖巷TBM智能掘進(jìn)系統(tǒng)及圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)，提出其建造及應(yīng)用過程中的難點和解決思路，旨在為類似礦井采用TBM掘進(jìn)巖巷提供一定的技術(shù)借鑒。

1 “新礦1號”TBM的研發(fā)及工程應(yīng)用條件

1.1 TBM裝備的研發(fā)

山東新巨龍煤礦是我國典型的深部高溫礦井，利用TBM掘進(jìn)的二水平北區(qū)回風(fēng)大巷埋深約1 000 m。煤礦前期采用MH620硬巖掘進(jìn)機進(jìn)行開拓巷道施工，掘進(jìn)速度慢，特別是巖石的普氏硬度系數(shù)大于10時，截齒及齒套磨損過快，嚴(yán)重影響采掘接續(xù)，每月平均進(jìn)尺約100 m。TBM掘進(jìn)區(qū)域巖層為7.56 m的粉砂巖。為實現(xiàn)安全快速掘進(jìn)、提升礦井智能化水平，新巨龍煤礦聯(lián)合多家單位，于2018年研發(fā)了EQC6330全斷面TBM掘進(jìn)系統(tǒng)(φ6.33 m)，實現(xiàn)了千米深井硬巖全斷面TBM智能高效掘進(jìn)[25]。

1.2 工程應(yīng)用條件

新巨龍煤礦可采煤層大部分處于2級高溫?zé)岷^(qū)，高地溫及熱水上涌是導(dǎo)致該礦井熱害的主要熱源。其中，非煤系地層平均地溫梯度1.85 ℃/hm，煤系地層平均地溫梯度2.76 ℃/hm，采區(qū)大部分塊段原始巖溫為37～45 ℃，處于2級熱害區(qū)域。根據(jù)測算，掘進(jìn)工作面空氣溫度一般在32～35 ℃，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。該礦井主采3號煤的平均厚度為9.0 m的特厚煤層，同時也屬于沖擊地壓礦井。

如圖1所示，TBM安裝硐室為始發(fā)位置，位于二水平回風(fēng)暗斜井BH64導(dǎo)線點以東40 m處，井下標(biāo)高-971.4～-959.8 m，全長93 m。TBM掘進(jìn)巷道由安裝硐室開始施工，井下標(biāo)高-971.5～-948.8 m，地面標(biāo)高+42.2～+43.6 m，大巷按R500 m的曲率半徑以2.1°上坡施工454.8 m，然后按0°方位以3°上坡施工2 361.7 m至設(shè)計位置，巷道全長2 816.5 m。

圖1 TBM安裝硐室及掘進(jìn)巷道工程平面圖Fig.1 Engineering maps of the TBM installation cave and the TBM driving roadway

2 低位主梁TBM掘進(jìn)機系統(tǒng)組成及特點

2.1 系統(tǒng)組成

“新礦1號”TBM掘進(jìn)機開挖直徑6.33 m，整機功率高達(dá)2 400 kW，采用盤形滾刀破巖機理，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。TBM由刀盤、主驅(qū)動、護(hù)盾、主梁、撐緊推進(jìn)機構(gòu)、后支撐、轉(zhuǎn)載機構(gòu)、后配套拖車等構(gòu)成，設(shè)計最大推力為17 500 kN。掘進(jìn)時，采用帶有滾刀的刀盤通過擠壓將巖石剝落成小塊巖石，通過刀盤鏟刀將巖石碎塊帶到刀盤中心的溜渣槽，然后落到主機帶式輸送機上，由后配套帶式輸送機輸送至巷道外。其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 新礦1號TBM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Structure formation of Xinkuang TBM

2.2 主要部件

(1)大直徑超重刀盤。刀盤直徑6.33 m，尺寸φ6 330 mm×1 725 mm，質(zhì)量105 t，設(shè)計最大轉(zhuǎn)速9 r/min。采用1個中心塊和4個邊塊的設(shè)計，5塊刀盤通過連接法蘭用螺栓聯(lián)接，工地裝配后進(jìn)行整體焊接。刀盤采用優(yōu)質(zhì)合金碳素鋼Q345D材料焊接而成，其正面設(shè)置有安裝刀座、鏟斗和降溫除塵用的噴水口，內(nèi)部沿徑向設(shè)有多組豎向筋板，對整個刀盤起到豎向支撐作用，使整個刀盤結(jié)構(gòu)形成一個完整的剛性整體。

此刀盤上配備了2種類型的滾刀，4把17吋中心雙聯(lián)滾刀和31把19寸單刃正滾刀。中心雙聯(lián)滾刀結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便;安裝方式為背裝式。面滾刀和邊滾刀均采用19寸單刃滾刀，同樣采用背裝式，便于現(xiàn)場更換。

(2)一體化盾體與主驅(qū)動。盾體與主驅(qū)動為一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)，主驅(qū)動既是驅(qū)動刀盤的傳動機構(gòu)，又是護(hù)盾的支撐機構(gòu)，驅(qū)動功率1 800 kW。刀盤與驅(qū)動連接，驅(qū)動與大梁連接，護(hù)盾有6個部分，均與驅(qū)動殼體連接。在掘進(jìn)過程中，左右側(cè)護(hù)盾可徑向伸出或縮回100 mm，以滿足特殊的地質(zhì)狀況或轉(zhuǎn)彎時的變徑要求。頂護(hù)盾通過頂護(hù)盾油缸和滑道安裝在刀盤支撐上，可徑向伸出40 mm或縮回110 mm。

(3)低位主梁與推進(jìn)機構(gòu)。不同于常規(guī)設(shè)計的中位主梁結(jié)構(gòu)，“新礦1號”采用低位主梁結(jié)構(gòu)，提供了充足的支護(hù)操作空間。主梁內(nèi)部是主機帶式輸送機通道，主梁中段主要承載刀盤的扭矩，安裝鞍架和撐靴，為撐靴的向前滑動提供滑道。推進(jìn)機構(gòu)由推進(jìn)部分、鞍架和撐緊部分組成，推進(jìn)部分由推進(jìn)液壓缸和鉸接座組成，推進(jìn)部分前端與主驅(qū)動連接，后端與撐緊機構(gòu)相連，撐緊機構(gòu)主要由撐緊液壓缸和撐靴組成，并通過扭矩油缸與鞍架相連。主梁與護(hù)盾連接，用來傳遞推力和扭矩，承載支護(hù)機構(gòu)和推進(jìn)機構(gòu)，與后支撐一起實現(xiàn)TBM推進(jìn)和換步功能。

(4)全自動鉆機錨桿支護(hù)與尾支撐。支護(hù)機構(gòu)由3臺液壓錨桿鉆機和鉆機平臺組成，撐靴前1臺、后2臺，實現(xiàn)了掘支一體化作業(yè)，如圖3所示。尾支撐與推進(jìn)機構(gòu)相連，TBM掘進(jìn)時后支撐隨著主大梁一起前移。當(dāng)TBM需要換步時，后下支承下降并支承在底板以承受機器后部重量，TBM完成換步后，尾支撐縮回，并隨主機一起前移。

圖3 錨桿鉆機結(jié)構(gòu)和實物Fig.3 Structure schematic and pictures of bolting rigs

(5)超前勘探系統(tǒng)。超前勘探系統(tǒng)由固定在鞍架上的超前鉆機旋轉(zhuǎn)環(huán)和超前鉆機組成。進(jìn)行超前勘探時，在液壓馬達(dá)驅(qū)動下鉆進(jìn)，最小勘探角度6°，最大勘探深度50 m，使用釬尾為T38，左旋螺紋，超前鉆孔直徑φ73 mm，超前小導(dǎo)管直徑φ108 mm，壁厚10 mm。

(6)除塵、出渣及有害氣體探測系統(tǒng)。刀盤正面設(shè)置了噴水裝置，在刀盤切削巖石過程中進(jìn)行噴水降塵。通過安裝CFTHBKO1/600干式除塵設(shè)備，除去懸浮粉塵。出渣系統(tǒng)由刮板輸送機、主機帶式輸送機與后配套帶式輸送機構(gòu)成。主機帶式輸送機裝備有跑偏、打滑、撕裂、堆煤、煙霧、溫度和自動灑水等機械電氣安全保護(hù)裝置，在設(shè)備不同位置設(shè)置5個甲烷檢測傳感器，1個O2傳感器、1個H2S傳感器、1個CO傳感器，實現(xiàn)有害氣體閉鎖保護(hù)?！靶碌V1號”TBM掘進(jìn)機部分部件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 整機特點

(1)主梁下置?？紤]到錨桿必須垂直于巷道巖面90°打設(shè)的要求，設(shè)計時不同于普通掘進(jìn)機的主梁上置結(jié)構(gòu)，將主梁整體翻轉(zhuǎn)采用下置主梁結(jié)構(gòu)，上部留有大的操作空間，可以滿足一次性打2.5 m的錨桿，解決了支護(hù)錨桿必須通過隧道截面中心線的施工難題和支護(hù)速度跟不上掘進(jìn)速度的難題。

(2)主推缸前置。將主推油缸前置，推力直接作用到主驅(qū)動上，節(jié)省了3～4 m的主機長度，使得主機的轉(zhuǎn)彎半徑由500 m縮小到150 m。

(3)長距離連續(xù)輸運。通過安設(shè)滾動托架和跑偏輪設(shè)計，實現(xiàn)曲線半徑500 m拐彎需要，使用膠帶自動張緊裝置，實現(xiàn)TBM連續(xù)推進(jìn)過程中膠帶自動收放，減少后部搭接膠帶施工時間，提高施工效率。

(4)曲線拐彎施工工藝優(yōu)化。將掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)度由1.4 m縮小至0.8 m，采用及時永久支護(hù)，減小空頂面積。優(yōu)化巷道支護(hù)工藝，由原設(shè)計指形護(hù)盾下打設(shè)5根錨桿護(hù)頂，其余錨桿拖后至撐靴后部，優(yōu)化為掘進(jìn)工作面打設(shè)11根錨桿支護(hù)，將兩側(cè)支護(hù)各下壓2根錨桿。優(yōu)化指形護(hù)盾使用工藝，減少反復(fù)支撐對頂板破壞，每次推進(jìn)前，在指形護(hù)盾上敷鋼筋網(wǎng)，然后前移護(hù)盾，減少反復(fù)破壞，降低頂護(hù)盾、左上護(hù)盾、右上護(hù)盾、側(cè)護(hù)盾對巷幫的支撐，進(jìn)行撤架前移，保證曲線段平穩(wěn)度過。

(5)慣性導(dǎo)航過彎曲段。施工時，TBM始發(fā)后立即進(jìn)入曲線段施工，半徑500 m，長度480 m，掘進(jìn)中充分利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)TBM姿態(tài)調(diào)整。

(6)高效降塵與制冷技術(shù)。通過刀盤設(shè)置噴水裝置，使刀盤切削巖石過程中，進(jìn)行噴水降塵，使用護(hù)盾封閉隔離灰塵，保護(hù)隧道內(nèi)部的干凈與清潔。采用CFTHBKO1/600干式除塵設(shè)備，清理懸浮粉塵。采用雙風(fēng)機4空冷器4風(fēng)筒降溫方案，使施工作業(yè)面保證在26 ℃左右。

3 大尺寸部件運輸與安裝技術(shù)

為滿足大尺寸部件立井下送和井下運輸，TBM采用分體模塊化設(shè)計，主要部件包括刀盤轉(zhuǎn)接環(huán)、刀盤支撐后部、刀盤支撐前部、主梁前段、左撐靴、右撐靴、刀盤中心塊、主軸承、大齒圈、側(cè)鞍架、左護(hù)盾、右護(hù)盾、頂護(hù)盾等22件大件。其中，刀盤中心塊質(zhì)量最大，為24.3 t;左右護(hù)盾體積最大，為24.024 m3;給TBM運輸、安裝帶來極大困難。下井前，存在罐籠空間不足;大件進(jìn)出罐難，安全隱患大;大尺寸部件運輸路線保障難;超重部件運輸對底板擾動大等突出問題。基于此，采取了以下技術(shù)措施:

(1)大尺寸部件運輸路線開幫及路面硬化技術(shù)。為保證TBM各部件順利運輸至安裝硐室，通過數(shù)值計算和物理模擬驗證，對-980 m邊界進(jìn)風(fēng)巷、-980 m邊界進(jìn)風(fēng)運輸四聯(lián)巷進(jìn)行敷設(shè)鐵板，并對超大斷面安裝硐室進(jìn)行路面硬化。由于配件最大不可拆卸件尺寸達(dá)到4.3 m×4.3 m×1.7 m，因此運輸路線巷道最低寬度不得低于4.3 m，且直墻段距底板不得低于2.5 m。通過開展模擬運輸過程，確定斷面不足位置(共13處)進(jìn)行開幫處理與支護(hù)。此外，研發(fā)了專用超低車身平板車，長4 m、寬3 m、高0.45 m，并將專用平板車與WJ-15FB型多功能車相連接，使用WJ-15FB型多功能車牽引運輸大件及超重部件。

(2)大尺寸部件入罐與出罐技術(shù)。如圖5所示，原分層罐籠無法滿足大尺寸配件下井要求，后期更換為活動中盤式罐籠，下井前將大罐中盤拆除，下井時在另一側(cè)小罐增加1～2個車皮的配重，完成TBM組件下送。出罐時，將地軌機車與平盤連接使用，大件緩慢推出罐后掩車固定并解除與地軌機車的連接。打設(shè)9組吊掛錨桿，每組吊掛錨桿4根，并使用不少于6個5 t手拉葫蘆將大件進(jìn)行起吊。起吊后使用手拉葫蘆調(diào)節(jié)大件位置狀態(tài)，將大件橫置換裝到專用平板車后封裝固定并運送。

圖5 大尺寸部件入罐與出罐技術(shù)Fig.5 Technology of large-size components entering and leaving the cage

(3)超重超大刀盤整體旋轉(zhuǎn)及吊裝技術(shù)。TBM大件22件，小件數(shù)百，其中刀盤由5個分塊拼裝完成，總質(zhì)量達(dá)130 t。從平放位置翻轉(zhuǎn)至直立并與主驅(qū)動軸承對接，難度大，且現(xiàn)場機電設(shè)備多，電纜接線多，易出現(xiàn)觸電事故，風(fēng)險極高。吊裝前，對大斷面安裝硐室超重部件吊裝圍巖穩(wěn)定性控制進(jìn)行了專項科研研究，開展了理論分析、數(shù)值計算、物理相似模擬等分析，最終確定利用6臺35 t回柱絞車配合動滑輪組進(jìn)行施工，順利解決了TBM刀盤起吊、翻轉(zhuǎn)與圍巖穩(wěn)定性控制問題，實現(xiàn)了安裝硐室斷面144 m2圍巖穩(wěn)定性控制、井下單件130 t設(shè)備吊轉(zhuǎn)與976件部件現(xiàn)場拼裝，形成了深部高溫礦井97 m TBM整機的運輸與安裝關(guān)鍵技術(shù)。刀盤起吊翻轉(zhuǎn)如圖6所示。

圖6 刀盤起吊與翻轉(zhuǎn)技術(shù)Fig.6 TBM cutter lifting and turning technology

4 TBM智能掘進(jìn)技術(shù)

4.1 監(jiān)控及PLC控制技術(shù)

(1)井上下視頻監(jiān)控技術(shù)。TBM視頻監(jiān)控系統(tǒng)選用防護(hù)等級為IP66的高清攝像頭共4個，位置覆蓋左/右撐靴、主機帶式輸送機轉(zhuǎn)渣處和后配套帶式輸送機轉(zhuǎn)渣處。所有視頻信號傳送到主控室監(jiān)控器上，存儲時間大于7 d。所采集的信息可在井下工業(yè)控制環(huán)網(wǎng)和地面工業(yè)控制環(huán)網(wǎng)傳送，實現(xiàn)井上下的實時監(jiān)控。

(2)PLC控制系統(tǒng)。TBM掘進(jìn)機上所有設(shè)備的數(shù)據(jù)通過I/O分站來采集，所有的邏輯控制通過主控室內(nèi)的PLC完成。普通的信號分為數(shù)字量和模擬量2種信號，包括限位開關(guān)、壓力開關(guān)、壓力溫度傳感器、比例伺服閥等，采集的信號通過通訊發(fā)送給PLC進(jìn)行處理。除了這些信號外，刀盤變頻、電能計量是通過通訊的方式來完成數(shù)據(jù)的交換。

TBM主控室內(nèi)PLC的程序用梯形圖語言完成。每個系統(tǒng)功能的程序都分為:信號輸入、故障、主邏輯、信號輸出。每個系統(tǒng)啟動或運行都有系統(tǒng)啟動安全條件(PSC)，每個系統(tǒng)的PSC體現(xiàn)了主要的安全互鎖條件。

4.2 TBM導(dǎo)向控制技術(shù)

導(dǎo)向系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。其中，硬件包括激光靶、全站儀、雙軸傾斜儀、工業(yè)電腦、中央控制箱等部件;軟件包括導(dǎo)向模塊、地圖模塊、糾偏曲線模塊及系統(tǒng)配置模塊等。

TBM導(dǎo)向控制技術(shù)的原理為:將激光靶安裝在掘進(jìn)機上作為系統(tǒng)的主要基準(zhǔn)，首先確定好激光靶與掘進(jìn)機軸線的準(zhǔn)確位置關(guān)系，激光靶邊緣安裝一個棱鏡，全站儀通過這個棱鏡進(jìn)行距離測量。為了保證導(dǎo)向系統(tǒng)的正常運行，在TBM上設(shè)置貫穿整個掘進(jìn)機配套系統(tǒng)的激光窗。激光全站儀在巷道和TBM之間的激光通道中，且全站儀隨著TBM的推進(jìn)前移。全站儀具有目標(biāo)自動識別功能，并安裝有與視準(zhǔn)軸平行的激光發(fā)射器。

定位掘進(jìn)機姿態(tài)的基礎(chǔ)是2個已知的大地坐標(biāo)點。一個點是指全站儀所處的點，全站儀需要與激光靶通視。全站儀需要通過第2個已知點(后視棱鏡)定向，從而得出掘進(jìn)方向。掘進(jìn)機的滾動角和俯仰角是通過液體阻尼雙軸傾斜儀測得。所有測得的原始數(shù)據(jù)均傳輸?shù)街骺厥业膶?dǎo)向系統(tǒng)軟件中計算TBM的準(zhǔn)確空間姿態(tài)，并以數(shù)字及圖像的形式進(jìn)行顯示。

4.3 復(fù)雜地層TBM掘進(jìn)技術(shù)

(1)軟弱及困難地層掘進(jìn)技術(shù)。TBM穿越軟弱及困難地層是業(yè)界高度關(guān)注和亟待解決的問題。在長距離推進(jìn)中，不可避免的會出現(xiàn)撐靴巷幫內(nèi)陷、卡機等問題，嚴(yán)重制約掘進(jìn)進(jìn)度。其中，還包括軟巖沉陷、軟硬相夾地層掘進(jìn)防偏、平(豎)曲線巷道掘進(jìn)軸線保持等問題。

解決技術(shù)主要包括:① 采用了新型主梁結(jié)構(gòu)，優(yōu)化機載液壓錨桿鉆機布置方式，實現(xiàn)錨桿與巖面輪廓線垂直的要求;② 采用了液壓脹殼式可收縮護(hù)盾結(jié)構(gòu)，增加護(hù)盾底部和撐靴的面積，實現(xiàn)TBM在煤系地層的適應(yīng)性;③ 采用了敞開式TBM推進(jìn)，多組液壓錨桿鉆機錨注，自動調(diào)平的機尾改向裝置、糾偏連續(xù)帶式輸送機出渣;④ 采用了新型薄噴材料封閉技術(shù)，實現(xiàn)防爆單軌吊運輸與TBM車架運輸無縫銜接技術(shù);⑤ 通過超前預(yù)注漿地層改良、TBM盾體形變局部襯砌等處理技術(shù)，解決軟巖地質(zhì)條件下卡盾問題;⑥ 利用前探孔基于鉆屑法進(jìn)行沖擊地壓傾向性預(yù)測，同時在巷道兩幫安裝應(yīng)力在線監(jiān)測監(jiān)控裝置，對高應(yīng)力地段施工泄壓鉆孔進(jìn)行泄壓，解決因高地應(yīng)力引起的卡盾等問題。

(2)TBM在煤系地層施工中的適應(yīng)性和可靠性評價。為降低工程風(fēng)險、最大限度地發(fā)揮設(shè)備效能，預(yù)先開展了TBM在煤系地層施工中的適應(yīng)性和可靠性評價：① 分析了不同強度、完整性的巖層支撐TBM工作載荷的能力，確定了保持TBM工作姿態(tài)總體可控的最低圍巖條件閾值;② 分析了各種不同屬性地質(zhì)構(gòu)造的TBM可通過性，合理規(guī)劃TBM法巷道施工范圍;③ 研究了沖擊地壓、有害氣體、高溫、涌水等特殊地質(zhì)條件下TBM可用性，建立地質(zhì)改良基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn);④ 結(jié)合TBM極限性能指標(biāo)，研究各類特殊地層改良方法及其可達(dá)到的最低改善指標(biāo)，建立了經(jīng)濟可靠的工程風(fēng)險規(guī)避機制。

(3)破碎帶和高涌水地層掘進(jìn)技術(shù)。新巨龍煤礦二水平北回風(fēng)大巷掘進(jìn)時的直接充水含水層為3號煤層頂板砂巖，富水性為弱～中等，為裂隙簡單類型。水主要以頂板淋水和底板滲水的形式進(jìn)入掘進(jìn)工作面。掘進(jìn)期間正常涌水量為49 m3/h，最大涌水量62 m3/h，掘進(jìn)區(qū)域無巖漿巖體、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造。

為保障掘進(jìn)穩(wěn)步進(jìn)行，在穿越裂隙含水層、斷層破碎帶、圍巖裂隙發(fā)育等復(fù)雜地層時，可能會引起工程突水、TBM襯靴缺乏支撐圍巖而難以推進(jìn)等問題。在解決方法上，首先優(yōu)化了TBM裝備的刀盤結(jié)構(gòu)、支護(hù)匹配方式和TBM后退功能，為工作面地質(zhì)改良創(chuàng)造空間條件，實現(xiàn)特殊地層的預(yù)處理。然后，根據(jù)超前鉆探結(jié)果，對于不良地質(zhì)段采用了超前注漿加固施工技術(shù)進(jìn)行治理。最后，過破碎帶時對壁面同時采用噴漿處理。

4.4 TBM掘進(jìn)操控技術(shù)

EQC6330TBM掘進(jìn)機的電氣控制系統(tǒng)可對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的處理并將數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控界面上顯示，當(dāng)“連鎖”條件滿足時對應(yīng)的控制信號輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)動作的控制。操作工結(jié)合監(jiān)控界面顯示的數(shù)據(jù)可快速直觀的掌握設(shè)備各系統(tǒng)的性能，其中，掘進(jìn)機施工工藝流程如圖7所示。

圖7 掘進(jìn)機施工工藝流程Fig.7 Flow chart of the TBM during tunneling

主要工藝說明:

(1)運輸與掘進(jìn)操控。“新礦1號”TBM掘進(jìn)機采用刮板輸送機加兩級帶式輸送機輸送渣料，其中刮板輸送機和兩級帶式輸送機在設(shè)備上，連續(xù)帶式輸送機架設(shè)在巷道內(nèi)。帶式輸送機界面中顯示一級刮板輸送機、兩級帶式輸送機PSC條件、馬達(dá)運行壓力、帶速、運行狀態(tài)及中部槽位置等信息。啟動時，先啟動巷道內(nèi)的長距離連續(xù)帶式輸送機，然后啟動2級帶式輸送機。待2級帶式輸送機馬達(dá)壓力、速度正常后，啟動一級帶式輸送機。停止的順序按照上述順序逆向操作。

(2)除塵、有害氣體探測及刀盤啟停。掘進(jìn)前，先啟動除塵風(fēng)機，并確認(rèn)有害氣體體積分?jǐn)?shù)正常后，啟動刮板輸送機，最后啟動刀盤旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)系統(tǒng)。正常掘進(jìn)時，主界面會顯示刀盤旋轉(zhuǎn)速度、扭矩、各電機電流、抱閘壓力等信息。除了以上數(shù)據(jù)外還顯示出刀盤運行模式、電機溫度和運行曲線。刀盤的運行具有正常模式、點動模式和脫困模式。

(3)掘進(jìn)機調(diào)向。無論水平或垂直調(diào)向運動，都通過相對固定的撐靴來移動機器尾部完成。水平調(diào)向通過橫向移動主機尾部完成，尾部向左移動刀盤向右移動，尾部向右移動刀盤向左移動。垂直調(diào)向由垂直移動主機尾部完成，垂直調(diào)向由扭矩油缸控制機器尾部上下移動。左、右扭矩油缸伸縮控制機器的提升下降。掘進(jìn)機偏轉(zhuǎn)的角度通過操作左扭矩油缸和右扭矩油缸相反方向上的控制開關(guān)進(jìn)行。通過聯(lián)合使用頂護(hù)盾和側(cè)護(hù)盾，可以在掘進(jìn)機作業(yè)過程中穩(wěn)定機器的前部。側(cè)護(hù)盾也為水平調(diào)向提供支點并可補償邊刀的磨損。

5 TBM大斷面安裝硐室及掘進(jìn)巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

5.1 大斷面安裝硐室斷面設(shè)計及穩(wěn)定性控制技術(shù)

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計。TBM超大斷面安裝硐室采用過渡型斷面，如圖8所示，1—1斷面長×寬×高為40.0 m×8.0 m×7.0 m，2—2斷面為17.0 m×8.0 m×12.0 m，3—3斷面為9.0 m×8.0 m×9.0 m，4—4斷面為34.0 m×8.0 m×7.0 m。巷道最大斷面2—2處，掘進(jìn)施工與支護(hù)困難，存在巷道大變形、后期難修復(fù)等突出問題。數(shù)值計算模型長100 m、寬100 m、高160 m。根據(jù)前期開展的深部地應(yīng)力實測，設(shè)定安裝硐室上覆巖層自重應(yīng)力為20 MPa，水平應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.9倍，即38 MPa，并采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則解算。

圖8 數(shù)值計算模型及巷道斷面Fig.8 Numerical calculation model and the roadway section

(2)巷道關(guān)鍵位置變形分析。從超大斷面安裝硐室位移云圖剖面(圖9(a))可以看出，y方向變形最劇烈的位置是3個頂板遺留臺階處，而且最大的臺階沿著巷道方向的變形量最大，中間和最小的臺階沿著巷道方向的變形量次之。這3個臺階在x方向上的變形較頂板其他位置大，尤其是最大的臺階和中部臺階，但是3個臺階處的頂板下沉量小。因此，影響這3個臺階垮落的因素不是垂直變形，而是因為y方向的水平變形將其擠出和x方向的水平變形導(dǎo)致的臺階向z和y方向的擴容現(xiàn)象。由圖9(b)可以看出，隨著巷道高度的增加，片幫的風(fēng)險增加，從最大斷面2—2到最小斷面4—4，幫部變形影響范圍逐步加大，在安裝硐室最大斷面的幫部表現(xiàn)最明顯。因此，需要重點加強支護(hù)，防止片幫導(dǎo)致的硐室整體性失穩(wěn)。

圖9 大斷面安裝硐室位移云圖剖面Fig.9 Section of displacement of large-section installation cave

(3)大斷面安裝硐室圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)。臺階掘進(jìn)法逐步控制片幫。改變巷道施工程序，將大斷面安裝硐室分上下2段施工，先沿巷道頂板掘進(jìn)，刷掉余留，掛網(wǎng)打錨桿固定幫部，然后挖掉下部，即采用臺階法施工，直至破底，并繼續(xù)加固幫部。此種施工方式，可解決一次成巷造成支護(hù)不及時的問題，盡最大可能保持巷幫的自承載能力。由于采用臺階式掘進(jìn)和錨桿掛網(wǎng)及時加固幫部，在巷道水平應(yīng)力逐漸增大的過程中，水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力趨于均化，幫部的自承載能力提高，從而對保持巷道的穩(wěn)定性起到重要作用。

爆破法解危頂板遺留臺階。在裝卸硐室中，頂板屬于承載的主要結(jié)構(gòu)體，應(yīng)考慮到硐室的整體性，對硐室頂板進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，同時根據(jù)后期使用情況進(jìn)行補強支護(hù)，可以在頂板或者肩窩位置補打錨索，對頂板進(jìn)行強化。硐室任何一部分圍巖失穩(wěn)都可能引發(fā)整體失穩(wěn)，變形最劇烈的位置是3個臺階處，而且最大的臺階沿著巷道延伸方向的變形量最大，因此，需要對3處臺階進(jìn)行爆破處理。

巷道支護(hù)時，錨桿成排成行矩形布置，永久支護(hù)錨桿采用φ22 mm×2 500 mm無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm。兩幫頂角錨桿向巷道頂板傾斜，與水平方向夾角為10°～30°。錨桿錨固力不小于150 kN，錨桿擰緊力矩不低于400 N·m。錨索間排距1 900 mm×2 000 mm，并安設(shè)“一梁兩索”錨索梁加強支護(hù)，錨索采用φ21.8 mm×8 300 mm高預(yù)應(yīng)力鋼絞線。針對容易變形的肩窩位置，補打道爾錨索進(jìn)行加強支護(hù)，同原錨索處于同一排，間距2 m進(jìn)行布置，每排補打2根，選用φ35 mm×10 300 mm的鋼絞線。

5.2 大斷面TBM掘進(jìn)巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

深部巷道特別是千米深井采動巷道，地應(yīng)力高、采動影響強烈，導(dǎo)致巷道圍巖變形大、持續(xù)時間長、破壞嚴(yán)重[26]，其破壞的共性有:巷道開挖初期變形速度快、變形量大，巷道圍巖整體變形表現(xiàn)出強時效性和結(jié)構(gòu)大變形特征;變形破壞常發(fā)生在巷道肩部、頂板中部、巷道底角處等應(yīng)力集中部位;巷道底板變形表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)性流變，持續(xù)底臌嚴(yán)重，往往超過頂板的下沉量。

深部高水平應(yīng)力作用下TBM巷道圍巖控制的關(guān)鍵點包括2部分，即控制圍巖破裂區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展和控制弱結(jié)構(gòu)面的滑移變形。因此，采用錨網(wǎng)索支護(hù)對頂部整體控制，防止頂板局部破碎引發(fā)的巷道整體性破壞;采用加密支護(hù)或補強錨索支護(hù)對幫部加強支護(hù)，防止高水平應(yīng)力誘發(fā)片幫;底部采用具有自成形特征的反拱控制，同時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行補強底角錨桿支護(hù)。

如圖10所示，圓形巷道斷面屬封閉式斷面可有效控制巷道變形，有效發(fā)揮錨桿支護(hù)作用。巷道采用“噴錨網(wǎng)索噴+錨網(wǎng)噴”支護(hù)方式，如圖10所示，頂部和幫部錨桿采用φ22 mm×2 500 mm無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿進(jìn)行加強支護(hù)，間排距:1 000 mm×1 000 mm，托盤規(guī)格:200 mm×200 mm×12 mm，錨桿錨固力不小于150 kN，錨桿擰緊力矩不低于400 N·m。頂部錨索采用φ22 mm×6 300 mm高預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距2 200 mm×2 000 mm，錨固長度不低于1.5 m，預(yù)緊力為200 kN。對底板最低點往上500 mm范圍內(nèi)進(jìn)行硬化抹面形成反拱，最大回填高度1.35 m，再澆筑厚度為0.3 m的巷道底板，形成底板凈寬度5.1 m，巷道凈高度4.5 m的斷面，凈斷面面積22.76 m2。

圖10 巷道支護(hù)參數(shù)及控制體系Fig.10 Roadway support parameters and control system

6 深部高溫礦井TBM掘進(jìn)降溫、降塵等聯(lián)合控制技術(shù)

6.1 TBM掘進(jìn)降溫技術(shù)

新巨龍煤礦是典型的高地溫礦井，采用TBM掘進(jìn)二水平北區(qū)回風(fēng)大巷時，由于巷道為全巖巷道，且掘進(jìn)地點處于通風(fēng)末端，散熱量也很大，加劇了礦井熱害。根據(jù)前期測算，掘進(jìn)工作面空氣溫度一般在32～35 ℃，因此，提出“雙風(fēng)機4空冷器4風(fēng)筒”的降溫方法，實現(xiàn)了高溫礦井降溫除濕除塵聯(lián)合控制，使掘進(jìn)工作面溫度穩(wěn)定在26 ℃以下。滿足《煤礦安全規(guī)程》中“生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26 ℃”、“采掘工作面的空氣溫度超過30 ℃，機電硐室的溫度超過34 ℃時，必須停止作業(yè)”的規(guī)定。

首先采用局部通風(fēng)機壓入式通風(fēng)(圖11)，最長供風(fēng)距離3 100 m，滿足掘進(jìn)工作面需風(fēng)量;然后，安裝2臺制冷量230 kW的空冷器，并在巷道后部加設(shè)一臺30 kW風(fēng)機，串一臺空冷機，給后部降溫。最后，采用井下WAT一期制冷硐室內(nèi)制冷系統(tǒng)降溫，并考慮到二水平北區(qū)回風(fēng)大巷在邊界采區(qū)供冷末端的供冷距離遠(yuǎn)、阻力大，特使用加壓泵為工作面空冷器供冷。

圖11 TBM掘進(jìn)大巷通風(fēng)裝備Fig.11 Ventilation equipment of TBM driving roadway

6.2 降塵技術(shù)

在采礦過程中，由于鑿巖、爆破，裝卸礦等過程，會產(chǎn)生大量微細(xì)粉塵。礦塵按存在狀態(tài)劃分為浮游礦塵和沉積礦塵。井下粉塵的小顆粒多，分散度較高，在濕式作業(yè)的條件下，5 μm以下的粉塵占80%～90%。在濕式鑿巖時，井下粉塵產(chǎn)生的比例是:鑿巖占41.3%，爆破占45.6%，裝運礦(巖)石占13.1%。SiO2是最常見的硅的氧化物，是許多礦石或巖石的重要組成部分，所以礦塵中一般都含有SiO2。因此，加裝刀盤噴水裝置，使刀盤切削巖石過程中，進(jìn)行噴水降塵，使用護(hù)盾封閉隔離灰塵，保護(hù)隧道內(nèi)部的干凈與清潔，另外，采用德國CFTHBKO1/600干式除塵設(shè)備(圖12)進(jìn)一步消除懸浮粉塵，巷道施工同時采用濕式防塵技術(shù)聯(lián)合防塵。

圖12 CFT除塵裝置Fig.12 CFT dust removal device

6.3 長距離可彎曲帶式輸送機保障技術(shù)

通過安設(shè)滾動托架加跑偏輪設(shè)計，使用膠帶自動張緊裝置，滿足TBM連續(xù)推進(jìn)過程中膠帶自動收放，實現(xiàn)了曲線半徑500 m拐彎需要。主機帶式輸送機安裝在刀盤支撐、主梁內(nèi)部，溜渣槽下方，裝備有跑偏、打滑、撕裂、堆煤、煙霧、溫度和自動灑水等機械電氣安全保護(hù)裝置。主機帶式輸送機主要由尾部轉(zhuǎn)向滾筒、驅(qū)動裝置、清掃器、張緊油缸、提升油缸、V形浮動刮板等組成。

6.4 過地質(zhì)異常帶綜合保障技術(shù)

煤礦TBM掘進(jìn)過程涉及一系列復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)問題。施工過程中常常遇到裂隙含水層、斷層破碎帶、圍巖裂隙發(fā)育等復(fù)雜地層，引起工程突水、TBM撐靴缺乏支撐圍巖而難以推進(jìn)等問題。穿越斷層破碎帶施工時容易出現(xiàn)大變形、坍塌等災(zāi)害問題，嚴(yán)重影響施工安全和進(jìn)度、危害人員的安全。因此，通過超前預(yù)注漿地層改良、TBM盾體形變局部襯砌等控制技術(shù)，解決軟巖地質(zhì)條件下卡盾問題;對高應(yīng)力地段施工卸壓鉆孔進(jìn)行卸壓，解決高地應(yīng)力條件下卡盾等問題;優(yōu)化了TBM裝備的刀盤結(jié)構(gòu)、支護(hù)匹配方式和TBM后退功能，為工作面地質(zhì)改良創(chuàng)造空間條件，實現(xiàn)特殊地層的預(yù)處理。

7 結(jié)論與展望

(1)圍繞深部高溫礦井TBM智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)的適用性問題，預(yù)先精準(zhǔn)評估掘進(jìn)巷道圍巖的地質(zhì)條件，提高掘進(jìn)期間應(yīng)對不良地質(zhì)條件的能力，減少巖性不斷變化和突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害帶來的進(jìn)尺不穩(wěn)定及進(jìn)尺停滯問題。

(2)圍繞深部高溫礦井TBM智能快速掘進(jìn)機下井、轉(zhuǎn)運與安裝問題，研究并設(shè)計了合適的分模塊建造尺寸及質(zhì)量，充分論證設(shè)備井下安裝可行性與可靠性，避免出現(xiàn)下井難轉(zhuǎn)運、危險系數(shù)高等突出問題。

(3)圍繞TBM裝備井下吊裝與集成問題，深入研究大斷面安裝硐室圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)，盡可能減少大斷面硐室尤其是超大斷面硐室的開掘，降低圍巖失穩(wěn)風(fēng)險。

(4)圍繞深部高溫礦井TBM智能高效掘進(jìn)問題，明確深部巷道圍巖對地質(zhì)條件變化更加敏感這一特性，形成掘進(jìn)機硬巖截割自適應(yīng)技術(shù)及不良地質(zhì)體隨掘隨探技術(shù)，深入研究掘支協(xié)同作業(yè)方式、軟弱地層改良技術(shù)、撐靴推進(jìn)力保持技術(shù)、非均質(zhì)地層推進(jìn)技術(shù)等，保障掘進(jìn)效率。