楊 壘

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141）

1 設備與工程簡介

1.1 設備簡介

近年來，已經先后有12臺煤礦TBM投入礦井中，他們使用情況各不相同。它們有護盾式和敞開式的，相對來說煤礦圍巖軟弱易破碎，因此敞開式更加適合該地質，它能有效避免卡機的風險[1-2]。該敞開式TBM由北方重工集團有限公司設計及制造，該設備主要由刀盤、主梁、撐緊裝置和12節(jié)后配套臺車組成（主結構部件的重量及尺寸如表1所示），設備整機長度為90m，總重約700t。該設備的開挖直徑為φ6330mm，采用一個中心塊和4個邊塊的分體式刀盤。刀盤上配備39把19英寸單刃滾刀和4把17英寸雙刃滾刀，非常適用于煤礦地質的隧道開挖。刀盤驅動配備5臺360kW水冷式變頻電機，電機通過減速機、齒圈等組件驅動刀盤，刀盤最大轉速可達9r/min，推進系統(tǒng)最大推力為17500kN，最大推進速度100mm/min，脫困扭矩能夠達到4848kN·m。

表1 TBM的主要結構件尺寸及質量

在掘進過程中，通過4根推進油缸的伸長，將刀盤與掌子面進行擠壓和滾壓，造成巖石的破碎掉落至溜渣槽上。渣石先通過刮板機、主機皮帶機，最后通過二運皮帶機和隧道皮帶機將渣石運至洞外。刀盤扭矩和推力通過撐靴傳遞到洞壁上。設備通過撐靴油缸來調整水平姿態(tài)，通過扭矩油缸來調整垂直姿態(tài)，操作靈活。當掘進完成1400mm后，通過尾支撐與底板接觸，撐靴與洞壁脫離，推進油缸回收，完成換步作業(yè)，從而實現(xiàn)連續(xù)掘進，其掘進效率是傳統(tǒng)作業(yè)方法的3~10倍[3]。

1.2 工程簡介

山東新巨龍能源有限責任公司龍固礦井位于山東省荷澤市巨野縣龍堌鎮(zhèn)，礦井于2004年6月開工建設，2009年11月建成投產，設計能力為年產600萬t，是巨野煤田的一個特大型現(xiàn)代化礦井。礦井為低瓦斯、弱沖擊地壓礦井。該工程開挖巷道為北大區(qū)二水平回風大巷，其處于3煤頂板砂巖中，巖石穩(wěn)定性較好，富水性較弱。

首先TBM部件通過副井罐籠下放到井底車場，然后通過無軌膠輪車運送到安裝硐室（如圖1所示），行駛路程為7.5km。由于罐籠的尺寸限制，所有零部件的尺寸均不能超過4.3m×4.3m×1.7m，其中有12件需要拆除罐籠中盤下放，9件超高部件需要換裝放倒后運輸?shù)桨惭b硐室。井下現(xiàn)有換裝硐室位于運輸路線上，換裝行車為16t鉤頭，起重凈高3.3m，25t行車起重凈高2.8m，寬度均為5m，起吊能力和空間尺寸均無法滿足TBM超大尺寸部件換裝，因此必須在下井口馬頭門處進行換裝作業(yè)。

圖1 TBM安裝硐室及運輸通道

TBM在完成組裝和調試后，礦方、施工方和設備廠家對設備進行驗收。驗收合格后，TBM開始進行步進作業(yè)。當兩側的撐靴與巖壁能夠完全接觸后，拆除步進裝置，TBM就能夠依靠自身的推進油缸和尾支撐進行換步作業(yè)。該工程的掘進長度約2.7km，根據(jù)煤礦的施工要求，所成型的硐室必須進行錨網(wǎng)支護，然后進行噴漿整形，待設備完成掘進后，刀盤解體、主機拆除側護盾部分、后配套臺車逐次后退完成拆機作業(yè)。

2 TBM部件存放及組裝流程

2.1 組裝硐室現(xiàn)場布置

由于受到煤礦設計要求的限制，組裝硐室的長25m，寬8m，高11.8m，導洞長15m，無法滿足整機裝配的需求。現(xiàn)場采取先組裝主機部分，待主機部分組裝完成步進后（步進硐室長度15m），再進行后配套臺車部分的組裝。在硐室頂部布置起吊梁用于起吊掘進機部件使用，同時在安裝硐室內布置有壓風（必須進行干燥脫水處理），施工用水管路，10kV/1140V電源，安裝通風機為作業(yè)地點通風，地平澆筑混凝土，具備鋪設道軌及基座條件。組裝硐室處于地下千米，硐室內氣溫高達32℃~35℃，制冷通風條件必不可少。

在后配套臺車的安裝區(qū)域打錨桿，每節(jié)車架有4個吊耳，每個吊耳點位置設置1個錨桿吊點（2根錨桿合為1組作為1個安裝吊點），使用4個10t手拉葫蘆輔助調整安裝后續(xù)車架。將主巷與組裝洞室進行單軌吊聯(lián)接，零散小件和組裝亟需部件可以通過單軌吊進行運輸。同時將鄰近的邊界進回風四聯(lián)巷作為轉運和臨時存放場地，在此布置1臺小型柴油叉車，便于物資倒運。

2.2 TBM設備進場順序

由于組裝硐室的場地非常狹小，每個零部件必須嚴格按照先后順序進場，否則現(xiàn)場二次倒運部件將十分困難。同時新巨龍礦作為一個正在生產的煤礦，所有井下作業(yè)人員及物資都由該副井口進行提升，因此在提升TBM設備部件的窗口時間內工序銜接必須緊湊和得當，不能長時間占用罐籠。

設備的進場順序：刀盤（下邊塊、左邊塊、中心塊、右邊塊、上邊塊）→底護盾→刀盤大齒圈、轉接環(huán)→刀盤主軸承→驅動密封及密封壓環(huán)、密封擋環(huán)→刀盤支撐前部→刀盤支撐后部→主驅動電機、減速箱→主梁前段及刮板機→主推油缸→左、右護盾→鞍架→主梁中段→撐緊油缸→左、右撐靴→尾支撐→主梁皮帶支架→左、右上護盾→頂護盾→各車架及車架皮帶支架→各車架上部設備→管路、電纜及皮帶。

設備在組裝硐室的擺放順序必須嚴格按照安裝計劃來實施，充分利用組裝空間，例如左右護盾利用鐵鏈在大致安裝位置處垂直固定、主梁與鞍架提前預裝配等。為了不耽誤礦方的生產任務，大件設備部件應拆除罐籠中層盤后，盡量集中下放，以縮短占用提升時間。

2.3 TBM的組裝流程

刀盤由1個中心塊和4個邊塊組成，需要先進行組對，并螺栓聯(lián)接，然后進行焊接。刀盤支撐已經完全拆解成：刀盤大齒圈、轉接環(huán)、刀盤主軸承、驅動密封及密封壓環(huán)、密封擋環(huán)、刀盤支撐前部、刀盤支撐后部等，需要裝配耗時最長?；谝陨显?，現(xiàn)場采取多邊施工的方案，刀盤與刀盤支撐同時進行裝配，待主機部分部件全部運抵硐室后，主機部分與后配套臺車部分同時進行裝配（其組裝流程如圖2所示），最大限度地利用場地空間。

圖2 TBM的組裝流程圖

3 TBM大尺寸部件運輸與安裝技術

3.1 大尺寸部件運輸路線開幫及路面硬化技術

為了保證TBM的大型部件能夠順利運達組裝硐室，通過現(xiàn)場測量和模擬運輸情況，對-980m邊界回風巷、四聯(lián)巷鋪設鋼板，并對沿途的風門改造成適宜運輸?shù)姆绞?。對局部運輸巷道進行了加固，同時對沿途的14處進行了開幫和刷頂作業(yè)，保證空間滿足運輸條件。在大件運送至安裝區(qū)域后，TBM車架布置區(qū)鋪設43kg的軌道4股（2組），內組軌為900mm，用于行走普通礦車及運送部件車輛使用，外租軌距為1600mm，用于行走TBM的車架使用。

該項目開創(chuàng)性地使用了WJ-15FB型多功能運輸車輛（如圖3所示），其配備了鏟斗、鏟叉、支架拖車、封底拖車、平板拖車、卷皮帶機、升級平臺、起吊裝置等工作機構。具有爬坡能力強、操作靈活性好、運輸效率高等特點。該車輛的最大載荷能夠達到30t，最大爬坡能力能夠達到14°，最小轉彎內徑4000mm，外徑7000mm，能夠在跌巒起伏的巷道中運轉自如，此次運輸大型部件均由其配備的平板車進行運輸。

圖3 WJ-15FB型多功能運輸車

3.2 大尺寸部件入罐、出罐和換裝技術

TBM設備中的超高部件一共有12件，下面以超高部件刀盤中心塊為例。

入罐：設備入罐前，拆除井上下口安全門，待本班運輸完畢后恢復安全門。施工人員將井口25kW調度絞車提升繩與平板車車尾連接并稍帶勁，作為后留；采用安裝在進車側的30t回柱絞車將平板車緩慢牽引至罐籠內。平板車入罐后，使用木楔將平板車輪前后塞牢固，再將罐籠內阻車器設置到阻車位置，刀盤中心塊的兩側再使用道木將其剎緊，防止下放期間失穩(wěn)。

由于部分設備重心過高，為防止設備進入罐籠時傾倒，平板車運行至罐籠時，首先在位于罐籠頂部套架鋼梁上選取1個起吊點，纏2根6×37-Φ34+FC-1670鋼絲繩套（鋼絲繩套與鋼梁接觸部位使用繩皮進行保護），繩套在鋼梁上繞2圈，鋼絲繩下方掛設1臺10t手拉葫蘆，配合回柱絞車牽引進入罐籠。設備在下放時應平穩(wěn)，下放速度為1m/s，運行至減速點自動速度減至0.5 m/s。

出罐：罐籠運行至井底正常停車位置時停車（使絞車過放，落實在托罐器上）。在罐籠出車側馬頭門上方靠近井筒側掛設一臺10t手拉葫蘆，拉動手拉葫蘆使其稍帶勁。手拉葫蘆帶勁完成后，解除罐籠內擋車設施，使用鏈條將井底電機車與平板車連接，緩慢推出罐籠，使平板車平穩(wěn)、緩慢出罐。

換裝：預先在井底馬頭門處掛設6臺10t手拉葫蘆作為起吊點，每一個起吊點配備一個10t卸扣及一根6×37-Φ34+FC-1670鋼絲繩套。當平板車出罐后，利用繩套將TBM零部件鎖緊，并將手拉葫蘆帶勁，保持穩(wěn)定。所有起吊用具檢查無誤后，選擇設備上方4臺手拉葫蘆同時上提，設備起吊離開平板車200mm時停止起吊3min，工作人員觀察頂板、錨索機吊索具情況。試吊無誤后，人工抽出平板車，讓防爆柴油鏟運機倒至設備下方，前后點位的6臺手拉葫蘆相互配合，使設備逆時針90°旋轉，設備旋轉完畢后，下放設備至多功能運輸車上并墊設方木，拆除手拉葫蘆與設備連接卸扣，完成單車設備換裝。

3.3 超重超大刀盤整體旋轉及吊裝技術

為了滿足煤礦井下運輸?shù)囊?，TBM設備被拆分成大件22件和200多件小件。其中所有附件裝配完成的整體刀盤重達105t，吊裝難度最大。吊裝前對頂板架設的起吊梁進行了充分計算驗證和受力模擬分析，保證起吊梁的強度和最大撓度滿足使用要求。在起吊過程中實時利用測量儀器對起吊梁進行觀測，當變形大時能夠及時發(fā)現(xiàn)，并終止作業(yè)。

在刀盤從平放至起立的過程中（如圖4所示），最終確定利用4 臺35 t 回柱絞車配合動滑輪組進行施工。在刀盤起立完成后，只有2臺滑車的吊點受力，適時改變滑輪形式，利用2個H100×6D定滑輪固定在起吊梁上。2臺回柱絞車各上繩采用6×37-Φ32-1670鋼絲繩，長度150m，2根鋼絲繩各穿過2個滑輪形成滑輪組，鋼絲繩5穿10支繩。該方案順利解決TBM刀盤起吊、翻轉與圍巖穩(wěn)定性控制問題。

圖4 刀盤反轉示意圖和現(xiàn)場圖

4 結語

“新礦一號”TBM煤礦井下組裝其構件繁多且需要多次倒轉，井下運輸距離長，在前期礦方、組裝方和廠家多次進行了專題研討，合理地安排了零部件的進場順序和組裝工序，不僅順利地完成了組裝任務，而且將對煤礦生產的影響降到了最低。經過多方的努力，最后比原計劃提前了21d完成了組裝任務，大大降低了施工成本，取得了滿意的效果。