童 碧 ，陳建本 ，孫 濤

（淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 顧橋煤礦, 安徽 淮南 232001）

0 引 言

目前，煤礦巖巷施工主要包括鉆爆法和掘進(jìn)機(jī)法2 種形式，前者多應(yīng)用于硬巖施工，后者則應(yīng)用于長度大于300 m 的巖巷施工，2 種方法均存在掘進(jìn)效率低下問題，難以滿足煤礦巷道快速施工要求[1-5]。

為緩解采掘接替矛盾，國內(nèi)專家學(xué)者做了大量努力和探索，取得了豐碩成果，其中最具代表性的為全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)施工法。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（簡稱TBM），是一種靠旋轉(zhuǎn)并推進(jìn)刀盤破碎巖石而使隧洞全斷面一次成形的設(shè)備[1]。盾構(gòu)機(jī)問世至今已經(jīng)有200 多年歷史，最初應(yīng)用在隧道施工中，19 世紀(jì)末由加拿大引進(jìn)到煤礦巷道施工中，后期在智利、德國、美國也逐漸將其應(yīng)用到煤礦巷道掘進(jìn)中，取得了很好的效果[6-9]。我國1999 年首次將TBM 引入到王家?guī)X煤礦施工超長平峒開挖，隨后在山西塔山礦、神華補(bǔ)連塔煤礦進(jìn)行工業(yè)性試驗并取得成功[10]，以上成果為我國煤礦巷道快速掘進(jìn)指明了方向。

19 世紀(jì)末至今，我國很多礦區(qū)試驗了全斷面掘進(jìn)在不同地質(zhì)條件下的巖巷快速施工技術(shù)，總結(jié)出了大量寶貴經(jīng)驗。山西陽泉集團(tuán)新景公司使用?4.53 m QJYC045M 型全斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)開挖+525 m水平8 號煤回風(fēng)巷，實現(xiàn)了最大平均日進(jìn)尺21.6 m、最大班進(jìn)尺15.5 m、最大日進(jìn)尺35.1 m 的快速掘進(jìn)目標(biāo)，創(chuàng)造了月最大進(jìn)尺561.9 m 和年進(jìn)尺3 490 m記錄[11]。神東補(bǔ)連塔煤礦2 號輔運(yùn)巷道，采用單護(hù)盾式盾構(gòu)施工，盾構(gòu)掘進(jìn)直徑7.63 m，總掘進(jìn)長度2 718 m，最高月進(jìn)尺639 m[12]；淮南礦業(yè)集團(tuán)張集煤礦使用直徑4.53 m 敞開式盾構(gòu)機(jī)開挖1413A 高抽巷，取得了最高班進(jìn)尺14.5 m，最高日進(jìn)尺30.7 m，平均日進(jìn)尺13.5 m，折合月進(jìn)尺404 m[13]。大同塔山礦引用?4.82 m Robbins 雙護(hù)盾TBM154-273 掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)長3.5 km 的主平峒(主運(yùn)輸巷)，實現(xiàn)了最高月進(jìn)尺662.5 m，日最高進(jìn)尺45.96 m 的記錄[9,14]。上述巖巷快速施工有一個共同點，即“三大兩長一硬”，即為盾構(gòu)機(jī)直徑盾大，噸位大，體積大，施工巷道長，施工巷道主要為硬巖。

我國煤炭資源儲量豐富，資源賦存差異顯著，分布不均衡，兩淮礦區(qū)作為國家14 個億噸煤基地之一，在國家能源結(jié)構(gòu)中占有一席之地，淮南礦區(qū)是兩淮礦區(qū)的主力，約占總產(chǎn)量的60%以上，但淮南礦區(qū)本土8 對礦井中2 對為高瓦斯礦井，其余6 對為煤與瓦斯突出礦井，通過底抽巷抽采煤層卸壓瓦斯技術(shù)是一項成熟有效的瓦斯治理模式，需要施工大量瓦斯治理工程，對施工速度提出了更高要求，但巷道只需滿足打鉆抽采功能即可，經(jīng)論證巷道斷面需達(dá)到12.25 m2，施工質(zhì)量要求較低。

國內(nèi)其他礦井采用全段面掘進(jìn)機(jī)為巖巷快速施工積累了成功經(jīng)驗，但現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)開挖直徑較大，用于施工瓦斯治理巷道經(jīng)濟(jì)性較差，而小直徑礦用全斷面掘進(jìn)機(jī)國內(nèi)尚無應(yīng)用先例。因此，研制適用于高瓦斯礦井的小型巷道全斷面掘進(jìn)機(jī)施工瓦斯治理巷道顯得尤為迫切。為此，淮南礦業(yè)集團(tuán)煤業(yè)公司與江蘇神盾工程機(jī)械有限公司聯(lián)合研發(fā)出了國內(nèi)首臺?3.5 m 小型礦用全斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)。筆者從圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)、始發(fā)硐室設(shè)計、全斷面掘進(jìn)機(jī)組裝拆卸、作業(yè)線構(gòu)建等方面開展系統(tǒng)研究，為工程應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。

1 小型全斷面掘進(jìn)機(jī)的研制

1.1 設(shè)計原則

煤礦立井小型巷道全斷面掘進(jìn)機(jī)設(shè)計有別于隧道掘進(jìn)的TBM，其設(shè)計需要滿足礦井巷道開挖的特殊性要求，即要綜合考慮井筒罐籠提升能力、設(shè)備運(yùn)輸能力、巷道尺寸、瓦斯治理模式、設(shè)備防爆性能、連續(xù)化排矸能力等因素。結(jié)合張集煤礦?4.5 m 立井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用經(jīng)驗，對立井小型巷道全斷面掘進(jìn)機(jī)施工瓦斯治理巷道的可行性進(jìn)行調(diào)研和論證，提出其設(shè)計原則和技術(shù)要求。

1）全斷面掘進(jìn)機(jī)單件最大尺寸和重量應(yīng)滿足煤礦立井罐籠提升能力要求，其長寬高應(yīng)小于5 100 mm×2 500 mm×2 900 mm，質(zhì)量不超過20 t。

2）設(shè)備要能夠匹配井下電機(jī)車、單軌吊、無機(jī)繩運(yùn)輸能力和巷道通過能力要求。

3）全斷面掘進(jìn)機(jī)及配套設(shè)備均應(yīng)滿足煤礦井下防爆性能各項技術(shù)要求。

4）全斷面掘進(jìn)機(jī)要滿足模塊化、輕量化和小型化要求，便于井下運(yùn)輸、安裝和拆除，整機(jī)質(zhì)量小于360 t，整機(jī)全長小于85 m，刀盤直徑宜控制在3.5 m。

5）根據(jù)淮南礦區(qū)瓦斯治理要求，工作面回采前需要借助瓦斯治理巷施工上下行鉆孔預(yù)抽煤層卸壓瓦斯或整巷封閉預(yù)抽瓦斯從而達(dá)到降低瓦斯含量目的，結(jié)合煤礦用履帶式鉆機(jī)尺寸和鉆探要求，全斷面掘進(jìn)機(jī)刀盤直徑宜控制在3.5 m。

6）施工巷道巖性相變大，巖體承載力不同，因此，全斷面掘進(jìn)機(jī)撐靴對地比壓應(yīng)能夠控制在2.4 MPa，設(shè)備行走時不應(yīng)破壞巷道圍巖穩(wěn)定。

7）排矸系統(tǒng)、支護(hù)、風(fēng)筒延接等后配套系統(tǒng)能夠和全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度相匹配。

8）能夠滿足開挖單軸抗壓強(qiáng)度30～180 MPa 巖石，轉(zhuǎn)彎半徑不小于250 m，坡度能夠適應(yīng)在-5°～+5°調(diào)節(jié)。

1.2 全斷面掘進(jìn)機(jī)的研制

1）分體式刀盤設(shè)計。刀盤采用分體式設(shè)計，開挖直徑?3.53 m，整體尺寸3 530 mm×3 530 mm×1 500 mm，設(shè)計最大轉(zhuǎn)速10.6 r/min。采用平面圓角形、中心對分式設(shè)計，分為上下兩瓣，尺寸和重量略顯差異，此刀盤上共選用了3 種類型的滾刀，43.18 cm 中心雙聯(lián)滾刀、43.18 cm 三聯(lián)正滾刀和43.18 cm單刃正滾刀。中心雙聯(lián)滾刀結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便；正滾刀采用背裝式，便于現(xiàn)場更換（圖1）。

圖1 分體式刀盤Fig.1 Split type cutter head

刀盤正面布置兩大兩小共4 個出渣鏟斗，鏟斗與溜渣板組成出渣通道，保證開挖下來的巖渣快速順利排出。

改變以往采用刀盤自帶循環(huán)冷卻水冷卻效果差的設(shè)計思路，切斷刀盤自帶循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，新增一路供水管路通過刀盤冷卻后進(jìn)入排水管路，不再循環(huán)使用冷卻水，徹底解決了刀盤過熱損壞的故障。

2）整機(jī)設(shè)計與制造（圖2）。整體機(jī)身采用防爆箱體認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計與制造，實現(xiàn)整機(jī)防爆要求。驅(qū)動單元為一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)，配置3 臺驅(qū)動電機(jī)，實現(xiàn)變頻驅(qū)動控制。前護(hù)盾與驅(qū)動殼體連接，在開挖過程中，支撐整個刀盤與驅(qū)動。前護(hù)盾內(nèi)設(shè)計有輔助撐緊系統(tǒng)和穩(wěn)定器。伸縮盾包括伸縮外盾和伸縮內(nèi)盾，伸縮盾內(nèi)含推進(jìn)系統(tǒng)，通過推進(jìn)系統(tǒng)為全斷面掘進(jìn)機(jī)撐緊盾和后配套拖車提供向前推力和拉力，當(dāng)護(hù)盾旋轉(zhuǎn)角出現(xiàn)偏差時，通過調(diào)節(jié)反扭矩裝置，調(diào)整護(hù)盾旋轉(zhuǎn)角。后配套拖車設(shè)置1 個連接橋和5 節(jié)拖車，為整臺掘進(jìn)機(jī)提供水、電及動力等相關(guān)設(shè)備，并提供人員操作、行走等功能之用。連接橋放置錨桿鉆機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)，超前鉆機(jī)及控制室等，控制室控制整臺設(shè)備的運(yùn)行，包括操作臺，監(jiān)控器等；通過設(shè)置刀盤噴霧和除塵風(fēng)機(jī)解決粉塵問題。配置甲烷檢測傳感器，實現(xiàn)瓦斯閉鎖保護(hù)。

圖2 全斷面掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)型式Fig.2 Structure of the shield machine

3）支護(hù)機(jī)構(gòu)（圖3）。支護(hù)機(jī)構(gòu)由1 個支撐平臺、2 臺液壓錨桿鉆機(jī)2 個回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和1 個齒形盾臨時支護(hù)裝置組成，液壓錨桿鉆機(jī)集成在連接橋上，通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、滑道、拖鏈、推進(jìn)梁、液壓閥、傳動機(jī)構(gòu)和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)相互配合實現(xiàn)錨桿支護(hù)。支撐平臺預(yù)留了人員站位、材料存放空間，必要時可在平臺上架設(shè)風(fēng)動錨桿鉆機(jī)。巷道開挖和錨桿安裝能夠平行作業(yè)。通過回轉(zhuǎn)裝置驅(qū)動，實現(xiàn)錨桿鉆機(jī)圓周方向±90°施工。

圖3 支護(hù)機(jī)構(gòu)Fig.3 Supporting equipment

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

全斷面掘進(jìn)機(jī)由刀盤、驅(qū)動裝置、推進(jìn)系統(tǒng)、撐緊系統(tǒng)、錨桿鉆機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、冷卻水泵、超前鉆機(jī)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。后配套系統(tǒng)包括連續(xù)化出矸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)等。全斷面掘進(jìn)機(jī)采用模塊化設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備拆除打運(yùn)至指定始發(fā)硐室進(jìn)行安裝調(diào)試，待設(shè)備整體性能達(dá)標(biāo)后進(jìn)行正常巷道開挖。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indexes of shield machine

2 巷道圍巖穩(wěn)定性控制與數(shù)值模擬

煤礦巷道全斷面掘進(jìn)機(jī)法施工有別于鉆爆法和綜掘機(jī)法，可有效解決掘進(jìn)效率低下、安全性差、作業(yè)人員勞動強(qiáng)度大等問題，與常見的市政、隧道盾構(gòu)施工區(qū)別顯著，主要表現(xiàn)為煤礦巷道埋深大且在沉積巖層位施工、巷道巖性相變大、受動壓和相鄰巷道開挖擾動影響、巷道處于高應(yīng)力環(huán)境且水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力?；诿旱V全斷面掘進(jìn)機(jī)法施工的特殊性，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行圍巖穩(wěn)定分析。

2.1 計算建模

模型以顧橋礦東一邊界回風(fēng)巷為工程背景，通過該巷道剖面不同頂板巖性組合建模，優(yōu)選支護(hù)方案。

模型尺寸：56 m×36 m×50 m，共163 000 個單元；盾構(gòu)直徑為3.53 m，左右邊界各為26.25 m，考慮到掘進(jìn)機(jī)實際使用情況，模擬進(jìn)尺26 m，每個開挖步距2 m，13 個開挖步距，其中掘進(jìn)工作面10 m 未支護(hù)。模型底部邊界固定，左右邊界水平方向位移固定，頂部邊界施加應(yīng)力邊界。

2.2 地應(yīng)力及巖石物理力學(xué)參數(shù)

采用空心包體應(yīng)力解除法在東一邊界回風(fēng)巷取樣進(jìn)行地應(yīng)力測試，經(jīng)轉(zhuǎn)化得到計算模型x方向應(yīng)力27.35 MPa，y方 向 應(yīng) 力17.32 MPa，z方 向 應(yīng) 力20.03 MPa。

巖石物理力學(xué)參數(shù)采用試驗室測定法獲取，在不同的巖性頂板段進(jìn)行現(xiàn)場取心，經(jīng)過真三軸試驗、密度試驗、單軸抗壓試驗等試驗方法進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表2。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of rock

2.3 支護(hù)工況

根據(jù)巷道頂板巖性和鄰近巷道支護(hù)效果綜合分析提出了不同頂板巖性條件下的模擬工況，即砂巖頂板6 種工況、砂質(zhì)泥巖頂板3 種工況、泥巖頂板3種工況，具體支護(hù)參數(shù)見表3、表4。

表3 錨桿、錨索結(jié)構(gòu)單元參數(shù)[20]Table 3 Mechanical parameters of bolt and cable[20]

表4 模擬工況參數(shù)Table 4 Simulated operating parameters

2.4 數(shù)值計算結(jié)果分析

1）應(yīng)力分析。砂巖頂板6 種工況巷道表面均出現(xiàn)了卸壓現(xiàn)象，未見拉應(yīng)力區(qū)，表面應(yīng)力分布基本一致，并沒有隨著支護(hù)錨桿長度和支護(hù)密度的增加表現(xiàn)出明顯差異，水平巷道選擇砂巖層位施工后具有一定的自承載能力。頂板巖性綜合柱狀如圖4—圖6所示，計算模型如圖7 所示。

圖4 砂巖頂板綜合柱狀示意Fig.4 Illustration of sandstone roof stratigraphic columns

圖5 砂巖頂板綜合柱狀示意Fig.5 Illustration of sandy mudstone roof stratigraphic columns

圖6 泥巖頂板綜合柱狀示意Fig.6 Illustration of mudstone roof stratigraphic columns

圖7 計算模型Fig.7 Calculating model

砂質(zhì)泥巖頂板3 種工況巷道表面卸壓情況：工況六到工況八巷道頂板卸壓程度逐漸減小，兩幫工況八與工況七相同，且均大于工況六，說明隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，頂板卸壓程度逐漸減小，支護(hù)改變了圍巖的應(yīng)力分布（圖8）。

圖8 模擬方案示意Fig.8 Calculating support strategies

泥巖頂板3 種工況巷道表面均出現(xiàn)了不同程度的卸壓。隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，頂板的卸壓越來越不明顯，即頂板應(yīng)力越來越大（圖9）；由于底板未進(jìn)行支護(hù)，3 種工況下，受力狀況基本一致；3 種工況下，巷道兩幫受力大小無差別，但隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，卸壓表現(xiàn)不明顯，即隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，兩幫應(yīng)力也在增加。從圍巖應(yīng)力的控制方面：工況八（泥巖）＞工況七（泥巖）＞工況六（泥巖）。

圖9 巷道表面應(yīng)力Fig.9 Roadway surface stress

2）塑性區(qū)分析。所選的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb 模型，是應(yīng)用較為廣泛的巖土類材料彈塑性模型，屈服條件為

式中，τf為屈服面上的剪應(yīng)力；σn為法向應(yīng)力；c為材料的黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

不同工況下巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖10 所示。砂巖頂板：工況一至工況六巷道圍巖塑性區(qū)呈現(xiàn)碟形[15-19]分布，多為剪切塑性區(qū)，分布在兩幫及頂板45°～60°方向；工況一至工況四塑性區(qū)分布范圍基本相同，隨著錨桿長度的增加塑性區(qū)范圍有減小的趨勢。工況二、工況五和工況六巷道圍巖塑性區(qū)存在明顯差異，隨著錨桿支護(hù)密度的增加塑性區(qū)明顯減小，支護(hù)密度對巷道圍巖的控制效果優(yōu)于錨桿長度的增加。

圖10 不同工況下巷道圍巖塑性區(qū)分布Fig.10 Distribution of plastic zone using different support methods

砂質(zhì)泥巖頂板：工況六至工況八巷道圍巖塑性區(qū)主要為剪切塑性區(qū)，分布在巷道圍巖周圍；3 種工況巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍存在顯著差異，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加塑性區(qū)范圍有減小趨勢，表現(xiàn)為塑性區(qū)分布范圍和深度均減小，尤其以工況八塑性區(qū)更為明顯。

泥巖頂板：工況六至工況八巷道圍巖以受剪應(yīng)力破壞為主，3 種工況下塑性區(qū)破壞范圍基本無差別，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，開挖初期受剪應(yīng)力破壞的區(qū)域在減小，即隨著支護(hù)密度和強(qiáng)度的增加，對圍巖變形的控制效果越來越明顯。從控制圍巖破壞效果方面：工況8＞工況7＞工況6。

3）表面位移分析。砂巖頂板：工況一巷道頂板下沉量較大，工況二至工況六計算結(jié)果基本一致，但差值有微小變化，6 種工況的最大幫部移近量基本保持不變（圖11）。

圖11 不同工況下巷道最大表面位移曲線Fig.11 Maximum surface displacement of roadway using different support methods

砂質(zhì)泥巖頂板：工況六至工況八巷道頂板最大下沉量均大于底鼓量，每種工況兩幫最大位移量基本一致，工況七、工況八與工況六相比，最大頂板下沉量、最大底鼓量和最大幫部移近量差值分別為11.2 和10 mm、9.4 和9.8 mm、10.9 和7.8 mm。

泥巖頂板：工況六巷道頂板最大下沉量為77.9 mm，最大底鼓量為77.2 mm，頂板下沉量大于底鼓量，兩幫最大移近量基本一致。隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，頂?shù)装逦灰屏恐钤絹碓酱螅f明對圍巖位移的控制效果越來越明顯，由于底板未支護(hù)，3 種工況下，底板的位移差別很小。

綜上，工況二（砂巖）、工況七（砂質(zhì)泥巖）和工況八（泥巖）為3 種頂板巖性的最優(yōu)支護(hù)方案。

3 全斷面掘進(jìn)機(jī)快速施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 連續(xù)化排矸系統(tǒng)構(gòu)建

顧橋礦巖巷排矸采用礦車運(yùn)輸、罐籠提升模式，其運(yùn)輸效率低下、轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)復(fù)雜、安全隱患大、副井兼顧上下人員、材料、設(shè)備和提矸等問題突出，不能滿足小型巷道全斷面掘進(jìn)機(jī)快速施工需要，已嚴(yán)重制約巖巷綜合單進(jìn)水平。

為解決制約礦井生產(chǎn)的上述問題，實現(xiàn)連續(xù)化排矸需要，通過補(bǔ)套施工中央?yún)^(qū)至東區(qū)矸石帶式輸送機(jī)斜巷構(gòu)建矸石運(yùn)輸主動脈和健全北一13-1 下山采區(qū)、東一（1）采區(qū)矸石運(yùn)輸子系統(tǒng)，實現(xiàn)所有采區(qū)矸石連續(xù)化運(yùn)輸要求。通過施工北二采區(qū)和中央?yún)^(qū)井底車場翻罐籠系統(tǒng)構(gòu)建零星矸石連續(xù)化運(yùn)輸系統(tǒng)，解決礦井日常小結(jié)構(gòu)施工、水倉清淤、巷道修護(hù)挖底產(chǎn)生的不具備直接進(jìn)入主矸石運(yùn)輸系統(tǒng)的零星矸石問題。

自2019 年顧橋礦矸石連續(xù)化運(yùn)輸系統(tǒng)改造升級以來，共設(shè)計施工巷道約3 800 m，完成矸石倉3 個，鋪設(shè)矸石輸送帶6 部，除中央?yún)^(qū)井底翻罐籠系統(tǒng)未施工完成外，其他工程均已完工，北一、北二采區(qū)和東一（1）采區(qū)均已經(jīng)實現(xiàn)矸石連續(xù)化運(yùn)輸，礦井矸石連續(xù)化運(yùn)輸系統(tǒng)已形成規(guī)模。

矸石連續(xù)化運(yùn)輸系統(tǒng)的建成（圖12），實現(xiàn)了全斷面掘進(jìn)機(jī)巷道快速施工排矸需要，減少了礦車運(yùn)矸頻次，縮短了礦車運(yùn)矸距離，徹底減輕了副井提矸負(fù)擔(dān)，提高了矸石運(yùn)輸效率，同時消除了機(jī)電運(yùn)輸安全隱患。

圖12 連續(xù)化排矸系統(tǒng)Fig.12 Continuous waste rock discharge system

3.2 全斷面掘進(jìn)機(jī)作業(yè)線創(chuàng)建

1）作業(yè)線設(shè)備配置（圖13）。作業(yè)線設(shè)備主要由EQS3530 全斷面掘進(jìn)機(jī)、DX100 防爆特殊蓄電池單軌吊機(jī)車、FBDNO.8.0 降噪局部通風(fēng)機(jī)、空氣冷卻器、高效除塵風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)組成。此外，還包括風(fēng)水壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)、甲烷無線傳感器、移動抽采管路、遙控自動風(fēng)門。風(fēng)水壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)實時在線數(shù)據(jù)監(jiān)測，當(dāng)工作面風(fēng)水壓力不足時，可及時預(yù)警，快速安排人員處理，有效保障工作面正常供風(fēng)、供水，為快速掘進(jìn)提供有力保障。應(yīng)用GJJ100W 甲烷無線傳感器能夠減少施工過程中監(jiān)控線纜的延接，安裝挪移方便，避免施工過程中因線纜損壞造成的斷電或誤報。隨巷道向前延伸，并保持負(fù)壓狀態(tài)，配備快速接頭可有效處理掘進(jìn)施工過程中各類鉆孔突發(fā)出瓦斯的險情。在現(xiàn)場風(fēng)門中間布置2 套控制器和相關(guān)信號站，通過增設(shè)6 套氣缸，分別控制2 道門的翻板門和正門，只需操控遙控器，便能實現(xiàn)風(fēng)門前后30 m 范圍一鍵開閉，解決了受條件限制下運(yùn)行單軌吊（圖14）的問題。

圖13 設(shè)備配置部分實物Fig.13 Pictures of several equipment and devices

圖14 單軌吊Fig.14 Monorail conveyer

2）組裝與始發(fā)。根據(jù)全斷面掘進(jìn)機(jī)外形尺寸和組裝需要，設(shè)計了專用始發(fā)硐室，全長約108 m，分臺階變斷面綜掘施工，方位角0°，施工坡度3‰。為保證全斷面掘進(jìn)機(jī)快速組裝需要，硐室內(nèi)澆筑混凝土基礎(chǔ)，強(qiáng)度C30，巷道鋪設(shè)30 kg/m 軌道，預(yù)埋件通過全長錨固地錨固定，錨桿規(guī)格?22 mm×1 000 mm。通過對始發(fā)硐室巷道墻高進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，墻高由1 600 mm 增高至3 250 mm，再將墻高由3 650 mm降為1 367 mm，實現(xiàn)“一增一減”，以方便蓄電池單軌道轉(zhuǎn)運(yùn)配件和材料需要（圖15）。

全斷面掘進(jìn)機(jī)在始發(fā)硐室組裝調(diào)試好后，通過反復(fù)試驗調(diào)整找出合理撐緊推力、護(hù)盾穩(wěn)定器推力和刀盤旋轉(zhuǎn)速度，設(shè)置推進(jìn)步距實現(xiàn)全斷面掘進(jìn)機(jī)始發(fā)。

3）排矸與物料運(yùn)輸。全斷面掘進(jìn)機(jī)通過刀盤擠壓破碎巖石后，由刀盤鏟斗旋轉(zhuǎn)落至一運(yùn)帶式輸送機(jī)、二運(yùn)帶式輸送機(jī)，經(jīng)過聯(lián)巷運(yùn)至北一下山采區(qū)13-1 巖石回風(fēng)下山，矸石通過溜矸眼落到北二排矸聯(lián)絡(luò)巷，經(jīng)矸石倉到-920 m 矸石運(yùn)輸斜巷，最后到深部進(jìn)風(fēng)井，由矸石箕斗提升至地面，排矸實現(xiàn)連續(xù)化。

巷道工作面支護(hù)材料和其他物料均采用DX100防爆特殊蓄電池單軌吊機(jī)車（以下簡稱單軌吊機(jī)車）打運(yùn)，該單軌吊總長度22.9 m，質(zhì)量12.4 t，最大牽引力100 kN，最大運(yùn)行速度1.6 m/s，最大適應(yīng)坡度16°，通過在全斷面掘進(jìn)機(jī)專用材料平臺上實現(xiàn)物料裝卸、儲存，實現(xiàn)了物料輸送連續(xù)化。

4）巷道支護(hù)施工。根據(jù)巷道精準(zhǔn)圍巖控制計算結(jié)果，3 種巖性頂板條件下巷道均采用錨桿索支護(hù)，巷道支護(hù)精確計算到每一根錨桿、錨索長度和密度，以盡量縮短支護(hù)時間。通過遠(yuǎn)程遙控支護(hù)機(jī)構(gòu)集成的錨桿鉆機(jī)進(jìn)行巷道錨桿支護(hù)，該鉆機(jī)利用全斷面掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)提供動力，增大鉆機(jī)的扭矩和推力，實現(xiàn)錨桿鉆機(jī)圓周方向±90°鉆孔覆蓋，支護(hù)平臺預(yù)留了增加錨桿鉆機(jī)空間，能夠?qū)崿F(xiàn)平行作業(yè)和快速支護(hù)，改變了以往開挖-支護(hù)-開挖模式，由開挖和支護(hù)平行作業(yè)取代，顯著壓縮了巷道掘進(jìn)工藝中支護(hù)時間占比。

5）拆除。巷道施工完成后要對全斷面掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行拆除，除一部分部件轉(zhuǎn)運(yùn)至下一施工地點外，其余部件均需升井返廠維護(hù)。全斷面掘進(jìn)機(jī)拆除采用模塊化拆除方式，根據(jù)拆除需要，在圓形巷道即將結(jié)束的巷道選擇一段長14 m 砂巖頂板段作為拆除硐室，但需對其進(jìn)行刷擴(kuò)，具體為在圓形巷道頂板挑高1.8 m，兩幫各刷擴(kuò)0.4 m，擴(kuò)刷后斷面為直墻半圓拱形。采用高壓分裂機(jī)配合人工風(fēng)鎬、手鎬作業(yè)，由外向內(nèi)，先頂后幫施工，頂部施工完畢后，先將全斷面掘進(jìn)機(jī)后退4 m，留出拆除刀盤空間后，再擴(kuò)刷幫部，直至刷擴(kuò)14 m 結(jié)束。

拆除順序為由前向后（面向開采工作面方向）進(jìn)行，拆除的部件通過單軌吊打運(yùn)至東一邊界回風(fēng)巷車場，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至北一13-1 下山采區(qū)軌道大巷經(jīng)無極繩運(yùn)輸至北一13-1 下山采區(qū)軌道斜石門，經(jīng)電機(jī)車運(yùn)輸至副井下口升井至地面，需轉(zhuǎn)運(yùn)的部件在支架硐室暫存。

4 工程應(yīng)用

1）工程概況。小型巷道全斷面掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用地點選擇為顧橋礦中央?yún)^(qū)北一13-1 下山采區(qū)東一邊界回風(fēng)巷，設(shè)計全長3115 m，位于13-1 煤和11-2 煤之間，距13-1 煤17 ～32.9 m，距11-2 煤39.3～55 m。巷道按照0°方位角3‰坡度上山施工，圓形斷面，直徑3.5 m，施工穿越砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖，局部可能揭露煤線。巷道頂板巖性以砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖3 種為主。預(yù)計揭露FDs17（26°∠70°～80°，H=1.5 m）逆斷層，影響范圍內(nèi)巷道頂板為花斑泥巖和泥巖，巖性破碎。主要水害為砂巖裂隙水，正常涌水量1～3 m3/h，最大涌水量20 m3/h。

2）掘進(jìn)效果分析。調(diào)試試生產(chǎn)期間掘進(jìn)進(jìn)尺109 m，2020 年10 月1 日巷道開始正式掘進(jìn)施工，10 月份進(jìn)尺291.3 m，11 月份進(jìn)尺600.6 m，12 月份進(jìn)尺500.5 m，2021 年1 月份進(jìn)尺460 m，2021 年2月份進(jìn)尺142 m（放假14 d），2021 年3 月份進(jìn)尺450 m，2021 年4 月份進(jìn)尺260 m。投入使用第二個月就創(chuàng)造了小班進(jìn)尺20.2 m，圓班40.2 m，月進(jìn)尺600.6 m的巖巷施工記錄（檢修停產(chǎn)5 d）。由于后路大輸送帶為一條輸送帶連續(xù)運(yùn)輸，隨著掘進(jìn)距離加大，在巷道大輸送帶故障相對增多的情況下，在7 個月內(nèi)完成3 115 m 巖巷掘進(jìn)，比計劃提前完成掘進(jìn)任務(wù)，創(chuàng)造國內(nèi)φ3.5 m 礦用全斷面掘進(jìn)機(jī)試運(yùn)行即正式生產(chǎn)，且7 個月內(nèi)連續(xù)無故障運(yùn)行記錄（表5）。

表5 施工指標(biāo)對照Table 5 Comparison of construction indexes

東一邊界回風(fēng)巷掘進(jìn)機(jī)法和鄰近巷道1126（3）底抽巷鉆爆法對比如下：掘進(jìn)機(jī)法是鉆爆法巷道施工效率的3.15 倍，人均工效提高到3.82 倍；同等條件下施工人數(shù)少15 人，節(jié)省工資1 310 萬元；每米巷道材料費(fèi)降低754 元，巷道節(jié)省材料費(fèi)用265.4 萬元，工期提前14 個月。

3）礦壓觀測。采用十字布點法對3 種巷道頂板巖性段布置收斂變形觀測站，測站間距100 m，共設(shè)置12 組測站（圖16）。

圖16 測站布置示意Fig.16 Arrangement monitoring points

為觀測圍巖穩(wěn)定性控制效果，選取了最具代表性3 種頂板巖性巷道表面位移數(shù)據(jù)，觀測結(jié)果表明，巷道圍巖基本在開挖支護(hù)后約43 d 后趨于穩(wěn)定，變形曲線呈L 型分布（圖17）。砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖3 種頂板巖性巷道圍巖最大兩幫累計位移為12、17、22 mm，均在工程允許范圍，說明巷道圍巖穩(wěn)定，支護(hù)有效（圖18-圖20）。

圖17 砂巖頂板巷道變形曲線Fig.17 Surface dispalcement curves of roaway with sandstone roof

圖18 砂質(zhì)泥巖頂板巷道變形曲線Fig.18 Surface dispalcement curves of roaway with sandy mudstone roof

圖19 泥巖頂板巷道變形曲線Fig.19 Surface dispalcement curves of roaway with mudstone

圖20 巷道圍巖控制實際效果Fig.20 Actual effect of roadway surrounding rock control roof

4）存在的問題及對策。①巷道初始支護(hù)設(shè)計方案使用的是8 號鐵絲網(wǎng)，其能夠很好的貼合巖面，但其硬度有限，遇到頂板破碎時容易出現(xiàn)“兜肚子”現(xiàn)象，且需要通過人工壓茬聯(lián)結(jié)，不利于巷道圍巖控制，而且費(fèi)時費(fèi)力。因此，研發(fā)了鋼筋自聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)目為100 mm×100 mm，尺寸可根據(jù)巷道錨桿排距確定。通過前后兩片網(wǎng)片鋼筋頭彎曲相連，形成一個整體。具有不要壓茬、連接方便、快速安裝、節(jié)省材料、受力均勻、整體性強(qiáng)、不需綁扎等顯著優(yōu)點。②由于巷道直徑為3.5 m，空間有限，因此普通掘進(jìn)帶寬800 mm、H 架高1 m、電機(jī)2×75 kW、帶強(qiáng)1 000 s 帶式輸送機(jī)不能滿足3 400 m 排矸需求，且影響單軌吊運(yùn)輸。為此，研發(fā)了帶寬800 mm、H 架高0.574 m、電機(jī)2×200 kW、帶強(qiáng)1 250 s 帶式輸送機(jī)，實現(xiàn)了一部帶式輸送機(jī)滿足3 400 m 的巷道排矸需求，滿足了單軌吊運(yùn)輸高度要求。且該帶式輸送機(jī)擁有集控和精準(zhǔn)定位功能，實現(xiàn)了皮帶急停保護(hù)動作時能夠立即定位出現(xiàn)位置，語音通話系統(tǒng)可以溝通確定故障原因，有效避免了各類誤報延誤生產(chǎn)或造成隱患的問題。③變坡范圍為-5°～5°，不能很好的適應(yīng)控層施工要求。通過增加調(diào)向油缸縫合螺栓強(qiáng)度、全斷面掘進(jìn)機(jī)油壓、燒焊加固刀盤強(qiáng)度、設(shè)定自帶全站儀數(shù)據(jù)綜合方法，成功的實現(xiàn)了-9°～9°變坡范圍，增加了全斷面掘進(jìn)機(jī)控層位能力。④全斷面掘進(jìn)機(jī)自帶刀盤冷卻水循環(huán)系統(tǒng)冷卻效果差，進(jìn)入刀盤水溫較高，刀盤磨損嚴(yán)重。通過增加一路φ108 mm 供水管，改進(jìn)刀盤進(jìn)水管路，使得冷水接入刀盤冷卻水系統(tǒng)，冷卻后的水接入排水管路直接排掉，此舉徹底解決了刀盤過熱產(chǎn)生的磨損。⑤全斷面掘進(jìn)機(jī)過斷層期間，頂板破碎，頂板維護(hù)困難。首先縮小步距（調(diào)至0.8 m），然后采用4 m 花管進(jìn)行超前注漿加固，注漿采用久米納（KWJG-2）礦用無機(jī)充填加固材料，水灰比為0.3（15 L 水/2 袋50 kg 料），注漿孔間排距1 m×1.8 m，注漿壓力大于3 MPa。加強(qiáng)過段期間的支護(hù)強(qiáng)度，錨桿規(guī)格22 mm×2 000 mm，每排9 根，間排距800 mm×800 mm；錨索規(guī)格每排5 根，間排距1.1 m×1.6 m。

5 結(jié) 論

1）根據(jù)淮南礦區(qū)瓦斯治理工程需要，結(jié)合井筒罐籠提升、設(shè)備運(yùn)力、巷道尺寸、瓦斯治理模式、設(shè)備防爆性能、連續(xù)化排矸、巷道施工條件研制出了φ3.5 m 小型巷道全斷面掘進(jìn)機(jī)，此設(shè)備能夠滿足煤礦小斷面巷道快速施工要求，且具備防爆性能。

2）基于煤礦全斷面掘進(jìn)機(jī)法施工巷道特殊性要求，綜合考慮巷道圍巖地應(yīng)力測試與數(shù)值計算兩方面因素，優(yōu)選出了3 種巖性頂板條件下的最優(yōu)支護(hù)參數(shù)，并通過動態(tài)修訂做到了巷道圍巖分類精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)了“圍巖控制穩(wěn)定、支護(hù)材料數(shù)量精確、支護(hù)時間占比少”的目標(biāo)。

3）研究結(jié)果表明，連續(xù)化排矸系統(tǒng)構(gòu)建、小型巷道全斷面掘進(jìn)機(jī)作業(yè)線設(shè)備配置、快速始發(fā)與拆除、巷道精準(zhǔn)支護(hù)施工均為保障全斷面掘進(jìn)機(jī)快速施工的關(guān)鍵技術(shù)。

4）應(yīng)用結(jié)果證明，投入使用第二個月就創(chuàng)造了小班進(jìn)尺20.2 m，圓班40.2 m，月進(jìn)尺600.6 m 的淮南礦區(qū)巖巷最高施工記錄（檢修停產(chǎn)5 d）。7 個月內(nèi)完成3 115 m 巖巷掘進(jìn)，比計劃提前完成掘進(jìn)任務(wù)，創(chuàng)造國內(nèi)φ3.5 m 小型巷道全斷面掘進(jìn)機(jī)試運(yùn)行即正式生產(chǎn)，且7 個月內(nèi)連續(xù)無故障運(yùn)行記錄。

5）針對應(yīng)用過程出現(xiàn)的問題，創(chuàng)造性的提出了相應(yīng)的解決對策。具體為研發(fā)了鋼筋自聯(lián)網(wǎng)，研制出帶寬800 mm、H 架高0.574 m、電動機(jī)功率2×200 kW、帶強(qiáng)1 250 s、3 400 m 超長運(yùn)輸能力帶式輸送機(jī)，提高了全斷面掘進(jìn)機(jī)變坡范圍（-9°～+9°），改進(jìn)了刀盤自帶冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，提出了全斷面掘進(jìn)機(jī)過斷層治理方案。