TBM在煤矿快速掘进中可行性思考

TBM在煤矿快速掘进中可行性思考
摘要：TBM(Tunnel Boring Machine)即隧洞掘进机，是指使用旋转刀具施工，并且打破洞内围岩结构以及掘进，从而造成完整隧洞截面的一类新式、现代化的
隧洞施工机具；相对于目前使用的传统方法，TBM集钻、挖掘、保护于一身，通
过电子、信号、遥测、遥控等现代化技术对全部作业实施制导与监视，使挖掘过
程中一直保持最佳状态。

在国际上，已经应用在水利水电、矿井挖掘、交通运输、市政、军事等重大建设工程中。

在矿井全围岩巷道掘进中，由于基本上仍采取常
规的钻爆法施工，施工质量低下，稳定性较差，严重影响了煤矿安全与高效产出，若能对TBM技术进行合理改良，引入煤矿围岩巷道掘进中，必将大大改善煤矿岩
巷现状。

关键词：TBM ；快速挖掘；可行性
1.TBM 开挖掘进原理
1.1TBM 开挖原理
在大推动力影响下，放置于刀盘上的碟型滚刀紧压岩面，由于盾构式机刀盘
的转动，碟型滚刀在刀盘的轴线上运行的时候围绕着其轴线自转，在盾构式机刀
盘巨大的推动、转矩影响下，滚刃在掌子面上的同心圆切缝上滑动，当推动力大
于岩体的抗压强度时，碟型滚刀内的岩体直接断裂，碟型滚刀穿过岩体，掌子面
上被碟型滚刀的挤压破坏而产生了多道同心圆沟，由于壕沟深度的增大，岩块的
裂缝也加深增大，当大于岩体的切割强度和拉伸强度时，相邻同心圆壕沟内的岩
体成片剥离。

在挖掘时，推动系将TBM主机牢固地锁住在挖掘的隧洞洞壁，并受到刀盘力
矩和推动的反力矩。

推动油缸以支撑系统为支点，并将驱动力直接施以于盾构机
刀盘，从而驱动刀盘破岩挖掘。

崩落于隧洞下部的石渣被随刀盘旋转动的均布于
刀盘上的铲斗、刮片等汇集在机内的胶带机上，再经由主胶带机转载至后配套的
胶带机上，用小编组车辆运输出洞[1]。

1.2敞开式掘进原理
敞开式全截面围岩挖掘法的主要作业方法为循环作业，其基本原理为支护机构撑紧洞壁后，刀盘旋回转，并推动液压缸前进，以碟形的滚刃击碎围岩，出碴系统直接出碴而完成对隧洞的持续循环挖掘作业。

掘入机的作业分为挖掘作业和换步作业二部分。

挖掘作业:先拿出水平或(X型)的支柱，先撑紧洞壁，收住后支撑，然后开启胶布出碴机，刀盘旋转，并推动液压缸前进，由盾构机刀盘上的滚刃开始破石，脱落的岩层落入洞底，由盾构机刀盘边沿的铲斗将脱落的岩层铲起并由盾构机刀盘将铲起的岩层传递给胶布出碴机而将岩碴产出洞外；在推动液压缸伸至最大直径时，把掘进机机头、主梁、后支承向前推动了一定行程。

换步作业：将盾构机刀盘停止转动，并拉伸后支柱以撑紧孔壁，同时压缩标准(或X型)的支柱使靴片脱离孔壁，同时压缩后推进的油缸，使标准支柱再向前移一行程。

对双水平(或双X型)支持挖掘机，除双套支持只能有较多的支持地点选项外，其他和单T型或(X型)支持的掘进机相同。

双支柱中每个支撑靴都应该能够单独实现支护的功能，亦即当双支柱中任何支撑没有工作后，另一个支柱就能够担负起完成掘进任务的职责。

1.3单护盾模式掘进原理
TBM在软弱围岩土层内挖掘后，支护体系和主推进体系不再作用，可伸缩式的盾牌处在收缩位置。

盾构机刀盘掘进中的反力矩由盾壳和施工部位之间的摩擦力所产生，刀盘的驱动力由辅助推进系统油缸支承在管片上进行，因此TBM掘进过程与管片安装并不同时。

此时的TBM作业过程是：挖掘—将辅助油缸回收—安装管片—再挖掘。

1.4双护盾模式掘进原理
TBM在围岩稳定性较好的岩石土层中挖掘时，撑靴通过紧撑洞壁为主推进的油缸，提供反作用力使TBM向前推动，而盾构机刀盘的反向力矩则由二个位于支护盾上的反向力矩油缸供给，挖掘和管片安装工作同时完成。

此时的TBM作业循环为:先挖掘与安置管片—撑靴收回换步—再支护—再挖掘与安置管片。

2.煤矿引入TBM的意义
2.1提升煤矿掘进的机械化水平
煤矿行业总是要朝机械化、自动化的方向去发展，而煤矿岩巷掘进却依然停留在打眼放炮的阶段，掘进工艺及装备迫切需要变革和提升，下决心搞好新的掘进工艺和装备是煤矿机电人义不容辞的责任。

2.2减少了煤矿职工的劳作力度、改变工作
目前的岩巷掘进工序，不但质量低、灰尘大、噪声高，同时对职工劳动强度也特别大，将严重损害职工的健康，甚至危害矿山的高效产出，若能把TBM技术做了适当的改良并引进到矿井掘进中，必将会降低煤矿工人的劳动强度。

2.3保障煤矿掘进的安全性
TBM本身是由护盾存在的，在煤矿进行挖掘，会增加整个工作的安全系数，并且有很大的提升度，在挖掘的过程中不会有更多的安全隐患问题，减少出现的事故的可能性，这样对于挖掘工作人员安全性有很大保证。

3.煤矿引入 TBM 可能存在的问题及措施
3.1通风
在进行煤矿掘进的过程中，大部分是在井下进行的，井下会有很多的有害气体，必须保证井下的通风性，在对于整个工作进行监控的时候，必须保证数据的及时性与准确性。

如果说隧洞长度增加的情况下，为了能够保证通风性，需要增加竖井，有很好的效果。

3.2电气设备防爆
煤矿在生产中不能忽视的就是安全问题，工作中需要遵循：“生命安全第一位，防治为首，全面管理”。

煤矿井下所使用到的电气设备在选择的时候必须达到煤炭行业防爆标准。

所以说，现在的TBM中所有电气设备需要增加防爆设备，只有这样才能够满足煤矿安全生产标准，达到正常的运行操作。

3.3排水
在进行下坡掘进的过程中，不能忽视的就是排水工作，对于这方面问题需要
有效的解决，主要工作方面有：1.对于原本的设备进行更新，不断的进行改进。

机头位置上潜水泵数量增加到4台-6台，机尾中离心泵数量设置为3台-4台。

需要设置两台发电机，将其放置在配套平台上，这样在出现问题的时候能够有备
用设备，并且保证所有水泵共同工作的情况下不会出现的超功率情况。

同时，在
煤矿外侧每隔1500米的位置上需要加设一台加压泵，按照实际的用涌水量数据
确定水泵容量与发电机容量；2.工作中需要有利的组织策略，在工作中如果出现
停电问题，需要能够及时进行发电排水，保证工序正常的运行；3.所有电机运行
中需要有密封保护。

3.4出渣
采用胶带机出渣。

采用胶带机出渣基本上实现了出渣连续作业。

在整个掘进
过程中，只有两个行程间的拉缸时间(约1 min)有稍许停掘。

从掘进速度分析，
每日可增加2 h 掘进时间，可以多掘进5个行程，约6 m左右。

2.5掘进断面
在设计中要将断面直径适当扩大，使其底部宽度和高度满足胶带机安装要求，就可在不需要切帮的情况下加快掘进速度。

3.6解体下井
目前 TBM 中最大不可拆解件为刀盘和主机驱动，刀盘可以设计为分体结构，但主机驱动为一个整体，重量通常在50~60 t，不能满足下井要求，需要做改进
设计。

3.7经济性分析
在工程中，对一般直径超过6km的隧洞采取TBM法施工在经济上考虑较为经济，而不足6km的隧洞则可采取钻爆法施工，如将其引向煤矿岩巷掘进，也要对
现有掘进施工成本与盾构法掘进施工进行经济性分析。

4.结语
矿井掘进与水利、轨道交通的掘进都有不同的特征，在矿井岩巷挖掘中使用TBM施工技术需要多方面的支持，这样才能够改进中国矿井岩巷挖掘状况。

参考文献:
［1］张铸.TBM工作原理及设备选型［J］.科技情报开发与经济，
2007(9):264－265．
［2］王彦武.塔山矿主平峒TBM掘进技术初探［J］.山西水利，
2004(12):57－59．。