浅析台格庙矿区盾构法施工煤矿斜井全断面掘进机技术及应用

南清安

（神华集团有限责任公司科技发展部，北京市东城区，100011）

1 引言

台格庙矿区煤层赋存较深，可采煤层埋深一般在650m 左右。为快捷、高效运输，矿井设计选择斜井开拓方式，坡度为6°，斜井长度达6000 m以上。如此长的斜井在国内外煤矿都比较罕见，若采用常规的钻爆法建井，不但施工周期长，而且安全管理难度大。所以，在设计首对井筒时，选择了具有安全、高效、成型好、适应性强等特点的盾构法进行施工。

盾构法施工集开挖、支护和出渣运输工序于一体，可有效实现长大隧道施工的工厂化作业，已广泛应用于交通、水电、市政、国防等工程领域。但在煤炭行业采用盾构法施工的斜井国内还没有成功案例，尤其施工长距离斜井 （大于4000 m）国际上也无先例。因此，台格庙矿区盾构法施工斜井意义重大，其不仅开拓了盾构法施工的新领域，还为煤矿高效建设探索了一条新的路径。

2 台格庙斜井特点分析

台格庙矿区位于鄂尔多斯高原的中南部，总体地势呈北高南低，一般海拔标高1300～1420 m，相对高差120m，赋煤标高578～1049m。斜井从地表斜贯到地下煤层，与交通、水电等常规隧道相比，差异很大。

2.1 斜井坡度较大、距离较长

煤层在地下埋藏的越深，布置斜井的长度越大。当埋深一定时，斜井的长度长短取决于坡度的大小。台格庙矿区首个矿井煤层埋深约为680 m，在综合考虑将来斜井中运行设备的适应性和安全性，以及斜井施工设备的适用性、安全性和施工的经济性后，选取坡度为-10.5% （6°下坡）时，斜井长度达6550 m。目前，国内采用盾构法施工的交通隧道最长达21.5 km、引水隧道最长达166km，但其坡度均在3°以下；地铁隧道坡度最大为5.5°，但长度都在1600m 以下。

2.2 穿越地层多、地质条件复杂

隧道一般都在同一地层中施工，岩性基本稳定，地质条件相对简单。台格庙矿区斜井须穿过多个地层，地层由老至新发育有侏罗系中统延安组、安定组、白垩系下统志丹群、第三系上新统和第四系等。其岩性主要为砂岩、砂质泥岩、泥岩，局部附存含砾粗砂岩及泥岩破碎带等。岩石的力学强度不高，岩体质量较差，稳固性也较差。岩石以软弱岩石-半坚硬岩石为主，泥岩类遇水软化变形，甚至有崩解破坏现象。

2.3 斜井穿越的地层有含水层和隔水层

台格庙矿区斜井另一突出特点是，斜井穿越的地层中有含水层和隔水层。含水层有第四系全新统风积沙层孔隙潜水含水层，白垩系下统志丹群孔隙裂隙含水层，侏罗系中统安定组孔隙裂隙含水层，侏罗系直罗组孔隙裂隙含水层和侏罗系中下统延安组顶部孔隙裂隙含水层。隔水层有白垩系下统志丹群和安定组隔水层。主要含水层的单位涌水量q=0.0424～0.1319 L／ （s·m），渗 透 系 数K =0.05724～0.12593m／d，富水性为性弱-中等。

3 MBM 的提出

盾构法施工隧道的核心是全断面掘进设备。欧美将全断面隧道掘进机统称为TBM （tunnel boring machine），日本则一般统称为盾构机，细分可称为硬岩隧道掘进机和软地层隧道掘进机。目前国内一般习惯将岩石隧道掘进机称为TBM，将软地层隧道掘进机称为盾构机 （Shield Machine）。其中，岩石隧道TBM 又分为敞开式TBM、双护盾式TBM、单护盾式TBM；软地层盾构机按支护地层的形式分为敞开式盾构、压缩空气盾构、泥水盾构和土压平衡盾构 （简称EPB，Earth Pressure Balance）。

一般煤矿斜井穿越地层多，地质条件比较复杂，既有硬岩也有软岩，还有水和瓦斯的影响，与通常隧道的水文地质条件和工程地质条件差别很大。常用于隧道全断面掘进的设备，都满足不了煤矿斜井的盾构法施工要求，必须为其 “量体裁衣”，开发一种新的全断面掘进机。现把用于盾构法施工煤矿斜井的全断面掘进机称为MBM （Mine Boring Machine），以与隧道全断面掘进机相区别。

4 台格庙MBM 特性探讨

针对台格庙斜井的特点，研发的台格庙MBM，既能在岩石中掘进，又能在软地层中掘进。因此，该机采用隧道盾构法施工的单护盾式TBM与EPB盾构相互转换的双结构模式：当地质软弱、地下水大时，以EPB 盾构模式掘进；当进入全断面岩层，地下水较少时，以单护盾TBM 模式掘进，实现相对连续、高效工作。

4.1 台格庙MBM 技术参数

台格庙矿区斜井设计内径6.6m，拼装式管片厚350mm、宽1500mm，施工进度：平均月进尺350m 以上，最高月进尺600m 以上。台格庙矿区MBM 技术参数如下：

（1）刀盘直径：7620 mm，刀盘偏心设计10 mm，盾体为锥形。

（2）EPB模式：刀盘开口率35%，刀盘配18 in滚刀47把，切刀66把。

（3）驱动电机 （变频）：功率8×315kW，转速0～6.4r／min，扭矩8300kN·m （2.9r／min时），主驱动密封承压5bar。

（4）主轴寿命：大于15000h。

（5）推进液压缸：230／200-2300型，液压缸数量为15对+4根，额定总推力42378kN，最大总推力49442kN。

（6）螺旋输送机：内径920mm，最大运输能力450m3／h。

（7）皮带机：带宽900 mm，最大运输能力850t／h。

（8）总装机功率：4600kW。

同时，台格庙MBM 还配备有害气体检测、通风除尘、排水、豆砾石吹填、注浆、导向和可视化监测等系统。

4.2 台格庙MBM 技术特点

台格庙MBM 是为台格庙矿区研制的矿用全断面掘进机，与常用的隧道全断面掘进机大不相同，其主要技术特点如下：

（1）该机可在单护盾TBM 模式与EPB 盾构模式之间进行转换，既能在岩石中掘进，又能在软地层中掘进，适应性强。

（2）由于台格庙MBM 是单护盾TBM 与EPB盾构机的优化组合，所以其既具备单护盾TBM 简单、快捷、经济的优点，又具有EPB 盾构稳重、持续、抗变的优势。

（3）该机能在护盾的保护下完成掘进、出渣、管片拼装等作业，具有机械化程度高、施工工序连续的优点，比传统的隧道施工进度快，周期短，无须支模、绑筋、浇筑、养护、拆模等工艺。

（4）采用预制混凝土管片跟进衬砌的作业方式，施工进度快、质量好。由于跟进衬砌及时，使大部分在地层中赋存的承压水，不会因地层开挖而得到及时释放。因此，白垩纪岩层遇水软化崩解的地质灾害，会随之大大缓解。

（5）前护盾非常短，既具有TBM 的大推力、高速度的优势，又可有效避免在围岩发生较大变形甚至失稳时，受围岩变形的夹制而被 “困”。

（6）配备的地质预测预报系统和超前地质钻探系统，能够有效地对破碎带、岩溶、突涌水等进行提前探测，以便提前采取应对措施，避免事故的发生。

（7）在穿越瓦斯地层时，可根据需要对可能的瓦斯聚集煤层采用超前钻探的方法检验其浓度，并对聚集的瓦斯采取打孔卸压的方法，进行卸压并稀释。

（8）配置的瓦斯监测系统，对瓦斯数据进行采集处理。当瓦斯浓度达到预警值时发出警报，MBM 将自动停止工作，并启动防爆应急设备。

（9）在掘进过程中能在刀盘前方注入泡沫剂和水雾，避免刀盘切削岩石时产生火花，防止火花引燃瓦斯，降低瓦斯爆炸的危险性。

4.3 台格庙MBM 缺陷

台格庙MBM 的工作方式：当采用EPB 盾构模式掘进时，切削下来的渣土通过螺旋机排放；采用单护盾TBM 模式掘进时，须将螺旋机拆除，更换刀盘和刀具，安装中心皮带机，利用中心出渣环和皮带机出渣，由此不可避免地带来以下缺陷：

（1）在应对地层变化，进行两种掘进模式转换时，由于受空间条件的限制，拆装难度大，用时长，大约需要2～3周。

（2）掘进机推进与管片安装不能同步，作业循环为：掘进→辅助液压缸回收→安装管片→再掘进。因此，在一定程度上影响施工效率。

（3）EPB 盾构模式掘进时，采用螺旋输送机排渣，由于受空间限制，掘进机的出渣能力在一定程度上受限。

（4）台格庙MBM 刀盘采用开口式刀盘，刀盘面板上受开口率的制约，刀盘的刀具数量相对减少，刀盘的刃间距偏大，整机的破岩能力有一定程度的降低。

5 结语

台格庙矿区长距离大坡度斜井采用盾构法施工，在国内外煤矿建井中均是首次实践。为其研发的台格庙MBM，也是国内首台盾构法施工煤矿斜井的全断面掘进机。该机采用单护盾式TBM 与EPB盾构相互转换的双模式结构，能否适用于台格庙矿区斜井的建设，有待进一步实践检验。

［1］ 陈馈，洪开荣，吴学松等.盾构施工技术 ［M］.北京：人民交通出版社，2009