顶管机在煤矿高抽巷掘进中的应用

高艳军

（阳煤集团三矿， 山西 阳泉 045000）

引言

顶管机是微型、小型盾构机的俗称，是一种先进、新型的适用于井下高抽巷施工的机械装备。其工作原理同盾构机相同。煤矿井下高抽巷用的顶管机直径一般在1.4～3.5m，其对岩石硬度适应性较大，最高可达400MPa。此外，顶管机还具有集钻、支护、掘进于一身的优点，并应用遥感等高新技术对作业的所有过程进行监督和控制，从而保证了掘进过程的最佳状态。顶管机在国际上也得到广泛应用，主要用于天然气、石油以及市政等工程中。相比之下，传统的钻爆法施工仍然是我国巷道掘进采用的主要方法，这种方法安全性较差和施工效率低下。此外，悬臂式岩巷掘进机也被我国部分煤矿所采用，但其较大的尺寸不可避免地扩大高抽巷巷道断面，最大可扩大到15m2。虽然掘进的效率通过这种方式得到了一定的提高，但严重磨损掘进机截齿的同时也大大增加了开挖量。我国煤矿矿井的高抽巷一般位于煤层上方裂隙带中的坚硬岩石中，且要求的横截面积较小（4～8m2）。顶管机的特性适用于此种作业条件，将适当改进后的顶管机应用于煤矿高抽巷掘进开挖中，将大幅度提高掘进效率和成本[1-2]。

1 工作原理及技术工艺

1.1 工作原理

顶管机的工作原理虽然与盾构机相同，但仍有一些不同之处：顶管机为实现连续碎岩与掘进，依靠固定在巷道外的推进油缸提供推进力，然后通过多节连接的水泥管或钢管将推进力传递到顶管机的机头。机头在推进力的作用下使掘进刀盘上的滚刀紧压岩面并旋转,在刀盘强大的推力和扭矩作用下实现掘进。此外，需要通过绞车牵引的矿车来实现巷道碎岩的运输，并通过安装在矿车装车点的摄像头来给巷道外人员提供矿车是否已经装满的信息。

1.2 技术工艺

由于顶管机掘进长度一般较短，最大掘进长度约为600m。因此需要适当改进现有的井下高抽巷掘进工艺。改进后的井下高抽巷顶管机施工的技术工艺如图1所示，在现有的高抽巷掘进工艺的基础上需要多掘进联络巷道，顶管机安装在其末端后依次向左右各掘进600m，随后将顶管机和圆形顶管运输至下一条联络巷末端继续重复上一操作。施工完成后，将圆形顶管撤出，使施工完成后的高抽巷成为一条裸巷，人员也不允许再进入。圆形顶管应采用钢制的以实现多次使用。

图1 顶管机掘进高抽巷施工技术工艺图

2 顶管机掘进高抽巷存在的问题及解决办法

2.1 线缆的快接和延伸

由于顶管机在高抽巷掘进时需将多节管道连接后推进，但诸如通信电缆、压风管、动力电缆、液压油管等线缆均要从管道的中间穿过，不可避免地需要每推进一节顶管都需要连接一次线缆，因此设计和生产获得煤安认证的线缆快速连接装置的进程亟需加快。

2.2 顶管机防爆

由于目前市面上没有具有防爆认证的顶管机，所以要对顶管机防爆性能进行研究并获得煤矿安全标志认证后才能将顶管机应用于井下高抽巷掘进。

2.3 管道的运输与存放

目前大多数井下高抽巷的长度在800～1 500m之间，而顶管长度最长仅为4m，这就需要数以百计的管道来完成巷道掘进。但由于矿井空间有限和联络巷坡度较大，顶管管道的运输和存放问题应当被充分考虑。

2.4 通风

在使用顶管机掘进时遇到检修人员进出的情况下，需要对洞内进行通风以保证人员呼吸。采用通压风管的方式可有效解决这一问题。

2.5 排水

在使用顶管机掘进过程中可能会遇到含水岩层，若巷道末端水平高度高于起始段，水会由于重力自行流出，但若末端低于起始段，安装排水设备必不可少。

3 采用顶管机掘进高抽巷的经济性计算与分析

上文技术工艺所述若高抽巷采用顶管机掘进，因此另外的联络巷道的掘进是不可避免的，这会增加施工成本。因此，需基于矿井实际情况对现有及顶管机掘进的施工成本进行经济性计算与分析。

以沁水盆地的矿井为例，通常的高抽巷与回风巷的水平距离约为30～50m，以联络巷道起点距离回风巷40m来计算。根据“竖三带”理论可知：裂隙带高度位于煤层顶板以上的采高的6～12倍的范围内，高抽巷一般位于煤层顶板以上的采高的6～8倍的范围内。沁水盆地煤厚平均约为6m，则高抽巷距离煤层底板垂直高度在42～54m范围内。若平段留17m的长度，加上高抽巷爬坡段的角度约为36°来计算，则爬坡段长度约68m，从而单条联络巷道总长度约85 m。以下按照某工作面高抽巷长度为1 200m计算。

采用顶管机掘进巷道横截面为直径约为1.7m的圆形巷道，若顶管机每次可在施工地点左右方向各推进600m（如上页图1所示），因此需要多掘联络巷道1条，长度为85m。且联络巷道横截面为15m2左右的巷道。

横截面积为15m2左右顶管机掘进综合成本为W 万元 /m，a、b、c、d 分别为钢制顶管使用 1～4 次时顶管机在高抽巷每米掘进时的综合成本，则有：

1）重复使用1次成本=W×85+a×1 200。

2）重复使用2次成本=W×85+b×1 200。

3）重复使用3次成本=W×85+c×1 200。

4）重复使用4次成本=W×85+d×1 200。

假设施工横截面积为5m×3.2m的矩形高抽巷。掘进机掘进综合成本为A×1 200m以上计算，A为这一横截面积下单位长度的掘进成本，其取值受岩石硬度、矿区地质构造、人员成本和顶管成本等因素影响而有些许的不同。根据分析计算只要钢制顶管重复使用2次，采用顶管机掘进的成本接近掘进机掘进成本，重复使用3次及以上，顶管机掘进的成本要低于掘进机掘进成本。因此当顶管机总掘进长度大于1 200m时，采用顶管机掘进开挖高抽巷可节省更多成本。

4 结论

1）采用顶管机掘进长度大于1 200m的高抽巷时更为经济；

2）虽然高抽巷可以有效降低井下工作面的瓦斯浓度，但工作面回采前采用传统方式掘进高抽巷速度较慢，这一定程度上造成了工作面生产交替紧张，而顶管机的使用可有效解决这一问题。