全断面硬岩掘进机在和瑞煤业的应用实践

韩军义

（山西泽州天泰和瑞煤业有限公司，山西 晋城 048021）

山西泽州天泰和瑞煤业近年来新掘巷道中全岩巷道占比达35%左右。该煤矿采用钻爆法施工全岩巷，破、装、运、支无法连续作业，掘进效率低下，且粉尘浓度较高，严重制约矿井的生产接替。因此，必须对全岩巷道掘进设备及工艺进行优化调整[1-3]，有效提高全岩巷道的掘进效率。

1 工程概况

山西泽州天泰和瑞煤业矿井面积1.243 5 km2，设计生产能力45 万t/a，主要开采3#煤层。和瑞煤业西一盘区回风巷长度2235 m，满足西一盘区回风、行人、运输的需要。西一盘区回风巷开采的3#煤层厚度5.60～6.10 m，平均厚度5.80 m；煤层倾角1°～3°，平均倾角2°。直接顶为泥岩，厚度1.07～2.18 m；基本顶为中砂岩，局部为砂质泥岩，厚度1.54～15.86 m。煤层硬度f=5。巷道底板与3#煤留设54 m 层间距。根据邻近巷道揭露，预计里程794 m、1254 m、1498 m 处分别存在H>7.0 m、16.5 m 和19.8 m 的正断层，无陷落柱、冲刷等其他构造。

西一盘区回风巷设计断面直径5.8 m，掘进断面面积26.42 m2，全岩网喷支护，喷浆厚100 mm。支护采用Φ22 mm×2400 mm 的MG400 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，以巷道中心线对称布置，间排距为1200 mm×1000 mm，每排7 根，配W 型钢带（450 mm×280 mm×3 mm）、碟形托盘（150 mm×150 mm×10 mm），挂Φ4 mm 菱形金属网。采用1 支MSK2330 和1 支MSZ2360 树指锚固剂。

2 全岩巷道掘进设备分析

为实现全岩巷道的快速掘进，和瑞煤业引进了SS51300 型盾构机作为全断面硬岩掘进机使用。SS51300 型盾构机采用模块化结构，由刀盘、护盾、支护平台及后配套台车四部分构成，采用全断面刀盘一次性破岩成巷，开挖直径5.8 m，总长65 m，质量480 t，最大爬坡能力5°，最小转弯半径70 m，整机功率2400 kW。

盾体总长9 m，包括前盾、中盾和尾盾3 部分。前盾为敞开支撑式，主要用于支撑刀盘和主驱动，并作为主推油缸回缩时的支撑点，内装350 kW 变频电机6 台，用于驱动主轴承及刀盘工作。中盾为伸缩盾，可前后伸缩保证设备的正常步进，内设8组主推油缸，是设备前进的动力，并设16 组铰接油缸，连接前盾和尾盾。尾盾为盾体前进推力的支撑点，总质量超过100 t。刀盘直径5.8 m，可双向旋转，利用滚刀碾压破碎岩石。

后配套：包括锚杆钻平台、台车及各类配套设备。后配套包含多个系统。排矸系统：由盾体内的移动式带式输送机、尾盾和后配套台车内的固定带式输送机组成。支护系统：由支护平台、2 台液压锚杆机和指形护盾组成，可作为临时前探梁，并对网片进行存储和支撑，可在150°摆角范围内支护作业。超前钻探系统：在锚杆钻平台下方安设气动钻机，可实现超前钻探90 m，满足井下探放水要求。泡沫系统：主要是通过注入泡沫改良渣土性质，防止泥岩黏结在刀盘上而降低切削效率，降低刀盘扭矩，减少刀具磨损，保证顺利排矸。

3 工业性试验

3.1 井下组装

3.1.1 组装室布置

本次盾构机实现井下组装，硐室全长90 m，分为始发硐室、盾体组装硐室、台车存放硐室和台车组装硐室4 部分。硐室施工断面大、支护难度大。硐室内布置龙门吊3台，包括100 t的1台、5 t的1台、10 t 的1 台。

3.1.2 硐室支护参数

盾体组装硐室掘进断面面积达120 m2，采用全岩锚网喷支护，喷浆厚度120 mm，采用分层施工，采用Φ22 mm×2400 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距1800 mm×1000 mm，锚索规格为Φ17.8 mm×6300 mm，间排距1800 mm×1000 mm，锚杆、锚索交替布置，锚杆配W 型钢带（4800/3900/3000 mm×250 mm×4 mm），同时采用锚索组补强支护，“3-2-3”布置，锚索规格为Φ17.8 mm×6300 mm/8300 mm，间排距3000 mm×2000 mm。

始发硐室掘进断面面积30.76 m2，全岩锚网喷支护，喷浆厚度200 mm。因盾构机撑紧油缸行程较小，硐室要求质量较高，施工难度较大。

3.1.3 组装工艺、工序

（1）装运方式受罐笼及巷道运输能力限制，盾构机装运分2 个阶段，I 阶段（地面卸装、入井、运输）：经地面龙门吊卸车并装至特制平板车后，分批进、出罐笼，并运至组装闹室；Ⅱ阶段（井下硐室卸车、组装、调试）：经硐室内的龙门吊卸车、组装，待组装完成后进行调试。

（2）组装方案先组装主机，后组装后配套台车，即先完成刀盘、主驱动、前盾、中盾和尾盾组装工作，然后完成连接桥、锚杆钻、潜孔钻、带式输送机和台车等后配套的组装工作，最后完成管线连接，整机组装完毕。

3.2 盾构机施工工艺和工序

3.2.1 施工工艺

通过将旋转刀盘向工作面不断推进，利用高强度滚刀挤压破碎岩石形成小块，再通过铲刀将岩石碎块经收渣口带到刀盘中心的溜渣槽，落至输送带上完成排矸。

盾构机破岩掘进循环行程1 m，当一个循环结束时，首先将尾盾各护盾伸出撑紧岩壁作为支撑点，启动带式输送机；然后主驱动电机驱动刀盘旋转，同时中盾主推油缸伸出并向前推进，使刀盘滚压切削工作面岩体，产生的渣子进入刀盘内的溜渣槽并集中滑落至带式输送机完成出矸；主推油缸完成1 m 最大行程后，将前盾各护盾伸出撑紧岩壁作为支撑点，期间工作人员在指形盾的保护下进行支护作业；支护完成后再收回尾盾各护盾，主推油缸收缩并牵引后配套系统向前移动1 m，即可进入下一个循环。

3.2.2 施工工序

安全检查（15 min）→施工准备、设备检查（15 min）→尾盾的顶护盾和左右侧护盾打开撑紧岩壁（3 min）→前盾的顶护盾和左右侧护盾打开贴住岩壁（2 min）→倒序启动各部带式输送机（1 min）→启动刀盘，根据导向系统参数调整盾构机姿态并推进（30 min），推进过程与排矸、支护平行作业→一个掘进行程结束，停止刀盘和带式输送机（1 min）→前盾的顶护盾和左右侧护盾继续打开撑紧岩壁，然后尾盾各护盾缩回（2 min）→主推进油缸收回，牵引后配套台车、三运桥式转载机前行（10 min）→下一个循环。

现阶段正规作业循环1 m，用时80 min，按“2×12 h”工作制组织生产，其中早班检修4 h，即正常可日进15个循环。因前期为工业试掘进阶段，日循环相对较低，随着设备的适应性、人员的操作熟练程度提高，单循环时间可降至45～60 min，日进尺可达20 m。

3.2.3 盾构机队劳动组织

盾构机队正常出勤65 人，其中生产班平均16人，检修班平均8 人，巷道掘进采取“2×12 h”工作制，3 个生产班轮替作业。

3.2.4 支护工艺

临时支护：采用指形盾作临时前探支护，作业人员在指形盾的保护下，可实现150°摆角范围内支护作业。

永久支护：施工前在指形盾上放置金属网→随尾盾顶护盾升起紧贴岩壁→标定眼位→利用前部锚杆钻机依次施工4#、2#、6#锚杆孔→安装树脂锚固剂、锚杆、钢带、托盘→预紧锚杆达到设计要求→盾构机继续向前推进→后部液压锚杆钻机补充施工3#、5#、7#、1#锚杆孔→安装树脂锚固剂、锚杆、钢带、托盘→预紧锚杆达到设计要求。

3.3 效果分析

从2021 年3 月1 日至2021 年4 月底，实际生产50 d 左右，掘进进尺510 m，平均日进尺10.2 m，最高日进尺28.6 m。随着操作工人日渐熟练，单进正在稳步上升，预期月进尺可达450 m 以上。对比之前的钻爆法，掘进速度提高了3.8 倍。

3.4 经济效益分析

以和瑞煤业西一盘区回风巷为研究对象进行工程费用测算，采用钻爆法与盾构机法的对比进行经济效益分析。钻爆法所需人工费约1 531.20 万元，材料费约472.32 万元，机械费约163.08 万元，合计2 166.60 万元，按预算取费后共计3 521.38 万元，因此钻爆法每米掘进单价为1.601 万元；盾构机法所需人工费约496.32 万元，材料费约1 143.16 万元，机械费约356.32 万元，合计2 166.60 万元，按预算取费后共计3 226.89 万元，因此盾构机法每米掘进单价为1.467 万元。盾构机法对比钻爆法掘进作业每米单价低1340 元，经济效益显著。

4 结论

SS51300 型盾构机集破、装、运、支于一体，可以有效提高巷道掘进效率，降低劳动强度。以和瑞煤业西一盘区回风巷为案例，进行了SS51300 型盾构机的全断面硬岩快速掘进工艺的实践应用研究。实践效果理想，西一盘区回风巷掘进速度提高了3.8 倍，对比钻爆法掘进作业每米单价低1340 元，经济效益显著。SS51300 型盾构机在应用过程中，盾构机个别部件仍然超长、超重，给盾构机始发硐室的建设、盾构机组装、始发以及设备运输等带来挑战，同时盾构机施工工艺、工序与以往掘进工艺、工序大不相同，在设备操作、导向测量、超前钻探、液压锚杆钻机操作等方面人才短缺，这些都是需要克服的问题。