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摘要：煤炭资源作为自然赋予人类的化石能源，只有得以充分地开发利用，才能为人类社会的发展与进步带来利益，而煤炭资源的开发又受到诸多因素的控制和影响。深部巷道掘进现状和困难表明：高地应力、高地温等复杂条件下，传统的钻爆法和综掘机难以满足千米深部大型煤矿快速安全建设的要求。本文分析了TBM应用于深部煤矿建设的可行性及关键科学问题。
关键词：深部煤矿；TBM技术
井下开采是我国煤炭开采的主要形式，相关资料表明我国90%的煤炭源自地表深层。由于地表以下的煤层赋存条件复杂多变，导致煤炭开采难度增加。巷道掘进技术的发展提高了煤炭井下开采效率。先进高效的巷道掘进技术对提高煤炭产能至关重要。
一、我国当前煤矿巷道掘进现状
1.煤巷综合机械化掘进技术。煤矿综合机械化掘进又称悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业。由悬臂式掘进机、转载机、可伸缩带式输送机（或刮板输送机）、单体锚杆钻机、通风除尘设备、供电系统等构成。掘进的效率取决于悬臂式掘进机的性能。
2.大断面煤巷连续采煤掘进技术。连续采煤机可以实现较大截割宽度落煤、装运、行走的综合机械化采掘设备，国外在矩形断面的双巷道及多巷道的掘进、开采应用较为广泛。连续采煤机是现代矿井高效生产的关键设备。连续采煤机掘进工作面设备配置分为两类：一类是间断式运输方式，需要配备连续采煤机、运输车辆、破碎机等；另一类是连续运输方式，配备连续采煤机、锚杆钻车、连续运输系统等。
3.掘锚一体化掘进技术。锚杆支护的广泛应用，使掘锚机组得到发展，掘锚机组是在连续采煤机或悬臂式采煤机基础上发展而来的新型掘进机，有效地促进了煤矿巷道的掘进效率。
二、案例分析
1.工程概况。某矿区煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，开采水平深，矿井瓦斯绝对涌出量大。随着矿井生产能力的提高，井巷掘进工程量越来越大，其中岩巷工程量占巷道总进尺的 30%以上。目前在淮南矿区硬岩巷道(巷道围岩 f 值大于 6)掘进中，由于综掘机掘进时截齿磨损严重、破岩能力不足、施工时粉尘较大等缺陷，巷道掘进基本上仍采用传统的钻爆法施工，在硬岩巷道中钻爆法掘进速度慢、安全性差，已严重地影响了矿井的安全高效生产。为提高煤矿深部硬岩巷道掘进效率和安全性，研发了世界首台立井煤矿全断面硬岩掘进机，其主要技术特征为：使用刀盘一次掘进巷道全部断面，出渣系统自动排出碎矸，安装在刀盘后方的支护系统随后安装锚杆等其他支护设施；同时为适应高瓦斯矿井作业需求，采用防爆动力系统，符合煤矿安全规程要求；机器采用模块化设计，可将各子系统拆散通过井筒罐笼和井下运输设备运至始发硐室组装，符合立井煤矿设备运输最大尺寸的要求。试验巷道为矿北区 1413A 高抽巷。巷道已采用钻爆法施工 894 m，剩余 700 m，巷道直径 4.53 m，巷道标高-465 m。巷道围岩主要为粉细砂岩、中砂岩，抗压强度 25.67~134 MPa，抗拉强度2.26~7.8 MPa，弹性模量 23.81~44.88 GPa，泊松比0.111~0.36。部分地层裂隙发育，并伴有泥岩。试验巷道围岩主要为砂质泥岩、粉细砂岩和中砂岩。巷道围岩整体稳定性较好，只是部分地层裂隙发育，并伴有泥岩夹层。为了给巷道围岩稳定性分析和支护设计提供依据，进行了高抽巷附近地应力测试工作。本次测试采用钻孔应力解除法，选用KX-81型空心包体应力计和传感器围岩率定机。实测结果为：最大主应力为 21.6 MPa，方位角为 130.72°，最小主应力为 13.2 MPa，方位角为 223.55°；最大主应力是最小主应力的 1.64 倍，说明该处水平应力具有较强的方向性。
2.巷道围岩稳定性分析与支护设计优化。由于首次采用 TBM 施工煤矿深部巷道，其掘进对围岩的扰动不同于钻爆法，为此，对施工巷道的围岩稳定性和支护参数进行了研究。采用ABAQUS 软件，弹塑性本构模型和摩尔-库仑破坏准则，取左右边界各 30 m，整个计算模型宽 60 m、 高 60 m、长 100 m。模型底面设置为固定边界，限制其水平和竖向位移，4 个侧面设置为滚轴边界，只限制其水平方向位移。在模型顶面施加竖向荷载以代替上覆岩层自重，根据矿井地应力测试结果，自重应力取为 11.75 MPa。巷道及附近 20 m×20 m 区域采用方形放射状网格，其余部位采用六边形网格，开挖前共划分有105 900 个单元和 109 701 个结点，开挖后支护锚杆共有 686 个结点。根据试验巷道围岩的工程地质条件，选取岩性相对较差的砂质泥岩进行围岩稳定性分析和支护设计。 通过计算模拟，支护设计为在巷道上部布置 6根直径 20 mm、长 2 000 mm 的树脂锚杆，排距 1 m，同时铺设金属网，在此支护下，模拟结果如图 1。
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由图 1a 知，巷道顶底板发生了水平挤压应力集中，巷道顶板最大水平挤压应力达到-29.26 MPa，应力集中系数为 1.74，且围岩中均未出现拉应力，说明采用TBM法施工的圆形巷道围岩受力条件好，比采用矿山法施工的直墙半圆拱形巷道围岩的应力不均匀性明显下降。由图 1b 知，TBM 掘进后，巷道顶部的最大下沉量为 33.26 mm，围岩的总体位移较小。而由图 1c 知，巷道围岩的塑性区范围在0.8~1.2 m，相对较小，说明采用 TBM 法施工的圆形巷道断面在采用6根Φ20 mm×L2000 mm的锚杆支护后，已能很好地控制围岩变形、确保巷道稳定。
3.施工技术。立井煤矿全断面硬岩掘进机全重 350 t，Φ4.53 m，由刀盘至 5#拖车全长 51 m，受副井井筒和罐笼尺寸的限制，无法整体入井。在设备设计阶段，根据该问题对设备进行了模块化设计。确保其各主要模块可以拆解，运至井下施工现场后再进行组装。设备各主要部件运抵矿井后，首先在地面将TBM 各子系统拆解，通过副井罐笼运至井下，然后通过井下运输设备运送到始发硐室。副井垂深 520 m，井下运输距离 3 600 m。在组装硐室完成设备的安装调试工作后，由始发硐室开始掘进。掘进时，撑靴支撑到巷帮，将设备向前推进；滚刀挤压岩面，将岩石破碎；同时通过刀盘铲刀将岩石碎块铲至刀盘中心的溜渣槽上，再通过一段转载机、二段转载机运至出矸皮带机上，矸石最终通过立井出矸箕斗排至地面。一个掘进循环完成后，撑靴收起并向前移动，再次撑紧在岩壁上，为下一个掘进循环做准备。每循环进尺 1.5 m。巷道掘进后采用锚网支护，由 TBM 的液压锚杆钻机施工锚杆眼、手持式锚杆钻机进行锚杆的安装锚固。在裂隙较为发育的地层中，则采用增加锚杆或锚索的方式加强支护强度。巷道施工采用一台单轨吊作为辅助运输系统，单轨吊由采区上部换装车场装载人员或物料后，经采区轨道下山和高抽巷进料联巷到达高抽巷掘进工作面，然后将材料卸载至 TBM 拖车后部的接料平台上。设备采用封闭式除尘系统。掘进时，盾体紧贴岩壁，形成一个封闭空间，将掌子面与人员操作区域完全隔开。刀盘上设有喷水口，可在掘进时喷水降尘，粉尘与水混合形成的泥浆通过出渣系统排出。除尘风机同时将含有粉尘的空气抽至过滤器中，进一步清除粉尘。设备还安装有光谱式瓦斯传感器，同时实现了有害气体检测和瓦斯闭锁保护，确保操作人员的人身安全。
煤炭资源开采深度的逐渐加大将使得深部煤矿建设向大型化、集约化和现代化趋势发展，受高地应力、高地温及深部围岩复杂力学行为的影响，矿井建设的难度急剧增大，目前普遍采用的钻爆法和综掘机已经难以满足建井工期、施工安全、成本控制以及巷道变形控制的要求。因此，具多方面综合优势的TBM将成为实现矿井快速、安全和高效建设的一种选择。
参考文献：
[1]曾建.深部煤炭资源勘探开发所面临的关键科学问题[J].中州煤炭，2018（5）：40.
[2]高军.浅谈我国煤矿巷道掘进装备技术[J].煤炭工程，2018（10）：110-112