Application of TBM in coal mine adaptability type selection analysis and new technology development
-
摘要:
全断面掘进机（TBM）在煤矿岩巷掘进逐步得到推广应用，但TBM机型设计适应性不足已成为影响TBM掘进煤矿岩巷掘进效率的主要原因。通过对比分析煤矿巷道常规使用的掘进技术与TBM掘进技术，得出TBM应用于煤矿巷道掘进时必须考虑巷道围岩条件的差异化和需求特殊化。煤矿TBM的设计要基于机型的特点，结合煤矿岩巷的施工条件进行设计。针对煤矿岩巷工程的施工难题研发出了特有的“V型推进”系统，实现巷道小转弯半径施工；采用与TBM配套的“超前探测”技术进行超前地质预测，通过强化TBM的初期支护能力、加强脱困能力等设计来应对不良地层；基于“排水+堵水”处理思路，形成TBM掘进巷道的超前注浆封堵方式的防突水技术；通过在TBM刀盘、盾体内搭载的气体实时监测系统，开发了TBM巷道防瓦斯突出技术；进行了高地温施工环境下，TBM关键部件冷却、刀盘喷雾通风等针对性设计。创新技术在“贵州贵能聚鑫煤矿”、“四季春煤矿”、“平煤首山一矿”、“山西惠源煤矿”等矿井进行了应用并取得成功。随着煤矿未来开采所面临的更复杂严峻的工况，矿用TBM未来也将朝着强机动性、地质适应性、支护多样性、设计系列化、行业标准化、掘进体系智能化等方面不断发展探索，今后开发研制出智能化矿用TBM，既是掘进机技术在煤矿领域推广的重大机遇，也是一项艰巨的技术挑战。
Abstract:Full section boring machines (TBMs) are gradually being used in coal mine rock tunneling, but the lack of adaptability in the design of TBM models has become the main reason affecting the efficiency of TBM tunneling in coal mine rock tunneling. By comparing and analyzing the routinely used tunneling technology and TBM tunneling technology in coal mine roadways, it is concluded that the differentiation and special needs of the roadway surrounding rock conditions must be considered when TBM is applied to coal mine roadway tunneling. The design of coal mine TBM is based on the characteristics of the model and the construction conditions of the coal mine rock tunnel. The unique “V-propulsion” system has been developed to meet the construction challenges of coal mine rock tunneling, enabling the construction of small turning radii in the tunnel. Adopt the “Per- detection” technology with TBM to make advance geological prediction, strengthen the initial support capacity of TBM, enhance the ability to get out of the trap and other designs to deal with bad strata; based on the “drainage + water plugging” treatment idea, form the TBM tunneling roadway of advance slurry plugging method of anti-burst water technology. By means of a real-time gas monitoring system in the TBM cutter and shield, we have developed gas protrusion prevention technology for TBM roadways; we have carried out targeted design for TBM key component cooling and cutter spray ventilation under high ground temperature construction environment. The innovative technology has been successfully applied in such mines as “Guizhou Guineng Juxin Coal Mine”, “Four Seasons Spring Coal Mine”, “Ping Coal Group Shoushan No. 1 Mine” and “Shanxi Huiyuan Coal Mine”. With the more complex and severe working conditions faced by coal mining in the future, mining TBMs will continue to develop and explore towards strong mobility, geological adaptability, support diversity, design serialization, industry standardization, and intelligent tunneling system.
-
0. 引 言
我国煤炭资源丰富，未来相当长的时间内依然是我国的主体能源，煤炭产业的健康发展对我国经济发展和能源安全具有重要意义[1-5]。长期以来，由于掘进机械破岩能力的限制，中国煤矿硬岩巷道掘进常使用钻爆法。其多采用风动凿岩机钻孔、人工装填炸药，施工危险性高，劳动强度大，机械化程度低，导致岩巷掘进施工人员众多，工作环境恶劣，岩巷掘进已成为煤矿人身安全事故和职业病的高发区[6-8]。而岩巷大多数是保证煤炭运输、采煤工作面通风、煤层瓦斯抽采的关键通道，是煤矿安全、快速、高效建设与生产的必要基础[9-10]。
目前煤矿岩巷掘进主要以钻爆法和综掘法为主。采用传统钻爆法施工的掘进量常年维持在70～80 m/月，机械化程度低，施工环境恶劣，巷道成形质量差，面临施工效率低，安全性差等问题。综掘法主要是采用悬臂掘进机进行巷道掘进，在掘进效率、人员安全等方面具有优势，但其截齿适应的岩石抗压强度不宜超过70 MPa，硬岩施工效率低、成本高[11-13]。近几十年来，随着机械化采煤装备和技术的不断发展，回采速度大大提升，因此对准备巷道开拓速度的要求越来越高。但是岩巷掘进机械化程度发展相对缓慢，采掘失衡问题突出，岩巷掘进成为制约煤矿开采的关键环节[14]。
TBM（Tunnel Boring Machine）作为世界上最先进的全断面岩石隧道掘进机，近年来在煤矿工程建设中逐渐得到广泛应用，与传统钻爆法和综掘工法相比，具有效率高、安全性高等显著优势。在煤矿领域也仅应用于施工浅部平硐、斜井或立井联合布置等地质条件[15-18]。为了解决采掘失调的问题，TBM也在尝试进行许多准备巷道的掘进，例如服务采煤工作面的瓦斯底抽巷，此类巷道具有转弯半径小、构造探测不明、易瓦斯积聚等煤矿特殊地质难题，这为TBM的施工带来了诸多风险和挑战。综合目前研究现状可知，TBM装备适应性、机型适应性差异、地质灾害成因、与围岩相互作用机理等方面尚未形成系统性成果，在成果应用转化方面也缺乏深入的探讨研究。笔者基于煤矿岩巷TBM应用案例的分析，系统总结实践过程中TBM掘进装备选型和系统参数适应性设计，以及应对煤矿难点开发的新技术等经验，可为煤矿岩巷TBM的推广研发提供借鉴。
1. 煤矿岩巷TBM工程技术应用现状
1.1 TBM在煤矿领域的应用现状
进入21世纪后，中国掘进机制造企业迅速崛起，掘进机自主研发制造技术迅猛发展，盾构机、TBM等系列产品相继完成了国产化。从2013年起，随着我国TBM研制进入自主研发创新阶段，TBM在煤矿领域的研制和应用也开启了新的篇章[19-21]。
2014年，新疆涝坝湾煤矿副平硐采用一台TBM进行施工，开挖直径6.46 m，历时1 160天，完成了5 800 m掘进作业，最高日进尺18 m；安徽淮南张集煤矿试验段巷道，于2015年1—3月采用一台直径4.53 m的TBM进行施工，最高日进尺达30.7 m，平均月进尺404 m；神东煤矿集团在补连塔煤矿2号运输平硐，巷道全长2 745 m，开挖直径7.6 m，TBM于2015年7月开始掘进，2015年12月成功贯通，最高月进尺639 m[22]。TBM在掘进速度方面可达到传统钻爆法的3～5倍以上，在煤矿领域的应用表现出巨大优势，表1统计了国内近几年TBM在煤矿领域的应用情况。随着TBM技术在煤矿领域的应用推广被业内愈加重视，此后每年都有新的煤矿掘进项目采用TBM进行施工，尤其是从2019年开始，矿用TBM的数量激增趋势明显，如图1所示。
表 1 国内近几年矿用TBM情况统计Table 1. Statistics of domestic mining TBM in recent years矿井 掘进
长度/km开挖
直径/m巷道类型 TBM平均月进尺/m 机型 支护形式 王家岭矿井 10.8 6.4 平硐 493 单护盾 管片 山西塔山煤矿 3.4 4.82 主平硐 483 双护盾 锚杆 神东补连塔煤矿 2.7 7.62 副平硐 451 单护盾 管片 淮南矿区张集煤矿 1.6 4.5 高抽巷 404 单护盾 锚杆 古交矿区东曲煤矿 1.5 5.0 平峒 103.4 单护盾 锚杆索 羊场煤矿杨家矿井 1.0 3.2 运输大巷 156 双护盾 锚杆 山东能源新巨龙煤矿 2.8 6.33 回风大巷 280 单护盾 锚杆索 新疆涝坝湾煤矿 5.8 6.4 平硐 153 单护盾 管片 贵能聚鑫煤矿 2.2 6.03 运输大巷 410 双护盾 锚杆 山西惠源煤矿 5 6.0 副斜井 164 双护盾 锚杆索 平煤首山一矿 1.4 4.33 底抽巷 406 双护盾 锚杆索 1.2 煤矿TBM面临的难题
1.2.1 工程特点差异化
煤矿工程与传统隧道工程在很多方面有一定的差异，表2列举了主要的差异特点。
表 2 煤矿与隧道工程特点差异化Table 2. The characteristics of coal mine and tunnel project are different领域 工程背景 岩层特性 主要地质灾害 围岩支护 工程规模及主要特点 煤矿工程 沉积岩 断层破碎带、软弱大变形、瓦斯、
高应力、灰岩承压水、采空区积水锚杆、锚索、注浆根据
不同类型巷道针对性支护开挖直径4～6 m
单一水平隧道工程 变质岩 断层破碎带、软弱大变形、
地下水、岩爆喷锚、管片、
钢拱架、钢筋排开挖直径7～15 m短距多巷、
转弯半径小、起伏坡度大TBM掘进经验表明，影响TBM掘进适宜性的主要因素有：
1）岩体完整性（Kv）：当Kv>0.55时，若岩石单轴抗压强度在30～60 MPa，则TBM可以保持安全高效掘进；当Kv<0.35时，岩体相对破碎，开挖后易发生坍塌、失稳，严重制约TBM的掘进效率。煤矿地下工程巷道分布较多，岩体破碎程度较高。
2）岩石单轴饱和抗压强度（Rb）：TBM在Rb=30～150 MPa的中硬−坚硬岩中掘进效率较高，Rb小于30 MPa或大于150 MPa都不利于快速掘进。煤矿巷道岩层分布复杂，许多半煤岩巷道导致岩石强度分布不均匀。
3）围岩强度应力比（S）：当60 MPa<Rb≤100 MPa且S<4，或30 MPa<Rb≤60 MPa且S<2，均不利于TBM的快速掘进。煤矿巷道埋深大导致高应力情况普遍。
4）软弱结构面角度：当优势结构面和巷道轴线方向夹角小于30°，局部在30°～50°时，拱顶位置易发生坍塌、掉块，影响TBM工作。煤矿工程地质构造复杂，断层，破碎带等不良地质构造偏多。
5）地下水：当巷道断层附近的地下水活跃时，可能出现涌水、突泥情况，使施工环境恶化，影响TBM的正常掘进。煤矿巷道地下水含量丰富，不易探明。
1.2.2 工程需求特殊化
煤矿巷道服务年限较短，一般在3～5 a，但面临巷道转弯半径小、起伏坡度大、瓦斯含量高等工程难点，要求TBM在设计中应具备超小转弯和风电、瓦电闭锁系统等能力。煤矿巷道埋深大，地应力高，地质条件较差，对支护成本有一定的要求，允许存在一定变形，对TBM超前钻探技术和支护系统及破碎地层快速通过能力要求较高。若对煤矿施工的特殊环境和特殊要求认识不足，将导致TBM在煤矿领域的应用表现不理想甚至完全失败。
如贵州邦达集团红果煤矿，由于掘进起伏坡度过大而导致设备失稳，最终出现卡机灾害被埋；山东能源翟镇煤矿，使用TBM掘进半煤岩巷，未考虑瓦斯超限问题的应对设计，导致仅掘进了50 m即宣告项目结束，将设备退回至始发硐室整改。山东能源集团新巨龙煤业龙堌矿，采用TBM掘进回风巷，在软岩地质条件下，造成月掘进未突破200 m的窘境，现场卡机被困情况如图2所示；山东能源某煤矿项目半煤岩巷TBM，未考虑煤层与围岩压力的因素，导致设备被卡。
![]()
图 2 TBM在山东能源集团新巨龙煤业龙堌矿卡机被困Figure 2. TBM in Shandong energy group new dragon coal industry dragon Gu mine application experience造成上述TBM应用不理想的原因主要是对煤矿巷道背景调研不足。采用传统TBM设计思路的常规TBM不能直接应用于煤矿巷道，要根据煤矿巷道特点量身设计，来解决煤矿井工巷道特有的难题。开展煤矿TBM针对性选型新理念和针对性设计新方法研究，不断提升TBM制造的技术水平才是亟需解决的难题和挑战。
2. 煤矿TBM的选型新理念
目前山岭隧道TBM主要机型分为敞开式和护盾式，其中敞开式TBM分为凯式和主梁式，护盾式TBM分为双护盾和单护盾。敞开式TBM主要适用于围岩相对完整且能够自稳的地层，一般采用煤矿巷道常用的锚喷支护形式，护盾较短，整机作业相对灵活，方便转弯；护盾式TBM可适用于围岩破碎但尚能自稳的地层，采用管片作为初期或者永久支护，护盾较长，设备灵活性较差。针对煤矿TBM可选择机型的详细对比分析结果见表3。
表 3 TBM在煤矿领域的适应性对比分析Table 3. Comparison analyse of TBM adaptability in the coal mining field机型
对比项目凯式TBM 主梁式TBM 护盾式TBM 设备图示 
适应地质 具备自稳能力 具备自稳能力 具备自稳能力 转弯能力 转弯半径略大 转弯半径略大 转弯半径小，
通过能力强扩挖能力 扩挖量大，
可长距离连续扩挖扩挖能力有限，
不易连续扩挖扩挖能力有限 护盾系统 长径比小，一般为0.4，径向可伸缩，
卡机风险低，辅助工法施作空间大长径比小，一般为0.6，径向可伸缩，
卡机风险低，辅助工法施作空间大长径比大，一般为1.5～2.5
之间，卡机风险稍高，辅助
工法施作空间小初期支护及时性 护盾短，支护及时 护盾较短，支护相对及时 护盾较长，支护滞后 支护区空间大，可方便
超前钻机安装及施作支护区空间较大，可比较方便
超前钻机安装及施作距离远，空间小，
超前钻机布置不便煤矿工程TBM的设计要考虑水文地质、矿压、施工风险、施工工期和成本等多方面因素。如敞开式TBM转弯半径一般在100 m以上，而护盾式TBM转弯半径可做到30～60 m，在有连续小转弯掘进路线的如采煤工作面准备巷道则只能采用护盾式TBM；在需要掘进稳定岩层的服务年限较长的开拓类型巷道建议采用敞开式TBM，具体选型要基于机型特点，结合工程关键因素综合分析，以应对各种施工风险和难题，选型依据如图3所示。
![]()
图 3 TBM机型适用煤矿巷道的分类Figure 3. TBM type is suitable for classification of coal mine roadway3. 用于煤矿岩巷掘进的TBM新技术
3.1 TBM实现小半径转弯技术
煤矿巷道的转弯半径一般在100 m以下，最小的转弯半径可达30～60 m。双护盾式TBM，通过推进系统的特殊设计，相邻一对推进油缸按照“V”字形，周向布置在前盾和支撑盾之间，油缸与盾体采用球铰连接，缩短盾体长度，提升主机灵活性，如图4a所示。通过不同区域油缸伸出速度差别，实现主机的小转弯调向。通过上述设计，3.5 m直径TBM能够实现30 m超小转弯半径。同时设备其他部件，如皮带机系统可以采用浮动式设计，将皮带机设计成上下、左右可调节形式，通过大倾角输送带设计，避免胶带跑偏和倾覆，实现转弯段连续出渣，现场施工成巷效果如图4b所示。
![]()
图 4 煤矿巷道的小转弯技术和成功效果Figure 4. Small turning technology and successful effect of coal mine roadway3.2 TBM快速通过断层破碎带
保证TBM在断层破碎带的通过能力，重点是强化矿用TBM的初期支护能力、提升支护设备适用性、加强脱困能力设计，主要考虑以下内容。
1）盾体设计尽可能缩短，以减小空顶距，及时进行围岩支护，同时能够避免盾体被卡的风险。
2）盾体后方设置钢筋排存储系统、钢筋网撑紧机构、锚杆钻机系统、钢拱架拼装系统等联合支护系统，根据地层破碎情况，采取不同的支护策略。锚杆钻机需要配置多套，钻孔方向垂直于洞壁，支护范围至少覆盖拱顶180°。
3）配置超前探测和刀盘注浆支护系统，如图5所示。超前钻机具备俯仰角度调节功能，周边沿一定外插角钻孔范围不小于拱顶180°，能够实现沿巷道轴线施工超前探孔及帮控探孔功能；以及在刀盘内浅孔采用化学灌浆形成止浆墙，中深孔采用强度高、凝结时间快的固化剂和水泥−水玻璃双液浆进行注浆加固。
4）主机上下辅助区域空间设计尽可能大，满足上部区域支护和下部区域清渣需求。
5）主驱动系统采用变频驱动，具备大扭矩脱困功能，增加辅助撑靴结构，在围岩破碎时具备足够通过的能力。
3.3 围岩大变形条件下TBM应对技术
在煤矿巷道施工中，在大埋深、高应力情况下围岩大变形问题尤为突出，TBM要重点考虑防卡脱困设计。
1）刀盘设计应预留足够的刀盘扩挖能力，以抵消围岩收敛对设备造成的影响。刀盘扩挖可以通过液压扩挖刀、边缘滚刀加垫块、预留扩挖刀箱等形式实现。需要长距离扩挖时，考虑增加主驱动抬升功能，以避免由于刀盘底部扩挖造成的主机“栽头”问题。
2）盾体设计应与洞壁有一定的间隙量，采用敞开式TBM时，由于护盾较短，可以灵活伸缩，其防卡机方面优势较为明显。若采用护盾式TBM，盾体较长，需采用前大后小式设计，保持与洞壁合理的间隙量。
3）后配套设计时，也要特别注意预留足够的安全空间，避免由于围岩的收敛造成的卡机。
4）强化支护系统，通过钢筋排支护、超前注浆、柔性钢拱架支护等方式及时封闭围岩，如图6所示。
![]()
图 6 围岩大变形区段钢筋排强化支护体系Figure 6. Schematic diagram of reinforced support system for large deformation section of surrounding rock5）提升主驱动系统大扭矩脱困能力。
3.4 TBM巷道防突水技术
由于TBM施工空间限制，当钻机钻孔角度、长度等不能完全满足注浆堵水要求时，可能由于漏浆造成刀盘、护盾固结，甚至造成主轴承密封损坏等后果。
1）加强抽排水措施，当涌水量较小时，以排为主，可采用锚杆钻机对出水点进行打孔排水，待TBM通过后再进行处理。
2）当水量较大时，停止掘进，采用“排水+堵水”的手段进行处理，通过超前注浆进行封堵处理，现场应用如图7所示。
![]()
图 7 钻孔排水、堵水技术现场应用Figure 7. Field application diagram of drilling drainage and water plugging technology3）上坡掘进时，可通过导管、排水沟将水引流排出；下坡掘进时，设备必须配置足够强度的排水系统，避免排水不畅导致设备被淹。
4）此外设备需要考虑足够的抽排水系统富余量，加强设备尤其是电器设备的防护等级，建立突涌水的预警报警系统和应急预案，确保人员和设备的安全。
3.5 TBM巷道防瓦斯突出技术
TBM搭载的超前钻机，探测距离一般大于50 m，可选配矿用手持式浅孔轨迹仪，适用于煤矿井下瓦斯浓度的探测。另外在刀盘、盾体、除尘通风机出口、拖车前部和尾部等位置布置气体监测系统，主要可监测CH4、CO、CO2、O2、H2S等气体。当气体浓度达到预设的值时，发出警报；当瓦斯浓度达到设定值时，自动切断掘进巷道内所有非本质安全型电源。在遇到瓦斯突出等风险时，及时通知井下人员撤出，切换地面操作，实现无人化、智能掘进，保障安全。
3.6 高地温环境TBM掘进技术
针对高地温施工环境，主要是对TBM关键部件冷却、刀盘喷雾、通风及主控室进行针对性设计。TBM关键部件如刀盘电机、减速机、变频器、液压泵站等均采用软水冷却，防止板式换热器堵塞。进水管路配置高压板式换热器，利用巷道内冷水直接对高压进水进行冷却，降低进水温度。刀盘冷却采用高压喷雾泵，增强喷射和雾化效果，加大对刀盘、刀具的冷却，同时起到降尘效果，更大程度降低刀盘、刀具温度；合理利用拖车自身结构，风管设计在拖车内部，增大通风断面，减小风阻；进而提高通风对巷道环境冷却效果，改善TBM施工段巷道作业环境；主控室内置矿用防爆空调，对主控室进行散热的同时保证主控室内操作台的散热。
4. 煤矿岩巷TBM新技术应用成功案例
上述TBM在设计方面的许多针对性新技术在一些煤矿巷道项目陆续应用，如贵州贵能聚鑫煤矿、四季春煤矿、平煤首山一矿等为矿用TBM新技术的发展提供借鉴意义。
4.1 超前地质预报新技术
贵州贵能黑拉嘎聚鑫煤矿主平硐、运输大巷采用了TBM进行施工，该巷道具有瓦斯含量高的煤矿工程特有难点。该项目成功实现了搭载高效超前钻探系统的超前地质预报技术应用，并取得整机MA证书。现场成功应用情况如图8所示。
![]()
图 8 聚鑫煤矿项目TBM“逢掘必探”现场应用Figure 8. TBM underground assembly, required excavation radius excavation completion of Juxin Coal Mine Project4.2 小转弯半径和智能支护新技术
平煤首山一矿采用中铁装备设计的“平宝号”TBM进行底抽巷施工，搭载了“V型推进”系统实现了半径70 m的小转弯施工、并首次采用智能锚杆钻机支护设备，极大地提升了煤矿岩巷的掘进效率和安全水平，缓解了采掘接替难题，设备及现场施工情况如图9所示。
![]()
图 9 “平宝号”TBM及其智能锚杆钻机系统、小转弯施工实物图Figure 9. “Pingbao” TBM and its intelligent bolt drill system and small turn construction4.3 TBM通过不良地质构造新技术
山西惠源煤矿副斜井（1号回风巷）采用了TBM进行施工，该巷道在掘进过程中3次穿越煤层、断层破碎带等煤矿工程难点，利用该设备设计的辅助撑靴结构和超前预注浆技术顺利通过，如图10所示。这也是首次具备独立辅助撑靴机构的矿用TBM成功应用的案例。
![]()
图 10 惠源煤矿项目TBM、辅助撑靴系统实物图Figure 10. Physical picture of TBM and auxiliary boot system of Huiyuan Coal Mine Project5. 矿用TBM的发展趋势
5.1 矿用TBM的强机动性、地质适应性设计
强机动性主要可以体现在整机长度短（不超过40 m），整机设备如图11a所示、拆装机时间段、转场快速灵活、快进快出、部件设计模块化/集成化等方面；强地质适应性主要体现在短空顶距、快速支护、逢掘必探、能够适应软弱破碎围岩等方面，甚至在遇到高瓦斯问题时，TBM刀盘具备开门功能，如图11b所示，在设备前方的巷道掘进工作面进行瓦斯抽采作业。
5.2 矿用TBM在复杂地质条件的应用
随着煤矿开采深度不断增加，开采面临的复杂地质环境，将对TBM技术的应用带来严重挑战[23]。不同于浅埋岩层的软弱围岩，煤矿深部的岩性更加复杂多变，掌子面软硬不均， TBM刀盘破岩和整机姿态控制难度更大。深埋地层面临的高地应力、低围岩强度现象更为突出，岩石具有明显的流变特性，围岩变形大，持续时间长。开挖初期围岩变形大、变形速度快，导致TBM卡盾、卡机风险骤升[24]。持续的围岩变形及软弱破碎，会对后续的围岩支护结构造成破坏。同时由于深部水压的影响，也会加大洞壁的支护难度。需要针对复杂地质条件，借鉴常规山岭隧道支护手段，将超前支护、超期注浆、钢筋排、钢拱架、锚网/杆/索、喷射混凝土、预制管片等多种支护措施应用于矿用TBM施工中，增加复杂地质条件下TBM的支护能力和支护强度，并不断对支护材料和支护手段进行创新。
5.3 矿用TBM设计系列化、标准化
TBM是包含机械、电器、液压、传感等众多元部件的大型集成装备，注重主轴承、密封、电机、减速机等关键部件或系统的通用性，逐步完成零部件的标准化和国产化，提升TBM产品的竞争力，对TBM在煤矿领域的健康发展和推广意义重大[25]。同时应尽快制定相应的行业标准和企业标准。TBM在煤矿巷道施工中的应用工况以高抽巷、底抽巷、开拓大巷等3种为主，其开挖直径、相关配置等相对固定，比较容易实现系列化。由于煤矿行业的特殊性，煤矿岩巷TBM安全标准、技术规范等要求也更加严苛。煤矿TBM系统设计要符合相应的防爆要求，相关元部件和整机要求取得煤安认证。煤矿岩巷TBM的大力推广仅是近几年才开始，其技术水平和应用经验尚不成熟，相应的行业标准和规范尚处于制定之中。
5.4 矿用TBM掘进技术体系智能化
谢和平等从重大科学发现对能源科技发展促进作用的视角，提出矿井建设与地下空间一体化利用等四大煤炭革命理念，提出了煤炭革命3.0，4.0，5.0等3个发展阶段构想[26-28]。煤矿巷道施工环境复杂，不良地质灾害、工程事故等始终对设备和人员安全都是潜在风险，TBM少人化、无人化、智能化掘进是必然发展趋势。
煤矿TBM智能化整体研究体系可分为边缘感知层、数据传输层、信息融合层以及决策应用层（图12）：
1）边缘感知层：提高设备对掘进掌子面前方不良地质构造探测和预报能力，并具有感知设备自身运行状态的能力。
2）数据传输层：将不同类型的数据收集汇总，发送至云平台并且分类保存，确保不同类型的数据实时更新与完整存储。
3）平台融合层：将所获取多源信息进行深度挖掘和融合，便于进行大数据分析，以及知识、规则库的构建。
4）决策应用层：结合设计开发的专家知识库、仿真掘进实验平台、掘进参数预估模型、智能导向模型等给予TBM智能辅助驾驶建议。
TBM是多系统耦合的复杂系统，在自动执行环节，实现各系统、各类机器人的任务智能规划与协调仍然有巨大的挑战，同时具有高稳定性、耐久性、高精度传感技术的智能感知终端仍是未来的重要工作之一。
6. 结 论
1）煤矿巷道相较于山岭隧道在工程背景方面有很大差异，导致矿用TBM的选型和设计要基于机型的特点，不同类型的煤矿巷道服务年限、巷道走向、围岩支护手段、特有的不良地质条件都会影响TBM的选型和设计。
2）目前针对煤矿井巷工程特有的小转弯半径、穿层破碎带、围岩大变形、涌水、瓦斯突出、高低温等难点也研发出了具有针对性的“V型推进”、“逢掘必探”、“快速脱困”、“排水+堵水”、“超前探测”等新技术来应对。
3）随着煤矿未来开采所面临的更复杂严峻的工况，矿用TBM未来也将朝着强机动性、设计标准化、复杂地质条件适应化、掘进支护体系智能化等方面进行不断发展探索。
-
![]()
图 2 TBM在山东能源集团新巨龙煤业龙堌矿卡机被困
Figure 2. TBM in Shandong energy group new dragon coal industry dragon Gu mine application experience
![]()
图 3 TBM机型适用煤矿巷道的分类
Figure 3. TBM type is suitable for classification of coal mine roadway
![]()
图 4 煤矿巷道的小转弯技术和成功效果
Figure 4. Small turning technology and successful effect of coal mine roadway
![]()
图 6 围岩大变形区段钢筋排强化支护体系
Figure 6. Schematic diagram of reinforced support system for large deformation section of surrounding rock
![]()
图 7 钻孔排水、堵水技术现场应用
Figure 7. Field application diagram of drilling drainage and water plugging technology
![]()
图 8 聚鑫煤矿项目TBM“逢掘必探”现场应用
Figure 8. TBM underground assembly, required excavation radius excavation completion of Juxin Coal Mine Project
![]()
图 9 “平宝号”TBM及其智能锚杆钻机系统、小转弯施工实物图
Figure 9. “Pingbao” TBM and its intelligent bolt drill system and small turn construction
![]()
图 10 惠源煤矿项目TBM、辅助撑靴系统实物图
Figure 10. Physical picture of TBM and auxiliary boot system of Huiyuan Coal Mine Project
表 1 国内近几年矿用TBM情况统计
Table 1 Statistics of domestic mining TBM in recent years
矿井 掘进
长度/km开挖
直径/m巷道类型 TBM平均月进尺/m 机型 支护形式 王家岭矿井 10.8 6.4 平硐 493 单护盾 管片 山西塔山煤矿 3.4 4.82 主平硐 483 双护盾 锚杆 神东补连塔煤矿 2.7 7.62 副平硐 451 单护盾 管片 淮南矿区张集煤矿 1.6 4.5 高抽巷 404 单护盾 锚杆 古交矿区东曲煤矿 1.5 5.0 平峒 103.4 单护盾 锚杆索 羊场煤矿杨家矿井 1.0 3.2 运输大巷 156 双护盾 锚杆 山东能源新巨龙煤矿 2.8 6.33 回风大巷 280 单护盾 锚杆索 新疆涝坝湾煤矿 5.8 6.4 平硐 153 单护盾 管片 贵能聚鑫煤矿 2.2 6.03 运输大巷 410 双护盾 锚杆 山西惠源煤矿 5 6.0 副斜井 164 双护盾 锚杆索 平煤首山一矿 1.4 4.33 底抽巷 406 双护盾 锚杆索 
下载: 导出CSV
表 2 煤矿与隧道工程特点差异化
Table 2 The characteristics of coal mine and tunnel project are different
领域 工程背景 岩层特性 主要地质灾害 围岩支护 工程规模及主要特点 煤矿工程 沉积岩 断层破碎带、软弱大变形、瓦斯、
高应力、灰岩承压水、采空区积水锚杆、锚索、注浆根据
不同类型巷道针对性支护开挖直径4～6 m
单一水平隧道工程 变质岩 断层破碎带、软弱大变形、
地下水、岩爆喷锚、管片、
钢拱架、钢筋排开挖直径7～15 m短距多巷、
转弯半径小、起伏坡度大
下载: 导出CSV
表 3 TBM在煤矿领域的适应性对比分析
Table 3 Comparison analyse of TBM adaptability in the coal mining field
机型
对比项目凯式TBM 主梁式TBM 护盾式TBM 设备图示 适应地质 具备自稳能力 具备自稳能力 具备自稳能力 转弯能力 转弯半径略大 转弯半径略大 转弯半径小，
通过能力强扩挖能力 扩挖量大，
可长距离连续扩挖扩挖能力有限，
不易连续扩挖扩挖能力有限 护盾系统 长径比小，一般为0.4，径向可伸缩，
卡机风险低，辅助工法施作空间大长径比小，一般为0.6，径向可伸缩，
卡机风险低，辅助工法施作空间大长径比大，一般为1.5～2.5
之间，卡机风险稍高，辅助
工法施作空间小初期支护及时性 护盾短，支护及时 护盾较短，支护相对及时 护盾较长，支护滞后 支护区空间大，可方便
超前钻机安装及施作支护区空间较大，可比较方便
超前钻机安装及施作距离远，空间小，
超前钻机布置不便
下载: 导出CSV
-
[1] 谢和平,任世华,谢亚辰,等. 碳中和目标下煤炭行业发展机遇[J]. 煤炭学报,2021,46(7):2197−2211. XIE Heping,REN Shihua,XIE Yachen,et al. Development opportunities of the coal industry towards the goal of carbon neutrality[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(7):2197−2211.
[2] 王国法,任世华,庞义辉,等. 煤炭工业“十三五”发展成效与“双碳”目标实施路径[J]. 煤炭科学技术,2021,49(9):1−8. WANG Guofa,REN Shihua,PANG Yihui,et al. Development achievements of China’ s coal industry during the 13th Five-Year Plan period and implementation path of “dual carbon” target[J]. Coal Science and Technology,2021,49(9):1−8.
[3] 康红普,王国法,王双明,等. 煤炭行业高质量发展研究[J]. 中国工程科学,2021,23(5):130−138. KANG Hongpu,WANG Guofa,WANG Shuangming,et al. High-quality development of China’s coal industry[J]. Strategic Study of CAE,2021,23(5):130−138.
[4] 陈 浮,于昊辰,卞正富,等. 碳中和愿景下煤炭行业发展的危机与应对[J]. 煤炭学报,2021,46(6):1808−1820. CHEN Fu,YU Haochen,BIAN Zhengfu,et al. How to handle the crisis of coal industry in China under the vision of carbon neutrality[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(6):1808−1820.
[5] 杨昊睿,宁树正,丁 恋,等. 新时期我国煤炭产业现状及对策研究[J]. 中国煤炭地质,2021,33(S1):44−48. YANG Haorui,NING Shuzheng,DING Lian,et al. Chinese coal industry status quo in new period and countermeasures study[J]. Coal Geology of China,2021,33(S1):44−48.
[6] 康红普,姜鹏飞,高富强,等. 掘进工作面围岩稳定性分析及快速成巷技术途径[J]. 煤炭学报,2021,46(7):2023−2045. KANG Hongpu,JIANG Pengfei,GAO Fuqiang,et al. Analysis on stability of rock surrounding heading faces and technical approaches for rapid heading[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(7):2023−2045.
[7] 康红普. 煤矿巷道支护与加固材料的发展及展望[J]. 煤炭科学技术,2021,49(4):1−11. KANG Hongpu. Development and prospects of support and reinforcement materials for coal mine roadways[J]. Coal Science and Technology,2021,49(4):1−11.
[8] 康红普. 我国煤矿巷道围岩控制技术发展70年及展望[J]. 岩石力学与工程学报,2021,40(1):1−30. KANG Hongpu. Seventy years development and prospects of strata control technologies for coal mine roadways in China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2021,40(1):1−30.
[9] 程建远,陆自清,蒋必辞,等. 煤矿巷道快速掘进的“长掘长探”技术[J]. 煤炭学报,2022,47(1):404−412. CHENG Jianyuan,LU Ziqing,JIANG Bici,et al. A novel technology of “long excavation / long detection” for rapid excavation in coal mine roadway[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(1):404−412.
[10] 马伟斌. 铁路山岭隧道钻爆法关键技术发展及展望[J]. 铁道学报,2022,44(3):64−85. MA Weibin. Development and prospect of key technology of drilling and blasting for railway mountain tunnels[J]. Journal of the China Railway Society,2022,44(3):64−85.
[11] 徐顺通,杨 靖,余志超,等. TBM与钻爆法在并行长大引水隧洞施工中的适用性研究[J]. 施工技术(中英文),2022,51(5):126−129. XU Shuntong,YANG Jing,YU Zhichao,et al. Applicability study on TBM and drilling-blasting method for construction of parallel long and large diversion tunnels[J]. Construction Technology,2022,51(5):126−129.
[12] 毛 君,董钰峰,卢进南,等. 巷道掘进截割钻进先进技术研究现状及展望[J]. 煤炭学报,2021,46(7):2084−2099. MAO Jun,DONG Yufeng,LU Jinnan,et al. Research status and prospect of advanced technology of roadway excavation cutting and drilling equipment[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(7):2084−2099.
[13] 杨仁树. 我国煤矿岩巷安全高效掘进技术现状与展望[J]. 煤炭科学技术,2013,41(9):18−23. YANG Renshu. Present status and outlook on safety and high efficient heading technology of mine rock roadway in China[J]. Coal Science and Technology,2013,41(9):18−23.
[14] 代恩虎,王 勇,鲁义强,等. 云贵地区煤矿建设中TBM施工技术应用研究[J]. 煤炭科学技术,2022(34):1−9. DAI Enhu,WANG Yong,LU Yiqiang,et al. Application and study of TBM construction technology for coal mine construction in Yunnan and Guizhou provinces[J]. Coal Science and Technology,2022(34):1−9.
[15] 巩江峰,王 伟,周俊超. 截止2021年底中国铁路盾构及TBM隧道统计与分析[J]. 铁道标准设计,2022,66(3):1−5. GONG Jiangfeng,WANG Wei,ZHOU Junchao. Statistics and analysis of shield and TBM tunnels in China by the end of 2021[J]. Railway Standard Design,2022,66(3):1−5.
[16] 唐 彬. 煤矿深部巷道TBM施工围岩稳定性与支护技术研究[D]. 淮南: 安徽理工大学, 2016. TANG Bin. Research on surrounding rock stability and supporting of TBM excavated coal mine roadway in deep strata[D]. Huainan: Anhui University of Science and Technology, 2016.
[17] 秦晓光,徐辉东,刘林林. TBM技术在我国煤矿中的应用[J]. 低碳世界,2016(26):99−100. QIN Xiaoguang,XU Huidong,LIU Linlin. Application of TBM technology in coal mines in China[J]. Low Carbon World,2016(26):99−100.
[18] 宫全红. TBM岩巷掘进机在平峒施工中的运用[J]. 煤炭工程,2004(6):27−28. GONG Quanhong. Application of TBM rock tunnel boring machine in adit construction[J]. Coal Engineering,2004(6):27−28.
[19] 张洪伟,胡兆锋,程敬义,等. 深部高温矿井大断面岩巷TBM智能掘进技术−以“新矿1号”TBM为例[J]. 煤炭学报,2021,46(7):2174−2185. ZHANG Hongwei,HU Zhaofeng,CHENG Jingyi,et al. TBM techniques for intelligent excavating large-section rock roadway in the deep high-temperature coal mines: Application of TBM in Xinkuang No. 1[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(7):2174−2185.
[20] 刘泉声,时 凯,黄 兴. TBM应用于深部煤矿建设的可行性及关键科学问题[J]. 采矿与安全工程学报,2013,30(5):633−641. LIU Quansheng,SHI Kai,HUANG Xing. Feasibility of application of TBM in construction of deep coal mine and its key scientific problems[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2013,30(5):633−641.
[21] 李建斌. 我国掘进机研制现状、问题和展望[J]. 隧道建设(中英文),2021,41(6):877−896. LI Jianbin. Current status, problems and prospects of research, design, and manufacturing of boring machine in China[J]. Tunnel Construction,2021,41(6):877−896.
[22] 李 喆,江 媛,姜礼杰,等. 我国隧道和地下工程施工技术与装备发展战略研究[J]. 隧道建设(中英文),2021,41(10):1717−1732. LI Zhe,JIANG Yuan,JIANG Lijie,et al. Research on development strategy of tunnel and underground construction technology and equipment in China[J]. Tunnel Construction,2021,41(10):1717−1732.
[23] 刘泉声,黄 兴,时 凯,等. 煤矿超千米深部全断面岩石巷道掘进机的提出及关键岩石力学问题[J]. 煤炭学报,2012,37(12):2006−2013. LIU Quansheng,HUANG Xing,SHI Kai,et al. Utilization of full face roadway boring machine in coal mines deeper than 1000 km and the key rock mechanics problems[J]. Journal of China Coal Society,2012,37(12):2006−2013.
[24] 高明忠,叶思琪,杨本高,等. 深部原位岩石力学研究进展[J]. 中国科学基金,2021,35(6):895−903. GAO Mingzhong,YE Siqi,YANG Bengao,et al. Progress in research on deep in situ rock mechanics[J]. Bulletin of National Natural Science Foundation of China,2021,35(6):895−903.
[25] 谢和平. 深部岩体力学与开采理论研究进展[J]. 煤炭学报,2019,44(5):1283−1305. XIE Heping. Research review of the state key research development program of China: Deep rock mechanics and mining theory[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(5):1283−1305.
[26] 鲁义强,李 光. 深部高应力隧道TBM护盾长度和推力计算方法研究[J]. 地下空间与工程学报,2022,18(2):577−585. LU Yiqiang,LI Guang. Study on calculation method of shield length and thrust of TBM in deep high stress tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2022,18(2):577−585.
[27] 王杜娟,贺 飞,王 勇,等. 煤矿岩巷全断面掘进机(TBM)及智能化关键技术[J]. 煤炭学报,2020,45(6):2031−2044. WANG Dujuan,HE Fei,WANG Yong,et al. Tunnel boring machine ( TBM) in coal mine and its intelligent key technology[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(6):2031−2044.
[28] 谢和平,王金华,王国法,等. 煤炭革命新理念与煤炭科技发展构想[J]. 煤炭学报,2018,43(5):1187−1197. XIE Heping,WANG Jinhua,WANG Guofa,et al. New ideas of coal revolution and layout of coal science and technology development[J]. Journal of China Coal Society,2018,43(5):1187−1197.
-
期刊类型引用(12)
1. 张家乐，杨明，张鲁鲁，初月朗，牛宾，杨谢生，梁程程，黎明镜，康一强. 煤矿深部巷道不良地段敞开式TBM施工关键技术. 建井技术. 2025(01): 36-43+31 . 
百度学术
2. 严红，吴林，李桂臣，宋维斌. 煤矿岩巷TBM快速掘进研究进展与展望. 煤炭工程. 2025(01): 1-7 . 百度学术
3. 王帅. TBM在煤矿巷道掘进中的技术应用和研究进展. 内蒙古煤炭经济. 2025(03): 168-170 . 百度学术
4. 刘旭东. 面向煤矿挖掘勘探的随掘超前探测及地震震源特征研究. 能源与环保. 2025(03): 129-135 . 百度学术
5. 张盛，陈召，卢松，杨战标，冀畔俊，贺飞，鲁义强，刘佳伟. HSP超前探测技术在煤矿TBM掘进巷道中的应用研究. 煤田地质与勘探. 2024(03): 107-117 . 百度学术
6. 刘志强，宋朝阳，程守业，荆国业，高伟，李生生. 煤矿矿井建设技术与装备70余年创新发展及推广实践. 煤炭科学技术. 2024(01): 65-83 . 本站查看
7. 杜立杰，郝洪达，杨亚磊，李青蔚，张卫东，刘家驿，冯宏朝，贾连辉. 小转弯曲线隧道TBM选型与掘进姿态调控方法. 隧道建设(中英文). 2024(05): 1106-1115 . 百度学术
8. 宋朝阳，崔泽升，王子雷，王强，荆国业，李英全. 不同钻进参数下反井钻机扩孔钻进速率与岩渣特征试验研究. 建井技术. 2024(03): 68-73+67 . 百度学术
9. 邵文琦，陈大勇，佟治，乔亮，杜浪浪，黄炳香，陈圣贺，高尚占，祁正飞，孙政. 煤矿岩巷掘进技术现状及展望. 中国矿业. 2024(11): 192-205 . 百度学术
10. 吕玉柱，孙鹏，王力强. 韩城矿区岩巷快速施工工艺匹配支护优化研究. 陕西煤炭. 2024(12): 173-177 . 百度学术
11. 杨志刚，马世忠，田欢. 基于改进人工蜂群算法与随掘超前探测的地震去噪技术研究. 能源与环保. 2024(11): 81-87 . 百度学术
12. 李昂，吕伟，景长生，丁学松，刘军亮，冯碧野，范六一. 平煤西部矿区水-岩共生地下水化学特征. 西安科技大学学报. 2024(06): 1154-1164 . 百度学术
其他类型引用(4)
计量
- 文章访问数: 249
- HTML全文浏览量: 27
- PDF下载量: 69
- 被引次数: 16
