高艷軍

（陽煤集團(tuán)三礦， 山西 陽泉 045000）

引言

頂管機(jī)是微型、小型盾構(gòu)機(jī)的俗稱，是一種先進(jìn)、新型的適用于井下高抽巷施工的機(jī)械裝備。其工作原理同盾構(gòu)機(jī)相同。煤礦井下高抽巷用的頂管機(jī)直徑一般在1.4～3.5m，其對巖石硬度適應(yīng)性較大，最高可達(dá)400MPa。此外，頂管機(jī)還具有集鉆、支護(hù)、掘進(jìn)于一身的優(yōu)點，并應(yīng)用遙感等高新技術(shù)對作業(yè)的所有過程進(jìn)行監(jiān)督和控制，從而保證了掘進(jìn)過程的最佳狀態(tài)。頂管機(jī)在國際上也得到廣泛應(yīng)用，主要用于天然氣、石油以及市政等工程中。相比之下，傳統(tǒng)的鉆爆法施工仍然是我國巷道掘進(jìn)采用的主要方法，這種方法安全性較差和施工效率低下。此外，懸臂式巖巷掘進(jìn)機(jī)也被我國部分煤礦所采用，但其較大的尺寸不可避免地擴(kuò)大高抽巷巷道斷面，最大可擴(kuò)大到15m2。雖然掘進(jìn)的效率通過這種方式得到了一定的提高，但嚴(yán)重磨損掘進(jìn)機(jī)截齒的同時也大大增加了開挖量。我國煤礦礦井的高抽巷一般位于煤層上方裂隙帶中的堅硬巖石中，且要求的橫截面積較小（4～8m2）。頂管機(jī)的特性適用于此種作業(yè)條件，將適當(dāng)改進(jìn)后的頂管機(jī)應(yīng)用于煤礦高抽巷掘進(jìn)開挖中，將大幅度提高掘進(jìn)效率和成本[1-2]。

1 工作原理及技術(shù)工藝

1.1 工作原理

頂管機(jī)的工作原理雖然與盾構(gòu)機(jī)相同，但仍有一些不同之處：頂管機(jī)為實現(xiàn)連續(xù)碎巖與掘進(jìn)，依靠固定在巷道外的推進(jìn)油缸提供推進(jìn)力，然后通過多節(jié)連接的水泥管或鋼管將推進(jìn)力傳遞到頂管機(jī)的機(jī)頭。機(jī)頭在推進(jìn)力的作用下使掘進(jìn)刀盤上的滾刀緊壓巖面并旋轉(zhuǎn),在刀盤強(qiáng)大的推力和扭矩作用下實現(xiàn)掘進(jìn)。此外，需要通過絞車牽引的礦車來實現(xiàn)巷道碎巖的運(yùn)輸，并通過安裝在礦車裝車點的攝像頭來給巷道外人員提供礦車是否已經(jīng)裝滿的信息。

1.2 技術(shù)工藝

由于頂管機(jī)掘進(jìn)長度一般較短，最大掘進(jìn)長度約為600m。因此需要適當(dāng)改進(jìn)現(xiàn)有的井下高抽巷掘進(jìn)工藝。改進(jìn)后的井下高抽巷頂管機(jī)施工的技術(shù)工藝如圖1所示，在現(xiàn)有的高抽巷掘進(jìn)工藝的基礎(chǔ)上需要多掘進(jìn)聯(lián)絡(luò)巷道，頂管機(jī)安裝在其末端后依次向左右各掘進(jìn)600m，隨后將頂管機(jī)和圓形頂管運(yùn)輸至下一條聯(lián)絡(luò)巷末端繼續(xù)重復(fù)上一操作。施工完成后，將圓形頂管撤出，使施工完成后的高抽巷成為一條裸巷，人員也不允許再進(jìn)入。圓形頂管應(yīng)采用鋼制的以實現(xiàn)多次使用。

圖1 頂管機(jī)掘進(jìn)高抽巷施工技術(shù)工藝圖

2 頂管機(jī)掘進(jìn)高抽巷存在的問題及解決辦法

2.1 線纜的快接和延伸

由于頂管機(jī)在高抽巷掘進(jìn)時需將多節(jié)管道連接后推進(jìn)，但諸如通信電纜、壓風(fēng)管、動力電纜、液壓油管等線纜均要從管道的中間穿過，不可避免地需要每推進(jìn)一節(jié)頂管都需要連接一次線纜，因此設(shè)計和生產(chǎn)獲得煤安認(rèn)證的線纜快速連接裝置的進(jìn)程亟需加快。

2.2 頂管機(jī)防爆

由于目前市面上沒有具有防爆認(rèn)證的頂管機(jī)，所以要對頂管機(jī)防爆性能進(jìn)行研究并獲得煤礦安全標(biāo)志認(rèn)證后才能將頂管機(jī)應(yīng)用于井下高抽巷掘進(jìn)。

2.3 管道的運(yùn)輸與存放

目前大多數(shù)井下高抽巷的長度在800～1 500m之間，而頂管長度最長僅為4m，這就需要數(shù)以百計的管道來完成巷道掘進(jìn)。但由于礦井空間有限和聯(lián)絡(luò)巷坡度較大，頂管管道的運(yùn)輸和存放問題應(yīng)當(dāng)被充分考慮。

2.4 通風(fēng)

在使用頂管機(jī)掘進(jìn)時遇到檢修人員進(jìn)出的情況下，需要對洞內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)以保證人員呼吸。采用通壓風(fēng)管的方式可有效解決這一問題。

2.5 排水

在使用頂管機(jī)掘進(jìn)過程中可能會遇到含水巖層，若巷道末端水平高度高于起始段，水會由于重力自行流出，但若末端低于起始段，安裝排水設(shè)備必不可少。

3 采用頂管機(jī)掘進(jìn)高抽巷的經(jīng)濟(jì)性計算與分析

上文技術(shù)工藝所述若高抽巷采用頂管機(jī)掘進(jìn)，因此另外的聯(lián)絡(luò)巷道的掘進(jìn)是不可避免的，這會增加施工成本。因此，需基于礦井實際情況對現(xiàn)有及頂管機(jī)掘進(jìn)的施工成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計算與分析。

以沁水盆地的礦井為例，通常的高抽巷與回風(fēng)巷的水平距離約為30～50m，以聯(lián)絡(luò)巷道起點距離回風(fēng)巷40m來計算。根據(jù)“豎三帶”理論可知：裂隙帶高度位于煤層頂板以上的采高的6～12倍的范圍內(nèi)，高抽巷一般位于煤層頂板以上的采高的6～8倍的范圍內(nèi)。沁水盆地煤厚平均約為6m，則高抽巷距離煤層底板垂直高度在42～54m范圍內(nèi)。若平段留17m的長度，加上高抽巷爬坡段的角度約為36°來計算，則爬坡段長度約68m，從而單條聯(lián)絡(luò)巷道總長度約85 m。以下按照某工作面高抽巷長度為1 200m計算。

采用頂管機(jī)掘進(jìn)巷道橫截面為直徑約為1.7m的圓形巷道，若頂管機(jī)每次可在施工地點左右方向各推進(jìn)600m（如上頁圖1所示），因此需要多掘聯(lián)絡(luò)巷道1條，長度為85m。且聯(lián)絡(luò)巷道橫截面為15m2左右的巷道。

橫截面積為15m2左右頂管機(jī)掘進(jìn)綜合成本為W 萬元 /m，a、b、c、d 分別為鋼制頂管使用 1～4 次時頂管機(jī)在高抽巷每米掘進(jìn)時的綜合成本，則有：

1）重復(fù)使用1次成本=W×85+a×1 200。

2）重復(fù)使用2次成本=W×85+b×1 200。

3）重復(fù)使用3次成本=W×85+c×1 200。

4）重復(fù)使用4次成本=W×85+d×1 200。

假設(shè)施工橫截面積為5m×3.2m的矩形高抽巷。掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)綜合成本為A×1 200m以上計算，A為這一橫截面積下單位長度的掘進(jìn)成本，其取值受巖石硬度、礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、人員成本和頂管成本等因素影響而有些許的不同。根據(jù)分析計算只要鋼制頂管重復(fù)使用2次，采用頂管機(jī)掘進(jìn)的成本接近掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)成本，重復(fù)使用3次及以上，頂管機(jī)掘進(jìn)的成本要低于掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)成本。因此當(dāng)頂管機(jī)總掘進(jìn)長度大于1 200m時，采用頂管機(jī)掘進(jìn)開挖高抽巷可節(jié)省更多成本。

4 結(jié)論

1）采用頂管機(jī)掘進(jìn)長度大于1 200m的高抽巷時更為經(jīng)濟(jì)；

2）雖然高抽巷可以有效降低井下工作面的瓦斯?jié)舛?，但工作面回采前采用傳統(tǒng)方式掘進(jìn)高抽巷速度較慢，這一定程度上造成了工作面生產(chǎn)交替緊張，而頂管機(jī)的使用可有效解決這一問題。