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煤矿掘进技术与装备专题
【编者按】煤矿巷道掘进已经成为影响煤炭开采效率与质量的一个重要因素。目前，我国煤矿井下巷道掘进机以悬臂式掘进机为主，存在掘锚失衡、成巷效率低、安全性差等技术难题，导致采掘比例失调，接续持续紧张，阻碍了煤矿科学产能的进一步提升。“十一五”以来，国内各科研院所、掘进装备研制企业以及矿业集团等单位，通过产学研联合攻关，积极开展硬岩截割、综合机械化快速掘进研究，取得了许多创新性成果，推动了我国煤矿综掘技术向安全高效发展。目前，提高掘进效率与作业安全性仍然是掘进技术发展的主攻方向，还需要在破岩技术、智能控制、快速掘进等方面继续开展深入研究。为展现近年来煤矿掘进工程领域取得的新理论、新技术、新装备等成果，推动煤矿掘进技术进步,我刊于2018年第12期组织策划了“煤矿智能化掘进技术与装备”专题，刊登了8篇文章，报道了综掘装备自动定位、在线监测、远程可视化操控以及工作面临时支护与粉尘治理等方面的最新研究成果及进展。本次2019年第6期再次撷取刊登8篇，重点报道全断面综合机械化掘进、综掘工作面信息化、核心元部件智能制造以及提高设备的应用经济性和可靠性等方面的最新研究成果，在此衷心感谢各位作者为此专题撰稿，特别感谢辽宁工程技术大学张强教授、中国矿业大学(北京)吴淼教授、中煤科工集团太原研究院有限公司王学成副研究员、西安科技大学张旭辉教授在专题组稿、撰稿等方面给予的大力支持与帮助！
杨生华，芮 丰，蒋卫良，张世洪
(中煤科工集团上海研究院有限公司，上海 200030)
摘 要：为了解决煤矿开采中岩石巷道快速掘进问题，提出应研制高效智能的全断面岩巷掘进机。煤矿全断面岩巷掘进机是集全断面连续截割、支护技术、自动定位、无线遥控技术、快速装运和机械除尘等功能，实现掘、支、运一体化的快速岩巷掘进的装备。它不仅能够提高煤矿建井速度，而且能够实现煤矿高产高效安全集约化生产，为煤矿科学开采、绿色开采和可持续发展创造了条件。详细介绍了20世纪80年代我国煤矿岩巷掘进中全断面岩巷掘进机国产化工程和产品的应用情况，以及21世纪的煤矿全断面岩巷掘进机发展、应用和趋势，指出国产化、煤矿化和专业化是煤矿全断面岩巷掘进机的发展方向，产品成套化、系统化、系列化、自动化、智能化和市场化是发展趋势，煤炭精准开采、化学开采和新能源的发展是新的应用要求，可为数字煤矿和智慧煤矿及煤炭革命打下基础，对我国深层煤炭资源开发具有重大意义。
关键词：岩巷；全断面岩巷掘进机；科学开采；可持续发展
中图分类号：TD421
文献标志码：B
文章编号：0253-2336(2019)06-0001-10
YANG Shenghua，RUI Feng，JIANG Weiliang，ZHANG Shihong
(Shanghai Research Institute Co.，Ltd.，China Coal Technology and Engineering Group,Shanghai 200030, China)
Abstract:In order to solve the problem of rock roadway rapid excavation in coal mining, the full-section rock tunnel boring machine with high efficiency and intelligence should be manufactured and developed.The coal mine full-section rock tunneling boring machine (TBM) is a kind of equipment that integrates the functions of continuous cutting, support technology, automatic positioning, wireless remote control technology, rapid loading, and mechanical dust removal and others，to realize rapid rock roadway excavation integrating of excavation, support and transportation.It can not only improve the speed of coal mine construction, but also achieve high-yield,high-efficiency, high-intensity and safe production, and create conditions for scientific mining, green mining and sustainable development of coal mine.The domestic engineering and product application of TBM in Chinese coal mine in the 1980s and the development, application and trend of TBM in coal mine in the 21st century are introduced in detail.The pipe jacking machine is the application requirement the development of coal gas co-mining, the shaft boring machine is more and more important for the construction of deep wells in coal mines, the full section rectangular boring machine will play an important role in high-efficiency and high-speed coal mining, and the conveyor is the basis for high-speed excavation.It is also pointed out that localization, coal mineralization and specialization are the development directions of coal mine TBM.The productization, systemization, serialization, automation, intelligence and marketization are the development trend.The development of coal precision mining, chemical mining and new energy is the new target.The application requirements lay the foundation for digital coal mines and smart coal mines and the coal revolution, which is of great significance to the development of deep coal resources in China.
Key words:rock roadway;full-section rock tunneling boring machine;scientific mining; sustainable development
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杨生华，芮 丰，蒋卫良，等.煤矿全断面岩巷掘进机开发应用与发展[J].煤炭科学技术,2019,47(6)：1-10.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.001
YANG Shenghua，RUI Feng，JIANG Weiliang,et al.Development and application of full-section rock tunneling boring machine in coal mine[J].Coal Science and Technology，2019，47(6)：1-10.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.001
收稿日期：2019-01-27
责任编辑：赵 瑞
基金项目：上海张江国家自主创新示范区专项发展资金重点资助项目(201609-YP-C1085-004)；中国煤炭科工集团重点创新基金资助项目(2014ZD003)
作者简介：杨生华(1963—)，男，江苏盐城人，高级工程师，硕士。E-mail：yshcoal@163.com
我国煤炭资源丰富，从资料查明，3 000 m以浅煤炭资源总量为103 340亿t，其中大陆区2 000 m以浅煤炭资源量为58 260.2亿t，大陆区2 000 m以深超深部煤炭资源量约为13 310 t，周边海域煤炭资源量约为31 765亿t[1]。截至2017年底，煤炭查明资源储量16 666.73亿t，目前全国井工煤矿平均开采深度已接近500 m，最深已经超过1 300 m[2]， 2017年原煤产量达35.2亿t。随着神府东胜煤田的开发，神华集团神东公司千万吨矿井和矿井群， 7、8、9 m大采高千万吨综采工作面的建设，引领我国采煤技术的发展。塔山煤矿设计年产量1 500万t，主副平峒长3.5 km，坡度为-1.3°。2003年开始建井，主平峒掘进采用美国罗宾斯公司制造的双护盾全断面岩巷掘进机(刀盘直径为ø4.82 m)，最高月进尺达662.5 m。2015年我国自主设计制造的全断面隧道掘进机在神华神东补连塔矿2号副井施工顺利贯通，开挖直径为7.6 m。补连塔矿设计年产量2 000万t， 副斜井长度2 744 m，井筒直径6.6 m，坡度为-5.5°。在同步管片衬砌的工程条件下，创下最高月进尺639 m的世界纪录[3]。
20世纪80年代，国家在“七五”、“八五”规划中设计研究矿用全断面岩石掘进机，先后开发出ø5 m和ø3.2 m 全断面岩巷掘进机，并且在煤矿成功应用。ø5 m全断面岩巷掘进机完成山西东曲煤矿(设计年产量400万t)主平硐及大巷共3 600 m掘进任务，ø3.2 m全断面岩巷掘进机完成云南羊场煤矿杨家矿井(设计年产量60万t)巷道掘进1 014 m。证明了全断面岩巷掘进机能够国产化，煤矿岩巷掘进能够充分机械化，全断面岩巷掘进机掘进速度最快。30年后全断面岩巷掘进机在神东补连塔矿2号副井和淮南张集矿(年生产能力超过1 000万t)瓦斯高抽巷的应用[4]，再一次证明了全断面岩巷掘进机在煤矿岩巷掘进中的作用和优势[5-8]，标志着我国矿用掘进装备技术已经达到世界先进水平[9-12]，对我国深层煤炭资源开发具有较大意义[13-16]。
20世纪80年代为了建设山西特大型煤矿——古交矿区东曲煤矿，国家科委立项开发了ø5 m 全断面岩巷掘进机EJ50，而ø3.2 m全断面岩巷掘进机EJ32是由地方煤矿总公司投资的煤炭部项目，已用于云南羊场煤矿。ø5 m 全断面岩巷掘进机仅开发1台，获 1988 年度国家科技进步二等奖。EJ30系列全断面岩巷掘进机在萍乡、迁西和雁北小峪煤矿进行工业性试验，EJ32是EJ30基础上改进机型，获 1986 年度国家科技进步三等奖及原煤炭部科技进步一等奖。
ø5 m全断面岩巷掘进机包括主机及后配套系统，主机由刀盘工作机构、传动导向机构、推进操纵机构、大梁、主带式输送机及司机房等主要部件组成，如图1所示 。该主机上配套环形支架安装机及锚杆钻机，以适应在围岩破碎条件下安全掘进，还配备了激光导向、坡度指示及浮动支撑调向机构，可以不停机调向，控制掘进方向。机器上装有刀盘内喷雾及水膜除尘设施，同时配有通风、消音装置，以改善工作面环境。此外，配有机载多头瓦斯自动检测报警断电仪及矿用隔爆型与本质安全型电气设备，使该机能安全地使用在有瓦斯的煤矿巷道掘进。 后配套系统主要由斜井带式输送机、转载机和喷雾泵组成。
1—刀盘；2—机头架；3—水平支撑板；4—司机房；5—带式输送机；6—转载机；7—龙门架车；8—环形支架机；9—锚杆钻机；10—激光导向仪
图1 ø5 m全断面岩巷掘进机总体示意
Fig.1 Overall of ø5 m tunneling boring machine
ø3.2 m全断面岩巷掘进机包括主机及后配套系统，如图2所示。
1—刀盘；2—机头架；3—单大梁；4—浮动支撑；5—操纵室；6—后支撑；7—液压锚杆钻机；8—主带式输送机
图2 ø3.2 m全断面岩巷掘进机主机及后配套系统
Fig.2 Host and supporting system of ø3.2 m tunneling boring machine
主机由刀盘工作机构、传动机头架、单大梁、浮动支撑机构、机房操纵室、后支撑、液压锚杆钻机及主带式输送机等主要部分组成。配备了激光导向、坡度指示及浮动支撑调向机构，可以不停机调向，控制掘进方向。机器上装有刀盘内喷雾，水膜除尘设施以及通风装置。此外，还配有同样的设备，并应用于有瓦斯的煤矿巷道掘进。后配套系统主要有40 m 长的输送带转载机，下面可容纳10～12辆1.1 m3矿车，可满足掘进机一个循环的破岩出矸量。矿用全断面岩巷掘进机技术参数见表1。
表1 矿用全断面岩巷掘进机技术参数
Table 1 Technical parameters of mining tunneling boring machine
东曲煤矿设计年产量400万t，一对相距45 m东西平硐开拓，主(东)平硐极其延伸大巷全长4 582 m，掘进断面20.3 m2，巷道坡度为0.3%，使用国产ø5 m 全断面岩巷掘进机掘进，副平硐(西平硐)使用瑞典产的双臂液压钻车和整装侧吸卸式装岩机，配套机械化作业线施工。主平硐穿过主要岩层为砂岩与粉砂岩、砂质页岩和泥岩、页岩和部分石灰岩，个别岩层中含有微量黄铁矿结核。岩石抗压强度30～140 MPa，抗拉强度5～23 MPa，抗剪强度10.0～18.3 MPa。
ø5 m 全断面岩巷掘进机在古交矿区东曲煤矿东平硐投入工业性试验14个月掘进1 448 m，掘进月进尺见表2，平均月进103.4 m， 最高月进202 m，工程质量全部合格。1987年11月通过了部技术鉴定，并继续掘进至1989年底，完成了东平硐全长3 600 m掘进任务。
表2 ø5 m EJ50全断面岩巷掘进机掘进月进尺
Table 2 ø5 m EJ50 tunneling boring machine tunneling into the monthly scale
在岩石单轴抗压强度为58.8～78.4 MPa的条件下，刀圈的平均寿命为每盘(36个)467 m，平均每个刀的破岩量262.5 m3。掘进速度为1.6～2.4 m/h， 一个行程1 m为0.5 h左右。机械利用率为17.2%，最高为24.9%，故障率为19.6%，最小12.5%。
全断面岩巷掘进机在掘进速度、施工质量、效率和对不稳定煤层适应能力方面较好。最高月进尺202 m，最佳日进尺12.7 m，最佳班进尺5.8 m。平均月进尺103.4 m，是同期采用钻车掘进的49 m的2.1倍。由于不采用爆破作业，巷道围岩受扰动小，掘出的巷道成型好，稳定性好，超挖量小，有利于巷道支护与维护，降低了费用。巷道合格率100%，优良品率50.8%。每工年效达20.53 m，超过当时标准15 m的37%。1897年5月，东西两平硐同时掘一个70 m 的断层破碎带，围岩极不稳定，全断面岩巷掘进机顺利通过，月掘进76 m，而钻爆法为61 m，而且支护材料大幅节省。
云南羊场煤矿杨家矿井下盘区集中运输大巷，巷道开掘长度约2 500 m，是矿井接替工程。巷道布置在距离煤层200 m的玄武岩中。玄武岩岩层层理、节理发育，岩石普氏系数f最高为18，另有f=5～6的凝灰岩，巷道最大涌水量86.66 m3/h，水的来源主要是断层及岩层裂隙透水。矿井属高瓦斯矿井，无瓦斯突出，在施工过程中必须严格矿井管理，准确地控制层位。 巷道受断层影响，玄武岩中有凝灰岩夹层，断层中岩石软硬不均，可能会出现刀盘在掘进工作面受力不均现象。
1988年4月，EJ32全断面岩巷掘进机在云南羊场煤矿杨家矿井下盘区集中运输大巷投入试掘，6月正式开掘，不连续掘进截至1989年2月，累计掘进巷道1 014 m，平均月进尺156.13 m，最高月进尺260.53 m，最高日进尺13.6 m，巷道穿过的岩石为凝灰岩(f≤4～5)和玄武岩(f=15～18)，机组经受了硬岩和断层破碎带的考验，工程质量全部合格。与钻爆法比较，掘进速度之比2∶1，掘进工效之比2.2∶1.0，掘进成本两者接近。
全断面岩巷掘进机通过煤矿主平硐和大巷应用，证明了它的掘进速度快，能够掘进硬岩，尽管这次应用仅比钻爆法快1倍。德国在煤矿上使用全断面岩巷掘进机掘进速度可达10～20 m/d，最高月进可达600 m，平均为300～400 m。以前德国煤矿每年有10～20 km的岩巷掘进，使用最大直径6.5 m 全断面岩巷掘进机。说明我国产品和工艺还有很大差距，需要进一步开发和发展。总之全断面岩巷掘进机与钻爆法比有多方面的优势，岩巷优先选择全断面岩巷掘进机掘进。
20世纪90年代我国停止了矿用全断面岩巷掘进机的发展，随着我国经济建设，20世纪作为主体能源的煤炭开采量逐步提升，大同塔山主平硐设计长度3.5 km，需要引进全断面岩巷掘进机以及配套产品施工。内蒙古东胜煤田新街矿区的初期开发规划6井8 500万t，新街矿区煤层埋深达700 m以上，主斜井长6 km以上。神东矿区7 m大采高工作面，需要运输7 m大采高液压支架和采煤机等大型设备，要求主平硐直径超过5 m。随着国内全断面岩巷掘进机引进设备施工工艺水平和设计制造能力的提高，2011年神华集团和中国铁建重工集团合作，开发长距离、大坡度、深埋层斜井掘进机，巷道掘进机和立井掘进机。2013年我国首台煤矿斜井专用全断面岩巷掘进机研制成功，其直径7.62 m，总长238 m，总重超过1 200 t，装机功率3 800 kW，设计月进尺600 m，集斜井施工开挖、衬砌、出渣、运输、通风、排水等功能于一体，创新集成了土压平衡盾构机和全断面硬岩掘进机2种设备的功能，使其具有盾构和专用掘进2种模式，在应用时通过模式的快速转换，可穿越软岩、硬岩和复合地层等复杂地层，可满足在下坡6°坡度条件下管片和施工物料的快速运输。随后多家单位和公司开始研制矿用全断面岩巷掘进机，2013年中煤科工集团上海研究院与中信集团合作研发出世界首台直径5 m敞开式无轨运输硬岩掘进机[17-18]，为全断面岩巷掘进机国产化走出重要一步。2015年，中国铁建重工集团为神东补连塔煤矿辅运平硐开发了斜井单护盾全断面岩巷掘进机 ZTT7635，北方重工集团开发了首台立井煤矿全断面岩巷掘进机QJYC045M，辽宁通用开发了“掘锚神盾一号”KSZ-2600微小型全断面岩巷掘进机，中煤科工集团沈阳研究院有限公司研制了 ZDG1500 型矿用智能化顶管掘进装备[19]，在国家“863项目”支持下，中煤科工集团大地科技建井研究院开发了首台矿山竖井掘进机MSJ 5.8/1.6D[20]。
21世纪初大同塔山煤矿设计年产量1 500万t，2条平硐长3.5 km，相距36 m，主平硐运煤，引进全断面岩巷掘进机施工；副平硐运设备，钻爆法施工。实际掘进长度3 023 m， 坡度-1.3°，硐径4.82 m。上部以砂石或黄土为主，平均厚度9 m，为表土段。基岩围岩岩性分别有含砾黏土岩、石英砂岩、角闪片麻岩、混合花岗岩等，普氏系数f为4～6(抗压强度为40～60 MPa)。
主平硐使用美国罗宾斯公司双护盾全断面岩巷掘进机(图3)掘进，刀盘直径ø4.82 m，出渣采用2台CHL-180DCL型、2台24-D92型和2台TY-13WD615-58型内燃机车。在掘进过程中，仅在底部安装管片，铺设内燃机车轨道，侧顶拱随掘进进行喷锚支护。塔山矿主平硐全断面岩巷掘进机总掘进长度2 911.6 m，2003年7月29开始掘进，总共持续时间7个多月，实际掘进天数191天，平均日掘进尺16 m(石灰岩段18 m，花岗岩仅为3.2 m，煤炭为3 m)，最高日进尺45.96 m，最高月进尺662.5 m，发挥了全断面岩巷掘进机掘进岩巷的优势和作用。
图3 罗宾斯公司双护盾全断面岩巷掘进机进主平硐
Fig.3 Robbins’ double shield tunnel boring machineinto main tunnel map
新疆涝坝湾煤矿主、副平硐和风立井开拓，矿区设计生产能力300万t/a，其中主、副平硐长度6.2 km，穿越地层多。涝坝湾煤矿巷道其岩性为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩。其饱和状态下的单轴极限抗压强度为8.6～73.2 MPa，介于次软与极硬岩石间，大部分为次软与次硬岩石。副平硐工程采用中国铁建重工集团制造的ZTE6460复合式盾构机掘进，ZTE6460复合式土压平衡盾构机，设备开挖直径ø6 460 mm，整机质量约450 t，整机长度约84 m，装机功率约1 500 kW，最大掘进速度超过80 mm/min。ZTE6460的设计，解决长距离硬岩隧道开挖；采用防爆设计，成功穿越高瓦斯地层；采用适用于极寒、恶劣条件的油液和电气部件，解决掘进机冬季施工难点。通过盾构机部件分块拆解设计，成功实现硐内拆机，不需修建拆卸硐室。ZTE6460于2012年9月中旬始发，2014年12月底隧道贯通，独头掘进5.8 km，创下盾构机独头掘进的最高记录，最高日进尺21 m，最高月进尺364.5 m，平均月进尺300 m。
图4 神东补连塔煤矿斜井的全断面掘进机
Fig.4 Tunnel boring machine of inclined well inShendong Bilianta Coal Mine
2015年，神华集团和中国铁建重工集团联合研发拥有完全自主知识产权的国内煤矿斜井单护盾全断面岩巷掘进机，在位于内蒙古自治区鄂尔多斯市的神东补连塔煤矿2号辅运平硐掘进。这台单护盾全断面岩巷掘进机总长165 m，总重超过1 560 t，开挖直径7.635 m，总装机功率3 800 kW，如图4所示。它是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高、对周围地层环境影响小、有利于环境保护的特点；设备还采用主动铰接系统，同时在前盾、中盾设置有千斤顶和稳定器，可以有效控制全断面岩巷掘进机在下坡掘进过程中“栽头”现象。集斜井施工开挖、衬砌、出渣、运输、通风、排水等功能于一体，可穿越软岩、硬岩和复合地层等特殊复杂地层，还可通过调整全断面岩巷掘进机姿态克服过竖曲线的难题。
神华神东补连塔煤矿2号副井(辅运平硐)，井筒斜长约2 745 m，坡度为5.5°，井筒内径为ø6.6 m。 该斜井工程2015年6月11日正式掘进，12月22日顺利贯通。在开挖直径ø7.65 m，-5.5°连续下坡，同步管片衬砌的工程条件下，施工进度日新月异，总掘进长度2 718 m。创下最高月进尺639 m的世界纪录和连续4个月月进尺超过500 m的良好业绩。全断面岩巷掘进机在煤矿斜井和巷道掘进中国内外产品的前后应用比较见表3，国产全断面岩巷掘进机已经达到国外水平，标志我国全断面岩巷掘进机产品国产化成功。
表3 全断面岩巷掘进机在斜井和巷道掘进中的应用比较
Table 3 Application comparison of tunneling boring machine in inclined well and roadway excavation
淮南矿业集团借鉴国内外用于隧道、地铁建设的盾构机施工技术，联合科研院校，与北方重工合作制造出世界首台立井QJYC045M煤矿岩巷全断面硬岩掘进机如图 5所示。该设备开挖直径ø4.53 m，总长50 m，整机质量350 t，刀盘驱动功率1 440 kW，总推力12 000 kN，应用于淮南矿业集团立井矿巷道工程，施工长度约1 500 m，岩石单轴抗压强度为40～150 MPa，工程地质条件复杂、埋深大、对防爆安全要求苛刻。
图5 QJYC045M煤矿岩巷全断面掘进机
Fig.5 QJYC045M tunneling boring machine in coal mine rock roadway
2015年1月QJYC045M掘进机在淮南矿业张集矿1413A高抽巷组装完成并开始试掘进，于2015年3月12日顺利贯通，用时52 d。该巷全长704 m(钻爆法已施工894 m)，岩性为全断面石英砂岩，其抗压强度大(50～134 MPa)，普通综掘设备根本无法施工。该设备在工业性试验中取得了最高小班(8 h)进尺14.5 m，最高日进尺30.7 m，平均月进尺404 m，最高日进尺速度较传统工艺提高10倍，月进尺较传统工艺提高4.5倍的煤矿岩巷施工最高记录。 2015年7月5日，全断面岩巷掘进机作业线又进入张集煤矿1415A高抽巷开始施工。进尺1 308 m，用时97 d，9月创下了560 m的月单掘进纪录。
2017年阳煤集团首家实现在采煤工作面成功使用QJYC045M全断面岩巷掘进机进行巷道施工。 2017年11月22日开始试运行，截至2018年8月31日累计掘进2 71 5 m。最高月进达561.9 m，最高日进31.5 m，平均月进尺 428.5 m，是传统施工效率的6.2倍，创造了国内煤矿岩巷掘进新纪录。以前，阳煤集团岩巷平均月进尺为90～100 m。多年来，岩巷掘进速度慢一直制约着煤矿的生产衔接，使用全断面岩巷掘进机掘进后，月进尺将提高到400 m以上，作业人数减少80%，并杜绝了现场粉尘，实现了本质安全生产，提升矿井建设速度。
2015年10月辽宁通用煤机公司自主研发了“掘锚神盾一号”KSZ-2600型井工矿全断面硬岩掘进机。该产品直径ø2.6 m，开采岩石强度50～150 MPa。装机功率380 kW，总重90 t。KSZ-2600型掘进机于2016年5月开始在北京部队某部进行军用设施岩石巷道工程掘进施工中，地面试验取得成功。2017年又在大同煤矿集团挖金湾矿南回风大巷试用4个月[21]，共进尺741 m，平均每月进尺 185.25 m，最高月进尺214.6 m，提高了生产效率，降低了劳动强度，产生经济效益 124.65万元。KSZ-2800在重庆能源集团下属松藻煤电公司地面山体掘进，2018年7月19日，共推进320 m，日进尺最高达20.3 m，完成在高瓦斯工况条件下的煤矿岩石巷道工业性能试验。
国内矿用全断面岩巷掘进机的发展情况见表4，ZTTE7620是铁建重工2013年为内蒙古新街台格庙煤矿打造的我国首台煤矿专用主斜井混合式盾构机，应用于新街台格庙煤矿一号井的2条6 km长的主副斜井。
表4 国内矿用全断面岩巷掘进机的发展情况
Table 4 Development situation of tunneling boring machine for domestic mining
注：TBM为全断面岩巷掘进机；*根据支护方式。
2018年初北方重工集团为山东能源集团开发研制的QJYC063M全断面岩巷掘进机直径为6.3 m，主要用于山东省某煤矿主要3条煤巷主巷道的掘进，巷道总长度约为10 km。巷道埋深达1 000余m，环境作业温度高达40 ℃，岩石硬度40～150 MPa。QJYC063M具有大功率、长寿命、高可靠性的驱动传动系统，使得理论掘进作业效率可达7.2 m/h，作业效率较传统工法可提高10余倍。 2019年3月该产品已经调试完成并下线验收。QJYC063M全断面岩巷掘进机直径6.33 m，施工深度980 m，整机总长度86m，整机质量700 t，刀盘驱动功率1 800 kW，刀盘工作转矩3 232 kN·m，主推进力17 500 kN。
2013年9月，中信重工集团与中煤科工集团上海研究院联合研制的世界首台直径ø5 m敞开式无轨运输硬岩掘进机EQKP-5成功试车。该全断面岩巷掘进机刀盘最大推力达10 000 kN，切削功率为7×250 kW，可实现最小水平转弯半径235 m，适应隧洞最大坡度9°，一个掘进行程可达1.5 m。最大掘进速度为7.2 m/h，2017年在“引故入洛”工程中创造出了日进尺66 m、月进尺1 010 m的最高记录。2014年西安煤矿机械有限公司针对煤矿掘进现状与中铁建重工集团联合开发了矿用盾构掘进机产品，其相关产品化还未见报道。
为解决现有煤矿高抽巷施工方式掘进速度慢、工作环境恶劣、施工成本高等难题，基于顶管施工工艺，采用全断面大直径破岩技术。研究矿用顶管机滚刀破岩机理，对刀具进行合理化布置； 采用智能控制技术，实现矿用顶管机自动导向、自主开关机及自动顶进等功能。中煤科工集团沈阳研究院有限公司研制了 ZDG1500 型矿用智能化顶管掘进装备，如图6所示。2015年在淮南张集煤矿进行了国内首次煤矿顶管施工的工业性试验，验证了智能化顶管掘进装备的各项参数和性能，试验结果表明：一次成孔直径为 ø1 500 mm，单次掘进长度≥500 m，掘进速度为 10～20 mm/min，并得出矿用顶管掘进机岩层阻力分布规律，可解决高抽巷施工难题。2017年EDG-300大直径顶管钻机在山西大同塔山煤矿完成阶段性试验，“智能化顶管快速钻进技术及装备”项目已列入到中煤科工集团公司“十三五”科技发展指南。
图6 ZDG-1500 型顶管掘进装备
Fig.6 ZDG-1500 pipe jacking equipment
中煤科工集团天地科技建井研究院(北京中煤矿山工程有限公司)依托国家“863计划”课题，主持研发的我国首台矿山竖井掘进机MSJ 5.8/1.6D，该竖井掘进机示意和3D模型如图7所示。2016年在宁夏银川完成产品的加工调试，标志着我国煤矿井巷掘进向机械化、智能化和无人化方向迈出了重要的一步。
图7 竖井掘进机MSJ 5.8/1.6D示意和3D模型
Fig.7 MSJ 5.8/1.6D schematic and 3D model of shaft boring machine
竖井掘进机总体方案为：整体框架架构、多点支撑推进、4台变频电动机驱动、电液伺服控制、钻进方向智能控制。钻井直径5.8～6.0 m，钻井深度800～1 000 m，推力6 000 kN，转矩1 000 kN·m，总质量约140 t。国内首台套有导孔条件下的竖井掘进机样机已经完成，能够解决我国煤矿竖井井筒传统钻爆法施工速度慢、施工安全性差、作业条件恶劣、职业危害严重、劳动强度大等问题。矿山竖井掘进机代表矿井建设机械化的发展方向，具有机械化程度高、不需爆破作业、井下人员少、施工效率高、成井质量好、安全性高等优点，具有广阔的应用前景，预计MSJ 5.8/1.6D竖井掘进机2019年在煤矿使用。同时2011年神华集团和中国铁建重工集团开始合作的立井掘进机(产品结构和MSJ 5.8/1.6D类似，不同的是上排渣)，产品已经在某100 m深的井试用过，2019年拟开始应用。
2014年中煤科工集团太原研究院与神东煤炭集团、北方重工集团共同研制及调试完成世界首套全断面高效快速掘进系统，它由北方重工结合国际先进技术研制的全断面煤巷高效掘进机QMJ4260和太原研究院的高效快速后配套(主要有十臂锚杆钻车、可弯曲输送带转载机、迈步式自移机尾和自移动力站等[22]，如图8所示)组成，系统集全断面连续切割技术、自动定位、无线遥控技术、快速装运、机载除尘、机载锚杆钻机、调车等功能于一体，实现煤巷快速掘进，远距离遥控作业，显著提高掘进效率，可实现月进尺达3 000 m以上，成为煤矿掘进生产工艺的又一次技术跨越。系统总长约210 m，总重630 t，总装机功率超过2 400 kW。这套全断面高效快速掘进系统在工业性试验中运行日益稳定，在2014年创造月进3 088 m好成绩的基础上，2015年不仅日进尺连日稳定在135 m以上，而且2015年2月26日零点班掘进82 m，圆班掘进158 m。这表明，该系统能够达到月进4 000 m以上乃至4 700 m新水平[23-24]。
图8 煤巷高效快速掘进后配套系统
Fig.8 Post matching system of efficient and quick tunneling in mine roadway
为解决不稳定顶板条件下的快速掘进，由神华神东煤炭集团公司和中煤科工集团上海研究院有限公司联合研制的MJJ3800护盾式全断面矩形快速掘进机[25](图9)，该系统由矩形掘进机机头、支架推进机构、水平支撑机构、刮板输送机、超前支护锚杆机组、测量导向系统等组成。2017年6月在布尔台煤矿投入工业试验，2018年已经完成一条巷道的掘进试验。全断面一次成型，矩形断面，采用分体式结构，可实现掘进与锚杆支护的平行作业。机头与后平台分为2段，采用主梁及鞍架的转弯方式，转弯半径小。后平台稳定性好，振动小，系统稳定。顶底板比压小，配备超前锚杆临时支护设备，可提高对顶底板的适应能力，扩大适用范围。机掘进断面尺寸5.8 m×3.8 m，推进行程1.5 m，月进尺2 000 m，刀盘总截割功率1 400 kW，整机总量300 t，外形尺寸14.7 m×5.8 m×3.8 m，整机长度9.5 m。
图9 MJJ3800护盾式全断面矩形快速掘进机
Fig.9 Shields full section rectangular fast tunnel boring machine MJJ3800
在近水平隧道施工中，掘进的渣土可以用轨道车运输，而在缓坡斜井施工中，轨道车是无法完成出渣运输任务的，于是神华新街公司结合实际工况与中煤科工集团上海研究院合作，设计了具有机尾同步延伸、自动张紧等功能的长距离连续带式输送机，以满足全断面岩巷掘进机工法斜井施工运输要求。
神华新街能源公司台格庙矿区采用全断面岩巷掘进机工法施工大埋深、长距离斜井，井筒长度6 582 m，最大埋深约680 m，坡度为-10.5%(平均6°下坡)。在全断面岩巷掘进机施工时，传统的连续带式输送机无法实时随全断面岩巷掘进机的推进而自动延伸，不能满足施工需要。针对这一工况，神华新街公司与中煤科工集团上海研究院拓展研发了型号为DSJ-80/50/4×400的特制头中驱动长距离带式输送机[26]，用于全断面岩巷掘进机快速推进后配套泥土的运输。连续运输系统依据实际全断面岩巷掘进机推进施工中所需的出土能力和场地环境设计，带式输送机最大输送长度约为6 522 m。隧道施工采用土压平衡全断面岩巷掘进机法推进，隧道开挖直径7.3 m，泥土容重27 kN/m3。神东补连塔煤矿2号副井全断面岩巷掘进机掘进就是使用这种带式输送机连续出渣[27]。
2000年得到国家“863计划”项目支持，上海研究院开发一条垂直提升波纹挡边带式输送机，于2002年10月下旬开始在上海某过江区间隧道(全长约2 km)的盾构中运行，该输送机提升泥土顺利，在机尾下水平凹弧段未有积泥，卸料时泥土直接从机头卸载滚筒处和上水平回程段落下，几乎没有泥土从垂直回程段掉落。采用该输送机连续输送系统后，盾构掘进速度从原来的平均每天7～8 m提高到17～18 m，速度提高1倍以上。截至2002年11月底，总共推进超过500 m，最快1天推进26 m。该输送机系统在市政隧道工程中的成功应用，改变了地铁建设隧道掘进后配套运输方式，克服了传统电机车间断运输的缺陷，解决了由于后配套运输能力不足而严重制约施工进度的难题，充分发挥了盾构的掘进能力。目前中煤科工集团上海研究院有限公司正在进行“长距离隧道施工全断面岩巷掘进机/盾构配套连续输送机系统关键技术研究”项目：研制能自动适应水平弯曲等各种工况的输送带自动对中装置；研制在狭窄空间使用的高效大容量水平/垂直储带装置；研制恒速放带、恒张力收带的收放带装置；研究垂直提升带式输送机输送不同特性物料的清扫技术。
随着煤炭开采深度的增加，我国开采深度1 000～2 000 m的立井[26]和600～1 000 m的斜井煤矿的装备已经开始了研究。因此千米深度立井和斜井以及巷道全断面掘进机需要发展和创新，国家已经投入科学基金研究超千米深部全断面岩石巷道掘进机。雅砻江锦屏二级水电站，装机4 800 MW。引水隧洞共4条，开挖洞径12 m，隧洞洞线平均长度为16.60 km，隧洞一般埋深为1 500～2 000 m，最大埋深达2 525 m。4条隧洞其中有2条隧洞引进应用国外的全断面岩巷掘进机施工，因此我国已经有大直径超深度岩石巷道全断面岩巷掘进机产品和掘进技术基础和使用经验。随着国家“973计划”和重点研发计划等科研项目的投入，我国煤矿超深井全断面岩巷掘进机产品和掘进技术研究将得到进一步的发展。
充分国产化护盾式、敞开式斜井，巷道全断面岩巷掘进机和立井全断面岩巷掘进机，采用先进的传动技术、滚刀技术以及钻探技术，使得全断面岩巷掘进机具备新的地质适应能力。开发煤矿千米井深的主斜井用双模式单护盾全断面岩巷掘进机，适应倾角16°以上。开发煤矿岩巷敞开式全断面岩巷掘进机，具备煤矿地质、坡度(上下)、截面和长度适应性以及经济适应性，同时在千米井深高应力、高瓦斯和高涌水情况下也能够适应。开发千米立井全断面岩巷掘进机， 适应千米以上井深的建井要求[28]。
完全国产化全断面岩巷掘进机连续运输系统，开发千米井深斜井长距离带式输送机和垂直提升带式输送机，适应现代大型煤矿岩巷和煤巷高效快速掘进要求。开发煤巷全断面高效掘进连续运输系统，适应大采高工作面高产高效开采要求。开发煤岩巷全断面高速高效掘进系统，适应薄煤层高产高效开采要求。开发立井全断面岩巷掘进机成套装备，完成高速高安全建井要求，实现竖井建设的充分机械化自动化。
充分利用现代传感器、网络和计算机等技术，使得煤矿全断面岩巷掘进机产品具有故障诊断和智能控制能力，采用变速驱动技术和机、电、液一体化技术，提升全断面岩巷掘进机产品的可靠性和寿命以及可用性，机械利用率提高到40%～60%，掘进速度提高到月进尺800～1 200 m。充分利用信息化技术，实现全断面岩巷掘进机产品三维设计和CAE，提高产品开发速度和质量，提高全断面岩巷掘进机产品的创新和研究开发能力。使用人工智能(AI)技术，使得全断面岩巷掘进机产品智能化和机器人化，实现煤矿掘进无人化。
1)通过国家“863计划”、“973计划”科研项目支持，我国已经掌握全断面岩巷掘进机产品和核心技术，能够自主创新。煤矿斜井、立井和巷道都能够使用全断面岩巷掘进机。这就为提高煤矿的建井和开发速度，提升煤矿绿色开采水平和能力，实现煤矿高产高效高安全生产，充分提高生产率，同时也为实现煤炭可持续发展创造了条件。因此发展煤矿全断面岩巷掘进机，不仅对我国国家工程建设和装备制造业发展有重大作用，而且为煤矿实现科学开采、绿色开采、精准开采、化学开采和抽水蓄能为基础的新能源的发展奠定重要基础。
2)发展煤矿全断面岩巷掘进机：适应硬岩巷道、软岩巷道、煤岩巷道和煤巷；适应煤矿立井、斜井和井下巷道，掘进深度为600、1 000、1 500、2 000 m；掘进直径1～3、3～5、5～8、8～12 m，适应长度大于3 km以上，1～3 km和小于1 km；掘、支、锚、运一体化和连续化，产品模块化，还要移动灵活和安装方便；应用自动化、智能化、无人化技术，充分发挥现代信息和AI技术的作用和优势。我国不仅能够自主设计全断面岩巷掘进机，更能够创造发明，为数字煤矿、智慧煤矿和煤炭革命打下基础。
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