铁腰板治疗仪重庆能源集团合作研发小断面硬岩盾构机完成工业性试验(一) 【科技】颠覆煤矿传统的人工放炮掘进工艺-渝新能源

重庆能源集团合作研发小断面硬岩盾构机完成工业性试验(一) 【科技】颠覆煤矿传统的人工放炮掘进工艺-渝新能源


图为盾构机向前推进中

颠颠覆煤矿传统的人工放炮掘进工艺
重庆能源集团合作研发小断面硬岩盾构机完成工业性试验(一)
○李北陵
8月5日从重庆能源集团科技公司完成的科研结题报告获悉,重庆能源集团与辽宁通用重机公司合作研制的国内首台小断面硬岩盾构机,继去年10月至今年3月完成地面工业试验后,今年7月在井下工业性试验再获成功。铁腰板治疗仪这预示着盾构机将加快步伐走进煤矿,彻底终结重庆煤矿沿袭上百年的全岩巷掘进人工放炮工艺。
量身定制“神盾重庆1号”
作为隧道开凿的一种颠覆性技术,盾构机在中国铁路与公路施工中应用已是旧闻。在煤矿井下掘进施工中,盾构机的应用也早不是新闻。但是,针对重庆煤矿地质条件所进行的全岩巷道掘进盾构机的研发与应用,却独有创造,独具价值。
重庆煤矿地质条件特殊,全岩巷道掘进占比较大。比如重庆能源集团下属渝新能源公司的16个生产煤矿,全部开采倾斜煤层和急倾斜煤层,16个煤矿中有10个是煤与瓦斯突出矿井,另有3个高瓦斯矿井,3个低瓦斯矿井,突出矿井的所有可采煤层均为突出煤层,吨煤瓦斯含量高达15至28立方米。
资源条件要求煤矿分区和分水平开采,部置采区时开拓与准备巷道的掘进必须布置在较为坚硬的石灰岩层中。再加矿井中断层较多致使许多区段无煤,全岩掘进因此在重庆煤矿巷道掘进中占了很大比重。
统计显示,重庆能源集团下属生产煤矿,全岩巷掘进进尺一般要占年度掘进总进尺的一半左右,与半煤巷和全煤巷加起来的总量相当。
岩巷掘进量大,但岩石却很硬,采用传统的人工打眼放炮工艺“啃”起来特别费力。重庆市煤炭学会的调查资料显示,全市掘进年平均工效只有8.08米/工。以一年有效工作天数计算,全市掘进工人每班工效只有0.03米。全岩掘进平均工效,无疑更低。
渝新能源公司生产部长许刚介绍说,由于几十年来没有适用的机械装备,被迫依赖落后的打眼放炮工艺,全岩掘进效率低下,导致矿井生产难以“三超前”(掘进超前、瓦斯抽放超前、保护层开采超前),这影响矿井生产部署的有序推进,以致几十年来,不少煤矿都为采掘接替紧张而焦愁困顿。
更严重的是,全岩巷道掘进速度慢,不能保证采区和工作面布置的如期完成,也挤压了打钻抽放瓦斯和保护层(先开采用以释放主采瓦斯的煤层)释放瓦斯的时间和空间,加重了煤矿瓦斯治理的难度、负担和成本,从根本上构成了安全生产的威胁。
为提高全岩掘进的效率,重庆能源集团下属煤矿先后引进了综掘机、悬臂式掘进机。不料,这些堪称先进的机械也“啃”不动硬度系数f8以上的岩石(石灰岩的硬度系数约为f8)。不得已之下,只好继续沿用传统的“钻爆法”,即落后的人工打眼放炮工艺。
也就因为如此,重庆煤矿的采煤机械化程度与全国平均水平相当,但掘进机械化程度却一直落后。资料显示,重庆全市煤矿掘进机械化程度只有17.5%。重庆能源集团下属煤矿目前采煤机械化程度达90%,掘进装载机械化程度为95%以上,均处于西南地区前列水平,但掘进机械化程度只有近20%,全岩掘进机械化率更几乎为零。这与国家煤炭十三五规划提出的未来五年掘进机械化程度达到 65%的要求相去甚远。
问题,主要就出在引进的各种掘进机械“啃”不动硬岩,不得不采用落后的人工放炮工艺。
进入科技进步日新月异的新世纪,铁路、公路和市政施工大量使用的“神器”盾构机,跳进了重庆能源集团高层的视线。
2014年,重庆能源集团高层将盾构机的研制与应用,列为了未来五年重点科技攻关项目。多方探寻之下,与辽宁通用重机公司达成了协议,联手研制适用于重庆煤矿井下条件的小断面硬岩盾构机。

图为盾构机示意图
这台盾体由七个部分组成、外形犹如长龙的小断面硬岩盾构机,2014年立项,2017年研制成功,当年9月运抵重庆松藻煤电公司。上世纪70年代在南方煤矿中率先应用综采机的打通一矿,受命担起了集团赋予的工业试验重任。

图为“神盾重庆一号”即将启运重庆时情景
这台专为重庆煤矿研制的小断面硬岩盾构机,取名“神盾重庆1号”,意即专为重庆量身定制的第一台盾构机。其直径2.8米,身长17米,比起铁路公路隧道开凿动辄6米甚至10米的大型盾构机,它只能称为“小老弟”,但却具有“小个子挑千斤担”的独特魅力。
主机功率、刀盤转速、推进力、推进速度、变坡能力相较于大型盾构机,绝不逊色。采用严格的防爆技术,配备了超前钻探设备,安装在刀盘上的14把刀(其中8把单刀、6把双刀)超硬,“啃”得动重庆煤矿井下最硬的石头,适于在地质条件复杂、巷道断面小于8平方米以下、巷道坡度正负15°、岩石硬度系数F5—F15、瓦斯较大的重庆煤矿实施快速掘进。

图为2017年10月6日“神盾一号”地面工业试验开掘仪式
在全长750米、掘进断面6.61平方米的打通一矿S301瓦斯巷作业现场,参观的人们饶有兴趣地看到,盾构机前面的刀盘进行切割,切割下的岩石被吞进机器的肚子里“嚼”碎,然后从尾部吐出来,让皮带运输机运走。
刀盘呈圆形韩志胤,刀具由合金钢制做,向前扒进有自动纠偏装置校正方向,巷道成型很好,掘进不会产生超挖、欠挖现象,这省去了许多枉花人力与成本的无用功。
而且,掘进过程同时对巷道进行锚固支护,机器有前护盾和后部工作仓保护,让操作者处在安全的条件下作业。机器作业的前部采取了密封隔绝,同时采用先进的除尘装置,配备钻机超前探测前方地质构造和瓦斯情况,为员工身体健康和安全提供了有效保障。
盾构机的特制撑靴系统,也可以帮助重达115吨的机器前后移动。撑靴系统由前后撑靴组成。前后移动时,通过液压系统让四个撑靴撑到洞壁上,为推进油缸提供支承力进行移动。主机的水平方向调整,也可以通过四个撑靴撑高和下落来实现。
比起目前铁路隧道施工应用的盾构机,“神盾重庆1号”还有一个亮眼之处,就是采用了光纤通讯加无线通讯,能够1000米范围远距离控制,并自我诊断故障、自动调整状态,更接近自动化,更节省人工。
(未完待续)
本期编辑:文孟俊
审 核:敬廷明 向琼 王俊兰