经验交流
金娅， 朱立平， 黄扬烛
(煤炭科学研究总院， 北京 100013)
摘要：针对采用传统的钻爆法或冻结法结合有轨车辆或无轨车辆出渣施工方式进行长距离斜井开拓存在设备多、调度和运输管理要求高、出渣效率低等问题，分析了盾构掘进结合连续输送机出渣施工方式的优势，介绍了该施工方式中连续输送机的结构,指出了连续输送机急需改进的关键技术，包括大容量储带技术、智能化输送带张紧技术、快速收放带技术、安全延伸安装技术、控制保护技术。补连塔煤矿的实际应用表明，盾构掘进结合连续输送机出渣施工方式的掘进速度是传统施工方式的4～5倍,能够满足煤矿长距离斜井快速施工的要求。
关键词：斜井； 盾构； 连续输送机； 出渣
中国煤炭资源储量丰富，但浅埋层煤炭资源已开发殆尽，在已探明储量中近53%埋深在1 000 m以下。许多矿区采煤时间较长或者煤炭资源埋藏深度大，地质条件复杂，开采深度以每年8～12 m的速度递增[1-2]。在山西、陕西、内蒙古、山东、辽宁和黑龙江等地区，多数大型煤矿已相继进入了深部开采阶段，斜井和立井被大量运用。与斜井相比，立井提升运营成本高、产量低[3]，而大型超长距离钢绳芯强力输送机和无轨胶轮车等先进设备的应用，使斜井长距离运输能力大大增强，并成为当前大型矿井进行深部开采的主要方式。
斜井往往纵坡较小(国内通常为6°左右)而长度极长，采用传统的钻爆法或冻结法结合有轨车辆或无轨车辆出渣方式进行矿井开拓存在以下问题：所需的设备(台数、编组)多，调度和运输管理要求高，存在严重的施工干扰和安全隐患；出渣效率较低，对施工道路压力大，维护工作量大，运营成本高；内燃机车污染严重，通风换气难度高，燃料供应及维修等辅助设备复杂；爬坡能力低，不能满足大坡度斜井的施工要求。
TBM(Tunnel Boring Machine，盾构)作为现代长距离斜井施工的主流设备，其出渣方式的选择及出渣能力与掘进速度相互制约。连续输送机的出渣技术日趋成熟，已在TBM施工中得到了广泛应用。本文对TBM掘进结合连续输送机出渣施工方式的优势、结构及关键技术进行了研究分析，并介绍了TBM掘进结合连续输送机出渣的施工方式在补连塔煤矿中的实际应用情况。
连续输送机可以方便地安装在斜井侧壁上或吊挂在斜井内，不会影响斜井内其他施工，使得斜井内其他施工物资运输更加顺畅、快捷，为斜井高效安全施工提供了有力保障。
连续输送机不但具有输送能力大、速度快、承载能力强的特点，而且不受斜井坡度、路线走向、距离长短等限制，易实现自动化控制，能够大幅提高TBM的开机率，实现TBM的连续作业，大大提高了工效。
连续输送机自动化程度高，其信号可与TBM司机室、地面调度指挥系统互联并参与集控，因而可大大减少运输设备、人员数量，节约施工成本。
由于连续输送机采用电力驱动，能效高，污染小，与传统矿车出渣方式相比，TBM掘进结合连续输送机出渣施工方式可有效减少斜井内的有害废气产生，改善施工人员的作业环境，大大减轻通风压力，降低能源消耗。
连续输送机一般由卸载装置、传动驱动装置、收放带装置、储带仓装置、游动小车、硫化平台、托辊小车、变频自控张紧装置、中间驱动装置、机身、机尾装置、胶带、PLC控制系统及保护系统等组成。
卸载装置的卸载高度根据现场需要进行设置，卸载滚筒的后下方装有内外硬质合金清扫器，以保证有效清除胶带上粘附着的渣料。
驱动装置布置在卸载装置之后，是驱动连续输送机的动力所在。
储带装置是用来储存和放出输送带的设备，由储带转向架、储带仓架、托辊小车、游动小车、张紧装置、张紧绞车等组成。为尽量减少连续输送机加装胶带所用的时间，一般要求连续输送机储存胶带的长度为400～600 m，储存的胶带在储带转向架与游动小车之间多层往返折叠。为了使储带转向架与游动小车间距过大时胶带下垂度不致太大，而引起上下层胶带间摩擦打带，在储带仓架的小车轨道上另设托辊小车来承托胶带，并通过链条自动拉移至所需位置放置。利用张紧装置上的钢丝绳使游动小车移动,改变折叠带的长度，以达到储存或放出胶带的目的。张紧装置的钢丝绳通过滑轮组的倍力功能，以较小的牵引力获得所需倍数的张紧力，并通过张紧装置的张力指示器显示连续输送机张紧力的大小。
收放带装置放在连续输送机头部驱动单元后面，其上部设有沿卷筒轴方向的卷带芯轴。放带时，把整卷输送带安装在芯轴上，通过驱动单元使胶带沿输送机运行方向缓慢放出，储入储带仓。当斜井施工完成，需要快速回收胶带时，卷带机反转，把储带仓的输送带卷出并自动旋转出机架，放到平板列车上，再运至其他地方进行处理。
为了适应输送机输送长度经常变化的要求，中间架采用无螺栓连接和快速装拆结构，以降低劳动强度，减少操作时间。机身是带式输送机承托胶带延伸全长的主体部分，可以方便地安装在斜井壁上或吊挂在斜井内，其上安装有承载托辊和回程托辊。
机尾装置通常安放在TBM尾部台车的一侧，随TBM一起同步移动，接收TBM自带的转载输送机输送的渣料。
3.1 大容量储带技术
连续输送机每次接入胶带需硫化2个接头，2个接头的硫化时间为8～16 h。硫化时间过长大大制约了工程的进度，为尽量减少胶带硫化次数和TBM停机时间，加快施工进度，一般使用400～600 m/卷的胶带，这就要求连续输送机具有大容量储带能力。
3.2 智能化输送带张紧技术
随着TBM不断向前掘进，连续输送机的尾部跟随其向前移动，输送机的张紧小车在拉力作用下，不断向储带转向装置靠拢；储带仓内的输送带不断放出，连续输送机得以同步跟随TBM掘进而延伸。在连续输送机运行过程中，要避免2种情况：① 游动小车移动过快导致输送带松弛、张紧力不足，使得输送机传动失效。② 游动小车移动过慢甚至不移动导致输送带张力过大，造成输送机输送带拉断或其他部件因受力过大而损坏。因此，在连续输送机运行过程中，张紧装置必须保证输送带张力保持在一定的范围内，张力监控系统在输送带张力接近设定的上下限时，应能快速响应，启动张紧装置上的绞车，放出或收回钢丝绳，保证连续输送机在跟随TBM掘进延伸时输送带张力处于稳定状态。
3.3 快速收放带技术
连续输送机随着TBM向前掘进而不断延伸，储带仓内储存的输送带不断放出，需要周期性地接入新的输送带。TBM在完成施工任务后，连续输送机需转场或拆除。TBM施工过程中如何快速、高效地收卷和放出胶带卷，使胶带成卷并整齐排放，安装与取下操作方便，已经成为TBM施工的一个重要研究课题。
3.4 安全延伸安装技术
随着TBM不断向前掘进，需在连续输送机尾部前端加装机身以实现输送机的同步延伸。在连续输送机正常运行的情况下，加装机身时必须确保操作人员的安全，因此，需设置专门安装输送机机身的安全窗口，保证安装作业人员的安全，确保TBM掘进不受机身安装的影响。
3.5 控制保护技术
与TBM施工配套的连续输送机采用PLC控制系统控制驱动系统启动和停止，PLC控制系统还可控制输送机的运行速度并监控输送机正常运行时的张紧力。PLC控制系统应与TBM控制系统和地面调度监控系统相连。操作人员可在TBM司机室内发出指令控制连续输送机的运行状态，地面调度监控人员可以实时了解连续输送机的运行状态。
连续输送机要布置可靠的拉绳、防跑偏等保护开关，沿线布置监视器。输送机运行出现故障时，应能发出报警或停机信号。
神华集团神东煤炭分公司补连塔煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗，煤炭总资源储量超过200亿t，是目前世界第一大单井井工矿井。
补连塔煤矿2号副井长达2 733 m，存在距离长、连续下坡、上穿下跨既有巷道、掘进泥质砂岩、多次穿越煤层及高压富水等情况。对带式输送机的储带仓技术、张紧技术、快速收放带技术和控制技术等均有很高的要求。如果按照传统的煤矿斜井建井工法，工程月进尺仅约70～100 m。而采用TBM掘进结合连续输送机出渣的施工方式，仅6个月便完成2 733 m斜井的掘进,创下最高月进尺639 m的世界纪录，其掘进速度是传统施工方式的4～5倍。
如果煤层埋深加大，斜井长度就更长， TBM掘进结合连续输送机出渣的施工方式的优势会更明显。同时，由于TBM掘进同步实施管片衬砌，成井质量高，设计寿命可达70 a，矿井后期的运营及维护成本较传统工法成型的斜井下降50%以上。
补连塔煤矿2号副井是我国第一座采用TBM施工的煤矿斜井，这标志着我国矿用斜井设计施工与装备技术达到世界先进水平。TBM掘进结合连续输送机出渣的施工方式具有运距长、运量大、速度快、无污染、安全可靠、施工质量高等特点，能够满足斜井快速施工的要求，已经成为斜井出渣运输系统的首选，对缩短煤矿建设周期有重要价值。可以预见，随着我国深层煤炭资源的开发及大型煤炭基地的建设，今后将不断出现煤矿长距离斜井的开拓形式，采用连续输送机快速连续出渣将成为以TBM施工方式修建煤矿长距离斜井的重要技术保证，其应用必将大大提升煤炭行业建井专业化、标准化、信息化水平，有力推动煤矿建井技术升级。
参考文献：
[1] 何川.盾构/TBM施工煤矿长距离斜井的技术挑战与展望[J].隧道建设,2014,34(4):287-297.
[2] 谢和平,钱鸣高,彭苏萍,等.煤炭科学产能及发展战略初探[J].中国工程科学,2011,13(6):44-50.
[3] 黄忠,李瑞峰.“十二五”期间我国煤炭供需分析与预测[J].中国煤炭,2010,36(8):27-29.
[4] 于洪涛,王文勇.浅谈未来10年我国煤炭工业的发展趋势[J].采矿技术,2010,10(4):144-146.
[5] 程桦,荣传新,曹广勇,等.煤矿长距离斜井TBM施工的关键技术问题与思考[C]//2012年全国矿山建设学术会议,广州,2012.
[6] 唐志林,曲长海,陈铁仁.大伙房水库输水工程隧洞连续皮带机出渣技术[J].水利水电技术,2006,37(3):34-35.
[7] 王园.盾构排渣TBM连续皮带机[J].中国新技术新产品,2015(4):80.
[8] 邢海龙.带式输送机一体化控制装置研制[J].工矿自动化,2013,39(2):102-103.
[9] 王恒,侯友夫.可伸缩带式输送机液压收放带装置的改进与应用[J].液压与气动,2012,12(7):112-114.
[10] 赵亚军,谢晓铭,孙德宁,等.液压张紧卷带装置在唐公塔煤矿的应用[J].工矿自动化,2011,37(11):100-102.
[11] 马红霞,陈容.浅谈带式输送机的现状与发展趋势[J].科技创新与应用,2012(1):66.
[12] 韩兵.煤矿斜井隧道连续皮带机出渣系统选型配置[J].施工技术,2016,45(21):107-110.
[13] 乔淑云,李德臣.红庆梁煤矿主斜井带式输送机选型技术研究[J].中国煤炭,2014,40(12):75-78.
Research on technology of continuous conveyor used with matching tunnel boring machine in long-distance inclined shafts
JIN Ya， ZHU Liping， HUANG Yangzhu
(China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)
Abstract：In view of problems of traditional construction method for long-distance inclined shafts development which uses drilling and blasting method or freezing method combined with rail or trackless vehicles for slag-out, that it needs many equipments, has high requirement for scheduling and transportation management and low slag-out efficiency, superiority of the construction method using tunnel boring machine for excavation with continuous conveyor for slag out was analyzed. Structure of continuous conveyor was introduced. The key technologies need to improve were pointed out, including large capacity belt storage technology, intelligent conveyor belt tensioning technology, fast belt take-up or retracting technology, safe extension installation technology, control and protection technology, etc. The practical application of Bulianta Coal Mine shows that excavation speed of the construction method using tunnel boring machine for excavation with continuous conveyor for slag-out is 4-5 times of that of traditional construction mode, which can meet the requirements of rapid construction of long distance inclined coal mine.
Key words：inclined shaft; tunnel boring machine; continuous conveyor; slag-out
文章编号：1671-251X(2017)05-0065-04
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.05.016
收稿日期：2016-12-30；
修回日期：2017-03-23；责任编辑：胡娴。
基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA06A408)。
作者简介：金娅(1992-)，女，浙江义乌人，硕士研究生，主要研究方向为机械设计理论,E-mail：819168900@qq.com。
中图分类号：TD551
文献标志码：A
网络出版：时间：2017-04-25 18:18
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170425.1818.016.html
金娅，朱立平，黄扬烛.长距离斜井盾构后配套连续输送机技术研究[J].工矿自动化，2017,43(5)：65-68.