山东能源西北矿业：TBM让矿井涅槃重生 一项“黑科技”改革矿井“命运”
中国经济导报、中国发展网 薛锐、长孙佳迪、弋永杰、记者高杨报道 井下涌水大、冲击地压强、煤层易自燃等“七毒俱全”矿井，如何安全开采？从一年亏损约7.5亿元到第4盈利大户，这是如何实现的？从掘进速度“卡脖子”，到效率提高3倍以上，这是什么情况？从几次面临的“关井”，到制定行业标准，这些难题的破解、这些巨变是如何实现，现在只需到山东能源西北矿业正通煤业井下看看他们使用的煤矿TBM，答案自然揭晓。这背后又有哪些故事？
跨界思维，以科技对付“七毒”
“正通井田面积有219平方公里，面积大、范围广，但由于埋藏深，受多灾害叠加影响，开采难度大。”该公司党委副书记、总经理张金魁介绍。矿井自建立以来，矿井面临着井下涌水量大、冲击地压、煤层易自燃、高地温、硫化氢等多种自然灾害叠加，被称为“七毒俱全”的矿井，生产与发展受到严重制约。好几次“关井”的议提，被提上了日程。
该公司所采煤层主采4煤层，可采区平均煤厚9.43米，层埋深在800～1000米之间，为强冲击倾向性煤层，地质条件复杂，根据资源赋存情况，目前主要集中在西区开采。
“冲击地压的发生就像装在煤层中有火药突然被引爆一样，巷道瞬间挤压变形，支架折损，片帮冒顶，伤及人员，具有突发性、破坏性、复杂性等等特点。”该公司副总工程师宋士康介绍。目前该公司冲击地压显现多集中在煤巷，给安全生产带来很大制约。
灾害面前，正通人迎难而上，在深入探索研究冲击地压制灾机理及防控技术的同时，将优化巷道布置作为预防冲击地压有效手段之一。
“我们总结之前将巷道布置早煤巷受到冲击地压的影响这一教训，优化巷道布置方式，采用垂直大巷单翼方式布置工作面工艺，将西区4条开拓大巷均布置在岩巷中，各盘区和工作面依次顺序布置，有效避免冲击地压带来的影响。”张金魁向笔者详细介绍为避免冲击地压影响该公司在优化布局所采取的举措。
虽然冲击地压有效避免，但受限于公司开采深度大、侏罗纪岩层坚硬，开拓大巷工作量大，且复杂的现场环境和叠加的自然灾害，矿井岩巷掘进速度远远不能满足开拓需求，如果不能及时向前延伸，那么所有的采掘活动都将无法顺利展开，将会严重制约矿井正常生产接续。
高效掘进迫在眉睫，对比国内各类高效掘进设备，该公司下定决心加大科技装备投入防治灾害。国内先例不多，怎么办？他们打破常规，跨界思维，放眼煤炭行业以外领域，经过系统分析研究，2017年初，大胆提出“探索地下浅层隧道盾构工艺引用地下深层巷道掘进技术可行性”研究，将常用于隧道、地铁施工的盾构机技术引进到千米井下。
石破天惊的想法一提出，该公司立即成立了专项小组，全面了解，多方调研和实地考察。最终确定采用TBM施工工艺，实现快速掘进，解决采掘活动集中、开拓工程量大等不利因素影响，打开矿井产能释放束缚，进一步保障工作面头面及老空区防冲安全距离，确保矿井安全高效生产正常。
跑出安全高效掘进3倍的“加速度”
“工欲善其事，必先利其器。”TBM设备集机、电、液、传感、信息等技术于一体，能够同时完成破岩、支护、出渣等多项作业，由于作业时对围岩扰动小，可以有效控制巷道成型，与常用的掘进设备相比，具有施工安全性好、掘进速度快、成巷质量高、除尘效果好等优点。
然而首次应用，没有任何经验的情况下，正通煤业干部职工们在学习中提升，在克服困难中总结经验。要想保障设备安全生产，必须随时解决现场所遇到的各类问题。
“刚开始，我们也是摸着石头过河，现场遇到的各类困难也成了我们更好学习提升的见证。”该公司TBM办公室主任崔国刚说。为了保障TBM设备生产顺利，他们专门成立了TBM技术攻关小组，针对现场各类施工难题，将困难变课题，全力展开技术攻关，在不断的实践中优化完善。
针对顶板破碎，通过改造设备平台，护盾后部增加人工钻，缩小锚杆支护间排距、顶板挂网提高支护质量，安装专门的清渣皮带，转运落渣等措施，成功解决了这一问题；针对泥岩堵塞刀盘，通过采用刀盘背部喷雾，降低粉尘及刀盘温度，避免水量过大泥岩堵塞刀盘。问题一一得到了破解，也使设备在现场效能得到充分发挥。
“应用TBM在围岩稳定情况下，不会出现巷道超欠挖情况，巷道成型更容易把控，用料更省，锚杆（索）施工一条线，线缆管路吊挂一条线，皮带敷设一条线等‘十条线’更标准。”该公司副总经理、总工程师侯涛介绍。另外，圆形巷道受力更加稳定均匀，巷道破坏减少。
对比目前国内先进的综掘技术，TBM实现了迎头的全封闭，杜绝迎头片帮和人员靠近掘进机截割部带来的安全风险，掘进期间粉尘大幅减少，作业环境明显改善。与钻爆法相比，不再使用火工品，减少了作业环节，杜绝了爆破事故的发生。
据了解，该公司首台TBM自2020年9月18日试掘进以来累计完成进尺5084米，最高日进尺18.2米，最高月进尺377米。第二台TBM 在四盘区并联泄水巷掘进巷道2090米，最高日进尺21.3米，最高月进尺401米，平均348米/月。第三台TBM在西区1#回风大巷施工，平掘日进尺保持在12米。在相同的条件下，与传统钻爆法施工工艺相比，掘进速度提高5倍左右，与全岩综掘工艺相比提高了3倍，机械自动化水平得到了进一步提升，大大提高了劳动效率，施工单价降低近40%。
此外，该公司还充分发挥TBM掘进速度快、成巷质量高等优势，用于四盘区并联泄水巷施工，保证工作面排水系统安全，为安全高效生产提供有力保障。
创效8.5亿，掘进职工减员近3成
“设备状况良好，连续皮带机已启动，准备开机……”9月12日，正通煤业公司西区1#回风大巷，今年5月中旬投入生产的第三台TBM，操作人员现场安全确认后，发出了开机指令。
在设备转动的轰鸣中，迎头支护班组人员在跟班队长化世龙及班长聂拥军的指挥下，从顶帮分区支护、安设单轨吊梁、安装皮带架等岗位，按照施工工序组织生产，现场管理人员有序安排，各岗位职工的熟练操作与默契配合。
“2021年7月份，我们优选专业力量，组建成立TBM队，负责新引进的TBM掘进作业。”该公司人力资源部部长李明介绍。TBM设备引进之前，该公司最多时有7支掘进队伍，队伍多、职工素质参差不齐，加上矿井复杂的现场环境影响，人员流动大，给队伍管理带来难度，掘进队伍施工效率整体偏低。
2020年首台TBM在现场成功投运后，该公司择优选择适应能力强、业务技能过硬等综合素质高的职工进入TBM队伍，确保快速适应新设备，学习掌握新技术，在高效掘进中树立标杆。
该公司今年4月份，随着TBM设备增加，该公司将原来的普掘队伍与原有的TBM队伍进行合并，组建TBM一队，进一步培养高素质、高技能 TBM 人才和队伍，适应矿井长远发展需要。目前该公司掘进队伍优化后，保留4支掘进队伍，与之前相比，职工人数下降27%。
“真的很荣幸能够加入TBM一队，不仅能接触新设备，掌握新技能，我们的待遇相比之前也提升了一千多元，心里特别满足。”今年从普掘二队进入TBM一队的职工刘兴旺介绍。
TBM设备的应用，改善了作业环境，降低了职工劳动强度，安全高效生产也是职工待遇得到了提高，在这样的队伍职工们都干劲十足。
先进设备应用让生产组织进一步优化，促进了生产质量和效率的提升，也给企业带来了效益。
“从排定的矿井生产接续情况来看，如果采用普通综掘工艺，正通煤业公司将在四五盘区间工作面接续时出现长达1年的单面生产情况，届时矿井将减产150万吨左右。”张金魁介绍，“如果采用该设备，将加快与西区风井贯通，提前实现矿井盘区分区式通分，从而具备双面生产条件，使工作面产能进一步释放，可增加煤炭生产约150万吨，结合当前煤炭市场价格分析，可间接为公司带来8.5亿元的经济效益。”
研究制定TBM煤矿行业标准
一流的企业做标准，二流的企业做品牌，三流的企业做产品。
一路走来，正通煤业TBM历经2次设计改进和优化，为煤矿行业TBM设备应用提供了重要的借鉴意义。
“我们结合现场地质条件和实际情况从设备结构、支护系统、后配套系统等方面进行重新设计和优化。”该公司党委书记、执行董事王海宾介绍。从第一代设备完全按照隧道工程模式设计，在使用过程中该公司结合现场地质条件和实际情况不断探索，进行优化。
他们缩短设备长度，提高设备灵活性，对刀盘进行优化，实现正反转掘进和收矸功能，刀盘还可根据岩石层理结构，调整刀盘转动方向，保证巷道成型。加强支护系统和后配套设施优化，增加支护空间和液压指形护盾，提高了支护效率和保证顶板安全，同时实现了物料配送直接配送到现场，降低劳动强度的同时保证现场物料周转及时。
数台TBM在正通的成功应用，在业界产生了很好地引领示范作用。“隧道机还能这么玩！”，该公司也先后受邀参加了中国煤炭建设协会专题会议并作汇报，亮相陕西省创新创业博览会，先后荣获“山东省煤炭行业管理创新一等奖”“煤炭行业两化深度融合优秀项目”“中国煤炭工业行业标杆案例”等多项荣誉，并从施工工艺、设备安装、安全管理三个方面与中国煤炭工业协会研究制定TBM煤矿行业标准。
今年5～8月份，能源集团现场跟班写实活动在正通煤业公司开展，来自能源集团24家兄弟单位先后围绕TBM设备在煤矿高效掘进及改造，通过交流座谈，现场写实了解等方式，进一步为兄弟单位矿井在岩巷高效掘进的实现提供借鉴，引领示范作用不断放大。
目前该公司正加快第四台TBM设备的引进工作，研究探索单轨吊悬挂式后配套设备，托举式装配方式，缩短设备长度、减小组装硐室尺寸和长度，缩短安撤时间，用于短距离巷道掘进施工，提高设备利用率，持续探索TBM高效掘进工艺，创新成果、不断推广。
放眼智能化矿井建设与发展，TBM设备也势必向自动化与智能化方向转变，从现场操作向远程操控转变，从人工识别向大数据智能鉴别转变，这也将对智能化高效掘进提出了更高的要求。不断创新的TBM应用，让正通煤业尝到了实实在在的甜头，从一年亏损约7.5个亿，到成为西北矿业第4盈利大户。正通煤业凭借煤矿TBM这一黑科技，不仅改变了自己的命运，也破解了安全高效掘进等行业面临的共同难题，正在引领行业发展。
“我们将严格按照李伟董事长关于TBM快速掘进作业线建设部署要求，围绕实现液压锚杆机自动控制和TBM整机一键启动目标，持续探索，着力形成具有‘智能程度高、施工速度快、用工结构精、工程质量优、经济效益好’的正通特色TBM掘进施工体系。”王海宾介绍，全力实现TBM在矿井的模块化、流程化、专业化应用，争做山东能源智能化高效掘进“排头兵”“示范者”，为建设现代化一流矿井而不懈奋斗，奋力谱写高质量发展新篇章。
