井下涌水大、沖擊地壓強、煤層易自燃等“七毒俱全”礦井，如何安全開采？從一年虧損約7.5億元到第4盈利大戶，這是如何實現(xiàn)的？從掘進速度“卡脖子”，到效率提高3倍以上，這是什么情況？從幾次面臨的“關(guān)井”，到制定行業(yè)標準，這些難題的破解、這些巨變是如何實現(xiàn)，現(xiàn)在只需到山東能源西北礦業(yè)正通煤業(yè)井下看看他們使用的煤礦TBM，答案自然揭曉。這背后又有哪些故事？
跨界思維，以科技對付“七毒”
（西北礦業(yè)正通煤業(yè)礦井全貌）
“正通井田面積有219平方公里，面積大、范圍廣，但由于埋藏深，受多災(zāi)害疊加影響，開采難度大。”該公司黨委副書記、總經(jīng)理張金魁介紹。礦井自建立以來，面臨著井下涌水量大、沖擊地壓、煤層易自燃、高地溫、硫化氫等多種自然災(zāi)害疊加，被稱為“七毒俱全”的礦井，生產(chǎn)與發(fā)展受到嚴重制約。好幾次“關(guān)井”的議提，被提上了日程。
該公司所采煤層主采4煤層，可采區(qū)平均煤厚9.43米，層埋深在800～1000米之間，為強沖擊傾向性煤層，地質(zhì)條件復雜，根據(jù)資源賦存情況，目前主要集中在西區(qū)開采。
“沖擊地壓的發(fā)生就像裝在煤層中有火藥突然被引爆一樣，巷道瞬間擠壓變形，支架折損，片幫冒頂，傷及人員，具有突發(fā)性、破壞性、復雜性等等特點?！痹摴靖笨偣こ處熕问靠到榻B。目前該公司沖擊地壓顯現(xiàn)多集中在煤巷，給安全生產(chǎn)帶來很大制約。
災(zāi)害面前，正通人迎難而上，在深入探索研究沖擊地壓制災(zāi)機理及防控技術(shù)的同時，將優(yōu)化巷道布置作為預防沖擊地壓有效手段之一。
“我們總結(jié)之前將巷道布置早煤巷受到?jīng)_擊地壓的影響這一教訓，優(yōu)化巷道布置方式，采用垂直大巷單翼方式布置工作面工藝，將西區(qū)4條開拓大巷均布置在巖巷中，各盤區(qū)和工作面依次順序布置，有效避免沖擊地壓帶來的影響?！睆埥鹂蚬P者詳細介紹為避免沖擊地壓影響該公司在優(yōu)化布局所采取的舉措。
雖然沖擊地壓有效避免，但受限于公司開采深度大、侏羅紀巖層堅硬，開拓大巷工作量大，且復雜的現(xiàn)場環(huán)境和疊加的自然災(zāi)害，礦井巖巷掘進速度遠遠不能滿足開拓需求，如果不能及時向前延伸，那么所有的采掘活動都將無法順利展開，將會嚴重制約礦井正常生產(chǎn)接續(xù)。
（首臺TBM順利下線）
高效掘進迫在眉睫，對比國內(nèi)各類高效掘進設(shè)備，該公司下定決心加大科技裝備投入防治災(zāi)害。國內(nèi)先例不多，怎么辦？他們打破常規(guī)，跨界思維，放眼煤炭行業(yè)以外領(lǐng)域，經(jīng)過系統(tǒng)分析研究，2017年初，大膽提出“探索地下淺層隧道盾構(gòu)工藝引用地下深層巷道掘進技術(shù)可行性”研究，將常用于隧道、地鐵施工的盾構(gòu)機技術(shù)引進到千米井下。
石破天驚的想法一提出，該公司立即成立了專項小組，全面了解，多方調(diào)研和實地考察。最終確定采用TBM施工工藝，實現(xiàn)快速掘進，解決采掘活動集中、開拓工程量大等不利因素影響，打開礦井產(chǎn)能釋放束縛，進一步保障工作面頭面及老空區(qū)防沖安全距離，確保礦井安全高效生產(chǎn)正常。
跑出安全高效掘進3倍的“加速度”
“工欲善其事，必先利其器?！盩BM設(shè)備集機、電、液、傳感、信息等技術(shù)于一體，能夠同時完成破巖、支護、出渣等多項作業(yè)，由于作業(yè)時對圍巖擾動小，可以有效控制巷道成型，與常用的掘進設(shè)備相比，具有施工安全性好、掘進速度快、成巷質(zhì)量高、除塵效果好等優(yōu)點。
（BM設(shè)備部件準備下井進行安裝）
然而首次應(yīng)用，沒有任何經(jīng)驗的情況下，正通煤業(yè)干部職工們在學習中提升，在克服困難中總結(jié)經(jīng)驗。要想保障設(shè)備安全生產(chǎn)，必須隨時解決現(xiàn)場所遇到的各類問題。
“剛開始，我們也是摸著石頭過河，現(xiàn)場遇到的各類困難也成了我們更好學習提升的見證?！痹摴綯BM辦公室主任崔國剛說。為了保障TBM設(shè)備生產(chǎn)順利，他們專門成立了TBM技術(shù)攻關(guān)小組，針對現(xiàn)場各類施工難題，將困難變課題，全力展開技術(shù)攻關(guān)，在不斷的實踐中優(yōu)化完善。
針對頂板破碎，通過改造設(shè)備平臺，護盾后部增加人工鉆，縮小錨桿支護間排距、頂板掛網(wǎng)提高支護質(zhì)量，安裝專門的清渣皮帶，轉(zhuǎn)運落渣等措施，成功解決了這一問題；針對泥巖堵塞刀盤，通過采用刀盤背部噴霧，降低粉塵及刀盤溫度，避免水量過大泥巖堵塞刀盤。問題一一得到了破解，也使設(shè)備在現(xiàn)場效能得到充分發(fā)揮。
“應(yīng)用TBM在圍巖穩(wěn)定情況下，不會出現(xiàn)巷道超欠挖情況，巷道成型更容易把控，用料更省，錨桿（索）施工一條線，線纜管路吊掛一條線，皮帶敷設(shè)一條線等‘十條線’更標準。”該公司副總經(jīng)理、總工程師侯濤介紹。另外，圓形巷道受力更加穩(wěn)定均勻，巷道破壞減少。
對比目前國內(nèi)先進的綜掘技術(shù)，TBM實現(xiàn)了迎頭的全封閉，杜絕迎頭片幫和人員靠近掘進機截割部帶來的安全風險，掘進期間粉塵大幅減少，作業(yè)環(huán)境明顯改善。與鉆爆法相比，不再使用火工品，減少了作業(yè)環(huán)節(jié)，杜絕了爆破事故的發(fā)生。
（首臺TBM設(shè)備在井下安裝）
據(jù)了解，該公司首臺TBM自2020年9月18日試掘進以來累計完成進尺5084米，最高日進尺18.2米，最高月進尺377米。第二臺TBM 在四盤區(qū)并聯(lián)泄水巷掘進巷道2090米，最高日進尺21.3米，最高月進尺401米，平均348米/月。第三臺TBM在西區(qū)1#回風大巷施工，平掘日進尺保持在12米。在相同的條件下，與傳統(tǒng)鉆爆法施工工藝相比，掘進速度提高5倍左右，與全巖綜掘工藝相比提高了3倍，機械自動化水平得到了進一步提升，大大提高了勞動效率，施工單價降低近40%。
此外，該公司還充分發(fā)揮TBM掘進速度快、成巷質(zhì)量高等優(yōu)勢，用于四盤區(qū)并聯(lián)泄水巷施工，保證工作面排水系統(tǒng)安全，為安全高效生產(chǎn)提供有力保障。
創(chuàng)效8.5億，掘進職工減員近3成
“設(shè)備狀況良好，連續(xù)皮帶機已啟動，準備開機……”9月12日，正通煤業(yè)公司西區(qū)1#回風大巷，今年5月中旬投入生產(chǎn)的第三臺TBM，操作人員現(xiàn)場安全確認后，發(fā)出了開機指令。
在設(shè)備轉(zhuǎn)動的轟鳴中，迎頭支護班組人員在跟班隊長化世龍及班長聶擁軍的指揮下，從頂幫分區(qū)支護、安設(shè)單軌吊梁、安裝皮帶架等崗位，按照施工工序組織生產(chǎn)，現(xiàn)場管理人員有序安排，各崗位職工的熟練操作與默契配合。
（職工對設(shè)備主泵站運行情況進行巡檢）
“2021年7月份，我們優(yōu)選專業(yè)力量，組建成立TBM隊，負責新引進的TBM掘進作業(yè)。”該公司人力資源部部長李明介紹。TBM設(shè)備引進之前，該公司最多時有7支掘進隊伍，隊伍多、職工素質(zhì)參差不齊，加上礦井復雜的現(xiàn)場環(huán)境影響，人員流動大，給隊伍管理帶來難度，掘進隊伍施工效率整體偏低。
2020年首臺TBM在現(xiàn)場成功投運后，該公司擇優(yōu)選擇適應(yīng)能力強、業(yè)務(wù)技能過硬等綜合素質(zhì)高的職工進入TBM隊伍，確?？焖龠m應(yīng)新設(shè)備，學習掌握新技術(shù)，在高效掘進中樹立標桿。
該公司今年4月份，隨著TBM設(shè)備增加，該公司將原來的普掘隊伍與原有的TBM隊伍進行合并，組建TBM一隊，進一步培養(yǎng)高素質(zhì)、高技能 TBM 人才和隊伍，適應(yīng)礦井長遠發(fā)展需要。目前該公司掘進隊伍優(yōu)化后，保留4支掘進隊伍，與之前相比，職工人數(shù)下降27%。
“真的很榮幸能夠加入TBM一隊，不僅能接觸新設(shè)備，掌握新技能，我們的待遇相比之前也提升了一千多元，心里特別滿足?！苯衲陱钠站蚨犨M入TBM一隊的職工劉興旺介紹。
TBM設(shè)備的應(yīng)用，改善了作業(yè)環(huán)境，降低了職工勞動強度，安全高效生產(chǎn)也是職工待遇得到了提高，在這樣的隊伍職工們都干勁十足。
（第3臺TBM現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境）
先進設(shè)備應(yīng)用讓生產(chǎn)組織進一步優(yōu)化，促進了生產(chǎn)質(zhì)量和效率的提升，也給企業(yè)帶來了效益。
“從排定的礦井生產(chǎn)接續(xù)情況來看，如果采用普通綜掘工藝，正通煤業(yè)公司將在四五盤區(qū)間工作面接續(xù)時出現(xiàn)長達1年的單面生產(chǎn)情況，屆時礦井將減產(chǎn)150萬噸左右?！睆埥鹂榻B，“如果采用該設(shè)備，將加快與西區(qū)風井貫通，提前實現(xiàn)礦井盤區(qū)分區(qū)式通分，從而具備雙面生產(chǎn)條件，使工作面產(chǎn)能進一步釋放，可增加煤炭生產(chǎn)約150萬噸，結(jié)合當前煤炭市場價格分析，可間接為公司帶來8.5億元的經(jīng)濟效益。”
研究制定TBM煤礦行業(yè)標準
一流的企業(yè)做標準，二流的企業(yè)做品牌，三流的企業(yè)做產(chǎn)品。
一路走來，正通煤業(yè)TBM歷經(jīng)2次設(shè)計改進和優(yōu)化，為煤礦行業(yè)TBM設(shè)備應(yīng)用提供了重要的借鑒意義。
（首臺設(shè)備后配套系統(tǒng)）
“我們結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件和實際情況從設(shè)備結(jié)構(gòu)、支護系統(tǒng)、后配套系統(tǒng)等方面進行重新設(shè)計和優(yōu)化?！痹摴军h委書記、執(zhí)行董事王海賓介紹。從第一代設(shè)備完全按照隧道工程模式設(shè)計，在使用過程中該公司結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件和實際情況不斷探索，進行優(yōu)化。
他們縮短設(shè)備長度，提高設(shè)備靈活性，對刀盤進行優(yōu)化，實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)掘進和收矸功能，刀盤還可根據(jù)巖石層理結(jié)構(gòu)，調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)動方向，保證巷道成型。加強支護系統(tǒng)和后配套設(shè)施優(yōu)化，增加支護空間和液壓指形護盾，提高了支護效率和保證頂板安全，同時實現(xiàn)了物料配送直接配送到現(xiàn)場，降低勞動強度的同時保證現(xiàn)場物料周轉(zhuǎn)及時。
（優(yōu)化后的設(shè)備，減小了長度和體積）
數(shù)臺TBM在正通的成功應(yīng)用，在業(yè)界產(chǎn)生了很好地引領(lǐng)示范作用?！八淼罊C還能這么玩！”，該公司也先后受邀參加了中國煤炭建設(shè)協(xié)會專題會議并作匯報，亮相陜西省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)博覽會，先后榮獲“山東省煤炭行業(yè)管理創(chuàng)新一等獎”“煤炭行業(yè)兩化深度融合優(yōu)秀項目”“中國煤炭工業(yè)行業(yè)標桿案例”等多項榮譽，并從施工工藝、設(shè)備安裝、安全管理三個方面與中國煤炭工業(yè)協(xié)會研究制定TBM煤礦行業(yè)標準。
今年5～8月份，山東能源現(xiàn)場跟班寫實活動在正通煤業(yè)公司開展，來自山東能源24家兄弟單位先后圍繞TBM設(shè)備在煤礦高效掘進及改造，通過交流座談，現(xiàn)場寫實了解等方式，進一步為兄弟單位礦井在巖巷高效掘進的實現(xiàn)提供借鑒，引領(lǐng)示范作用不斷放大。
目前該公司正加快第四臺TBM設(shè)備的引進工作，研究探索單軌吊懸掛式后配套設(shè)備，托舉式裝配方式，縮短設(shè)備長度、減小組裝硐室尺寸和長度，縮短安撤時間，用于短距離巷道掘進施工，提高設(shè)備利用率，持續(xù)探索TBM高效掘進工藝，創(chuàng)新成果、不斷推廣。
（TBM設(shè)備正在生產(chǎn)車間進行改造優(yōu)化）
放眼智能化礦井建設(shè)與發(fā)展，TBM設(shè)備也勢必向自動化與智能化方向轉(zhuǎn)變，從現(xiàn)場操作向遠程操控轉(zhuǎn)變，從人工識別向大數(shù)據(jù)智能鑒別轉(zhuǎn)變，這也將對智能化高效掘進提出了更高的要求。不斷創(chuàng)新的TBM應(yīng)用，讓正通煤業(yè)嘗到了實實在在的甜頭，從一年虧損約7.5個億，到成為西北礦業(yè)第4盈利大戶。正通煤業(yè)憑借煤礦TBM這一黑科技，不僅改變了自己的命運，也破解了安全高效掘進等行業(yè)面臨的共同難題，正在引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。
“我們將嚴格按照黨委書記、董事長李偉關(guān)于TBM快速掘進作業(yè)線建設(shè)部署要求，圍繞實現(xiàn)液壓錨桿機自動控制和TBM整機一鍵啟動目標，持續(xù)探索，著力形成具有‘智能程度高、施工速度快、用工結(jié)構(gòu)精、工程質(zhì)量優(yōu)、經(jīng)濟效益好’的正通特色TBM掘進施工體系?！蓖鹾Ｙe介紹，全力實現(xiàn)TBM在礦井的模塊化、流程化、專業(yè)化應(yīng)用，爭做山東能源智能化高效掘進“排頭兵”“示范者”，為建設(shè)現(xiàn)代化一流礦井而不懈奮斗，奮力譜寫高質(zhì)量發(fā)展新篇章。
