全斷面豎井掘進(jìn)機研制及關(guān)鍵系統(tǒng)試驗

鄭康泰, 賈連輝, 牛夢杰, 呂 旦, 肖 威， 王曉龍

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著淺層資源的枯竭，深部資源開采、地下空間開發(fā)成為我國“十四五”以來的重要探索方向。豎井是通向地下空間的咽喉，主要用于人員、設(shè)備和物料的運輸，同時也承擔(dān)著通風(fēng)功能[1]。

目前國內(nèi)外豎井建設(shè)主要有礦山法和機械法2種，深豎井施工主要以礦山法為主[2]。礦山法施工存在著較大的安全風(fēng)險，作業(yè)人員需在井下、井上來回作業(yè)，勞動強度大，作業(yè)環(huán)境惡劣。機械法施工的裝備種類較多，采用正向施工的有氣舉反循環(huán)鉆機、沉井掘進(jìn)機和豎井掘進(jìn)機。

國內(nèi)外氣舉反循環(huán)鉆機技術(shù)研究相對成熟[3]，并成功應(yīng)用于多個豎井施工項目，但隨著井筒深度的增加，施工效率大幅降低，需要大量的鉆桿才能滿足掘進(jìn)需求，使得施工成本急劇上升。在國際市場上，海瑞克先后研發(fā)了SBR截削式豎井掘進(jìn)機和VSM下沉式豎井掘進(jìn)機。SBR成功應(yīng)用在加拿大和白俄羅斯鉀鹽礦豎井建設(shè)中，但SBR在施工中需要提前冷凍，施工成本昂貴； VSM成功應(yīng)用于多項豎井施工中[4]，但只適用于百米以內(nèi)的豎井施工，且不適用于硬巖地層[5]。另外，海瑞克還提出2種全斷面豎井掘進(jìn)機設(shè)計理念，但到目前為止均未實現(xiàn)應(yīng)用。國內(nèi)關(guān)于豎井機械施工的設(shè)備研究也在同步進(jìn)行，煤炭科學(xué)研究總院研制了國內(nèi)首臺下排渣式豎井掘進(jìn)機，并成功應(yīng)用在云南以禮河四級電站復(fù)建工程的豎井建設(shè)中，但這種設(shè)備與反井鉆機類似，目前只適用于有先導(dǎo)孔和地下通道的豎井施工[6]。

本文借鑒成熟的隧道掘進(jìn)機技術(shù)和礦山法豎井施工工藝進(jìn)行全斷面豎井掘進(jìn)機的研制，實現(xiàn)豎井機械化、自動化施工，減少井下作業(yè)人員，降低施工風(fēng)險，在掘進(jìn)過程中無需對周圍地層進(jìn)行冷凍，可以適用于軟巖、硬巖等多種地層。

1 豎井掘進(jìn)機鑿井工藝

隨著地下空間的不斷開發(fā)，隧道施工已經(jīng)形成了一套集開挖、出渣和支護(hù)平行作業(yè)的機械化設(shè)備，且適應(yīng)性不斷增強，施工效率和安全性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的礦山法施工[7]。

本文研制的豎井掘進(jìn)機借鑒隧道施工設(shè)備，應(yīng)用成熟的全斷面刀盤開挖系統(tǒng)，并結(jié)合豎井施工工藝設(shè)計了一套新型的排渣系統(tǒng)和支護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)掘進(jìn)和支護(hù)同步作業(yè)，大幅度減少井下作業(yè)人員。其整體結(jié)構(gòu)見圖1，主要適用于礦山豎井、隧道通風(fēng)井、水電工程和國防工程的建設(shè)。

(a) (b)

該豎井掘進(jìn)機有分體始發(fā)和整體始發(fā)2種始發(fā)掘進(jìn)形式。具體施工流程如下：

1)分體始發(fā)需要的始發(fā)井淺，主機在井下組裝，組裝完成后開始掘進(jìn)，待主機掘進(jìn)到一定深度，開始下放吊盤結(jié)構(gòu)，最后組裝地面井架和穩(wěn)絞系統(tǒng)。

2)整體始發(fā)時井筒深度需要滿足主機和吊盤整體下井要求，設(shè)備入井后，安裝井筒鎖口、通風(fēng)系統(tǒng)及相應(yīng)的管路系統(tǒng)。支護(hù)作業(yè)在吊盤上進(jìn)行，主要以錨網(wǎng)噴為主，當(dāng)掘進(jìn)機掘進(jìn)到設(shè)計深度后，進(jìn)行井下拆機，首先是吊盤出井，最后拆除主機，所有部件均通過穩(wěn)車系統(tǒng)吊運出井。

2 豎井掘進(jìn)機技術(shù)參數(shù)

該豎井掘進(jìn)機設(shè)計的開挖直徑為7.83 m，受地面懸吊系統(tǒng)等各種因素影響，掘進(jìn)深度限制在1 000 m以內(nèi)，適用于80～140 MPa巖石強度的地層。采用全斷面滾刀破巖，總推力為10 850 kN。豎井掘進(jìn)機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 豎井掘進(jìn)機主要技術(shù)參數(shù)

3 豎井掘進(jìn)機設(shè)計重難點分析

3.1 刀盤多功能要求

豎井施工不同于隧道施工，其刀盤需要垂直向下開挖，同時刀盤需具有清渣、便于拆裝等多種功能，刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足以上要求時整機才可實現(xiàn)連續(xù)開挖。

3.2 上排渣技術(shù)

在豎井掘進(jìn)機施工中會穿越黃土、泥巖、砂巖和微風(fēng)化巖石等多種地層，而且刀盤垂直向下開挖，開挖面產(chǎn)生的巖渣需要垂直向上清理轉(zhuǎn)運，難以采用隧道掘進(jìn)機的出渣方式，因此，需設(shè)計適用于豎井掘進(jìn)機的新型出渣系統(tǒng)。

3.3 小空間支撐推進(jìn)技術(shù)

支撐推進(jìn)系統(tǒng)主要為設(shè)備提供穩(wěn)定的推進(jìn)力，在設(shè)備施工中起重要作用。傳統(tǒng)的隧道掘進(jìn)設(shè)備支撐推進(jìn)系統(tǒng)一般為中心向外撐緊結(jié)構(gòu)，即支撐油缸作用線均指向隧道的設(shè)計中心線，控制簡單，應(yīng)用成熟；但對于豎井掘進(jìn)機，此支撐推進(jìn)結(jié)構(gòu)會占據(jù)豎井的中心空間，井筒內(nèi)部剩余空間極其狹小，影響物料的運輸。

4 豎井掘進(jìn)機總體方案設(shè)計及系統(tǒng)分析

4.1 總體方案

根據(jù)礦山法豎井施工工藝，結(jié)合隧道掘進(jìn)機施工理念，全斷面豎井掘進(jìn)機需要具有復(fù)雜地層的高效破巖、清渣能力以及小空間組裝、拆卸和施工能力。基于施工安全性和高效性，豎井掘進(jìn)機采用全斷面刀盤破巖，刀盤內(nèi)設(shè)計刮渣裝置將開挖產(chǎn)生的巖渣及時清理，穩(wěn)定支撐裝置負(fù)責(zé)穩(wěn)定刀盤，多機構(gòu)聯(lián)合上排渣系統(tǒng)進(jìn)行出渣作業(yè)[8]，支撐推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)撐緊井壁、提供破巖推力。與隧道掘進(jìn)機換步原理類似，需要在一個掘進(jìn)循環(huán)完成后進(jìn)行換步，開始下一個循環(huán)的掘進(jìn)，換步完成后可對掘進(jìn)完成的井壁進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)[9]。

4.2 破巖系統(tǒng)

豎井刀盤不同于盾構(gòu)、TBM刀盤。針對復(fù)雜地層、小空間組裝的工況，刀盤設(shè)計除應(yīng)具有強大的破巖能力[10]、底部巖渣清理能力和合理的分塊設(shè)計外，還要滿足開挖刀具的安裝、更換要求。同時，需要特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計來保護(hù)清渣裝置，防止中心渣土堆積，造成中心集結(jié)泥餅問題。刀盤整體結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2。

4.2.1 安全間距設(shè)計

豎井開挖的巖渣需要從掌子面垂直轉(zhuǎn)運出來。結(jié)合鏈?zhǔn)介_溝機、鏈斗式挖掘機等相關(guān)技術(shù)，在刀盤內(nèi)設(shè)計2套鏈?zhǔn)焦卧b置，對稱安裝在刀盤內(nèi)部，隨著刀盤的公轉(zhuǎn)和刮渣裝置自轉(zhuǎn)，可以及時將開挖斷面產(chǎn)生的巖渣清理至刀盤中心的集渣筒。由于刮渣裝置不能參與破巖，刮渣時刮板必須高于開挖面，需在滾刀最底面設(shè)置安全距離d，保證滾刀貫入巖石后，刮渣裝置在正常清渣的同時仍與掌子面有足夠的安全余量，如圖3所示。

圖2 刀盤整體結(jié)構(gòu)

圖3 刮渣裝置安全距離設(shè)計

4.2.2 刀具設(shè)計

滾刀布置形式有背裝刀和前裝刀2種。背裝刀常見于盾構(gòu)、TBM刀盤，換刀安全方便，但是受到刀盤主體結(jié)構(gòu)的限制，開口率受限，在掘進(jìn)過程中遇到特殊地層時，無法滿足臨時處理的操作空間。同時，背裝刀的刀高有限，加大了糊刀的概率。因此，豎井掘進(jìn)機滾刀采用前裝刀設(shè)計，通過增加刀高，提高巖渣的流動，減小糊刀率。

基于硬巖TBM刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計規(guī)律，結(jié)合刀盤出渣裝置和地質(zhì)概況，根據(jù)計算整理得該刀盤的滾刀平均刀間距[11]：

(1)

式中：h為滾刀切深，mm；θ為滾刀刃角，rad；Fv為滾刀所受的法向力，N；d為滾刀直徑，mm；σc為巖石單軸抗壓強度，MPa；τ為巖石無側(cè)限抗剪強度，MPa。

結(jié)合實際工程應(yīng)用參數(shù)，通過設(shè)計小刀間距來控制巖渣粒徑，防止刮渣裝置卡渣。

根據(jù)刀間距選取原則和實際情況進(jìn)行布刀。

Z=D/2S。

(2)

式中：Z為滾刀數(shù)量，把；D為刀盤直徑，mm；S為刀間距，mm。

4.2.3 二次破巖結(jié)構(gòu)設(shè)計

刮渣裝置公轉(zhuǎn)方向的前側(cè)設(shè)計破巖錐板，將刀具剝落的大粒徑巖塊或未剝落的孤巖進(jìn)行二次破巖，減小巖塊對刀盤及刮渣裝置的沖擊，如圖4所示。

圖4 二次破巖錐板設(shè)計

4.2.4 滾刀拆裝設(shè)計

刀盤在開挖過程中會造成刀具磨損，在更換刀具時，為方便刀具的拆卸，將滾刀安裝形式設(shè)計為水平卸裝，如圖5所示。刀盤的開口區(qū)域即為作業(yè)空間，拆卸和更換滾刀時只需人工擴(kuò)挖小區(qū)域即可。

(a) 剖視圖 (b) 拆裝圖

4.3 排渣系統(tǒng)設(shè)計

4.3.1 鏈?zhǔn)焦卧b置試驗

豎井刀盤出渣裝置主要是結(jié)合成熟的履帶技術(shù)、鏈?zhǔn)介_溝機和刮板輸送機等技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計豎井掘進(jìn)機出渣裝置試驗臺，如圖6所示。該試驗臺主要由基礎(chǔ)架、滑移架、回轉(zhuǎn)驅(qū)動和刮渣裝置等組成，設(shè)備轉(zhuǎn)速為0～5 r/min，刮板轉(zhuǎn)矩為0～80 kN·m。

通過黃黏土、巖片、卵石等不同巖渣進(jìn)行出渣試驗，如圖7所示。試驗過程中設(shè)備運行正常，各項動作可滿足設(shè)計要求，清渣效果良好，刮渣裝置可將巖渣及時裝入刮板，同時運送至指定位置，試驗中未出現(xiàn)卡滯、異響等特殊情況。試驗結(jié)果驗證了鏈?zhǔn)焦卧b置的可行性，但遇到進(jìn)尺較大、清理大量黏土?xí)r會出現(xiàn)黏結(jié)刮板的現(xiàn)象，因此，需要控制掘進(jìn)機在實際掘進(jìn)過程中的貫入度。

信息化技術(shù)與企業(yè)內(nèi)控管理的融合能夠有效地促進(jìn)企業(yè)的發(fā)展效率，讓企業(yè)在內(nèi)部管理時，構(gòu)建完善的管理系統(tǒng)，通過能夠隨時調(diào)節(jié)的管理模式，讓企業(yè)的管理理念和管理方式能夠打破傳統(tǒng)管理模式的局限，通過先進(jìn)技術(shù)，將企業(yè)發(fā)展的信息統(tǒng)計整合，結(jié)合傳統(tǒng)會計計算和信息處理雙方面的優(yōu)勢部分，實現(xiàn)企業(yè)管理制度化、制度流程化、流程標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)表單化、表單數(shù)據(jù)化，工作效率能夠大大的提升，當(dāng)前企業(yè)大多數(shù)缺乏這樣的發(fā)展創(chuàng)新管理精神，導(dǎo)致很多企業(yè)的局限性和滯后性。

(a) 結(jié)構(gòu)圖 (b) 實物圖

(a) 黃黏土 (b) 巖片

(c) 卵石+土粉 (d) 石塊+黃土

4.3.2 豎井掘進(jìn)機排渣系統(tǒng)設(shè)計

采用單個出渣機構(gòu)難以滿足豎井連續(xù)出渣的要求，易造成開挖面積渣。因此，結(jié)合鏈?zhǔn)焦卧囼炁_相關(guān)技術(shù)，設(shè)計多機構(gòu)聯(lián)合接力出渣系統(tǒng)解決豎井施工中巖渣垂直轉(zhuǎn)運的難題[7]，如圖8所示。開挖斷面的巖渣通過鏈?zhǔn)焦卧b置清理至刀盤中心集渣筒，再通過斗式提升機垂直轉(zhuǎn)運至臨時渣艙，最終通過渣艙閘門的開合將巖渣流入吊桶。通過多個機構(gòu)的配合解決了豎井施工連續(xù)出渣的問題，從而實現(xiàn)掘進(jìn)與出渣同步作業(yè)，提高施工效率。

(a) 刮渣裝置 (b) 垂直提升裝置 (c) 吊桶提升裝置

4.3.3 豎井掘進(jìn)機排渣系統(tǒng)設(shè)計特點

2套鏈?zhǔn)焦卧b置均設(shè)計有驅(qū)動單元，鏈條在驅(qū)動單元的作用下轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)開挖斷面的巖渣清理。鏈?zhǔn)焦卧到y(tǒng)的清渣能力Q1(m3/h)與全斷面豎井掘進(jìn)機掘進(jìn)產(chǎn)生巖渣能力Q2(m3/h)相匹配，并且滿足Q1>Q2。

根據(jù)豎井掘進(jìn)機的結(jié)構(gòu)特點，在中心立柱內(nèi)部設(shè)計垂直提升裝置，不僅能節(jié)約空間，還能實現(xiàn)全封閉設(shè)計。斗式提升機下部固定在集渣筒內(nèi)部，在斗式提升機上部出渣口設(shè)計臨時渣艙，斗式提升機在運行過程中連續(xù)攜帶轉(zhuǎn)運巖渣到臨時渣艙。

結(jié)合礦山法出渣方式，豎井掘進(jìn)機最終出渣方式選擇雙吊桶出渣，通過提升機提升吊桶至指定位置進(jìn)行巖渣的卸載。

4.4 穩(wěn)定裝置設(shè)計

豎井掘進(jìn)機刀盤與撐靴距離較大，僅靠撐靴提供整機所需的反轉(zhuǎn)矩不利于整機結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，且滾刀破巖產(chǎn)生的振動會降低設(shè)備的可靠性。因此，需要在刀盤上方設(shè)計穩(wěn)定支撐裝置，該支撐裝置在施工過程中不僅能穩(wěn)定刀盤、降低設(shè)備振動，還可以提供設(shè)備需要的反轉(zhuǎn)矩，同時可在破碎地層起到臨時支護(hù)的作用。穩(wěn)定支撐裝置結(jié)構(gòu)如圖9所示。

(a) (b)

4.5 支撐推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計

豎井井筒內(nèi)部空間狹小，施工難度大，支撐推進(jìn)系統(tǒng)采用創(chuàng)新性環(huán)形設(shè)計，由撐靴、推進(jìn)系統(tǒng)、撐緊缸和支撐系統(tǒng)組成[12]，如圖10所示。撐靴和推進(jìn)主體結(jié)構(gòu)分散設(shè)計在井壁四周，并將該結(jié)構(gòu)設(shè)計在掘進(jìn)機的頂部，為吊桶、管線及其他系統(tǒng)提供有效的使用空間。

推進(jìn)缸為斜向布置，推進(jìn)過程中推進(jìn)油缸的角度也會隨之發(fā)生變化，可用數(shù)值仿真軟件實時模擬推進(jìn)油缸運動軌跡，通過幾何關(guān)系計算得到掘進(jìn)機的實際進(jìn)尺。

1—靴板； 2—推進(jìn)缸； 3—固定轉(zhuǎn)矩梁； 4—中心缸； 5—中心立柱； 6—伸縮梁。

4.6 導(dǎo)向控制系統(tǒng)設(shè)計

豎井導(dǎo)向系統(tǒng)采用雙目相機+全站儀融合技術(shù)，實時監(jiān)測設(shè)備的掘進(jìn)姿態(tài)，保證成井精度。通過全站儀和基準(zhǔn)棱鏡建立新的坐標(biāo)系，采用雙目相機拍攝主機機尾Mark點的空間位置，結(jié)合羅德里格矩陣進(jìn)行豎井掘進(jìn)機軸線的精準(zhǔn)計算，根據(jù)空間坐標(biāo)變化可實時監(jiān)測豎井掘進(jìn)機的姿態(tài)變化[13]，確保豎井掘進(jìn)機沿著預(yù)定的井筒中心線向下掘進(jìn)，原理如圖11所示。

(a) 原理圖 (b) 實物圖

4.7 遠(yuǎn)程控制操作系統(tǒng)設(shè)計

為減少井下作業(yè)人員，推動豎井施工向無人化邁進(jìn)，全斷面豎井掘進(jìn)機設(shè)計地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。主控室設(shè)計在地面，操控人員無需下井，可通過監(jiān)控系統(tǒng)實時掌握豎井掘進(jìn)機的掘進(jìn)狀態(tài)和參數(shù)[14]。設(shè)計數(shù)據(jù)監(jiān)測記錄系統(tǒng)對掘進(jìn)機的各項參數(shù)進(jìn)行實時記錄，方便分析優(yōu)化，具體控制過程如圖12所示。

5 關(guān)鍵系統(tǒng)試驗研究

5.1 試驗條件

綜合考慮試驗場地和組裝條件，決定在基坑內(nèi)進(jìn)行豎井掘進(jìn)機組裝始發(fā)。為減小基坑開挖深度，設(shè)計輔助工裝作為設(shè)備始發(fā)鋼結(jié)構(gòu)，輔助始發(fā)掘進(jìn)。基坑內(nèi)徑為7.95 m，深3.7 m，坑底填充3.5 m厚的C40混凝土。豎井掘進(jìn)機在廠區(qū)基坑內(nèi)組裝完成效果如圖13所示。

(a) 試驗基坑 (b) 豎井掘進(jìn)機

5.2 排渣系統(tǒng)試驗

整機調(diào)試完畢后，為驗證出渣系統(tǒng)的各項功能是否滿足設(shè)計要求及各系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性和功能匹配性，進(jìn)行了試掘進(jìn)試驗。試驗過程中，撐緊油缸處于浮動狀態(tài)，推進(jìn)油缸不提供推進(jìn)力，穩(wěn)定支撐裝置撐緊洞壁為整機掘進(jìn)提供反轉(zhuǎn)矩，完全靠整機自重提供破巖推力。試掘進(jìn)過程中刀盤轉(zhuǎn)速不宜過快，各系統(tǒng)全程以監(jiān)測為主。試驗結(jié)果表明： 整機儲備能力充足，自重掘進(jìn)時可保證破巖能力，采用刮板清渣可及時將底部渣土轉(zhuǎn)運至集渣筒，刀盤底部只殘留少量粉狀巖渣。掘進(jìn)試驗相關(guān)記錄如圖14所示。

5.3 支撐推進(jìn)系統(tǒng)試驗

為檢測豎井掘進(jìn)機環(huán)形支撐推進(jìn)系統(tǒng)的功能和整機長時間工作的可靠性、穩(wěn)定性，分別進(jìn)行加壓掘進(jìn)和加壓連續(xù)掘進(jìn)2種試驗。試驗過程中，穩(wěn)定支撐裝置撐緊洞壁，為設(shè)備提供反轉(zhuǎn)矩，撐緊油缸處于浮動狀態(tài)，利用輔助工裝抵消設(shè)備的推進(jìn)反力，通過改變刀盤參數(shù)和推進(jìn)壓力進(jìn)行試驗測試。試驗相關(guān)記錄如圖15所示。

(a) 滾刀破巖 (b) 刮板機清渣 (c) 巖渣效果

(a) 滾刀破巖 (b) 巖渣效果 (c) 成井效果

對比產(chǎn)生巖渣的大小發(fā)現(xiàn)：自重掘進(jìn)時由于破巖壓力受限，滾刀貫入度小，產(chǎn)生的巖渣為小粒徑巖渣，以粉末狀居多；加壓掘進(jìn)時，刀盤貫入度明顯增大，渣量增多，巖渣以片狀為主。

通過對排渣系統(tǒng)和支撐推進(jìn)系統(tǒng)的試驗，驗證了整機關(guān)鍵系統(tǒng)的可靠性，能夠滿足設(shè)計的功能需求，但還應(yīng)在后續(xù)實際工程中檢驗其應(yīng)用效果。

6 結(jié)論與討論

針對豎井全斷面施工，創(chuàng)新設(shè)計了國內(nèi)首臺全斷面豎井掘進(jìn)機，實現(xiàn)了開挖與出渣平行作業(yè)。試驗表明： 豎井掘進(jìn)機先后經(jīng)過自重及加壓連續(xù)掘進(jìn)，整機的刀盤、驅(qū)動、刮渣裝置、斗式提升機和支撐推進(jìn)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)穩(wěn)定，整個掘進(jìn)試驗過程中均能達(dá)到設(shè)計要求，掘進(jìn)效率滿足使用要求，總體運行情況良好。但在試驗過程中也存在一些難題，需要在今后的優(yōu)化過程中重點考慮：

1)支撐系統(tǒng)設(shè)計的撐緊油缸過多，在試驗調(diào)試過程中出現(xiàn)姿態(tài)不可控問題，建議減少油缸數(shù)量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2)在連續(xù)掘進(jìn)過程中，隨著掘進(jìn)機掘進(jìn)時長的增加，液壓油溫上升較快，后期工程應(yīng)用中可適當(dāng)加大散熱功率，避免因油溫過高影響掘進(jìn)效率。

3)試驗成井井壁質(zhì)量比傳統(tǒng)礦山法施工質(zhì)量好，但掘進(jìn)機在穿越破碎地層時的成井井壁質(zhì)量還需要在工程實際應(yīng)用中進(jìn)行檢驗。