凝灰巖地層全斷面機械破巖巖渣特性分析

嚴良平 齊保衛 呂 旦 周 浩 葛家晟 張 兵

(1.浙江寧海抽水蓄能有限公司,浙江 寧波 315600;2.中鐵工程裝備集團有限公司,河南 鄭州 450016)

立井掘進機應用于工程實踐開始于20 世紀70年代初期。美國羅賓斯公司于1978年試制了一臺241SB-184 型立井掘進機[1];前蘇聯中央煤炭采礦工業及地下建筑成套設備科學研究設計院,于20 世紀80年代制造了適應第四紀地層的KC-14 型立井綜合掘進機[2];20 世紀90年代初期,美國礦業局推出SBM-Ⅱ型立井部分斷面掘進機;進入21 世紀,德國海瑞克公司與澳大利亞力拓集團合作研發出了立井井筒鑿井截削式立井掘進機,該掘進機安裝了銑挖臂和一個旋轉的銑挖頭,可以挖掘8～12 m 之間各種直徑的豎井[3]。中煤科工研制出錐形刀盤立井掘機樣機,實現礦山立井井筒破巖機械化、控制自動化[4]。該掘進機適用于下部已有開挖巷道的情況,鉆井直徑5.8～6.0 m,鉆井深度800～1 000 m,該設備成功應用于2021年2月云南以禮河電站出線立井工程(井直徑5.8 m、深282.5 m)。2017年中鐵工程裝備公司完成了SBM 立井全斷面立井掘進機的樣機研制,采用刀盤開挖,創新了高效豎向上出渣技術,額定施工速度大于250 m/月。在2020年成功應用該掘進機對浙江寧海抽水蓄能電站通風立井建設項目進行了施工,該立井于2021年12月28日順利貫通,標志著立井井筒掘砌施工工藝的創造性變革[5]。已有研究表明,豎井掘進過程中滾刀破巖效率和刀具磨損是掘進機設計和施工的關鍵[6,7]。對掘進施工過程中的巖渣特性進行分析,有助于提高豎井工程施工效率,并能進一步指導掘進機刀具結構的優化,具有重要的理論價值和指導意義。

目前國內外有關豎井掘進施工中巖渣特性的相關研究,有關的研究文獻相對較少。本研究以國內首次成功應用全斷面立井掘進機的浙江寧海抽水蓄能電站通風立井建設項目為依托,采用數值圖像處理技術,對全斷面立井掘進機機械破巖巖渣分布特性進行量化分析,對豎井掘進機破巖過程中存在的問題進行進一步分析,并對其改進方向進行了探討。對提高我國地下施工裝備制造水平,增強豎井掘進機的自主研發制造能力有重要意義。

1 工程概況

寧海抽水蓄能電站位于浙江寧海縣城境內,上水庫位于茶山林場穹窿的中心部位,下水庫位于大佳何鎮漲坑村,電站通風豎井工程位于下水庫左岸山坡。該豎井地表高程+280 m,井底標高為+82 m,深度為198 m。該豎井項目分兩步進行施工作業,首先進行始發段豎井施工,需在豎井上口設置鎖口圈梁。始發段深度10 m,采用人工配合挖掘機開挖作業。為滿足全斷面豎井掘進機組裝和始發要求,始發段需在豎井掘進機進場前完成。在始發段以下,采用全斷面掘進機完成剩余188 m 施工,開挖直徑7.83 m。SBM全斷面豎井掘進機配置驅動功率1 500 kW,刀盤轉速4.3 r/min,額定貫入度4.5 mm,采用整機體始發,分2 次進行。在始發階段,采用小貫入度、小推進速度緩慢掘進機,貫入度設定在2 mm,轉速設定為4 r/min。在掘進機進入穩定地層后,根據地層條件調整掘進參數,開始正常掘進作業。SBM 立井掘進機采用刮板連續清渣——斗式連續提升——儲渣倉轉載吊桶提升的三級上出渣技術,成功研制了機械上排渣系統(圖1),實現了立井掘進機掘進、出渣協同高效施工。

圖1 機械式上排渣系統Fig.1 Mechanical upper discharge system

通風豎井礦體圍巖條件較好,主要為凝灰巖類的沉積巖,圍巖分布情況如圖2所示。凝灰巖是一種分布最廣泛、最常見的細粒火山碎屑巖。相關研究認為,寧海地區的凝灰巖以中酸性熔巖為主,由于其特征組分和特征結構的不同,導致不同區域凝灰巖在力學性質上有明顯的差異。就凝灰巖的抗壓強度而言,這種差異在數值上相差3～5 倍,有時甚至更大[8,9]。對豎井不同深度的巖芯試樣進行單軸飽和抗壓強度試驗,檢測結果如表1所示。檢測得到巖芯試樣的飽和抗壓強度值在57.4～109 MPa 范圍內,平均值為83.3 MPa。

表1 豎井圍巖體單軸飽和抗壓強度試驗結果Table 1 Test results of uniaxial saturation compressive strength of rock mass around shaft

圖2 通風豎井巖體圍巖條件Fig.2 Surrounding rock condition of exhaust shaft rock body

根據現場勘察,豎井工程場地巖層從上至下可劃分為:0～5 m為強風化巖層,圍巖類別屬穩定性差的Ⅳ類圍巖;5～25 m為弱風化巖石,巖層陡傾角節理較發育,局部密集,屬Ⅳ～Ⅲ類圍巖,圍巖較破碎,成井條件差;25 m 以下為微風化巖石,巖體完整性較差或較為完整,成井條件好,圍巖為Ⅲ～Ⅱ類。表2為豎井+215 m 高程平臺不同部位巖體聲波檢測結果。除1個測點外其他測點波速均在5 000 m/s 以上,波速高且波速基本一致,全孔波速曲線未表現出拐點。檢測結果表明巖體強度未受施工影響,節理裂隙不發育,不存在松弛帶。

表2 豎井圍巖體不同部位巖體聲波檢測Table 2 Rock mass acoustic detection in different parts of rock mass around shaft

2 滾刀破巖機理

豎井掘進機使用的刀具為常用的盤形滾刀。破碎巖體時,滾刀在高推力作用下,滾刀刀刃和巖體接觸并緊壓。此時,在滾刀和巖體接觸面上將發生顯著的局部變形,出現應力集中的現象。在掘進機刀盤的推力和刀盤扭矩作用下,滾刀在掌子面轉動切割巖石。隨著滾刀侵入巖石,在巖石內部結合力最為薄弱的地方將會產生細小的微裂紋,該微裂紋隨著滾刀侵入深度的加大而逐漸擴展為顯裂紋。當相鄰2個滾刀作業形成的裂紋交匯時,或顯裂紋發展到巖石表面時,就形成了巖石斷裂體。隨著刀盤的持續轉動,形成巖渣[10,11]。

圖3為盤形滾刀在破巖過程中滾刀刀圈的受力情況。根據已有研究結果,盤形滾刀在切割巖石的過程中對巖體的作用力可分解為3個方向的相互作用力:① 法向推壓力Fv,即對巖體進行擠壓破巖作用而使巖體縱向裂紋擴展延伸的推壓垂直作用力;② 切向滾動切割力Fr,即用于碾壓切削作用使巖體的路徑上破碎失效的切向滾動作用力;③ 滾刀側向力FS,即刀盤回轉作用使巖體破碎裂紋橫向發展并與鄰近盤形滾刀共同協作使巖體脫落產生的側向作用力。相比之下,側向作用力由滾刀對巖石的擠壓力和刀盤旋轉的離心力所產生,指向刀盤中心,其數值較小,與其他2個力不屬于同一數量級,一般可以不考慮。

圖3 盤形滾刀在破巖過程中滾刀刀圈的受力情況Fig.3 The stress of disk hob ring in rock breaking process

采用科羅拉多礦業學院提出的單把盤形滾刀破巖受力CSM 預測模型,可以對單把盤形滾刀破巖中方向的分力進行估算[12]。應用該預測模型,可以直接對單把盤形滾刀在破巖過程中所受合力進行估算,并將此合力可以進一步分解為各方向的分力,盤形滾刀破巖壓力分布如圖4所示。

圖4 盤形滾刀破巖壓力分布Fig.4 Pressure distribution of disc hob breaking rock

應用該模型,單把盤形滾刀破巖時所受到的法向推力及滾動切割力可以表達如下:

式中,?為單把盤形滾刀切削巖體時的接觸角;T為單把盤形滾刀刀刃寬度;r為單把盤形滾刀半徑;σc為巖體單軸抗壓強度;σt為巖體抗剪強度;p為單把盤形滾刀貫入度;ψ為單把盤形滾刀刀刃壓力分布系數(盤形滾刀若為V 型盤形滾刀,ψ=0.2;單把盤形滾刀刀刃寬度較大時,ψ=-0.2;一般ψ=0.1);C為無量綱系數,C≈ 2.12。

盤形滾刀的破巖比能耗定義為刀具切削單位體積巖石所消耗的能量,是表征破巖效率的重要參數,破巖比能耗越小,說明盤形滾刀破巖效率越高。破巖比能耗具體表達式如下:

式中,E為破巖比能耗;PN為垂直力;W為刀具破巖消耗的能量;h為貫入度;V為巖石破碎體積。

3 顆粒形態結構特征

為了更好地認識豎井掘進機破巖效果,采用圖像處理的方式,對出渣顆粒形態結構特征進行分析。圖5為豎井掘進機出渣堆渣場,通過對圖中巖渣形狀觀察可知,機械破巖條件下,完整巖渣多呈不規則片狀及塊狀,另外破巖產生了一定量的巖粉。根據整個出渣堆渣場的體積進行估算,細小巖渣及巖粉占整個巖渣總量的15%～20%。在該堆渣場選取不同的拍攝位置,如圖5(a) 特征點A～H所示。使用CCD 工業相機獲取堆渣場不同特征點位置的圖像,采用數值圖像處理的方法,對不規則形狀的巖渣長度,長寬比及顆粒面積等特征進行統計分析。

圖5 豎井掘進機出渣堆渣場特征點位置及巖渣形狀特征Fig.5 Location of feature points and shape characteristics of rock slag in the slag dump field of vertical shaft Roadheader

采用Image J 軟件對圖5(a)特征點A～H圖像進行二值化處理,如圖6所示。在Image J 中設置標尺,測量圖中盡可能多、完整的巖渣的直徑及長寬比,進一步統計顆粒的面積分布特征,對豎井掘進機機械破巖條件下的巖渣分布特性進行量化分析。

圖7為不同區域特征點完整巖渣顆粒長度分布特征。如圖7所示,豎井掘進機機械破巖條件下巖渣長度大多分布在1～7 cm,3 cm 范圍內的巖渣數量最多,巖渣最大長度可以達到10 cm。圖8為不同區域特征點完整巖渣顆粒長寬比分布特征。統計表明,巖渣長寬比集中分布在1～4,長寬比大于7 的巖渣數量極少。圖9為不同區域特征點完整巖渣顆粒面積分布特征。統計表明,巖渣面積基本在20 cm2以內,只有極個別的巖渣面積大于50 cm2。

圖7 堆渣場不同區域巖渣顆粒長度分布特征Fig.7 Distribution characteristics of slag particle length in different areas of slag field

圖8 堆渣場不同區域巖渣顆粒長寬比分布特征Fig.8 Distribution characteristics of slag-particle length to width ratio in different areas of slag field

圖9 出渣堆渣場不同區域完整巖渣顆粒面積分布特征Fig.9 Area distribution characteristics of intact rock slag particles in different areas of slagging field

豎井掘進機破巖產生了一定量的巖粉,為了進一步厘清巖粉中各種不同粒徑顆粒的相對含量,在堆渣場選取一定量的巖粉進行了3 組現場篩分試驗,3 組試驗的級配曲線如圖10所示,由此計算得到巖粉的不均勻系數Cu及曲率系數Cc,如表3所示。

圖10 堆渣場巖渣顆粒級配曲線Fig.10 The slag-particle grading curves of slag field

表3 現場篩分試驗不均勻系數和曲率系數Table 3 Nonuniformity coefficient and curvature coefficient of field screening test

4 存在問題分析

通過上述分析可以發現,在豎井掘進機破巖過程中,細小巖渣占比過大,同時有大量的巖粉產生。滾刀破巖產生的細小巖渣是引起掘進施工中粉塵問題的關鍵因素,細小巖渣所占比例也反映出豎井掘進機掘進效率和提升效率。對掘進過程中的巖渣結構進行分析,可以得到以下幾點啟示:

(1)寧海抽水蓄能電站豎井掘進采用的新型立井全斷面自動化掘進機是國內外首臺套盤型滾刀破巖、刮板集渣、斗式轉載、吊桶出渣的立井施工革新裝備,在掘進過程中產生的大量巖粉造成工作面粉塵聚集,從而進一步影響到豎井掘進機的激光導向控制,影響激光束打靶的準確性。巖粉及細小巖渣的產生很大程度上是由于掘進機滾刀的反復研磨,說明掘進機刮板集渣裝置及提升系統還有待進一步優化。

(2)巖粉及細小巖渣的產生說明在豎井掘進機破巖過程中盤形滾刀的破巖比能耗過高,在目前的滾刀結構條件和參數下,掘進機破巖效果較低。為降低破巖能耗,巖粉的粒度越大越好。解決該問題需要合理的盤形滾刀布置設計?；跐L刀破巖機理,刀盤布置的基本原則應包括:刀盤徑向載荷最小、傾覆力矩最小,質量分布均勻,破巖差異量最小。

(3)深地戰略是國家重要戰略之一,隨著礦產資源開采向深部全面推進,豎井掘進機施工過程中產生大量的巖粉將作為一種新型資源,如何有效利用將成為一個新的問題。巖粉可以作為土性改良的摻合料,改善特殊土的不良工程特性,提高強度,消除濕陷性、抑制膨脹性,降低凍脹性等。另外,巖粉可以作為礦物摻合料進行高強度混凝土的制備,能顯著改善混凝土的工作性能和致密性。

5 結 論

依托寧海抽水蓄能電站通風立井工程,應用數字圖像分析技術,對豎井掘進機械破巖巖渣特性進行分析,發現了目前掘進機在集渣和刀盤布置方面還需做進一步優化,以減少掘進過程中巖粉的含量,實現破巖巖渣體積的增大。主要研究結論如下:

(1)機械破巖條件下,完整巖渣多呈不規則片狀及塊狀。由于掘進機不能及時進行出渣,導致有部分巖渣會進行反復研磨,從而在破巖過程中產生相當數量的巖粉。應對刮板集渣裝置及提升系統進行進一步的優化。

(2)豎井掘進機機械破巖條件下巖渣長度大多分布在1～7 cm,巖渣最大長度可以達到10 cm。巖渣長寬比集中分布在1～4,長寬比大于7 的巖渣數量極少。巖渣面積基本在20 cm2以內。

(3)目前破巖比能耗過高,在后續研究工作中需進行掘進機刀盤的合理布置,深入研究滾刀的破巖機理和受力預測模型、刀盤的受力力學模型、刀盤刀具的布置方法。掘進機的破巖效果有待進一步提高。