中铁工程装备：全断面竖井掘进机6大系统设计研制

　　为了解决竖井施工效率低、环境恶劣、安全性低和机械化程度低等问题，结合隧道掘进机技术及矿山法竖井施工工艺，中铁工程装备集团研发设计了一种集开挖、出渣和支护平行作业的全断面竖井掘进机。近日，集团郑康泰等科研人员详细介绍了该掘进机6大系统研制及关键系统试验。相关成果于11月9日以《全断面竖井掘进机研制及关键系统试验》为题在《隧道建设》进行了网络首发。

　　竖井是通向地下空间的咽喉，主要用于人员、设备和物料的运输，同时也承担着通风功能。

　　国内外气举反循环钻机技术研究相对成熟，并成功应用于多个竖井施工项目，但随着井筒深度的增加，施工效率大幅降低，需要大量的钻杆才能满足掘进需求，使得施工成本急剧上升。

　　在国际市场上，海瑞克先后研发了SBＲ 截削式竖井掘进机和VSM 下沉式竖井掘进机，但SBR在施工中需要提前冷冻，施工成本昂贵; VSM 成功应用于多项竖井施工中，但只适用于百米以内的竖井施工，且不适用于硬岩地层。另外，海瑞克还提出2 种全断面竖井掘进机设计理念，但到目前为止均未实现应用。

　　国内关于竖井机械施工的设备研究也在同步进行，煤炭科学研究总院研制了国内首台下排渣式竖井掘进机，并成功应用在云南以礼河四级电站复建工程的竖井建设中。

　　全断面竖井掘进机

　　据介绍该竖井掘进机设计的开挖直径为7.83m，受地面悬吊系统等各种因素影响，掘进深度限制在1000m以内，适用于80 ～ 140 MPa 岩石强度的地层。采用全断面滚刀破岩，总推力为10 850 kN。

　　竖井掘进机总体方案为：根据矿山法竖井施工工艺，结合隧道掘进机施工理念，全断面竖井掘进机需要具有复杂地层的高效破岩、清渣能力以及小空间组装、拆卸和施工能力。基于施工安全性和高效性，竖井掘进机采用全断面刀盘破岩，刀盘内设计刮渣装置将开挖产生的岩渣及时清理，稳定支撑装置负责稳定刀盘，多机构联合上排渣系统进行出渣作业，支撑推进系统负责撑紧井壁、提供破岩推力。与隧道掘进机换步原理类似，需要在一个掘进循环完成后进行换步，开始下一个循环的掘进，换步完成后可对掘进完成的井壁进行锚网喷支护。

　　（1）破岩系统

刀盘整体结构

　　竖井刀盘不同于盾构、TBM 刀盘。针对复杂地层、小空间组装的工况，刀盘设计除应具有强大的破岩能力、底部岩渣清理能力和合理的分块设计外，还要满足开挖刀具的安装、更换要求。同时，需要特殊的结构设计来保护清渣装置，防止中心渣土堆积，造成中心集结泥饼问题。

刮渣装置安全距离设计

　　安全间距设计：竖井开挖的岩渣需要从掌子面垂直转运出来。结合链式开沟机、链斗式挖掘机等相关技术，在刀盘内设计2 套链式刮渣装置，对称安装在刀盘内部，随着刀盘的公转和刮渣装置自转，可以及时将开挖断面产生的岩渣清理至刀盘中心的集渣筒。由于刮渣装置不能参与破岩，刮渣时刮板必须高于开挖面，需在滚刀最底面设置安全距离，保证滚刀贯入岩石后，刮渣装置在正常清渣的同时仍与掌子面有足够的安全余量。

　　刀具设计：滚刀布置形式有背装刀和前装刀2 种。背装刀常见于盾构、TBM 刀盘，换刀安全方便，但是受到刀盘主体结构的限制，开口率受限，在掘进过程中遇到特殊地层时，无法满足临时处理的操作空间。同时，背装刀的刀高有限，加大了糊刀的概率。因此，竖井掘进机滚刀采用前装刀设计，通过增加刀高，提高岩渣的流动，减小糊刀率。

　　二次破岩结构设计：刮渣装置公转方向的前侧设计破岩锥板，将刀具剥落的大粒径岩块或未剥落的孤岩进行二次破岩，减小岩块对刀盘及刮渣装置的冲击。

滚刀拆装设计

　　滚刀拆装设计：刀盘在开挖过程中会造成刀具磨损，在更换刀具时，为方便刀具的拆卸，将滚刀安装形式设计为水平卸装。刀盘的开口区域即为作业空间，拆卸和更换滚刀时只需人工扩挖小区域即可。

　　（2）排渣系统设计

　　竖井刀盘出渣装置主要是结合成熟的履带技术、链式开沟机和刮板输送机等技术，创新设计竖井掘进机出渣装置试验台。该试验台主要由基础架、滑移架、回转驱动和刮渣装置等组成，设备转速为0～5 r /min，刮板转矩为0～80 kN·m。

　　采用单个出渣机构难以满足竖井连续出渣的要求，易造成开挖面积渣。因此，结合链式刮渣试验台相关技术，设计多机构联合接力出渣系统解决竖井施工中岩渣垂直转运的难题。开挖断面的岩渣通过链式刮渣装置清理至刀盘中心集渣筒，再通过斗式提升机垂直转运至临时渣舱，最终通过渣舱闸门的开合将岩渣流入吊桶。通过多个机构的配合解决了竖井施工连续出渣的问题，从而实现掘进与出渣同步作业，提高施工效率。

　　（3）稳定装置设计

稳定支撑装置

　　竖井掘进机刀盘与撑靴距离较大，仅靠撑靴提供整机所需的反转矩不利于整机结构的稳定，且滚刀破岩产生的振动会降低设备的可靠性。因此，需要在刀盘上方设计稳定支撑装置，该支撑装置在施工过程中不仅能稳定刀盘、降低设备振动，还可以提供设备需要的反转矩，同时可在破碎地层起到临时支护的作用。

　　（4）支撑推进系统设计

　　竖井井筒内部空间狭小，施工难度大，支撑推进系统采用创新性环形设计，由撑靴、推进系统、撑紧缸和支撑系统组成。撑靴和推进主体结构分散设计在井壁四周，并将该结构设计在掘进机的顶部，为吊桶、管线及其他系统提供有效的使用空间。推进缸为斜向布置，推进过程中推进油缸的角度也会随之发生变化，可用数值仿真软件实时模拟推进油缸运动轨迹，通过几何关系计算得到掘进机的实际进尺。

　　（5）导向控制系统设计

竖井导向系统原理

　　竖井导向系统采用双目相机+全站仪融合技术，实时监测设备的掘进姿态，保证成井精度。通过全站仪和基准棱镜建立新的坐标系，采用双目相机拍摄主机机尾Mark 点的空间位置，结合罗德里格矩阵进行竖井掘进机轴线的精准计算，根据空间坐标变化可实时监测竖井掘进机的姿态变化，确保竖井掘进机沿着预定的井筒中心线向下掘进。

　　（6）远程控制操作系统设计

整机控制原理图

　　为减少井下作业人员，推动竖井施工向无人化迈进，全断面竖井掘进机设计地面远程控制系统。主控室设计在地面，操控人员无需下井，可通过监控系统实时掌握竖井掘进机的掘进状态和参数。设计数据监测记录系统对掘进机的各项参数进行实时记录，方便分析优化。

　　通过试验，研究指出需要在今后的优化过程中重点考虑:

　　（1）支撑系统设计的撑紧油缸过多，在试验调试过程中出现姿态不可控问题，建议减少油缸数量，优化结构设计。

　　（2）在连续掘进过程中，随着掘进机掘进时长的增加，液压油温上升较快，后期工程应用中可适当加大散热功率，避免因油温过高影响掘进效率。

　　（3）试验成井井壁质量比传统矿山法施工质量好，但掘进机在穿越破碎地层时的成井井壁质量还需要在工程实际应用中进行检验。

　　这项研究得到了郑州市重大科技创新专项项目、中国中铁股份有限公司科技研究开发计划的资金支持。

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