淺談盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)在煤礦掘進(jìn)的發(fā)展與展望

摘 要：盾構(gòu)機(jī)近十幾年在我國(guó)發(fā)展迅猛，已經(jīng)成為城市基礎(chǔ)建設(shè)當(dāng)中的重要角色，近幾年盾構(gòu)機(jī)逐步與煤礦領(lǐng)域接觸，契合煤礦巷道掘進(jìn)的特點(diǎn)，在原有盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新，研發(fā)出適合于煤礦領(lǐng)域的掘進(jìn)機(jī)。本文簡(jiǎn)述了常用盾構(gòu)機(jī)及煤礦中應(yīng)用的盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)盾構(gòu)機(jī)在煤礦領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī);煤礦應(yīng)用;工程機(jī)械

1引言

盾構(gòu)機(jī)作為大型工程機(jī)械中的一員，近些年在中國(guó)得到了巨大的發(fā)展，在最初始結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)機(jī)的基礎(chǔ)上已經(jīng)拓展出了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，泥水盾構(gòu)機(jī)，硬巖掘進(jìn)機(jī)，頂管機(jī)等特種設(shè)備以應(yīng)對(duì)不同地質(zhì)條件的隧道掘進(jìn)，但其依舊主要應(yīng)用于城市基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域，如地鐵修建，城市地下管廊，穿山引水工程等。近幾年來(lái)，盾構(gòu)機(jī)行業(yè)已經(jīng)逐步開始向其他領(lǐng)域進(jìn)軍，保留其核心結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)結(jié)合對(duì)應(yīng)領(lǐng)域特點(diǎn)的變種設(shè)備，如煤炭領(lǐng)域，豎井領(lǐng)域等。改變?cè)行袠I(yè)的設(shè)備格局，使施工工程變得更節(jié)省人力資源，更節(jié)省時(shí)間，更高效自動(dòng)化，智能化。在未來(lái)的一段時(shí)間里，甚至可以發(fā)展成全自動(dòng)無(wú)人操作化，智能探測(cè)識(shí)別施工智能化，全斷面綜掘全能化。

2常規(guī)盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

盾構(gòu)機(jī)是一種集合了機(jī)械，液壓，電氣，土木工程，自動(dòng)化等技術(shù)為一體的大型工程機(jī)械，以最為常見的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為例，其設(shè)備可自動(dòng)完成掘進(jìn)，管片支護(hù)，排渣等工程施工工作，與以往施工方法相比，有著高效，安全的優(yōu)點(diǎn)，其典型結(jié)構(gòu)主要分為刀盤及其驅(qū)動(dòng)，主機(jī)，支護(hù)設(shè)備，后配套四大部分。對(duì)應(yīng)隧道工程的掘，進(jìn)，臨時(shí)支護(hù)，輔助四大基本要素。使隧道掘進(jìn)工作一氣呵成，事半功倍。其各部分特點(diǎn)如下：

刀盤主要功能是切削巖土，刀盤上根據(jù)不同的地質(zhì)條件會(huì)設(shè)置不同數(shù)量，不同種類，不同作用的刀具，刀盤主要以圓形為主，其驅(qū)動(dòng)使刀盤整體旋轉(zhuǎn)，常用電機(jī)或液壓馬達(dá)為其提供動(dòng)力。

主機(jī)的主要功能是為整機(jī)提供前進(jìn)動(dòng)力，是盾構(gòu)機(jī)的行走機(jī)構(gòu)，其行走動(dòng)力的核心部件常用液壓油缸。液壓油缸一段連接主機(jī)，另一段支撐在支護(hù)管片上，依靠力的相互作用向前行走。

支護(hù)設(shè)備其主要功能是為難以自穩(wěn)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供臨時(shí)支護(hù)，為后續(xù)掘進(jìn)及后續(xù)施工提供安全保障，目前常用支護(hù)設(shè)備主要是自動(dòng)管片拼裝機(jī)，用來(lái)拼裝水泥管片或鋼管片。

后配套主要功能是為掘進(jìn)，動(dòng)力及其他施工過(guò)程中的工作提供支持保障，如果盾構(gòu)機(jī)猶如一臺(tái)火車，那么后配套就猶如一節(jié)節(jié)車廂，在這一節(jié)節(jié)車廂上放置各種配套設(shè)備，如液壓油箱及液壓站，循環(huán)水系統(tǒng)，操作室，二次支護(hù)系統(tǒng)，變壓器等電氣設(shè)備，渣土運(yùn)輸皮帶機(jī)，通風(fēng)與除塵系統(tǒng)等，根據(jù)不同工程的不同要求，后配套的設(shè)備設(shè)施也不盡相同。

目前而言，無(wú)論盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的衍生設(shè)備如何變種，也離不開隧道掘進(jìn)的四個(gè)要素及其對(duì)應(yīng)的四種基本設(shè)備設(shè)施結(jié)構(gòu)。

3常規(guī)盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用

盾構(gòu)機(jī)的主要功能就是挖掘隧道，而近幾年中國(guó)盾構(gòu)機(jī)在中國(guó)的城市基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域中已經(jīng)應(yīng)用成熟，而類似需要挖掘隧道的領(lǐng)域已經(jīng)與盾構(gòu)機(jī)研發(fā)生產(chǎn)公司接觸共同研發(fā)創(chuàng)新型盾構(gòu)機(jī)的變種設(shè)備。目前，在煤礦方面研發(fā)進(jìn)展較多。

隨著煤炭資源的逐步開采，煤作為不可再生資源，隨著開采量的增大，開采深度越來(lái)越深，開采難度與開采危險(xiǎn)性逐漸加大，常規(guī)開采工作的成本也逐步增加。開采一個(gè)煤礦，往往需要挖掘多個(gè)縱橫交錯(cuò)的巷道，不同的巷道作用不盡相同，分別起到通風(fēng)，運(yùn)輸，采進(jìn)等作用，以往煤巷施工首先要破碎巖石，常用破巖方式有兩種，對(duì)于巖石較軟的采用機(jī)械破巖，對(duì)于巖石較硬的采用爆破破巖。目前，深層煤礦往往多硬巖，用傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)效率低，耗時(shí)耗力，用爆破破巖對(duì)周圍巖石擾動(dòng)大，在深層中容易發(fā)生危險(xiǎn)。此時(shí)盾構(gòu)機(jī)的施工有優(yōu)點(diǎn)即可體現(xiàn)出來(lái)，掘進(jìn)一次成型，對(duì)圍巖擾動(dòng)小，能夠挖掘硬巖且效率高。甚至可以做到地上操控地下掘進(jìn)，大大提高安全性。

煤礦中大型巷道多為馬蹄形，目前成熟的盾構(gòu)機(jī)技術(shù)只能挖掘圓形的硬巖截面，所以大多巷道采用盾構(gòu)機(jī)挖掘圓形截面后二次施工回填的方法。煤礦中的盾構(gòu)機(jī)刀盤及其驅(qū)動(dòng)跟常規(guī)盾構(gòu)機(jī)刀盤及其驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原理相同，根據(jù)不同的地質(zhì)情況安裝不同的刀具，結(jié)合地質(zhì)特點(diǎn)使用不同的刀具的排布方式;其主機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與雙護(hù)盾形式的硬巖掘進(jìn)機(jī)類似，以支撐盾支撐圍巖使其具有足夠大的摩擦力，進(jìn)而使主推油缸有支撐點(diǎn)，使整機(jī)能夠向前推進(jìn)，部分盾構(gòu)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合了煤礦常用的綜掘機(jī)的特點(diǎn)，采用履帶行走的方式作為其向前行進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng);支護(hù)系統(tǒng)需要結(jié)合地質(zhì)情況設(shè)計(jì)，因?yàn)槭怯矌r，所以大多采用“錨網(wǎng)噴”的支護(hù)方式，在盾構(gòu)機(jī)上設(shè)置錨桿鉆機(jī)，自動(dòng)網(wǎng)片拼裝機(jī)及自動(dòng)噴漿機(jī)械手，在掘進(jìn)每一次換步的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)“錨網(wǎng)噴”的臨時(shí)支護(hù)方式，如遇到更加惡劣難以自穩(wěn)的地質(zhì)情況時(shí)，在盾構(gòu)機(jī)上增加鋼拱架拼裝器，在隧洞內(nèi)拼裝圓形拱架;后配套上的輔助設(shè)備需要滿足煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中容易有大量瓦斯等有害氣體，需要在掘進(jìn)及支護(hù)的地方設(shè)置有害氣體探測(cè)器并加強(qiáng)通風(fēng)及除塵以防止瓦斯及其他有害氣體濃度過(guò)高。

煤礦的盾構(gòu)機(jī)屬于雙護(hù)盾硬巖掘進(jìn)機(jī)的變種設(shè)備應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)在于自動(dòng)化程度高，相對(duì)安全，掘進(jìn)效率高，掘進(jìn)支護(hù)于一體，節(jié)省人工。但又無(wú)法完美契合煤礦巷道要求，無(wú)法一次成型馬蹄形，且存在以下缺點(diǎn)，裝卸耗時(shí)耗力，需要開鑿擴(kuò)大硐室并安置大型吊車，盾構(gòu)機(jī)部分結(jié)構(gòu)件過(guò)大過(guò)重，無(wú)法整體下井，因此井下安裝困難;轉(zhuǎn)彎不靈活，井下巷道多以田字型排布，盾構(gòu)機(jī)無(wú)法做到90度轉(zhuǎn)彎，因此需要多次拆卸;設(shè)備成本高;在隧洞內(nèi)無(wú)法更換大型核心部件，無(wú)法做到整體后退的動(dòng)作等。

4盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)在煤礦領(lǐng)域的展望

我國(guó)雖然屬于煤礦資源大國(guó)，但煤炭資源屬于不可再生資源，煤炭開采難度會(huì)逐漸增大，但科技發(fā)展速度越來(lái)越快，未來(lái)機(jī)械設(shè)備將逐步替代人們做各種復(fù)雜危險(xiǎn)的工作，煤炭開采將會(huì)是其中一項(xiàng)工作，而盾構(gòu)機(jī)或許將是煤炭開采機(jī)械設(shè)備發(fā)展過(guò)程中的一部分，起到承上啟下的作用，盾構(gòu)機(jī)在煤礦中的應(yīng)用將會(huì)朝如下四個(gè)方向進(jìn)行發(fā)展。

第一，實(shí)現(xiàn)地上操控，地下掘進(jìn)，無(wú)需人員跟機(jī)下井，大大提高安全性。從以人為本的角度考慮，因此需要自動(dòng)化集成度更高，需要更精準(zhǔn)的探測(cè)系統(tǒng)，更豐富的電氣控制系統(tǒng)。更結(jié)實(shí)耐磨的材料，及可靠性更高的動(dòng)力系統(tǒng)及回轉(zhuǎn)，支撐系統(tǒng)，將更新的材料及技術(shù)應(yīng)用到盾構(gòu)技術(shù)當(dāng)中，

第二，實(shí)現(xiàn)掘采一體的更高級(jí)的自動(dòng)化設(shè)備。最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)將是以設(shè)備代替人工將深層煤層中的煤開采運(yùn)輸出來(lái)。且設(shè)備更靈活，安裝拆卸簡(jiǎn)便，快捷。設(shè)備整體長(zhǎng)度更短。不只做到前進(jìn)動(dòng)作，還能實(shí)現(xiàn)倒退。

第三，實(shí)現(xiàn)可變截面挖掘。隨著煤層走向進(jìn)行挖掘，有時(shí)需要挖掘形成的巷道截面不只為馬蹄形，甚至方形及梯形。可以一次挖掘成目標(biāo)形狀，無(wú)需二次回填修整。

第四，實(shí)現(xiàn)一機(jī)挖掘各種地質(zhì)情況?？梢詰?yīng)對(duì)不同硬度的地質(zhì)情況，能應(yīng)對(duì)大量涌水，大量有害氣體的惡劣情況。提高設(shè)備整體安全性。

5結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)機(jī)作為“大國(guó)重器”的代表，彰顯了一個(gè)國(guó)家的科技實(shí)力，我國(guó)雖然起步較晚，但近十幾年發(fā)展迅猛，已經(jīng)逐步追趕上世界一流水平，相信未來(lái)盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)技術(shù)，將隨著科技發(fā)展的潮流，更好的應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域。甚至應(yīng)用于其他相關(guān)領(lǐng)域。

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作者簡(jiǎn)介：

趙懷宇（1992-）;性別：男;民族：漢族;籍貫：遼寧省鞍山市;專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化;研究方向：大型工程機(jī)械盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)與研發(fā)。