一種大型豎井掘進用多功能平臺系統(tǒng)

田振華，苗軍克，周 艷

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

在 所有的隧道、山體等施工設(shè)備中，設(shè)計一種既能垂直向下掘進，同時又能夠進行高效的管片拼裝，并兼具超前鉆探、豎井錨固等功能的設(shè)備，是設(shè)計難度相對較高的。該設(shè)備是一套極為復雜的系統(tǒng)，需要很高的安全性與自動化程度。

美國、德國在 20 世紀 60 年代開始研究豎井掘進工藝，使用掘進機開挖隧道技術(shù)，具有安全、快速、環(huán)保等諸多優(yōu)勢[1]，開發(fā)出多種類型的豎井掘進機。長期以來，只有德國的維爾特、海瑞克和美國羅賓斯3 家公司掌握豎井掘進的核心技術(shù)和生產(chǎn)能力。近年來，我國在煤礦豎井建設(shè)上取得了很大成就，促進了豎井施工技術(shù)和裝備的發(fā)展[2]。

豎井掘進設(shè)備作為基礎(chǔ)孔鉆鑿設(shè)備，在很多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[3]。豎井掘進工作環(huán)境惡劣，空間狹小，一般需要進行超前鉆探，探測地層；需要布置管片拼裝機系統(tǒng)，對開挖后的井壁進行管片砌襯；由于豎井的特殊性，還要配置錨桿鉆對管片進行錨固。為了解決上述問題，研發(fā)了一種兼顧豎井掘進、管片拼裝、超前鉆探等功能于一體多功能平臺系統(tǒng)，使豎井施工水平達到一個新的高度。

1 多功能平臺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

多功能平臺系統(tǒng)由豎井管片拼裝機系統(tǒng)、管片限位扶正工具、應(yīng)急管片停放系統(tǒng)、豎井超前鉆系統(tǒng)、豎井錨桿鉆系統(tǒng)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 多功能平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Multi-function platform system

豎井超前鉆系統(tǒng)和豎井錨桿鉆系統(tǒng)與豎井管片拼裝機系統(tǒng)共用回轉(zhuǎn)機構(gòu)和升降機構(gòu)，這樣極大地減少了空間，降低了成本。

為了實現(xiàn)井壁的可擴展性，形成系列化，設(shè)計了伸縮臂機構(gòu)。伸縮臂按懸臂梁考慮，其載荷形式主要為重力產(chǎn)生的彎矩[4]。由于需要精確控制定位，伸縮臂不能采用傳統(tǒng)的液壓缸加繩排結(jié)構(gòu)，宜采用液壓缸直接驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，并且應(yīng)盡量減少臂節(jié)，以提高精度，同時配置位移傳感器，實現(xiàn)行程的監(jiān)測控制，提高精度與安全性。由于工作時存在震動，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除進行強度與剛度計算[5]外，還應(yīng)進行有限元模態(tài)分析。

回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計要考慮轉(zhuǎn)動慣量[6]，其啟動時間及加速度應(yīng)設(shè)計合理。由于質(zhì)量大，加速度不宜過大，否則啟動所需的動力過大，導致成本增加和浪費；也不易過小，否則影響效率。

回轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動力矩

式中：T為驅(qū)動力矩；Tm為摩擦阻力矩；Tg為慣性阻力矩；為回轉(zhuǎn)支承阻力系數(shù)；D為回轉(zhuǎn)支承滾道平均直徑；Fa為回轉(zhuǎn)支承所受的總軸向力；Fr為回轉(zhuǎn)支承所受的總水平力；為回轉(zhuǎn)支承滾動體壓力角；為各部件繞回轉(zhuǎn)支承軸線的轉(zhuǎn)動慣量；n為回轉(zhuǎn)速度；t為啟動或制動時間。

所有液壓元件配置平衡閥與比例閥；采用遙控器進行操作，并備有 1 套直控裝置。電、氣、液控制柜放在多功能平臺的上一層平臺上，備用的直控操作臺放在多功能平臺上。

2 各子系統(tǒng)

根據(jù)施工工藝流程，管片拼裝、錨固，超前鉆探施工，多功能平臺各子系統(tǒng)不能同時工作，其工作狀態(tài)分配如表 1 所列。

表1 多功能平臺子系統(tǒng)工作狀態(tài)Tab.1 Working stage of subsystem of multifunction platform

2.1 豎井管片拼裝機系統(tǒng)

豎井管片拼裝機系統(tǒng)的作用是快速、安全、高效進行管片的拼裝，采用真空吸盤對管片進行吸取，真空吸盤應(yīng)保證在斷電 20 min 內(nèi)管片不掉落。配置伸縮臂以實現(xiàn)井壁的擴展；配置升降機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、管片微調(diào)機構(gòu)，以實現(xiàn)管片周向拼裝的精準定位。升降機構(gòu)采用 4 套液壓缸驅(qū)動，配置 4 個導向鍵；回轉(zhuǎn)機構(gòu)使用回轉(zhuǎn)支承、液壓馬達、行星減速器、小齒輪配合傳動；管片微調(diào)機構(gòu)采用關(guān)節(jié)球軸承結(jié)構(gòu)，通過液壓缸、葉片馬達 (或螺旋擺動液壓缸) 驅(qū)動。

固定完 1 個管片后，回縮 1 個支撐管片液壓缸，相應(yīng)拼裝下個管片，依次循環(huán)。

2.2 管片限位扶正工具

由于豎井的特殊性，物資運輸由豎井提升系統(tǒng)實現(xiàn)。當管片到達多功能平臺的指定位置后，測距裝置發(fā)出信號，管片停止下放，管片限位扶正工具開始工作，對管片進行位置限制，便于豎井管片拼裝機系統(tǒng)的真空吸盤進行管片的吸取。

管片限位扶正工具安裝在井蓋上，采用液壓控制系統(tǒng)，并配置角度傳感器。

2.3 應(yīng)急管片停放系統(tǒng)

當遇到突然斷電時，使用備用電源，將管片放置在應(yīng)急管片停放系統(tǒng)上。

應(yīng)急管片停放系統(tǒng)可在導軌上移動，平時安放在多功能平臺內(nèi)側(cè)，緊靠立柱，這樣可以避免與其他設(shè)備發(fā)生干涉。

2.4 豎井錨桿鉆系統(tǒng)

錨桿鉆的作用是對已經(jīng)拼裝好的管片進行錨固，加固管片的砌襯。

豎井錨桿鉆系統(tǒng)包括錨桿鉆機、伸縮臂機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、升降機構(gòu)、錨桿鉆機擺動機構(gòu)，其中回轉(zhuǎn)機構(gòu)和升降機構(gòu)與豎井管片拼裝機系統(tǒng)共用。錨桿鉆機采用液壓頂驅(qū)式鑿巖機，擺動機構(gòu)采用螺旋擺動液壓缸。管片上預留有錨固孔，錨桿鉆機通過上述機構(gòu)實現(xiàn)鉆進定位，使其通過管片上的錨固孔進行鉆進作業(yè)。

豎井錨桿鉆系統(tǒng)配置 1 個吊環(huán)，通過吊環(huán)可以對2 個井蓋實現(xiàn)吊運轉(zhuǎn)移。

2.5 豎井超前鉆系統(tǒng)

該系統(tǒng)的作用是進行地質(zhì)超前鉆探，提供注漿孔，用于穩(wěn)固地層。

為滿足鉆深與定位要求，豎井超前鉆系統(tǒng)采用潛孔水錘式鉆機，配置伸縮臂機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和升降機構(gòu)，其中回轉(zhuǎn)機構(gòu)和升降機構(gòu)與豎井管片拼裝機系統(tǒng)共用。為提高工作效率，配置 2 臺潛孔水錘式超前鉆機，均安裝于豎井管片拼裝機的伸縮臂上，其中一臺固定，另一臺可通過液壓缸擺動一定角度，這樣便于超前孔位置的精確定位。

3 多功能平臺各系統(tǒng)工作流程

(1) 管片通過提升系統(tǒng)放至多功能平臺的規(guī)定位置；

(2) 管片限位扶正工具開始工作，對管片的位置進行限制，便于真空吸盤 (豎井管片拼裝機的一個部件) 進行吸??；

(3) 豎井管片拼裝機系統(tǒng)開始工作，真空吸盤吸取管片，管片限位扶正工具回到初始位置；

(4) 豎井管片拼裝機系統(tǒng)通過一系列動作將管片精確定位至要求位置；

(5) 進行管片安裝工作；

(6) 豎井管片拼裝機系統(tǒng)復位，等待下一個管片到達；

(7) 當發(fā)生停電時，啟動備用電源，通過豎井管片拼裝機系統(tǒng)將管片停放在應(yīng)急管片停放系統(tǒng)上，然后人員撤離，應(yīng)急管片停放系統(tǒng)可在導軌上移動；

(8) 豎井錨桿鉆系統(tǒng)通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)、升降機構(gòu)、擺動機構(gòu)，對管片的錨固孔進行定位、鉆孔，注漿。

(9) 豎井超前鉆系統(tǒng)在掘進機導向鉆開挖前，通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)、升降機構(gòu)、擺動機構(gòu)、俯仰機構(gòu)繞井壁軸線鉆進超前孔，并加裝止水裝置，視情況進行注漿工作。

4 結(jié)語

該多功能平臺系統(tǒng)解決了豎井掘進的超前鉆探、管片拼裝砌襯及錨固的要求，且結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省了大量的寶貴空間。采用機電液一體化技術(shù)，配合各種傳感器，提高了系統(tǒng)的自動化程度，可減少人工，提高安全性。未來的研發(fā)方向為智能化、無人化，以提高設(shè)備的使用安全性，減少人力成本，提高企業(yè)效益。