煤礦大直徑救援鉆孔頂管鉆進裝備關鍵技術研究

王 雷，朱玉芹，張維娜，劉 昊，趙文渤，楊 闖，王冠雄

(中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 113122)

我國煤礦以地下開采為主，一旦礦難發(fā)生，將導致煤礦巷道坍塌，人員被困，據(jù)統(tǒng)計，70%的人員傷亡都是在巷道坍塌之后，人員不能得到及時救援而造成的傷害[1]。坍塌后的巷道是由堆積體形成的臨時穩(wěn)定的巷道，各個塊體間形成了動態(tài)穩(wěn)定的搭接關系，在這種坍塌體中救援不同于原始的煤巖體，在保證救援人員安全性的前提下，還需要提高救援速度，盡快實現(xiàn)坍塌體內(nèi)部的被困人員救援[2-3]。

目前現(xiàn)有的常規(guī)地下坍塌巷道救援方法如人工清障法、大口徑鉆機法、綜掘機法，均存在局限[4-5]。具體而言，人工清障法掘進速度慢，施工人員危險性高，并不適用于大范圍坍塌的巷道救援；大口徑鉆機法鉆進斷面小，還需進行多次擴孔，掘進速度慢，坍塌巖體鉆進難度大、成功率低[6]，難以滿足快速構建救援通道的基本要求；綜掘機法掘進擾動大、需要進行支護，掘進效率低，施工人員危險性高[7]。

因此，需要研究一種適用于復雜環(huán)境的井下救援裝備，關鍵在于以下兩點：一是快速性，即需要對坍塌巷道中堆積的巖塊能夠進行迅速破碎與排除；二是安全性，即對挖掘空間圍巖能進行有效支護[8]。

頂管法是目前值得深入研究的救援施工方法，相比于其他方法與裝備，頂管法掘進效率高、支護掘進同步進行、掘進過程安全，比較滿足井下構建救援通道的需求，國內(nèi)外已經(jīng)研制了多臺頂管救援機[9]。中鐵二局昆明救援隊引進一臺FS-120CZ 大口徑水平鉆機，該鉆機能夠快速鉆進管徑620 mm 的救援通道，但是，僅適用在砂土、黃土、黏土等地層，不適用在坍塌的巖石地層，同時，成孔斷面較小[10]。中鐵十七局集團研發(fā)了DG440BJ 液壓頂管機，這款設備采用人工出渣，人員工作強度較大，危險性較高，同時，不具備刀盤等自動破巖裝置。因此，頂管法應用于井下救援的過程中，坍塌巖石對破碎及排渣都提出了較為嚴格的要求，尚缺乏針對坍塌巷道掘進裝備相關研究，國內(nèi)外在該領域研究還處于空白階段。

針對坍塌巖體條件下刀群高效破巖的難題，突破頂管鉆進裝備高效破巖、松散巖石的高效排渣等關鍵技術，解決井下大斷面救援通道快速構建過程中鉆進穩(wěn)定性差、精準鉆進困難等問題；研究坍塌巖體條件下的松散巖石破碎機理，開發(fā)適應松散巖石地層穩(wěn)定鉆進的刀盤系統(tǒng)設計方法和大流量排渣技術，研制適應坍塌、破碎地層的大開口復合刀盤及大流量穩(wěn)定排渣裝置；建立干式頂管救援通道構建工法，形成井下頂管快速鉆進大斷面救援通道技術與裝備；以期推廣到資源開采領域，極大地加快井下救援通道構建作業(yè)速度與作業(yè)質(zhì)量，為全面提升我國資源開采領域作業(yè)安全保障技術與裝備國際競爭力提供有力的科技支撐。

1 整體結構方案及工作原理

1.1 整機結構方案

設計的頂管救援裝備的各系統(tǒng)布置如圖1 所示。刀盤傳動系統(tǒng)布置在機體的前端，通過驅(qū)動電機帶動刀盤轉動系統(tǒng)，糾偏系統(tǒng)布置在機體處，完成對刀盤前端的定向及糾偏作用。載體系統(tǒng)采用鋼管，用于布置刮板機及傳遞頂力，注漿系統(tǒng)布置在管體的內(nèi)部，每3 根頂管布置一個注漿孔，能夠?qū)r體完成注漿潤滑作用。在機體內(nèi)部布置排渣系統(tǒng)，通過刮板機及轉運膠帶，能夠?qū)⒃瓿蛇B續(xù)輸送。頂推系統(tǒng)包括主頂及中繼間，中繼間布置在管體中，主頂布置在硐室處，實現(xiàn)管體推進。液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)均布置在硐室內(nèi)部，通過連接油管及電纜，完成對機體的供油及供電。

圖1 煤礦頂管救援裝備整機布置結構Fig.1 Overall layout structure of coal mine pipe jacking rescue equipment

1.2 整機結構原理

首先，機頭被推入到坍塌巖體中，刀盤完成坍塌巖體的破碎。機頭頂進到位之后，進行換管動作，包括主頂回縮、斷開電纜及管路、放入頂管及連接電纜及管路等步驟。完成換管動作之后，根據(jù)坍塌巷道頂管施工工法，進行截割、頂進、糾偏、排渣等動作。完成頂進動作之后，如果頂進未到達救援地點，繼續(xù)進行換管動作，換管流程包括主頂回收、斷開電纜及管路、放入下一根管節(jié)，完成換管動作之后，繼續(xù)頂進，實現(xiàn)頂進動作的循環(huán)。如果頂進到位，將頂管機內(nèi)部刮板機快速拆卸，鋼管留在坍塌巖體中，以鋼管的管體構建救援通道，被困人員可以通過刀盤的開口進入到管道內(nèi)部，頂進救援流程如圖2 所示。

圖2 頂進救援流程Fig.2 Pipe jacking drilling rescue process

刀盤上布置有進料口，邊緣長度為675 mm。當頂管機貫通坍塌體后，被困人員可以通過刀盤上的進料口進入刀盤內(nèi)部，再沿內(nèi)徑為500 mm 的螺旋排渣裝置爬到內(nèi)徑為1 575 mm 的鋼管內(nèi)逃生，其結構如圖3所示。

圖3 機體救援通道Fig.3 Body rescue channel

刀盤前端遇到突發(fā)情況，需要人員進入切削艙處理的時候，操作人員能夠通過內(nèi)部刀盤的切削腔及刀盤的進料口，完成前端工況處理，同時，被困人員也能夠通過刀盤的進料口完成救援。

2 大開口復合刀盤研究

2.1 刀盤開口方式的確定

開口率是刀盤結構中與煤巖條件密切相關的參數(shù)。在開挖煤巖壓力比較小的條件下，若開口率太小，即使可以使開挖面處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是排渣性能會有所下降[11-12]。相反，在開挖煤巖壓力比較大的條件下，若開口率太大，即使能夠提高排渣性能，但是不能使開挖面處于穩(wěn)定狀態(tài)[13]。所以根據(jù)不同的地質(zhì)條件，合理刀盤的開口率是保障穩(wěn)定掘進及提高掘進速度的關鍵因素。煤巖施工時，常遇到刀盤阻力急劇增大的工況，一般發(fā)生在刀盤中心區(qū)域[14]。如果開口設計得不合理，會導致出渣效率低，刀盤刀具嚴重地磨損，降低刀盤刀具壽命，從而降低掘進效率。因此，應根據(jù)實際的地質(zhì)條件進行開口率的合理化設計[15]。

根據(jù)上述分析，刀盤在坍塌煤巖中掘進時，中心部位煤渣流動較差，因此，為提高刀盤切削效率，改善煤渣流動性，降低壓力平衡控制難度[16]，刀盤開口方式確定為中心和邊緣同時開口方式，邊緣開口按照輻條確定的區(qū)域與扇形輻板組合進行開口調(diào)節(jié)，參考現(xiàn)有頂管機刀盤的成熟方案，確定大開口刀盤的常見比率關系如下表所示。

由于刀盤中心要布置滾刀，無法使中心部分開口率很大，基于上述對比分析，采用如下策略進行開口率設計，通過減少靠近中心的副輻條的面積來增大中心部分開口面積。對于刀盤中心位置開口，為滿足煤巖渣流動性及平衡控制要求，將中心部分開口面積盡可能設置到最大，由表1 可以看出，參考現(xiàn)有的結構方案，選取刀盤總開口率為31%，中心部分開口率比例為40%。

表1 刀盤中心開口與總開口面積的比率關系Table 1 Ratio between the central opening of the cutter head and the total opening area

2.2 刀具布置

1)布置要求

刀盤針對不同的地質(zhì)條件需要進行針對性優(yōu)化及設計。針對軟土地質(zhì)條件，一般僅需配置切削刀具，比如切刀等。針對復合的地質(zhì)條件，在配置如切刀等類型的切削刀具基礎上還需要配置盤形滾刀。切刀的破巖能力為20 MPa，能夠切割和挖掘軟土。單刃盤形滾刀破巖性能優(yōu)于雙刃盤形滾刀，能夠破碎抗壓強度高于80 MPa 的巖石，適用于含有硬巖的地質(zhì)條件[14]。雙刃盤形滾刀能夠破碎抗壓強度低于80 MPa 的巖石，適用于含有軟巖的地質(zhì)條件。刮刀可以用于刮周邊的巖土。因此，布置雙刃滾刀、切刀和刮刀。

刀具布置會影響刀盤的切削效果、出渣狀況和掘進速度。滾刀的布置會影響刀具切削性能和壽命，刀盤系統(tǒng)的振動、噪聲。所以，不論對于什么類型地質(zhì)條件的刀具布置，都應該從優(yōu)化設計考慮，在刀盤上分散布置刀具，從而達到布局、結構和負載的合理性。

2)布置方案

刀具在刀盤上的布置方法通常有兩種：阿基米德螺旋線和同心圓。目前應用最廣泛的是阿基米德螺旋線法。為了刀盤能夠均勻開挖，應沿刀盤徑向及各轉彎半徑設置刀具。采用阿基米德螺旋線布置時，刀具對稱分布在與螺旋線相交的輻條兩側，使整個刀盤達到布置、結構和載荷的優(yōu)化設計。

主切削刀的數(shù)量，即沿刀盤在一個方向旋轉所需要的最少刀具數(shù)目，計算公式如下：

式中：N1為 圓周刀具最小數(shù)量；d2為刀盤切削外徑，取1 500 mm；d3為 中心刃旋轉直徑，取150 mm；b1為切削刀寬，取150 mm。經(jīng)過計算得出，N1為4.5。

由于實際工程中刀具數(shù)量為整數(shù)，對上式進行取整為5 個，計算主切削刀與中心刀沿著直徑方向的重疊長度：

式中：c為重疊部分長度；N0為刀具實際數(shù)量，取5 個。經(jīng)過計算得出，c為75 mm。

通常利用對稱方式來布置滾刀，這樣做的目的使刀盤受力均勻，提升滾刀的破巖性能，提高刀盤掘進效率。而對于坍塌巖體的刀盤，由于采用主輻板+副輻板的模式，滾刀布置更適合采用對稱形式進行布置，因此采用對稱模型進行滾刀的布置。

對于中心滾刀，因為刀盤中心部分面積不大，一般通過“一”形或“十”形方式來布置，采用“一”形，相位角度相差180°。為了達到滾刀布置要求，正滾刀布置跟中心滾刀布置在同一直線上。邊滾刀能切削掉煤巖，對于最邊緣的滾刀采用在同一同心圓上布置多把，相位角相差約90°。

基于上述刀具布置技術要求及輸入條件，通過優(yōu)化設計分析，刀盤上滾刀布置如圖5 所示。其中，中心滾刀和正滾刀共有6 把，邊滾刀4 把。

圖5 滾刀布置Fig.5 Schematic diagram of hob layout

刀盤采取2 根主輻板和4 根副輻板的結構方式，切刀布置選擇阿基米德單螺旋線方法布置。在滾刀布置方案的基礎上，布置切刀。滾刀與切刀之間的高度差，有利于破巖能力的提高，設計為20 mm。因為中心滾刀和正滾刀以及刀盤開口方式的限制，因此切刀只布置在4 根副輻板上，并且布置了可拆卸的刮刀2 把。刀盤上刀具布置方案如圖6 所示。

圖6 刀盤刀具布置方案Fig.6 Cutter head tool layout plan

從刀盤刀具初步布置方案可以看出，給定刀具的切割路徑幾乎覆蓋整個開挖面，能夠確保整個開挖面被完全切斷，刀盤方案及實物如圖7 所示。

圖7 刀盤結構及實物Fig.7 Cutter head structure and physical

3 小直徑頂管救援裝備驅(qū)動系統(tǒng)

頂管救援裝備的傳動系統(tǒng)設計基于頂管機的傳動系統(tǒng)，減速傳動系統(tǒng)是由驅(qū)動電機、兩級標準型減速箱及刀盤驅(qū)動齒輪結構組成，采用大直徑內(nèi)孔的結構方式，既可作為排渣孔，又可作為人員逃生通道。采用螺旋輸送的方式，能夠完成渣石的連續(xù)輸送，將刀盤切削過程中產(chǎn)生的渣石排出。采用4 臺電機驅(qū)動方式，分別布置在正上方、正下方和兩個側面，每臺電機各帶動1 個小齒輪，與一個大外齒輪相嚙合，能夠帶動整個刀盤運轉。具體結構如圖8 所示。

圖8 機體結構組成Fig.8 Structure diagram of engine body

為了能夠滿足機體刀盤的糾偏功能，將機體分為前后兩個管節(jié)組成，并分別在機體的均布4 個糾偏千斤頂，分別調(diào)節(jié)4 個糾偏千斤頂?shù)纳斐鲩L度，能夠?qū)崿F(xiàn)刀盤的糾偏功能，為了保證機體的密封作用，在旋轉內(nèi)套布置了動密封，采用Y 型密封圈裝置，并且Y 型密封圈唇口方向相反，能夠保證對內(nèi)壓和外壓同時密封，在前、后管節(jié)形成一定的糾偏角度之后，也能夠?qū)崿F(xiàn)機體的密封作用。

4 新型排渣系統(tǒng)研究

井下大斷面頂管排渣系統(tǒng)的技術難點在于渣石粒徑大；設備尺寸小，能夠布置在1.62 m 管內(nèi)；換管時運渣設備能夠快速連接。為此要設計一種排渣系統(tǒng)能夠布置在小管徑空間內(nèi)，需實現(xiàn)大粒徑渣石的大流量、快速、穩(wěn)定輸送及換管時的快速連接。

當前排渣系統(tǒng)設計存在的問題包括破碎與排渣均需獨立驅(qū)動；結構復雜，尺寸大，布置困難；傳統(tǒng)排渣方式無法實現(xiàn)人員進出；并不能滿足大顆粒渣石快速通過；出渣效率低等[17]。目前已知破碎排渣方式包括刀盤+獨立驅(qū)動動力和排渣設備+獨立驅(qū)動動力，均不能滿足設計需要。因此研制了一種外周驅(qū)動、破排一體的新型排渣系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的小直徑頂管排渣系統(tǒng)一般是采用水壓輸送的方式，但是，水壓輸送受到管道直徑、輸送能力的限制，導致輸送渣石的粒徑較小，頂進速度較慢。本文研發(fā)的排渣系統(tǒng)的創(chuàng)新思路是在小直徑頂管機里面應用了連續(xù)性干式排渣系統(tǒng)，能夠解決大流量大顆粒排渣需求和排渣系統(tǒng)小空間布置困難的問題，主要結構包括出渣管、行星減速器、大齒輪、刀盤、電機等，電機帶動刀盤旋轉，同時，刀盤大齒輪帶動出渣管轉動，出渣管內(nèi)部焊接有螺旋的排渣條，煤巖破碎后進入刀盤，再由排渣管連接刮板機進行連續(xù)出渣，實現(xiàn)了破排一體的無間斷作業(yè)，排渣效率較高，排渣粒徑較大，如圖9 所示。

圖9 外周驅(qū)動、破排一體的新型排渣系統(tǒng)Fig.9 New slag removal system integrating peripheral drive and breaking and discharging

其排渣裝置用單一驅(qū)動源實現(xiàn)破巖和排渣，極大簡化了主機結構和控制難度，適應小尺寸空間布置。并且采用大通徑排渣管設計，解決大流量大顆粒排渣問題。設計新型刮板機取代傳統(tǒng)小車，運渣作業(yè)由間斷變?yōu)檫B續(xù)，滿足大流量排渣需求。其運渣裝置為刮板機，采用分段式設計，刮板加長與頂管機換管同步，有效提高排渣效率，如圖10 所示。

圖10 排渣系統(tǒng)結構Fig.10 Obstacle removal system structure

5 模擬坍塌巷道的工業(yè)性試驗

5.1 試驗環(huán)境搭建

在廣州白云區(qū)碎石場開展井下大斷面救援頂管救援裝備模擬試驗，模擬巷道由粒徑為20～500 mm 的巖石與渣土組成，巖石堅固性系數(shù)f為5～6，模擬巷道與井下實際坍塌巷道的環(huán)境相似，測試裝備的破巖效果及掘進效率，模擬試驗現(xiàn)場環(huán)境如圖11 所示。

圖11 非穩(wěn)定鉆進環(huán)境模擬作業(yè)對象現(xiàn)場Fig.11 Simulated operation object site in unstable drilling environment

5.2 試驗測試結果

設備采用分體式設計及組裝，方便頂管救援裝備運輸，采用自支撐主頂裝置，完成設備的快速組裝，完成刮板機及機體的電纜連接、各設備調(diào)試，實現(xiàn)坍塌巷道的頂進測試，具體如圖12 所示。

圖12 頂管救援裝備試驗現(xiàn)場Fig.12 On site construction of pipe jacking rescue equipment

2021 年5 月開始施工準備，歷時32 h 完成整體的施工準備及安裝。5 月24 日開始正式頂進施工，5 月30 日完成頂進施工任務，頂進距離為102.5 m，形成內(nèi)徑為1 575 mm 的救援通道。

5.2.1 刀盤轉矩測試數(shù)據(jù)

頂進過程中，實測的刀盤轉矩如圖13 所示。由于切割對象為破碎的巖體，刀盤在切削過程中，對刀的沖擊較大，因此，刀盤轉矩的波動數(shù)值較大，最大的波峰刀盤轉矩達到了310 kN·m，最小轉矩為52.4 kN·m，大部分轉矩保持在200～100 kN·m，傳統(tǒng)巖石頂管機在巖石地層掘進的轉矩一般為50～120 kN·m，與之相比，可看出坍塌巖體掘進的轉矩顯著增大。因此，在設計救援裝備過程中，應適當提高機器的設計轉矩，提高刀盤的驅(qū)動及脫困能力。

圖13 刀盤轉矩測試Fig.13 Cutter head torque variation diagram

5.2.2 頂力測試數(shù)據(jù)

頂進過程中，實測的救援頂管機的頂力曲線如圖14 所示。隨著頂進距離的延長，頂力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，在完成102.5 m 的頂進之后，頂力峰值約為8 025 kN，傳統(tǒng)巖石頂管機在巖石地層掘進的100 m頂進的頂力為100～400 kN，救援頂管機頂力大于傳統(tǒng)的頂管機。這是由于周圍巖層為坍塌巖體，注漿的漿液都從巖體縫隙中流出，導致管體的注漿減阻效果較差。

圖14 頂力變化Fig.14 Jacking force variation diagram

5.2.3 頂進方向監(jiān)控數(shù)據(jù)

現(xiàn)場頂進施工方向監(jiān)控是以模擬巷道總體布局的通道方向預設，在兩側千斤頂?shù)闹虚g安裝全站儀，調(diào)整全站儀的安裝高度與頂管救援裝備的測量靶通視，全站儀的激光束與巷道的方向基本一致，調(diào)整測量靶位置，使激光束投影到測量靶的測量中心上。在頂管救援裝備的后上方安設攝像機，將頂管救援裝備的測量靶影像投視到操作臺的顯示屏上，頂進時打開全站儀的激光束，通過操作臺的顯示屏實時監(jiān)控頂管救援裝備的走向。頂進方向偏差見表2。

表2 頂進偏差測量數(shù)據(jù)Table 2 Measurement of pipe jacking deviation

考慮到頂進時頂管救援裝備振動，當激光束偏移2 cm 時采取開始方向糾偏措施，等激光束不再繼續(xù)偏移時收回方向糾偏措施繼續(xù)頂進。頂進初期的軸線偏差較小，隨著頂進的逐漸深入，松散巖石對刀盤產(chǎn)生較大的傾斜力，頂管救援裝備出現(xiàn)振動、扭轉等狀況，給方向控制增加了很大的困難，方向偏差有所增大，最終到達102.5 m 時，方向偏移達到了35.2 cm。

通過分析模擬試驗的數(shù)據(jù)能夠得出，整體設備可以滿足坍塌巖體的破巖及掘進功能需求，施工長度為102.5 m，日進尺為43.92 m，最大頂進誤差為0.35 m，較以往井下救援通道鉆進裝備的鉆進速度、成孔直徑大幅提升，在試驗過程中，坍塌巖體的掘進截面為典型的非結構化切削截面，刀盤與其接觸產(chǎn)生較大的切削力，刀盤轉矩變化較為劇烈，峰值轉矩達到了310 kN·m，遠超傳統(tǒng)頂管機的切削轉矩。

6 結 論

a.針對現(xiàn)有煤礦坍塌巷道救援通道掘進速度慢，安全性低等問題，提出了頂管巷道施工工法，采用管體作為掘進載體及救援通道，通過全斷面大直徑刀盤完成巖石的破碎，提高了救援效率及安全性。

b.根據(jù)破碎煤巖體的力學特性，研發(fā)適用于坍塌巖體的大開口刀盤結構，刀盤開口率為40%，提高小粒徑渣石的通過率，能夠極大地提高破碎巖體的破巖效率。

c.研發(fā)外周驅(qū)動、破排一體的新型排渣系統(tǒng)，摒棄了傳統(tǒng)的小直徑頂管機的水力排渣方式，采用中心螺旋排渣孔、刮板機的排渣原理，提高了渣石的輸送能力，最大粒徑能夠達到300 mm。

d.搭建破碎巖石組成的模擬巷道，完成救援頂管機的試驗測試，試驗結果表明，與傳統(tǒng)的巖石頂管機的作業(yè)環(huán)境相比，頂進速度顯著提高，刀盤轉矩變化較為劇烈，頂力增加呈線性變化趨勢，刀盤糾偏難度較大。