第四节-岩巷掘进机

第四节岩巷掘进机,井巷工程,世界上第一个采用机械破岩法开挖的大断面岩石隧道是1963年由罗宾斯公司生产的全断面掘进机完成的，该隧道位于巴基斯坦境内，掘进直径11.20m，长4.3km。在昆明应用如图7-101所示。,图7-101昆明安宁掌鸠河引水隧洞工程应用的掘进机,第七章巷道掘进,2020/6/6,2,第四节岩巷掘进机,一、掘进机的类型掘进机是一种能够同时完成破岩、装岩、运输、支护、喷雾除尘和调动行走的联合机组，所以也称为联合掘进机。它具有掘进速度快，掘进巷道稳定，减少岩石冒落和超挖量，改善劳动条件，减轻劳动强度等优点。所以，掘进机在与综采工作面配套使用中发挥着越来越大的作用。1.根据掘进机所能截割岩石的硬度f值分适用于f4的煤巷，称为煤巷掘进机；适用于f6的煤或软岩石巷道，称为煤-岩巷掘进机；适,用于f4或研磨性较高的岩石巷道，称为岩巷掘进机。2.根据掘进机可掘巷道的断面大小分可掘巷道断面S8，称为大断面掘进机；可掘巷道断面S8，称为小断面掘进机。3.根据工作机构截割工作面的方式分部分断面掘进机和全断面掘进机。（1）部分断面掘进机主要用于煤与煤-岩巷道掘进，这种掘进机工作机构仅能同时截割工作面的一部分，工作机构前,端的截割头在截割断面时，经过上下左右多次连续地移动，逐步完成全断面煤岩的破碎，掘进机才向前推进一段距离。工作机构的截割头一般是安装在悬臂上，通常又称为悬臂式掘进机，其对各种复杂矿山地质条件的适应性很强，也有很大的机动性，所掘巷道断面面积变化范围较多，可掘出拱形、梯形、矩形断面的巷道。S150JA掘进机如图7-102、103、104所示。（2）全断面掘进机主要用于岩巷掘进，也可用于煤巷掘进。其工,图7-102S150JA掘进机总图外形尺寸(m):9.22.91.8；截割范围(m):4.8（高）5.5（宽）；伸缩量(mm)：550；总重(t):45；卧底深度(mm):300；爬坡能力:18；接地比压力(Mpa):0.14；截割头转速(r/min):46、23；截割电机(kw):160；液压电机(kw):75；星轮转数(r/min):27；装载能力(m3/min):3.5；一运链速(m/min):56；行走速度(m/min):07.0；油箱容量(L):500；液压泵：双联变量柱塞泵,图7-103S150JA液压系统总装图,图7-104悬臂式掘进机（a）-横轴式工作机构;（b）、（c）、（d）-纵轴式工作机构,作机构在整个工作面上同时切割或滚压破碎煤岩并连续推进。全断面掘进机掘出的巷道为圆形或拱形。这种机器功率大、体积大而且笨重，主要用于开凿洞和铁路隧道，在煤矿井下应用甚少。二、岩巷掘进机的构造1.掘进机构造全断面岩巷掘进机型号较多，图7-104所示为EJ-30型岩巷掘进机。它是由破岩机构、装运岩石机构、推进机构、除尘装置、方向控制装置、瓦斯警报仪、护顶板、机器支撑油缸、司机室、动力及,图7-104EJ-30型岩巷掘进机1-刀盘工作机构；2-铲斗；3-机头架；4-前支撑；5-电动机和减速箱；6-推进油缸；7-水平支撑；8-后支撑；9-机房；10-除尘器；11-胶带输送机；12-除尘风筒；13-浮动支撑机构；14-大梁；15-护顶板,液压系统等组成。国外有的还附有锚杆支护安装装置。基本结构如图7-105所示，示意图见图7-106。2.EJ-30型岩巷掘进机的作业循环（1）工作头对准掘进方向，机器的重量由前、后支撑承担。工作时，水平支撑靴板由油缸撑在巷道侧壁上，并将后支撑靴板收回，机器就处在工作的准备状态。（2）工作时，电机带动减速箱，驱动刀盘旋转，推进油缸将刀盘推向岩面，滚刀压入岩石并旋转破岩。同时铲斗将碎石装入输送机和转载机，其,12,第四节岩巷掘进机,图7-105岩巷全断面掘进机基本结构图1-工作头；2-输送机；3-操纵室；4-后撑靴；5-水平支撑板；6-上、下大梁；7-推进油缸；8-前撑靴；9-水平支撑油缸；10-机架,13,图7-106直径5m全断面掘进机系统示意图1-刀盘；2-机头架；3-水平支撑板；4-锚杆钻机；5-司机房；6-斜带式输送机；7-转载机；8-龙门架车；9-激光指向仪；10-环形支架机；11-矿车；12-电机车,它除尘、方向指示等装置也进入工作状态。（3）当推进油缸全部推出时，掘进机前进了1m。此时刀盘及输送机等停止工作，后支撑放下，水平支撑收回，推进油缸反向供油即将机身后半部向前移动，迈进一步。然后开始下一循环。临时支护由护顶板承担，随后由锚杆安装设备进行支护。三、岩巷掘进机的应用（一）全岩巷重型悬臂式掘进机掘进使用重型悬臂式掘进机已有可能在硬岩中取代凿岩爆破法掘进巷道。由于能准确地控制巷道的设,计轮廓，减少了对围岩的破坏和超挖量，故能减少支护工作量，特别是混凝土的消耗显著少于普通法。另外，掘进速度可提高12倍，降低巷道的施工费用。而且，成本较低的悬臂式掘进机与全断面掘进机相比，外形尺寸小，运转灵活。悬臂式掘进机掘进不太长的巷道在经济上较为合理。重型悬臂式掘进机用于大断面岩巷的掘进在我国还处于试验阶段，截至2006年，新集能源股份公司、新汶矿业集团、淮南矿业集团及乎顶山煤业集团公司等企业先后引进了德国WAV33、奥地利,AHMl05、英国MK3型重型悬臂式掘进机共4台。岩巷掘进设备主要应适应经济截割，f8以上的岩巷掘进。目前国内使用的掘进机截割岩石普氏系数仅为，f=68，在遇到断层多、地质条件复杂的岩层时，极易“趴窝”，掘进效率低下。AHMl05重型掘进机是奥地利奥钢联公司的巷道掘进设备，已在美国、澳大利亚、南非等国使用。AHMl05重型掘进机截割功率300kW，适应f=12岩石。新汶矿业集囝公司于2006年引进1台AHMl05型掘进机，现在用于龙固矿北区辅助运输大巷的掘进。该,巷道为全岩巷道，巷道断面净宽5.64m，净高4.5m。从2006年10月开始使用，3个月累计进尺240m，消耗截齿35把，最高日进尺6m，曾实现15d进尺90m。截割最硬的岩石为细砂岩，普氏系数，f=10，日进尺2.4m。试验反映机器的稳定性好，故障点少，遥控器的使用给操作带来了方便，但存在拱形巷道成型比较困难和湿式除尘器使用效果不好等问题。淮南矿业集团引进MK3重型掘进机，具备岩巷掘进月进尺300m以上的能力。MK3重型掘进机截割功率250kW，适应f=12的岩石，该机在潘二矿进行,试验，掘进巷道为半圆拱形，断面5.4m4.2m，全岩巷道，岩石为石英砂、钙质砂岩，f=45。使用2.5月，累计进尺300m，最高月进尺180m，截齿消耗0.5把m，其中含有一段长10m左右，夹有4m厚的白砂岩，f=7.2。试验反映配备的断面显示功能对巷道超挖控制较为实用，但铲板前伸功能作用不突出，掘进面降尘效果也不理想。（二）全断面岩巷掘进机全断面岩巷掘进机(TunnelBorimgMachine，以下称TBM)是当今最先进的隧道掘进设备。与钻爆,法相比，具有快速、优质、安全、经济、环保等突出优点。目前在国外大断面隧道掘进中已经得到广泛应用，尤其是3km以上的大断面隧道。我国5m直径岩石巷道全断面掘进机于1986年在山西古交矿区设计年产400万t的东曲矿东平硐进行试验。平硐的掘进断面为20.3m3。掘进机于1986年6月4日试掘，到1987年9月底共掘进1448m，平均月进103.4m，最高月进202m，工程质量全部合格，见表7-25。以后连续施工，总计完成平硐全长3653.5m的掘进任务。,表725直径5m掘进机逐月进尺表,该机推进一个行程（1m）的时间为2540min，纯掘进速度为1.52.4m/h。破碎下的岩石33m3，可装1t矿车30个。由于胶带转载机长44m，其下面一次可容纳22辆矿车，加之巷道内铺设双轨，配备多台电机车和足够数量的矿车，不仅能够,实现连续不断地排矸，而且运输能力大于破岩能力，能充分发挥掘进机的效率。本机在主机上配备锚杆钻机，在掘进的同时，可钻锚杆眼与安装锚杆，实现临时支护，在距工作面20m的地方进行喷射混凝土作业。当采用金属拱形支架时，该机上配备的环形支架安装机，也可以在掘进破岩的同时安装支架。上述支护形式，均可与掘进破岩平行作业，两种支护所用时间均小于掘进破岩时间，故均不占用循环时间，能充分发挥该机的效率，实现快速掘进。,该机掘进巷道质量好，对围岩扰动小，巷道成型好，超挖量少，围岩稳定，支护费用低。掘进1448m，优良率占50.8。全断面掘进机是由美国罗宾斯(Robins)公司生产，掘进机由机买部和后配套组成。机头部主要由刀盘、前护盾、后护盾等部分组成，主要实现截割、装渣、行走等功能。后配套位于TBM机头部之后，分为滚动支撑段和轨道平台两部分，主要功能是实现设备的控制、配电、供水、排水，及矸石的运输装车等，还有压风机、高压油泵等辅助系统。分移,动和固定支撑推进两大部分，如图7-105、107所示。这台TBM掘进机在山西“引黄”工程中曾创下日进113.21m和平均月进1333m的世界纪录。塔山矿井位于大同煤田中东部，是大同煤矿集团公司的一个特大型矿井，设计生产能力1500万ta。矿井采用平硐开拓方式，布置两条平硐，长度均为3500m。主平硐担负矿井的运煤任务，半圆拱断面，净断面为18.43m2，掘进宽度4.88m，净高4.69m，坡度为22的负坡。平硐表土段长度约为95m，采用混凝土砌碹支护。进入基岩后，围岩岩,图7-107岩巷掘进机,性分别有含砾黏土岩、石英砂岩、角闪片麻岩、混合花岗岩等、普氏硬度系数，f=46，主平硐最大埋藏深度为300m。采用锚喷支护，锚杆为端锚式树脂锚杆，长度2.0m，布置间排距为0.9m1.0m，每米巷道布置7根锚杆，喷射混凝土厚度为120mm。TBM掘进机在塔山矿井从2003年8月在主平硐开工，中途从12月6日开始有40天受地质溶洞的影响没有进度，至2004年2月共完成进尺2960m，平均月进493.3m，其中10月份创造了月进605m的记录，充分显示了大型机械袍岩巷掘进设备在矿井建设中的,先进性，掘进速度快，施工效率高，对保证工程进度和工期起到关键性的作用。由于TBM掘出的断面是一个圆形断面，还需进行开帮和铺底，来达到平硐的宽、高和规格形状。在后配套之后500m进行扩帮和铺底工程，形成设计断面。但是，TBM掘进机对地质条件变化的适应性较差，在复杂岩层中使用应进行充分论证；设备的成本及维修费用较高，工程的初期投入较大。全断面岩巷掘进机在国外的应用如图7-108、109、110、111所示。,图7-108在荷兰的阿姆斯特丹附近7.0km长的高速公路隧道工程中，使用世界上最大的、直径为14.87m的泥水/膨润土气泡加压式盾构，机重3100吨，月进尺达500m。这台设备已于2004年12月在上海转入一个新的工程的掘进。,图7-109在西班牙的Barcelina地铁工程，使用世界上最大的Wirth-NFM双模式EPB盾构机，直径11.95m，在抗压强度为200MPa的地层中正在开挖其中两条隧道。,图7-110在澳大利亚的悉尼修建一条耗资6.92亿美元、长12.5km的地铁线路，两台直径7.2m的TBM正以每周200m的速度穿越砂岩地层。,图7-111葡萄牙波尔图地铁工程，两台直径分别为8.7m、8.9m的掘进机在2003年6月1日在波尔图市政大厅下的地铁车站贯通。,五、岩巷掘进机的优点及目前存在的问题1.掘进机的优点岩巷掘进机与钻爆法相比较，掘进机具有以下优点：（1）工序少、工艺过程简单、便于生产组织。（2）施工速度快、效率高、成本低，比采用爆破配合装载机速度提高11.5倍，效率提高12倍，成本降低30%50%。如美国罗宾斯掘进机创了月进2089m的纪录，日进达到了127.8m。我国古交东曲煤矿使用国产EJ-5.0型岩巷掘进机，在页岩、,砂岩、砂页岩钻进直径5m的全岩巷道3300m，纯掘进速度1.62.4m/h，最高月进尺202m，日进尺12.7m，班进尺5.8m。（3）对巷道围岩扰动小，巷道成形规整，有利于围岩稳定与支护、通风安全及质量管理。（4）掘进机机械化程度高，劳动条件好，节省人力，强度小。2.存在的问题岩巷掘进机存在的缺点是设备重量大、动力消耗量大、刀具寿命较短，并且造价昂贵，因此工程,成本高；机器安装、检修、拆除工作量大，所以目前只在较长的巷道中使用；适应性差，转弯的曲率半径过大，不适应多变的岩层，特别是遇到涌水大、断层破碎带复杂地质条件时，适应性更差，掘进速度下降甚至无法工作。因此，岩巷断面掘进机的发展受到限制。随着科学技术、材料、机械工业及液压技术的发展及新型破岩方法的出现，以上问题必将进一步获得解决，新型岩巷全断面掘进机在井巷中定会有广泛的应用前景。六、全岩巷高效掘进技术发展趋势,全岩巷高效掘进技术是以发展大功率重型悬臂式掘进机为主，采用重型悬臂式掘进机实现高效掘进。悬臂式掘进机切割功率在不断加大，纵轴式截割头功率达250kW，横轴式截割头功率达350kW，可切割f=1012的岩石；广泛采用新技术、新工艺，提高整机自动化水平，如整机遥控技术、推进方向监控、切割电机功率自动调节、截割路径循环程控、切割断面轮廓尺寸控制及工况检测和故障诊断等。进一步优化截割、装载、行走等结构形式、探索新型截割方式，拓宽掘进机应用范围。,当前配套设备品种规格少，性能及质量水平不高仍是造成综掘效益上不去，适应范围不广的重要原因。下列设备与工艺可作为近期研制重点：可沿顶梁导轨移动或放置在掘进机上的轻便、简易的架棚机；吊挂式、龙门式胶带转载机，这两种设备可解决后配矿车的转载运输问题，有利于掘进机向大型基建矿井及不具备连续运输设备的矿井、隧道工程推广；逐步推广单轨吊，前提是采用金属棚及扩大巷道断面，这是提高综合机械化水平的方向；体积小、移动方便的除尘器，减少粉尘危害；提高电,压等级，解决长距离供电质量问题。七、国内外隧道工程施工情况1.国外施工情况隧道工程工作面少，施工环境恶劣，这是限制修建长隧道的控制因素之一，如在施工速度方面不能有所突破，势必影响长大隧道建设的发展。据文献记载，美国费拉蒂赫德单线铁路隧道长10.6km，采用钻爆法施工，最高月进尺398m，平均为288m/月；挪威芬塞单线铁路隧道长10.5km，采用钻爆法施工，最高月进尺440m，平均为360m/月；日本五,里峰双线铁路隧道长15.2km，采用钻爆法施工，最高月进尺281m，平均为166m/月，以上均指单口成洞速度。瑞士费尔艾拉单线铁路隧道长19.025km，北口采用直径为7.6m的TBM施工，单口平均月平均为429.6m；英法海峡单线铁路隧道采用直径为7.6m的TBM施工，法国侧北线最高月平均为1106m，平均664m/月；南线最高月平均为1177m，平均685m/月；英国侧北线月进667m，南线764m。2.国内施工情况我国铁路隧道的施工速度也在逐年提高。1960,年完工的川黔线凉风垭单线铁路隧道长4.27km，双口平均月成洞118.6m，其中1959年曾创造双口平均成洞达197m的记录，凉风垭隧道的施工速度，代表了我国5060年代采用钻爆法施工的最好记录。1997年初完工的南昆线米花岭单线隧道长9.392km，进口端月平均成洞105.7m，出口端月平均成洞106.08m。1994年11月26日至1994年12月25日，曾创造月成洞769m的最高记录。米花岭隧道的施工速度代表我国目前单线铁路隧道的施工水平。国产的隧道掘进配套机具，如MHI78三臂钻孔,台车、适用于有轨运输的LZL-120立爪装载机、12吨电瓶车、14m3梭式矿车，适用于无轨运输的10吨自卸汽车、ZL-30G装载机，TK-961湿喷机等基本上可满足隧道施工机械化的需要。秦岭隧道2号线是采用轨行门架三臂钻孔台车、挖掘装载机、大容积梭式矿车等重型机具先开挖断面为26m230m2的导坑，平均月进尺达264m。值得指出的是，在2号线导坑的开挖中采用直径1.3m的风管，110kW风机创造了单台风机独头通风距离6000m的记录。超过6000m后，再串联一台风机，到,独头通风距离9500m时，作业面空气仍符合标准要求。如图