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新技术扩大了掘进机的应用范围,新技术,扩大,掘进机,应用,范围
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新技术扩大了掘进机的应用范围由Uwe Restner，Josef Pichler&Bruno Reumueller，SANDVIK采矿和建筑G.m.b。 H.，Alpinestrasse1，A-8740Zeltweg，奥地利摘要掘进机是采矿和隧道中地下开挖的非常有用的设备，具有很高的操作灵活性和切割几乎任何隧道轮廓的能力。 对于掘进机来说，作业范围对地质的限制直接关系到开挖成本，特别是在较硬、较磨料的岩体条件下进行切割时。 在这种情况下，刀具消耗显著增加，切削性能下降。 由于切割过程中应力较高而造成的不同缺陷造成的设备停机时间和由于较高的拾取消耗而导致的较长的拾取更换间隔，对开挖成本产生了负面影响，限制了连续机械开挖过程的优点。本文的目的是介绍掘进机技术的最新发展，主要集中在扩大掘进机的应用范围，以更硬和更磨料的切割条件。 所谓的ICUTROC（“我切割岩石”）研发项目的结果现在将机械挖掘提高到新的性能水平。 一些典型的ICUTROC掘进机应用，在以前的应用范围之外，突出了新一代臂架式切割机的能力。 该项目由欧洲联盟在欧洲联盟委员会-DGXII管理的BRITE EURAM III工业和材料技术方案范围内提供资金，这一事实表明了该项目的环境和经济意义。1. 导言掘进机是一种非常通用的采矿和掘进井下掘进机。 掘进机采用刀臂开挖岩体，可在垂直和水平方向独立移动。 因此，掘进机可以切割任何隧道形状和剖面，并适应改变操作条件或选择性开挖。 机械切割过程避免了对围岩的冲击载荷，最大限度地减少了过断。 掘进机的开挖导致地下开口平滑，特别是在不稳定岩体的危险区域。掘进机的典型切割顺序包括以下步骤： 通过使用伸缩式切割器臂架或通过向面的有轨电车进入岩体。 通过水平旋转刀盘和垂直调整切割深度来切割端面。 对隧道壁进行剖分，下料，清理隧道底板。图1：MT720隧道掘进机正面和顶部视图2. icutroc研发项目1995年VOEST-ALPINE Bergtechnik Ges.m.b。 H.，现称SANDVIK矿业与建筑G.m.b。H.，发起了一个研究和开发项目，缩写为“ICUTROC”，目的是扩大掘进机的经济应用范围，以切割更硬和更磨料的岩石类型（见图2）。 该项目的目标是利用不超过300千瓦刀头功率和120吨操作重量的掘进机实现这些所谓的ICUT ROC目标，以保持足够的灵活性和机动性，同时也将投资成本保持在一个低而体面的水平。图2：ICUTROC项目的目标区域ICUTROC研究计划将VOEST-ALPINE Bergtechnik和SANDVIK Rock Tools作为工业合作伙伴和设备供应商，Thyssen Schachtbau和Somincor作为应用程序方面的合作伙伴，以及Seibersdorf研究所、ARMINES CGES和Montanuniversitat Leoben作为研究和科学合作伙伴（见图3）。 合作伙伴的组合三个不同的业务领域保证了对实际应用领域和科学背景的强烈关注。图3：ICUTROC研究和开发项目的组织3. 研究方法研究的重点是刀具的力学性能和磨损性能，以及切削和机械系统的特点。研究工作包括： 刀具的新概念和生产技术 新工具开发后的实验室测试 利用计算机辅助建模和仿真开发了一种新的切削系统 土木工程和采矿终端用户在实际条件下测试和优化新的切割系统 更好地理解岩石/岩体行为与切割过程之间的相互作用基本上，ICUTROC项目背后的主要思想是确定岩石-工具-设备相互作用系统对岩石/岩体切削性或可塑性的影响因素（见图4）。图4：岩石-工具-设备交互系统示意图4. 开发新的刀具一个完整的新一代硬质合金等级，所谓的“S-GRADE”，是由SANDVIK岩石工具开发和专利。 该概念保证了嵌入在钴基体中的大TC晶粒的完美结构的组成。 砖的砖结构和均匀的晶粒尺寸分布的TC晶粒保证了致密的形貌，没有孔隙率和其他缺陷（见图5）。图5：S级（左)与标准级(右)的比较）有限元计算和模拟以及许多实验室切削试验，以确定和量化磨损机制和热物理性能（见图6）表明，与旧刀具相比，新刀具的寿命超过了两倍。 新S级与标准TC级的比较现场试验证实了在试验台上进行的理论和切削试验的结果。摘冷却系统一时冲图6：刀具的载荷（左)和温度(右）模拟5. 开发一种新的冷却系统在硬质和磨粒岩石切割过程中，镐尖的热产生和温度对镐磨损和镐失效有很大的影响。 因此，开发了一种新的Pick冷却系统，在可接受的水流量下提供最佳的Pick冷却。 新的冷却系统的开发导致了与目前的Pick冷却系统相比工具磨损的近一半（见图 在切割过程中和切割后，插入类型具有恒定的冷却插入类型与中断冷却在切割期间和之后7）。 这一结果是通过优化喷雾喷嘴的配置与专利的间歇扇形控制喷水系统相结合来实现的。 除了减少镐的消耗外，新的冷却系统还能够将冲洗水量减少25%。8007507006506005505004504003503002502001501006. 开发一种新的切削工艺根据在试验台上进行的切削试验（与切削深度和间距有关的切削力）得出的结果，进行了基本的拾取花边布局调查，在很大程度上提高了切削过程的效率。 还利用特殊的刀盘设计和仿真软件对刀盘的改进布局进行了仿真（见图8）。 通过低切削速度提供更高的比挑力，导致切削过程的显著改善。 特别是新一代圆锥切刀的发展，使更高的切削力在切削过程中得到了应用。图8：刀盘布置专用刀盘设计与仿真软件7. 适应机器系统的开发由于新的慢种子切割工艺产生较高的反作用力，与高速切割工艺相比，在全300K W刀机电机功率下具有双倍的扭矩，因此必须适应完整的机器结构。 通过计算机建模和有限元模拟技术，使硬岩切割的新切削特性与整机系统相协调。 因此，必须在以下因素之间找到平衡： 由于岩体性质引起的反作用力 切削单元的几何参数 切削系统的工作特性，包括切削速度、回转速度、深底深度和切削深度 机刚度和结构稳定性因此，建立了完整掘进机的FE模型，用于模拟整个系统的弹性行为（见图9）。此外，还设计了一些降低切削系统弹性的概念，以满足硬岩切削所需的刚度参数。 通过对液压系统的特殊改造，大大提高了切削单元的刚度，使刀臂得到了更好的稳定。这种稳定的刀臂，使更明确的切割参数与切割深度和间距的拾取痕迹。 同时，刀臂的旋转运动更加均匀，减少了机器振动。较低的机器振动甚至对整个机器寿命有很大的好处。图9：整机系统的FE建模与仿真8. 总结发展成果所有特别努力和具体发展的最重要结果是获得一个高效率的切割系统，使切割更硬和更磨料的岩层。 图10中的图表清楚地表明，在ICUTROC项目中取得了重大改进。 图中比较了采用高速切削的旧参考系统和采用慢速切削的新改进系统。图10：整机系统的FE建模与仿真图10显示，实现了比切割能量的显著降低。 一方面，这使得切割岩层通常是常见的掘进机更有效（可以实现更高的净切削率），另一方面，它保证了一些储量，以切割更硬的岩层，这是无法削减的共同掘进机到目前为止。 新的切削系统的效率更高，也可以从岩屑的尺寸上看出，这往往是晶粒尺寸更大。 此外，应用缓慢的切割速度也能显著减少切割过程中产生的粉尘。 面后4m的总粉尘浓度由高速切割基准系统实现的143.6 mg/m降低到14.6mg/m，由新的慢速切割系统实现。 切削速度慢的应用对刀具磨损也有很大的好处。 具体的采摘消耗，特别是通过切割非常磨料的岩层，被广泛减少，如图10所示。较高的拾取力提供的低切割速度，结合稳定和控制的运动的刀臂，使利用掘进机切割更硬和更磨料的岩层，并增加切割岩层的切割性能，通常用于普通掘进机。 但新的低速切削系统成功的最重要的事实之一是减少了采摘消耗，这可以用以下两个事实来解释： 摩擦力产生的热量与切削速度有一定的关系。 高温通过施加高切削速度削弱了刀镐的碳化钨(TC)插入件。 这种削弱导致更高的镐磨损，并可以通过降低切削速度来减少。 切削速度的降低也减少了对刀具钻头TC插入件的影响，当钻头开始穿透岩石时就会出现这种情况。 基本上，这些岩石压痕的影响与切削速度成正比，这意味着随着切削速度的增加，对刀镐TC插入件的影响也显著增加。 因此，较高的冲击载荷对刀镐的TC插入件造成机械应力，最后由于TC插入件的机械过载和开裂而导致刀具失效。所有这些来自ICUTROC 研发项目的好处最终都变成了新一代的掘进机， 即所谓的ICUTROC（“我切割岩石”）掘进机，特别是为切割更坚硬和更磨料的岩层而设计的。9. 新的icutroc掘进机应用实例以下最近的操作示例指出了新的ICUTROC掘进机生成的能力。9.1 蒙特利尔地铁蒙特利尔地铁系统的2号线延伸到拉瓦尔，连接了一个大型住宅区和蒙特利尔市中心。在由页岩层和辉绿岩堤坝交叉的结晶灰岩、化石灰岩和泥质灰岩中，覆盖层很少的隧道穿过一个非常敏感的住宅区，必须连接到地铁系统现有的地下设施，并通过一条大河以及对振动敏感的现有隧道。 根据工程财团SGTM的要求，SANDVIK采矿和建筑公司在早期项目阶段参与了机械开挖的预调查。 咨询工作包括使用MT720( 原ATM105-IC)ICUTROC掘进机等重型级掘进机进行机械开挖的可行性研究。 这种早期的参与保证了对分配给挖掘工作的掘进机的操作数字的合理评估，并最终奠定了成功投标掘进机反对D&B操作的基础。该项目全长5.2公里，包括单线和双线隧道、车站和辅助结构，如竖井和坡道。 这些建筑必须由掘进机或D&B进行。 该项目最关键的部分是一条600米的双线隧道，穿过“Riviere des Prairies”河，与单线隧道相交。 在交叉口区域，隧道的最大宽度超过16米，最小岩石覆盖9米，相当于隧道顶板与河床之间的距离。图11：地铁蒙特利尔2号线扩建部分的现场地图和C04地段的详细地图如图1所示，主要隧道的开挖分为3个地段 C01、C04和C05。 该地段C04和C05被预测为D&B或掘进机挖掘作为替代方法。 但对于C01，对于合格的开挖方法存在着一些严重的问题。 设计师和工程师们担心隧道顶部和河床之间9米的薄盖。 遇出现爆破引起的裂缝和裂缝，水直接流入隧道，危及整个工程。 因此，一直强调掘进机的挖掘，排除了D&B。项目区位于圣劳伦斯低地(年龄：700-350Ma)，由一系列泥质、化石和结晶灰岩组成， 具有页岩夹层、次水平层理和辉绿岩交叉，垂直定向。 此外，还采集了一些有代表性的岩石样品在SANDVIK采矿和建筑岩石测试实验室进行测试，以获得一些用于岩体切削能力评估的数字。 整体UCS 已确定90MPa ， 导致完整岩石的净切割速率为27固体m/nch(nch.净切割小时。 为了评价影响净切削速率的岩体特征，采用了SANDVIK采矿和建筑RMCR系统。 根据RMCR的值30计算出40固体m/nch的有效净切削速率。 总体CAI值为0.7，相对于整体UCS，用切割材料的0.1pick/固体m评估特定的pick消耗。 详细岩石数据如图12所示。图12：根据钻芯样品的机械岩石数据MT720于2002年10月在C04地段开始运作。 首先，一个坡道被切割到隧道水平，然后机器在主隧道的两个面工作。 轮班设置是由两个10小时的切割班和一个后班进行岩石支撑安装。 这4小时的空闲时间用于维护和地点更换。 对于操作监控，SANDVIK采矿和建筑公司创建了一个报告系统，并对操作数据进行了完整的统计分析（见图13），显然，获得的操作数据-净切削率和特定的采摘消耗-符合预期和评估。平均NCR：39，19固体m3/h平均SPC：0103镐/实心m3蒙特利尔/加拿大ATM105/028-IC的每日业务数据净切削率(NCR)和特定选择消费(SPC)1009590858075706560555045403530252015100,500,450,400,350,300,250,200,150,100,05日期每日NCR累积平均NCR每日SPC累积平均SPC图13：C04记录的操作数据净切削速率是由每个有效切割时间切割岩石的体积来定义的。 有效切割时间由刀盘与岩石接触并实际切割的时间来定义。 因此，补充剖面或加载时间不计入有效净切割时间。 运行监控还包括对机器运行效率的评估。 工作地点的停机时间-占总轮班时间的10%-在正常范围内，这表明工作地点有良好的基础设施和组织。 77%的机器利用率是相当令人印象深刻的，但必须指出，这个百分比是基于机器的双面操作，也包括从一个面到另一个面的电车时间。蒙特利尔/加拿大ATM105/028-IC的业务数据机器利用和待机时间10%7%1%2%3%77%机器使用的总时间（液压时间）选择交换的总时间午餐/旅行总时间维修总时间由于工作地点而暂停的总时间由于机器而停止的总时间图14：C04运营数据的统计分析虽然对达到目标数字有一些担忧，但最后，掘进机的操作证明是正确的选择。时间表以及开挖的费用都得到了满足，当最后衬砌安装时，机械开挖的真正好处就显露出来了。 没有满足振动极限的问题。 当地居民无投诉或诉讼。 就D&B隧道段发出135份投诉。 无稳定性问题按顺利机械岩体开挖。 由于没有爆破冲击，关节和骨折没有激活。 平均超过断裂或超过切割分别为8厘米。 在D&B隧道段报告30-40cm。 这使得最终衬里的安装成本大大节省！ 基于单脸操作的更高的进率。切割隧道的非常精确的轮廓证明有利于最终衬砌的安装。 混凝土和工作时间节省的费用对整个隧道工程产生了巨大影响。 在1200米的C04地段的总长度上，与D&B隧道段相比，混凝土的节余是用4，960m或1785，600加元(每m360加元)计算的-不包括任何时间损失。 此外，不需要放置额外的低强度楼板混凝土-对于D&B隧道段，每1m隧道米需要低强度楼板混凝土。 此外，D&B隧道段的额外灌浆工作花费了2400个隧道米超过1 个月-在掘进机隧道段，1200米的灌浆工作在3天内完成。图15：切割隧道（左侧)和爆破隧道(右侧)的轮廓）9.2 塞尼斯山隧道塞尼斯山隧道是第一条穿越阿尔卑斯山的隧道，于1870年12月26日取得突破。 这条长12,233.5米的铁路隧道的开挖历时13年，是隧道历史的一部分。 现在，自隧道开挖开始近150年后，隧道必须适应欧盟对今天铁路交通的要求。 隧道高度太小，不适合新的欧洲铁路隧道净空标准。 因此，必须通过将隧道的倒置降低到更深的地方来扩大轮廓水平。 旧隧道衬砌对任何振动都非常敏感，因此爆破和使用液压锤对现有衬砌具有很高的破坏风险。 这就是2001年SANDVIK采矿和建筑公司提出使用掘进机进行隧道仰拱机械开挖的可能性。该项目的第一步是收集尽可能多的地质和岩土信息，为掘进机的应用进行可行性研究。 但已经在项目现阶段出现了一些严重的问题。 一方面，旧隧道开挖的历史资料缺失，另一方面，很难从隧道仰拱中获得一些有代表性的岩石样本，因为由于隧道的衬砌和隧道墙壁和隧道上的厚厚的灰尘层，很难识别取样点，而且隧道也必须保持开放交通。图16：隧道修改草图意大利一侧的岩体描述如下：地质由一系列变质碎屑和部分含滑石的结晶灰岩组成。岩石呈细晶结构，片理面上有石墨。 在隧道开挖过程中，由于爆破，切割区的岩体结构应高度破碎。 像往常一样，在晶体分裂中，石英透镜的频繁出现是必须预料的。隧道意大利一侧约6公里。 为了补充，隧道法国一侧的地质与意大利一侧一样，持续了3公里，然后出现了约0.5公里的致密石灰石和白云石与一些石膏夹层，其次是约0.5 公里的石英岩，其余的隧道长度（2公里）由一系列碳时代的岩石组成，由砂岩和无烟煤接缝形成。在SANDVIK采矿和建筑岩石测试实验室测量的岩石测试结果，特别是UCS和CAI值，显示出一些显著的变化（见表1）。 为了评估预期的净切割速率和特定的采摘消耗，有必要对蒙塞尼斯隧道意大利一侧的钙质片岩地层得出具有代表性的平均UCS和CAI值。 因此，将来自GEO DATA的UCS和CAI值用于统计分析。 确定隧道各断面的UCS和CAI范围， 计算各隧道断面的平均UCS和CAI值。 这些值描述了每个隧道段内UCS和CAI的预期范围。然后，用GEO DATA的平均值修正了在SANDVIK采矿和建筑岩石测试实验室测量的平均UCS和CAI值。 因此，最后将平均UCS定义为65MPa，即平均CAI1.6和平均RMCR为32。 通过这种方法，最大限度地减少了变化，并考虑了一些操作风险，即操作条件。报告编号。岩石类型链m长度m百分比UCSMPaBTSMPawfNmUCS：BTSkcwf*UCS Nm/MPa蔡从去从去av。 *av。*av。av。从去av。*av。*2001/063/01钙质片岩300012220922075,45%25,00120,0072,5093,198,4623,04111,000,250,802,801,800,932001/063/02具石英和方解石层的钙质片 岩，略具石墨化25,00120,0072,5041,174,2613,09101,000,320,802,801,802,322001/063/03钙质片岩，高度石墨化25,00120,0072,5050,825,218,23101,000,160,802,801,801,222001/063/04钙质片岩，高度石墨化25,00120,0072,5071,622,8314,93250,800,210,802,801,801,422001/063/05钙质片岩，高度石墨化25,00120,0072,5031,885,914,7051,250,150,802,801,801,14共计：12220100,00%-86,2559,606,7214,45111,050,24-2,161,82*预期*测量表1：岩石试验结果摘要根据修正后的岩石试验结果，评估了净切削率(NCR)、比镐消耗量(SPC)和可行的进率。 根据45个固体m/nch的计算有效NCR，并对可行的每天进率进行了评估。 为此， 必须确定一些业务数字。 系统可用性设置为90%，与机器运行时间相关的净切割时间百分比设置为50%，这意味着1台机器运行小时包含30分钟的净切割时间。 这种时间差异是由于刀盘的非生产性活动，如加载和轮廓。 因此，机器的生产或切割速率(CR)应在每台机器操作小时22.5立方米左右。 这意味着这台机器可以在1小时内提前大约11 米。 因此，如果我们考虑一天20个机器运行小时，这应该是最大的，最好的提前220 米每天应该是可能的。 但考虑到由于开挖条件困难，机器每天约10小时的实际运行时间，平均进尺110m/d应该是可行的。根据岩石试验结果，选择了一种直径为22mm的碳化钨钻头。 通过将特定的镐消耗作为UCS和CAI的函数来计算镐消耗。 在平均UCS为65MPa和平均CAI为1.6的情况下，SPC应每立方米切割材料制作0.07镐。 但由于4m宽度和0.5m高度的截面很小，石英层的频繁发生，在SPC中也存在一定的风险。 以前的掘进机操作表明，通过切割小于35m的截面来增加SPC。 这种增加是由于与总切割轮廓相关的隧道侧壁的拾取接触百分比较高。 此外，还必须考虑石英层的频繁发生。 因此，理论上每固体立方米0.07镐的SPC 增加了30%，导致每固体立方米0.09镐的有效SPC。2005年12月，MT620(前AHM105-IC)掘进机开始在蒙塞尼斯隧道意大利一侧开挖第一条铁路。 当然，在挖掘开始时，存在一些组织和基础设施问题，但经过大约2至3个月的学习期后，机器显示出相当令人印象深刻的性能数据。性能数字（见图17）：第一根钢轨的开挖显示了以下平均CR：28.51固体m/h 平均SPC：0.095镐/固体m平均预付率：92米/日平均CR：28，51固体m/h平均SPC：0，095镐/固体m蒙塞尼斯隧道/意大利（第一铁路） AHM105/013-IC运营每日数据)切割率(CR)和特定挑选消费(SPC)500,50450,45400,40350,35300,30250,25200,20150,15100,1050,0500,00日期cr累计CRSPC圣保罗共识图17：蒙塞尼斯隧道/意大利第一轨MT620的切割率(CR)和比镐消耗(SPC在2006年冬季奥运会期间，第一条铁路的挖掘花费了大约3个月的时间。平均推进率为9.5m/h，在机器制造200m的最佳日期。 第二条铁路的挖掘工作于2006年10月开始， 取得了以下业绩数字（见图18）：平均CR：33.15固体m/h 平均SPC：0.075镐/固体m平均预付款：93m/d直到2006年11月15日，平均预付款为11.05m/h-在获得这些数据后没有详细的机器小时。 但在整个开挖期间达到的最大日进率为240m/d。平均预付款：93米蒙塞尼斯隧道/意大利（第二轨）前进率AHM105/013-IC的每日运行数据240220200180160140120100806040200日期每日推进每日累积预付款图18：蒙塞尼斯隧道/意大利第二轨MT620的进率由于MT620在蒙塞尼斯隧道的意大利部分取得了巨大成功，还购买了另一台机器来挖掘隧道在隧道的法国部分的仰拱。 该机器的控制处理与激光引导系统相结合，使困难的开挖非常容易，几乎无振动的操作模式保护敏感的隧道衬砌免受任何损坏和可能的崩溃绝对成功。 由于过去几年的经验，评估的业务数据也是根据所取得的业务数字计算的。9.3 奥堡隧道Aarburg Festungstunnel（公路隧道）
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