浅谈盾构机结构在煤矿掘进的发展与展望

2020-07-04赵怀宇

科学与财富 2020年14期

摘要：盾构机近十几年在我国发展迅猛，已经成为城市基础建设当中的重要角色，近几年盾构机逐步与煤矿领域接触，契合煤矿巷道掘进的特点，在原有盾构机结构的基础上创新，研发出适合于煤矿领域的掘进机。本文简述了常用盾构机及煤矿中应用的盾构机的结构特点，并对盾构机在煤矿领域中的应用进行展望。

关键词：盾构机;煤矿应用;工程机械

1引言

盾构机作为大型工程机械中的一员，近些年在中国得到了巨大的发展，在最初始结构的盾构机的基础上已经拓展出了土压平衡盾构机，泥水盾构机，硬岩掘进机，顶管机等特种设备以应对不同地质条件的隧道掘进，但其依旧主要应用于城市基础建设领域，如地铁修建，城市地下管廊，穿山引水工程等。近几年来，盾构机行业已经逐步开始向其他领域进军，保留其核心结构特点，研发结合对应领域特点的变种设备，如煤炭领域，竖井领域等。改变原有行业的设备格局，使施工工程变得更节省人力资源，更节省时间，更高效自动化，智能化。在未来的一段时间里，甚至可以发展成全自动无人操作化，智能探测识别施工智能化，全断面综掘全能化。

2常规盾构机结构简介

盾构机是一种集合了机械，液压，电气，土木工程，自动化等技术为一体的大型工程机械，以最为常见的土压平衡盾构机为例，其设备可自动完成掘进，管片支护，排渣等工程施工工作，与以往施工方法相比，有着高效，安全的优点，其典型结构主要分为刀盘及其驱动，主机，支护设备，后配套四大部分。对应隧道工程的掘，进，临时支护，辅助四大基本要素。使隧道掘进工作一气呵成，事半功倍。其各部分特点如下：

刀盘主要功能是切削岩土，刀盘上根据不同的地质条件会设置不同数量，不同种类，不同作用的刀具，刀盘主要以圆形为主，其驱动使刀盘整体旋转，常用电机或液压马达为其提供动力。

主机的主要功能是为整机提供前进动力，是盾构机的行走机构，其行走动力的核心部件常用液压油缸。液压油缸一段连接主机，另一段支撑在支护管片上，依靠力的相互作用向前行走。

支护设备其主要功能是为难以自稳的地质结构提供临时支护，为后续掘进及后续施工提供安全保障，目前常用支护设备主要是自动管片拼装机，用来拼装水泥管片或钢管片。

后配套主要功能是为掘进，动力及其他施工过程中的工作提供支持保障，如果盾构机犹如一台火车，那么后配套就犹如一节节车厢，在这一节节车厢上放置各种配套设备，如液压油箱及液压站，循环水系统，操作室，二次支护系统，变压器等电气设备，渣土运输皮带机，通风与除尘系统等，根据不同工程的不同要求，后配套的设备设施也不尽相同。

目前而言，无论盾构机设备的衍生设备如何变种，也离不开隧道掘进的四个要素及其对应的四种基本设备设施结构。

3常规盾构机结构在煤矿领域的应用

盾构机的主要功能就是挖掘隧道，而近几年中国盾构机在中国的城市基础建设领域中已经应用成熟，而类似需要挖掘隧道的领域已经与盾构机研发生产公司接触共同研发创新型盾构机的变种设备。目前，在煤矿方面研发进展较多。

随着煤炭资源的逐步开采，煤作为不可再生资源，随着开采量的增大，开采深度越来越深，开采难度与开采危险性逐渐加大，常规开采工作的成本也逐步增加。开采一个煤矿，往往需要挖掘多个纵横交错的巷道，不同的巷道作用不尽相同，分别起到通风，运输，采进等作用，以往煤巷施工首先要破碎岩石，常用破岩方式有两种，对于岩石较软的采用机械破岩，对于岩石较硬的采用爆破破岩。目前，深层煤矿往往多硬岩，用传统掘进机效率低，耗时耗力，用爆破破岩对周围岩石扰动大，在深层中容易发生危险。此时盾构机的施工有优点即可体现出来，掘进一次成型，对围岩扰动小，能够挖掘硬岩且效率高。甚至可以做到地上操控地下掘进，大大提高安全性。

煤矿中大型巷道多为马蹄形，目前成熟的盾构机技术只能挖掘圆形的硬岩截面，所以大多巷道采用盾构机挖掘圆形截面后二次施工回填的方法。煤矿中的盾构机刀盘及其驱动跟常规盾构机刀盘及其驱动设计原理相同，根据不同的地质情况安装不同的刀具，结合地质特点使用不同的刀具的排布方式;其主机的结构原理与双护盾形式的硬岩掘进机类似，以支撑盾支撑围岩使其具有足够大的摩擦力，进而使主推油缸有支撑点，使整机能够向前推进，部分盾构机在设计时结合了煤矿常用的综掘机的特点，采用履带行走的方式作为其向前行进的动力系统;支护系统需要结合地质情况设计，因为是硬岩，所以大多采用“锚网喷”的支护方式，在盾构机上设置锚杆钻机，自动网片拼装机及自动喷浆机械手，在掘进每一次换步的过程中，实现“锚网喷”的临时支护方式，如遇到更加恶劣难以自稳的地质情况时，在盾构机上增加钢拱架拼装器，在隧洞内拼装圆形拱架;后配套上的辅助设备需要满足煤矿安全标准，在盾构机掘进过程中容易有大量瓦斯等有害气体，需要在掘进及支护的地方设置有害气体探测器并加强通风及除尘以防止瓦斯及其他有害气体浓度过高。

煤矿的盾构机属于双护盾硬岩掘进机的变种设备应用，其优点在于自动化程度高，相对安全，掘进效率高，掘进支护于一体，节省人工。但又无法完美契合煤矿巷道要求，无法一次成型马蹄形，且存在以下缺点，装卸耗时耗力，需要开凿扩大硐室并安置大型吊车，盾构机部分结构件过大过重，无法整体下井，因此井下安装困难;转弯不灵活，井下巷道多以田字型排布，盾构机无法做到90度转弯，因此需要多次拆卸;设备成本高;在隧洞内无法更换大型核心部件，无法做到整体后退的动作等。

4盾构机结构在煤矿领域的展望

我国虽然属于煤矿资源大国，但煤炭资源属于不可再生资源，煤炭开采难度会逐渐增大，但科技发展速度越来越快，未來机械设备将逐步替代人们做各种复杂危险的工作，煤炭开采将会是其中一项工作，而盾构机或许将是煤炭开采机械设备发展过程中的一部分，起到承上启下的作用，盾构机在煤矿中的应用将会朝如下四个方向进行发展。

第一，实现地上操控，地下掘进，无需人员跟机下井，大大提高安全性。从以人为本的角度考虑，因此需要自动化集成度更高，需要更精准的探测系统，更丰富的电气控制系统。更结实耐磨的材料，及可靠性更高的动力系统及回转，支撑系统，将更新的材料及技术应用到盾构技术当中，

第二，实现掘采一体的更高级的自动化设备。最终实现的目标将是以设备代替人工将深层煤层中的煤开采运输出来。且设备更灵活，安装拆卸简便，快捷。设备整体长度更短。不只做到前进动作，还能实现倒退。

第三，实现可变截面挖掘。随着煤层走向进行挖掘，有时需要挖掘形成的巷道截面不只为马蹄形，甚至方形及梯形。可以一次挖掘成目标形状，无需二次回填修整。

第四，实现一机挖掘各种地质情况。可以应对不同硬度的地质情况，能应对大量涌水，大量有害气体的恶劣情况。提高设备整体安全性。

5结语

盾构机作为“大国重器”的代表，彰显了一个国家的科技实力，我国虽然起步较晚，但近十几年发展迅猛，已经逐步追赶上世界一流水平，相信未来盾构机的结构技术，将随着科技发展的潮流，更好的应用于煤矿领域。甚至应用于其他相关领域。

参考文献：

[1]王峰. 盾构机在煤矿斜井掘进中的可行性分析.山东工业技术.2015

[2]陈馈. 浅谈盾构机的应用及发展前景. 建筑机械化.2004

[3]陈皓. 浅谈盾构技术在煤矿工程中的推广和应用.工业.2017