賈連輝， 呂 旦， 鄭康泰， 肖 威， 馮 琳

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

豎井是地下礦藏開采、長大隧道通風及其他地下工程的主要通道，在地下工程中具有不可替代的地位[1]，豎井施工裝備和技術水平是豎井施工行業(yè)快速發(fā)展的關鍵因素。

目前對豎井施工裝備及豎井排渣的研究主要集中在傳統(tǒng)鑿井法施工方面，隨著工程的需要，各種新型鑿井設備及工法成為研究趨勢。張永成等[2]對鉆井技術及鉆井中的各主要工藝進行了深入探討，并對國外先進技術進行闡述和分析；劉志強[3]和荊國業(yè)等[4]分別介紹了利用導孔排渣的機械破巖豎井掘進機鑿井工藝，并對掘進裝備進行了論述；梅寧[5]報道了采用截割頭破巖、吊桶運渣的截削式立井掘進機SBR在凍結(jié)的鉀鹽礦井筒中實現(xiàn)了機械化作業(yè)；孟陳祥[6]針對豎井掘進機施工過程中洗井排渣關鍵技術難點，通過數(shù)值模擬與模擬實驗深入研究了豎井掘進機液體洗井排渣系統(tǒng)；王鵬越[7]和楊仁樹等[8]結(jié)合立井鑿井技術及施工裝備的歷史發(fā)展，對豎井掘進裝備的發(fā)展進行了探討。

然而，針對大深度豎井的快速高效施工，至今并未形成一套相對成熟的全斷面豎井掘進機施工工法，其最大的一個難點就是豎向高效排渣，而采用常規(guī)的泥水排渣方式，會存在耗水量大和人員下井維護作業(yè)困難的問題。本文結(jié)合自研的機械化上排渣豎井掘進機試驗實例，對上排渣系統(tǒng)的原理及關鍵技術要點進行研究，探索一種可適用于全斷面豎井掘進機的機械化高效排渣方法。

1 全斷面豎井掘進機工法原理

以普通鑿井法技術為基礎，結(jié)合隧道掘進機技術、物料垂直提升技術研發(fā)的深井掘進裝備--全斷面豎井掘進機，如圖1所示。

(a) 示意圖 (b) 實物圖

全斷面豎井掘進機采用刀盤破巖；穩(wěn)定器穩(wěn)定刀盤，降低掘進過程中刀盤振動；撐靴撐緊井壁，承受刀盤破巖反力；推進油缸提供主機破巖推力，邊掘進邊機械化排渣。掘進行程結(jié)束后，撐靴換步進行下一循環(huán)掘進排渣作業(yè)。采用模筑混凝土完成井壁襯砌。

整機集成破巖系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、井壁支護系統(tǒng)、通風排水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等，可實現(xiàn)豎井的機械化、集成化施工，適用于地質(zhì)條件較好、巖石穩(wěn)定或經(jīng)過改良后的穩(wěn)定地層，如礦山或隧道通風井、水電調(diào)壓井、國防豎井等工程。

2 上排渣系統(tǒng)研究

2.1 技術原理

豎井掘進機與隧道掘進機排渣有著明顯的不同，前者需要重點解決渣土垂直提升的問題，以匹配豎井掘進的高效作業(yè)。

全斷面豎井掘進機配置三級接力上排干渣系統(tǒng)，如圖2所示，依次經(jīng)過刮板輸送機[9]刮渣、斗式提升機轉(zhuǎn)渣、吊桶運渣，完成掘進斷面巖渣的連續(xù)出井，實現(xiàn)掘進、排渣的平行作業(yè)，提高豎井施工速度。

(a) 刮板輸送機刮渣

(b) 斗式提升機轉(zhuǎn)渣

1)刮板輸送機刮渣。在刀盤內(nèi)設計刮板輸送機，其刮渣范圍基本覆蓋整個掘進斷面。每套刮板輸送機可獨立驅(qū)動，刮板輸送機自轉(zhuǎn)的同時隨刀盤公轉(zhuǎn)，刮板在復合轉(zhuǎn)動作用下將刀盤破巖產(chǎn)生的巖渣攜帶入刀盤內(nèi)部的集渣筒，完成掘進斷面巖渣的清理。

2)斗式提升機轉(zhuǎn)渣。在掘進主機內(nèi)部采用斗式提升機垂直轉(zhuǎn)運巖渣，斗式提升機上部落渣口與儲渣艙相對應，下部裝渣結(jié)構(gòu)安裝于刀盤內(nèi)部的集渣筒內(nèi)，斗式提升機將集渣筒內(nèi)的巖渣連續(xù)提升轉(zhuǎn)運至掘進主機上方的儲渣艙內(nèi)，完成巖渣的垂直轉(zhuǎn)運。

3)吊桶運渣。采用雙吊桶運渣出井，吊桶到達儲渣艙卸渣口時，卸渣口開啟，吊桶裝滿巖渣后由地面提升機提升出井。吊桶離開時，儲渣艙進行臨時儲渣，實現(xiàn)豎井掘進機的持續(xù)掘進和連續(xù)排渣。

2.2 排渣能力

豎井掘進機的排渣能力需與掘進能力相匹配，上排渣各系統(tǒng)的排渣能力均會影響豎井掘進機高效作業(yè)。

1)刮板輸送機刮渣能力。豎井掘進機每小時掘進產(chǎn)生巖渣方量和刮板輸送機每小時刮渣方量計算公式分別為

(1)

(2)

式(1)-(2)中：Q1為豎井掘進機每小時掘進產(chǎn)生的巖渣方量，m3/h；D為豎井掘進直徑，m；v1為掘進機掘進速度，m/h；φ為松渣系數(shù)；Q2為刮板輸送機每小時刮渣方量，m3/h；u1為刮板容積，m3；c1為刮板填充系數(shù)；a1為刮板間距，m；v2為刮板輸送機鏈速，m/s。其中，Q2≥Q1。

2)斗式提升機轉(zhuǎn)渣能力。斗式提升機轉(zhuǎn)渣能力計算公式為

(3)

式中：Q3為斗式提升機每小時轉(zhuǎn)渣方量，m3/h；u2為渣斗容積，m3；c2為渣斗填充系數(shù)；a2為渣斗間距，m；v3為斗式提升機鏈速，m/s。其中，Q3≥Q2。

3)吊桶運渣能力。全斷面豎井掘進機采用雙吊桶單鉤提升作業(yè)，單鉤提升循環(huán)一次時間計算公式為

(4)

H=Hh+hx+hg。

(5)

式(4)-(5)中：T1為吊桶單鉤提升循環(huán)時間，s；H為吊桶提升高度，m；hws為從儲渣艙泄渣口到吊盤最上層的距離，m；Hh為儲渣艙泄渣口至井口的高度,m；hx為翻矸臺高度，m；hg為吊桶過翻矸臺后的提起高度，m；θ為吊桶在接渣口接渣時間和井口卸載時間，s； 吊桶裝滿系數(shù)一般取0.9，則吊桶運渣能力計算公式為

(6)

(7)

式(6)-(7)中：A1為單吊桶運渣能力，m3/h；V為吊桶容積，m3；K為提升不均衡系數(shù)[10]；Q4為雙吊桶運渣能力，m3/h。其中，Q4≥Q3。

4)儲渣艙儲渣能力。儲渣艙容積應不小于雙吊桶循環(huán)提升間隔時間內(nèi)產(chǎn)生的巖渣體積，其計算公式為

(8)

式中：Q5為儲渣艙容積，m3；T2max為雙吊桶單鉤提升作業(yè)時在儲渣艙處裝渣的最長間隔時間，s。其中，T2max=T1。

以研制的上排渣全斷面豎井掘進機為例，刀盤開挖直徑為7.83 m，設備配置2個7 m3吊桶，儲渣艙容積為7 m3，滿足深井掘進和排渣需求。

3 上排渣技術要點

3.1 巖渣粒徑控制技術

刀盤的破巖粒徑對刮板輸送機及斗式提升機的正常運行有著一定的影響，為保證刮板輸送機和斗式提升機順利工作，防止刮板輸送機在刮渣運行中因巖塊粒徑過大造成卡機，須對刀盤破巖產(chǎn)生的粒徑進行控制。

3.1.1 滾刀貫入度及刀間距設計

與隧道掘進機破巖原理相同，豎井掘進機采用滾刀擠壓破巖。滾刀破巖機制如圖3所示。在刀間距為定值且在足夠的推力、轉(zhuǎn)矩下，滾刀貫入度P的大小決定著產(chǎn)生巖片的大小。當貫入度P小時，會產(chǎn)生大量的巖粉和碎片，產(chǎn)生大巖片比較困難；當貫入度P在一定范圍內(nèi)增大時，巖片呈中部厚邊緣薄的塊狀；當貫入度P繼續(xù)增大，巖片往厚而小的方向發(fā)展。如圖4所示，刀間距S過大時，產(chǎn)生大巖片概率增大，甚至會出現(xiàn)巖脊；刀間距S過小時，巖塊過度粉碎[11-12]。基于此，控制滾刀的貫入度P并設計合理的刀間距S，使?jié)L刀破巖產(chǎn)生的大部分巖渣粒徑分布在特定區(qū)間，巖塊大小從理論設計上進行控制。結(jié)合實際，設計全斷面豎井掘進機刀盤滾刀直徑為432 mm，正滾刀刀間距為80 mm，中心刀刀間距為84 mm，掘進時控制滾刀最大貫入度為6～10 mm，使產(chǎn)生的巖渣粒徑在長100 mm，寬90 mm，厚40 mm以內(nèi)的區(qū)間集中分布。

(a) 刀間距過小 (b) 最佳刀間距 (c) 刀間距過大

3.1.2 巖塊二次破碎設計

在設計合理刀間距和控制貫入度的同時，還需對可能出現(xiàn)的大尺寸巖渣進行二次破碎，以滿足出渣粒徑的設計需求。在位于刮板輸送機圓周公轉(zhuǎn)方向的前側(cè)設計破巖錐刀，破巖錐刀呈輻條型，覆蓋刀盤掘進直徑，如圖5所示。破巖錐刀斷面為楔形，大塊巖渣在刀盤轉(zhuǎn)動下進入破巖錐刀的下方并在掘進推力下受到擠壓，產(chǎn)生二次破碎，使進入刮板輸送機內(nèi)的巖塊粒徑得到控制，保證上排渣系統(tǒng)的正常運行，二次破碎結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 刀盤二次破碎布置

圖6 二次破碎結(jié)構(gòu)

3.2 刮板輸送機刮渣技術

掘進斷面的巖渣在刀盤破巖時連續(xù)產(chǎn)生，為保證及時清理，在位于刮板輸送機圓周公轉(zhuǎn)方向的后側(cè)設計擋渣立板，用于集渣和擋渣，提高刮板輸送機刮渣效率。

為保證刮板輸送機的正常運轉(zhuǎn)，刮板與滾刀刀刃需要保持一定的高差x，見圖7。根據(jù)滾刀貫入度適時調(diào)整，設計高差x控制在10～15 mm，當滾刀切入巖石后，刮板運行中的最低點與開挖面仍保持一定的安全余量。

圖7 刮板高差設計

3.3 刮渣盲區(qū)清渣技術

刮板輸送機在刀盤中心小范圍內(nèi)存在一定的刮渣盲區(qū)，若不及時清理，堆積的巖渣會加快刀具和刀盤面板的磨損。針對此情況，在刀盤中心刀背部安裝導渣板，并將刀盤中部設計為上凸結(jié)構(gòu)，提高巖渣的流動性，如圖8所示。每個導渣板隨刀盤轉(zhuǎn)動，將各自區(qū)域的巖渣導送至外側(cè)相鄰導渣板的工作區(qū)域，如圖9所示，刮渣盲區(qū)內(nèi)的巖渣最終被刮板輸送機清理。圖10示出導渣板安裝實物圖。

圖8 盲區(qū)導渣板分布

圖9 各導渣板導渣區(qū)域

3.4 斗式提升機轉(zhuǎn)渣技術

3.4.1 料斗形式設計

斗式提升機強度高，承載能力大，適用于多種類型的物料提升，輸送料斗的類型影響物料的高效運輸。如圖11所示，按料斗的形式分為深斗、淺斗和帶擋邊料斗。深斗適用于輸送煤炭、干砂、礫石、石灰等易于傾倒的物料；淺斗適用于輸送水泥或濕砂等易成團或易黏在料斗上的物料；帶擋邊料斗適用于輸送大塊的物料[13]。針對豎井掘進機的適用地層和輸送巖渣粒徑的大小，斗式提升機的料斗選用深斗形設計，斗口尺寸寬度A為185 mm，長度B為600 mm，深度C為180 mm。

(a) 深斗

(b) 淺斗

(c) 帶擋邊料斗

3.4.2 巖渣卸載設計

巖渣由料斗卸載有重力式、離心式以及混合式[14-15]3種方式，如圖12所示。

(a) 重力式卸載

(b) 離心式卸載

(c) 混合式卸載

巖渣隨料斗一起繞傳動輪做圓周運動時，料斗中的巖渣同時受到重力mg和離心力mrω2的作用，重力和離心力的合力T的反向延長線與傳動輪在豎直方向上的中心線相交于P點，P點即為提升機的極點，從極點P到傳動輪中心的距離h稱為極距。

由圖12可以得知，ΔCTM～ΔOPM，所以

(9)

其中：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式(10)-(14)中：m為巖渣質(zhì)量，kg；r為渣土繞傳動輪運動半徑，m；ω為轉(zhuǎn)動角速度，rad/s；h為極距，m；n為傳動輪轉(zhuǎn)速，r/min。

將式(10)-(14)代入式(9)，可得極距的計算公式

(15)

所以h的大小只取決于傳動輪的轉(zhuǎn)速，根據(jù)極點P所在的不同位置，可以將提升機的卸料方式歸結(jié)為以下3種情況：

1)當h>r0+C時，極點P位于料斗外緣的回轉(zhuǎn)半徑之外，此時巖渣所受到的重力大于離心力,巖渣卸載方式為重力式卸料。重力式卸料適用于塊狀的散裝物料。

2)當h

3)當r0

綜上，根據(jù)豎井掘進機掘進破巖時的巖渣形態(tài)，斗式提升機設計為重力式卸載，根據(jù)巖渣方量，傳動輪轉(zhuǎn)速可在0～30 r/min無級調(diào)速。

4 掘進排渣試驗

為驗證上排渣技術的可行性，修建了掘進排渣試驗基坑?；硬捎贸辆しㄐ藿?，開挖直徑10 m，襯砌厚度1.025 m，基坑底部填充厚度3.5 m的C40素混凝土，成井內(nèi)徑7.95 m，深3.7 m，井圈為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并預埋地腳螺栓，用于連接豎井掘進機試驗工裝。試驗時穩(wěn)定器撐緊井壁防止主機圓周滾轉(zhuǎn)，試驗工裝承受設備掘進的反力。全斷面豎井掘進機試驗現(xiàn)場布置圖如圖13所示。

(a) 示意圖

(b) 實物圖

全斷面豎井掘進機掘進時的推力由推進油缸和自重共同作用。在掘進試驗期間，整機先后經(jīng)過小推力低速、小推力高速、大推力低速、大推力高速等多種掘進工況試驗，每個工況平均掘進0.5 m，共計進行了2 m的掘進出渣試驗，每個工況記錄了400組數(shù)據(jù)，刮板輸送機馬達運行壓力波動如圖14所示。

(a) 小推力低速推進

(b) 小推力高速推進

(c) 大推力低速推進

(d) 大推力高速推進

在掘進過程中，由于斗式提升機只進行物料轉(zhuǎn)運，運行過程中馬達油壓基本穩(wěn)定，始終在9～12 MPa波動，符合正常運轉(zhuǎn)情況。

從刮板輸送機和斗式提升機的運行情況可以得出，在4種工況下，上排渣系統(tǒng)試驗運轉(zhuǎn)效果良好。刀盤推進力較小時，刀盤貫入度小，此工況下產(chǎn)生的巖渣以碎屑狀為主，刮板輸送機運行穩(wěn)定，驅(qū)動馬達油壓波動范圍較小，工作油壓相對較??；當推進力變大時，刀盤貫入度增大，此工況下產(chǎn)生的塊狀巖渣增多，且粒徑大小基本都在設計范圍之內(nèi)。由于刮板與開挖面的安全距離變小，易受沖擊，刮板輸送機馬達運行油壓增大，且當?shù)侗P轉(zhuǎn)速增大時，刮板輸送機馬達油壓的波動頻率加快，故圖7中的高差x應根據(jù)地層及推進力的情況進行及時調(diào)整。

圖15示出豎井掘進機出渣系統(tǒng)試驗效果圖。全斷面豎井掘進機上排渣系統(tǒng)在此次掘進試驗中達到了預期的效果，開挖面巖渣殘留少，排渣順暢，巖渣粒徑可控，滿足正常掘進的使用要求，證明了該豎井掘進機上排渣技術的可行性。

5 結(jié)論與討論

1)針對豎井掘進機施工中巖渣豎向出井的難題，提出了機械化上排渣技術方法，闡述了上排渣工作原理，匹配計算并校核了排渣系統(tǒng)的排渣能力。

2)提出了全斷面豎井掘進機上排渣系統(tǒng)使用的控制措施，從巖渣粒徑控制技術、刮板輸送機刮渣技術、刮渣盲區(qū)清渣技術、斗式提升機轉(zhuǎn)渣技術等展開詳細研究，完成了上排渣系統(tǒng)的適應性設計。

3)通過全斷面豎井掘進機的掘進排渣試驗，證明排渣系統(tǒng)性能達到設計要求，巖渣粒徑及排渣效果均滿足預期指標，排渣子系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好。

4)隨著掘進深度的增加，吊桶單鉤提升循環(huán)一次時間變長，此時需要控制豎井掘進機的掘進速度，防止儲渣艙溢渣情況的產(chǎn)生。

5)上排渣方式適用于干式或含水量少的巖渣輸送，豎井施工中地層突發(fā)涌水會造成該排渣系統(tǒng)排渣效果下降甚至無法工作。針對不良地質(zhì)可提前采用凍結(jié)或超前注漿等方法堵水，保證豎井掘進機上排渣系統(tǒng)的正常使用。

6)機械化連續(xù)上排渣方法作為一種新型的豎井掘進機排渣方式，經(jīng)過了掘進試驗的驗證，但工程試驗的混凝土與真正的圍巖有一定的差異，混凝土強度較低，滾刀破巖時裂紋擴展充分，易形成小粒徑巖渣；實際工程下的完整圍巖不易產(chǎn)生裂紋擴展，巖渣大部分呈中部厚邊緣薄的梭形結(jié)構(gòu)，排渣系統(tǒng)的性能還需在具體的工程應用下進行驗證。