摘 要：盾構(gòu)掘進(jìn)在煤礦開采掘進(jìn)過程中的應(yīng)用非常廣泛，面對(duì)復(fù)雜的巖石地質(zhì)情況重視盾構(gòu)掘進(jìn)效能的研究是非常必要的。文章介紹了復(fù)雜巖石地層盾構(gòu)掘進(jìn)現(xiàn)狀及面臨的問題，對(duì)復(fù)雜巖石地層盾構(gòu)掘進(jìn)效能影響因素做了簡(jiǎn)單分析，希望對(duì)相關(guān)工作的實(shí)踐改進(jìn)有一定幫助。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜巖石地層；盾構(gòu)掘進(jìn)；施工；刀具管理

中圖分類號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）27-0168-02

隨著國(guó)內(nèi)煤礦發(fā)展形勢(shì)的轉(zhuǎn)變，煤礦開采技術(shù)也面臨著新的挑戰(zhàn)，其中復(fù)雜巖層盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)在煤礦開采過程中被應(yīng)用的也越來(lái)越多。我國(guó)地質(zhì)豐富且復(fù)雜，在煤礦開采掘進(jìn)過程中經(jīng)常要面臨地質(zhì)條件復(fù)雜施工現(xiàn)場(chǎng)，目前，國(guó)內(nèi)盾構(gòu)掘進(jìn)施工已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，TBM、盾構(gòu)及頂管等掘進(jìn)設(shè)備已經(jīng)成為煤礦開采掘進(jìn)常用的機(jī)械設(shè)備。機(jī)械化設(shè)備的應(yīng)用大大提高了盾構(gòu)掘進(jìn)工程的施工效率，因此探究復(fù)雜巖石地層盾構(gòu)掘進(jìn)效能的影響因素對(duì)煤礦開采具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

1 復(fù)雜巖石地層盾構(gòu)掘進(jìn)現(xiàn)狀及面臨的問題

復(fù)雜巖石地層盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)是煤礦開采掘進(jìn)工作的重要技術(shù)之一，探究這一技術(shù)的效能及影響因素十分必要。

1.1 盾構(gòu)掘進(jìn)面臨的施工環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜

盾構(gòu)法掘進(jìn)在隧道掘進(jìn)過程中應(yīng)用較多，但該技術(shù)主要適宜在單一的軟土、軟巖地層或砂層及其互層的地層中掘進(jìn)。但在實(shí)際應(yīng)用過程中施工的地質(zhì)情況往往比較復(fù)雜。例如：軟硬不均、軟硬交互、巖石強(qiáng)度差異大等等是比較常見礦區(qū)地層的實(shí)際情況。復(fù)雜的巖石地質(zhì)層對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)提出了更高要求。另一方面，盾構(gòu)法大多應(yīng)用于小范圍的掘進(jìn)。但隨著煤礦規(guī)模的不斷擴(kuò)大，煤炭資源的匱乏，煤礦掘進(jìn)深度越來(lái)越深?，F(xiàn)代社會(huì)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)施工的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)掘進(jìn)的精度要求越來(lái)越高。

1.2 盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)現(xiàn)了全面機(jī)械化掘進(jìn)

全面機(jī)械化掘進(jìn)大大提高了盾構(gòu)掘進(jìn)的施工效率，是國(guó)內(nèi)項(xiàng)目施工技術(shù)的一大發(fā)展。機(jī)械化程度越來(lái)高，如何有效使用掘進(jìn)機(jī)械并保持機(jī)械的良好工作效率是盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。從盾構(gòu)技術(shù)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)來(lái)看，機(jī)械損害嚴(yán)重是影響該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。掘進(jìn)過程中機(jī)械刀具意外破壞和非正常磨損非常嚴(yán)重，同時(shí)其他輔助工作費(fèi)用也有所增加。管片錯(cuò)臺(tái)、管片姿態(tài)及成型隧道軸線難以控制等等都是盾構(gòu)掘進(jìn)過程中暴露的出的問題。不僅增加了掘進(jìn)成本，還影響了煤礦開采的周期。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)械是通過刀盤旋轉(zhuǎn)，利用刀具切割巖石或土體工作的。掘進(jìn)機(jī)械的刀盤、刀具的切割效能是評(píng)價(jià)掘進(jìn)效率的重要因素。包括刀盤每轉(zhuǎn)的切入深度及掘進(jìn)速率。如何提高掘進(jìn)機(jī)械的掘進(jìn)效率是當(dāng)前技術(shù)公關(guān)的主要方向。

1.3 安全事故是掘進(jìn)工作面臨的技術(shù)難題

從掘進(jìn)機(jī)械的工作原理來(lái)看，機(jī)械刀盤工作時(shí)通過推力將刀盤切入巖石，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)盤形滾刀繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，在刀盤的推力、扭矩共同作用下，對(duì)煤層產(chǎn)生擠壓、剪切、拉裂等綜合作用，形成煤塊碎片，達(dá)到掘進(jìn)目的。對(duì)掘進(jìn)機(jī)械工作原理的理解可以更好地分析影響盾構(gòu)切深和掘進(jìn)效率的主要因素。結(jié)合相關(guān)的理論研究成果，地質(zhì)條件、機(jī)械參數(shù)及操作特性等被視為影響盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)械效率的主要因素。其中地質(zhì)條件對(duì)掘進(jìn)效率的影響占主要。受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，地下水壓力等綜合因素的影響，在煤礦開采掘進(jìn)過程中極易發(fā)生坍塌等安全事故。機(jī)械參數(shù)和操作特性等因素的影響處于其次。復(fù)雜地質(zhì)條件下如何安全開展煤炭開采生產(chǎn)，是煤礦開采技術(shù)發(fā)展難點(diǎn)和重點(diǎn)。

2 復(fù)雜巖石地層盾構(gòu)掘進(jìn)效能影響因素分析

盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中扮演著重要角色，復(fù)雜巖石地層對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)效能影響較大，也正是這個(gè)原因相關(guān)課題的研究備受關(guān)注，所以分析復(fù)雜巖石地層盾構(gòu)掘進(jìn)效能影響因素的是非常必要的。

2.1 煤層的點(diǎn)荷載強(qiáng)度對(duì)掘進(jìn)效能的影響

煤層的點(diǎn)荷載強(qiáng)度對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)效能影響非常明確。煤層受其煤質(zhì)質(zhì)量的影響，煤層的硬度和松軟度有一定的區(qū)別。以對(duì)煤層點(diǎn)荷載強(qiáng)度和掘進(jìn)的速率建立數(shù)學(xué)函數(shù)分析模型為例，研究結(jié)果表明：切深和掘進(jìn)速率均隨煤層強(qiáng)度的增大而降低，而且呈冪函數(shù)曲線關(guān)系。在該項(xiàng)目的研究過程中煤層點(diǎn)荷載強(qiáng)度對(duì)掘進(jìn)效率的影響是顯著的。受煤層點(diǎn)荷載強(qiáng)度的影響，在盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)踐中要特別注意對(duì)煤層點(diǎn)荷載強(qiáng)度的分析研究。對(duì)開采區(qū)域的煤層強(qiáng)度和硬度過高時(shí)對(duì)煤炭開采的產(chǎn)量要做相應(yīng)的調(diào)整。另一方面，煤層點(diǎn)荷載強(qiáng)度過高時(shí)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)械刀盤刀片的影響也較大。因此，在應(yīng)用實(shí)踐中要及時(shí)檢查機(jī)械刀盤及刀片的磨損情況，磨損嚴(yán)重的刀盤要及時(shí)跟換。

2.2 煤層土倉(cāng)壓力對(duì)掘進(jìn)效能的影響

所謂盾構(gòu)土倉(cāng)壓力是用于維持刀盤前方的圍巖穩(wěn)定的推力。合適的土倉(cāng)壓力能有效避免土體坍塌或地下水流失的問題，是維持土體穩(wěn)定的關(guān)鍵。在煤炭開采過程中如果不能很好地控制土倉(cāng)壓將直接影響周邊的地質(zhì)情況，造成周邊坍塌的生產(chǎn)安全事故。另一方面，土倉(cāng)壓對(duì)掘進(jìn)機(jī)械的扭矩、推力有一定影響，當(dāng)提高掘進(jìn)速度時(shí)為減少土體對(duì)刀具的磨損，通常采用降低土倉(cāng)壓力技術(shù)處理來(lái)控制掘進(jìn)成本。土倉(cāng)壓力的大小的控制是盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)的難點(diǎn)。在煤礦掘進(jìn)方案制定時(shí)，需要對(duì)礦區(qū)區(qū)域各方面的因素綜合考慮以定出合理的土倉(cāng)壓力值。實(shí)踐中地層土壓力、地下水壓力、預(yù)備壓力等都是計(jì)算合理土倉(cāng)壓需要參考的數(shù)據(jù)。在掘進(jìn)過程中，螺旋輸送機(jī)的出煤量對(duì)土倉(cāng)壓有一定影響，在掘進(jìn)過程中需要嚴(yán)格控制，間接地對(duì)掘進(jìn)機(jī)螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和平衡土倉(cāng)壓。通常對(duì)于硬質(zhì)煤層地層，上部土倉(cāng)壓在0.02～0.06 MPa，下層土倉(cāng)壓在0.08～0.12 MPa，螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速控制在6～12 r/min；軟硬不均的煤層地層，上部土倉(cāng)壓在0.15～0.22 MPa，下層土倉(cāng)壓在0.25～0.32 MPa，螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速控制在3～8 r/min。

2.3 刀具管理對(duì)掘進(jìn)效能的影響

刀具的工作狀態(tài)直接影響盾構(gòu)的掘進(jìn)效能，因此重視刀具管理是非常重要的。掘進(jìn)過程中定期開倉(cāng)檢查、更換刀具是刀具管理的重要工作。刀具管理對(duì)掘進(jìn)效能影響明顯。硬質(zhì)地質(zhì)條件下，刀具在掘進(jìn)過程中受到?jīng)_擊加大，容易磨損。因此硬質(zhì)地質(zhì)條件下每掘進(jìn)2～3環(huán)就必須開倉(cāng)檢查刀具磨損情況及刀具螺栓松動(dòng)情況。通常將邊緣滾刀及邊緣刮刀最大磨損允許值規(guī)定為15 mm，超出15 mm的要需要更換。軟硬不均的地質(zhì)條件下，更換刀的工作相對(duì)具較為困難，通常采用對(duì)掌子面地層進(jìn)行輔助加固方式固定刀具。通過多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施工過程中采用全敞開或半敞開的模式掘進(jìn)，有利于刀具管理。操作過程中根據(jù)機(jī)械推進(jìn)力、推進(jìn)速度和刀盤扭矩變化等的判斷刀具是否需要做調(diào)整。例如：掘進(jìn)速度明顯降低、或盾構(gòu)推力明顯增大時(shí)，開倉(cāng)檢查刀具是非常必要的。檢查的內(nèi)容包括：否出現(xiàn)松動(dòng)、泄漏、卡滯、是否發(fā)生偏磨等。隨著技術(shù)發(fā)展，一些掘進(jìn)機(jī)械已經(jīng)發(fā)展了在刀具上安裝液壓傳感系統(tǒng)裝置。安裝該裝置后刀具磨損到一定程度就會(huì)自動(dòng)報(bào)警指示，這樣就大大提高刀具管理的效率。除了觀察掘進(jìn)速度、盾構(gòu)推力綜外，對(duì)機(jī)械的掘進(jìn)參數(shù)、巖碴形狀、溫度、刀盤振動(dòng)等指標(biāo)的觀察對(duì)判斷刀具的狀態(tài)也是非常有用的。

3 結(jié) 語(yǔ)

復(fù)雜巖石地質(zhì)層盾構(gòu)掘進(jìn)效能的改善對(duì)當(dāng)前煤炭掘進(jìn)開采水平的提高有著重要意義。在實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)全面機(jī)械化操作的基礎(chǔ)上，提高機(jī)械掘進(jìn)效能能有效控制掘進(jìn)成本，實(shí)現(xiàn)煤炭開采掘進(jìn)的科學(xué)管理。地質(zhì)條件、機(jī)械參數(shù)及操作特性是影響盾構(gòu)掘進(jìn)效能的主要因素。復(fù)雜礦區(qū)地質(zhì)層盾構(gòu)掘進(jìn)效能的控制也是適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的重要技術(shù)創(chuàng)新，通過該技術(shù)的推廣將大大提高煤礦盾構(gòu)掘進(jìn)的開采效率。

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