謝 寶 亮

（大同煤礦集團(tuán)王村煤業(yè)，山西 大同 037000）

0 引 言

目前，巖石開(kāi)采采用的方式多為鉆爆法施工，該方式存在挖掘速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境差的缺點(diǎn)，不能滿足煤礦生產(chǎn)的要求[1]。盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)是一種應(yīng)用在地鐵修建、隧道開(kāi)鑿、礦產(chǎn)勘探的施工技術(shù)，具有機(jī)械化程度高、挖掘效率高、速度快、節(jié)約勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。我國(guó)在煤炭開(kāi)采方面也開(kāi)始使用這種技術(shù)，并在實(shí)際中應(yīng)用。內(nèi)蒙古神東補(bǔ)連塔煤礦2 號(hào)巷道采用單護(hù)盾式，該巷道長(zhǎng)2 745 m，盾構(gòu)掘進(jìn)直徑7.63 m，用時(shí)4 個(gè)月貫通，最高月進(jìn)尺639 m，總掘進(jìn)長(zhǎng)度2 718 m。2015 年，淮南礦業(yè)集團(tuán)張集煤礦采用QJYC045M敞開(kāi)式盾構(gòu)機(jī)對(duì)巷道進(jìn)行掘進(jìn)，測(cè)量顯示最高班進(jìn)尺寸為14.5 m，最高日進(jìn)尺寸30.7 m，平均日進(jìn)尺寸13.5 m，相當(dāng)于每個(gè)月掘進(jìn)404 m，效果良好[4]。新疆瑪納斯?jié)硥螢趁旱V采用復(fù)合型盾構(gòu)機(jī)，掘進(jìn)總長(zhǎng)度6 000 m，施工效率相比傳統(tǒng)工藝提高3 倍以上[5]。

1 盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)破巖機(jī)理

煤礦巷道巖石破碎需要較大的功率和較為先進(jìn)的工具，破碎巖石需要克服巖石做功，這是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。巖石破碎當(dāng)今存在2 種較為出名的理論，即剪切破碎理論和拉伸破壞理論。

1）剪切破碎機(jī)理。巖石受到盤(pán)形刀具巨大的推力，巖石儲(chǔ)存能量，當(dāng)巖石內(nèi)的能量到達(dá)一定程度時(shí)，在有限的體積內(nèi)無(wú)法容納，向外釋放能量即發(fā)生巖石破裂。盤(pán)形刀具兩側(cè)產(chǎn)生剪切區(qū)，巖石會(huì)產(chǎn)生剪切破碎。

2）拉伸破壞機(jī)理。巖石與盤(pán)形刀具結(jié)合摩擦，刀具向巖石傳遞能量，巖石在能量的作用下產(chǎn)生裂紋。隨著刀具切入巖石深度的增加，裂紋逐漸擴(kuò)大變成顯性裂紋。當(dāng)顯裂紋接續(xù)擴(kuò)展，發(fā)展到巖石表面，即形成巖石碎片。或者顯裂紋和相鄰刀具產(chǎn)生的顯裂紋交匯，也會(huì)出現(xiàn)碎片。

剪切破碎機(jī)理和拉伸破碎機(jī)理2 種理論并非獨(dú)立存在，有時(shí)在剪切破碎中存在著拉伸破碎，在拉伸破碎中存在著剪切破碎，相互交融，共同作用促成巖石破裂[5]。巷道碎石過(guò)程中，盤(pán)形滾刀破碎巖石如圖1所示。

圖1 盤(pán)形滾刀巖石破碎示意

刀具的刀刃在機(jī)械能的作用下進(jìn)入巖石，巖石內(nèi)層產(chǎn)生刮痕，裂痕出現(xiàn)在結(jié)合力最薄弱的位置，痕跡隨著刀具的進(jìn)入逐漸增大。巖石給刀刃一個(gè)作用力，在該力的作用下，刀具頂部出現(xiàn)壓縮，巖石隨刀盤(pán)的回轉(zhuǎn)和滾刀的滾動(dòng)變成破裂的碎片。

2 盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)

盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用PC 端+移動(dòng)App 的結(jié)構(gòu)模式，該結(jié)構(gòu)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)瀏覽開(kāi)展訪問(wèn)，無(wú)須本地安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。結(jié)合移動(dòng)端App 的開(kāi)發(fā)環(huán)境，結(jié)合巷道巖石掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，開(kāi)展盾構(gòu)施工的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊由數(shù)據(jù)服務(wù)端、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)硬件、被監(jiān)控端軟件和工作監(jiān)控端組成。監(jiān)控服務(wù)器采用的高性能監(jiān)控服務(wù)器，現(xiàn)場(chǎng)使用的PC 位于監(jiān)控調(diào)度室。移動(dòng)設(shè)備在手機(jī)端，方便攜帶，通訊采用公用網(wǎng)絡(luò)，該監(jiān)控邏輯架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)屬于良好的信息管理平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，施工條件、施工狀況都在監(jiān)測(cè)范圍之內(nèi)，模塊化管理，能夠管理二維和三維模型。盾構(gòu)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)礦石掘進(jìn)的監(jiān)測(cè)，有效管理。與全站儀建立實(shí)時(shí)接口，利用計(jì)算機(jī)和三維信息，可以完成一個(gè)完整的過(guò)程監(jiān)測(cè)。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

對(duì)于盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，科學(xué)合理的數(shù)據(jù)傳輸是保證監(jiān)測(cè)及時(shí)準(zhǔn)確的必要條件，信息出現(xiàn)延誤或者不準(zhǔn)確都可能導(dǎo)致監(jiān)測(cè)錯(cuò)誤，所以適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)傳輸方式尤為重要。

當(dāng)前，常用的數(shù)據(jù)傳輸方式包括ftp、socket、數(shù)據(jù)庫(kù)共享等。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，實(shí)時(shí)性對(duì)數(shù)據(jù)有限制，連接池對(duì)數(shù)據(jù)傳輸也有限制，實(shí)時(shí)傳輸最快的方法為socket 方法。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的組成包括服務(wù)器和客戶機(jī)，請(qǐng)求報(bào)文格式和響應(yīng)報(bào)文格式受服務(wù)器和客戶端約定。服務(wù)器在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)傳輸數(shù)據(jù)提供服務(wù)，傳輸協(xié)議保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，協(xié)議形式多樣，可以是TCP 協(xié)議，也可以是UDP 協(xié)議。客戶機(jī)進(jìn)行端口的信息交互，信息交互及時(shí)的監(jiān)測(cè)效果的要求。

3 應(yīng)用實(shí)踐

開(kāi)展盾構(gòu)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際驗(yàn)證，驗(yàn)證地點(diǎn)選擇在同煤集團(tuán)王村礦進(jìn)行實(shí)踐，在試驗(yàn)中考察該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。盾構(gòu)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能，同時(shí)也具有多種模塊，主要包括兩大功能和三大模塊，即PC 端功能和移動(dòng)端功能；模塊有盾構(gòu)運(yùn)行模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警管理模塊、報(bào)表統(tǒng)計(jì)分析模塊。

3.1 PC 端功能

3.1.1 盾構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)

盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依據(jù)遠(yuǎn)程連接，可以進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊。盾構(gòu)機(jī)在巷道掘進(jìn)過(guò)程中是否出現(xiàn)偏差及掘進(jìn)情況能夠通過(guò)屏幕直觀看出，盾構(gòu)機(jī)位置偏移量預(yù)警系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 盾構(gòu)機(jī)位置偏移量預(yù)警系統(tǒng)

由圖3 可知，該項(xiàng)目的盾構(gòu)機(jī)工作狀態(tài)可以實(shí)時(shí)讀取，從系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)中可以看出螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等各種信息，有利于施工人員把握盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)狀態(tài)，更精確地按設(shè)計(jì)方案開(kāi)展施工。不僅有利于掌握施工數(shù)據(jù)，對(duì)于工程進(jìn)度和工程安全也十分重要。

3.1.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊

盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程中可能存在多種風(fēng)險(xiǎn)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)沉降、位置偏差、設(shè)備故障等，對(duì)于其工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)報(bào)警，有效減少故障，減少施工過(guò)程損失，對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)非常重要。該模塊的功能包括2 部分，即風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)和預(yù)警統(tǒng)計(jì)。風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)功能對(duì)施工區(qū)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖進(jìn)行提供，此外還有施工區(qū)域的二維CAD 工程，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)警獲取信息，盾構(gòu)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警監(jiān)測(cè)狀態(tài)如圖4 所示。

圖4 盾構(gòu)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警監(jiān)測(cè)狀態(tài)

預(yù)警監(jiān)測(cè)功能能夠提供盾構(gòu)機(jī)本身的風(fēng)險(xiǎn)，施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)故障也可進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，有利于施工人員查詢，提前預(yù)防，避免故障發(fā)生。

3.1.3 報(bào)表統(tǒng)計(jì)分析

盾構(gòu)機(jī)監(jiān)測(cè)到所能監(jiān)測(cè)的全部數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，輸出一種可視化圖形，便于直觀顯示情況。盾構(gòu)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)表分析如圖5 所示。

圖5 盾構(gòu)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)表分析

由圖5 可知，盾構(gòu)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)包括材料消耗、掘進(jìn)進(jìn)度、事件統(tǒng)計(jì)、匯總統(tǒng)計(jì)，輸出水泵流量和總推力大小，有利于工作狀態(tài)分析。

3.2 移動(dòng)端功能

盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的移動(dòng)端是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重要組成部分，包含許多重要的功能，這些功能可以實(shí)現(xiàn)多用途，包括數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測(cè)預(yù)警，可以隨時(shí)查看監(jiān)測(cè)狀態(tài)，有利于煤礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中的管理。

3.2.1 掘進(jìn)狀態(tài)

開(kāi)展掘進(jìn)狀態(tài)模擬，采用三維模擬效果可以在手機(jī)端直接查看，能夠看到掘進(jìn)機(jī)盾尾前艙、中倉(cāng)、后倉(cāng)的油壓大小。其他方便查看的信息也能直接看到，移動(dòng)端盾構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)掘進(jìn)狀態(tài)如圖6 所示。

圖6 移動(dòng)端盾構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)掘進(jìn)狀態(tài)

3.2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警

盾構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)工作狀態(tài)下，如果出現(xiàn)異常，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)把異常情況以圖片的形式展示在移動(dòng)端，方便查看和解決異常。油缸壓力，螺旋機(jī)壓力和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速都能通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀察。對(duì)于呈現(xiàn)在移動(dòng)端的監(jiān)測(cè)情況，工作人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)警并開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)管理，把影響降低到最小程度。移動(dòng)端預(yù)警監(jiān)測(cè)對(duì)比如圖7 所示。

圖7 移動(dòng)端預(yù)警監(jiān)測(cè)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)施工方法作為一種煤巖巷道開(kāi)采技術(shù)，其優(yōu)異的性能正在得到更多的應(yīng)用。為了更好的實(shí)現(xiàn)煤礦巷道掘進(jìn)，本文提出一種盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)巷道掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和工作條件開(kāi)展模擬，完成盾構(gòu)機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)和偏差預(yù)警。開(kāi)展煤礦掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，結(jié)果顯示，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的監(jiān)測(cè)具有較好的效果。