嚴(yán)良平 齊保衛(wèi) 呂 旦 周 浩 葛家晟 張 兵

(1.浙江寧海抽水蓄能有限公司,浙江 寧波 315600;2.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450016)

立井掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用于工程實踐開始于20 世紀(jì)70年代初期。美國羅賓斯公司于1978年試制了一臺241SB-184 型立井掘進(jìn)機(jī)[1];前蘇聯(lián)中央煤炭采礦工業(yè)及地下建筑成套設(shè)備科學(xué)研究設(shè)計院,于20 世紀(jì)80年代制造了適應(yīng)第四紀(jì)地層的KC-14 型立井綜合掘進(jìn)機(jī)[2];20 世紀(jì)90年代初期,美國礦業(yè)局推出SBM-Ⅱ型立井部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī);進(jìn)入21 世紀(jì),德國海瑞克公司與澳大利亞力拓集團(tuán)合作研發(fā)出了立井井筒鑿井截削式立井掘進(jìn)機(jī),該掘進(jìn)機(jī)安裝了銑挖臂和一個旋轉(zhuǎn)的銑挖頭,可以挖掘8～12 m 之間各種直徑的豎井[3]。中煤科工研制出錐形刀盤立井掘機(jī)樣機(jī),實現(xiàn)礦山立井井筒破巖機(jī)械化、控制自動化[4]。該掘進(jìn)機(jī)適用于下部已有開挖巷道的情況,鉆井直徑5.8～6.0 m,鉆井深度800～1 000 m,該設(shè)備成功應(yīng)用于2021年2月云南以禮河電站出線立井工程(井直徑5.8 m、深282.5 m)。2017年中鐵工程裝備公司完成了SBM 立井全斷面立井掘進(jìn)機(jī)的樣機(jī)研制,采用刀盤開挖,創(chuàng)新了高效豎向上出渣技術(shù),額定施工速度大于250 m/月。在2020年成功應(yīng)用該掘進(jìn)機(jī)對浙江寧海抽水蓄能電站通風(fēng)立井建設(shè)項目進(jìn)行了施工,該立井于2021年12月28日順利貫通,標(biāo)志著立井井筒掘砌施工工藝的創(chuàng)造性變革[5]。已有研究表明,豎井掘進(jìn)過程中滾刀破巖效率和刀具磨損是掘進(jìn)機(jī)設(shè)計和施工的關(guān)鍵[6,7]。對掘進(jìn)施工過程中的巖渣特性進(jìn)行分析,有助于提高豎井工程施工效率,并能進(jìn)一步指導(dǎo)掘進(jìn)機(jī)刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,具有重要的理論價值和指導(dǎo)意義。

目前國內(nèi)外有關(guān)豎井掘進(jìn)施工中巖渣特性的相關(guān)研究,有關(guān)的研究文獻(xiàn)相對較少。本研究以國內(nèi)首次成功應(yīng)用全斷面立井掘進(jìn)機(jī)的浙江寧海抽水蓄能電站通風(fēng)立井建設(shè)項目為依托,采用數(shù)值圖像處理技術(shù),對全斷面立井掘進(jìn)機(jī)機(jī)械破巖巖渣分布特性進(jìn)行量化分析,對豎井掘進(jìn)機(jī)破巖過程中存在的問題進(jìn)行進(jìn)一步分析,并對其改進(jìn)方向進(jìn)行了探討。對提高我國地下施工裝備制造水平,增強(qiáng)豎井掘進(jìn)機(jī)的自主研發(fā)制造能力有重要意義。

1 工程概況

寧海抽水蓄能電站位于浙江寧?？h城境內(nèi),上水庫位于茶山林場穹窿的中心部位,下水庫位于大佳何鎮(zhèn)漲坑村,電站通風(fēng)豎井工程位于下水庫左岸山坡。該豎井地表高程+280 m,井底標(biāo)高為+82 m,深度為198 m。該豎井項目分兩步進(jìn)行施工作業(yè),首先進(jìn)行始發(fā)段豎井施工,需在豎井上口設(shè)置鎖口圈梁。始發(fā)段深度10 m,采用人工配合挖掘機(jī)開挖作業(yè)。為滿足全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)組裝和始發(fā)要求,始發(fā)段需在豎井掘進(jìn)機(jī)進(jìn)場前完成。在始發(fā)段以下,采用全斷面掘進(jìn)機(jī)完成剩余188 m 施工,開挖直徑7.83 m。SBM全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)配置驅(qū)動功率1 500 kW,刀盤轉(zhuǎn)速4.3 r/min,額定貫入度4.5 mm,采用整機(jī)體始發(fā),分2 次進(jìn)行。在始發(fā)階段,采用小貫入度、小推進(jìn)速度緩慢掘進(jìn)機(jī),貫入度設(shè)定在2 mm,轉(zhuǎn)速設(shè)定為4 r/min。在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定地層后,根據(jù)地層條件調(diào)整掘進(jìn)參數(shù),開始正常掘進(jìn)作業(yè)。SBM 立井掘進(jìn)機(jī)采用刮板連續(xù)清渣——斗式連續(xù)提升——儲渣倉轉(zhuǎn)載吊桶提升的三級上出渣技術(shù),成功研制了機(jī)械上排渣系統(tǒng)(圖1),實現(xiàn)了立井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)、出渣協(xié)同高效施工。

圖1 機(jī)械式上排渣系統(tǒng)Fig.1 Mechanical upper discharge system

通風(fēng)豎井礦體圍巖條件較好,主要為凝灰?guī)r類的沉積巖,圍巖分布情況如圖2所示。凝灰?guī)r是一種分布最廣泛、最常見的細(xì)?；鹕剿樾紟r。相關(guān)研究認(rèn)為,寧海地區(qū)的凝灰?guī)r以中酸性熔巖為主,由于其特征組分和特征結(jié)構(gòu)的不同,導(dǎo)致不同區(qū)域凝灰?guī)r在力學(xué)性質(zhì)上有明顯的差異。就凝灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度而言,這種差異在數(shù)值上相差3～5 倍,有時甚至更大[8,9]。對豎井不同深度的巖芯試樣進(jìn)行單軸飽和抗壓強(qiáng)度試驗,檢測結(jié)果如表1所示。檢測得到巖芯試樣的飽和抗壓強(qiáng)度值在57.4～109 MPa 范圍內(nèi),平均值為83.3 MPa。

表1 豎井圍巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果Table 1 Test results of uniaxial saturation compressive strength of rock mass around shaft

圖2 通風(fēng)豎井巖體圍巖條件Fig.2 Surrounding rock condition of exhaust shaft rock body

根據(jù)現(xiàn)場勘察,豎井工程場地巖層從上至下可劃分為:0～5 m為強(qiáng)風(fēng)化巖層,圍巖類別屬穩(wěn)定性差的Ⅳ類圍巖;5～25 m為弱風(fēng)化巖石,巖層陡傾角節(jié)理較發(fā)育,局部密集,屬Ⅳ～Ⅲ類圍巖,圍巖較破碎,成井條件差;25 m 以下為微風(fēng)化巖石,巖體完整性較差或較為完整,成井條件好,圍巖為Ⅲ～Ⅱ類。表2為豎井+215 m 高程平臺不同部位巖體聲波檢測結(jié)果。除1個測點外其他測點波速均在5 000 m/s 以上,波速高且波速基本一致,全孔波速曲線未表現(xiàn)出拐點。檢測結(jié)果表明巖體強(qiáng)度未受施工影響,節(jié)理裂隙不發(fā)育,不存在松弛帶。

表2 豎井圍巖體不同部位巖體聲波檢測Table 2 Rock mass acoustic detection in different parts of rock mass around shaft

2 滾刀破巖機(jī)理

豎井掘進(jìn)機(jī)使用的刀具為常用的盤形滾刀。破碎巖體時,滾刀在高推力作用下,滾刀刀刃和巖體接觸并緊壓。此時,在滾刀和巖體接觸面上將發(fā)生顯著的局部變形,出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。在掘進(jìn)機(jī)刀盤的推力和刀盤扭矩作用下,滾刀在掌子面轉(zhuǎn)動切割巖石。隨著滾刀侵入巖石,在巖石內(nèi)部結(jié)合力最為薄弱的地方將會產(chǎn)生細(xì)小的微裂紋,該微裂紋隨著滾刀侵入深度的加大而逐漸擴(kuò)展為顯裂紋。當(dāng)相鄰2個滾刀作業(yè)形成的裂紋交匯時,或顯裂紋發(fā)展到巖石表面時,就形成了巖石斷裂體。隨著刀盤的持續(xù)轉(zhuǎn)動,形成巖渣[10,11]。

圖3為盤形滾刀在破巖過程中滾刀刀圈的受力情況。根據(jù)已有研究結(jié)果,盤形滾刀在切割巖石的過程中對巖體的作用力可分解為3個方向的相互作用力:① 法向推壓力Fv,即對巖體進(jìn)行擠壓破巖作用而使巖體縱向裂紋擴(kuò)展延伸的推壓垂直作用力;② 切向滾動切割力Fr,即用于碾壓切削作用使巖體的路徑上破碎失效的切向滾動作用力;③ 滾刀側(cè)向力FS,即刀盤回轉(zhuǎn)作用使巖體破碎裂紋橫向發(fā)展并與鄰近盤形滾刀共同協(xié)作使巖體脫落產(chǎn)生的側(cè)向作用力。相比之下,側(cè)向作用力由滾刀對巖石的擠壓力和刀盤旋轉(zhuǎn)的離心力所產(chǎn)生,指向刀盤中心,其數(shù)值較小,與其他2個力不屬于同一數(shù)量級,一般可以不考慮。

圖3 盤形滾刀在破巖過程中滾刀刀圈的受力情況Fig.3 The stress of disk hob ring in rock breaking process

采用科羅拉多礦業(yè)學(xué)院提出的單把盤形滾刀破巖受力CSM 預(yù)測模型,可以對單把盤形滾刀破巖中方向的分力進(jìn)行估算[12]。應(yīng)用該預(yù)測模型,可以直接對單把盤形滾刀在破巖過程中所受合力進(jìn)行估算,并將此合力可以進(jìn)一步分解為各方向的分力,盤形滾刀破巖壓力分布如圖4所示。

圖4 盤形滾刀破巖壓力分布Fig.4 Pressure distribution of disc hob breaking rock

應(yīng)用該模型,單把盤形滾刀破巖時所受到的法向推力及滾動切割力可以表達(dá)如下:

式中,?為單把盤形滾刀切削巖體時的接觸角;T為單把盤形滾刀刀刃寬度;r為單把盤形滾刀半徑;σc為巖體單軸抗壓強(qiáng)度;σt為巖體抗剪強(qiáng)度;p為單把盤形滾刀貫入度;ψ為單把盤形滾刀刀刃壓力分布系數(shù)(盤形滾刀若為V 型盤形滾刀,ψ=0.2;單把盤形滾刀刀刃寬度較大時,ψ=-0.2;一般ψ=0.1);C為無量綱系數(shù),C≈ 2.12。

盤形滾刀的破巖比能耗定義為刀具切削單位體積巖石所消耗的能量,是表征破巖效率的重要參數(shù),破巖比能耗越小,說明盤形滾刀破巖效率越高。破巖比能耗具體表達(dá)式如下:

式中,E為破巖比能耗;PN為垂直力;W為刀具破巖消耗的能量;h為貫入度;V為巖石破碎體積。

3 顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)特征

為了更好地認(rèn)識豎井掘進(jìn)機(jī)破巖效果,采用圖像處理的方式,對出渣顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析。圖5為豎井掘進(jìn)機(jī)出渣堆渣場,通過對圖中巖渣形狀觀察可知,機(jī)械破巖條件下,完整巖渣多呈不規(guī)則片狀及塊狀,另外破巖產(chǎn)生了一定量的巖粉。根據(jù)整個出渣堆渣場的體積進(jìn)行估算,細(xì)小巖渣及巖粉占整個巖渣總量的15%～20%。在該堆渣場選取不同的拍攝位置,如圖5(a) 特征點A～H所示。使用CCD 工業(yè)相機(jī)獲取堆渣場不同特征點位置的圖像,采用數(shù)值圖像處理的方法,對不規(guī)則形狀的巖渣長度,長寬比及顆粒面積等特征進(jìn)行統(tǒng)計分析。

圖5 豎井掘進(jìn)機(jī)出渣堆渣場特征點位置及巖渣形狀特征Fig.5 Location of feature points and shape characteristics of rock slag in the slag dump field of vertical shaft Roadheader

采用Image J 軟件對圖5(a)特征點A～H圖像進(jìn)行二值化處理,如圖6所示。在Image J 中設(shè)置標(biāo)尺,測量圖中盡可能多、完整的巖渣的直徑及長寬比,進(jìn)一步統(tǒng)計顆粒的面積分布特征,對豎井掘進(jìn)機(jī)機(jī)械破巖條件下的巖渣分布特性進(jìn)行量化分析。

圖7為不同區(qū)域特征點完整巖渣顆粒長度分布特征。如圖7所示,豎井掘進(jìn)機(jī)機(jī)械破巖條件下巖渣長度大多分布在1～7 cm,3 cm 范圍內(nèi)的巖渣數(shù)量最多,巖渣最大長度可以達(dá)到10 cm。圖8為不同區(qū)域特征點完整巖渣顆粒長寬比分布特征。統(tǒng)計表明,巖渣長寬比集中分布在1～4,長寬比大于7 的巖渣數(shù)量極少。圖9為不同區(qū)域特征點完整巖渣顆粒面積分布特征。統(tǒng)計表明,巖渣面積基本在20 cm2以內(nèi),只有極個別的巖渣面積大于50 cm2。

圖7 堆渣場不同區(qū)域巖渣顆粒長度分布特征Fig.7 Distribution characteristics of slag particle length in different areas of slag field

圖8 堆渣場不同區(qū)域巖渣顆粒長寬比分布特征Fig.8 Distribution characteristics of slag-particle length to width ratio in different areas of slag field

圖9 出渣堆渣場不同區(qū)域完整巖渣顆粒面積分布特征Fig.9 Area distribution characteristics of intact rock slag particles in different areas of slagging field

豎井掘進(jìn)機(jī)破巖產(chǎn)生了一定量的巖粉,為了進(jìn)一步厘清巖粉中各種不同粒徑顆粒的相對含量,在堆渣場選取一定量的巖粉進(jìn)行了3 組現(xiàn)場篩分試驗,3 組試驗的級配曲線如圖10所示,由此計算得到巖粉的不均勻系數(shù)Cu及曲率系數(shù)Cc,如表3所示。

圖10 堆渣場巖渣顆粒級配曲線Fig.10 The slag-particle grading curves of slag field

表3 現(xiàn)場篩分試驗不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)Table 3 Nonuniformity coefficient and curvature coefficient of field screening test

4 存在問題分析

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn),在豎井掘進(jìn)機(jī)破巖過程中,細(xì)小巖渣占比過大,同時有大量的巖粉產(chǎn)生。滾刀破巖產(chǎn)生的細(xì)小巖渣是引起掘進(jìn)施工中粉塵問題的關(guān)鍵因素,細(xì)小巖渣所占比例也反映出豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率和提升效率。對掘進(jìn)過程中的巖渣結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,可以得到以下幾點啟示:

(1)寧海抽水蓄能電站豎井掘進(jìn)采用的新型立井全斷面自動化掘進(jìn)機(jī)是國內(nèi)外首臺套盤型滾刀破巖、刮板集渣、斗式轉(zhuǎn)載、吊桶出渣的立井施工革新裝備,在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的大量巖粉造成工作面粉塵聚集,從而進(jìn)一步影響到豎井掘進(jìn)機(jī)的激光導(dǎo)向控制,影響激光束打靶的準(zhǔn)確性。巖粉及細(xì)小巖渣的產(chǎn)生很大程度上是由于掘進(jìn)機(jī)滾刀的反復(fù)研磨,說明掘進(jìn)機(jī)刮板集渣裝置及提升系統(tǒng)還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

(2)巖粉及細(xì)小巖渣的產(chǎn)生說明在豎井掘進(jìn)機(jī)破巖過程中盤形滾刀的破巖比能耗過高,在目前的滾刀結(jié)構(gòu)條件和參數(shù)下,掘進(jìn)機(jī)破巖效果較低。為降低破巖能耗,巖粉的粒度越大越好。解決該問題需要合理的盤形滾刀布置設(shè)計?；跐L刀破巖機(jī)理,刀盤布置的基本原則應(yīng)包括:刀盤徑向載荷最小、傾覆力矩最小,質(zhì)量分布均勻,破巖差異量最小。

(3)深地戰(zhàn)略是國家重要戰(zhàn)略之一,隨著礦產(chǎn)資源開采向深部全面推進(jìn),豎井掘進(jìn)機(jī)施工過程中產(chǎn)生大量的巖粉將作為一種新型資源,如何有效利用將成為一個新的問題。巖粉可以作為土性改良的摻合料,改善特殊土的不良工程特性,提高強(qiáng)度,消除濕陷性、抑制膨脹性,降低凍脹性等。另外,巖粉可以作為礦物摻合料進(jìn)行高強(qiáng)度混凝土的制備,能顯著改善混凝土的工作性能和致密性。

5 結(jié) 論

依托寧海抽水蓄能電站通風(fēng)立井工程,應(yīng)用數(shù)字圖像分析技術(shù),對豎井掘進(jìn)機(jī)械破巖巖渣特性進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)了目前掘進(jìn)機(jī)在集渣和刀盤布置方面還需做進(jìn)一步優(yōu)化,以減少掘進(jìn)過程中巖粉的含量,實現(xiàn)破巖巖渣體積的增大。主要研究結(jié)論如下:

(1)機(jī)械破巖條件下,完整巖渣多呈不規(guī)則片狀及塊狀。由于掘進(jìn)機(jī)不能及時進(jìn)行出渣,導(dǎo)致有部分巖渣會進(jìn)行反復(fù)研磨,從而在破巖過程中產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的巖粉。應(yīng)對刮板集渣裝置及提升系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

(2)豎井掘進(jìn)機(jī)機(jī)械破巖條件下巖渣長度大多分布在1～7 cm,巖渣最大長度可以達(dá)到10 cm。巖渣長寬比集中分布在1～4,長寬比大于7 的巖渣數(shù)量極少。巖渣面積基本在20 cm2以內(nèi)。

(3)目前破巖比能耗過高,在后續(xù)研究工作中需進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)刀盤的合理布置,深入研究滾刀的破巖機(jī)理和受力預(yù)測模型、刀盤的受力力學(xué)模型、刀盤刀具的布置方法。掘進(jìn)機(jī)的破巖效果有待進(jìn)一步提高。