文永浩，王 東

（1.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400700；2.重慶松藻煤電有限責(zé)任公司裝備制造分公司，重慶 401420）

0 引言

多年來，煤礦硬巖掘進(jìn)、掘錨同步作業(yè)、斷面一次成型、工作面除塵等關(guān)鍵技術(shù)難題已經(jīng)成為煤炭行業(yè)所面臨的亟待解決的共性問題。目前，煤礦用于巷道掘進(jìn)的主要設(shè)備有懸臂式掘進(jìn)機(jī)或連續(xù)采煤機(jī)[1]，在煤巷及半煤巖巷道中發(fā)揮了較大作用。但在巖巷掘進(jìn)過程中，當(dāng)巖石單軸抗壓強(qiáng)度大于80 MPa時(shí)，國內(nèi)外現(xiàn)有的懸臂式掘進(jìn)機(jī)均難以適用[2]。

隨著盾構(gòu)法隧道施工在地鐵、鐵路、公路、市政、水電等多個(gè)工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，工程盾構(gòu)機(jī)能夠有效截割硬巖，堅(jiān)硬巖，截割巖石單項(xiàng)抗壓強(qiáng)度可高達(dá)150 MPa[3]。盾構(gòu)法隧道施工能滿足煤礦井下的需求，但是在煤礦井下應(yīng)用極少，沒有成熟的產(chǎn)品、工藝可以直接用于煤礦。

1 概述

打通一煤礦屬煤與瓦斯突出礦井，為了治理瓦斯確保安全，在進(jìn)入煤層采掘活動(dòng)前，必須在煤層下部的巖石中施工瓦斯抽采巷道，用鉆機(jī)打孔穿到煤層中，并接入抽采管路系統(tǒng)，利用地面的瓦斯泵將煤層中的瓦斯抽出來，抽采達(dá)標(biāo)后才允許進(jìn)行煤層的采掘生產(chǎn)。為了保證采掘生產(chǎn)的正常接續(xù)，瓦斯巷的掘進(jìn)必須超前采煤工作面至少3 年，越超前瓦斯治理越充分，采掘生產(chǎn)時(shí)的瓦斯安全威脅越小[4]。

為了提高全巖巷道掘進(jìn)機(jī)械化水平及單進(jìn)水平，保證礦井的部署接替超前，重慶市能源投資集團(tuán)與遼寧通用重型機(jī)械股份有限公司根據(jù)打通一礦井下地質(zhì)條件共同研制了EQH2800型全斷面掘進(jìn)機(jī)，簡稱“2.8 m 盾構(gòu)機(jī)”，專門為打通煤礦井下巖石巷道的掘進(jìn)而設(shè)計(jì)[4]。該掘進(jìn)機(jī)借鑒TBM 硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)在工程隧道中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，適用于巖石單軸抗壓強(qiáng)度50～150 MPa、巖石整體性較好、有一定自穩(wěn)性的圍巖巖巷掘進(jìn)[5]。

2 2.8m 盾構(gòu)機(jī)存在的問題及原因分析

通過2.8 m 盾構(gòu)機(jī)在打通煤礦南三區(qū)S301 瓦斯巷的應(yīng)用試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2.8 m 盾構(gòu)機(jī)在結(jié)構(gòu)、性能、配套設(shè)備、施工組織、工藝流程等存在如下問題。

2.1 刀盤

2.1.1 刀座開裂

原因分析：①中心刀框和雙刀刀框壁厚較薄，使用過程中受力過大；②中心刀框和雙刀刀框的加強(qiáng)筋板厚度不足，不能起到克服應(yīng)力不均所造成的歪扭變形；③單刀的刀框筋板厚度較薄且分布比較疏松，克服應(yīng)力不均所造成的歪扭變形效果欠佳。

2.1.2 刀盤外噴霧萬向接頭頻繁損壞

原因分析：目前使用的旋轉(zhuǎn)接頭是自行加工的。旋轉(zhuǎn)接頭屬于精密件，由于加工質(zhì)量不合格，實(shí)際使用效果差且容易損壞。

2.2 齒輪箱密封易損壞，巖漿粉及水進(jìn)入齒輪箱

原因分析：①大、小密封處的格圈密封效果差；②在齒輪箱和刀盤連接處的最外側(cè)無防塵密封；③排脂孔不足，排脂孔容易進(jìn)灰塵堵塞。

2.3 后支撐不合理

原因分析：①支撐油缸的行程、支撐力不足；②后支撐腿與油缸干涉；③更改油缸后，主架體與油缸不配套；④更換油缸后，前、后鞍架與油缸不配套。

2.4 超前鉆機(jī)體積大、重量重、沖擊水錘易損壞、移動(dòng)困難

原因分析：目前使用的超前鉆機(jī)體積大、重量重，沖擊水錘價(jià)格昂貴且易損壞。超前鉆機(jī)未設(shè)計(jì)在齒軌上滑動(dòng)的液壓輔助功能，只有利用手動(dòng)葫蘆進(jìn)行輔助，通過人工拉動(dòng)手動(dòng)葫蘆的方式拖動(dòng)超前鉆機(jī)在齒軌上滑動(dòng)。

2.5 無軸螺旋葉片連接強(qiáng)度不夠

原因分析：無軸螺旋葉片共3 段，每段之間用4 顆螺栓連接。無軸螺旋長度過長，在運(yùn)行過程中無軸螺旋葉片抖動(dòng)大，容易使螺栓松動(dòng)，并剪斷螺栓、損壞螺母。

2.6 冷卻系統(tǒng)冷卻方式欠佳

原因分析：打通一礦的掘進(jìn)作業(yè)方式為“三八”循環(huán)作業(yè)，盾構(gòu)機(jī)長時(shí)間連續(xù)作業(yè)，因冷卻系統(tǒng)冷卻方式欠佳，在連續(xù)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，產(chǎn)熱大、散熱慢，導(dǎo)致油箱溫度高。

2.7 風(fēng)筒布置通道不合理

原因分析：現(xiàn)通道安裝風(fēng)筒后無行人通道、遮擋棱鏡，影響全站儀使用。

2.8 配套皮帶機(jī)設(shè)計(jì)不合理

原因分析：2.8 m 的巷道直徑較小，礦車和皮帶機(jī)根據(jù)以往的設(shè)計(jì)方案，礦車和皮帶機(jī)之間的安全距離窄，人員無法正常通行，安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高。

2.9 二段主梁、三段主梁連接強(qiáng)度不夠

原因分析：二段主梁與三段主梁通過兩個(gè)銷軸進(jìn)行連接，使用后發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度低，銷軸容易斷裂，需要增加連接強(qiáng)度。

2.10 機(jī)械部分存在的問題

（1）液壓系統(tǒng)管路布置不合理：原設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)管路布置方式欠佳，操作不便。

（2）閥、管、油箱等液壓元件損壞：閥、管、油箱等液壓元件在使用過程中發(fā)生碰撞、擠壓，或因環(huán)境原因造成銹蝕、腐蝕等。

（3）濾芯、液壓密封損壞：濾芯、液壓密封使用過久，在礦井受到擠壓、撞擊等。

（4）各連接銷軸、螺栓等連接件損壞：各連接銷軸、螺栓等連接件在使用過程中產(chǎn)生機(jī)械擠壓或碰撞。

（5）零部件變形、缺失：零部件在使用過程中機(jī)械擠壓變形，人為或非人為原因的丟失。

2.11 電氣部分存在的問題

（1）電控箱防爆性能降低，電氣元器件損壞：電控箱、電氣元器件使用時(shí)間長、在井下受潮、發(fā)生碰撞等。

（2）遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)及接口電路板損壞、組態(tài)王界面不完善：遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)及接口電路板電氣元器件使用時(shí)間過長，電路板損壞；組態(tài)王界面設(shè)計(jì)布局不能滿足實(shí)際應(yīng)用者的需求。

（3）防爆計(jì)算機(jī)操作臺(tái)銹蝕、門鎖損壞，就地操作室銹蝕：防爆計(jì)算機(jī)操作臺(tái)受潮發(fā)生銹蝕；門鎖在使用過程中人為或非人為原因的損壞；就地操作室在井下受潮、維修放置時(shí)間長。

（4）電磁閥組和各類傳感器的纜線、控制線損壞，傳感器不準(zhǔn)確：電磁閥組和各類傳感器的纜線、控制線在使用過程中與設(shè)備、巖石等產(chǎn)生摩擦；傳感器在井下運(yùn)行過程中人為調(diào)試傳感器、發(fā)生劇烈抖動(dòng)等。

（5）電氣部件損壞，電機(jī)銹蝕、絕緣降低：電氣部件使用時(shí)間長，在井下受潮、發(fā)生碰撞等；電機(jī)在井下長時(shí)間運(yùn)行，導(dǎo)致絕緣降低、受潮銹蝕等。

3 2.8 m 盾構(gòu)機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)

3.1 刀盤改進(jìn)

刀盤改進(jìn)包括：①更換中心刀框和雙刀刀框，將中心刀框和雙刀刀框的刀框壁加厚；②將中心刀框和雙刀刀框加強(qiáng)筋板由原來的50 mm 厚度更改為100 mm；③將全部所有單刀的刀框筋板進(jìn)行加厚和加密處理；④刀盤不再使用外噴霧萬向接頭，改用內(nèi)噴霧裝置。

3.2 齒輪箱改進(jìn)

齒輪箱（圖1）改進(jìn)包括：①將大密封處和小密封處的格圈更換為骨架油封，避免潤滑油滲漏；②在齒輪箱和刀盤連接處的最外側(cè)增加防塵密封，防止灰塵進(jìn)入的同時(shí)也便于更換；③增加排脂孔，并重新注入油脂。

圖1 齒輪箱

3.3 后支撐改進(jìn)

后支撐改進(jìn)包括：①將后支撐油缸更換為行程加長、缸徑加大的數(shù)字油缸，增加支撐力；②設(shè)計(jì)、改造、加工主架體（圖2）；③設(shè)計(jì)、改造、加工后支撐腿（圖3）；④設(shè)計(jì)、改造、加工前、后鞍架（圖4）；⑤裝配數(shù)字油缸，并對聯(lián)接銷強(qiáng)度進(jìn)行校核。

圖2 主架體

圖3 后支撐腿

圖4 前、后鞍架

3.4 超前鉆機(jī)改進(jìn)

仍采用齒輪齒圈嚙合的方式安裝超前鉆機(jī)。左超前鉆機(jī)采用固定式，固定在左側(cè)，利用三聯(lián)閥控制左超前鉆機(jī)升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)；右上超前鉆機(jī)采用滑動(dòng)式，在原有的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)功能，并將原來的三聯(lián)閥更換為四聯(lián)閥，用四聯(lián)閥控制右上超前鉆機(jī)升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)及滑動(dòng)。

3.5 無軸螺旋葉片改進(jìn)

分析得知螺栓、螺母受剪切力過大，導(dǎo)致螺栓、螺母損壞，設(shè)計(jì)防剪切處理的方式方法，最終決定在每兩段連接處采用增加T 形鍵的方式進(jìn)行防剪切處理（圖5）。

圖5 無軸螺旋葉片

3.6 冷卻系統(tǒng)改進(jìn)

根據(jù)實(shí)際情況，重新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)管路圖和水系統(tǒng)管路圖，重新對液壓系統(tǒng)和水系統(tǒng)的管路進(jìn)行配管，合理配置冷卻器中油和水的走向。

3.7 風(fēng)筒布置通道改進(jìn)

制作異形風(fēng)筒，主斷面風(fēng)筒直徑600 mm，兩個(gè)分支為260 mm×245 mm，使風(fēng)筒在后配套（圖6）的兩側(cè)下邊穿過，通過前后鞍架與撐靴之間的縫隙后，直接給前邊送風(fēng)（圖7）。

圖6 后配套

圖7 風(fēng)筒布置

3.8 配套皮帶機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)

將皮帶機(jī)整體抬高并向右移動(dòng)，使皮帶機(jī)與礦車之間的間隙增大250 mm：①將皮帶機(jī)的縱梁一端固定在隧道巖壁上，另一端通過在隧道底部打錨樁，將錨樁插入方鋼內(nèi)，并利用螺栓進(jìn)行連接定位；②上端將方鋼嵌入槽鋼內(nèi)，利用銷軸進(jìn)行定位，并利用抱箍進(jìn)行斜向鎖緊；③將Ф40 mm 棒料插入隧道巖壁，支撐皮帶機(jī)安裝架（圖8）。

圖8 皮帶機(jī)斷面

3.9 二段主梁、三段主梁改進(jìn)

增加2 個(gè)銷軸進(jìn)行連接，確定二段主梁和三段主梁上銷軸孔的位置，利用鏜床加工銷軸孔，并加工制作銷軸；銷軸孔和銷軸加工完成后，按改進(jìn)后的方案連接二段主梁和三段主梁。

3.10 機(jī)械部分改進(jìn)

機(jī)械部分改進(jìn)包括：①優(yōu)化布置液壓系統(tǒng)管路；②清洗、檢查，更換閥、管、油箱等液壓元件；③更換所有濾芯、液壓密封；④檢查、更換各連接銷軸、螺栓等連接件；⑤修復(fù)處理各變形零部件，并補(bǔ)齊其他缺失零部件。

3.11 電氣部分改進(jìn)

電氣部分改進(jìn)包括：①電控箱防爆性能及磷化處理，更換損壞的元器件；②處理遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)以及接口、優(yōu)化組態(tài)王界面；③防爆計(jì)算機(jī)操作臺(tái)、就地操作室檢查更換及檢修維護(hù)；④對電磁閥組和各類傳感器等損壞的纜線、控制線進(jìn)行更換處理，調(diào)校傳感器等；⑤檢查、更換、維護(hù)電氣部件，電機(jī)清洗檢查。

4 結(jié)語

通過對2.8 m 盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化改進(jìn)及修理，改進(jìn)了其原設(shè)計(jì)的不足，為其正常運(yùn)行和煤礦掘進(jìn)作業(yè)順利開展提供了重要保障，有效保證井下的安全生產(chǎn)，提高礦井全巖巷道掘進(jìn)機(jī)械化程度。一次成洞改善了作業(yè)人員的洞內(nèi)作業(yè)條件，人身安全防護(hù)能力大大提高，保護(hù)作業(yè)人員的安全，降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，大大降低煤礦生產(chǎn)的生產(chǎn)成本，更保證了礦井正常的采掘部署接替及安全生產(chǎn)。除此之外，還為盾構(gòu)機(jī)在煤礦井下的后續(xù)應(yīng)用問題提供了理論依據(jù)，為礦用盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)方案提供了寶貴的參考依據(jù)，為盾構(gòu)機(jī)在煤礦的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。