呂 旦， 賈連輝

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

豎井是礦山、隧道、水電、市政、國(guó)防工程等不可缺少的工程項(xiàng)目，其修建方法目前仍以傳統(tǒng)鑿井法為主，該工法在施工應(yīng)用中針對(duì)各種施工難題取得了大量的研究成果。如： 王飛[1]針對(duì)透水深厚砂卵石地層超深豎井降水進(jìn)行了理論計(jì)算和模型試驗(yàn)研究； 劉晗[2]對(duì)大直徑深豎井的勞動(dòng)組織、掘砌施工、防治水、巖爆治理以及通風(fēng)、排水、供電系統(tǒng)等方面進(jìn)行了分析研究； 吳愛(ài)祥等[3]圍繞鑿巖爆破、運(yùn)輸提升、巖層加固、膏體充填及遠(yuǎn)程遙控等關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)綜述了其發(fā)展歷程及新進(jìn)展。

隨著工程需要及基建行業(yè)的發(fā)展，大型豎井工程正向著自動(dòng)化、無(wú)人化、智能化的方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)高端裝備、施工技術(shù)等方面開(kāi)展了系列化研究。如： 荊國(guó)業(yè)等[4]對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)的井幫穩(wěn)定、鑿井工序、掘進(jìn)參數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn)和適用性進(jìn)行了探討； 李超等[5]以國(guó)內(nèi)研制的首臺(tái)礦山型豎井掘進(jìn)機(jī)為依托，對(duì)施工過(guò)程中側(cè)壁圍巖穩(wěn)定性及破壞模式進(jìn)行了分析； 劉志強(qiáng)等[6-7]通過(guò)構(gòu)建機(jī)械破巖科學(xué)鉆井參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)體系，對(duì)千米級(jí)豎井全斷面科學(xué)鉆進(jìn)裝備與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析； 王鵬越等[8]對(duì)立井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)和自動(dòng)邁步砌壁模板澆筑混凝土的施工技術(shù)進(jìn)行了研究； 賈連輝等[9-11]以自研的上排渣型全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)為例，對(duì)上排渣技術(shù)、刀盤(pán)設(shè)計(jì)以及施工工藝進(jìn)行了全面剖析； 鄭康泰等[12]對(duì)全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)的多項(xiàng)創(chuàng)新型設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)開(kāi)展了功能性試驗(yàn)； 秦政等[13]討論了豎井掘進(jìn)機(jī)與局部爆破開(kāi)挖組合施工的可行性，研究了該組合施工方法在破碎地層中的適用性。

目前對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)的研究還處于理論和試驗(yàn)等起步階段，以上文獻(xiàn)均未從豎井掘進(jìn)機(jī)工程應(yīng)用的角度深入剖析設(shè)備的具體使用效果，本文以上排渣式全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)在寧海抽水蓄能電站排風(fēng)豎井工程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用為研究對(duì)象，對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及施工中的應(yīng)用效果或改進(jìn)措施進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 豎井概況及地質(zhì)情況

寧海抽水蓄能排風(fēng)豎井工程地處浙江省寧波市寧?？h，位于下水庫(kù)竹腰坑左岸山坡，為通風(fēng)兼安全洞附屬洞室。豎井底部為排風(fēng)豎井下平洞，下平洞與通風(fēng)兼安全洞相連通，排風(fēng)豎井深198 m。寧海抽水蓄能排風(fēng)豎井平面及剖面如圖1所示。該工程采用全新的豎井施工方式——上排渣式全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工。井頸段深10 m，凈直徑為8 m，利用人工開(kāi)挖和鋼筋混凝土襯砌的方式進(jìn)行施工修建，作為豎井掘進(jìn)機(jī)的組裝始發(fā)井。剩余188 m為豎井掘進(jìn)機(jī)施工段，其開(kāi)挖直徑為7.83 m，井壁支護(hù)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿為φ22 mm@150 mm×150 mm，錨網(wǎng)噴厚度為150 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

(a) 排風(fēng)豎井平面布置

(b) 排風(fēng)豎井縱剖面圖1 寧海抽水蓄能排風(fēng)豎井平面及剖面圖(單位： mm)Fig. 1 Plane and profile of Ninghai pumped storage and ventilation shaft (unit: mm)

豎井井口0～5 m為強(qiáng)風(fēng)化層Ⅴ類(lèi)圍巖；井深5～25 m，為弱風(fēng)化Ⅳ—Ⅲ圍巖，巖體較破碎；井深25 m以下為Ⅲ—Ⅱ類(lèi)的微新巖石，巖體以完整性差—較完整為主，成洞條件好。豎井圍巖以Ⅱ、Ⅲ類(lèi)為主，巖性為流紋質(zhì)含礫玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r、硅化玻屑凝灰?guī)r、石英霏細(xì)斑巖等類(lèi)的沉積巖，強(qiáng)度為80～120 MPa，局部可達(dá)140 MPa。施工開(kāi)挖期間，沿節(jié)理、破碎帶有滲滴水或線狀流水現(xiàn)象。

1.2 施工概況

上排渣式全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)主要由開(kāi)挖系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、撐靴推進(jìn)系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、物料運(yùn)輸系統(tǒng)及吊盤(pán)后配套系統(tǒng)等組成，配合地面提升懸吊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)豎井的開(kāi)挖、出渣、支護(hù)，井筒可一次成型。上排渣式豎井掘進(jìn)機(jī)整機(jī)渲染與主機(jī)剖面填充如圖2所示。

(a) 整機(jī)渲染

(b) 主機(jī)剖面填充圖2 上排渣式豎井掘進(jìn)機(jī)整機(jī)渲染與主機(jī)剖面填充圖Fig. 2 Rendergraph of entire machine and profile schematic of main machine of SBM with upper muck discharge

寧海豎井施工現(xiàn)場(chǎng)，豎井掘進(jìn)機(jī)采用分體始發(fā)模式。首次始發(fā)前吊盤(pán)放置于井口附近，主機(jī)在始發(fā)井內(nèi)完成組裝調(diào)試后，向下掘進(jìn)20 m，在此期間利用汽車(chē)吊配合豎井掘進(jìn)機(jī)主機(jī)完成井底出渣，待到達(dá)施工深度后，組裝井架及地面提升系統(tǒng)，下放吊盤(pán)，進(jìn)行其余168 m的掘進(jìn)施工。

上排渣式全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)于2020年12月10日完成現(xiàn)場(chǎng)組裝調(diào)試并始發(fā)，2021年12月26日豎井貫通，施工工期為12個(gè)月。除去地面系統(tǒng)組裝聯(lián)調(diào)時(shí)間、井壁治水及支護(hù)時(shí)間，以及其他因素造成的停機(jī)時(shí)間外，實(shí)際有效掘進(jìn)天數(shù)為121 d，總掘進(jìn)時(shí)間為583 h，累計(jì)掘進(jìn)188 m，平均進(jìn)尺0.32 m/h。前20 m采用汽車(chē)吊出渣施工，實(shí)際有效掘進(jìn)天數(shù)為24 d，平均進(jìn)尺0.71 m/d，最快進(jìn)尺1.5 m/d； 后168 m采用地面提升機(jī)出渣，實(shí)際有效掘進(jìn)天數(shù)為97 d，平均進(jìn)尺1.73 m/d，最快進(jìn)尺4.82 m/d。

施工過(guò)程中，遇到了設(shè)計(jì)與實(shí)際施工存在差異的情況。如： 凝灰?guī)r遇水后泥化造成刮板輸送機(jī)排渣不暢、破碎帶撐靴無(wú)法提供有效支撐、粉塵環(huán)境下井下視野差等問(wèn)題，在一定程度上影響了豎井的快速掘進(jìn)。通過(guò)剖析設(shè)計(jì)并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了豎井的順利貫通。寧海抽水蓄能排風(fēng)豎井貫通場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 寧海抽水蓄能排風(fēng)豎井貫通場(chǎng)景Fig. 3 Breakthrough of Ninghai pumped storage and ventilation shaft

2 上排渣系統(tǒng)及應(yīng)用

2.1 上排渣系統(tǒng)原理

上排渣全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)配置三級(jí)接力上排干渣系統(tǒng)，依次經(jīng)過(guò)刮板輸送機(jī)刮渣至刀盤(pán)內(nèi)部集渣桶—斗式提升機(jī)垂直轉(zhuǎn)運(yùn)集渣桶內(nèi)巖渣至主機(jī)上方儲(chǔ)渣艙—儲(chǔ)渣艙放渣至吊桶，最終吊桶被地面提升機(jī)提升出井，實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖、出渣的平行作業(yè)，提高豎井施工速度。井底開(kāi)挖面巖渣清理技術(shù)是排渣系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過(guò)刮板輸送機(jī)與刀盤(pán)的集成設(shè)計(jì)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)，可使井底巖渣得到及時(shí)清理。刮板的刮渣效果直接影響掘進(jìn)的進(jìn)度。刮板輸送機(jī)與刀盤(pán)布置關(guān)系如圖4所示。

圖4 刮板輸送機(jī)與刀盤(pán)布置圖Fig. 4 Layout of scrape conveyor and cutterhead

2.2 刮板輸送機(jī)在泥化巖層使用狀況

在施工中，上排渣系統(tǒng)使用效果顯著，井底巖渣可及時(shí)被清理。正常掘進(jìn)狀態(tài)如圖5所示。但在施工至井深70 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)離開(kāi)挖面40 m和50 m高的井壁上出現(xiàn)多處滲水點(diǎn)，且在雨天滲水量呈增多趨勢(shì)，最大滲水量達(dá)到38 m3/h。刮板被粘結(jié)狀態(tài)如圖6所示。滾刀破巖產(chǎn)生的巖渣與井底積水不停地混合攪拌，巖渣泥化，刮板輸送機(jī)在此情況下多次被粘結(jié)。不同工況下刮板輸送機(jī)運(yùn)行壓力如圖7所示。相比于相同掘進(jìn)參數(shù)下的干式掘進(jìn)，刮板輸送機(jī)在被粘結(jié)后運(yùn)行壓力居高不下，排渣效果不理想，井底積渣增多，造成掘進(jìn)困難。解決井壁滲水以及井底積水對(duì)刮板輸送機(jī)造成的粘結(jié)影響，恢復(fù)干渣掘進(jìn)，才能在凝灰?guī)r含水地層中得到成功應(yīng)用。

圖5 正常掘進(jìn)狀態(tài)Fig. 5 Normal boring state

圖6 刮板被粘結(jié)狀態(tài)Fig. 6 Scraper bonding state

圖7 不同工況下刮板輸送機(jī)運(yùn)行壓力Fig. 7 Operation pressure of scrape conveyor under various conditions

2.3 刮板輸送機(jī)粘結(jié)處理措施

針對(duì)刮板粘結(jié)影響掘進(jìn)的情況，施工人員從井壁滲水處理和優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)2方面進(jìn)行應(yīng)對(duì)，保證了豎井掘進(jìn)機(jī)在凝灰?guī)r含水地層的順利通過(guò)。

1)安裝井壁截水槽。在井筒滲水嚴(yán)重的地段，按井筒的弧度使用3 mm左右的薄鋼板加工若干段導(dǎo)水槽，沿井壁環(huán)形螺旋狀向下傾斜5°安裝，然后使用膨脹螺絲把導(dǎo)水槽安裝到井壁上，在導(dǎo)水槽與井壁之間加橡膠墊密封，使?jié)B出的井壁水沿導(dǎo)水槽向下流。在導(dǎo)水槽末端使用橡膠軟管與主排水管連接，將收集到的井壁滲水引流至污水箱內(nèi)，減少井底積水。導(dǎo)水槽原理及實(shí)物安裝如圖8所示。

(a) 導(dǎo)水槽原理

(b) 實(shí)物安裝圖8 導(dǎo)水槽原理圖及實(shí)物安裝圖Fig. 8 Working principle of drain groove and photograph

2)掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整優(yōu)化。針對(duì)凝灰?guī)r遇水泥化情況，首先井底積水盡可能泵抽至最低位，然后刀盤(pán)采用0.5 r/min的低轉(zhuǎn)速，刮板輸送機(jī)和斗式提升機(jī)以最快轉(zhuǎn)速運(yùn)行，根據(jù)地層巖石硬度情況，采用設(shè)備自重掘進(jìn)或推進(jìn)缸反拉減壓掘進(jìn)方式，使刮板輸送機(jī)開(kāi)始進(jìn)行刮水刮渣作業(yè)，待井底基本無(wú)渣后，根據(jù)巖層情況適時(shí)增加推力掘進(jìn)，至完全排干渣為止。

寧海豎井施工現(xiàn)場(chǎng)采用5 m3單吊桶排渣作業(yè)，排渣系統(tǒng)從濕渣完全轉(zhuǎn)干渣過(guò)程需要5～6桶，時(shí)間為60～80 min，轉(zhuǎn)渣結(jié)束后，即可恢復(fù)正常掘進(jìn)作業(yè)。在干式狀態(tài)下，最快排渣量可達(dá)13桶/h。

2.4 上排渣系統(tǒng)適用條件

上排渣式全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)適用于地質(zhì)條件較好、巖石穩(wěn)定、少水或水化后改性程度較低的巖層中，排渣系統(tǒng)是其安全可靠施工的保證。針對(duì)局部滲水地層采用井壁導(dǎo)水槽工藝，減少井底積水；針對(duì)復(fù)雜含水軟弱破碎地層采用地面預(yù)注漿改性或結(jié)合凍結(jié)工藝，可使治理后井筒涌水量≤15 m3/h，但對(duì)于富水、深埋工況、復(fù)雜地層(如泥巖地層、膨脹性地層等)，仍需進(jìn)行大量適應(yīng)性技術(shù)研究。

3 開(kāi)挖系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

豎井掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)設(shè)計(jì)之初從多變地層適用性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、深井拆機(jī)可操作性等方面進(jìn)行了重點(diǎn)考慮，并兼顧開(kāi)挖面巖渣清理功能，采用了前裝刀設(shè)計(jì)。一方面前裝刀設(shè)計(jì)使刀盤(pán)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，重量可控；另一方面，前裝刀增大了刀刃至刀盤(pán)面板的高度，巖渣具有更大的流動(dòng)空間，有利于減少刀盤(pán)在泥巖、灰?guī)r等地層被粘結(jié)的概率。

3.1 開(kāi)挖系統(tǒng)功能性設(shè)計(jì)

常規(guī)的隧道掘進(jìn)機(jī)更換刀具時(shí)刀盤(pán)可水平后退一定的距離，為新刀安裝留出足夠的空間。豎井掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)在整機(jī)的最下方，刀具更換具有一定的難度。刀盤(pán)的后退設(shè)計(jì)、刀具的安裝拆卸方式和刀具如何高效更換是前裝刀設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用中首要考慮的問(wèn)題。

在保證豎井掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)采用了8輻條式結(jié)構(gòu)，輻條之間的位置空間能覆蓋所有刀具的檢修更換，人員在這些既定空間作業(yè)，無(wú)需進(jìn)入刀盤(pán)正下方。前裝刀刀盤(pán)采取了一系列針對(duì)性設(shè)計(jì)，將滾刀安裝形式設(shè)計(jì)為水平抽拉式安裝，方便了刀具螺栓的拆卸和安裝；設(shè)計(jì)了刀盤(pán)支地系統(tǒng)，滿(mǎn)足掘進(jìn)機(jī)主機(jī)離地要求，為新刀更換留出空間；配合專(zhuān)用可調(diào)升降式換刀工裝，實(shí)現(xiàn)刀具與刀座的快速對(duì)位。開(kāi)挖系統(tǒng)功能性設(shè)計(jì)如圖9所示。

(a) 刀具水平抽拉安裝方式

(b) 刀盤(pán)支地系統(tǒng)

(c) 換刀工裝圖9 開(kāi)挖系統(tǒng)功能性設(shè)計(jì)Fig. 9 Functional designs of excavation system of SBM

3.2 刀盤(pán)支地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

刀盤(pán)支地系統(tǒng)采用6根配有保壓系統(tǒng)的支撐油缸，共計(jì)提供可達(dá)9 000 kN的支撐力，滿(mǎn)足質(zhì)量為430 t的掘進(jìn)機(jī)主機(jī)離地250 mm。另外，刀盤(pán)離地后在刀盤(pán)下方及時(shí)放置4—6個(gè)鋼性支撐柱，單個(gè)支撐柱可提供1 500 kN的支撐力，支撐柱和刀盤(pán)支地系統(tǒng)共同作用，使整機(jī)離地安全系數(shù)達(dá)到4.2,有效保證了人員換刀的安全作業(yè)。

3.3 刀具更換及進(jìn)尺

刀盤(pán)設(shè)計(jì)開(kāi)挖直徑為7.83 m，刀盤(pán)上共計(jì)布置46把43.18 cm(17英寸)滾刀，其中中心雙聯(lián)滾刀8把、正面刀28把、邊刀10把。工程應(yīng)用中刀具更換次數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。刀號(hào)編號(hào)及磨損換刀次數(shù)如圖10所示。

表1 刀具更換次數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of cutter replacement times

圖10 刀具編號(hào)及磨損換刀次數(shù)Fig. 10 Cutter numbers and damaged cutter replacement times

雖然刮板輸送機(jī)可將井底巖渣及時(shí)刮出，但井底存留的部分巖渣加劇了刀具的二次磨損，刀具更換數(shù)量相對(duì)于同類(lèi)地層施工的TBM明顯增多。寧海豎井施工深度為188 m，開(kāi)挖直徑為7.83 m，累計(jì)開(kāi)挖產(chǎn)生巖渣9 053 m3，共更換51把滾刀，除去因刮板輸送機(jī)被粘結(jié)后井底嚴(yán)重積渣造成刀具偏磨17把外，刀具正常磨損更換34把，平均5.5 m/把。刀盤(pán)中部圓弧過(guò)渡區(qū)和邊部圓弧過(guò)渡區(qū)為巖渣流動(dòng)的臨界區(qū)，渣量殘存量相對(duì)較多，刀具磨損速度較快，圓弧區(qū)域刀具更換次數(shù)最多，正常磨損更換20把，平均9.4 m/把；正面刀正常磨損更換14把，平均13.4 m/把。

3.4 刀具更換耗時(shí)

豎井掘進(jìn)機(jī)換刀作業(yè)時(shí)，邊刀更換需要人工擴(kuò)挖出換刀空間，中心刀及正面刀更換時(shí)通過(guò)換刀工裝快速對(duì)刀具進(jìn)行拆裝作業(yè)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，正面刀每把更換時(shí)間約1 h，中心雙聯(lián)刀每把更換時(shí)間約2.5 h，邊刀每把更換時(shí)間約1 h，單刀更換需2名作業(yè)人員。

3.5 開(kāi)挖系統(tǒng)優(yōu)化方向

從整體使用情況來(lái)看，采用前裝刀設(shè)計(jì)在凝灰?guī)r地層中應(yīng)用效果明顯，通過(guò)刀盤(pán)支地系統(tǒng)和刀具更換工裝，實(shí)現(xiàn)了豎井掘進(jìn)機(jī)前裝刀的安全更換，但井底巖渣殘存增加了刀具消耗量。下一步還需在刀具布置、井底集渣裝置上展開(kāi)研究，構(gòu)建刀盤(pán)機(jī)械與流體協(xié)同排渣組合模式，減少井底巖渣殘存，提高刀具使用壽命。

4 姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

4.1 掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)調(diào)整方式

豎井掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)調(diào)整分為掘進(jìn)主機(jī)軸線傾斜糾偏和圓周滾轉(zhuǎn)糾偏。當(dāng)豎井掘進(jìn)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中遇到地層分布不均或推進(jìn)缸不同步時(shí)，會(huì)造成掘進(jìn)機(jī)軸線的傾斜，影響井筒軸線精度；當(dāng)撐靴與井壁貼合不夠，在刀盤(pán)破巖反轉(zhuǎn)矩的作用下，豎井掘進(jìn)機(jī)會(huì)出現(xiàn)圓周滾轉(zhuǎn)，造成掘進(jìn)機(jī)主機(jī)吊桶通道和吊盤(pán)上的吊桶通道不在一條軸線上，影響吊桶安全順利通行。

1)掘進(jìn)主機(jī)軸線傾斜糾偏。全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)采用環(huán)形撐靴設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖11)，利用周邊環(huán)向布置的油缸作為撐靴油缸，靴板及對(duì)應(yīng)布置的推進(jìn)油缸分為4個(gè)區(qū)，根據(jù)需要4個(gè)區(qū)可同時(shí)聯(lián)控，也可單獨(dú)控制。當(dāng)主機(jī)掘進(jìn)軸線傾斜時(shí)，根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量界面(見(jiàn)圖12)，及時(shí)調(diào)整各分區(qū)推進(jìn)油缸的壓力使推進(jìn)油缸產(chǎn)生位移行程差，最終使掘進(jìn)機(jī)軸線回歸設(shè)計(jì)井筒軸線。

圖11 環(huán)形撐靴系統(tǒng)Fig. 11 Annular gripper system

圖12 導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量界面Fig. 12 Real-time monitoring interface of guiding system

2)圓周滾轉(zhuǎn)糾偏。當(dāng)豎井掘進(jìn)機(jī)圓周滾轉(zhuǎn)時(shí)，使穩(wěn)定器靴板和撐靴靴板離開(kāi)井壁，反轉(zhuǎn)刀盤(pán)，使掘進(jìn)機(jī)上的吊桶通道和吊盤(pán)上的吊桶通道軸線恢復(fù)重合。

4.2 撐靴防打滑措施

針對(duì)破碎地層井壁凹凸不平，撐靴無(wú)法提供有效支撐力的問(wèn)題，可采用在靴板與井壁之間增墊方木的方式； 針對(duì)井壁滲水造成撐靴與井壁貼合后摩擦力變小，撐靴反向伸出產(chǎn)生打滑的現(xiàn)象，一方面可通過(guò)增加撐靴缸撐緊油壓提高撐緊力，另一方面通過(guò)減小推進(jìn)油缸推進(jìn)油壓，保證安全掘進(jìn)。

4.3 姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)應(yīng)用效果

豎井掘進(jìn)機(jī)施工前20 m時(shí)由于導(dǎo)向系統(tǒng)不具備安裝條件，期間采用人工間歇測(cè)量方式，加上始發(fā)井施工時(shí)自身軸線偏差、設(shè)備組裝偏差等因素，相比于井筒設(shè)計(jì)中心，在前20 m掘進(jìn)結(jié)束時(shí)，刀盤(pán)中心在X軸方向產(chǎn)生偏差238 mm，在Y軸方向產(chǎn)生偏差273 mm。之后采用導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)井，40 m人工復(fù)核校對(duì)1次，通過(guò)對(duì)設(shè)備姿態(tài)及時(shí)調(diào)整，不斷修正掘進(jìn)軸線，井筒掘進(jìn)軸線可控。至井筒落底貫通時(shí)，相對(duì)于井筒設(shè)計(jì)坐標(biāo)，井筒中心X軸方向偏差101 mm，井筒Y軸方向產(chǎn)生偏差82 mm。井筒各階段中心坐標(biāo)情況如表2所示。動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)向產(chǎn)生的井筒中心坐標(biāo)偏差變動(dòng)曲線如圖13所示。

表2 各階段中心坐標(biāo)情況Table 2 Central coordinate of various stages m

圖13 井筒中心坐標(biāo)偏差變化Fig. 13 Variation of coordinate deviation of shaft center

在寧海豎井施工應(yīng)用中，豎井掘進(jìn)機(jī)的調(diào)向系統(tǒng)及姿態(tài)調(diào)整方式得到了驗(yàn)證，姿態(tài)可控。軸線偏差量可控制在±200 mm以?xún)?nèi)，最終圓滿(mǎn)完成了豎井掘進(jìn)任務(wù)，掘進(jìn)機(jī)順利到達(dá)設(shè)定落底位置。調(diào)向期間井壁效果如圖14所示。井筒成形俯瞰效果如圖15所示。

圖14 調(diào)向期間井壁效果圖Fig. 14 Shaft wall condition in SBM direction change stage

圖15 井筒成形俯瞰效果圖Fig. 15 Overlooking effect of shaft

環(huán)形撐靴推進(jìn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)豎井掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)的軸線調(diào)整，但由于油缸數(shù)量過(guò)多，自由度過(guò)大造成油缸不同步以及人員操作熟練度等問(wèn)題使推進(jìn)過(guò)程主機(jī)姿態(tài)波動(dòng)起伏較大，油缸數(shù)量?jī)?yōu)化和控制方式優(yōu)化是下一步改進(jìn)的方向。

5 井下實(shí)時(shí)監(jiān)控及創(chuàng)新應(yīng)用

5.1 可視化監(jiān)控與集成控制

豎井掘進(jìn)機(jī)包含開(kāi)挖、出渣、推進(jìn)、支護(hù)、通風(fēng)、供排水、供電等多個(gè)系統(tǒng)，井下各個(gè)系統(tǒng)、各個(gè)裝置的工作狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)通過(guò)操控臺(tái)集成控制，可根據(jù)監(jiān)控信息、參數(shù)變化及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。但設(shè)備在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中存在主機(jī)區(qū)域粉塵上揚(yáng)的問(wèn)題，一定程度上影響了視頻監(jiān)控的清晰度，造成吊桶裝渣情況無(wú)法準(zhǔn)確判斷。為此采取了一系列針對(duì)性設(shè)計(jì)，保證井下除維保檢修和支護(hù)作業(yè)外，掘進(jìn)期間井下無(wú)人作業(yè)。

1)主控室安裝于地面，通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)顯示記錄系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)狀態(tài)及各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和顯示，通過(guò)地面提升控制系統(tǒng)和豎井掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的信息交換和監(jiān)控共享，保證了吊桶升降以及吊桶裝渣的無(wú)障礙銜接。集成監(jiān)控如圖16(a)所示。

(a) 集成監(jiān)控

(b) 熱成像

(c) 吊桶稱(chēng)重圖16 可視化監(jiān)控系統(tǒng)Fig. 16 Visualized monitoring system

2)針對(duì)掘進(jìn)期間灰塵造成井下吊桶裝渣和吊桶運(yùn)行狀況難以判斷等問(wèn)題，除采取必要的降塵措施外，安裝熱成像攝像頭，實(shí)現(xiàn)了吊桶裝渣的可視化。熱成像如圖16(b)所示。

3)新增吊桶稱(chēng)重系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示吊桶裝渣重量，與熱成像監(jiān)控互補(bǔ)，待重量達(dá)到既定范圍時(shí)，停止裝渣，防止巖渣外溢。吊桶稱(chēng)重如圖16(c)所示。

5.2 井下人員位置實(shí)時(shí)定位

豎井施工作為一種高危建井行業(yè)，存在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多、人員安全管理復(fù)雜的現(xiàn)狀。豎井掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用在一定程度上降低了施工風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，但由于設(shè)備整機(jī)高度較大，平臺(tái)層數(shù)多，人員下井維保檢修或支護(hù)作業(yè)時(shí)較為分散，存在垂直分層作業(yè)的問(wèn)題，井下人員的定位識(shí)別和安全預(yù)警是安全建井的重要基礎(chǔ)。

針對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)特征和施工環(huán)境，基于UWB技術(shù)，將豎井掘進(jìn)機(jī)平臺(tái)每層部署1個(gè)層判斷基站和2個(gè)層定位基站，利用3個(gè)基站構(gòu)建所在平臺(tái)的平面坐標(biāo)系[14]。當(dāng)人員到達(dá)平臺(tái)作業(yè)區(qū)后，基站可以有效識(shí)別人員所佩戴的定位手環(huán)發(fā)射的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各平臺(tái)作業(yè)人員的位置識(shí)別和人數(shù)識(shí)別。定位手環(huán)和監(jiān)控界面如圖17所示。

(a) 定位手環(huán)

(b) 監(jiān)控界面圖17 定位手環(huán)和監(jiān)控界面Fig. 17 Positioning bracelet and monitoring interface

本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，層判斷精準(zhǔn)率可達(dá)100%，系統(tǒng)定位誤差滿(mǎn)足使用要求，實(shí)現(xiàn)了井下作業(yè)人員的智能化和系統(tǒng)化管理。

6 結(jié)論與建議

1)該項(xiàng)目的成功應(yīng)用對(duì)高危建井行業(yè)具有解放勞動(dòng)力、提高施工安全等重大意義，但受限于地質(zhì)情況、工序銜接、人員安排、支護(hù)工藝等多因素的影響，其施工效率還需要通過(guò)多個(gè)工程進(jìn)行不斷驗(yàn)證，各系統(tǒng)也需要不斷進(jìn)行完善升級(jí)。

2)上排渣式全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)為盲井機(jī)械化施工提供了一種思路，但其排渣方式適用于干式或含水量少且水化后改性程度較低的巖渣輸送，豎井施工中地層突發(fā)涌水會(huì)造成該排渣系統(tǒng)排渣效果下降甚至無(wú)法工作。一方面，針對(duì)不良地層可提前采用凍結(jié)或超前注漿等方法堵水，降低水對(duì)排渣系統(tǒng)的影響；另一方面，可集成“流體+機(jī)械”多模式排渣系統(tǒng)，根據(jù)地層情況及地層含水量，適時(shí)切換排渣系統(tǒng)，保證豎井掘進(jìn)機(jī)的順利施工。

3)對(duì)于底部已有平洞的大直徑豎井，可將本機(jī)型刀盤(pán)改為錐形刀盤(pán)，形成下排渣擴(kuò)孔式豎井掘進(jìn)機(jī)，采用“反井鉆機(jī)導(dǎo)井+下排渣擴(kuò)孔式豎井掘進(jìn)機(jī)擴(kuò)挖”組合工法進(jìn)行施工，既能通過(guò)導(dǎo)井溜渣排水，又能提前判斷巖石地質(zhì)條件，可極大提升施工效率，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。