23 m级超大直径竖井掘进机组装技术研究

结合上海市某地下智慧车库项目23 m级超大直径竖井掘进机组装施工情况,在组装前进行始发基坑开挖、刃脚环安装、顶圈梁锁口施工,利用管片上的预埋件精确定位竖井掘进机主机,达到高效组装竖井掘进机的目的。阐述了超大直径竖井掘进机在狭小施工场地中的组装技术,并通过实际施工验证了该组装技术的正确性,为今后相关超大直径竖井掘进机组装的实施,提供了可行性参考。

全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理研究

刀盘刀具系统作为全断面竖井掘进机的关键组成部分,不同刀盘锥度及刀间距对滚刀破岩起决定性的作用。运用ABAQUS软件建立滚刀动态破岩模型,分析不同刀盘锥度和不同刀间距对滚刀破岩的影响,并获取了滚刀在破岩过程中的受力情况及破岩效率。结果表明:滚刀破岩效率随着刀盘锥度的增大而减小,滚刀破岩效率随着滚刀安装半径的增大而减小,综合滚刀受力、破岩效率和实际工况,得到刀盘锥度为120°、滚刀刀间距为40 mm时,滚刀破岩效率最高。为竖井掘进机锥形刀盘设计提供了理论依据,有效提高了竖井掘进机破岩效率和整机研制水平。

下沉式竖井掘进工法在软土地区的应用研究

城市地区的深层地下管网建设产生了大量超深竖井建设需要,而传统施工技术难以同时满足超深竖井施工低影响、高效且节约的需求。为此,本文介绍了一种新型施工技术——下沉式竖井掘进工法(VSM),与沉井工法、地下连续墙围护开挖工法等传统施工方法相比,该工法具有施工速度快、环境友好、工程造价低等优点。通过对VSM工法特点的总结,探讨了基于该工法的超深竖井设计要点。该工法应用于软土地区时,应注意需要满足土体抗隆起稳定性及地基承载力要求。最后,介绍了上海软土地区首个采用VSM工法的超深竖井工程。对该竖井施工过程的监测结果表明,VSM工法在上海软土地区有较好的适用性,竖井开挖施工对周边环境的影响可满足上海地区环境保护等级为一级的基坑变形控制要求。

超大直径竖井掘进设备井内拆解回收技术研究

随着城市发展和工程技术的进步,越来越多的新技术被应用于城市地下空间开发。本文以地下停车库项目超大直径竖井掘进设备井内拆解回收施工为基础,通过筹划现场空间,合理安排拆机顺序,加强质量控制要点,以达到提高施工效率、节约工期的目的。并通过实际施工验证了该技术的正确性,为今后相关超大直径竖井掘进设备拆机回收的实施,提供了可行性的参考。

新型悬挂式竖井掘进技术在沉井施工中的应用研究

文章基于德国海瑞克公司发明的垂直掘进挖掘机,介绍了一种新型悬挂式竖井掘进技术。上海竹园白龙港污水连通管工程应用了该项技术,相较于传统沉井施工工艺,新型悬挂式竖井掘进技术可以大幅缩短施工周期,对周边影响更小,符合新时代对绿色工地的号召。垂直掘进设备和管片采用预制拼装技术,可减少对于场地的需求,缩短施工周期,具有简约化、集成化的特点。超挖控制与井壁润滑可以减少竖井对周边土体的扰动,保证竖井的顺利下沉,文章研究内容可为类似工程提供参考。

上排渣式全断面竖井掘进机凿井技术与应用

为验证全断面竖井掘进机凿井技术的可靠性,依托宁海抽水蓄能排风竖井工程,解析上排渣式全断面竖井掘进机上排渣系统、开挖系统、姿态调整系统及井下动态实时监控系统等关键系统的设计及应用。应用表明:1)在井壁上布置环向导水槽和优化掘进排渣参数,保证了竖井掘进机在凝灰岩含水地层的顺利通过;2)采用前装刀设计满足使用要求,通过刀盘支地系统和刀具更换工装,实现了竖井掘进机前装刀的安全更换;3)采用竖井掘进机独特的姿态调整方法,满足了井筒掘进的精度要求;4)基于渣土称重和热成像原理,解决了粉尘环境下吊桶装渣的可视化作业;5)采用基于UWB技术的竖井掘进机分层平面定位系统,实现了竖井作业区域内人员的实时定位。

复杂环境下竖井掘进与局部爆破开挖组合施工技术研究

【目的】竖井建设面临的地质条件与周边环境越来越复杂,给施工带来了极大的挑战。针对竖井施工对破碎地层及周边环境影响大,施工风险高等问题,为研究复杂环境下竖井施工方法,【方法】依托以礼河Ⅳ级电站出线竖井工程,从竖井掘进机选型、施工工艺步骤等方面探讨了竖井掘进机与局部爆破开挖组合施工的可行性,通过数值模拟和现场实践研究了该组合施工方法在破碎地层中的适用性。【结果】结果显示:(1)在数值模拟中,竖井开挖后围岩变形量值与围岩塑性区范围均较小,支护结构主应力小于规范限值,结构处于安全状态。(2)现场应用后,出线竖井整体偏斜率和围岩变形量值均符合要求,该方法施工效率较高,且施工过程中未出现井壁失稳现象,竖井成井质量较好。(3)局部爆破对邻近结构物影响较小,邻近结构物的爆破振动速度处于安全范围。【结论】结果表明:竖井掘进与局部爆破开挖组合施工方法在破碎地层竖井施工中具有较好的施工效果,研究可为类似工程提供技术参考。

全断面竖井掘进机大直径锥形刀盘模态研究与优化

以前期研发的全断面竖井掘进机为对象,结合竖井垂直开挖的施工特点,充分考虑刀盘动力学特性,对大直径锥形刀盘进行模态分析并根据分析结果对刀盘结构优化,为大直径锥形刀盘结构优化设计和改进提供理论依据。结果表明:通过自由模态分析可以很好地验证刀盘各零部件连接的正确性;通过约束模态分析,发现刀盘在4阶振型,即固有频率为32.736 Hz和32.308 Hz时共振最严重;根据约束模态分析结果,对所设计的刀盘进行优化提升刚度,使同一阶振型下振动变形面积明显减少,变形区域主要集中在强度较高的上圈梁处,对保证刀盘整体结构强度、减少振动变形具有重要意义。

基于动力学模型的全断面竖井掘进机纠偏控制策略

针对全断面竖井掘进机施工过程中易出现钻进偏斜的问题,提出了一种基于动力学模型的纠偏控制策略(误差符号积分鲁棒控制器,RISE)。首先,根据掘进机的组成和工作原理,将三维掘进空间内的偏斜问题分解为两个垂直平面内的二维偏斜问题,并规划了偏斜状态下的纠偏方案;其次,采用拉格朗日能量法建立了考虑未知环境干扰的掘进机纠偏动力学模型,并基于该模型,设计了误差符号积分鲁棒控制器,运用李雅普诺夫方法对控制器的稳定性进行了验证;最后,选取了整个纠偏过程的一段轨迹,在MATLAB/Simulink平台上进行了建模仿真,对误差符号积分鲁棒控制器的控制效果进行了验证。仿真结果表明:相较比例-积分-微分(PID)控制器和反馈线性化控制器(FLC),误差符号积分鲁棒控制器最大纠偏角度跟踪误差分别降低了83.3%和68.6%,最大纠偏位移跟踪误差分别降低了86.8%和66.4%。研究结果表明,该纠偏控制策略具有较高的纠偏轨迹控制精度。

全断面竖井掘进机装配工艺及始发关键技术研究

矿山开采目前多采用竖井开拓方式。探讨在岩层中竖井快速施工技术,对金属矿山或采煤矿井的生产建设有重大而深远的影响。全断面竖井掘进机融合了传统竖井施工技术和全断面隧道掘进机施工理念,是未来竖井施工的发展新方向,在坚硬岩层中有较好的适用性。目前,全断面竖井掘进机在矿山领域鲜有应用,缺乏成熟的理论指导和成功经验借鉴。本文以国内首个采用全断面竖井掘进机施工的宁海抽水蓄能电站工程作为依托,在实际应用的基础上,针对小场地施工、全断面竖井掘进机井下组装和始发掘进中的主要技术难题,提出了主机和后配套吊盘分体组装的二次始发关键施工技术。全断面竖井掘进机的装配分为主机组装和后配套吊盘组装两部分。主机井下组装按照从下向上的顺序依次组装各个部件,下井前在地面完成各个部件的部分安装工作;后配套吊盘连接成整体后由井架进行悬吊。通过人工开挖一定深度后,主机进行始发作业,再安装后配套吊盘,最后安装井架和其他地面系统,开始全断面竖井掘进机正常掘进工作。通过对全断面竖井掘进机在实际施工中遇到的问题进行全面分析,形成全断面竖井掘进机井下装配工艺及始发的关键技术,该研究成果对于中国深部矿产资源开发技术装备的发展具有很好的借鉴意义。

粒径对全断面竖井掘进机出渣泵磨损特性影响研究

为探究大颗粒粒径对全断面竖井掘进机上出渣泵过流部件磨损特性的影响,基于SST双方程混合湍流模型、Finnie塑性冲蚀磨损模型对其进行数值模拟,获得了全断面竖井掘进机出渣泵过流部件的冲蚀磨损形态,分析不同颗粒粒径对叶片磨损程度的影响。模拟结果表明:磨损最严重区域在叶片吸力面;定量预测出叶片磨损强度随不同初始条件的变化规律;随颗粒粒径增大,颗粒与吸力面的碰撞几率降低,叶片吸力面磨损区域显著减小,磨损位置受颗粒粒径的影响明显,而后盖板的磨损面积几乎不变;全断面竖井掘进机上出渣系统在输送最大粒径超过100%的固相颗粒时,仍具有良好的可靠性和稳定性。大颗粒粒径仅对吸力面磨损程度影响显著,对后盖板影响不明显。

我国竖井掘进机研究热点综述

向地球深部进军是资源开采的必然趋势,竖井掘进机作为深地开发的关键装备,逐渐备受关注。为了解竖井掘进机的研究情况,利用CiteSpace软件,对中国知网数据库的全部有关文献进行可视化分析。研究发现:竖井掘进机领域的相关研究正处于快速发展阶段,研究热点主要侧重于竖井掘进机的破岩理论、装备研制和应用,并对这3点进行详细论述;而掘进效率的提升、智能化凿井以及绿色低碳建井是研究的前沿及发展趋势。可见,竖井掘进机领域的研究呈多学科融合态势,未来仍是广大学者关注的重点。

全断面竖井掘进机导向控制技术研究

导向系统可以在竖井掘进过程中实时、准确地给出方向指引,然而目前在竖井掘进机中的应用还较少。以国内首台竖井掘进机(SBM)为对象,详细介绍了SBM导向装置及控制算法。结合全断面竖井开挖工程,对该SBM竖井施工应用过程中导向技术的误差原因做进一步分析,并提出相应的优化措施,其研究可为类似工程提供参考和借鉴。

超大直径全断面竖井掘进机分级开挖刀盘结构设计及应用

为了匹配掘进机驱动系统的国产化、通用化,降低制作难度,缩短生产工期,开发出一种采用常规动力系统且能满足驱动要求的超大直径全断面竖井掘进机分级开挖刀盘。依托国内某竖井项目工程,基于分级开挖的设计方法,研制出一种采用5.3 m主轴承驱动、直径21.85 m内嵌滑动刀箱的分级开挖刀盘。该分级开挖刀盘通过滑动刀箱上下伸缩控制滚刀位置高度的变化,使每一次破岩只有部分滚刀参与,达到降低刀盘掘进时所需的转矩和功率的目的。在实际工程应用中,刀盘掘进转矩小于17000 k N·m,最大日进尺为1.8 m,平均日进尺约为1 m,刀盘应用效果较好。最后,根据实际应用效果指出分级刀盘设计存在的不足和需要改进的地方。

竖井掘进机纠偏过程撑靴液压系统控制策略研究

为解决全断面竖井掘进机在钻进过程中的角度偏斜问题,提出纠偏过程撑靴液压系统控制策略。考虑到钻进过程中姿态测量的实时性,重点提出针对小角度偏斜的纠偏原理,将竖井掘进机的纠偏过程规划为绕钻头顶点旋转和向下钻进的交替配合;将各支撑液压系统的作用独立开来,以单个撑靴液压缸为对象,建立了含不确定干扰的纠偏过程撑靴液压系统动力学模型,设计基于模型补偿和角度误差符号积分的鲁棒控制策略,并通过李雅普诺夫稳定性分析证明了控制器可理论实现渐近跟踪性能;基于MATLAB/Simulink平台建立系统仿真模型和控制算法模块,选择两类转角指令,完成控制策略对比仿真。结果表明:在不确定干扰下所提出控制策略具有较高的偏斜角度调节精度。

复合地层竖井掘进机截齿磨损消耗控制技术

结合沉井式竖井掘进机在广花城际项目京溪路站—白云东平站区间2号盾构井机械法竖井施工情况,系统分析竖井掘进机截齿的工作原理及其在复杂环境不同深度地层磨损消耗原因,总结适应该盾构井复合地层竖井掘进机的截齿类型及滚筒形式,并且通过实际掘进试验提出减少截齿磨损消耗、延长截齿使用寿命的具体措施,通过分析竖井掘进机掘进参数,提出该盾构井掘进施工的合理参数控制范围,以期为类似工程施工提供参考。

矿山竖井掘进方法分类探讨

在矿山可开采过程中,由于地形原因及矿藏的储藏形式,有时需要采用竖井掘进的方法才能达到开采目的。从矿山开采方法来看,竖井掘进是重要的开采方法,在矿山开采中占有重要地位,同时在矿山开采中得到了广泛的应用。文章论述了矿山竖井掘进方法的具体分类,并对矿山竖井掘进方法的施工过程特点进行分析。

竖井掘进机撑靴井壁土体极限承载力研究

竖井掘进机在土层中掘进时,如果撑靴井壁土体无法提供足够的承载力,会产生撑靴推进反力不足、掘进机姿态难以控制等问题,严重时甚至导致井壁失稳,因此需要研究撑靴作用下井壁土体的极限承载力。以国内研制的首台矿山型竖井掘进机为依托,采用数值模拟方法对掘进过程中撑靴侧壁土体的受力和变形进行分析,确定撑靴作用下井壁土体的破坏模式为剪切滑移破坏。基于井壁土体破坏模式,假定破坏面为对数螺旋线和直线旋转曲面的组合,分析破坏面上的应力分布。采用土体塑性极限平衡法,推导竖井掘进机撑靴作用下井壁土体的极限承载力公式。将理论分析结果与数值模拟结果进行对比和分析,表明该公式的合理性。研究结果对于土层中竖井掘进机撑靴的设计及井壁稳定性的评估有重要的指导意义。

超深竖井掘进岩爆特征及防治措施

由于会泽矿3#超深竖井(施工深度达1 526 m)的工程地质条件,在竖井开挖到一定深度后有不同程度的岩爆现象显现,其中两次比较严重的岩爆发生的位置埋深较深,井筒深度达到1 400 m以上。为此建立了井壁地应力监测系统,对岩爆的发生进行预测。根据井壁周边不同深度布置的4个点处的应力变化曲线分析,总结了地应力分布规律,4#位置(东偏南70°)井壁受测压力最大,最大水平主应力可以达到120 MPa以上,其方位与最大主应力方向相符。结合3#竖井工程岩爆现象的分析,以及岩爆发生的特征,给出了预防岩爆所采取的工程措施,为此类工程施工制定岩爆防治措施提供了科学依据。

竖井掘进爆破有毒废气扩散规律数值研究

为实现对竖井掘进爆破所产生的有毒有害废气的有效检测和控制,揭示竖井掘进爆破有毒废气的扩散规律,基于计算流体力学模拟软件Fluent,kε方程标准模型以及BKW状态方程和SIMPLEC算法,开展竖井掘进爆破所产生的NO2、CO废气的扩散规律的数值研究,得出其时空二维体积及迹线分布规律。在此基础上,提出了竖井掘进爆破废气的监测方案并开展了现场实测研究。研究结果表明:竖井中废气扩散质量浓度变化基本规律为:上阶段平巷至下阶段平巷NO2质量浓度呈逐渐降低趋势;布置有高压风管一侧的CO质量浓度明显较高,下阶段平巷竖井出口处至掘进工作面则呈总体减小趋势。数值分析得到的爆破废气CO和NO2质量浓度分布规律与现场监测结果吻合,验证了基于Fluent的竖井掘进爆破废气扩散规律研究方法的有效性。