一种大型竖井掘进用多功能平台系统

田振华，苗军克，周 艳

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039

在 所有的隧道、山体等施工设备中，设计一种既能垂直向下掘进，同时又能够进行高效的管片拼装，并兼具超前钻探、竖井锚固等功能的设备，是设计难度相对较高的。该设备是一套极为复杂的系统，需要很高的安全性与自动化程度。

美国、德国在 20 世纪 60 年代开始研究竖井掘进工艺，使用掘进机开挖隧道技术，具有安全、快速、环保等诸多优势[1]，开发出多种类型的竖井掘进机。长期以来，只有德国的维尔特、海瑞克和美国罗宾斯3 家公司掌握竖井掘进的核心技术和生产能力。近年来，我国在煤矿竖井建设上取得了很大成就，促进了竖井施工技术和装备的发展[2]。

竖井掘进设备作为基础孔钻凿设备，在很多领域发挥着重要的作用[3]。竖井掘进工作环境恶劣，空间狭小，一般需要进行超前钻探，探测地层；需要布置管片拼装机系统，对开挖后的井壁进行管片砌衬；由于竖井的特殊性，还要配置锚杆钻对管片进行锚固。为了解决上述问题，研发了一种兼顾竖井掘进、管片拼装、超前钻探等功能于一体多功能平台系统，使竖井施工水平达到一个新的高度。

1 多功能平台系统总体结构

多功能平台系统由竖井管片拼装机系统、管片限位扶正工具、应急管片停放系统、竖井超前钻系统、竖井锚杆钻系统组成，整体结构如图 1 所示。

图1 多功能平台系统结构Fig.1 Multi-function platform system

竖井超前钻系统和竖井锚杆钻系统与竖井管片拼装机系统共用回转机构和升降机构，这样极大地减少了空间，降低了成本。

为了实现井壁的可扩展性，形成系列化，设计了伸缩臂机构。伸缩臂按悬臂梁考虑，其载荷形式主要为重力产生的弯矩[4]。由于需要精确控制定位，伸缩臂不能采用传统的液压缸加绳排结构，宜采用液压缸直接驱动的结构，并且应尽量减少臂节，以提高精度，同时配置位移传感器，实现行程的监测控制，提高精度与安全性。由于工作时存在震动，在进行结构设计时，除进行强度与刚度计算[5]外，还应进行有限元模态分析。

回转机构的设计要考虑转动惯量[6]，其启动时间及加速度应设计合理。由于质量大，加速度不宜过大，否则启动所需的动力过大，导致成本增加和浪费；也不易过小，否则影响效率。

回转机构驱动力矩

式中：T为驱动力矩；Tm为摩擦阻力矩；Tg为惯性阻力矩；为回转支承阻力系数；D为回转支承滚道平均直径；Fa为回转支承所受的总轴向力；Fr为回转支承所受的总水平力；为回转支承滚动体压力角；为各部件绕回转支承轴线的转动惯量；n为回转速度；t为启动或制动时间。

所有液压元件配置平衡阀与比例阀；采用遥控器进行操作，并备有 1 套直控装置。电、气、液控制柜放在多功能平台的上一层平台上，备用的直控操作台放在多功能平台上。

2 各子系统

根据施工工艺流程，管片拼装、锚固，超前钻探施工，多功能平台各子系统不能同时工作，其工作状态分配如表 1 所列。

表1 多功能平台子系统工作状态Tab.1 Working stage of subsystem of multifunction platform

2.1 竖井管片拼装机系统

竖井管片拼装机系统的作用是快速、安全、高效进行管片的拼装，采用真空吸盘对管片进行吸取，真空吸盘应保证在断电 20 min 内管片不掉落。配置伸缩臂以实现井壁的扩展；配置升降机构、回转机构、管片微调机构，以实现管片周向拼装的精准定位。升降机构采用 4 套液压缸驱动，配置 4 个导向键；回转机构使用回转支承、液压马达、行星减速器、小齿轮配合传动；管片微调机构采用关节球轴承结构，通过液压缸、叶片马达 (或螺旋摆动液压缸) 驱动。

固定完 1 个管片后，回缩 1 个支撑管片液压缸，相应拼装下个管片，依次循环。

2.2 管片限位扶正工具

由于竖井的特殊性，物资运输由竖井提升系统实现。当管片到达多功能平台的指定位置后，测距装置发出信号，管片停止下放，管片限位扶正工具开始工作，对管片进行位置限制，便于竖井管片拼装机系统的真空吸盘进行管片的吸取。

管片限位扶正工具安装在井盖上，采用液压控制系统，并配置角度传感器。

2.3 应急管片停放系统

当遇到突然断电时，使用备用电源，将管片放置在应急管片停放系统上。

应急管片停放系统可在导轨上移动，平时安放在多功能平台内侧，紧靠立柱，这样可以避免与其他设备发生干涉。

2.4 竖井锚杆钻系统

锚杆钻的作用是对已经拼装好的管片进行锚固，加固管片的砌衬。

竖井锚杆钻系统包括锚杆钻机、伸缩臂机构、回转机构、升降机构、锚杆钻机摆动机构，其中回转机构和升降机构与竖井管片拼装机系统共用。锚杆钻机采用液压顶驱式凿岩机，摆动机构采用螺旋摆动液压缸。管片上预留有锚固孔，锚杆钻机通过上述机构实现钻进定位，使其通过管片上的锚固孔进行钻进作业。

竖井锚杆钻系统配置 1 个吊环，通过吊环可以对2 个井盖实现吊运转移。

2.5 竖井超前钻系统

该系统的作用是进行地质超前钻探，提供注浆孔，用于稳固地层。

为满足钻深与定位要求，竖井超前钻系统采用潜孔水锤式钻机，配置伸缩臂机构、回转机构和升降机构，其中回转机构和升降机构与竖井管片拼装机系统共用。为提高工作效率，配置 2 台潜孔水锤式超前钻机，均安装于竖井管片拼装机的伸缩臂上，其中一台固定，另一台可通过液压缸摆动一定角度，这样便于超前孔位置的精确定位。

3 多功能平台各系统工作流程

(1) 管片通过提升系统放至多功能平台的规定位置；

(2) 管片限位扶正工具开始工作，对管片的位置进行限制，便于真空吸盘 (竖井管片拼装机的一个部件) 进行吸取；

(3) 竖井管片拼装机系统开始工作，真空吸盘吸取管片，管片限位扶正工具回到初始位置；

(4) 竖井管片拼装机系统通过一系列动作将管片精确定位至要求位置；

(5) 进行管片安装工作；

(6) 竖井管片拼装机系统复位，等待下一个管片到达；

(7) 当发生停电时，启动备用电源，通过竖井管片拼装机系统将管片停放在应急管片停放系统上，然后人员撤离，应急管片停放系统可在导轨上移动；

(8) 竖井锚杆钻系统通过回转机构、升降机构、摆动机构，对管片的锚固孔进行定位、钻孔，注浆。

(9) 竖井超前钻系统在掘进机导向钻开挖前，通过回转机构、升降机构、摆动机构、俯仰机构绕井壁轴线钻进超前孔，并加装止水装置，视情况进行注浆工作。

4 结语

该多功能平台系统解决了竖井掘进的超前钻探、管片拼装砌衬及锚固的要求，且结构紧凑，节省了大量的宝贵空间。采用机电液一体化技术，配合各种传感器，提高了系统的自动化程度，可减少人工，提高安全性。未来的研发方向为智能化、无人化，以提高设备的使用安全性，减少人力成本，提高企业效益。