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千米竖井硬岩全断面掘进机凿井关键技术与研究路径探析

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煤炭学报 2022年第8期47卷 3163-3174页

作者：刘志强李术才王杜娟宋朝阳刘征宇田彦朝荆国业北京中煤矿山工程有限公司北京100013 矿山深井建设技术国家工程研究中心北京100013 山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 中铁工程装备集团有限公司河南郑州450016

机械破岩为代表的非爆破破岩技术是现阶段竖井凿井技术发展的重要方向,是解决现有钻孔爆破凿井井下作业人员多、工序复杂、职业伤害严重和环境污染等问题的可行技术途径。目前,已形成适用松软地层条件的竖井钻机钻井和适用井筒下部存在... 详细信息

机械破岩为代表的非爆破破岩技术是现阶段竖井凿井技术发展的重要方向,是解决现有钻孔爆破凿井井下作业人员多、工序复杂、职业伤害严重和环境污染等问题的可行技术途径。目前,已形成适用松软地层条件的竖井钻机钻井和适用井筒下部存在通道的反井钻机钻井,适用条件受到限制且未突破千米难关,竖井硬岩全断面掘进机凿井技术与装备依然处于研发起步阶段。竖井机械破岩凿井重大装备不仅是国家高端装备制造新兴产业发展的需求,也是千米竖井凿井技术变革的重要支撑。梳理了竖井掘进机发展历程与现状,分析了千米竖井多变地层稳定和高压涌水控制、坚硬岩石破碎、克服重力排渣、与支护相适应的井筒断面变化4个方面的难题,提出了地层预改性“干井掘进”、坚硬岩石“组合破岩”、克服重力“协同排渣”、掘-支协同“智能变径”等硬岩全断面掘进机凿井的核心功能需求。为满足复杂环境和工况下竖井掘进机高效可靠服役的需求,凝练了拟攻克的3个关键科学问题和8个关键技术问题,其中科学问题包括:①基于千米地层原位状态探识的竖井掘进机凿井围岩分级理论;②硬岩大断面多刀协同与射流辅助破岩机理;③大直径破岩掘进工作面岩渣分布与运移规律及垂直输送机制。关键技术问题包括:①千米地层原位探测、风险识别与改性技术;②大断面硬岩镶齿滚刀-盘形滚刀联合与水射流辅助高效破岩技术;③大直径刀盘机械与流体组合排渣技术;④竖井掘进机姿态调控与整机集中控制技术;⑤竖井掘进机系统耦合动力学分析及优化;⑥时空关系协同的竖井掘进机掘进与地层改性平行作业;⑦基于竖井掘进机凿井的井筒空间断面优化布置;⑧竖井掘进机前置高韧性薄喷临时支护与掘-支协同永久支护技术。最后根据科学问题和技术问题,面向工程示范制定了5项攻关任务,包括:①竖井掘进机凿井工艺及工程适应性;②千米竖井地层原位精细化探测、岩性识别与地层预改性关键技术;③千米竖井大体积破岩、垂直排渣与掘支协同关键技术;④千米竖井硬岩全断面掘进机研制;⑤千米级井筒竖井掘进机凿井工程示范,并明确了攻关任务之间的逻辑关系。基于以上内容,初步构建了千米竖井硬岩全断面掘进机凿井技术体系和研发路径,以期为我国千米竖井安全、高效、绿色、智能建设提供基础参考。

关键词：千米竖井机械破岩竖井掘进机排渣掘-支协同矿井建设

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敞开式TBM护盾半径适应性设计

浙江大学学报（工学版） 2019年第12期53卷 2280-2288页

作者：田彦朝贺飞张啸中铁工程装备集团有限公司

为了研究敞开式岩石隧道掘进机(TBM)护盾半径与开挖洞径的适应性问题,建立护盾与洞壁接触理论模型;基于护盾与洞壁接触间隙的变化规律,结合有限元力学性能分析和实际工况,提出护盾半径的设计方法.结果表明:底侧护盾最下部应与最小洞壁保... 详细信息

为了研究敞开式岩石隧道掘进机(TBM)护盾半径与开挖洞径的适应性问题,建立护盾与洞壁接触理论模型;基于护盾与洞壁接触间隙的变化规律,结合有限元力学性能分析和实际工况,提出护盾半径的设计方法.结果表明:底侧护盾最下部应与最小洞壁保持5~10 mm的间隙,在水平位置附近与洞壁相切接触,护盾半径由开挖洞径上、下限共同决定;顶护盾的设计半径应比隧洞开挖半径小30~50 mm,其和洞壁的最大间隙与两者的半径差呈正相关关系,受开挖洞径大小影响微小;底护盾半径设计应保证护盾底部与最小开挖洞壁底部接触,护盾半径应比隧洞开挖半径小15~50 mm.

关键词：岩石隧道掘进机(TBM) 护盾隧洞半径半径设计

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TBM边缘滚刀破岩机理的数值研究

煤炭学报 2014年第1期39卷 172-178页

作者：夏毅敏吴元郭金成田彦朝林赉贶卞章括中南大学高性能复杂制造国家重点实验室湖南长沙410083 湖南华银能源技术有限公司湖南长沙410001

为研究刀刃角和不同被切削材料对全断面硬岩掘进机(TBM)边缘滚刀破岩机理的影响规律,基于二维离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了一系列边缘滚刀破岩数值模型,对边缘滚刀作用下被切削体内部裂纹生成、扩展和破碎过程进行数值模拟。仿真... 详细信息

为研究刀刃角和不同被切削材料对全断面硬岩掘进机(TBM)边缘滚刀破岩机理的影响规律,基于二维离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了一系列边缘滚刀破岩数值模型,对边缘滚刀作用下被切削体内部裂纹生成、扩展和破碎过程进行数值模拟。仿真结果表明:张拉破坏是滚刀破岩时裂纹生成与扩展的主要原因;对于不同刀刃角的边缘滚刀接近弧面下端的斜裂纹长度要比弧面上端的长;大理岩裂纹扩展能力和破岩效率均随刀刃角的增大先增大后减小,因此对于硬岩刀刃角不宜过小也不宜过大;随着被切削材料强度增大,裂纹扩展越不充分,裂纹扩展能力和破岩效率均降低;与其他材料相比,TBM边缘滚刀对大理岩破坏损伤范围最小,破岩效率最低。最后通过实验和工程数据验证了仿真方法的正确性和可行性。

关键词： TBM 边缘滚刀破岩机理裂纹扩展

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基于响应面法的沉井掘进机回转装置优化设计

机械设计 2022年第S2期39卷 92-97页

作者：徐光亿齐志冲田彦朝宋德华张朋真陈凯歌中铁工程装备集团有限公司河南郑州450016

以沉井掘进机的关键结构件——回转装置为研究对象,提出了以结构最大等效应力和结构质量为优化目标的结构优化设计方法。简述了沉井掘进机的主要结构组成和回转装置结构组成;基于厂内工业试验下主机的受力工况对回转装置进行受力分析,... 详细信息

以沉井掘进机的关键结构件——回转装置为研究对象,提出了以结构最大等效应力和结构质量为优化目标的结构优化设计方法。简述了沉井掘进机的主要结构组成和回转装置结构组成;基于厂内工业试验下主机的受力工况对回转装置进行受力分析,建立回转装置受力分析简易模型;通过PTC Creo软件对回转装置进行参数化建模并基于有限元法对回转装置进行静强度分析;以环板、法兰板和筋板等结构关键尺寸为设计输入变量,以最大等效应力、质量为优化目标,对设计参数进行灵敏度分析和响应面分析;利用设计变量与输出参数之间的灵敏度大小简化需优化的模型,在保证回转装置静态特性的基础上以回转装置质量最小为优化目标,运用多目标多尺寸的优化分析,基于响应面法对回转装置进行结构优化设计。结果表明,优化后回转装置质量减小了19.7%,最大应力值降低了11.1%,达到了优化的效果。证明了基于有限元分析、参数灵敏度分析、响应面分析和多目标优化的沉井掘进机回转装置优化设计方法的有效性。

关键词：沉井掘进机回转装置参数化建模灵敏度分析响应面分析结构优化

某供水工程TBM刀盘破岩过程动静态响应特性

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哈尔滨工程大学学报 2016年第5期37卷 732-737页

作者：夏毅敏陈卓林赉贶田彦朝唐露吴才章杨妹中南大学高性能复杂制造国家重点实验室湖南长沙410083 中南大学机电工程学院湖南长沙410083

刀盘是硬岩掘进机(TBM)的关键部件,为了研究刀盘刀具与掘进面耦合作用下载荷分布与变化规律,建立了某供水工程TBM刀盘-岩石相互作用的三维分析模型,基于显式动力学方法模拟TBM刀盘掘进过程,研究掌子面岩体的损伤失效状态以及刀盘刀具的... 详细信息

刀盘是硬岩掘进机(TBM)的关键部件,为了研究刀盘刀具与掘进面耦合作用下载荷分布与变化规律,建立了某供水工程TBM刀盘-岩石相互作用的三维分析模型,基于显式动力学方法模拟TBM刀盘掘进过程,研究掌子面岩体的损伤失效状态以及刀盘刀具的动态掘进载荷。研究得到了全盘刀具三向力载荷及刀盘总载荷(总推力、总扭矩),其中刀盘扭矩平均值1 560 k N·m,最大值5 880 k N·m,推力平均值3 444 k N,最大值7 296 k N;通过工程实例验证,得到实测载荷值稍大于仿真值,总推力误差为15.74%,总扭矩误差为15.38%,验证了仿真结果的有效性。在此基础上,对刀盘的动静态响应特性进行研究,得到刀盘在极限工况下最大应力100 MPa,最大变形0.695 mm,确定刀盘有足够的刚度强度。

关键词： TBM刀盘数值模拟动态掘进特性工程验证静态力学特性

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长距离掘进软弱围岩的TBM刀盘扩挖技术

隧道建设（中英文） 2019年第5期39卷 884-889页

作者：田彦朝贺飞张啸杨添任中铁工程装备集团有限公司河南郑州450016

为解决全断面岩石隧道掘进机(TBM)在软弱围岩地层的适应性问题,应对由于围岩收敛变形导致的卡机和支护被破坏的风险,基于高黎贡山隧道TBM施工项目,从TBM装备角度提出了针对性设计方案。通过对比现有的TBM刀盘扩挖技术,提出边缘滚刀外移... 详细信息

为解决全断面岩石隧道掘进机(TBM)在软弱围岩地层的适应性问题,应对由于围岩收敛变形导致的卡机和支护被破坏的风险,基于高黎贡山隧道TBM施工项目,从TBM装备角度提出了针对性设计方案。通过对比现有的TBM刀盘扩挖技术,提出边缘滚刀外移和预留扩挖刀箱组合设计方案,并结合一套同步抬升油缸系统和中间导向柱实现了刀盘的抬升扩挖设计。通过上述研究,使刀盘半径方向扩挖量达到100mm,避免由于隧道底部扩挖导致的主机"栽头"现象,实现TBM在软弱围岩地质条件的长距离扩挖掘进。

关键词： TBM 长距离掘进隧道刀盘扩挖刀盘抬升软弱围岩

高黎贡山隧道TBM超前地质预报系统设计及应用

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现代隧道技术 2020年第4期57卷 37-42页

作者：杨添任贺飞宁向可张啸田彦朝中铁工程装备集团有限公司郑州450016

针对大埋深、复杂地质的高黎贡山隧道,为准确掌握TBM施工过程中掌子面前方的地质条件,文章结合TBM设备特性,设计了一套可搭载于TBM设备上的超前地质预报系统。该系统由三维激发极化仪和三维地震仪组成,通过在刀盘和护盾上内置伸缩电极,... 详细信息

针对大埋深、复杂地质的高黎贡山隧道,为准确掌握TBM施工过程中掌子面前方的地质条件,文章结合TBM设备特性,设计了一套可搭载于TBM设备上的超前地质预报系统。该系统由三维激发极化仪和三维地震仪组成,通过在刀盘和护盾上内置伸缩电极,采用集成电刷的回转接头传输刀盘电极信号及旋转式激震锤等创新设计,解决了传统应用于钻爆法施工的地质预报系统在TBM工法中适应性差、预报周期长、影响施工效率及搭载困难的难题。应用效果表明,整套系统操作方便,信号采集快速、精确,预报结果准确可靠,达到了预期的设计目标。

关键词：高黎贡山隧道 TBM施工超前地质预报三维激发极化法三维地震法

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全尺度TBM滚刀线性切削花岗岩试验研究

隧道建设（中英文） 2018年第12期38卷 2063-2070页

作者：贺飞田彦朝尚勇马洪素殷丽君中铁工程装备集团有限公司河南郑州450016 核工业北京地质研究院中核集团高放废物地质处置重点实验室北京100029 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

为了研究滚刀刃宽、刀间距和贯入度等关键参数对滚刀破岩过程的影响规律,基于全尺度线性切削试验平台,使用CCS型盘形滚刀开展了不同参数条件下的花岗岩切削试验。使用13 mm和17 mm 2种刃宽的滚刀,在60、65、70、75、80 mm刀间距和0. 5、... 详细信息

为了研究滚刀刃宽、刀间距和贯入度等关键参数对滚刀破岩过程的影响规律,基于全尺度线性切削试验平台,使用CCS型盘形滚刀开展了不同参数条件下的花岗岩切削试验。使用13 mm和17 mm 2种刃宽的滚刀,在60、65、70、75、80 mm刀间距和0. 5、1. 0、2. 0、3. 0、3. 5、4. 0、4. 5、5. 0、6. 0 mm贯入度条件下,直线切削单轴抗压强度约140 MPa的岩石,获取破岩法向力、滚动力等载荷数据,并计算各次切削试验的破岩比能。研究结果表明:1)平均法向力和滚动力随刃宽、贯入度和刀间距的增大而增大,但增长速率有所不同; 2)刃宽和贯入度对平均破岩载荷的影响程度明显强于刀间距; 3)刃宽对平均法向力的影响程度强于对平均滚动力的影响程度; 4)对不同的刃宽和刀间距,破岩比能总体上随贯入度的增大先减小后增大,而刃宽的增大会引起破岩比能的增大。

关键词： TBM 滚刀破岩机制线性切削试验破岩比能花岗岩

Side force formation mechanism and change law of TBM center cutter

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Journal of Central South University 2016年第5期23卷 1115-1122页

作者：夏毅敏田彦朝谭青侯禹蒙 State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing Central South University School of Mechanical and Electrical Engineering Central South University

The center cutter of a hard rock tunnel boring machine(TBM) is installed on the cutterhead at a small radius and thus bears complex side force.Given this fact,the formation mechanism and change law of the side force suffered by the center cutter were studied.Based on the rock shear failure criterion in combination with the lateral rolling width,a model for predicting the average side force was set up.Besides,a numerical analysis model of the rock fragmentation of the center cutter was established,and the instantaneous load changing features were investigated.Results shows that the inner side of the center cutter can form lateral rolling annulus in rock during the rotary cutting process.The smaller the installation radius is,the greater the cutter side force will be.In a working condition,the side force of the innermost center cutter is 11.66 k N,while it decreases sharply when installation radius increases.Variation tends to be gentle when installation radius is larger than 500 mm,and the side force of the outermost center cutter is reduced to 0.74 k N.

关键词：变化规律形成机理侧向力 TBM 刀具数值分析模型硬岩掘进机小半径