阅读说明：本技术 一种高效破岩方法、设备及该设备的应用方法 (Efficient rock breaking method and device and application method of device ) 是由 王少锋 唐宇 周子龙 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高效破岩方法、设备及该设备的应用方法,采用的TBM破岩设备具有同轴嵌套的小直径刀盘和大直径刀盘,小直径刀盘和大直径刀盘既可单独破岩和装渣,又可同时破岩和装渣；矿岩硬度高时,采用先通过小直径刀盘破岩然后再通过大直径刀盘破岩的方式；矿岩硬度低时,采用小直径刀盘和大直径刀盘同时破岩的方式。TBM同轴嵌套的大小刀盘分别配置驱动刀盘旋转的液压马达和驱动刀盘前进的推进油缸。在对矿岩进行硬度测定后,可根据矿岩硬度选择两种破岩模式。两种破岩方式的刀具磨损小,使用寿命延长,降低更换刀具的频率,减少停机次数,提高破岩效率。而且在同一掘进过程中,矿岩在不同位置具有不同硬度时,可灵活替换破岩方式来提高效率。(The invention discloses a high-efficiency rock breaking method and equipment and an application method of the equipment.A TBM rock breaking device is adopted and is provided with a small-diameter cutter head and a large-diameter cutter head which are coaxially nested, and the small-diameter cutter head and the large-diameter cutter head can be used for independently breaking rock and loading slag and simultaneously breaking rock and loading slag; when the hardness of the ore rock is high, the mode of breaking the ore through a small-diameter cutter head and then breaking the ore through a large-diameter cutter head is adopted; when the hardness of the ore rock is low, a mode of breaking the rock by using the small-diameter cutter head and the large-diameter cutter head simultaneously is adopted. The large cutterhead and the small cutterhead which are coaxially nested in the TBM are respectively provided with a hydraulic motor for driving the cutterheads to rotate and a propulsion oil cylinder for driving the cutterheads to advance. After the hardness of the ore rock is measured, two rock breaking modes can be selected according to the hardness of the ore rock. The cutters of the two rock breaking modes are small in abrasion, the service life is prolonged, the frequency of cutter replacement is reduced, the shutdown times are reduced, and the rock breaking efficiency is improved. In addition, in the same tunneling process, when the ore rocks have different hardness at different positions, the rock breaking mode can be flexibly replaced to improve the efficiency.)

一种高效破岩方法、设备及该设备的应用方法

技术领域

本发明属于硬岩隧道掘进领域，具体为一种高效破岩方法、设备及该设备的应用方法。

背景技术

与传统的钻爆法相比，隧道掘进机TBM破岩具有安全、快速、环保等优点，已广泛应用于铁路、水利、矿山等隧道掘进中，尤其是在长覆层隧道。

然而，在我国追求高质量、高速度、高水平发展的驱动下，大量的大直径交通、水利及矿山隧道需求已然为TBM作业带来了严重挑战。TBM掘进大直径隧道往往会遇到以下三方面问题：

(1)所需的刀具数量增加；

(2)刀具磨损大，导致每转倾入率明显降低，影响破岩效率；

(3)更换刀具频繁，出现频繁的停机现象。

而且一旦所掘进岩石强度较高，会导致刀具磨损更加严重，刀具的更换频率更高，停机频率高，从而延长项目工程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既可高效破岩又可适用于地质变化较大的矿岩掘进的破岩方法、设备及设备的应用方法。

本发明提供的这种高效破岩方法，采用的TBM破岩设备具有同轴嵌套的小直径刀盘和大直径刀盘，小直径刀盘和大直径刀盘既可单独破岩和装渣，又可同时破岩和装渣；当矿岩硬度高时，采用先通过小直径刀盘破岩然后再通过大直径刀盘破岩的方式；当矿岩硬度低时，采用小直径刀盘和大直径刀盘同时破岩的方式。

本发明提供的这种适用于上述方法的TBM破岩设备，包括刀盘及驱动刀盘旋转的液压马达和驱动刀盘前进的推进油缸。所述刀盘包括同轴嵌套的小直径刀盘和大直径刀盘，两刀盘上分别均布有刀具和铲斗，两刀盘分别连接所述液压马达和推进油缸。

上述设备的一种实施方式中，还包括两组辅助油缸，它们分别用于给小直径刀盘和大直径刀盘补充推力。

本发明提供的这种利用上述设备的破岩方法，包括以下步骤：

(1)、测定岩体强度；

(2)、确定破岩所需功率、转速、扭矩和推力，并对刀具数量、刀具几何参数和刀具间距等进行设计和布置；

(3)、选择刀盘使用模式

针对矿岩硬度较高的情形，采用先通过小直径刀盘破岩，再通过大直径刀盘破岩的方式；

针对矿岩硬度较低的情形，采用大直径刀盘和小直径刀盘同时破岩的方式；

上述方法的一种实施方式中，步骤(3)中，小直径刀盘单独破岩至指定深度后回到初始位置，其刀具面与大直径刀盘的刀具面平齐。

上述方法的一种实施方式中，步骤(3)中，小直径刀盘和大直径刀盘同时破岩时，调节两者的转速相同，控制两者连接的推进油缸的推进速度相同。

本发明设置同轴嵌套的大小刀盘，而且两刀盘分别配置驱动刀盘旋转的液压马达和驱动刀盘前进的推进油缸，所以它们既能单独破岩又能同时破岩。在对矿岩进行硬度测定后，可根据矿岩硬度选择两种破岩模式：对于硬度较高的矿岩，采用先通过小直径刀盘破岩再通过大直径刀盘破岩的模式，而且小直径刀盘由于破岩面小，所以刀具磨损小，每转倾入率高，破岩效率也高，而小直径刀盘破岩后为大直径刀盘破岩增加了自由面，也有利于提高大直径刀盘的破岩效率。对于硬度不高的矿岩，采用两个刀盘同时破岩的方式，两刀盘的转速相同和推进速度相同即可，而且这种方式也比现有技术的单刀盘破岩具有优势，因为两刀盘的破岩面都相对减小，刀具磨损都减小，每转倾入率提高，从而提高破岩效率。两种破岩方式的刀具磨损小，所以使用寿命延长，降低更换刀具的频率，减少停机次数，提高破岩效率。而且在同一掘进过程中，矿岩在不同位置具有不同强度时，可灵活替换破岩方式来提高效率。

附图说明

图1为本发明一个实施例中TBM的结构示意图(未示出辅助油缸及刀盘上的铲斗，图中小直径刀盘处于单独破岩状态)。

图2为图1的左视放大示意图。

图3为本实施例中小直径刀盘配置推进油缸和辅助油缸的数量及位置示意图。

图4为两刀盘初始状态/同时破岩状态的相对位置示意图。

图5为小直径刀盘单独破岩状态的示意图。

图6为TBM的小直径刀盘一次单独破岩至最大破岩深度时的状态示意图.

图7为TBM的小直径刀盘回位后的状态示意图。

图8为TBM的两刀盘同时破岩时的状态示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本实施例公开了一种本发明提供的这种高效破岩方法，本方法采用的TBM破岩设备具有同轴嵌套的小直径刀盘1和大直径刀盘2，两刀盘上分别均布有刀具DJ和铲斗CD，两刀盘分别连接驱动刀盘旋转的液压马达(图中未示出)和驱动刀盘前进的推进油缸TJYG。

本实施例中，两刀盘的推进油缸均连接于一个主泵站中，通过不同的阀门控制两组推进油缸的液压油行程及通断。

如图4所示，两刀盘的初始位置为小直径刀盘处于大直径刀盘的轴向中心孔中，且它们的刀具处于同一平面。

由于两刀盘分别配置液压马达和推进油缸，所以它们能单独破岩。当然两刀盘的转速相同及两者的推进油缸推进速度相同时，它们可同时破岩。

即本设备的主要创新点为同轴嵌套直径不等的两刀盘，且两刀盘分别配置旋转驱动和推进驱动，可单独破岩(小直径刀盘单独破岩过程中，两刀盘的相对位置如图5所示)，也可同时破岩(两道盘同时破岩时两道盘的相对位置如图4所示)。两套旋转和驱动该设备可选与现有技术单刀盘TBM相同的旋转驱动和推进驱动，设备的主梁及支架也可与现有技术的结构相同。

本设备具有上述创新点后，其工作模式就可根据矿岩硬度来进行选择：

当矿岩硬度较高时，采用先通过小直径刀盘破岩，再通过大直径刀盘破岩的方式；

当矿岩硬度较低时，采用大直径刀盘和小直径刀盘同时破岩的方式。

利用本设备破岩的具体步骤如下：

(1)、测定岩体硬度；

(2)、确定破岩所需功率、转速、扭矩和推动力，并对刀具数量、刀具几何参数和刀具间距进行合理的设计和布置；

(3)、选择刀盘使用模式：

针对硬度较高的矿岩，先通过小直径刀盘破岩，破岩深度到位后，通过推进油缸使小直径刀盘回到初始位置，再通过大直径刀盘破岩至相同深度(如图6至图8所示)。

针对硬度不高的矿岩，将两刀盘的转速调至相同，两组推进油缸的推进速度相同，使大直径刀盘和小直径刀盘同时破岩。

本设备的上述两种破岩方式具有以下优势：

(1)小直径刀盘先破岩，再大直径刀盘破岩

小直径刀盘由于破岩面小，所以刀具磨损小，每转倾入率高，破岩效率也高，而且小直径刀盘破岩后为大直径刀盘破岩增加了自由面，也有利于提高大直径刀盘的破岩效率。

(2)两个刀盘同时破岩

两刀盘的破岩面都相对减小，刀具磨损都减小，每转倾入率提高，从而提高破岩效率。

即两种破岩方式均可减小刀具磨损，所以刀具的使用寿命延长，可降低更换刀具的频率，减少停机次数，提高破岩效率。

而且在同一掘进过程中，矿岩在不同位置具有不同硬度时，本设备可灵活替换破岩方式来提高效率。

本设备还有一个创新为给两个刀盘分别配置辅助油缸。图3示出了小直径刀盘的辅助油缸配置，图3中示出了四个推进油缸TJYG和四个辅助油缸FZYG。大直径刀盘的辅助油缸配置与小直径刀盘相似，所以就不再给出示意图了。

在刀盘掘进过程中碰到硬度高的矿岩，推进油缸的推力不够而使刀盘无法紧贴掘进面时，通过辅助油缸来补充推力，使刀盘紧贴掘进面。

由于辅助油缸在刀盘正常工作时不起作用，其活塞杆处于收缩状态，只在需要补充推力的时候辅助油缸才起作用，所以在刀盘正常工作时，辅助油缸不能与刀盘连接。

本实施例将辅助油缸的活塞杆端头与刀盘背面之间可采用凸头和凹槽配合的方式(图中未示出)，在需要辅助油缸工作时，其活塞杆伸出插入刀盘背面的凹槽中顶住刀盘并补充推力。

辅助油缸可接入推进油缸的泵站中，也可单独配置泵站。