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附錄A譯文掘進(jìn)機(jī)在采礦和隧道業(yè)中的應(yīng)用摘要掘進(jìn)機(jī)為方便的挖掘中硬巖石提供了一個(gè)獨(dú)特的能力。因此,廣泛地被用于地下,采礦和隧道掘進(jìn)。在成功使用掘進(jìn)機(jī)方面的一個(gè)具有決定性的議題是提高機(jī)器生產(chǎn)率和降低鉆掘成本的可靠性分析。這篇文章提出并且討論科羅拉多學(xué)校地球力學(xué)研究會(huì)最近完成的工作對(duì)于挖掘在歷史上的使用數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)動(dòng)態(tài)的性能模型。這個(gè)模型是從不同的掘進(jìn)機(jī)在各式各樣的地質(zhì)條件下工作為基礎(chǔ)來(lái)廣泛收集的數(shù)據(jù)。這篇文章也討論這一數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展和含量被源自估計(jì)掘進(jìn)機(jī)的截割率和截割頭能耗的預(yù)測(cè)為程序。介紹目前,機(jī)械挖掘系統(tǒng)廣大的使用在采礦和市政建造行業(yè)上,主要的趨勢(shì)是提高生產(chǎn)率和減低成本。這些主要的好處就是減少了土地的占有量;同時(shí),增強(qiáng)了工人的安全性。這些優(yōu)點(diǎn)主要取決于機(jī)器性能的大幅度提高,這些可靠性已經(jīng)造成采掘市場(chǎng)的擴(kuò)大,并且工人的水平得到了提高。掘進(jìn)機(jī)是一種廣泛應(yīng)用在地下軟硬巖石的挖掘上的機(jī)器,特別是對(duì)于那些沉積巖。他們用在軟巖采礦行業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展(也就是,巷道掘進(jìn)、支護(hù),打洞,等等)。特別是用在煤礦,礦山上。在市政建設(shè)中,經(jīng)常使用在較軟地面的管道開掘(鐵路、公路、排水溝、導(dǎo)流管道等等)。連同于擴(kuò)大巷道或者地下結(jié)構(gòu)的復(fù)原。而且掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用能力非常廣泛,基本可以挖掘任何結(jié)構(gòu)和斷面的尺寸,不管巷道斷面有復(fù)雜,都能滿足人們的需求。因此,受到人們的一致歡迎。除了那些高的機(jī)動(dòng)靈活性和適應(yīng)性之外,掘進(jìn)機(jī)另外一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)就是成本低廉,經(jīng)濟(jì)性好。一般的掘進(jìn)機(jī)都有很大的功率,但卻是通過(guò)電磁方便的控制。因此,與其他機(jī)器相比,它能夠較好的掘進(jìn)硬巖和粉碎。例如連續(xù)開采和挖掘。掘進(jìn)機(jī)近50年的發(fā)展掘進(jìn)機(jī)最初的使用是在上世紀(jì)50年代煤礦的開采中。今天,在科技高速發(fā)展的推動(dòng)下,人們?cè)O(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)性能和其他方面都有了很大的進(jìn)步,它們的應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了煤炭開采的范圍。主要的改進(jìn)發(fā)生在最近這50年。包括,機(jī)器的重量和尺寸比以往增大了很多,截割頭功率加大、支護(hù)桿,耙抓機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)都得到了很大的改進(jìn)。高效率截割頭的設(shè)計(jì),高截割率截割齒的發(fā)展,高壓水細(xì)射流輔助截割,電液一體化,較大地方使用自動(dòng)控制系統(tǒng)以及根據(jù)不同地質(zhì)條件間接控制。所以的這些都使機(jī)器的截割能力、工作效率、功率等都得到了長(zhǎng)足的提高。機(jī)器的重量已經(jīng)高達(dá)120噸左右,那樣接地比壓得到提高。使機(jī)器更加穩(wěn)定和堅(jiān)固,那么,在截割較硬的巖石時(shí),面對(duì)大的沖擊機(jī)器仍然能保證較少的振動(dòng),維修率降低。目前,掘進(jìn)機(jī)的功率可達(dá)到500KW左右,使扭矩得到提高?,F(xiàn)在的機(jī)器截割斷面可達(dá)到100m2。采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),使截割頭的布置可達(dá)到一個(gè)最佳點(diǎn)切入巖石表面,那樣的話截割頭的工作效率達(dá)到最佳狀態(tài)。截齒已經(jīng)從簡(jiǎn)單的鉆發(fā)展到了錐形。煤巖裝載機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)也得到了很大的進(jìn)步,可達(dá)到生產(chǎn)率的要求。中間輸送機(jī)現(xiàn)在被制造成可伸縮式,使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化,裝運(yùn)方便。前面裝有防護(hù)設(shè)施,使截割下來(lái)的巖石以及截割過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵擋在外面,保證了操作人員的安全。掘進(jìn)機(jī)也能配備激光指導(dǎo)的對(duì)準(zhǔn)控制系統(tǒng),由計(jì)算機(jī)先分析出最佳的截割輪廓,如果按照此順序截割的話,截割效率和生產(chǎn)力都有成倍的提高。圖1展示的是一個(gè)橫軸式懸臂掘進(jìn)機(jī)以及耙抓機(jī)構(gòu)。圖-1橫軸式掘進(jìn)機(jī)普遍性、良好的控制性、和選擇性的采礦能力是掘進(jìn)機(jī)發(fā)展中需要大力改進(jìn)的因素,普遍性即指我們?cè)O(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)能夠適應(yīng)大多數(shù)礦山發(fā)展的需要。良好的控制性就是機(jī)器在過(guò)載時(shí)能夠自動(dòng)保護(hù),這樣不至于燒損機(jī)器。部分尺寸,擺角,(上擺角可達(dá)20度,下擺角可達(dá)30度)?;剞D(zhuǎn)半徑幾乎能達(dá)到90度。選擇性指的是在不同的工作環(huán)境下可以采取不同的截割功率挖掘礦石的能力,兩者能夠極大的改進(jìn)生產(chǎn)率。因?yàn)?,我們所指的掘進(jìn)機(jī)是部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī),可以接近斷面,因此,可以很容易的調(diào)整刀頭,并且頂板架能夠很方便地接近頂面。除了這些之外,高的生產(chǎn)率也取決于巖石的內(nèi)部特性。合理的改進(jìn)通風(fēng)設(shè)備,降低地表的壓力,所有的這些都可以降低成本,提高生產(chǎn)率。切削硬巖的能力是影響掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用的最重要因素。這可能是由于在切割尖而硬的巖石時(shí)截齒的磨損非常厲害。目前,如果采用良好的連接和配套設(shè)備,主軸的抗壓強(qiáng)度能達(dá)到100MPa。最大轉(zhuǎn)矩也提高了很多。當(dāng)巖石是脆性巖,巖石是在截割的時(shí)候崩落下來(lái)的而不是挖掘下來(lái)的,那么,就使采掘變的相當(dāng)容易。如果巖石是粘性的或者單位能耗超過(guò)一時(shí),那么掘進(jìn)的挖掘就變的很不經(jīng)濟(jì),還可能導(dǎo)致機(jī)器振動(dòng)加大,維修費(fèi)用成倍增加。一個(gè)很重要的量,關(guān)于增加掘進(jìn)機(jī)截割硬巖的能力被放置了很多年。這些年人們都把主要精力放在機(jī)器結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)上。例如,增加重量,截割頭功率等。通過(guò)這些機(jī)器廣泛的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,截割工具仍然是截割硬巖時(shí)最大的弱點(diǎn)。除非一個(gè)很大的進(jìn)步就是在截割時(shí)增加截齒的壽命,因此,對(duì)于掘進(jìn)機(jī)而言,截割硬巖還是一個(gè)難題??屏_拉多學(xué)校地理力學(xué)研究會(huì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新的切削技術(shù):錐形截割頭。這種截割頭實(shí)現(xiàn)了圓盤切削時(shí)提高截割硬巖的能力。用這種橫的截割頭在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)出,當(dāng)用較少的截齒時(shí)它的截割圖-2錐形截割頭能力比一般的截齒大了很多,這種新的切割技術(shù)應(yīng)用在掘進(jìn)機(jī)上,為經(jīng)濟(jì)性的截割硬巖帶來(lái)了希望。除此之外,使用這種截齒,一種新的開采技術(shù)已經(jīng)被申請(qǐng),為截割硬巖的發(fā)展起到很大的促進(jìn)作用。圖-2展示的是實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的截割硬巖的圖象。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)性能預(yù)測(cè)是掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用成功的一個(gè)重要因素。這通常取決于機(jī)器的選擇,生產(chǎn)率,和掘進(jìn)時(shí)的消耗。掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)對(duì)于任何的采掘命令,準(zhǔn)確而可靠的估計(jì)是達(dá)到生產(chǎn)率的保證。除此之外,在采掘過(guò)程中,它也是對(duì)掘進(jìn)路線設(shè)計(jì),截割頭掘進(jìn)巖石表面狀態(tài)的最佳選擇。性能預(yù)測(cè)也是不同地質(zhì)條件下截割率、截齒消耗率、機(jī)器損耗率的表現(xiàn)。截割率單位時(shí)間截割的煤巖量,單位能耗指的是在截割單位面積或質(zhì)量的煤巖所耗的電量。機(jī)器利用率是指在計(jì)劃期間作為挖掘時(shí)間所用的百分率??屏_拉多學(xué)校的地球力學(xué)學(xué)會(huì)與其他一些有關(guān)這方面技術(shù)的大學(xué),已經(jīng)建立了正確而可靠的性能預(yù)測(cè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?。通過(guò)這個(gè)模型,在挖掘過(guò)程收集了廣泛的數(shù)據(jù),組建成一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)收集了來(lái)自全世界多數(shù)采礦和市政建設(shè)過(guò)程中不同的地質(zhì)條件下所得的挖掘數(shù)據(jù)。表-1數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)組內(nèi)容基本數(shù)據(jù)采掘目的(修路、鐵路、管道修建、排水渠、采礦巷道等等)承包人、顧問(wèn)、開工和完成日期等等。掘進(jìn)機(jī)數(shù)據(jù)制造商,掘進(jìn)機(jī)概況(新的、直接重復(fù)使用)掘進(jìn)機(jī)說(shuō)明書,重量,截割頭直徑,電力控制,截齒數(shù)量和型式,輔助設(shè)備(內(nèi)外噴霧設(shè)施,自動(dòng)輪廓控制,等等)。技術(shù)和操作上數(shù)據(jù)掘進(jìn)長(zhǎng)度,深度和梯度,挖掘斷面,操作者經(jīng)驗(yàn),每日和每周的采掘量,煤巖裝載形式,頂板支護(hù)。等等動(dòng)過(guò)的巖石區(qū)的數(shù)據(jù)地質(zhì)學(xué)區(qū),巖石質(zhì)量分類,地質(zhì)學(xué)起源,水文地質(zhì)學(xué)狀況,(定向,結(jié)構(gòu)高度,粗度等等。)每個(gè)巖石區(qū)的尚未被人碰過(guò)的巖石數(shù)據(jù)巖石可截割特性,抗拉強(qiáng)度,柔性率,表面硬度,紋理(多孔,礦物石英含量。顆粒大小,等等)沖蝕度特性等等。每個(gè)巖石區(qū)的性能記錄截割率,截齒損耗量,掘進(jìn)機(jī)利用和可用性,平均和最好的超前率(變化/每日,每周,每月)主要挖掘障礙物,停工時(shí)間分析,等等。經(jīng)驗(yàn)的性能預(yù)測(cè)方法主要地以先前記錄的數(shù)據(jù)和過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)。為了以一個(gè)可使用的和意義深長(zhǎng)的圖紙幅面獲得必需的磁場(chǎng)數(shù)據(jù),一個(gè)數(shù)據(jù)的收集從準(zhǔn)備到送至主修收縮器,還有掘進(jìn)機(jī)的制造商。除此之外數(shù)據(jù)收集來(lái)以后,還要經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理,這是對(duì)數(shù)據(jù)收集的繼續(xù)。數(shù)據(jù)庫(kù)包含六種數(shù)據(jù),如表-1所示。在數(shù)據(jù)庫(kù)的地質(zhì)學(xué)特性里通常有巖石質(zhì)量和尚未被人們碰過(guò)的巖石特性。被包含在數(shù)據(jù)庫(kù)的最重要的和最相關(guān)的巖石質(zhì)量特性含巖石性質(zhì)指示(RQD),固定聯(lián)合組和水文學(xué)狀態(tài)的厚度山。尚未被人碰過(guò)的巖石特性是單橋的抗壓強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度,石英含量,紋理。巖石形成被區(qū)分開,使最小在機(jī)器性能數(shù)據(jù)的變化范圍提供正確的分析。這也為每個(gè)區(qū)性能數(shù)據(jù)分析單一化分類。結(jié)論通過(guò)這些評(píng)估和數(shù)據(jù)分析,數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)

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