相关知识： 悬臂式掘进机原理及施工工艺流程

一、悬臂式掘进机是什么

悬臂式掘进机是一种能够实现截割、装载运输、自行走及喷雾除尘的联合机组。随着回采工作面综合采煤机械化的快速发展，煤矿对巷道掘进速度要求越来越高。为了提高采准巷道的速度，悬臂式掘进机被大力研制并逐步发展完善。

二、悬臂式掘进机的特点

1、悬臂式掘进机仅能截割巷道部分断面，要破碎全断面岩石，需多次上下左右连续移动截割头来完成工作。可用于任何断面形状的隧道。

2、掘进速度受掘进机利用率影响很大，在最优条件下利用率可达60%左右，但若岩石需要支护或其它辅助工作跟不上时，其利用率更低。

3、与全断面掘进机有一些相同的优点：连续开挖、无爆破震动、能更自由地决定支护岩石的适当时机；可减少超挖；可节省岩石支护和衬砌的费用。

4、与全断面掘进机比较，悬臂式掘进机小巧，在隧道中有较大的灵活性，能用于任何支护类型。

5、与全断面掘进机相比，具有投资少、施工准备时间短和再利用性高等显著特点。

三、悬臂式掘进机的结构

1、截割机构

由截割头、悬臂和回转座组成悬臂工作机构。电动机通过减速器驱动截割头旋转，利用装在截割头上的截齿破碎煤岩。升降和回转液压缸使悬臂在垂直和水平方向摆动，以截割不同部位的煤岩，掘出所需形状和尺寸的断面。

2、装运机构

由装载机构和中间输送机两部分组成。电动机经减速后驱动刮板链和扒爪或星轮，将截割破碎下来的煤岩集中装载、转运到机器后面的转载机或其他运输设备中，运出工作面。

3、行走机构

驱动品牌悬臂式掘进机前进、后退和转弯并能在掘进作业时使机器向前推进。

4、液压系统

由液压泵、液压马达、液压缸、控制阀组及辅助液压元件组成，用以提供压力油，控制悬臂上下左右移动，驱动装运机构中间输送机、集料装置及行走机构的驱动轮，并进行液压保护。

5、电气系统

向机器提供动力，驱动掘进机上的所有电动机，同时也对照明、故障显示、瓦斯报警等进行控制，并可实现电气保护。

6、喷雾降尘系统

喷雾降尘系统由内、外喷雾装置组成，用以向工作面喷射水雾，达到降尘的目的。

四、悬臂式掘进机工作原理

悬臂掘进机工作过程是这样的，主机把岩石切割破落下来，转运机构把破碎的岩渣转运至机器尾部卸下，由后配套转载机、运输机运走。悬臂式掘进机的切割臂可以上下、左右自由摆动，能切割任意形状的巷道断面，切割出的表面精确、平整，便于支护。履带式行走机构使机器调动灵活，便于转弯、爬坡，对复杂地质条件适应性强。

五、悬臂式掘进机施工工艺流程

1、施工工艺流程

隧道开挖施工工艺流程：上台阶开挖→上台阶初支→下台阶左侧开挖（下台阶右侧开挖，左右侧错开3～5m）→下台阶左侧初支（下台阶右侧初支）→开挖隧底→施作隧底支护→施作永久性仰拱及边墙基础施工→施作防水及二次衬砌。

2、操作要点

在开挖过程中隧道掘进采用上下台阶法施工，上台阶、下台阶及仰拱均采用悬臂式掘进机开挖，挖掘机辅助。上台阶掘进开挖完成后，采用装载机将支护台架运至掌子面进行后续支护（锚杆、钢筋网、钢拱架、喷射混凝土）作业，掘进机则进行下台阶部位掘进施工或根据工序安排退至不影响后续工序位置等待下一掘进循环。

3、施工准备

（1）熟悉施工图纸，做好技术交底及培训。

（2）做好现场劳动力的组织，准备好各种设备，并保证施工机械的完好率，使其满足施工要求。

（3）施工之前，根据围岩地质情况，选取合理的机械设备型号，并进行合理的机械设备配套。在洞内布设好所需的高压电缆、输水管线，同时将掘进机与工作面齐头，并摆放妥当。

（4）施工供电。重型悬臂式掘进机机器供电电压一般为660～1140V，与一般隧道机械工作电压有区别，但只要洞口有10kVA供电变电站，即可满足需要。

4、超前物探配套

采用地质超前预报技术，减少或避免施工中可能遇到的诸如塌方、涌水、涌土等地质灾害。采取地面物探、地质雷达、超前水平钻等超前预报措施将前方岩层地质探明，以保证设备及人员的作业安全。

5、工作面降水

工作面降水的目的是防止因渗水量过大，切割的岩渣成泥状而糊住切割头，以致降低切割效率。采用台阶法施工时，工作面基本具有自然降水的能力，仅在拱脚及边墙等局部有水渗出。降水要求为工作面无明水，尽量保持干燥，切割岩渣不能形成泥状。

6、开挖断面参数设计

悬臂式掘进机为纵向切割头（切割头直径为84cm），截齿数量为52个，导流槽为3槽，导流槽深度为8cm，截齿呈螺旋状，顺时针旋转。根据切割头特点，开挖断面设计按分部条块法开挖，横向左右分部，竖向上下分条块。分块大小：高度0.8～1.2m，左右每部分8～10块；开挖宽度7-8m；深度为每循环进尺2.2m。当操作不熟练时或为提高掘进机效率，可在工作面弹线，标示条块分隔线。

7、隧道开挖

（1）上台阶开挖

根据隧道断面大小、围岩情况，结合掘进机外形尺寸（长度17m，宽度3.8m，高度3.7m）、装载机高度（3.8m）、湿喷机高度（3.6m）、混凝土搅拌运输车进料口高度（4.0m）（喷射混凝土采用湿喷工艺）及支护作业空间，确定上台阶开挖高度宜为6.4m。

隧道掘进机切割头长度为1.2m，故每循环进尺宜控制在1.8～2.4m，每循环开挖需预留1.0m作为下一开挖循环切割头安全作业空间，作业空间太小不利于上一循环拱架成品保护，开挖完成后对掌子面进行C25混凝土初喷，厚度为4cm。

施工现场超欠挖控制采用5cm×3cm矩形管、ϕ8mm钢筋焊制靠尺，严格控制超欠挖。经实际测量，超挖可控制在5～8cm范围内。

上台阶长度根据现场情况确定如下：悬臂式掘进机长度17m+自卸车、装载机作业长度8m+支护台架8m+上下台阶爬坡段长度8m，上台阶总长度为41m。下台阶至上台阶高度为3.5m。

（2）下台阶开挖

当上台阶单循环开挖完成后开始支护时，掘进机退到下台阶部位掘进施工。

下台阶长度根据现场情况确定如下：悬臂式掘进机长度17m+自卸车、装载机作业长度8m，下台阶总长度为25m。

现场实际施工中采用普通栈桥时，掌子面与仰拱实际所需距离为71m，仰拱至二衬间实际所需距离为29m，故掌子面与二衬实际所需距离为100m。

（3）掘进机切割方式

悬臂式掘进机就位后，开始从掌子面底部水平割出一条槽，向前移动掘进机再一次就位，就位后切割头自上而下、左右循环切削。在切削同时铲板部耙爪将切削下来的渣装入第一运输机，第一运输机转运至第二运输机，第二运输机直接运至掘进机尾部，采用配套装载机装入出渣车运至洞外。从底部开挖到拱部完成后进行修整，达到设计断面要求。

悬臂式掘进机的切割方式是从扫底开始切割，再按S形或Z形左右循环向下的切割路线逐级切割以上部分。

选用右旋切割头切割硬岩，先由右向左从扫底开始切割，再从左至右、自下往上或从右往左、自上而下逐步进行切割。如遇节理发育较高岩石，则应选择岩石节理方向逐步切割。

针对不同硬岩可选择不同的截齿，截齿呈螺纹线排布，确保机器有更好的掘削能力，并具有自洁功能，可根据实际工况条件选择最佳切割头，提高施工效率。当局部再有硬岩时，可以选用小直径切割头，切割力大，破岩能力强，以降低掘进难度及截齿消耗量。

（4）掘进施工后支护方案

掘进机在掌子面掘进完成后，支护工班按照设计支护方式进行初期支护的施作，如此循环施工。

（5）轮廓修整及人工局部处理

由于机械设备条件尺寸限制，无法实现开挖轮廓线范围10～20cm厚度轮廓修整，只能采用人工修整或其他机械设备修整。当然，在采用分部开挖时，可实现局部处理的平行作业。

（6）喷雾除尘、出渣、场地清理

掘进机工作时，采取流水线作业，一边开挖，一边通过机械设备配套实现出渣。为控制粉尘，需适当喷雾，既达到减少粉尘的目的，又不引起岩渣泥化。