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摘要：全断面掘进机是实现矿井下巷道快速掘进的重要装备。然而，复杂的井下环境导致设备故障频发、适应性差、监控滞后等，严重制约了全断面掘进机的安全高效应用。文章系统分析了全断面掘进机在矿井下应用中存在的关键技术问题，提出了具有针对性的解决策略，包括加强设备状态监测与故障预警、优化截割部件设计、采用化学改性和物理加固相结合的矿岩加固方法、建立远程智能操控系统等。这些技术措施的综合应用，可显著提升全断面掘进机的安全性、可靠性和自动化水平，促进矿石开采智能化发展。
关键词：全断面掘进机；安全技术；故障诊断
矿井下巷道掘进是煤矿开采的基础性工程，直接关系到矿井生产能力和安全。传统掘进工艺效率低、劳动强度大，且存在诸多安全隐患，引进全断面掘进机是实现掘进工程机械化、自动化、高效化的重要途径。然而，全断面掘进机在矿井下恶劣环境中应用时，还面临设备故障、地质适应性差、矿岩稳定性影响大、监控滞后等技术难题。为保障全断面掘进机安全高效运行，亟需开展系统性研究，优化设备性能，改进施工工艺，提升安全保障水平。
1全断面掘进机的基本结构与工作原理
全断面掘进机是一种高度集成化的隧道掘进设备，其基本结构由掘进机本体、输送系统、供电系统、液压系统、控制系统等多个子系统组成。掘进机本体主要包括铲运机构、推进机构、护盾支护结构等。以某矿业公司引进的Aker Wirth ATM 280型全断面掘进机为例［1］，该设备装机功率高达3500kW，采用三臂式铲运机构，安装有直径达5.2m的滚刀盘，配备6组800kW的独立驱动电机，能够适应单轴抗压强度高达150MPa的极坚硬岩层掘进作业。掘进过程中，滚刀盘在加快油缸的推动下高速旋转掘进，三臂铲运机构将切削下来的巨量矿岩高效装载至刮板输送机上，经由宽体带式输送机快速输送至掘进工作面后方。同时，掘进机配备有53个独立控制的液压支护拉杆，施加最大800kN的支护力，可稳固约束巨大的掌子面，确保安全作业。先进的智能化控制系统可实现远程无人值守遥控、多参数自动优化、设备健康预警等多项功能，极大提升了掘进作业的安全水平和效率。值得一提的是，该设备采用了专门研制的高强度复合刀具材料，将传统硬质合金刀具的耐磨性与高韧性金属基体的抗冲击性能完美结合，使刀具的平均无故障工作时长较传统刀具提高了1.5倍以上。同时，优化的冲洗液路径设计与液压参数匹配，将冲洗液在刀盘面上的流量提高至260L/min，有利于及时排出掘进废渣，防止刀具磨损加剧。先进的集成化设计理念，使各系统间能量传递效率显著提高，再加上人性化维修通道布置，极大地降低了巷道掘进成本。
2全断面掘进机的应用现状
2.1设备故障与安全性评估
全断面掘进机在矿井下应用时，设备故障问题较为突出，严重影响了掘进工序的安全性。就拿掘进机滚刀盘来说，当掘进过程中遭遇断层破碎岩层时，滚刀频繁承受冲击载荷，导致刀座螺栓断裂，刀具损坏，进而引发整机振动加剧等连锁反应。统计数据显示，在实际应用中，平均每掘进400m就要更换1~2个主轴承，这严重制约了掘进效率。液压系统作为掘进机的动力核心，故障率也居高不下［2］。比如，当液压泵无法维持额定工作压力18MPa时，会导致推进速度降至0.8m/h；液压管路接头渗漏则会污染循环回路，加速液压元件磨损。此外，电气传感器受矿井潮湿环境影响，常因绝缘性能下降而失灵，实测故障率高达12%。综合来看，全断面掘进机的设备可靠性难以满足苛刻工况要求。同时，针对性的安全性评估方法尚不完善，缺乏从设备全生命周期角度，系统考量设计、制造、安装、运维等环节的风险因素，难以实现精准预警。
2.2地质适应性问题
全断面掘进机在复杂多变的地质条件下，其适应性问题日益凸显。掘进机刀盘在掘进过程中经常遭遇硬岩夹层，当单轴抗压强度超过120MPa时，常规刀具的切削效率急剧下降，刀具磨损加速，甚至出现崩齿脱落等故障，严重制约掘进速度。另一方面，当掘进机穿过松软破碎岩层时，岩屑易于堵塞刀盘，导致切削扭矩超过额定值250kN·m，引发过载保护频繁启动，进而造成掘进工序中断［3］。软岩黏土地层的自稳性差，在掘进扰动下极易坍塌，危及掘进机和操作人员安全。砂岩地层渗水性强，含水率可达8%以上，水汽进入电气控制柜极易引起短路故障，且长期浸润还会降低岩石强度，加剧围岩变形。此外，矿层中的夹矸、硫化铁等杂质对刀具的耐磨性和抗冲击性能提出了更高要求。
2.3矿岩稳定性影响
全断面掘进机在矿井下作业时，受矿岩稳定性影响因素多而复杂［4］。一方面，掘进机在掌子面推进过程中，开挖扰动引起围岩应力重分布，易诱发片帮、冒顶等局部失稳。研究表明，当掘进截面跨度超过5m，围岩暴露时间超过2h，发生片帮、冒顶的概率可达30%以上［5］。另一方面，不同矿岩体结构差异显著，软硬程度不均匀，岩层倾角变化大，这些因素叠加导致掘进机载荷分布极不均衡，滚刀盘频繁遭受冲击和振动，加速轴承、油缸等关键部件的损耗。此外，矿岩层理、节理发育，遇水极易软化，在掘进扰动下，软化深度可达0.8m以上，严重时会引发矿岩大范围坍塌，危及设备和人员安全。随着开采深度不断增加，地应力也随之增大，在800m及以下矿井，初始地应力可超过25MPa，高地应力环境下，矿岩稳定性进一步恶化。综合以上因素，矿岩稳定性问题已成为制约全断面掘进机安全高效运行的关键瓶颈之一。
2.4监控系统效能与不足
全断面掘进机在矿井下作业时，实时精准地监控至关重要，而当前监控系统的效能还存在诸多不足。就数据采集而言，受传感器布置位置、数量等限制，监测数据的代表性和全面性难以保证。以掘进机振动监测为例，当前多采用单一测点，难以全面反映整机振动特征。同时，数据传输受矿井下复杂电磁环境干扰，出现丢包、延迟等现象，严重时可造成监控盲区［5］。在数据分析方面，现有监控系统多采用简单的阈值比较法，缺乏智能化的故障诊断和预测算法，难以应对设备工况的动态变化。当振动速度超过18mm/s时，会触发单一的报警，但无法进一步判断振动产生的原因和后果。此外，三维可视化技术在监控系统中的应用还不够成熟，数据呈现方式单一，查询和追溯功能较弱，不利于全面准确地把握设备运行状态。由此可见，全断面掘进机监控系统的性能与实际需求还有较大差距，亟须在数据感知、传输、分析、呈现等环节进行系统性的提升。
3全断面掘进机安全技术改进策略
3.1故障预防与智能诊断技术
为了有效预防全断面掘进机在矿井下作业时出现的设备故障，可从以下方面入手，一是在掘进机的关键部件，如减速器、主轴承等处布置MEMS振动传感器，实时采集振动信号。当齿轮出现点蚀、擦伤等早期微小缺陷时，其振动频谱中就会出现啁啾边带，传感器检测到该故障特征频率后，可及时预警，避免故障扩展；二是应用红外热成像技术对掘进机进行在线监测，当传动部件温度异常升高，超过额定工作温度80℃时，可判断已出现润滑不良或传动效率下降等问题，若不及时处理，极易引发卡阻、断轴等事故；三是开发基于深度学习的智能故障诊断系统，对采集的海量振动数据进行自编码压缩，提取出敏感特征。输入支持矢量机分类器进行训练，构建故障智能诊断模型。通过该系统诊断，可将故障分为轻微磨损、中度磨损、严重磨损等不同等级，修正专家系统知识库中的诊断规则，扩大知识的应用范围；四是构建掘进机数字孪生模型，利用超高精度三维扫描仪获取设备几何信息，结合其材料特性、实测载荷工况等，在虚拟空间中搭建起与实体机完全对应的数字化模型。通过传感器采集的实时数据，驱动数字孪生模型反映设备的真实运行状态，可及时发现设备的异常磨损、疲劳、变形等情况，优化运维策略。综合应用上述技术，可实现掘进机故障从被动处理向主动预防的转变，最大限度减少非计划停机时间，为安全高效掘进提供可靠保障。
3.2地质预测与动态调整策略
针对全断面掘进机在复杂多变地质条件下的适应性问题，亟需开展精准的地质预测和动态调整控制。首先，应综合应用地质雷达、超前钻探、电法勘探等手段，对掘进机前方一定范围内的地质构造进行超前探测。以地质雷达为例，通过发射高频电磁波，分析其在不同介质中的反射和衰减特性，可有效识别30m内的地质异常体，如断层、溶洞、富水区等［3］。当预测的隐患规模较大时，则需调整掘进路径，绕开险情。
其次，应加强岩层力学参数的实时反演，优化掘进机截割参数。利用音频信号分析技术，对采集的截割噪音数据进行频域能量衰减分析，构建岩性硬度分类模型。通过该模型可实时判定岩层坚硬程度，当未坏岩系数大于8时，自动降低推进速度和刀盘转速，避免载荷突变引起的机械故障。同时，在迎头、后配重、护盾等处布置应力传感器，实时监测不同掘进深度下的受力状态，建立岩层应力分布动态映射模型。当围岩初始应力超过35MPa时，应提前采取超前支护措施，如注浆加固、锚杆支护等，确保掘进机处于应力相对均衡区域，防止严重变形［1］。此外，应研发自适应截割工具，采用高韧性耐磨材料，提高刀具抗冲击能力。优化截齿布局，采用非对称布置，避开断层破碎带对刀盘的冲击。在过软岩层施工时，可在刀盘前端喷射高分子材料，对矿岩进行预固结，增大刀盘的夹持力。
3.3刀具改良与矿岩稳定性增强
为了应对矿岩稳定性差对全断面掘进机安全高效作业的不利影响，可从刀具改良和矿岩加固两方面入手。一方面，应优化刀具的材料和几何参数设计。采用高强韧性的复合材料，如聚晶立方氮化硼与碳化钨复合材料，其硬度可达到金刚石的80%，同时断裂韧性达到20MPa·m 2，可大幅提升刀具抗冲击、耐磨损能力。通过有限元仿真分析优化刀具曲面造型，在满足截割力要求的同时，最小化应力集中。有研究表明，采用双圆弧面异型截齿，可使刀具使用寿命提高1.5倍［3］。
另一方面，可采用化学改性和物理加固相结合的方式，提高矿岩体自稳能力。掘进前，在掌子面钻孔注入化学改性剂，通过与矿岩发生氧化还原反应，生成高分子凝胶层，增大矿岩内聚力。优选注浆压力为2.5MPa，注浆范围超过掌子面0.5m，可使矿岩软化系数从0.2提高至0.6以上。待掘进机开挖至加固区域，矿岩强度显著提升，坍塌风险大为降低。同时，应用随掘随注锚杆支护技术，在掘进机护盾支架处布置高强螺纹钢锚杆，锚固长度不小于2.4m。锚杆受拉载荷超过100kN时，可激活锚固段围岩的剪切强度，从而约束锚杆周围矿岩的位移。本研究采取的现场监测表明，采用该技术后，巷道沿深度方向位移速率降低了60%，围岩松动圈厚度减小了50%。
3.4远程智能操控与实时监测系统升级
为了克服全断面掘进机监控系统效能不足的问题，亟需研发远程智能操控和实时监测系统。第一，应用高速工业以太网和5G通信技术，建立稳定可靠的无线传输网络，提高数据传输的实时性和抗干扰能力。通过部署边缘计算节点，对现场采集的海量传感器数据进行预处理和压缩，可将数据传输量降低80%，传输时延缩短至50ms以内，满足实时控制要求。
其次，开发基于深度强化学习的智能掘进控制算法，通过海量工况样本训练，使智能体掌握最优控制策略。当刀盘遭遇硬岩夹层，智能体通过分析截割扭矩、推进压力等参数变化趋势，自主优化推进速度和转速参数，使刀盘载荷波动率控制在5%以内，避免超载损坏。同时，在自适应学习过程中，持续拓展知识库的场景覆盖范围，提高控制系统的鲁棒性。
第三，升级机载监测系统，增加视觉传感器，对掘进机周围环境进行三维重构，生成点云模型。通过变化检测算法，可精确识别巷道变形区域，当围岩内缩量突破30mm时，及时预警。在掘进机震动易发处布置MEMS加速度计，实时监测多点振动信号，通过相干分析确定震动源位置，后台反演分析引起震动的原因，如刀盘偏斜、主轴弯曲等，修正控制指令，抑制有害振动。
最后，构建掘进机运行状态智能诊断与预测系统，融合机器视觉、故障语义识别等AI技术，准确解析出人工难以捕捉的衰退征兆，提前预警。例如，通过频谱分析结合专家知识库，判别齿轮箱早期微小磨损引起的边频带能量上升，提前一个月预警检修需求［4］。
4结语
全断面掘进机是实现矿井下快速掘进的关键装备，但其在复杂地质条件下的安全应用仍面临诸多技术难题。为保障全断面掘进机安全、高效运行，必须从设备故障预防、地质预测、矿岩稳定性控制、智能化监控等方面系统开展技术攻关。通过优化设计刀具材料与形状、开发智能故障诊断系统、构建数字孪生模型等措施，提高掘进机的可靠性和复杂地质适应性；采用化学改性与物理锚固相结合的方式，提升矿岩体稳定性；应用边缘计算、人工智能等先进技术，增强掘进机的智能化程度和无人化作业能力。只有综合应用多种技术手段，才能全面破解制约全断面掘进机应用的瓶颈，为煤矿产业智能化发展提供有力装备支撑。
参考文献
［1］张连军.矿井下用全断面掘进机安全技术要求研究及建议［J］.煤矿机械，2024，45（2）：89-91.
［2］王勇，古长具，贺飞，等.矿用TBM高效支护技术及安全防护装置设计与应用［J］.煤矿机电，2023，44（1）：34-41.
［3］熊文杰，刘华，王宝成，等.我国大直径全断面隧道掘进机主驱动密封件研究进展［J/OL］.润滑与密封，1-15［2024-06-28］.
［4］余娜.我国全断面隧道掘进机装备实现自主化［N］.中国工业报，2024-03-22（5）.
［5］杜立杰，郝洪达，李青蔚，等.基于LSTM神经网络的小转弯隧道TBM掘进轴线偏差预测方法［J/OL］.煤炭学报，1-11［2024-0728］.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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全断面掘进机安全技术应用研究论文
人参与 2024-10-24 10:20:54 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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