冲击地压条件下掘进机研究方法

❶ 冲击地压预报及防治

冲击地压是井工方式采矿诱发的一种特殊动力工程地质现象，它是由于开采活动破坏了原岩应力状态，导致围岩应力高度集中，矿层及围岩产生急剧变形，当其单位面积上压力增加到引起变形率超过矿层及围岩塑性变形最大可能速率时，矿层及其围岩中积蓄的弹性能突然释放，矿层及围岩产生大位移和破坏，伴随发生震动（矿震）、冲击波、破裂声响等动力工程地质现象，这种动力工程地质现象在金属矿山及非金属矿山都有所见，而以煤炭矿山尤为突出。因此，下面以煤炭矿山为对象，对这一问题展开讨论。

对煤炭矿山来说，从20世纪30年代以来，先后在我国抚顺、开滦、枣庄、北票、门头沟、南桐等煤矿开始陆续发生冲击地压。这是煤矿井工开采深度加大伴随发生的一种工程地质灾害现象。而且随着采深不断增加，冲击地压产生的次数日益增多，成灾强度日益猛烈，危害程度愈益严重。京西煤矿的门头沟矿1947年开始发生冲击地压，据统计，该矿自1976年9月到1980年底，由月平均53次增加到498次，其中产生矿震里氏震级2.2级以上的由月平均24.2次增加到83.9次，由此可见问题之严重，这是必须及早重视的一个矿山地质工程问题。

1.冲击地压产生地点及深度

冲击地压既发生在回采工作面，也发生在掘进工作面。如抚顺煤矿井工开采多数发生在回采工作面，天池煤矿则多发生在掘进工作面。这种现象既发生在煤层顶板，也发生在煤层底板；在掘进工作面也有发生在巷道两帮，但多数是发生在煤层内。

冲击地压与采掘深度关系极大，如枣庄八一矿井开采深度140m时，冲击地压发生不明显；采深达185m，煤巷掘进时，出现少量冲击地压；当采深达370m时，冲击地压明显地增加；而采深达500m时，冲击地压显现十分剧烈。大量事实表明，冲击地压发生存在有一个临界深度。上述的枣庄矿为185m，抚顺煤矿为280m，天池煤矿为240m，门头沟煤矿为240m，开滦煤矿和唐山煤矿为500m，大同煤矿忻州窑矿为236～270m，南桐煤矿的砚石台矿采深－160m时才出现，显然，冲击地压发生系与地应力水平及煤层和围岩强度有关。

2.冲击地压预报

冲击地压的发生是有规律的，其形成过程主要表现为应力积累、积蓄的能量突然释放，关键是受作用力和煤体（岩体）变形破坏规律控制的。冲击地压显现规律可以帮助我们认识这个问题。已出现的冲击地压的显现特征有两类：其一为顶、底板弯折，伴随着炸帮；另一类为巷道片帮、煤爆、岩爆。而一般在一个矿区同一个采掘水平上显现的方式类同。如大同煤矿忻州窑矿采掘进入二水平，开采9#、10#，11#煤时，都产生过冲击地压，其显现方式大体相同，是以顶、底板折断，伴随着炸帮的形式发生。着者认为，这一现象与该地区地应力特征有关。据着者实测，大同煤矿云岗矿的地应力测量测得的水平应力分量约为垂直分量的两倍。显然，破坏理应先在顶、底板发生，继而诱发两帮炸裂，这是符合实际的。其发生形式为能量积累和释放。20世纪60年代以来，许多研究冲击地压的学者认为，应将煤层—围岩，即顶板岩层—煤层—底板岩层视为统一的承载体系，如果该承载体系的力学平衡状态遭到破坏时，则突然释放出大量的弹性能量，如果该弹性能远远大于该体系本身的弹性能时，就会发生冲击地压。承载系统越脆，变形消耗的能量愈小，释放的弹性能愈大、愈快，发生冲击地压的可能性愈大。目前采用释放弹性能与耗损能量比K_E和总变形的能量比K_W作为预测产生冲击地压可能性指标。一般认为，K_E≥6和K _W≥0.7时有发生冲击地压危险，生产中必须采取防治措施。

K_E及K_W系根据煤及围岩应力应变曲线特征来定。（图13-1）。煤或围岩加载-卸载释放弹性能与系统内保存的弹性能分别为S₄ 及S₃。为取得K_E及K_W值一般采用单轴压循环加载方式做应力应变曲线，取单轴压应力水平相当于破坏应力的80%左右的变形曲线来定，如图13-1中△OAH为可释放的弹性能S₄，而△ABH为耗损的变形能S₃。

图13-1 材料应力应变曲线特征

地质工程学原理

地质工程学原理

地质工程学原理

地质工程学原理

着者认为，上面的判据仅表明发生冲击地压的可能条件之一，而不是充分条件。另一个条件是：承载系统内煤层和顶、底板发生破坏条件，即：

（1）如由材料强度不足而引起冲击地压时，其判据为

地质工程学原理

式中：σ_c为材料单轴压破坏强度；σ_t 为巷道或采场周边的最大切向力；η为稳定性系数，η＜1时，将发生破坏。

（2）承载系统为板裂结构岩体时，其破坏判据为

地质工程学原理

式中：P为作用于板裂体上的有效力；P_cr为板裂体溃曲破坏临界载荷：

地质工程学原理

当η＜1时，有产生破坏的条件，能量判据K_E，K_W加上破坏判据才是预报冲击地压的充分条件，为此，在预报冲击地压时，必须取得岩石力学性质参数E、μ、σ_c及地应力资料。

3.冲击地压防治

根据上面的分析，产生冲击地压实际上有地应力和煤及围岩力学性质两个条件。为了消除第一个条件，一方面从巷道布置、巷道断面选型着手，尽量消除巷道周边产生大的切向应力的可能；另一方面，采用适当的岩体改造措施，减小煤和围岩内的应力差σ_t-σ_r。为了实现第二个条件，应采取适当的岩体改造措施降低煤和围岩材料的刚度或提高其强度。为了降低材料的刚度可采用注水技术使系统内材料软化或采用高压水劈裂的方法降低系统的刚度；为了提高材料强度可采用灌浆或预应力锚索方法加固。究竟采用哪种处理技术要由施工技术可能和经济比较来定，如果材料脆性度很高，掘进后就可能产生冲击地压，没有时间来做支护和锚固，显然支护和锚固方案是不可行的，那就必须采取降低系统刚度的预处理措施来防治冲击地压的发生。

❷ 浅谈如何实现煤巷的快速掘进

朱伟（淮南矿务局张集矿）
摘要：煤巷快速掘进技术是通过实现综掘工艺中掘、支、运三大工序的掘锚一体化、支护合理化、装运机械化及其之间的优化配置，从而最大限度提高单进水平和劳动效率，改善安全环境和工程质量，降低巷道成本的实用技术。本文对煤巷快速掘进技术的实现进行研究分析。
关键词：煤巷 快速掘进 综掘机械化引言随着煤炭行业发展形势的不断好转，煤矿企业效益不断提高，很多企业为了追求效益，大力重视采煤而轻视掘进，从而出现煤矿企业采掘不相平衡，严重影响了煤矿企业经济效益的提高，这时，掘进的重要性就很明显的表现出来，于是，快速掘进技术也随之被提出，确保煤矿企业的可持续发展。
1 煤巷快速掘进的技术措施
1.1 选用性能优良的掘进机 在快速掘进技术的实施中，掘进机在其中担当重要的角色，是实现煤巷快速掘进的关键设备，煤矿巷道的掘进效率以及煤矿生产的经济效益在很大程度上依赖于掘进的工作的好坏，在选择掘进机时，必须考虑现场的施工条件及周围环境的影响，在井下，煤岩及部分矿物是掘进机的主要工作对象，其工作振动及冲击都很大，再加上煤巷掘进施工中的环境极其恶劣，因此就要求掘进设备在适应工作环境的前提下，必须能够够保持长时间不间断工作；掘进机在液压、电气、元件的选用上，要严格进行分析适用性，然后再筛选，在产品质量这一关，必选要严格把好，以避免不必要的误选而影响掘进机的工作性能，对于其中一些比较关键的原件，尽量选用国外先进技术设备，这样可以很好的保证其工作性能和使用寿命；在齿轮传动装置及机械连接装置方面，尽量采用独立零部件或组件，避免使用串联结构系统，在有条件的地方以嵌装式结构代替螺栓组结构，采用模块组装方式，这样可以大幅度简化机械结构，可以很好的进行拆装检修工作，同时可以提高设备使用的可靠性，从而保证机器具有较好的稳定性，达到掘进效率高，操作、维护、维修简便，运行安全可靠的目的。
1.2 提高机电一体化应用程度 机电一体化在快速掘进中的应用必须得到保证，首先，掘进机操作要方便，即要实现自动控制，包括推进方向监控、切割电机功率自控调节、切割断面轮廓尺寸监控等；另外，对掘进机进行必要的工况监测，并具有很好的自我故障诊断性能，包括供电电压测控、电机负荷和温度、液压系统油压、油温及污染等监测；通过现代测控技术的应用，对掘进机的工况进行实时监测和故障诊断，确保不机器正常稳定的工作，实现快速掘进机电一体化，这样可以大大提高掘进机的工作性能，同时有利于改进和完善煤巷快速掘进技术。
1.3 提高设备综合配套能力 在煤巷快速掘进过程中，常常因为煤巷掘进效率低以及机械发挥作用不充分而影响煤矿生产，对煤矿经济效益的提高有一定的阻碍，就其原因分析，在很大程度上与设备综合配套能力有很大的关系，因为在巷道掘进系统中，主要配套环节非常多，因此，要提高煤巷掘进效率、充分发挥机械化作用，设备综合配套能力的地位就不容忽视，特别是在支护和运输环节上，因为这两个环节是快速掘进中很关键的环节，其占用的时间较多，解决好这两个关键环节对综掘设备的潜力发挥有很大的推动作用。在巷道支护方面，对支护的时间控制非常重要，根据巷道地质条件，应尽量采用锚杆支护，这样可以很好的保证巷道支护效果，且劳动强度低，提高掘进效率；在快速掘进施工时，应尽量采用机载锚杆钻机打孔和安装锚杆，改变掘进机割煤与锚杆钻孔安装不平衡的现象。期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在运输方面，尽量采用锚杆支护，避免使用金属棚支护，这样可以减少材料运输工作量，并且改进辅助运输方式，提高运输转载效率。
1.4 掘锚一体化技术的应用 如果单独采用掘进机掘进、单体锚杆机钻装锚杆这种掘进方式，在实践过程中，很多时候并不能满足快速掘进的需要，在快速掘进技术实施中，尽量实现掘进与支护平行作业，这样才能保证快速掘进，因此，掘锚机组也随之问世，这就很好地实现了掘进和支护平行作业。在现代化的大型高产高效矿井中，它是一种理想的快速掘进设备。
1.5 尽量推广连续采煤机的应用 连续采煤机是现代化的掘进设备，实践证明，将连续采煤机和锚杆支护配合使用，其掘进效率有很大的提高，它是目前实现“双高”巷道快速掘进工作面非常成功的配套技术，因此，在条件允许的情况下，应尽量对连续采煤机的采用进行推广。
2 煤巷快速掘进的管理措施
2.1 现场生产管理 在对现场进行生产管理时，管理人员要合理的组织培训，确保员工能够认真执行作业规程，严格按作业规程中规定各工种工序作业，保证实现正规循环；实行定岗、定位工作制，使任务到组，固定岗位，责任到人，明确到一定的时间内使用固定的设备或工具，在各自的岗位上完成应完成的既定任务。
2.2 组织综合施工队 组织综合施工队，将掘进、支护、运输、机电等人员有条理地组织在一个队内，施工时对其统一指挥，并使各组、各工序之间能有机地配合，一旦出现施工事故影响施工时，可统一调度，有效地缩短事故影响时间，以保证平行作业各工种之间的配合协作。
2.3 加强出勤管理 在快速掘进作业时，人员的出勤也是很重要的一部分，人力在快速掘进中是第一位的，掘进效率的提高在很大程度上还要靠人员的作业效率，如果出现工作人员不足，其中的一些工序完成情况将会受到很大的影响，甚至造成各工序的吊链和紊乱，正规循环遭到破坏，因此，在对快速掘进中的出勤管理环节上必须做好工作，一方面抓出勤管理，另一方面提高劳动生产效率，同时注重培训，提高工人劳动技术素质，以适应机械化发展的需要。
3 结束语实践证明，在煤巷快速掘进过程中，综合机械化掘进技术有着不可替代的作用，一方面，它对煤巷综掘机械化水平的提高有了很大的促进作用，推动煤巷快速掘进技术的快速发展，同时，综合机械化快速掘进施工技术的推广应用，提高了掘进效率和施工质量，随着快速掘进技术的不断更新发展，煤矿企业还应不断提高自身的煤巷快速掘进水平，从而为煤矿企业取得更高的经济效益和社会效益，以促进“双高”煤矿的快速发展。
[2]徐永圻.煤矿开采学[M].徐州:中国矿业大学出版社.1999.

❸ 煤爆———冲击地压机理的研究现状

冲击地压是指在集中应力作用下，煤岩体内集聚的弹性应变能在一定条件下突然释放，使煤岩体发生急剧破坏并向采掘空间抛出的一种动力现象。根据冲击地压的大量实例说明，冲击地压是煤岩突然破坏而产生的现象。煤炭部门习惯上所指的是，在采动影响下，煤岩突然破坏围岩发生震动抛出的现象。是顶板、煤岩、底板相互作用所致。顶板参与冲击地压的特点是震级大、破坏力大，对煤矿生产与安全构成严重威胁。我国煤矿发生冲击地压的条件极为复杂，形成冲击地压的强度、频度、灾害程度等差别很大，故在形成机理的理论认知方面亦不断发展，主要可归结为强度理论、能量理论、刚度理论、冲击倾向理论与冲击地压失稳理论等。

6.1.2.1 强度理论判据

根据冲击地压发生的实际情况观测，直观经验地认为，冲击地压是与煤层突然破裂有关的现象，是应力达到煤岩的极限强度所发生的突然破坏，并以此作为判别冲击地压发生与否的准则。事实上，采煤工作面，掘进工作面的周边应力，经常处于煤岩体极限强度后的变形状态，而发生冲击地压的只是极少数，说明其为影响因素，但不属主控因素，仅以煤岩强度理论作判据是不充分的。

6.1.2.2 能量理论判据

20世纪60年代中期，库克等人总结了南非15年来冲击地压研究与防治的经验基础上，提出能量理论。提出矿体围岩系统的力学平衡状态破坏时，若其释放能量大于消耗的能量时，则发生冲击地压。考虑到围岩、矿体相互作用对冲击地压产生的影响。从能量守恒定律出发，以解析式表达能量平衡方程，解释冲击地压的能源问题。目前比较完善的能量判据公式是布霍依诺、布格尔特和里波温所提出，即

反应力应变岩石力学在工程中应用

式中:W_R为围岩所释放的能量;α为围岩能量释放有效系数;W_E为煤岩所释放的能量;λ为煤岩能量释放的有效系数;W_d为煤岩破坏时消耗于煤岩与围岩交界处所受阻力应于克服的能量。大于1则产生矿山冲击。

从宏观地质背景与态势特征，厘清区内应力情况与二次应力场展布特性，正确率定W_R与W_d值，考虑空间效应，可作出较好贡献。

6.1.2.3 刚度理论

刚度理论渊源于刚性压力机，将矿柱与围岩的关系比拟为试样与试验机的关系。将煤岩试样在极限强度后所发生突然破坏的刚度条件作为矿柱发生冲击地压的条件。20世纪70年代，布莱克将此理论完善化，用于分析美国加利纳矿的冲击地压问题，将矿体与围岩视为刚度不同的两个介质，认为矿柱刚度大于围岩刚度是发生冲击地压的必要条件。我国有的科研人员，根据刚性试验机原理，提出刚度冲击性指标K_CF=K_m/│K_S│<1时有矿山冲击地压危险。判别式中，K_m是极限强度前的刚度为正向增加的正值，K_S是超过极限以后的负向衰减值，是负值。在卸荷条件、应力应变曲线在峰值后的应力降至一定量值时，会产生冲击地压。但这仅是点的刚度进行比较，未考虑点邻域的有关状态，故只能作为必要条件，还缺乏作为判断的充分条件。

6.1.2.4 冲击倾向度

冲击地压的介质都具有一些特殊的物理力学性质，因而可以用一种或一组指标来衡量煤岩介质产生冲击或破坏的潜在能力。冲击倾向度由许多参数量度，主要有弹性变形能指数、脆性指数、脆性破坏系数、有效冲击能指数、极限能量比、极限刚度比、破坏速度指数、应力应变时间特性指数，最大塑性变形速度等。用这些参数将不同煤层的煤进行比较判别，就能事先大致估计煤层发生冲击地压的危险程度。产生冲击地压的冲击倾向条件是:煤体的实际冲击倾向度大于所规定的极限值。这种理论在波兰煤矿部门很盛行。仅依靠对煤岩的物理力学性来判定能否发生冲击性地压是不完善的，难获预期效果，因地质背景的态势特征与开采条件具很大影响。以不同观点建立的判据准则加以简单组合，无共同物理基础，缺乏内在联系。

6.1.2.5 冲击地压失稳理论

煤层开采前，煤层及顶底岩层处于平衡状态，开采打破了原有平衡建立新的平衡，如状态过渡是连续平衡的，属稳定状态，不会产生冲击地压，当影响从平衡状态突然跃进变为新的平衡状态时，有可能产生冲击地压。如跃变为新的平衡状态时势能较大，成为非稳定时，微小扰动将使系统平衡状态产生突然跃变，发生冲击地压。用势能原理判别系统平衡状态稳定性情况，是判别冲击地压发生的必要条件，以能量准则判别动力过程稳定性情况，是冲击地压发生的充分条件。失稳理论形式上与组合理论相似，包含了所有理论，具有共同物理基础的合理部分，如在动力过程的失稳判据，就是能量理论所提出的判据，但作了限定性补充，提出只有当系统平衡状态是非稳定时，外界微小扰动才会发生动力失稳过程。

冲击地压与所处地质背景及态势特征密切关联，与其所处应力状态是首要的关键因素，而应力状态，决定于顶板的情况，决定于顶板岩层的刚度和顶板的抗弯挠度特性，近期已有学者注意与进行顶板大面积来压机理研究，发生冲击地压与顶板性质的关系。从全国冲击地压发生事例的调查结果表明，围岩性质是影响煤层冲击的主要因素。这是对煤层冲击地压形成机理的重大突破，使矿体开采中预测预防提出了正确的指导方向，亦为治理提出了良好对策。

❹ 研究掘进机的目的和意义

无非是提高工作效率、质量，改善工作环境，井下若发生事故伤亡的人员少。主要是解放生产力。

❺ 冲击地压矿井必须落实什么防突措施

摘要 你好，很高兴能够回答您的问题，根据您所描述的情况，目前一般情况下建议您参考一下呢

❻ 城市地铁矩形地下通道掘进机的研究是什么

城市地铁矩形地下通道掘进机的研究与应用城市建设发展速度越来越陕,交通运输对城市建设发展的作用更加凸现。发展与建设的推进求城市解决更多的地下人行通道,如地铁车站的进出口的过街人行隧道、城市地下管线共同沟等类地下隧道工程以矩形最为经济。因此城市交通矩形地下通道掘进机的研究与应用十分必要。 1、矩形隧道的发展与应用世界最早的盾构法隧道是1826年开始建造的英国伦敦穿越泰晤士问底的公俏隧道,,由于采用人工开挖和施工中涌水淹没事故,长458m的矩形隧道掘进了18年才完工。 20世纪70年代以来,随着经济的发展,盾构掘进机施工技术有了新的飞跃。尤其是日本,地下空间的开发和利用的需求,促进了盾构隧道技术的进—步发展。20世纪80钢代后,世界各国掀起了开发异形断面盾构掘进机的高潮,先后进行了矩形隧道、椭圆形隧道、双圆形隧道、多圆形隧道盾构掘进机及施工技术的试验研究和工程应用。从隧道的使用功能来分析,城市交通人行地道、地下共同沟、地铁隧道的断面形式以矩形最为合适,最为经济,因而矩形盾构掘进机的重新研究开发和应用意义十分分重大。 日本对大断面矩形盾构工法开展了研究,主要解决穿越铁路的车行下立交工程施工,用钢管片拼装后再浇筑混凝土内衬,, 。。总之,矩形隧道和矩形盾构技术的应用方兴未艾,其优点日益体现,其技术也日趋成熟。 上海隧道施工技术研究所于1995年起,、矩形隧道试验工程方案和工程设计。1999年4月,上海 ............地址：地产互动资源信息网

❼ S100A综掘机工作原理

在液压系统设计部分，基本上确定各零部件的液压使用原理及参数计算。这里分析计算了截
割部、行走机构、装运机构、中间运输机等载荷分析。马达部分的确定：装载部的星轮机构
马达、行走机构的驱动马达、中间运输机的驱动马达等。油缸部分的确定：升降油缸、回转
油缸、伸缩油缸、履带行走机构的张紧油缸、铲板部的升举油缸的计算设计。
液压缸的结构设计部分，进行了伸缩油缸的机构设计计算，并绘制零件图。也进行了泵站的
参数计算确定和液压系统的计算，评估液压系统性能。
最后进行掘进机的通过性分析与稳定性分析。
关键词：纵轴式掘进机；总体方案设计；液压系统设计
中图分类号：TH
1 引言
1.1 当前国内外掘进机研究水平的状况
近年来，随着我国煤炭行业的快速发展，与之唇齿相依的煤机行业也日益受到重视。在
煤炭行业纲领性文件《关于促进煤炭工业健康发展的若干意见》中，在全国煤炭工业科学技
术大会上以及国家发改委出台的煤炭行业结构调整政策中，都涉及到发展大型煤炭井下综合
采煤设备等内容。
掘进和回采是煤矿生产的重要生产环节，国家的方针是：采掘并重，掘进先行。煤矿巷
道的快速掘进是煤矿保证矿井高产稳产的关键技术措施。采掘技术及其装备水平直接关系到
煤矿生产的能力和安全。高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，
也是巷道掘进技术的发展方向。随着综采技术的发展，国内已出现了年产几百万吨级、甚至
千万吨级超级工作面，使年消耗回采巷道数量大幅度增加，从而使巷道掘进成为了煤矿高效
集约化生产的共性及关键性技术。
我国煤巷高效掘进方式中最主要的方式是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业线，也
称为煤巷综合机械化掘进，在我国国有重点煤矿得到了广泛应用，主要掘进机械为悬臂式掘
进机。
我国煤巷悬臂式掘进机的研制和应用始于20 世纪60 年代，以30～50kW 的小功率掘进
机为主，研究开发和生产使用都处于试验阶段。80 年代初期，我国淮南煤机厂（现重组为
凯盛重工）引进了奥地利奥钢联公司AM50 型掘进机、佳木斯煤机厂（现隶属于国际煤机）
引进了日本三井三池制作所S-100 型掘进机，通过对国外先进技术的引进、消化、吸收，推
动了我国综掘机械化的发展。但当时引进的掘进机技术属于70 年代的水平，设备功率小、
机重轻、破岩能力低及可靠性差，仅适合在条件较好的煤巷中使用，加之国产机制造缺陷，
在使用中暴露了很多问题。国内进一步加强对引进机型的消化吸收工作，积极研制开发了适
合我国地质条件和生产工艺的综合机械化掘进装备。经过近30 年的消化吸收和自主研发，

- 2 -
目前，我国已形成年产1000 余台的掘进机加工制造能力，研制生产了20 多种型号的掘进机，
其截割功率从30kW 到200kW ，初步形成系列化产品，尤其是近年来，我国相继开发了以
EBJ-120TP 型掘进机为代表的替代机型，在整体技术性能方面达到了国际先进水平。基本能
够满足国内半煤岩掘进机市场的需求，半煤岩掘进机以中型和重型机为主，能截割岩石硬度
为f＝6～8，截割功率在120kW 以上，机重在35t 以上。煤矿现用主流半煤岩巷悬臂式掘进
机以煤科总院太原研究院院生产的EBJ-120TP 型、EBZ160TY 型及佳木斯煤机厂生产的
S150J 型三种机型为主，占半煤岩掘进机使用量的80％以上。
然而，国内目前岩巷施工仍以钻爆法为主，重型悬臂式掘进机用于大断面岩巷的掘进在
我国处于试验阶段，但国内煤炭生产逐步朝向高产、高效、安全方向发展，煤矿技术设备正
在向重型化、大型化、强力化、大功率和机电一体化发展，新集能源股份公司、新汶矿业集
团、淮南矿业集团及平顶山煤业集团公司等企业先后引进了德国WAV300、奥地利AHM105、
英国MK3 型重型悬臂式掘进机。全岩巷重型悬臂式掘进机代表了岩巷掘进技术今后的发展
方向。
虽然三一重装去年推出了国内第一台EBZ200H 型硬岩掘进机，但国产重型掘进机与国
外先进设备的差距除总体性能参数偏低外，在基础研究方面也比较薄弱，适合我国煤矿地质
条件的截割、装运及行走部载荷谱没有建立，没有完整的设计理论依据，计算机动态仿真等
方面还处于空白；在元部件可靠性、控制技术、在截割方式、除尘系统等核心技术方面有较
大差距。
1.2 本设计的主要研究内容
本论文的研究内容有：根据给定的设计要求和目的，按照中国煤炭行业标准和行业设计
规范，进行纵轴式掘进机的总体方案设计与液压系统设计。
主要有以下几个方面：
a. 按行业标准MT138—1995《悬臂式掘进机的型式与参数》，MT238.3—2006《悬臂
式掘进机|第3 部分|通用技术条件》，结合工作要求和设计目的，确定掘进机的总体型式和
总体参数；
b. 分析整个工作部件的工作原理，给出机械传动系统图和绘制整体配置图；
c. 为实现工作要求，进行了整体液压系统原理设计，形成本掘进机的液压系统原理图；
d. 对截割部、行走机构、装载机构、中间运输机构进行载荷分析，确定各部分的载荷，
为进行液压系统各执行元件的设计提供依据。这里通过计算确定了8 个马达和11 个油缸的
主要参数；
e. 重点选取伸缩油缸进行详细的结构设计，确定缸筒壁厚度，缸体外径，进出口布置，
工作行程，平底缸盖厚度，活塞宽度，最小导向长度，缸体长度等，并进行了强度，刚度和
稳定性校核；
f. 进行液压系统参数计算，由各回路的流量、工作压力，完成液压系统参数计算，确定
泵站的主要技术参数，确定6 个小系统所需要的6 个泵及其各自的功率，并综合确定泵站电
机的功率参数。同时，由6 个小系统的总体最大流量，确定油箱容积。进行液压系统的性能
验算，确定整个系统的效率、产生的热量和温升，以评估系统的优越。并做了液压缸的工作
速度验算，保证系统工作的顺利进行。
g. 按照规范进行了掘进机的通过性与稳定性分析。

- 3 -
2 掘进机总体设计与液压系统设计的理论基础与设计规范
2.1 掘进机型式的基本参数要求
根据MT238.3—2006《悬臂式掘进机|第3 部分|通用技术条件》，确定掘进机型式的基
本参数。
表2-1 掘进机型式的基本参数[1]
Tab.2-1 Table of the basic parameters of roadheader models
机型
技术参数 单位
特轻 轻 中 重 超重
切割煤岩最大
单向抗拉强度 MPa ≤ 40 ≤ 50 ≤ 60 ≤ 80 ≤ 100
煤,m3 / min 0.6 0.8 — — —
生产能力 煤夹
矸,m3 / min
0.35 0.4 0.5 0.6 0.6
切割机构功率 kW ≤ 55 ≤ 75 90～132 > 150 > 200
适应工作最大
坡度(绝对值)
不小于
(·) ±16 ±16 ±16 ±16 ±16
可掘巷道断面 ㎡ 5～12 6～16 7～20 8～28 10～32
机重(不包括转
载机)
T ≤ 20 ≤ 25 ≤ 50 ≤ 80 > 80
2.2 掘进机的截割头载荷计算公式
截齿截割岩石的阻力产生了截割力, 其值与被切削的岩石有关, 也与截齿的形状和切深
有关。这些参数大多通过假岩壁截割试验取得, 所需截割力的近似计算按式(2-1)求得
K
P h
c
c z
c cos ( / 2)
0.016 2
2
β
σ
= π [2] (2-1)
式中： c P —平均截割力, kN;
c h —切屑厚度(截齿截割煤岩体的深度) , mm;
z σ —岩石的抗拉强度, MPa;
c β —截齿的刀具角, °;
K —岩石的脆性系数, D z K = σ /σ , 其中D σ 为岩石的抗压强度。在K 取值
为10 左右时，本公式准确性比较高。
2.3 纵轴式掘进机的截割头每个截齿的最大切割厚度计算公式
对于纵轴式掘进机截割头,每个截齿的最大切削厚度可由式(2-2)计算求得:
h V n m c b 0 = / [2] (2-2)
式中： b V —截割头牵引速度(或摆动速度),mm/ min ；
0 n —截割头的转速, r / min ；
m—在一条截线上的截齿数。

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2.4 工况分析及载荷计算公式
对于液压缸，外负载为：
c f i F = F + F + F [3] (2-3)
式中： F —工作负载；
f F —摩擦负载；
i F —惯性负载。
对于液压马达，外负载为：
n f i M = M + M + M [3] (2-4)
式中： M —工作负载扭矩；
f M —摩擦阻力矩；
i M —惯性力矩。
3 纵轴式掘进机总体设计
悬臂式掘进机主要由截割、行走、装运、装载四大机构和液压、水路、电气三大系统组
成，并通过主体部将各执行机构有机的组合于一体。总体方案设计主要是进行掘进机的选型
和总体参数的确定。根据任务书的要求，按行业标准MT138—1995《悬臂式掘进机的型式
与参数》，MT238.3—2006《悬臂式掘进机|第3 部分|通用技术条件》选定机型类别为重型
掘进机。按照行业的设计规范和使用的情况，确定各部件的驱动方式和连接结构。这里除了
截割头使用电机驱动外，其余的都采用液压驱动。
本掘进机的总体设计，主要包括以下内容：
1、据设计任务书选择机型及各部件结构型式。
2、定整机的主要技术性能参数，包括尺寸参数、重量参数、运动参数和技术经济指标。
3、按照总体设计的性能要求，确定整机系统的组成及它们之间的匹配性以及各个部件
的主要技术参数。
4、进行必要的总体计算，并绘制传动系统图和总体配置图。
切割头采用圆锥形式，按行业标准MT477-1996《YBU 系列掘进机用隔爆型三相异步电
动机》选取截割电机，减速机采用二级行星减速器。内伸缩式结构紧凑、尺寸小、伸缩灵活
方便，因此采用内伸缩式截割头。耙装部机构采用弧形三齿星轮式，有左右两个，对称布置。
输送机构，采用刮板链式输送机，由机尾向机头方向倾斜向上布置。转载机采用胶带输送机
的形式。行走机构采用履带式，驱动方式由液压马达驱动，可在底板不平或者松软的条件下
工作。采用喷雾式除尘，综合使用内喷雾形式和外喷雾形式。
掘进机的总体参数，是指主要性能参数，它表示了掘进机特性的指标。掘进机的总体参
数有：机重、外形尺寸、可掘断面、生产率、截深、摆动速度、切割力等。
确定的主要参数如表3-1：

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表3-1 主要技术参数
Tab.3-1 main technical parameters
总体参数
总体长度 总体宽度 总体高度 总重 卧底深度
8.7 m 2.8 m 1.8 m 45 t 200 mm
爬坡能力 截割硬度
±16° ≤60 Mpa
截割范围
高度 宽度 面积
4.5 m 5.6 m 22.6 ㎡
截割部
截割头形状 截割头转速 截割头伸缩量 隔爆型三相电动机喷雾
圆锥台形 46 r/min 550 mm
YBUD2-132-4 隔
爆，水冷方式，1 台
内、外喷雾方式
水平回转角 上摆角 下摆角
33° 32° 28°
铲板部
装载形式 装载宽度 星轮转速 装载能力 铲板卧底
三齿星轮式 2.8 m 28 r/min 230m3 /h 300 mm
铲板抬起
340 mm
刮板输送机
运输形式 溜槽宽度 链速 龙门高度 张紧形式
双边链刮板式 540 mm 0.90 m/s 360 mm 油缸张紧
行走部
形式 履带宽度 制动方式 接地比压 行走速度
履带式 450 mm 摩擦离合器制动 0.14 MPa 0-5/10m/min
接地长度 张紧形式
3.3 m 油缸张紧

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在本总体方案设计的最后，给出了本掘进机的传动系统图和总体配置图。
确定的掘进机的传动系统图如图3-1：
7 8 9 10 11 12
19 17 18
1 2 3 4 5 6
13
16
14
15
图3-1 掘进机的传动系统
Fig.3-1 The drive system of roadheader
1—内齿轮 2—中心轮 3—二级中心轮 4—行星轮 5—电动机 6、7—圆锥齿轮 8—链轮
9—链轮轴 10—内齿轮 11—二级行星减速机 12—齿轮 13—油马达 14—齿轮 15—齿圈 16—
油马达 17、18—涡轮蜗杆 19—星轮
4 掘进机液压系统设计
液压系统设计在明确基本要求的基础上，进行工况分析，工作负载计算，拟订液压系统
图。在进行各回路的设计之后，确定总体工作原理图，再进行各回路的执行元件的设计计算。
这里进行了截割部、行走机构、装载部、中间运输机构的载荷分析，详细确定了各部分的工
作情况，载荷大小，公式和分析方法来源于中国煤炭行业标准和中国煤炭科学研究院的研究
成果。由此确定了各部件的驱动方式和驱动元件的参数，包括8 个马达的技术参数和11 个
油缸的主要尺寸确定。
重点选取伸缩油缸进行详细的结构设计，确定缸筒壁厚度，缸体外径，进出口布置，工
作行程，平底缸盖厚度，活塞宽度，最小导向长度，缸体长度等，并进行了强度，刚度和稳
定性校核。
完成液压系统参数计算，确定泵站的主要技术参数，通过计算确定6 个小系统所需要的
6 个泵及其各自的功率，并综合确定泵站电机的功率参数。同时，由6 个小系统的总体最大
流量，确定油箱容积。
进行液压系统的性能验算，确定整个系统的效率、产生的热量和温升，以评估系统的优
越。并做了液压缸的工作速度验算，保证系统工作的顺利进行。
本设计确定的主要液压系统参数如表4-1。

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表4-1 主要液压系统参数
Tab.4-1 main hydraulic system parameters
泵站
三联泵1 三联泵2 系统额定压力 油箱容量
电机额定功
率
电机工作转
速
CBZ2063/63/32 CBZ2063/50/32 16 MPa 640 L 110 kW 1450 r/min
电机额定电压
AC1140V
装载回路
马达型号 泵型号 系统工作压力 泵提供流量 泵工作功率
马达额定工
作转速
2 个NHM1200 CBZ2063 16 MPa 77.6 L/min 24.4 kW 28 r/min
中间运输回路
马达型号 泵型号 系统工作压力 泵提供流量 泵工作功率
马达额定工
作转速
NHM400 CBZ2063 16 MPa 77.6 L/min 24.4 kW 87.2 r/min
行走回路（左、右）
马达型号 泵型号 系统工作压力 泵提供流量 泵工作功率
马达额定工
作转速
NHM175A CBZ2032 16 MPa 45.5 L/min 17.8 kW 280 r/min
转载机与水泵回路
装载机马达 水泵 系统工作压力 串联回路流量泵工作功率
马达额定工
作转速
BM-E630 CBZ2050 16 MPa 77.64 L/min 24.4 kW 87.2 r/min
泵—缸回路
泵型号 系统工作压力 泵提供流量 泵工作功率
CBZ2050 16 MPa 61.63 L/min 19.3 kW
本设计确定的油缸的参数如表4-2。
表4-2 油缸的主要参数
Tab.4-2 main parameters of fuel tank
伸缩油缸1 个
油缸驱动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积 工作最大流量
29.7 kN 80 mm 125 mm 123 cm2 72.5 cm2 25.3 L/min
升降油缸2 个
油缸驱动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积 工作最大流量
410.4 kN 110 mm 180 mm 254 cm2 159 cm2 13.3 L/min
回转油缸2 个
油缸驱动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积 工作最大流量
440.9 kN 110 mm 180 mm 254 cm2 159 cm2 8.3 L/min
履带行走机构张紧油缸2 个
油缸驱动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积
106.7 kN 63 mm 100 mm 78.5 cm2 47.4 cm2
铲板油缸2 个
油缸驱动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积 工作最大流量
89 kN 63 mm 100 mm 78.5 cm2 47.4 cm2 15.5 L/min

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伸缩油缸结构设计得出的主要参数如表4-3。
表4-3 伸缩油缸的重要参数
Tab.4-3 main parameters of extendable fuel tank
缸筒壁厚度 缸体外径 进出口布置行程 平底缸盖厚度最小导向长度 缸体长度
13.5 mm 152 ㎜
螺纹连接
M33×2
550 mm 12 ㎜ 230 mm 720 ㎜
液压系统的性能参数如表4-4。
表4-4 液压系统的主要性能参数
Tab.4-4 the main performance parameters of hydraulic system
系统效率 系统热量 系统温升
0.218 68.3×103 W 14.15 oC
5 本掘进机液通过性与稳定性分析
稳定性是指掘进机在规定方向行走和工作时不发生翻倒或侧滑的能力。它不仅关系到行
走和工作的安全、机器的生产率，而且还直接影响截齿、机械联接与传动元件、以及电气元
件和液压元件的寿命，是评价悬臂式掘进机使用性能的一项重要指标，只有具有良好的稳定
性，才能保证机器性能的充分发挥。本设计按照规范进行了掘进机的通过性与稳定性分析。
这是评估掘进机的综合性能的重要指标，是最终确定本掘进机的是否可以出产的重要依据。
通过性参数如表5-1。
表5-1 通过性参数
Tab.5-1 the parameters of through performance
离地最小间隙 接地比压 适应巷道坡度
253 mm 0.14Mpa ±16°
稳定性参数有：
（一） 静态稳定性计算结果如表5-2。
表5-2 静态稳定性参数
Tab.5-2 static stability parameters
极限倾翻角
上山（坡）极限倾翻角下山（坡）极限倾翻角横向极限倾翻角
下滑临界坡度角
40° 31° 36° 45°
（二） 动态稳定性计算结果如表5-3。
表5-3 动态稳定性参数
Tab.5-3 dynamic stability parameters
不同截割情况的稳定比
纵向截割（上下截割）
当截割头向上截割时 当截割头向下截割时
横向截割（左右截割） 轴向钻进
K = 3.8 K = 1.8 K = 2.3 K = 3.4

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6 结语
本设计主要是根据掘进机的设计要求和用途，进行本掘进机总体方案设计和液压系统设
计，确定掘进机型号为EBZ132，能够满足中低硬岩、煤层的经济截割，切割能力较强，应
用范围也很广泛，不只在井下采掘作业，也可以在工程建筑里面的航道掘进。EBZ132 整机
结构紧凑，布局合理，机重与截割功率匹配，接地比压小，地隙大，适应性强。

❽ 掘进机的性能有多优异制造掘进机有多难掘进机主要应用于哪些地方

近年来，经过自主研发和系统研究，湖南省整齐地出现了一大批达到甚至超过同类技术国际先进水平的产品。从工程机械到农产品，从科技应用到文化创新……长期以来，为了进一步实施和推进“创新引领开放崛起”战略，敢于第一的湖南人和企业在追逐行业领先、世界一流技术的道路上从未止步。这些令世界惊叹的创新产品背后的故事是什么？

此外，根据“距离远、埋深大、应力高、水压大、地温高、涌水大、易岩爆”等地质特点和技术难点，研制出价值1.8亿元的“长春”TBM。

❾ 掘进机工作原理

工作原理：随着行走机构向前推进，工作机构中的切割头不断破碎岩石，并将碎岩运走。在推进油缸的轴向压力作用下，电动机驱动滚刀盘旋转，将岩石切压破碎，其周围有勺斗，随转动而卸到运输带上。硬岩不需支护，软岩支护时可喷射、浇灌混凝土或装配预制块。

掘进机的刀盘工作机构是在隧洞全断面上切割岩层的滚刀盘，分平面滚刀盘和球面滚刀盘两种。盘上装有数十把滚刀，布置形式有同心转轴式、行星转轴式等多种。刀盘工作机构用挡板与其他部分隔开。挡板前设有喷雾装置、吸尘设备，用以除尘。挡板后方有驾驶室，内有隔声设备，以及液压操纵阀和激光导向设备，便于按隧道的设计轴线控制掘进机走向。

掘进隧洞时，电动机驱动各个传动机构，使工作机构的滚刀盘旋转，并由液压油缸将滚刀压向工作面岩壁。在轴向推进力作用下，所有滚刀的刀锋抵紧岩壁并不断滚动，此时岩石被刀锋的挤压力破碎，整个工作面岩壁被刻划出同心圈（或是内摆线）的沟槽和岩圈；同时，滚刀两侧的楔面挤紧沟槽所产生的侧向力将岩圈剪切碎裂。落下的石碴，由几个连续旋转的装碴铲斗轮流铲起，在转到最高位置时，卸入带式转载机的受料槽，再转载到轨道矿车，运出洞外。

(9)冲击地压条件下掘进机研究方法扩展阅读：

掘进机特点：掘进机的功率强大，又是联合作业，故掘进速度高；同时还具有洞壁匀整，超挖量小（仅为钻爆法的1/4），能节省衬砌材料；又因不用爆破,不致扰动周围岩层，以及操作自动化，并能保证施工安全等优点。其缺点是机体庞大，且专用性强，而无法适应不同形状、不同尺寸的隧洞断面；工作中维修也较困难；施工初期投资高，故掘进短隧洞不经济。

掘进机应用：掘进机已成功地应用于硬粘土、页岩、砂岩、石灰岩、花岗岩等岩质地层的隧洞施工，且水平和倾斜隧洞均能使用；掘进的隧洞直径自2.4米至10.8米。自20世纪50年代出现隧洞掘进机以来，已应用于矿山运输巷道、引水和泄水隧洞、交通用山岭隧道和水底隧道及原子能工程用的洞室等。

中国自60年代中期开始研制，经过近二十年来的使用与改进，主机结构已基本定型，技术性能日臻完善，已能有效地用盘形滚刀掘进抗压强度为200兆帕的中硬岩层；用球齿（碳化钨）滚刀掘进抗压强度为250兆帕的硬岩。对抗压强度超过300兆帕的极硬岩层，则因刀具磨损剧烈,在经济上不合理。当前，正在对掘进机的刀具寿命和破岩机理作进一步研究，并试验用高压射流作辅助破岩。

参考资料来源：

网络-隧洞掘进机

网络-隧道掘进机

网络-掘进机

❿ 掘进机的研究水平

近年来，随着我国煤炭行业的快速发展，与之唇齿相依的煤机行业也日益受到重视。在煤炭行业纲领性文件《关于促进煤炭工业健康发展的若干意见》中，在全国煤炭工业科学技术大会上以及国家发改委出台的煤炭行业结构调整政策中，都涉及到发展大型煤炭井下综合采煤设备等内容。
掘进和回采是煤矿生产的重要生产环节，国家的方针是：采掘并重，掘进先行。煤矿巷道的快速掘进是煤矿保证矿井高产稳产的关键技术措施。采掘技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全。高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。随着综采技术的发展，国内已出现了年产几百万吨级、甚至千万吨级超级工作面，使年消耗回采巷道数量大幅度增加，从而使巷道掘进成为了煤矿高效集约化生产的共性及关键性技术。
我国煤巷高效掘进方式中最主要的方式是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业线，也称为煤巷综合机械化掘进，在我国国有重点煤矿得到了广泛应用，主要掘进机械为悬臂式掘进机。
悬臂式掘进机是集截割、装运、行走、操作等功能于一体，主要用于截割任意形状断面的井下岩石、煤或半煤岩巷道。现在国内的掘进机设计虽然说离国际先进的技术还有段距离，但是国内的技术水平已能基本满足国内的需求。大中型号的掘进机不断被创新。