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科技日报头版头条聚焦铁建重工:全球首台千米级竖井硬岩掘进机问世 攻克深地施工三大核心难关

2026-05-01 08:04:05来源:互联网

4月7日,《科技日报》头版头条推出深度报道,聚焦中国铁建重工集团股份有限公司自主研发的全球首台千米级竖井硬岩全断面掘进机“钢铁脊梁号”。这款填补了千米级深度井筒全断面掘进装备国际空白的“国之重器”,攻克了困扰业界多年的开挖、出渣、支护三大核心技术难题,为我国深地资源开发与地下空间利用开辟了全新路径。 深地资源开发是拓展人类生存空间的重要方向,但长期以来,千米级硬岩竖井施工始终缺乏高效可靠的全断面掘进技术与装备。2021年,铁建重工组建专项研发团队,集结行业顶尖技术力量,瞄准这一世界级施工难题开启攻坚之路。历经数年研发调试,“钢铁脊梁号”成功问世,目前已在辽宁鞍钢西鞍山铁矿项目施工现场投入使用——这台开挖直径8.1米、重达数百吨的“地下航母”,正稳步向千米深处掘进。 硬岩稳定开挖是研发团队面临的第一道难关。深地地质条件复杂,地压随深度递增,坚硬岩石极易损耗装备。团队最初在盾构机刀盘基础上,设计了可自动纠偏的锥形刀盘,并搭配高效破岩刀具。但在四川攀枝花沿江高速公路通风竖井项目的试验中,当掘进至地下160米时,岩石硬度骤升至140兆帕,刀盘一侧出现严重偏磨,掘进效率大幅下降。团队多次研讨未能找到解决方案,直到一次头脑风暴中,技术员手中削铅笔的动作带来启发:斜向施力能更轻松削断铅笔,若让刀具斜向凿岩,或许能减少侧向受力。经过一系列模拟计算,团队调整了滚刀倾角,让更多力量集中于破岩,刀盘偏磨问题得到显著改善。在此基础上,他们还将锥形刀盘从V形优化为W形,把碎渣聚点移向两侧,避免刀盘中心区被掘进碎渣干扰,确保设备始终保持笔直掘进方向。 解决了开挖难题,千米深井的排渣又成为新的挑战。不同于水平盾构机在刀盘后方取渣,竖井掘进机向下开挖时,渣土直接堆积在刀盘前方,取渣难度堪比从300层楼顶无电梯运送垃圾。团队最初尝试在W形刀盘低点设置斗轮机取渣,但很快发现这套方案存在诸多弊端:斗轮机增加了刀盘动力系统的复杂度,狭小空间内一旦故障就会导致设备卡死,且提渣高度无法满足千米深井的需求。近半年时间里,团队尝试了多种方案均未能破局。直到一次团队成员在大泽湖湿地公园散步时,看到古朴的龙骨水车——依靠循环刮板逐级提水的原理,让他们联想到排渣系统的需求。受此启发,团队自主研发出智能垂直排渣系统,一根25米长的输送管深入刀盘内部,理论出渣效率可达每小时120立方米,相当于10辆常规市政渣土车的运力。为进一步完善排渣流程,团队还在系统末端加装了环形接渣装置,实现360度无死角收渣,并通过箕斗将渣土提升至井口泄渣。目前,围绕千米深井排渣技术,“钢铁脊梁号”已积累涵盖刀盘、聚渣、取渣、提渣、送渣5类共20多项核心技术。 开挖与出渣难题解决后,千米深竖井的支护成为最后一道关卡。千米地下存在高地应力与高水压,岩壁开挖后极易因应力释放发生变形甚至坍塌,必须及时进行可靠支护。团队联合煤炭工业合肥设计院等多家科研单位,对“锚网+喷射混凝土”“模板+现浇混凝土”“预制钢板+混凝土”三类主流支护技术进行反复试验测算,最终选定综合性能最优的“模板+现浇混凝土”方案。但实际应用中又出现新问题:传统钻爆法施工时,模板以竖井底部为支撑,但竖井掘进机需持续在开挖面作业,模板只能放置在盾体支撑结构上方,且不能与掘进机接触,相当于“悬空砌壁”,难以实现稳固支撑。团队对着竖井工况模型反复推演,推翻了多版支撑方案,最终为模板设计了专属托底结构:向四周伸出的“托臂”稳稳托住现浇混凝土,同时搭配独立的悬吊系统提吊模板,这套系统与掘进机刀盘等结构完全独立,确保支护与掘进作业互不干扰,模板能保持静止为混凝土提供充足的凝固环境。为进一步提升掘进效率,团队还在“钢铁脊梁号”盾体后方加装了首例自动液压模板装置,可通过地面远程控制完成支模、脱模、下放全流程自动化作业,为井下支护安全增添了一道保障。试验证明,这套支护方案的强度完全满足千米深竖井掘进的要求。 如今,“钢铁脊梁号”将深埋地下千米的硬岩、涌水、高风险施工场景,转化为精准可控、高效安全的标准化作业,为我国深部矿产开发、地热利用、地下空间拓展提供了核心装备与技术支撑。“钢铁脊梁号”总设计师丁张飞表示,团队将持续开展千米竖井硬岩全断面掘进机的关键技术研究与装备升级,推动“钢铁脊梁号”在更多场景落地应用,抢占深部地下空间开发领域的技术制高点,为国家深地战略实施提供坚实的硬核支撑。 本篇稿件内容系出于传递信息之目的自第三方网站转载,行业企业、终端用户投稿。若对稿件内容有任何疑问或质疑,请立即与本网站联系,本网站将迅速给予回应并第一时间做出处理()。

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