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4月7日<科技日报>头版头条:铁建重工造出全球首台千米级竖井硬岩掘进机,攻克三大核心技术

2026-05-06 22:22:33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”。眼下,这台开挖直径8.1米、重达数百吨的“地下航母”,正在辽宁鞍钢西鞍山铁矿项目施工现场全速向深地掘进,为我国深地资源开发与空间利用打造出专属“国之重器”。此前,千米级硬岩竖井施工一直缺乏高效可靠的全断面掘进技术与装备,“钢铁脊梁号”的问世填补了这一国际空白,标志着我国成功攻克世界级竖井施工难题。 深地施工的第一道难关,是硬岩的稳定开挖。随着掘进深度增加,地压攀升、岩石硬度陡增,常规装备极易出现磨损、掘进停滞等问题。“钢铁脊梁号”研发初期,团队在四川攀枝花沿江高速公路通风竖井项目测试时就遭遇了棘手状况:当试验机挖到地下160米左右,岩石硬度突然飙升至140兆帕,刀盘一侧磨损严重,机器推进速度大幅下降,操作员明显感到“推不动”了。 排查后发现,刀圈偏磨、轴承损坏的根源在于刀盘开挖侧向力过大。团队一度陷入思维瓶颈,直到一次头脑风暴中,一位技术员手中的削铅笔动作打开了新思路——既然斜着削铅笔更省力,那让刀具斜向凿岩,是不是能减少侧向受力? 顺着这个思路,团队重新调整滚刀倾角,通过大量计算模拟,在保障滚刀40毫米安全使用空间的前提下,让刀具更多力量集中于破岩,偏磨问题得到显著改善。在此基础上,他们还将原本的V形锥形刀盘优化为W形,把聚渣点移向两侧,避免碎渣干扰刀盘中心区,确保掘进始终保持笔直方向,啃碎深地硬岩的难题迎刃而解。 解决了硬岩开挖难题,如何高效排出千米深井的碎石渣土,成了摆在团队面前的又一道坎。不同于水平盾构机在刀盘后方取渣,竖井掘进机向下作业时,渣土直接堵在刀盘前方,取渣难度堪比从300层楼顶无电梯运垃圾,停工清渣会大幅拖慢进度。 团队最初尝试在W形刀盘的两个低点设置斗轮机取渣,但很快发现这套方案存在诸多隐患:斗轮机增加了刀盘动力系统的复杂度,狭小的空间里一旦动力受损,设备极易卡死;而且受限于刀盘内部结构,斗轮机的垂直提渣高度也无法满足需求,方案被迫放弃。 近半年里,团队试了多种方案都没能破局。直到一次在大泽湖湿地公园散步时,古朴的龙骨水车给了他们灵感——这种以木为骨、链带循环刮板提水的装置,原理正好契合从井底向上运渣的需求。受此启发,团队自主研发出智能垂直排渣系统,为“钢铁脊梁号”装上了深入刀盘的25米排渣输送管,理论出渣效率可达每小时120方,相当于10辆常规市政渣土车的运输量。他们还在系统尾端设计了环形接渣装置,实现360°无死角收渣,并定点转运至储料仓,再通过箕斗提升至井口泄渣。目前,围绕千米深井排渣,团队已积累了涵盖刀盘、聚渣、取渣等环节的20多项核心技术。 开挖和出渣难题相继攻克,支护成为最后一道关键关卡。千米级地下空间高地应力、高水压并存,围岩开挖后极易应力释放,若不及时支护,岩壁可能变形甚至坍塌。研发团队联合多家科研单位,对“锚网+喷射混凝土”“模板+现浇混凝土”“预制钢板+混凝土”三类主流支护技术反复试验测算,最终选定了“模板+现浇混凝土”方案。 但新的问题随即出现:传统钻爆法施工时,模板以竖井底部为支撑,但竖井掘进机一直在开挖面作业,模板只能放在盾体支撑结构上方,且不能与掘进机接触,相当于要“悬空砌壁”,很难稳固支撑。 团队对着竖井工况模型反复推演,推翻了多版支撑方案后,终于设计出专属托底结构——通过改进刀盘、支撑换步机构、吊盘和提升系统,在模板下方增加向四周伸展的“托臂”,托住现浇混凝土,同时搭配独立的悬吊系统提吊模板。这套系统与掘进机结构完全独立,既能让支护与掘进互不干扰,又能为混凝土凝固提供稳定环境。为进一步提升效率,团队还在盾体后方设置了国内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、下放全流程自动化操作,为井下作业筑牢安全防线。试验证明,这套支护方案完全满足千米深竖井的强度要求。 如今,“钢铁脊梁号”正在鞍钢西鞍山铁矿项目现场全速掘进,将深埋地下千米的复杂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、地热开发及地下空间利用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,未来团队将继续深化千米竖井硬岩全断面掘进机的技术研究与装备升级,推动其在更多场景应用,抢占深地开发领域的技术制高点,为我国深地战略实施提供坚实支撑。

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