Основным средством механизации горных работ и защиты забоя от обрушения пород на весь проходческий цикл — от разработки породы до возведения обделки — являются щиты. Проходческий щит — это подвижная стальная крепь в виде полого стального цилиндра, лежащего горизонтально вплотную к забою. Форма щита повторяет форму сооружаемой обделки.
Основные части щита (рис. 45)-ножевое 2 и опорное 1 кольца (в некоторых конструкциях установлено единое ножеопорное кольцо) и оболочка 9, в пределах которой монтируют сборную обделку. После разработки породы, находящейся перед ножевым кольцом, щит при пбмощи щитовых гидроцилиндров 10, опирающихся на последнее кольцо обделки тоннеля, продвигают вперед, в пространство, освободившееся от породы. После этого штоки гидроцилиндров убирают и в оболочке щита монтируют очередное кольцо обделки. Породу забоя крепят щитами из досок, которые прижимают забойными гидроцилиндрами 7.
В пределах опорного и ножевого колец внутреннее пространство щита разделено: горизонтальными перегородками 5 на ярусы и вертикальными перегородками 3 на ячейки. Горизонтальные перегородки имеют выдвижные платформы 4, перемещение которых обеспечивают специальные платформенные гидроцилиндры. (В технической литературе прошлых лет издания щитовые, забойные и платформенные гидроцилиндры названы гидравлическими домкратами, или гидродомкратами.)
Опорное и ножевое кольца щита собирают из стальных элементов-сегментов, соединяя их болтами подобно тюбингам при сборке кольца обделки. Оболочку щита собирают из стальных листов, изогнутых по цилиндрической поверхности. Листы соединяют между собой, а также с опорным кольцом с помощью болтов с потайной головкой.
Проходческие щиты разделяют по следующим основным признакам:
по площади поперечного сечения проходимой выработки — на щиты малого диаметра (до 3200мм), среднего диаметра (до 5200 мм) и большого диаметра (свыше 5200 мм);
по степени механизации основных производственных процессов— на щиты частично механизированные и механизированные. В щитах первого типа разработку забоя ведут вручную или взрывным способом, а погрузка и транспортировка породы, возведение обделки и передвижка щита механизированы, в щитах второго типа все основные процессы механизированы;
по области применения щиты разделяют на предназначенные для проходки в обводненных грунтах, для проходки в сыпучих и малоустойчивых грунтах естественной влажности, для проходки в грунтах с коэффициентом крепости от 0,5 до 5 и для проходки в грунтах с коэффициентом крепости более 5.
Рис. 45. Частично механизированный проходческий щит:
1 — опорное кольцо; 2 — ножевое кольцо; 3 — вертикальная перегородка; 4 — выдвижная платформа; 5 — горизонтальная перегородка; 6 — гидравлическая система; 7 — забойный гидроцилиндр; 8 — накладка; 9 — оболочка щита; 10 — щитовой гидроцилиндр; 11 — опорная пята
Рис. 46. Механизированный проходческий комплекс
Проходческие щиты оснащают механизмами для погрузки разработанного грунта на конвейер (транспортер) или непосредственно в вагонетки. В частично механизированных щитах погрузку грунта в вагонетки ведут с помощью погрузочной машины, в щитах малого диаметра — вручную. В механизированных щитах погрузочные органы имеют различное исполнение.
Современные щитовые комплексы обеспечивают выполнение процессов по разработке и креплению лба забоя, погрузке и удалению грунта за пределы комплекса, возведению тоннельных обделок, нагнетанию раствора в заобделочное пространство и т. д.
Комплексы, в которых достигнута полная механизация проходческих работ, называют механизированными комплексами (рис. 46), В таких комплексах щит 2 имеет рабочий орган / для разработки и погрузки породы, конвейер 3 для выдачи породы за пределы щита. Вслед за щитом в сцепе с ним установлен укладчик обделки 4, тоннельный конвейер 5 и другое технологическое оборудование. При проходке в неустойчивых породах рабочий орган (исполнительный) щита наряду с разработкой породы обеспечивает поддержание лба забоя от обрушения.
По принципу действия различают три группы рабочих органов:
непрерывного действия, если разработка грунта происходит одновременно по всей площади забоя (например, рабочий орган роторного типа);
цикличного действия, если разработка грунта происходит в отдельные отрезки времени в отдельных участках забоя (например, рабочий орган экскаваторного типа);
комбинированно действия, когда сочетаются хотя бы по одному из двух типов рабочих органов (например, экскаваторного типа с горизонтальными рассекающими площадками).
Роторные рабочие органы могут быть с плоской или винтовой планшайбой (рис. 47, а) со щелями для выхода грунта или лучевого типа (рис. 47,6). Эти органы в зависимости от крепости пород оснащают пластинчатыми или стержневыми резцами, шарошками и другим инструментом. При вращении режущий инструмент врезается в грунт и разрушает его.
Щит может быть оснащен сменными в зависимости от крепости пород рабочими органами: экскаваторным рабочим органом (рис. 47, в) для работы в супесях, суглинках, глинах; стреловым исполнительным органом с резцовой коронкой (рис. 47, г) для работы в твердых глинах, известняках, песчаниках.
Горизонтальные рассекающие перегородки (площадки) рабочего органа позволяют работать в песках, насыпных грунтах. На горизонтальных перегородках при внедрении их в забой образуются осыпи грунта под углом естественного откоса, обеспечивающие устойчивость забоя (т. е. выполняющие функции временной крепи).
С помощью механизированных комплексов, кроме обычных сборных обделок, сооружают также монолитно-прессованные и сборные обжимаемые в породу обделки. Монолитно-прессованные обделки образуются при уплотнении бетонной смеси усилиями щитовых гидроцилиндров при внедрении щита в забой. После монтажа в хвостовой части щита очередной секции опалубки и нагнетания за нее бетонной смеси щит продвигают вперед, при этом под давлением гидроцилиндров смесь в опалубке уплотняется и непосредственно за щитом остается готовая бетонная обделка. Особенность сборных железобетонных обделок кругового очертания, обжимаемых в окружающий породный массив, состоит в том, что сразу же после их монтажа кольца обделки прижимают к контуру выработки и обделка немедленно вступает в работу, предотвращая развитие горного давления и просадки земной поверхности.
Рис. 47. Схемы рабочих органов механизированных проходческих щитов:
а-роторный с винтовой планшайбой; б — роторный лучевого типа; в — экскаваторного типа; г — фрезерного типа
Рис. 48. Проходческий комбайн 4ПП-2
Щиты в процессе проходки приобретают крен (поворачиваются вокруг оси). Для предотвращения крена в щитах служат элероны (металлические пластины), которые устанавливают в специальные щели в сегментах опорного (ножеопорного) кольца и выдвигают с помощью гидроцилиндров за пределы корпуса щита. Для возможности ведения щита на кривых участках трассы тоннеля необходимо делать одностороннее уширение сечения выработки. С этой целью на рабочем органе щита устанавливают выдвижной копир-резец (копир-шарошку). Управляет копир-резцом при помощи гидравлического механизма машинист щита со своего рабочего места.
Для определения и контроля положения щита в плане и профиле применяют лазерные приборы. Прибор крепят к обделке так, чтобы лазерный луч был направлен параллельно оси тоннеля и находился ниже свода на 1-1,2 м. Для придания лучу нужного направления в плане и для контроля устойчивости луча применяют не менее двух отвесов, а в профиле — не менее двух горизонтальных нитей (используют капроновую леску). По мере удаления щита от лазерного прибора через каждые 100-150 м закрепляют новые отвесы и нити.
Для герметизации строительного зазора и придания кольцам правильного геометрического очертания в щитах устанавливают пневматическое торовое устройство.
Проходческий комбайн (рис. 48) представляет собой самоходную машину на гусеничном ходу 3. Рабочими органами комбайнов служат телескопические стрелы 2 с резцовыми коническими коронками 1. Погрузка разработанной породы с помощью спаренных лап 4 нагребающего типа совмещена с работой рабочего органа. Комбайн является мобильной машиной, в случае необходимости .его можно без демонтажа вывести из забоя своим ходом (что невозможно для проходческих щитов). В отличие от проходческих щитов комбайны можно применять в горных выработках, различных по форме и размерам поперечного сечения. Однако отсутствие на проходческих комбайнах передвижной крепи позволяет использовать их лишь в устойчивых забоях.
