硬岩隧道掘进机防尘及滚刀耐磨解决方案
1 简介 刀具磨损和高粉尘是硬岩隧道掘进机掘进时两种常见问题。刀具磨损和损坏主要是由破碎岩石粉末进入滚刀槽及隧道中掉落的岩石块引起的。无水情况下磨损率增加，主要是由于高温以及刀槽中岩石粉无法去除造成的。为解决磨损，粉尘和高温，可以使用化学品。在硬岩隧道掘进机上使用水、水基添加剂或泡沫并不是新的技术，其数据可追溯到1973年或更早。为了解决粉尘或者与其相关的问题，这些方法仍然被采用，或多或少取得成功。
2 现有状况
2.1减少磨损
影响刀具寿命主要有三个因素：刀盘外形，滚刀尖部外形和刀具冶金。随着时间推移，根据测试和经验刀盘设计已经有所改进，通过优化位置和装配以延长刀具寿命。刀尖的宽度选择要保证能够很好的深入岩石且具有足够强度以保证刀尖完整并减少边缘脱落。为解决这个问题使用很多种合金钢和刀具冶金等方法。历史上盘形滚刀刀圈是由优质轴承钢制成的，罗宾斯刀具所用的钢具有特殊的化学成分和强化过程，并且这一过程在逐渐优化以提供更高的强度，同时具有较低的断裂韧性，从而将边缘脱落的可能降到最低。
2.2减少粉尘
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粉尘是岩石隧道的一个固有部分。隧道掘进机一般通过两种方式控制粉尘。首先，在起源上捕获粉尘。其次，通过旋转喷头用水除尘。将旋转喷头平均分配在刀盘表面的喷雾嘴上。随着岩石被切割，水雾也捕获粉尘并通过出渣系统将捕获的粉尘移走。喷水杆也可以安装在粉尘产生区域，如输送带后配套转料区、渣料车装货区。一旦粉尘进入空气中，将被除尘器移走。此外，大型风机将含尘空气通过管道送到位于后方的除尘器。新鲜的空气会向前移动取代被移走的含尘空气。除尘器有湿法除尘器和干式除尘器两种，湿法除尘器利用喷雾捕获并移除含灰尘的空气，干式除尘器是使空气通过滤器进行过滤。两种方式捕获的粉尘被放回到流渣中并从巷道移走。
2.3 以下方法很有益处：
水喷雾：湿润的破碎材料除尘效果更好。对粉尘控制来说足够的湿润是非常重要的，大量粉尘颗粒在破碎过程中并没有进入空气，而是附着在破碎材料表面。破碎材料湿润可以使粉尘颗粒保持附着在其表面。增加更多的水通常会减少粉尘。
泡沫：对粉尘控制而言，泡沫比水更好。与水相比，泡沫可降低粉尘20%～60%。除尘效果类似时，泡沫用水量更少。在皮带转运点上，高倍数泡沫比水喷雾平均提高30%的除尘量，与滚筒上水喷雾相比，长壁采煤机滚筒泡沫降尘量平均增加50%，且只用传统喷雾一半的水量。泡沫缺点是成本高，采矿和矿石加工过程中已应用泡沫除尘。
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3、泡沫的应用
泡沫的有效性很大程度上取决于泡沫产生方式和使用方式。捕获粉尘效率和新耐磨性增加将削弱泡沫高昂的成本缺点。
3.1 隧道掘进机的必备
麦斯特ABR5耐磨添加剂必须像泡沫一样用于刀盘，因此隧道掘进机需要一些修改并且额外添加一些装置。
（1）泡沫系统：泡沫系统是必须的，用以泡沫化耐磨添加剂。就像泡沫系统在土压平衡隧道掘进机上的应用一样，下面的装置必须安装：水（由水升压泵提供），定量泵（以正确的把耐磨添加剂稀释到水里），压缩空气，泡沫枪和每把枪的管理系统。安装在硬岩隧道掘进机上的系统是手动操作的，因手动操作成本低且输出值稳定。
（2）泡沫喷嘴：现有的水喷嘴会破坏泡沫，必须更换。注入泡沫必须通过特殊设计的泡沫喷嘴，并将其安装在刀盘上。
（3）旋转联轴器通常安装的水分流盒不能用于泡沫，只有安装旋转联轴器才能确保输出每个泡沫注入点，这是成功应用耐磨添加剂的一个重要因素。
一般来说，现有的硬岩机型可升级为用防尘和耐磨添加剂的机型。但强烈建议在隧道掘进机的设计阶段研究，尤其是安装旋转接头，这样会大大减少后期升级成本。
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3.2 现场试验结果
600吨麦斯特ABR5泡沫剂用于西班牙瓜达拉马山高速铁路隧道。以下是关于泡沫剂剂使用效益的报道：
（1）刀具磨损的减少：
使用ABR5泡沫剂，磨损减少15%以上，刀具更换减少，停机时间每月减少25～30小时。减少的停机时间可用于额外掘进。且无封锁刀具情况出现。
（2）刀具清洁
在掘进过程使用水时，岩粉会凝聚在盘形滚刀上。会有清洗耗时和阻塞盘形滚刀的风险，且岩石粉与水形成的糊状物会增加磨损。使用ABR5泡沫剂防止岩石粉形成糊状物，使工具保持清洁（如图1）。
图1 粉尘结块区别：左侧用水，右侧用麦斯特ABR5泡沫剂
（3）温度降低
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使用ABR5泡沫剂温度从90～150℃降低至70℃，减少了降温和等待的时间。改善前后环境对比图如下（见图2）
图2. 粉尘和运输的区别：左侧用水，右侧用麦斯特ABR5泡沫剂
（4）水使用量的减少。
当使用ABR5泡沫剂，水量从最初的310L/m3降至50～100L/m3。 （5）粗略估计收益如下：
掘进速度约50mm/min；月掘进率500m ；固定成本约2000欧元/h
用70欧元ABR5泡沫剂情况下，维修和材料成本最少降低50欧元。但耐磨添加剂仍然值得使用，因为减少维护不仅直接影响成本，还节省相当一部分时间。如每月减少15%的停工时间，可额外掘进约80～90米，也就是最终节省大约40欧元。此外，上述效益计算没考虑重要的效益，如尘埃自由环境，更方便和快速更换刀盘（由于温度的降低和刀盘的清洁）。此外，因排放减少，喷洒的水和能量消耗大量减少。因此耐磨添加剂仍然有用。
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3.3 泡沫使用的必要性
安装几个新装置可以提高有效性和方便性：
——数据测量：泡沫系统配备水磁流计量装置、耐磨添加剂和压缩空气。这样可以确保记录数据准确。
——数据显示：水流量、耐磨添加剂和压缩空气显示在定量装置上。具体每个泡沫枪的流值显示在发电机本身。
——远程控制：泡沫系统可以通过安装在司机小屋的远程控制开关来切换。如果再次开启，泡沫系统自动升回最新安装的输出量。此外，远程控制可以尽早发现缺陷。
——泡沫枪：研发一种特殊发泡岩心，以提高耐磨添加剂的质量。泡沫质量对耐磨功效和使用寿命有很大的影响。
4. 总结与展望
以上数据说明全断面硬岩隧道掘进机需要改善三个问题：磨损、温度和粉尘。这已经可以通过传统方式实现，像水喷雾，冶金学和排放的改进，但是使用泡沫可以显著改善以上三个问题。
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