Расчет и проектирование герметических щитов и проходческих комбайнов

Ƚ о р н о е
Ɇ а ш и н о с т р о е н и е
А. Б. Жабин, Ан. В. Поляков, Ал. В. Поляков 
СБТШЖУ Й РСПЖЛУЙСПГБОЙЖ  
ДЖСНЖУЙШЖТЛЙЦ ЪЙУПГ  
Й РСПЦПЕШЖТЛЙЦ ЛПНВБКОПГ 
Учебник
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 

УДК 622.23.054.051:624.191.6 
ББК 33.15+39.112 
Ж12 
Р е ц е н з е н т ы :
доктор технических наук, профессор кафедры техники и технологии  
горного и нефтегазового производства 
Московского политехнического университета В. Г. Мерзляков; 
директор Тульского научно-технического центра ООО «МАШГЕО» 
кандидат технических наук В. Г. Оленников 
Жабин, А. Б. 
Ж12 
Расчет и проектирование герметических щитов и проходческих комбайнов : учебник / А. Б. Жабин, Ан. В. Поляков, Ал. В. Поляков. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 424 с. : ил., табл.  
 ISBN 978-5-9729-0837-0 
Приведены общие сведения о герметических тоннельных щитовых машинах, технологических операциях, особенностях обеспечения безопасности 
рабочего персонала и охраны окружающей среды. Представлены их классификации и области применения, компоновки и конструкции. Даны рекомендации по выбору параметров и типа таких машин для различных горно- 
геологических условий. Рассмотрены закономерности разрушения горных 
пород поворотными резцами, их износостойкость и удельный расход при эксплуатации, технология производства, а также нагруженность рабочих органов проходческих комбайнов избирательного действия. Отмечены тенденции 
и перспективы их развития. Представлены методы и методики расчета и проектирования как герметических тоннельных щитовых машин, так и исполнительных органов комбайнов. 
Для студентов и аспирантов, изучающих горное дело.  
УДК 622.23.054.051:624.191.6 
ББК 33.15+39.112 
ISBN 978-5-9729-0837-0 
” Жабин А. Б., Поляков Ан. В., Поляков Ал. В., 2022 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 

I СБИЕЖМ 
ДЖСНЖУЙШЖТЛЙЖ УПООЖМЭОЬЖ ЪЙУПГЬЖ НБЩЙОЬ
1 

РСЖЕЙТМПГЙЖ 
Лучше ум хорошо устроенный, 
чем ум хорошо наполненный 
(Мишель де Монтень)  
В слабых и неустойчивых обводненных грунтах тоннели строят специальными способами – с применением сжатого воздуха, водопонижения, замораживания или укрепления (глинистыми, цементными или химическими 
растворами) грунтов. Подобные методы требуют очень больших затрат времени и средств, создают экологические проблемы и отражаются на здоровье 
проходчиков. Специальные способы проходки тоннелей в неустойчивых обводненных грунтах и агрессивных средах осуществляются уже много лет. 
Однако принципиально новым решением проблемы, позволяющим осуществлять переход на высокую технологию проходки тоннелей, является создание и использование в таких условиях специальных механизированных 
щитов, имеющих герметичную призабойную зону, в которой в процессе проходки используется активный пригруз, обеспечивающий устойчивость забоя. 
Такой пригруз осуществляется непрерывно в виде давления на забой бентонитовой суспензии, нагнетаемой в призабойную камеру или давления перемешанного в призабойной камере разработанного грунта. Используется 
также пригруз в виде давления сжатого воздуха, нагнетаемого в призабойную 
камеру (кессонирование), который уравновешивает гидростатическое давление и осушает забой. Такое специальное оборудование получило название 
«Герметические тоннельные щитовые машины». 
Выбор вида активного пригруза осуществляется на основе анализа инженерно-геологических условий и технико-экономического сопоставления 
видов пригруза. Например, для гидропригруза требуется сложная сепарационная установка для сбора разработанного грунта и сепарации твердой фракции, а также установки для регенерирования бентонитовой суспензии. С другой стороны, эксплуатация систем гидротранспорта породы в среде тиксотропной суспензии обеспечивает определенные преимущества в отношении 
гигиены труда и безопасности, исключает транспорт грунта в тоннеле.  
В свою очередь, при грунтовом пригрузе забоя, разработанный грунт, поступающий через шнековый транспортер, не требует для своего вывоза специальной обработки, т. е. отпадает надобность в насосных станциях и регенерационной установке. 
4 

РСЖЕЙТМПГЙЖ 
Предлагаемый вниманию читателей настоящий учебник является четвертой книгой из серии «Горное машиностроение» и посвящается основам 
расчета и проектирования проходческих комбайнов и щитов.  
Первая книга этой серии, предметом которой являлись щитовые проходческие комплексы и проходческие щиты для строительства горных выработок различного назначения и формы поперечного сечения, вышло в издательстве «Горная книга» в 2009 году тиражом 2000 экземпляров. Вторая  
и третья книги в виде учебных пособий, посвященные проходческим комбайнам и герметическим щитам, вышли соответственно в 2018 и 2019 гг. в издательстве Тульского государственного университета тиражом в 100 экземпляров каждая и стали библиографической редкостью. 
Эффективная работа угольной промышленности как одно из направлений обеспечения энергетической независимости, может быть обеспече- 
на высоким техническим уровнем средств механизации и автоматизации  
технологических процессов горных работ. Анализ мировых тенденций  
развития угольной промышленности показывает, что одним из направле- 
ний снижения себестоимости добычи полезного ископаемого является  
концентрация горных работ. Это достигается на основе интенсификации процессов подземного производства с использованием современных технологий 
и максимального использования потенциальных возможностей техники за 
счет ее адаптации под горно-геологические и горнотехнические условия 
шахт. 
Комбайновый способ проходки горных выработок является наиболее 
эффективным. Комбайны оснащаются продольно – и поперечно-осевыми 
резцовыми коронками. Темпы продвигания забоев с появлением современных проходческих комбайнов возросли с 70–80 м/мес. до 100–110 м/мес. и 
выше. Анализ перспектив применения высокоэффективных добычных комплексов с объемом добычи 3–6 тыс. т в сутки показывает, что темпы проходки выработок должны быть существенно повышены, что может быть достигнуто только при эффективном использовании потенциальных возможностей проходческой техники. 
Силовой расчет исполнительных органов проходческих комбайнов 
связан с определением их эксплуатационной нагруженности. Такой показатель является приоритетным в сравнении с обоснованием других характеристик комбайна. Это связано с тем, что невысокое качество определения других параметров приводит к снижению эксплуатационных характеристик машины, в то время как ошибки в обеспечении нагруженности исполнитель5 

СБТШЖУ Й РСПЖЛУЙСПГБОЙЖ ДЖСНЖУЙШЖТЛЙЦ ЪЙУПГ Й РСПЦПЕШЖТЛЙЦ ЛПНВБКОПГ
ного органа приводят к его полной неработоспособности. Нагруженность исполнительного органа во многом формируется в результате «внешнего» возмущения – сил резания и подачи на рабочем инструменте, в качестве которого используются поворотные резцы. 
Обработка забоя исполнительным органом проходческого комбайна 
сопровождается непрерывным износом резцов, что ведет к росту удельных 
энергозатрат разрушения забоя (до 2-х раз между заменами резцов). При этом 
снижается теоретическая производительность комбайна, увеличивается длительность разрушения единицы объема горного массива и, как следствие, количество циклов нагружения, что приводит к снижению ресурса машины.  
В основу содержания этого раздела книги положены материалы и результаты 
исследования рабочих процессов в силовых системах проходческих комбайнов избирательного действия, направленные на повышение эффективности 
их использования. 
В первой главе настоящего учебника приведены общие сведения о 
герметических тоннельных щитовых машинах, дана их классификация, описаны конструктивно-компоновочные схемы и область их применения. Отдельно рассмотрены сопутствующие технологические операции щитовой 
проходки, к которым относятся тампонаж заобделочного пространства, блокирующая стабилизация грунтов вокруг щитовой машины, вопросы ее ведения по заданному направлению и контроль за ее работой. Кроме того, в данном разделе описаны особенности обеспечения безопасности рабочего персонала и охраны окружающей среды, даны рекомендации по выбору типа 
тоннельной щитовой машины для различных горно-геологических условий. 
Во второй главе достаточно подробно рассмотрены вопросы выбора 
параметров и проектирования герметических щитовых машин с грунтовым  
и суспензионным пригрузом забоя.  
Третья глава посвящена методам расчета технологических параметров процесса активного пригруза забоя, таких как давления пригруза забоя, 
параметров осадки дневной поверхности, параметров суспензии и грунтового раствора, а также производительности работ. Представлены методики 
расчета основных конструктивных элементов герметических тоннельных 
щитовых машин. 
В четвертой главе рассматриваются виды и цели экспериментальных 
исследований, проводимых при создании новых щитовых машин, и приводится обоснование не только целесообразности, но и необходимости их проведения.  
6 

РСЖЕЙТМПГЙЖ 
Проведенные исследования иллюстрируются примерами изготовления и результатами практического применения новых щитов, созданных на 
основе и с учетом этих исследований, а также даны некоторые обобщающие 
выводы по проведенным исследованиям. 
В пятой главе приведены общие сведения, касающиеся основных закономерностей процесса взаимодействия поворотных резцов с породным 
массивом, описана конструкция и даны сведения о влиянии параметров резцов на силовые характеристики процесса. Здесь же представлен обзор результатов исследований износа резцов и влияния отдельных факторов на интенсивность изнашивания последних. 
Особый интерес, на наш взгляд, представляет шестая глава учебника, 
в которой в методологической последовательности изложены инженерные 
методики расчета эксплуатационной нагруженности трансмиссии исполнительного органа и устойчивого момента двигателя, выбора гидроцилиндров 
подачи и гидронасоса, определения износостойкости и удельного расхода 
резцов и приведены примеры расчета для проходческого комбайна КП-21. 
В седьмой главе изложены методики проверочного расчета проходческого комбайна со стреловидным исполнительным органом, оснащаемым 
продольно- или поперечно-осевой коронками. Отметим, что проверочный 
расчет заключается в построении схем стружкообразования, дающих качественный анализ работы резцов коронки, и в определении производительности комбайна - завершающего этапа проектировочного расчета исполнительного органа комбайна. 
Общие сведения о технологии производства тангенциальных поворотных резцов и расчета временных показателей основных операций их производства представлены в восьмой главе. 
В девятой главе кратко изложены перспективы и основные направления совершенствования рабочего инструмента и исполнительных органов 
проходческих комбайнов. 
Особенностью настоящего учебника является то, что после каждого 
раздела книги приводится по десять контрольных вопросов, правильные ответы на которые позволяют закрепить изученный материал и помочь сложить 
целостное представление о современной горнопроходческой технике и методах ее расчета и проектирования.  
В приложении авторы сочли возможным представить сведения о конструктивном исполнении серийных поворотных резцов ведущих отечествен7 

СБТШЖУ Й РСПЖЛУЙСПГБОЙЖ ДЖСНЖУЙШЖТЛЙЦ ЪЙУПГ Й РСПЦПЕШЖТЛЙЦ ЛПНВБКОПГ
ных фирм-производителей. Эти данные могут быть использованы для силового расчета исполнительных органов комбайнов при оснащении их резцами 
различных типоразмеров и для различных горно-геологических условий применения одного и того же комбайна. 
Учебник предназначен для студентов старших курсов, обучающихся 
по специальности 21.05.04 – «Горное дело», специализация – «Горные машины и оборудование» при изучении ими дисциплин «Горные машины  
и оборудование», «Расчет и проектирование горных машин и комплексов»  
и «Разрушение углей и горных пород», а также может быть использован при 
курсовом и дипломном проектировании. 
Авторы выражают глубокую признательность рецензентам: 
x доктору технических наук, профессору кафедры техники и технологии горного и нефтегазового производства Московского политехнического университета Виктору Георгиевичу Мерзлякову;
x кандидату технических наук, директору Тульского научно-технического центра ООО «МАШГЕО» Владимиру Григорьевичу Оленникову, взявшими на себя труд прочитать рукопись и сделать ряд
ценных замечаний по ее методическому совершенствованию.
8 

ПВЪЙЖ ТГЖЕЖОЙа П ДЖСНЖУЙШЖТЛЙЦ  
УПООЖМЭОЬЦ ЪЙУПГЬЦ НБЩЙОБЦ 
1 
1.1. Ужснйоь й прсжежмжойё 
Конструкция герметических тоннельных щитовых машин и их специфические особенности достаточно разнообразны. Тем не менее, в сфере 
строительства тоннелей щитовым способом и разработки соответствующего щитового оборудования сложилась своя терминология, которой все 
придерживаются. И прежде чем переходить к рассмотрению конструкции и 
методов расчета и проектирования герметических щитовых машин остановимся на основных терминах и определениях. 
Прежде всего, скажем о некой несуразице, случившейся в стройных 
рядах российских, и не только, тоннелестроителей. 
Общеупотребительной стала аббревиатура ТПМК – тоннелепроходческий механизированный комплекс. Она проникла в деловую переписку, 
техническую документацию, нормативные документы и, конечно, в научные диссертации. 
Обозначают ею механизированные проходческие комплексы с роторным исполнительным органом. 
Аббревиатура эта, во-первых, совершенно не информативна и, вовторых, понятие «тоннелепроходческий комплекс» никак нельзя отнести к 
механизированному проходческому щиту, который, к сожалению, мы сегодня именуем «ТПМК». 
Ведь даже если принять, что аббревиатурой этой обозначается механизированный проходческий щит (или, как сейчас принято говорить, комплекс) то из ее содержания совершенно неясен принцип механизированной 
разработки породы в забое. Общеупотрибительные в практике тоннелестроения обороты типа «ТПМК София» или «ТПМК Херренкнехт» не несут никакой информации об этом проходческом щите. Совершенно неясен тип исполнительного органа для разработки забоя. Это может быть и проходческий щит с роторным или планетарным рабочим органом для крепких 
устойчивых пород, и щит с грунтовым или шламовым пригрузом. 
С другой стороны, мы знаем механизированные (имеется в виду механизированная разработка забоя, в отличие от ручной на ранних щитах) 
9 

СБТШЖУ Й РСПЖЛУЙСПГБОЙЖ ДЖСНЖУЙШЖТЛЙЦ ЪЙУПГ Й РСПЦПЕШЖТЛЙЦ ЛПНВБКОПГ
проходческие щиты, где разработка породы ведется вовсе не роторным исполнительным органом, а челюстными погрузчиками. Например, советский 
щит, работавший на перегоне «Волгоградский проспект» – «Крестьянская 
Застава» Московского метрополитена. Или стреловидный исполнительный 
орган, как, например, в щитах английской фирмы «Маркхэм» и других производителей. 
Перечисленные машины также являются ТПМК, если следовать принятой у нас в настоящее время терминологии. Однако никому в голову не 
приходит так их назвать. 
В нормативной и технической литературе существует определенная 
неразбериха и противоречивость в определении понятия «проходческий 
комплекс». 
«Горная Энциклопедия» разъясняет, что «проходческий комплекс» 
оборудования – система горных машин, обеспечивающая механизацию всех 
основных операций процесса проведения горных выработок, включая разрушение массива, погрузку, транспортировку горной массы и крепление выработок. 
И далее, там же: «Проходческие комплексы оборудования… основываются на технологически и кинематически взаимоувязанной системе горных машин, смонтированных на единой базе» или «… на технологически 
взаимоувязанной системе автономно работающих горных машин». 
С другой стороны, сегодняшний законодатель в строительной отрасли – «СТО НОСТРОЙ» – определяет ТПМК как «комплект механизмов 
и устройств для разработки и выдачи грунта, крепления забоя, возведения 
обделки и нагнетания тампонажного раствора за обделку». 
В другом, своем же, нормативном документе для «СТО НОСТРОЙ» 
ТПМК – это уже «комплект механизмов и устройств, осуществляющих во 
взаимосвязи и взаимодействии все этапы работ – (курсив авторов), связанных с разработкой грунта, креплением забоя, уборкой грунта и возведением 
обделки». 
Если первые определения в полной мере можно отнести к сегодняшней практике применения понятия ТПМК, то второе определение представляется нам единственно правильным, хотя и неполным. 
Скажем иначе: комплекс оборудования – это определенный набор автономно работающих машин, выполняющих совместно определенную последовательность работ, результатом которых становится конечный продукт. В нашем случае – конструкция тоннеля. 
10