Основним засобом механізації гірничих робіт і захисту забою від обвалення порід на весь прохідницький цикл - від розробки породи до зведення оброблення - є щити. Прохідницький щит - це рухлива сталева кріплення у вигляді порожнього сталевого циліндра, що лежить горизонтально впритул до забою. Форма щита повторює форму споруджується оброблення.
Основні частини щита (рис. 45) -ножевое 2 і опорна 1 кільця (в деяких конструкціях встановлено єдине ножеопорное кільце) і оболонка 9, в межах якої монтують збірну оброблення. Після розробки породи, що знаходиться перед ножовим кільцем, щит при пбмощі щитових гідроциліндрів 10, що спираються на останнє кільце оброблення тунелю, просувають вперед, в простір, що звільнився від породи. Після цього штоки гідроциліндрів прибирають і в оболонці щита монтують чергове кільце оброблення. Породу забою кріплять щитами з дощок, які притискають забійними гидроцилиндрами 7.
В межах опорного і ножового кілець внутрішній простір щита розділене: горизонтальними перегородками 5 на яруси і вертикальними перегородками 3 на осередки. Горизонтальні перегородки мають висувні платформи 4, переміщення яких забезпечують спеціальні платформні гідроциліндри. (В технічній літературі минулих років видання щитові, забійні і платформні гідроциліндри названі гідравлічними домкратами, або гідродомкратами.)
Опорна і ножове кільця щита збирають із сталевих елементів-сегментів, поєднуючи їх болтами подібно тюбінгів при складанні кільця оброблення. Оболонку щита збирають із сталевих листів, вигнутих по циліндричній поверхні. Листи з'єднують між собою, а також з опорним кільцем за допомогою болтів з потайною головкою.
Прохідницькі щити поділяють за такими основними ознаками:
за площею поперечного перерізу прохідною вироблення - на щити малого діаметра (до 3200 мм), середнього діаметра (до 5200 мм) і великого діаметра (понад 5200 мм);
за ступенем механізації основних виробничих процесів- на щити частково механізовані і механізовані. У щитах першого типу розробку забою ведуть вручну або вибуховим способом, а навантаження і транспортування породи, зведення оброблення та пересування щита механізовані, в щитах другого типу все основні процеси механізовані;
по області застосування щити поділяють на призначені для проходки в обводнених ґрунтах, для проходки в сипучих і малостійких грунтах природної вологості, для проходки в грунтах з коефіцієнтом фортеці від 0,5 до 5 і для проходки в грунтах з коефіцієнтом фортеці більше 5.
Мал. 45. Частково механізований прохідницький щит:
1 - опорне кільце; 2 - ножове кільце; 3 - вертикальна перегородка; 4 - висувна платформа; 5 - горизонтальна перегородка; 6 - гідравлічна система; 7 - забійний гідроциліндр; 8 - накладка; 9 - оболонка щита; 10 - щитової гідроциліндр; 11 - опорна п'ята
Мал. 46. Механізований прохідницький комплекс
Прохідницькі щити оснащують механізмами для завантаження розробленого грунту на конвеєр (транспортер) або безпосередньо в вагонетки. У частково механізованих щитах навантаження грунту в вагонетки ведуть за допомогою вантажної машини, в щитах малого діаметра - вручну. У механізованих щитах навантажувальні органи мають різне виконання.
Сучасні щитові комплекси забезпечують виконання процесів по розробці і кріпленню чола забою, навантаження і видалення ґрунту за межі комплексу, зведення тунельних обробок, нагнітання розчину в заобделочном простір і т. Д.
Комплекси, в яких досягнуто повна механізація прохідницьких робіт, називають механізованими комплексами (рис. 46), В таких комплексах щит 2 має робочий орган / для розробки і навантаження породи, конвеєр 3 для видачі породи за межі щита. Слідом за щитом в сцепе з ним встановлений укладальник оброблення 4, тунельний конвеєр 5 і інше технологічне обладнання. При проходці в нестійких породах робочий орган (виконавчий) щита поряд з розробкою породи забезпечує підтримку чола забою від обвалення.
За принципом дії розрізняють три групи робочих органів:
безперервної дії, якщо розробка грунту відбувається одночасно по всій площі вибою (наприклад, робочий орган роторного типу);
циклічної дії, якщо розробка грунту відбувається в окремі відрізки часу в окремих ділянках забою (наприклад, робочий орган екскаваторного типу);
комбіновано дії, коли поєднуються хоча б по одному з двох типів робочих органів (наприклад, екскаваторного типу з горизонтальними розсікають майданчиками).
Роторні робочі органи можуть бути з плоскою або гвинтовий планшайбою (рис. 47, а) зі щілинами для виходу грунту або променевого типу (рис. 47,6). Ці органи в залежності від міцності порід оснащують пластинчастими або стрижневими різцями, шарошками і іншим інструментом. При обертанні ріжучий інструмент врізається в грунт і руйнує його.
Щит може бути оснащений змінними в залежності від міцності порід робочими органами: екскаваторним робочим органом (рис. 47, в) для роботи в супісках, суглинках, глинах; стріловим виконавчим органом з різцевої коронкою (рис. 47, г) для роботи в твердих глинах, вапняках, пісковиках.
Горизонтальні розсікають перегородки (площадки) робочого органу дозволяють працювати в пісках, насипних грунтах. На горизонтальних перегородках при впровадженні їх в забій утворюються осипи ґрунту під кутом природного укосу, що забезпечують стійкість забою (т. Е. Виконують функції тимчасового кріплення).
За допомогою механізованих комплексів, крім звичайних збірних обробок, споруджують також монолітно-пресовані і збірні обтискуються в породу оброблення. Монолітно-пресовані оброблення утворюються при ущільненні бетонної суміші зусиллями щитових гідроциліндрів при впровадженні щита в забій. Після монтажу в хвостовій частині щита черговий секції опалубки і нагнітання за неї бетонної суміші щит просувають вперед, при цьому під тиском гідроциліндрів суміш в опалубці ущільнюється і безпосередньо за щитом залишається готова бетонна оброблення. Особливість збірних залізобетонних обробок кругового обриси, обтиснених в навколишній породний масив, полягає в тому, що відразу ж після їх монтажу кільця оброблення притискають до контуру виробки і оброблення негайно вступає в роботу, запобігаючи розвитку гірського тиску і просадки земної поверхні.
Мал. 47. Схеми робочих органів механізованих прохідницьких щитів:
а-роторний з гвинтовою планшайбою; б - роторний променевого типу; в - екскаваторного типу; г - фрезерного типу
Мал. 48. Прохідницький комбайн 4ПП-2
Щити в процесі проходки набувають крен (повертаються навколо осі). Для запобігання крену в щитах служать елерони (металеві пластини), які встановлюють в спеціальні щілини в сегментах опорного (ножеопорного) кільця і висувають за допомогою гідроциліндрів за межі корпусу щита. Для можливості ведення щита на кривих ділянках траси тунелю необхідно робити одностороннє розширення перерізу виробки. З цією метою на робочому органі щита встановлюють висувною копір-різець (копір-шарошку). Управляє копір-різцем за допомогою гідравлічного механізму машиніст щита зі свого робочого місця.
Для визначення і контролю положення щита в плані і профілі застосовують лазерні прилади. Прилад кріплять до обделке так, щоб лазерний промінь був спрямований паралельно осі тунелю і знаходився нижче склепіння на 1-1,2 м. Для додання променю потрібного напрямку в плані і для контролю стійкості променя застосовують не менше двох схилів, а в профілі - не менше двох горизонтальних ниток (використовують капронову волосінь). У міру віддалення щита від лазерного приладу через кожні 100-150 м закріплюють нові схили і нитки.
Для герметизації будівельного зазору і додання кільцям правильного геометричного обрису в щитах встановлюють пневматичну торів пристрій.
Прохідницький комбайн (рис. 48) являє собою самохідну машину на гусеничному ходу 3. Робочими органами комбайнів служать телескопічні стріли 2 з різцьовим конічними коронками 1. Навантаження розробленої породи за допомогою спарених лап 4 нагортають типу поєднана з роботою робочого органу. Комбайн є мобільною машиною, в разі необхідності .его можна без демонтажу вивести із забою своїм ходом (що неможливо для прохідницьких щитів). На відміну від прохідницьких щитів комбайни можна застосовувати в гірських виробках, різних за формою і розмірами поперечного перерізу. Однак відсутність на прохідницьких комбайнах пересувний кріплення дозволяє використовувати їх лише в стійких забоях.