荊國業(yè)，韓 博，劉志強

(1.煤炭科學(xué)研究總院 建井研究分院，北京 100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；3.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實驗室，北京 100013)

井筒是礦井建設(shè)的“咽喉”工程，工程量不大但工期較長[1]。我國鑿井技術(shù)發(fā)展可以劃分為立井井筒施工技術(shù)初步發(fā)展、立井機械化配套科研攻關(guān)、立井短段掘砌混合作業(yè)施工以及千米深井機械化鑿井施工等4個階段[2]。目前井筒施工以鉆眼爆破普通法鑿井為主，具有設(shè)備簡單、成本低、故障率低、維修方便等優(yōu)點，但各道工序均需要人員在淋水、低溫、潮濕的艱苦環(huán)境中作業(yè)，受到高強度噪聲、粉塵污染等職業(yè)傷害，面臨井筒突水、煤層瓦斯突出、塌方、落物等安全事故的風(fēng)險較大。

我國大型煤礦井工開采向西部和深部發(fā)展，井筒直徑和深度不斷增大，地層與含水條件更加復(fù)雜，礦井建設(shè)難度增大。我國礦山開采深度已達到1500m，國外開采深度甚至超過了3000m。在深井建設(shè)過程中存在著效率、安全、成本等問題。立井開拓還將是主要方式，但需要在井筒鉆進工藝、技術(shù)和裝備等方面取得進展和突破，使地下空間開發(fā)向機械化、自動化、智能化方向發(fā)展[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)與裝備制造的快速發(fā)展，井巷工程掘進更多使用機械破巖方式鉆進，替代人工井下鉆爆破巖方式鑿井。鉆井法鑿井的最大鉆井深度達到660m，最大鉆井直徑達到10.8m；反井鉆機鑿井法的最大鉆井深度達到562m，最大擴孔直徑達到5.3m；掘進機鑿井法，已研制出鉆井直徑5.8m有導(dǎo)井的豎井掘進機[4，5]。平巷施工，煤巷實現(xiàn)了全斷面快速掘進、掘支運平行作業(yè)、遠距離監(jiān)控操作、輔助作業(yè)機械化(部分)掘進系統(tǒng)[6-8]；巖巷?5m和?3.2m全斷面掘進機，已在煤礦成功應(yīng)用[9]。標(biāo)志著我國巷道全斷面掘進技術(shù)已經(jīng)初步實現(xiàn)了機械化，但豎井全斷面掘進還需要進一步開發(fā)并予以實施。

1 井筒機械化鉆進技術(shù)分析

井筒機械化鉆進方法主要有：①采用豎井鉆機鉆進形成井筒的鉆井法；②采用反井鉆機經(jīng)過正向?qū)Э缀头聪驍U孔鉆進形成井筒的反井鉆井法；③利用豎井掘進機一次全斷面鉆進形成井筒的掘進機鉆井法。以上3種鑿井方法均以可控的機械破巖代替爆破破巖，是井筒施工技術(shù)的主要發(fā)展方向。

1.1 鉆井法鑿井技術(shù)

鉆井法鑿井適用于含水沖積層軟巖井筒，實現(xiàn)了“打井不下井”的施工工藝，具有安全性高等優(yōu)點[10，11]。包括：鉆井工藝、豎井鉆機、破巖刀具、預(yù)制井壁和壁后填充、鉆井泥漿等技術(shù)與裝備。通過直徑7m井筒的“一鉆成井”和直徑9m井筒的“一擴成井”快速鑿井關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，有效提高了鉆井法成井速度，但月成井速度仍達不到40m，綜合成井速度較低，井筒施工深度有限，而且對于堅硬基巖并不適用[12]。

1.2 反井鉆井鑿井技術(shù)

反井法鑿井采用反向破巖方式，巖渣依靠自重下落，鉆進速度快、效率高。根據(jù)煤礦、金屬礦山、水電、交通隧道的井筒工程圍巖特點，通過大型反井鉆機研制、導(dǎo)孔鉆進軌跡控制技術(shù)等，形成適用于不同類型的反井鉆井工藝與裝備[13，14]。BMC系列反井鉆機可以實現(xiàn)鉆孔直徑5m、鉆井深度600m井筒的施工[15]。反井鉆井法尚需研究和解決的問題有[16-18]：①偏斜控制，不能實現(xiàn)導(dǎo)孔出露點偏移和導(dǎo)孔平直順滑的有效控制；②井幫穩(wěn)定性，不能實現(xiàn)隨擴孔鉆進對井幫進行支護處理；③需要下部具有巷道。

因此，需要研究另一種機械化鑿井方法—豎井掘進機鑿井技術(shù)。

1.3 豎井掘進機鑿井技術(shù)

豎井掘進機一種能夠?qū)崿F(xiàn)在空間和時間上掘進和支護平行作業(yè)的綜合機械化裝備，可以使井筒機械化施工速度達到月成井100～200m水平，與普通法施工速度相當(dāng)[19]。

根據(jù)鑿井工藝與裝備，分為：采用掘進機直接破巖鉆進，排渣，并進行支護，使用液力排渣的上排渣方式的全斷面掘進機；或采用反井鉆機鉆進導(dǎo)井作為溜矸孔，掘進機擴鉆成井，并進行支護，使用導(dǎo)孔排渣的下排渣方式的部分斷面掘進機。豎井掘進機系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)掘進破巖、排渣、井壁支護同時作業(yè)，互不干擾，并可以大幅減少井下作業(yè)人員，加快鑿井速度，縮短工期，降低成本。

2 部分斷面豎井掘進機鑿井工藝與裝備

根據(jù)我國井筒工程特點，在豎井鉆井、反井鉆井和普通鑿井已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，筆者團隊研究了適合豎井掘進機掘進的鑿井工藝，并研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的有導(dǎo)孔的下排渣礦山豎井掘進機。攻克了大直徑井筒破巖滾刀在鉆頭的合理布置、巖石與滾刀適應(yīng)關(guān)系、移步式推進方式、掘進方向智能控制等技術(shù)難題，為我國礦山豎井非爆破鑿井的機械化、自動化、智能化奠定基礎(chǔ)，填補我國在礦山豎井掘進機的空白，使井筒建設(shè)向綜合化、機械化、自動化方向發(fā)展。

2.1 豎井掘進機鑿井工藝

根據(jù)豎井工程和掘進機特點，豎井掘進機鑿井工藝，主要包括[20]：

1)導(dǎo)井鉆進。采用BMC系列反井鉆機完成直徑1.2～1.8m的溜渣導(dǎo)井鉆進，用于豎井掘進機鑿井時的溜渣、排水、通風(fēng)等。

2)鎖口施工。安裝地面鑿井裝備、組裝豎井掘進機和吊盤。

3)掘進、排渣與支護。利用滾刀進行破巖，破碎巖渣沿井底錐形面滑落至導(dǎo)井，由下部運輸設(shè)備裝運。根據(jù)井筒類型，選擇錨桿、掛網(wǎng)和噴漿作為支護，或整體模板澆筑混凝土井壁作為支護。

4)掘進機拆卸及輔助設(shè)施安裝。掘進完成后，先提出并拆除吊盤，并拆除鉆頭擴展部分，再將豎井掘進機整體提出地面，最后進行井筒提升、通風(fēng)、管道等設(shè)施的裝配工作。

采用反井鉆機、豎井掘進機、新型井架、專用吊盤等設(shè)備，實現(xiàn)鑿井過程中的破巖、排渣、臨時支護、永久支護及鑿井輔助工作，形成部分斷面豎井掘進機鑿井工藝，如圖1所示。

圖1 豎井掘進機鑿井工藝

2.2 部分斷面豎井掘進機組成

部分斷面豎井掘進機主要包括鉆井裝備和輔助裝備兩部分[21，22]。

掘進機鉆井裝備由鉆頭結(jié)構(gòu)、主機系統(tǒng)(支撐裝置、推進裝置、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)[23]、導(dǎo)向糾偏系統(tǒng)[24]等組成；掘進機輔助裝備由提絞系統(tǒng)、支護系統(tǒng)等組成。

下排渣式部分斷面豎井掘進機，主要針對地質(zhì)條件較好、巖石穩(wěn)定或經(jīng)地層改性后穩(wěn)定的地層，且具有下部巷道的礦山井筒工程。如水電工程、隧道工程的通風(fēng)井筒，以及其他地下工程的進出口和聯(lián)絡(luò)通道等。目前，已完成樣機研制及廠內(nèi)調(diào)試，正在云南以里河四級水電站進行工業(yè)性試驗與應(yīng)用，為上排渣式全斷面豎井掘進機研制積累經(jīng)驗。

3 全斷面豎井掘進機鑿井關(guān)鍵技術(shù)

全斷面豎井掘進機，利用機-電-液系統(tǒng)功能，進行高效破巖、上排渣、姿態(tài)控制自動鉆進、井幫同步支護，實現(xiàn)在沒有下部工作條件的巖石地層中精準(zhǔn)鉆鑿井筒，是用于地下工程井筒施工的技術(shù)密集型裝備。具有機械化程度高、無需爆破作業(yè)、井下人員少、成井質(zhì)量好、安全性高等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)井筒機械化施工時下部掘進、排渣與上部支護平行作業(yè)的全套技術(shù)，是礦山豎井建設(shè)的發(fā)展方向。

全斷面豎井掘進機的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在歐美等少數(shù)發(fā)達國家，如德國海瑞克公司和美國羅賓斯公司。新型豎井掘進機主要有切削破巖的下沉式豎井掘進機(VSM)和滾壓破巖的撐靴式豎井掘進機(SBM)兩種。北京中煤礦山工程有限公司在“十二五”期間研制出需要導(dǎo)井的部分斷面豎井掘進機。目前國內(nèi)尚無關(guān)于全斷面豎井掘進機的研究資料及工程應(yīng)用。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)難點

全斷面豎井掘進機鑿井技術(shù)開發(fā)，需要綜合考慮深部地層地應(yīng)力，超前地質(zhì)預(yù)報體系，刀具破巖效率，巖渣排出效果，提升和支護失效等因素。

1)豎井掘進機鑿井全過程均受到工程地質(zhì)條件的影響，對適用條件的研究是能夠采用豎井掘進機鑿井的前提條件。

2)豎井掘進機依靠靴板與井幫的支撐力提供鉆壓與扭矩，對臨時暴露井幫穩(wěn)定性的分析研究是豎井掘進機能否順利通過破碎地層的關(guān)鍵。

3)破巖、排渣與支護是豎井掘進機鑿井的三個重要工序，對具有相互制約關(guān)系的三者實現(xiàn)有機結(jié)合的研究是豎井掘進機鑿井工藝的核心。

4)井筒內(nèi)經(jīng)常需要安裝提升系統(tǒng)等設(shè)施，如果井筒偏斜會造成罐道沖擊等安全隱患，因此井筒鉆進方向的偏斜控制是豎井掘進機鑿井成敗的關(guān)鍵。

3.2 全斷面豎井掘進機鑿井工藝與裝備研究方向

3.2.1 全斷面豎井掘進機地質(zhì)適應(yīng)性研究

豎井掘進機掘進至千米后，地層應(yīng)力顯著增加，巖石塑性明顯呈現(xiàn)，水壓、地溫隨之升高，需要具備施工全過程的綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系?；趲r石本構(gòu)關(guān)系和流變特性等，建立井幫穩(wěn)定流變力學(xué)模型，研究豎井掘進機鑿井井幫卸荷規(guī)律，利用圍巖與支護體協(xié)同作用，選擇合適的支護形式與支護方法。

3.2.2 深地高效機械破巖機理、刀具及空間結(jié)構(gòu)布置研究

深部微擾動、高塑性巖層機械破巖機理尚不明確，研究深部條件下滾壓破巖機理，通過開發(fā)新型破巖滾刀及破巖滾刀在鉆頭體上的合理布置實現(xiàn)高效破巖，提高破巖效率。

3.2.3 高效清理及時排渣技術(shù)研究

上排渣是利用機械或循環(huán)液體將滾刀破碎的巖渣向上輸送。研究適用于全斷面豎井掘進機井底巖渣高效清理和及時排出技術(shù)，減少滾刀對巖渣的重復(fù)破碎，實現(xiàn)工作面高效破巖。

3.2.4 井幫安全控制及支護技術(shù)研究

不同于豎井鉆機、反井鉆機等傳統(tǒng)機械施工井筒方法采用的鉆掘完成后支護，掘進機鑿井時掘進與支護在井筒內(nèi)平行作業(yè)，井幫支護的及時性和有效性，既是安全鉆井的必要條件，也是高效鉆井制約因素。研制豎井掘進機后部多功能輔助工作盤，實現(xiàn)臨時支護和永久井壁的統(tǒng)一，不但能夠提高支護效率，而且能夠提高井筒內(nèi)的安全級別。

3.2.5 系統(tǒng)提升技術(shù)研究

掘進機及相關(guān)配套重量達到300t，最大單件重量超過50t，在掘進至井筒深部時，對于提升系統(tǒng)的要求極高、難度極大。研究掘進時破碎巖渣、支護時各種物料、以及風(fēng)、水、電等管路的安全高效提升，是實現(xiàn)全斷面豎井掘進機鑿井的必要條件。

3.2.6 豎井掘進機主機裝備研究

研究結(jié)構(gòu)緊湊的主機系統(tǒng)，主要包括鉆頭驅(qū)動系統(tǒng)、支撐推進系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)備工作原理和施工工況要求，進行主機結(jié)構(gòu)設(shè)計，開展軸承、密封等關(guān)鍵零部件選型、排渣系統(tǒng)在主機上的優(yōu)化設(shè)計，形成緊湊型主機系統(tǒng)總體方案；研發(fā)適用于井下強沖擊、重載荷條件下的動力傳動方式、多油缸同步推進方式、能夠適應(yīng)破碎地層的支撐靴板、裸露井幫臨時護壁的護盾，實現(xiàn)支護前的邁步式安全鉆進。

3.2.7 豎井掘進機智能監(jiān)測控制系統(tǒng)研究

開發(fā)多電機剛性連接的同步驅(qū)動控制技術(shù)、支撐推進電液協(xié)調(diào)控制技術(shù)和地面遠程監(jiān)控技術(shù)。研發(fā)破巖與排渣匹配控制系統(tǒng)、掘進機姿態(tài)高精度實時顯示系統(tǒng)、掘進機核心部件工作狀態(tài)與使用壽命預(yù)警系統(tǒng)、井下作業(yè)環(huán)境音視頻感知系統(tǒng)等，確保在千米深井高溫度、高濕度和高震動沖擊條件下視頻信號、傳感器參數(shù)精準(zhǔn)監(jiān)測和控制數(shù)據(jù)實時穩(wěn)定可靠傳輸，解決設(shè)備控制與遠程控制的融合，實現(xiàn)豎井掘進機鑿井工作面智能化、無人化。

3.2.8 豎井掘進機定向鉆進系統(tǒng)研究

研究豎井掘進機激光導(dǎo)向和姿態(tài)調(diào)控相結(jié)合的定向鉆進技術(shù)。開發(fā)激光指向儀、光電位移傳感器和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相配合的掘進機軸線偏斜測量系統(tǒng)，實時監(jiān)測豎井掘進機的鉆進狀態(tài)。充分利用豎井掘進機支撐推進系統(tǒng)特點，建立豎井掘進機偏斜狀態(tài)下的糾偏控制模型，根據(jù)地質(zhì)條件智能調(diào)整鉆進方向。

3.2.9 全斷面豎井掘進機鑿井工業(yè)性試驗

研究豎井掘進機入井與撤出技術(shù)；開展全斷面豎井掘進機鑿井工業(yè)性試驗，完成一口井的掘進施工，檢驗理論研究、鉆頭結(jié)構(gòu)、上排渣方式、提吊系統(tǒng)和支護系統(tǒng)的合理性，改進、完善研究成果，達到推廣應(yīng)用目的。

4 結(jié) 論

機械化、智能化、無人化是礦井建設(shè)尤其是深井建設(shè)的發(fā)展方向。以機械破巖為核心的豎井鉆機、反井鉆機、掘進機鑿井法，具有各自的適用性和局限性，需要根據(jù)不同工程條件、地質(zhì)條件采用不同的機械化鑿井方法。在機械破巖逐步取代爆破破巖成為井筒掘進所采用的主要方法基礎(chǔ)上，進一步研究豎井綜合機械化破巖、掘進支護一體化的工藝、技術(shù)與裝備，是實現(xiàn)安全高效建井的保障。

通過全斷面豎井掘進機關(guān)鍵理論、技術(shù)及裝備研究，攻克破碎地層對掘進機施工安全效率影響的難題，形成掘進、排渣、支護相結(jié)合鑿井新工藝，提高和擴大豎井掘進機鑿井的競爭力和應(yīng)用范圍，滿足我國大直徑深井筒建設(shè)的需要，填補我國全斷面豎井掘進機施工領(lǐng)域的空白。在提高井筒機械化掘進裝備研發(fā)實力的同時，也可帶動相關(guān)裝備制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展；為煤礦等資源的深部開采提供裝備保障，為科學(xué)鉆井和深地科學(xué)研究提供科技支撐。