譚 杰 劉志強 宋朝陽 劉全輝 龍志陽 寧方波

（1.北京中煤礦山工程有限公司，北京100013；2.煤礦深井建設技術國家工程實驗室，北京100013；3.陜西延長石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司，陜西榆林719000）

礦產資源開發(fā)是國家產業(yè)和國民經濟發(fā)展的重要基礎支撐和有力保障。目前，我國礦產品產量快速增長，截至2019年礦業(yè)產值占我國GDP的比例達到7%，為國家經濟社會發(fā)展提供了80%的原材料和95%的能源資源，在礦產品的生產和貿易方面均達到了世界第一［1］。然而，隨著對我國礦產資源的持續(xù)開發(fā)，淺部資源已逐漸趨向枯竭，資源開發(fā)不斷走向地球深部［2］。2016年習近平總書記在全國科技創(chuàng)新大會上指出“向地球深部進軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題”。

礦山豎井工程是礦山建設的重要組成部分，也是保障礦山資源安全與高效開發(fā)整個產業(yè)鏈的首要和關鍵工程。目前，礦山智能化建設技術已成為地下資源開發(fā)領域的重大戰(zhàn)略方向，是推動行業(yè)轉型升級和高質量發(fā)展的核心技術支撐［3］。其中，智能建井是我國礦山豎井發(fā)展的目標和愿景，隨著我國礦產資源需求量和開采深度不斷增加，豎井作為立井開拓方式的主要工程必將面對更加復雜的地質和工程難題，如深部復雜地質構造、高地應力、高地溫和高水壓等多場多相的地質難題［4］，以及深大直徑井筒的破巖掘進、圍巖支護、排渣、提升、降溫、堵水、防爆、防沖等工程難題。本研究梳理了我國千米級礦山豎井鑿井工程的發(fā)展歷程與總體現狀，綜述了深孔爆破、排渣、提升、井壁支護等鉆爆法鑿井技術與工藝的發(fā)展現狀，以及機械破巖鉆井裝備與技術的發(fā)展現狀，凝練了我國礦山深豎井建設工程面臨的主要挑戰(zhàn)與發(fā)展方向。

1 我國礦山豎井工程總體概況

深部礦山豎井是保障深部資源安全提升的重要構筑物，為深部資源開發(fā)提供了重要技術支撐和安全保障，同時，資源開采深度和開采量需求的增加倒逼深井建設技術的發(fā)展與進步［5］。

1.1 礦產資源開采深度

目前，無論是金屬礦山還是煤礦的開采深度均已突破埋深1 500 m，進入埋深1 500～2 000 m的深部開采階段［6-7］。根據對國內煤礦和金屬礦山大量相關文獻和資料的不完全統(tǒng)計，我國千米級開采深度礦山統(tǒng)計結果如圖1所示。

金屬礦山以山東三山島西嶺礦區(qū)為例，是目前已在1 600～2 000 m深處探明儲量達550 t的超大型金礦。根據礦體成因特點，未來隨著勘探技術和裝備的發(fā)展，我國在2 000～5 000 m的深部仍然有存在大型金屬礦床的可能［8］。根據相關統(tǒng)計結果，金屬礦開采最深的為河南省靈寶市崟鑫金礦，開采深度達到1 600 m，另有夾皮溝金礦、六苴銅礦、秦嶺金礦、紅透山銅礦、大紅山鐵礦、會澤鉛鋅礦等十余座礦井開采深度超過了1 300 m。

煤炭作為我國的主體能源，煤炭資源在埋深2 000 m以淺的儲量達到5.9萬億t，其中埋深超過1 000 m的占50%以上［4］；我國千米以深的豎井中井深集中在1 000～1 299 m的礦井約占91.48%，平均采深1 086 m，開采深度最深的是新汶礦業(yè)集團孫村煤礦，開采深度達到了1 501 m，另有華豐煤礦、孔莊煤礦、張集煤礦、星村煤礦、夾河煤礦、張小樓煤礦、八寶煤礦、趙各莊煤礦、梁寶寺二號礦等十余座礦井開采深度超過了1 200 m［8-10］。因此，隨著淺部資源日益減少，深部礦產資源開采已成為資源供給的重要保障和支撐，地下礦產資源開發(fā)已經正式進入深地開采階段。

1.2 豎井鑿井深度

根據對國內煤礦、金屬礦山建設情況和大量文獻的不完全統(tǒng)計，我國1970—2020年間建設的千米級豎井深度與建設年份的對應關系如圖2所示。

由圖2可以看出：井筒深度從900 m到突破1200 m歷時近40 a的時間，而從1 200 m到1 600 m，僅用了10年時間；此外，在2005—2015年的10 a間，井筒深度在900～1 200 m范圍內的豎井建設數量明顯增加；2012年后，以鉆爆法作為深井鑿井的主要技術與工藝，集中開發(fā)建設了一批1 500 m級深井，如建成了遼寧思山嶺鐵礦深度分別為1 505 m和1 503.9 m的主井和副井、云南會澤鉛鋅礦深度為1 526 m的3號豎井、山東黃金新城金礦深度為1 527 m的新主井［7-8］，在建的有中國黃金紗嶺金礦設計井深1 600.2 m和1 560.37 m的主井和副井。根據發(fā)展需求和深井建設規(guī)劃，國家“十四五”期間深井建設深度有望突破2 000 m。礦山深豎井建設裝備、技術和工藝的不斷改進和發(fā)展，必將為我國深部資源安全高效開采提供重要的支撐［11］。

1.3 豎井成井直徑

盡管受到礦山生產能力、鑿井裝備和地層特征等因素的影響，礦山豎井井筒直徑的設計與建設并不是一味地追求大直徑井筒。在過去的50 a間，隨著國家政策、重大項目對礦業(yè)領域給予的大力支持和我國礦井建設者廣泛而深入研究，豎井鑿井基礎理論不斷完善、鑿井裝備能力和技術不斷提升、鑿井工藝不斷改進，為滿足大型礦井年產量的提升需求，千米級豎井直徑依然呈現不斷增加的趨勢。據不完全統(tǒng)計，我國1970—2020年間建設的千米級豎井直徑與建設年份的對應關系如圖3所示。由圖3可以看出：千米級豎井從最初5～6 m的凈直徑發(fā)展到最大凈直徑達10 m，如遼寧思山嶺鐵礦副井直徑10 m，井深1 503.9 m；甘肅核桃峪煤礦副井直徑9 m，井深1 005 m。此外，紅慶河煤礦副井凈直徑為10.5 m，井深718 m；泊家海子煤礦副井凈直徑為10.5 m，井深611.7 m，均采用了凍結法特殊鑿井技術和工藝，是目前我國凈直徑最大的豎井。該時期開展的大直徑豎井鑿井設備選型、井內優(yōu)化布置和井壁結構設計與施工等研究，使得千米級大直徑井筒建設技術與工藝滿足了我國大型礦井建設與年產量提升的要求，推動了我國大型現代化礦山建設和發(fā)展。

1.4 豎井鑿井速度

豎井井筒在礦井建設中雖然僅占礦井建設工程量的3%～5%，工期卻占總工期的35%～50%，隨著豎井開拓深度的增加，面對的高地溫、高地壓和高水壓等地質環(huán)境條件和工程條件日趨復雜，豎井井筒占礦井建設總工期的比例也相應增加［12］。經過對鉆眼爆破、裝巖出渣、提升設備、穩(wěn)車懸吊、砌壁模板等豎井施工機械化配套裝備的不斷研發(fā)，豎井鑿井速度不斷提升，礦井建設周期逐步縮短。

根據不完全統(tǒng)計，我國豎井鑿井速度與建設年份的對應關系如圖4所示。自1970年以來，豎井由最初的30～40 m/月鑿井速度得到不斷提升，2000年前后多條豎井的最高鑿井速度超過100 m/月；在2010年左右山東鄆城煤礦主井、河北羊東煤礦風井、安徽潘一煤礦第二副井、山東雙合煤礦主副井等井筒工程的施工過程中，最高鑿井速度曾一度超過200 m/月。通過對近5 a的豎井鑿井速度統(tǒng)計分析，平均鑿井速度為88.3 m/月。根據工程實際調研和資料檢索分析結果，千米級豎井建設周期縮短到2～3 a，如金誠信施工的會澤礦3號豎井井深1 526 m，建設周期為2 a，且于2015年6—7月間在井深1 000 m以下的鑿井速度分別達到105 m/月和102.6 m/月；中煤五建公司三處施工的新城金礦新主井井深1 527 m，建設周期為2.6 a，2017年平均鑿井速度為113 m/月，單月最高鑿井速度達188 m。由此可見，我國在深井基巖快速掘進施工中深孔液壓鑿巖鉆架研制、深孔爆破技術研究、大型中心回轉抓巖機和邁步式整體金屬模板設計研究等大型自動化、機械化裝備能力和技術方面的不斷提升和發(fā)展，短段掘砌綜合鑿井工藝不斷完善，使得我國深井基巖快速掘砌水平得到了顯著提高。

目前，我國深豎井鑿井以鉆爆法為主，以凍結法、注漿法、鉆井法和沉井法等特殊鑿井工藝為輔，突破了深度1 500 m豎井快速掘砌的關鍵技術與工藝，形成了豎井上部深厚富水沖積地層和風化帶的凍結法輔助鑿井或鉆井法鉆井、結合下部基巖含水層地面預注漿施工的平行作業(yè)技術和工藝，解決了豎井井筒涌水的防治難題，保證了鉆爆法鑿井階段井下打干井和正規(guī)循環(huán)掘砌作業(yè)，形成了凍—注—鑿平行作業(yè)和鉆—注—鑿聯(lián)合作業(yè)的鑿井體系［12-14］，實現了豎井建設技術、工藝在時間、空間上的綜合合理利用，滿足了復雜地質條件下深井鑿井需求。

2 鉆爆法破巖鑿井裝備技術與工藝現狀

目前，我國豎井建設通常采用3層吊盤并采用傳統(tǒng)的“九懸十八吊”方式，在吊盤的底部進行鉆爆鑿巖、排渣、井壁襯砌，研制了多種穩(wěn)車懸吊吊盤、電纜、模板、底卸式吊桶、排水管、通風管、安全梯等配套設備，實現了掘砌一次成井技術與工藝，待豎井掘進到底部后拆除鑿井設備，再進行永久提升井架和井筒裝備施工［7］。

2.1 爆破破巖技術

鉆眼爆破破巖是我國豎井短段掘砌混合作業(yè)的主要工藝方法。根據理論分析，在保證井幫圍巖穩(wěn)定和施工安全的前提下，一次爆破掘砌段高越大，掘砌轉換和出渣清底的次數越少，效率越高；但掘砌段高主要由鉆眼設備的鉆眼深度來確定，段高H應為一次鉆眼的最大深度 L 乘以爆破效率 K，即 H=L ?K［15］。為了實現快速掘進，在提高機械化程度、改進掘進技術和改善作業(yè)組織的前提下，應力求加大孔深和增加循環(huán)次數。隨著掘進機械化程度的提高和掘進爆破技術的改善，當達到一定循環(huán)指標后，適當地控制循環(huán)次數、逐步增加孔深是合理的［16］。據不完全統(tǒng)計，炮孔深度、循環(huán)進尺與時間的對應關系如圖5所示。

根據豎井穿越地層巖土特性、地質構造、井筒斷面形狀、井筒直徑等條件，結合炸藥性能和藥卷直徑等炸藥特性，合理確定輔助眼和周邊眼圈距、鉆眼間距、鉆眼深度、炮眼直徑、炮眼數目、炸藥消耗量和爆破單位巖體的炸藥消耗量等爆破參數［17］。由圖5可以看出：隨著新型高效鑿巖機和先進裝運設備的研制和改進，以及爆破技術和爆破器材質量的提高，井筒掘進的炮孔深度趨向增大。在20世紀70年代，由于當時采用多臺手持式風動鑿巖機、YT型氣腿式鑿巖機、Y24型手持式鑿巖機等設備進行鉆眼，受制于鉆具設備性能，鉆眼深度較小，炮孔深度一般不超過3 m，循環(huán)進尺僅為1.5 m左右；20世紀80年代后，研制并采用了FJD系列（FJD-4型、FJD-6型、和FJD-9型等）、SJZ5.5～6.11系列、YSJZ系列等多種氣動傘形鉆或液壓傘鉆，并配備有YGZ-55型、YGZ-70型氣動鑿巖機，炮孔深度可達4.2 m，循環(huán)進尺提高至3.14 m；2010年以來，炮眼深度不斷增加，最深可達5.8 m，循環(huán)進尺最高可達5.2 m；手持鑿巖機可鉆鑿直徑45 mm的炮眼，傘鉆可鉆鑿直徑55 mm的炮眼。截至目前，豎井鑿井過程中，鉆眼爆破采用液壓鑿巖機、多臂液壓傘形鉆架、雙聯(lián)鉆架并配以合理的炮孔布置方式，可實現200 MPa堅硬巖石地層的有效爆破破巖。同時，采用光面、光底、減震、弱沖中深孔爆破技術和分段擠壓爆破等方式［12］，減小了爆破破巖對圍巖的振動破壞，不僅確保了井筒成型符合規(guī)定，而且可減少爆振裂隙，確保新巖面具有良好的穩(wěn)定性，從而確保圍巖自身形成承載結構；同時，高威力水膠炸藥和長腳線多段毫秒雷管的一次爆破，可充分發(fā)揮傘鉆和大型抓提設備的工作效率。

2.2 排渣技術

鉆爆法施工豎井的排渣主要采用抓巖機和吊桶配合清底，抓巖機的裝巖能力與一次爆破巖石量密切相關。通常抓巖工序占整個鑿井作業(yè)循環(huán)時間的60%左右，抓巖機的性能直接影響鑿井速度［18］。隨著鑿井設備的發(fā)展，20世紀70年代初采用NZQ2-0.11型抓巖機，小型氣動抓斗斗容僅為0.11 m3，抓巖能力僅為8～12 m3/h，配合人工清底出渣，容積1.0～1.5 m3的吊桶進行排渣；經過1974年3部豎井掘進機械化會戰(zhàn)，研制出HH型、HZ型、HK型3種大型抓巖機和HS型長繩懸吊抓巖機。20世紀80年代，研制出斗容為0.4 m3、0.6 m3的6瓣和8瓣抓巖機，包括HZ-4型和HZ-6型中心回轉式、HK-4型和HK-6型靠壁式、HH-6型和2HH-6環(huán)軌軌道式等多種結構和規(guī)格的抓巖機，并配以1.5～3 m3的單鉤和雙鉤吊桶進行排渣，采用的液壓抓巖機較先前的氣動抓巖機減少了能耗，顯著提高了鑿井效率。20世紀90年代以后，研制出了HZ-6B型、DTQ0.6B型和HZ-10型中心回轉抓巖機，機架回轉角度大于360°，斗容達到1.0 m3，配以MWY6/0.3型、MWY6/0.2型等小型挖掘機清底，排渣能力達到80 m3/h；研制出大容積、輕質、高強的6～8 m3大容量座鉤式TZ系列吊桶和4 m3底卸式TD系列吊桶，并不斷優(yōu)化吊桶結構，降低了吊桶重心，降低了吊桶傾倒的風險，吊桶桶體材質由Q345B調整為Q460C，吊桶梁選用35號鋼并加粗吊桶梁［15-18］。吊桶新型材料的應用不僅提高了其強度，同時減輕了吊桶自重。

2.3 鑿井井架與提吊技術

在20世紀70年代及以前，曾先后利用木制、混凝土和輕型金屬井架結構作為提升和懸吊結構，研制出了Ⅰ～Ⅳ型標準劃分的鑿井井架，提升巖渣、施工人員和物料的提升機滾筒直徑小于2.5 m，鑿井穩(wěn)車的提吊能力在16 t以下，立井鑿井多采用單行作業(yè)方式，鑿井速度僅為20～30 m/月。20世紀80年代，經過鑿井機械化裝備的不斷研發(fā)，研制出了新Ⅳ、Ⅴ型的專用鑿井井架、滾筒直徑為4～5 m的鑿井專用提升機，同時隨著短段掘砌工藝逐漸成熟，正規(guī)循環(huán)率不斷提高；然而，Ⅴ型井架僅適宜直徑小于8 m、深度不超過1 000 m的豎井建設。20世紀90年代后，研制出了新型Ⅵ、Ⅶ型、SA型、SM型鑿井井架，JKZ-4.0、JKZ-4.5型提升機和JZ-25/1800、JZ-40/1800型懸吊穩(wěn)車等新型大型化鑿井裝備［19-21］，通過在井筒內布置多套提升設備，容繩量最高可達2 000 m，提升能力最高達50 t，并保證了足夠的懸吊傘鉆、排矸及過卷高度，并且角柱跨距和天輪平臺尺寸滿足了井口施工設備、材料運輸及天輪布置要求；同時，研制出了13、15、18、21、25 t等新型提升鉤頭，滿足了大直徑超深立井安全提升要求。

2.4 井壁澆筑技術

我國礦山深立井鑿井工作面在配備傘形鉆架、大斗容抓巖機和大容積提升吊桶的同時，研制并配備了大段高整體金屬模板和底卸式吊桶運混凝土，形成的機械化短段掘砌混合作業(yè)方式取代了單行、平行作業(yè)方式，其工序轉換時間少、施工速度快、作業(yè)人員勞動強度低、綜合機械化程度較高，顯著提高了豎井鑿井速度和質量［12］。目前，砌壁使用最普遍的是MJY型系列整體移動式液壓金屬模板，邁步式液壓模板代替了地面大型穩(wěn)車、天輪及超長鋼絲繩懸吊，段高2.5～5 m，質量為6.03～24.7 t，適用井徑范圍為4.5～8.5 m，具有脫模力強、剛度大、變形小、立模拆模方便的特點。一掘一砌正規(guī)循環(huán)，井壁接茬少，井壁成形質量好，砌壁時間從初始階段占循環(huán)時間的30%下降到15%～20%。研制的邁步式整體模板和吊盤一體化裝備，減少了井架、懸吊設施及懸吊的質量，并利用液壓油缸和井壁梁窩實現了井筒內鑿井裝備的無繩懸吊、邁步自調平［22］，同時采用大吊桶和大提升機，實現了一次段高4.6 m正規(guī)循環(huán)掘砌作業(yè)，滿足了直徑8～12 m、深度1 500 m級深大豎井建設需求。

2.5 特殊鑿井技術

據不完全統(tǒng)計，建國以來不同時期的特殊鑿井井筒數如圖6所示。

沉井法鑿井作為掘進支護一體化的快速鑿井工藝。在我國改革開放以前或初期，沉井法是穿越含水沖積層鑿井的重要施工方法，同時我國也是較早將機械破巖鉆進和沉井法相結合的國家［23］。1970—1979年間，用沉井法施工的井筒達到122條，其中曲阜單家村煤礦淹水沉井穿過180 m含水沖積層，主井沉井深192 m，偏斜率為6.9‰。然而，隨著凍結法鑿井和鉆井法鑿井技術的成熟和發(fā)展，沉井法逐漸淡出礦山特殊鑿井舞臺。

為保障礦產資源持續(xù)供給，井筒建設數量和深度不斷增加，采用凍結法鑿井解決了我國東部深厚含水不穩(wěn)定沖積層和西部富水弱膠結地層鑿井過程中井下涌水和圍巖穩(wěn)定性控制等難題［24-26］。我國在深厚沖積層凍結方面，掌握了超高圍壓下地層凍土物理力學特性、深厚沖積層凍結壁設計、多圈孔凍結工藝、機械化施工與信息化監(jiān)控、深厚沖積層井壁結構設計及高性能混凝土澆筑等關鍵技術與施工工藝，創(chuàng)造了凍結表土層深度754 m的世界紀錄［25］，此外，新巨龍煤礦東副井鑿井已落底正在進行井筒裝備，凍結深度達到958 m（表土深度646 m）。通過對西部富水弱膠結地層凍結規(guī)律的研究，掌握了白堊系及侏羅系巖層的物理力學特性、凍結壁發(fā)展規(guī)律、單圈孔凍結工藝、控溫凍結等關鍵技術，實現了西部弱膠結地層千米深井圍巖控制凍結［26］。西部典型的凍結法鑿井工程為華能慶陽煤電有限責任公司核桃峪煤礦已建成的副井井筒，基巖凍結深度達950 m；陜西高家堡煤礦西區(qū)進風井基巖凍結深度達990 m，是目前國內凍結深度最深的落底井筒。

進入21世紀后的煤炭建設黃金十年，隨著煤礦建設向深部延伸，建設速度要求提高，對水害治理、圍巖加固等技術提出了新的要求，以千米深井注漿堵水為核心，研究了基巖裂隙綜合注漿技術、深井L形鉆孔地面預注漿技術、井筒過采空區(qū)地面預注漿加固技術，并研制出配套的深井注漿裝備［27］，包括煤礦頂驅定向鉆孔專用鉆機、DX系列斜井鉆機、JD系列高精度小直徑陀螺測斜定向儀、YSB-350型液力調速高壓泵、BQ系列和ZBBJ系列煤礦地面注漿專用高壓注漿泵、KWS系列卡瓦式止?jié){塞和水力坐封式鉆孔止?jié){塞、智能漿液配置監(jiān)控系統(tǒng)等［28-29］，以及各種特殊性能和用途的注漿材料，包括黏土水泥漿、鉆井廢棄泥漿、速凝早強水泥漿液、單液水泥基復合加固漿液、高摻量粉煤灰水泥漿液、水泥粉煤灰水玻璃雙液速凝漿液、改性尿醛樹脂和乙酸酯水玻璃化學漿液等［28-30］。據不完全統(tǒng)計，我國有超過200座煤礦立井井筒采用了地面預注漿技術進行堵水加固，最大地面預注漿深度達1 078 m，形成了千米深井注漿工藝及地層可注性評價體系。地面預注漿技術與工藝不但為普通鑿井提供了技術保障，同時也為機械破巖鑿井提供了有利條件，注漿后的地層更適合反井鉆機鉆井以及豎井掘進機等機械破巖鉆井方法。

目前，鉆爆法鑿井以深孔控制爆破破巖技術為核心，完善了短段掘砌綜合鑿井工藝，研制了新型鑿井井架、大直徑提升絞車、大噸位懸吊穩(wěn)車、大直徑液壓傘鉆、大容量吊桶、邁步式整體模板和多層吊盤等鑿井裝備，并輔以凍結法、注漿法等井筒圍巖改性方法，形成的凍結壁臨時帷幕和巖層注入膠凝材料結構改性帷幕，隔絕了地下水和圍巖破碎對鑿井的影響，提高了井筒穿越地層的穩(wěn)定性，滿足了鑿井期間井筒無涌水的“打干井”條件，實現了“凍結—注漿—鑿井”三同時鑿井技術與工藝［7］，三同時平行作業(yè)縮短了整個建井周期的20%～30%，為我國大直徑、千米級深豎井快速鉆爆法施工提供了技術支撐。

3 機械破巖鉆井技術與工藝現狀

隨著豎井鑿井深度不斷增加，以鉆爆破巖為主的普通鑿井施工工序繁雜、工作面狹小、工作環(huán)境惡劣、安全風險大、通風阻力大等難點問題愈加突出，機械化、無人化、信息化、智能化建井技術與裝備成為重要的發(fā)展趨勢，也是建井技術與裝備面臨的重大機遇與挑戰(zhàn)。目前豎井鉆機鉆井最大深度達到660 m，鉆井成井直徑8.3 m；反井鉆機鉆井最大深度為562 m，鉆井最大直徑6 m；導井式下排渣豎井掘進機鉆井最大深度為282.5 m，直徑5.8 m。盡管目前非爆破破巖鑿井尚未達到千米級深度，但是隨著非爆破破巖鑿井技術、裝備能力和工藝的不斷發(fā)展和完善，必將推動我國礦山豎井工程的智能化建設。

3.1 豎井鉆機鉆井技術

1960年以來我國豎井鉆機鉆井數量統(tǒng)計結果如圖7所示。我國豎井鉆機鉆井深度大于400 m的井筒參數統(tǒng)計結果如圖8所示。

20世紀60年代開始進行豎井鉆機鉆井鑿井技術資料收集、工藝研究、室內試驗及鉆井設備的選型與配套，并于1969年在淮北朔里南風井完成了第一口采用豎井鉆機鉆井的井筒，采用ZZS-1型鉆機鉆井直徑為4.3 m、鉆井深度僅為92.5 m；初步形成了以機械破巖、泥漿護壁、壓氣反循環(huán)排渣、地面井壁預制、井壁懸浮下沉和壁后充填固井等技術工藝為主的豎井鉆機鉆井工藝體系［31］。20世紀70年代作為豎井鉆機鉆井技術發(fā)展的初期，主要有“技術基礎準備”和“鉆井工藝現場實驗應用”兩個主要階段，該時期應用研制的ZZS-Ⅰ型、MZ-Ⅰ型、MZ-Ⅱ型、紅陽-Ⅰ型、ND-Ⅰ型、YZ-Ⅰ型、BZ-Ⅰ型、QZ-3.5型、SZ-9/700型等多種型號的豎井鉆機，共鉆成煤礦風井井筒19條，最大鉆井深度為308.6 m，最大鉆井直徑為7.9 m，成井最大直徑為6 m。20世紀80—90年代，為鉆井法鑿井的“技術裝備發(fā)展成熟階段”和“技術、裝備突破階段”兩個重要階段，在已有成型鉆機的基礎上又研制出了AS-9/500型、L-40/800型等鉆機型號，并成為豎井鉆機鉆井的主要鉆機類型，該階段采用豎井鉆機鉆井50余條，最大鉆井深度為508 m，最大鉆井直徑為9.0 m，最大成井直徑為6 m。

進入21世紀后，通過“600 m深厚沖積層鉆井法鑿井技術”課題的研究和實踐，形成了“一鉆成井”和“一擴成井”快速鉆井工藝［31-35］，研發(fā)了與鉆井工藝相適應的超前鉆頭、擴孔鉆頭、破巖滾刀用以提高鉆進能力；針對鉆井泥漿的環(huán)境污染問題，研發(fā)了泥漿無害化處理和泥漿復用為注漿材料等新技術，實現了鉆井泥漿零排放，大幅提高了豎井鉆機鉆井速度，減少了環(huán)境污染，解決了減少擴孔次數的鉆頭結構布置、滾刀耐磨和壽命低、深井鉆井井壁結構優(yōu)化、懸浮下沉井壁穩(wěn)定控制、壁厚高效充填等技術難題，形成了深厚沖積層鉆井工藝［36］，采用豎井鉆機鉆成了3條600 m以深的井筒，其中最大鉆井深度達660 m，最大鉆井直徑為10.8 m，最大成井直徑為7.3 m；研制了SZ-9/700G、AS-9/500G、L40/1000、AS-12/800、AD130/1000等型號豎井鉆機，其中，動力頭式的液壓驅動旋轉和推進的AD130/1000型豎井鉆機鉆井直徑可達13 m、鉆井深度可達1 000 m，這標志著我國豎井鉆機鉆井技術發(fā)展達到了一個新的高度。我國豎井鉆機鉆井部分典型工程如表1所示。

3.2 反井鉆機鉆井技術

20世紀80年代，針對煤礦井下煤倉、暗井、溜井采用木垛反井法和吊罐反井法存在危險性大、勞動強度高、工作效率低的問題，在“七五”國家科技攻關項目支持下，研發(fā)了LM-120型反井鉆機，主要用于鉆進1.2 m、1.4 m小直徑且深度小于100 m井孔，形成了以反井鉆機鉆進導井，再采用鉆爆法擴大井孔與進行井壁支護的井下大直徑反井工程施工工藝，全面取代了木垛和吊罐反井法，實現了反井工程施工的安全無人員傷亡事故［37］。20世紀90年代至21世紀初，研制了LM-90、LM-200型硬巖反井鉆機與 ZFYD1200、ZFYD1500、ZFYD2500低矮型反井鉆機，其中ZFYD2500低矮型反井鉆機為當時國內最大直徑的反井鉆機，鉆井深度可達100 m，直徑2.5 m。

2005年以來，針對堅硬巖石條件下反井鉆機裝備能力低導致鉆進參數不合理、破巖滾刀壽命低、鉆進效率和經濟性差等問題，有針對性地研發(fā)了新型鋸齒形鉆桿絲扣聯(lián)結、多油缸推進、多馬達驅動等反井鉆機鉆進關鍵技術，研制了BMC300、BMC400、BMC500、BMC600型系列反井鉆機，其中，最大拉力可達6 000 kN，最大額定扭矩為300 kN·m，最大扭矩為450 kN·m，能夠滿足巖石抗壓強度達310 MPa的堅硬巖石地層中鉆進需求，可鉆進導孔最大直徑350 mm、擴孔最大直徑6.0 m、最大深度562 m的反井，反井鉆機裝備性能得到了大幅度提高。經過持續(xù)的科研攻關和裝備研發(fā)，反井鉆機鉆井直徑從最初的1.0～1.2 m，發(fā)展到堅硬巖石條件下鉆井直徑3.4～4.0 m，以及煤礦較軟地層中一次擴孔鉆進5.3～6.0 m；反井鉆機的鉆井角度方面，從最初反井鉆機鉆進90°的立井，發(fā)展到反井鉆進50°～75°的斜井；反井鉆機鉆井偏斜率方面，從最初的1.6%～1.8%的偏斜率到低于0.3%的偏斜率［38］。我國反井鉆機鉆井典型工程如表2所示。

目前，在反井鉆機鉆井理論、技術、裝備、工藝等方面取得了大量的成果，解決了地下軟弱夾層、含瓦斯、堅硬巖石等復雜地層條件下反井鉆機鉆井中的關鍵技術難題，創(chuàng)造出了下導上擴式、上導下擴式、上導上擴式、直接上鉆式4種主要的反井鉆機鉆井工藝［38］。反井鉆機鉆井在礦山溜矸孔、人工凍結地層中鉆井、地面預注漿改性地層中鉆井、豎井延伸、富水沖擊地層鉆井、瓦斯管道井、公路/鐵路通風井、地下儲油儲氣等地下工程的豎井工程中應用廣泛，極大地推動了地下工程建設的技術進步。

3.3 豎井掘進機鉆井技術

我國“十二五”期間由北京中煤礦山工程有限公司承擔了國家“863”計劃中的“礦山豎井掘進機研制”課題，從豎井掘進機鑿井施工新工藝、高效滾刀破巖技術出發(fā)，攻克了礦山豎井掘進機在井筒內狹小空間的合理空間結構及設備布置、高效大體積機械破碎巖石、大直徑鉆頭的空間結構及滾刀布置、多臺剛性連接電機大扭矩旋轉驅動的變頻器同步控制、大流量高精度電液比例控制、掘進方向智能控制、關鍵部件及掘進狀態(tài)監(jiān)測與診斷、井筒內特殊條件下的遠程控制等一系列關鍵技術與工藝難題，研制出國內首臺（套）導孔式下排渣MSJ5.8/1.6D型豎井掘進機［39-40］，并于2020年成功應用在云南以禮河水電站出線豎井工程中，鉆井深度為282.5 m，直徑為5.8 m，日最高進尺為10.3 m，平均進尺達6.9 m。實踐證明，豎井掘進機快速機械破巖、支護，具有機械化程度高、不需爆破作業(yè)、井下作業(yè)人員少、施工效率高、成井質量好、安全性高等優(yōu)點，礦山豎井掘進機是大型現代化礦井建設機械化的發(fā)展方向。

4 我國豎井工程面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

隨著我國淺部資源逐漸減少和枯竭，為滿足人民日益增長的生活需求和支撐國民經濟繁榮穩(wěn)定，研究深部千萬噸級礦井建設基礎理論與關鍵技術、研制智能裝備、研發(fā)新材料、探索新工藝成為必然趨勢。然而，我國深豎井工程面臨地質精準探測、巖爆防控、高溫防治、提升裝備系統(tǒng)、智能鉆井技術等重大挑戰(zhàn)。

4.1 深豎井地質精準探測

地質環(huán)境精準探測與地質預測預報技術是地下工程共同的研究熱點與追求目標。深豎井井筒工程由于井筒深、直徑大且長徑比大的工程特點，以及穿越地層具有的差異性、復雜性、不確定性和未知性等地質特點，因而超深豎井面臨的建設難度更大，對此技術的需求也更迫切，特別是新建礦區(qū)的首批井筒建設，不具備井下實施各種物探測試技術的有利條件［41-42］。因此，地質精準勘探、原位巖土力學特性測試技術、地層透明化重構技術是深豎井建設面臨的重大挑戰(zhàn)。應重點突破高精度高密度全數字三維地震勘探、復雜地質構造槽波地震探測、超前定向長鉆孔探查等先進技術瓶頸，加強深部高地應力、高滲透壓、高地溫等多場多相探測技術與基礎理論研究，實現豎井穿越地層的實時動態(tài)監(jiān)測，提高鑿井工作面前方地質條件解釋的準確率。

4.2 深豎井巖爆防控

隨著豎井建設深度不斷增加，井筒穿越地層的原巖應力和構造應力也不斷升高，鑿井破巖擾動易導致能量在巖體中演化聚集、突然釋放并發(fā)生巖爆災害，嚴重威脅鑿井人員和裝備安全。如紗嶺金礦深井鑿井深度達到1 520 m時，最大主應力達到45.56 MPa，井筒圍巖側壓力系數達到1.36，地應力超過了一般工程巖體的抗壓強度。據各地統(tǒng)計資料，紅透山銅礦在深度1 137 m、會澤鉛鋅礦在深度1 400 m處均發(fā)生過較強巖爆；冬瓜山銅礦在深度1 100 m、靈寶崟鑫金礦在深度1 600 m、夾皮溝金礦在深度1 500 m、玲瓏金礦在深度1 150 m均發(fā)生了中等巖爆；三山島金礦在深度1 050 m、嶺南金礦在深度800 m均發(fā)生了輕微巖爆［7-8］。所以，巖爆防控技術已成為深豎井建設面臨的重大挑戰(zhàn)之一。深豎井巖爆防控需重點研究井筒荒斷面形狀與尺寸優(yōu)化、擾動較小的非爆破破巖新技術、井筒鑿井速度控制、非等厚井壁設計理論與施工技術、井筒圍巖超前卸壓技術等內容，改善井筒圍巖與鑿井工作面前方的應力聚集狀態(tài)，同時研究圍巖能量聚集、演化和動能釋放過程理論［43-45］與監(jiān)測技術，提高巖爆災害預測預報的準確性。

4.3 深豎井高溫防治

隨著井筒鑿井深度不斷增加，地層原巖溫度不斷升高，鑿井工作面的高溫熱害日益嚴重。據不完全統(tǒng)計，我國部分豎井鑿井工作面溫度分布如圖9所示。

根據大數據統(tǒng)計結果，地層深度每增加100 m，地層溫度一般將提高1.7～3.0℃左右，而實際工程中部分深部礦井溫度梯度超過3℃/100 m；井下環(huán)境氣溫超標1℃，工人作業(yè)勞動生產率會下降7%～10%［46］。目前，智能化建井技術路徑主要以智能元器件的感知、數據傳輸、視頻監(jiān)控等監(jiān)測手段為基礎，然而以分布式光纖、智能轉速監(jiān)測儀、設備振動監(jiān)測儀、井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)、防爆交換機等為代表的監(jiān)測設備，其正常工作耐高溫度一般為40～50℃；另一方面，深井建設過程中無論是液壓、氣壓或者電控的鑿井設備，其密封系統(tǒng)適用工作溫度一般不超過60℃，高溫環(huán)境將導致監(jiān)測元器件和鑿井設備失效或性能降低；此外，普通法鑿井鉆眼爆破采用的炸藥在高溫及熱水浸泡環(huán)境下易產生膨脹、融化現象，導致炸藥失效和產生有毒物質。因此，必須采取有效的降溫措施改善作業(yè)環(huán)境，井下工作面環(huán)境保持合理的溫度和濕度，才能保證安全豎井鑿井。此外，隨著深度增加，承壓水位增高，水頭壓力增大，例如萊州紗嶺金礦豎井施工至-1 425 m處，水壓達到11 MPa，水溫為49℃。在高地應力和高水壓長期作用下深部井筒圍巖變形破壞嚴重，圍巖有效隔水層厚度降低，一旦高巖溫環(huán)境下發(fā)生涌水或突水，將導致豎井鑿井面臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)。

目前，深井降溫技術以機械制冷降溫和非機械制冷降溫的被動降溫技術為主［8］。為了提高深井降溫效率，應重點研究能夠阻斷工作面與周圍巖體熱交換通道的新技術、新材料和新工藝，研究深井圍巖改性、相變儲能支護結構、隔熱支護材料和人工制冷協(xié)同井下降溫技術；同步研發(fā)耐高溫監(jiān)測元器件和鑿井設備構件，提高井下掘進設備、智能監(jiān)測設備和圍巖襯砌結構的耐久性、可靠性和安全性。

4.4 深豎井提升裝備系統(tǒng)

無論是爆破破巖鑿井還是機械破巖鑿井，巖渣的提升與排放是豎井鑿井過程中的重要工藝之一。目前，以爆破破巖為主的鑿井工藝，已研制了單次提升有效載荷50 t、提升高度2 000 m、提升速度18 m/s的新型結構的8繩摩擦式提升系統(tǒng)，同步研發(fā)了新式摩擦輪、高比壓高摩擦系數襯墊、高效閘控技術與裝備、摩擦提升機導向輪等配套裝備，滿足了2 000 m以淺深井提升需求。但是，面對國家“十四五”期間深井建設深度有望突破2 000 m的戰(zhàn)略規(guī)劃，深井懸吊提升技術依然存在鋼絲繩自重占懸吊荷載比例大的問題，提升穩(wěn)繩需要更大的張緊力以保證提升容器運行平穩(wěn)，提升機需要更大的靜張力和靜張力差［47］。因此，鉆爆法鑿井提絞和懸吊裝備的安全高效運行是深井建設面臨的重大挑戰(zhàn)之一，應重點研制輕質高強提升鋼絲繩、穩(wěn)繩和提升容器及其配套構件，研發(fā)吊盤、管路等設備的井內無繩吊掛技術，簡化鑿井井架懸吊布置。

目前，機械破巖鉆井技術和工藝中豎井鉆機鉆井采用壓氣泥漿反循環(huán)排渣工藝，該工藝主要適用于深厚沖積地層或富水弱膠結砂巖地層；而反井鉆機鉆井和導孔式豎井掘進機鉆井采用下排渣工藝，巖渣依靠自重下落到下部巷道內，再由裝載設備裝入皮帶或礦車進行排渣，要求豎井下部存在排渣空間的必要條件。因此，機械破巖深豎井鉆井技術裝備的研制與發(fā)展面臨上排渣技術與工藝創(chuàng)新的挑戰(zhàn)，應重點研究液—固、氣—固、氣—液—固連續(xù)提升技術工藝與裝備，解決深部礦井提運技術難題，同時為超深部原位流態(tài)化開采的顛覆性技術研究與應用提供技術支撐［39］。

4.5 深豎井智能鉆井技術

目前隨著豎井建設逼近2 000 m深度，普通鉆爆鑿井技術在工程穩(wěn)定性、適用性和先進性方面處于質變拐點，極大地促進了非爆破破巖鉆井技術向自動化、數字化、清潔化和智能化方向不斷發(fā)展。2019年11月，陽煤集團新元煤炭有限公司成功部署了中國首批井下煤礦5G基站并進行了組網應用，實現了礦井主巷道、運輸巷道的5G信號覆蓋。同時，2020年初國家發(fā)改委、能源局、工信部等八部委已聯(lián)合出臺《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》，礦山智能化建設已經成為保障國家能源安全穩(wěn)定，解決行業(yè)安全水平不高、生態(tài)影響大、開采效能低等問題的根本途徑［48］。因此，通過人工智能、大數據、云計算、物聯(lián)網和5G技術等高新技術與礦井建設技術的深度融合，實現礦井智能建設及其智能運營已成為礦井全生命周期安全服役的必由之路。

深部礦井智能建設及其智能運營的全生命周期安全服役是一項涉及多技術領域和多組織生產部門的復雜而龐大的工程，主要技術要素涵蓋深部地層極端條件下高效破巖與排渣裝備系統(tǒng)的智能控制與運行狀態(tài)智能調控，復雜環(huán)境下豎井掘進機裝備智能制造與智能調控技術，深井智能掘進環(huán)境監(jiān)測與精準鉆進風險防控，深豎井井壁結構與圍巖多場耦合作用智能監(jiān)控，井下多尺度多源數據融合共網傳輸、集成與智慧終端展示平臺等［3］。智能建井與井筒智能運營系統(tǒng)有助于提升我國礦井安全管控水平，提高礦山生產經營能力，推進我國礦山智能化發(fā)展進程。

5 結語

（1）我國礦山鑿井技術以快速高效、安全可靠為目標，通過學習借鑒和自主研發(fā)，在地下工程巖土物理力學理論研究、井幫圍巖穩(wěn)定性控制、井壁結構優(yōu)化、鑿井裝備研發(fā)與制造、鑿井關鍵技術與工藝等方面取得了重大突破，滿足了1 500 m級深豎井安全建設的需求，實現了單深立井年提升1 500萬t資源的能力。

（2）我國研發(fā)了系列豎井鉆機、反井鉆機和豎井掘進機裝備及其各自適應的鉆井技術與工藝，實現了由人工鉆鑿、鉆孔爆破到機械化破巖鉆進的轉變，初步實現了無人化或少人化、機械化和信息化礦山豎井鉆井，為我國智能化礦井建設奠定了基礎。

（3）我國礦山2 000 m以深豎井建設應重點攻克以豎井地質精準探測、巖爆防控、高溫防治、深井提升裝備以及智能鉆井為主的重大難題，以人工智能、大數據、云計算、物聯(lián)網等高新技術為牽引，推動千米級上排渣豎井非爆破破巖、精準鉆進、高效排渣和井壁支護等關鍵技術工藝的智能監(jiān)控技術與裝備系統(tǒng)的發(fā)展，盡快推進實現“5G+智能鉆井”、“5G+智能提升”、“5G+智能巡檢”的礦井智能化全生命周期安全服役的突破發(fā)展。