劉志強(qiáng)，宋朝陽，程守業(yè)，荊國業(yè)

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 建井研究分院，北京 100013)

0 引 言

深地資源開采和空間利用是我國深地戰(zhàn)略的重要組成部分，豎井井筒作為深部礦產(chǎn)資源開采和地下工程建設(shè)的核心構(gòu)筑物，擔(dān)負(fù)著礦物、人員、材料和裝備提升以及通風(fēng)、供排水、供電與安全通道等多種功能[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年以來我國超千米豎井已建成150余條，近10年增速超200%[4]，我國已成為深地開發(fā)大國。井筒建設(shè)也稱為鑿井，通常采用鉆孔爆破方法，對(duì)地層探識(shí)不足及爆破工藝原因，造成井筒施工安全事故頻發(fā)，地層有害氣體突出、涌水淹井、炮煙窒息、物料墜落等重大傷亡事故時(shí)有發(fā)生，同時(shí)鉆爆法鑿井，存在井下作業(yè)人員多、安全和職業(yè)傷害嚴(yán)重、作業(yè)不連續(xù)、建井效率低、智能化進(jìn)程緩慢等問題[5]，難以符合現(xiàn)代化工業(yè)要求的安全、高效、綠色、智能化建設(shè)的總原則。

人類從人工鏨鑿破巖發(fā)展到爆破破巖，實(shí)現(xiàn)了第1次破巖方式的質(zhì)變；從爆破破巖發(fā)展到連續(xù)的機(jī)械破巖或者非接觸的高能破巖，將是破巖技術(shù)的第2次重大變革[6]。目前，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)已開展了非爆破機(jī)械鑿井技術(shù)和裝備的研發(fā)與應(yīng)用。針對(duì)井筒穿過復(fù)雜地層條件和工程條件，形成了適用于深厚沖積地層和富水軟巖地層的豎井鉆機(jī)鉆井[7]，以及適用于具有下部排渣通道工程條件和穩(wěn)定地層條件的反井鉆機(jī)鉆井[6]，但受地層條件、破巖能力、鉆進(jìn)技術(shù)和工藝的限制，均未突破千米深度。千米豎井全斷面掘進(jìn)機(jī)鑿井關(guān)鍵技術(shù)與裝備是國家高端裝備制造戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求，實(shí)現(xiàn)高性能制造技術(shù)和重大裝備的自主可控，對(duì)提高我國戰(zhàn)略性高端產(chǎn)品和重大工程關(guān)鍵裝備的核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

目前，我國豎井掘進(jìn)機(jī)及其鑿井技術(shù)、裝備和工藝處于研發(fā)起步階段，千米深井穿過地層的高地壓、高水壓、高地溫和高巖石硬度等工程地質(zhì)條件帶來的復(fù)雜性、不確定性和未知性，給豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井地層穩(wěn)定控制、涌水治理技術(shù)以及核心裝備與配套裝備、工藝和示范帶來重大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)[8]。因此，要實(shí)現(xiàn)豎井掘進(jìn)機(jī)安全、高效、綠色、智能化鑿井，首要解決豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井地層適應(yīng)性難題。普通鉆爆法鑿井具有工作靈活特性，形成的短段掘砌鑿井工藝，特別適應(yīng)于較為復(fù)雜的地層，通過掘進(jìn)段高的改變減少空幫距離，進(jìn)而減少掘進(jìn)對(duì)圍巖的破壞和控制圍巖的變形失穩(wěn)；而全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)一次推進(jìn)最大行程固定，既要實(shí)現(xiàn)井筒有效斷面內(nèi)巖石的低能耗破碎，同時(shí)要保障井筒圍巖穩(wěn)定[9]，達(dá)到井筒結(jié)構(gòu)在地壓、擾動(dòng)、滲水等作用下，不發(fā)生巨大的變形和結(jié)構(gòu)破壞，避免鉆頭或刀盤卡死或被埋。所以，針對(duì)千米豎井全斷面掘進(jìn)機(jī)鑿井的井筒圍巖分類指標(biāo)體系與科學(xué)表征方法研究，一方面保證了建井地質(zhì)探測(cè)信息科學(xué)合理分析，另一方面對(duì)指導(dǎo)豎井掘進(jìn)機(jī)的支撐、邁步、推進(jìn)等功能以及掘支協(xié)同支護(hù)技術(shù)工藝的研發(fā)具有極其重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

現(xiàn)有的巖體分類方法是從普通鉆爆法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，從而確定工程巖土體開挖和圍巖支護(hù)方法，然而，豎井掘進(jìn)機(jī)破巖與爆破破巖技術(shù)原理和工藝有本質(zhì)區(qū)別。與爆破破巖鑿井相比，機(jī)械破巖以“破巖兼顧防控圍巖破壞”的理念為指導(dǎo)，相比于爆破破巖對(duì)圍巖的擾動(dòng)明顯降低，有效降低了圍巖新增裂隙滲水、透水等水害風(fēng)險(xiǎn)。值得注意是豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井時(shí)撐靴對(duì)巖體持續(xù)施加的動(dòng)態(tài)作用力增加，圍巖體質(zhì)量非常差時(shí)將對(duì)圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生負(fù)面影響；其次豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井對(duì)井筒空幫的距離要求更小，近刀盤或鉆頭井幫通常采用護(hù)盾或者隨掘噴漿支護(hù)等。因此，筆者基于全段面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井技術(shù)和工藝的分析，提出了評(píng)價(jià)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井地層適應(yīng)性分析基本原則，構(gòu)建了豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)與科學(xué)表征方法。

1 全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井及面臨的地質(zhì)難題

1.1 全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井關(guān)鍵技術(shù)與工藝

全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)是機(jī)械科學(xué)、機(jī)械振動(dòng)學(xué)、材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、控制科學(xué)等多學(xué)科融合，集“材料-結(jié)構(gòu)-性能”一體化設(shè)計(jì)、“設(shè)計(jì)-制造-運(yùn)行”全過程融合、“破巖-排渣-支護(hù)”多動(dòng)作、多系統(tǒng)協(xié)同的高性能鑿井裝備，主要包括破巖系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、方向控制與糾偏系統(tǒng)等[22]。全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝示意，如圖1所示。豎井掘進(jìn)機(jī)入井后撐靴作用于井筒圍巖上并撐緊，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)和切割巖體，刀盤上的鑲齒滾刀、盤形滾刀、刮刀等刀具將巖石從巖體上破碎下來；同時(shí)采用激光導(dǎo)向或陀螺儀導(dǎo)向等實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)導(dǎo)向判識(shí)，并通過調(diào)整不同位置的撐靴實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)實(shí)時(shí)糾偏；同步采用機(jī)械或流體排渣系統(tǒng)將掘進(jìn)工作面上的巖渣收集并通過懸吊系統(tǒng)提運(yùn)至地面；一般近刀盤井幫采用護(hù)盾支撐或采用高強(qiáng)薄噴技術(shù)實(shí)現(xiàn)臨時(shí)支護(hù)，同時(shí)豎井掘進(jìn)機(jī)上部吊盤進(jìn)行井壁永久支護(hù)；完成一個(gè)掘進(jìn)行程后撐靴松開豎井掘進(jìn)機(jī)邁步下移，完成一個(gè)循環(huán)掘進(jìn)。

圖1 全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井示意

豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝相比于普通鉆爆法鑿井井下作業(yè)人減少約70%；克服了鉆爆法破巖的不可控因素，有效控制超挖和欠挖，同時(shí)對(duì)圍巖擾動(dòng)影響最小，可充分利用圍巖自身支撐能力降低人工支護(hù)強(qiáng)度，減少材料消耗；顯著減少了環(huán)境污染，以采用鉆爆法施工直徑8 m、深度600 m井筒為例，需要消耗炸藥約100 t，排放到大氣中的CO,NO,NO2,N2O等有害氣體超過1萬m3，而豎井掘進(jìn)機(jī)機(jī)械破巖鑿井無有害氣體排放，明顯減少碳排放量。

1.2 面臨的地質(zhì)難題與控制措施

巖土工程問題的復(fù)雜性，在很大程度上來自于工程地質(zhì)條件，無論從地層年代、地層構(gòu)造、地層接觸、巖層產(chǎn)狀和地質(zhì)力學(xué)等地學(xué)的角度，還是從成巖特性、巖體(石)力學(xué)、巖石結(jié)構(gòu)和礦物成分等地層巖性的角度分析，井筒穿過地質(zhì)及水文地質(zhì)條件具有多樣性、復(fù)雜性和不確定性等特征，如我國東部煤礦井筒穿過的深厚不穩(wěn)定沖積地層、我國西部煤礦井筒穿過的富水弱膠結(jié)地層、金屬礦豎井穿過的堅(jiān)硬花崗巖地層、云貴高原地區(qū)井筒建設(shè)穿過巖溶發(fā)育地層等等；此外，即便同一條井筒穿過地層自上而下也存在應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)等多場(chǎng)和巖體、水體、氣體等多相的分布規(guī)律，具有差異性、多層次、非線性和不可逆性等特征[23-24]。井筒穿越復(fù)雜地層條件示意，如圖2所示。因此，復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和工況下高可靠、高效率、智能化的機(jī)械破巖裝備要實(shí)現(xiàn)安全、高效和綠色鑿井，必須首要攻克面臨的地質(zhì)難題，為實(shí)現(xiàn)豎井掘進(jìn)機(jī)待掘井筒的“干井掘進(jìn)”提供“透明地質(zhì)、靶域改性、主動(dòng)控災(zāi)”的地質(zhì)安全保障。

圖2 井筒穿越復(fù)雜地層條件示意

全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井面臨地質(zhì)難題時(shí)可行的防控措施簡(jiǎn)述如下：

1)井筒穿越軟弱地層時(shí)，井筒圍巖自穩(wěn)能力差，不足以提供豎井掘進(jìn)機(jī)撐靴支撐反作用力和反轉(zhuǎn)矩時(shí)，可采用地層預(yù)改性加固技術(shù)，提高井筒圍巖的承載能力，保障工程施工安全。

2)井筒穿過堅(jiān)硬巖石地層時(shí)，可通過研制新型抗磨蝕滾刀，采用多刃鑲齒滾刀、盤形滾刀等多刀組合與高壓水射流聯(lián)合破巖模式，并通過優(yōu)化刀盤結(jié)構(gòu)和滾刀布置來實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬巖石大體積低能耗高效破巖，降低工程施工成本。

3)井筒穿過破碎不穩(wěn)定地層時(shí)，應(yīng)減少空幫距離，同時(shí)采用護(hù)盾或近工作面快速臨時(shí)支護(hù)，避免圍巖坍塌導(dǎo)致刀盤被埋等施工風(fēng)險(xiǎn)。

4)井筒將穿過含水或涌水地層時(shí)，利用隨掘超前精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)與監(jiān)測(cè)，根據(jù)地層富水程度、工作面涌水量和水質(zhì)情況，采用地層超前預(yù)注漿堵水或配合工作面隨掘排水等方法，保障豎井掘進(jìn)機(jī)“干井掘進(jìn)”。

5)井筒穿過斷層、節(jié)理、不整合地層時(shí)，應(yīng)采用實(shí)時(shí)導(dǎo)向技術(shù)隨掘隨測(cè)，避免刀盤破巖過程中滑移或不均勻受力而導(dǎo)致的掘進(jìn)偏斜，保障工程施工質(zhì)量。

2 全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖分類指標(biāo)體系

2.1 圍巖分類指標(biāo)體系構(gòu)建的基本原則

工程地質(zhì)條件具有隱蔽性、復(fù)雜性以及工程圍巖體動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)以及豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井功能特點(diǎn)，2者共同決定了構(gòu)建適應(yīng)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井的圍巖分類評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，必須結(jié)合豎井掘進(jìn)機(jī)技術(shù)工藝特征及其面臨的地質(zhì)難題。構(gòu)建豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖分類指標(biāo)體系框架時(shí)應(yīng)遵循以下基本原則：

1)整體系統(tǒng)性原則。因豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井的各個(gè)工藝環(huán)節(jié)是一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)，所以構(gòu)建指標(biāo)體系應(yīng)從系統(tǒng)角度出發(fā)，不能脫離整體工藝特征，不可忽略各技術(shù)指標(biāo)和工藝之間的相互聯(lián)系，即指標(biāo)體系的構(gòu)建盡可能涵蓋豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井“巖-機(jī)”相互作用下的各類因素，要能整體反映豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井過程中對(duì)圍巖產(chǎn)生的各種擾動(dòng)以及圍巖對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)功能的反作用影響。

2)簡(jiǎn)明科學(xué)性原則。即各個(gè)指標(biāo)的選取必須堅(jiān)持可行性和合理性原則，能夠客觀反映巖石可切割性、圍巖自穩(wěn)性、圍巖承載能力的特征和要求；指標(biāo)體系不能過于繁雜、重疊，亦不能過于簡(jiǎn)化而不能反映真實(shí)狀態(tài)，且指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定應(yīng)科學(xué)合理。

3)主成分性和獨(dú)立性原則。因豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井是典型的“巖-機(jī)”互饋模式，應(yīng)重點(diǎn)圍繞巖體強(qiáng)度、圍巖自穩(wěn)、地層水條件等客觀主要的變量，以及刀具耐磨性能、刀盤結(jié)構(gòu)和刀具布置、豎井掘進(jìn)機(jī)撐靴支撐力和最大轉(zhuǎn)矩等獨(dú)立且可控變量，依據(jù)重要性、可控性、貢獻(xiàn)率確定指標(biāo)的設(shè)置與劃分標(biāo)準(zhǔn)。

4)可獲取、可量化原則。即評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取必須充分考慮指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)獲取的難易程度，同時(shí)考慮能否進(jìn)行定量化處理，以便于進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算和分析。

5)對(duì)立統(tǒng)一性原則。豎井掘進(jìn)機(jī)機(jī)械破巖鑿井既是目標(biāo)也是過程，必然存在矛盾的、模糊的、對(duì)立的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此必須考慮靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的發(fā)展變化特征，即包含如巖石質(zhì)量、巖體節(jié)理等靜態(tài)指標(biāo)以及圍巖穩(wěn)定、刀具磨損量等動(dòng)態(tài)指標(biāo)；同時(shí)考慮巖石破碎與圍巖自穩(wěn)之間的雙面性原特點(diǎn)，如巖石硬度、巖體完整性對(duì)機(jī)械破巖來說是負(fù)相關(guān)指標(biāo)，而對(duì)圍巖自穩(wěn)性卻是正相關(guān)指標(biāo)。

6)綜合性原則。巖體破碎-圍巖穩(wěn)定-裝備低能耗等參數(shù)之間的互動(dòng)“雙贏”是豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井的最終目標(biāo)，也是綜合評(píng)價(jià)的重點(diǎn)，應(yīng)綜合考慮工程安全、施工周期、經(jīng)濟(jì)成本、裝備性能等諸多因素，并進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基本框架

本研究構(gòu)建的全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖分級(jí)指標(biāo)體系框架的基本指導(dǎo)思想是：圍繞豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井“巖-機(jī)”互饋機(jī)制，即井筒內(nèi)巖體低擾動(dòng)高效破碎、圍巖自穩(wěn)控制、圍巖與靴板之間的穩(wěn)定支撐、刀具低磨損以及裝備低能耗，遵循本文2.1節(jié)確定的基本原則，合理地借鑒和吸收國內(nèi)外巖體質(zhì)量分級(jí)方法，以及豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，構(gòu)建科學(xué)的、可量化的豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖分類指標(biāo)體系的基本框架，以期能夠?yàn)樨Q井掘進(jìn)機(jī)鑿井地層適應(yīng)性研判、地層預(yù)改性或防控技術(shù)的實(shí)施提供理論指導(dǎo)。

本研究構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系融合了“巖”與“機(jī)”2者的相關(guān)性和獨(dú)立性，分為巖石可切割性、圍巖自穩(wěn)性、地層控水性3項(xiàng)準(zhǔn)則層指標(biāo)以及所屬的13個(gè)基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基本框架見表1。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基本框架

2.3 圍巖分類綜合評(píng)價(jià)與計(jì)算方法

采用專家測(cè)評(píng)意見和工程施工經(jīng)驗(yàn)綜合分析的方法，確定全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖分類評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，見表2。

表2 評(píng)價(jià)體系各指標(biāo)權(quán)重

準(zhǔn)則層指標(biāo)參數(shù)權(quán)重的設(shè)置側(cè)重地層富水程度對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)是否適用的決定性，考慮豎井掘進(jìn)機(jī)破巖能力對(duì)裝備核心能力的重要性，兼顧圍巖自穩(wěn)性能對(duì)掘支協(xié)同和快速掘進(jìn)的關(guān)鍵性，并綜合考慮了不良地質(zhì)條件下圍巖質(zhì)量指標(biāo)人工改善的可行性和經(jīng)濟(jì)性，體現(xiàn)了技術(shù)進(jìn)步、安全掘進(jìn)和災(zāi)害防控難易程度并重的原則，指導(dǎo)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井施工實(shí)現(xiàn)地質(zhì)保障。指標(biāo)層基礎(chǔ)指標(biāo)參數(shù)權(quán)重的設(shè)置思路如下：

1)巖石可切割性參數(shù)下屬各指標(biāo)權(quán)重的設(shè)置側(cè)重巖體強(qiáng)度、質(zhì)量等客觀因素，降低豎井掘進(jìn)機(jī)裝備性能、材料等可提高、可優(yōu)化、可改善的主觀因素的影響。

2)圍巖自穩(wěn)性參數(shù)下屬各指標(biāo)權(quán)重的設(shè)置側(cè)重圍巖承載能力、巖爆傾向性等關(guān)鍵參數(shù)，節(jié)理和斷層構(gòu)造對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井功能影響相對(duì)較小，因而降低其指標(biāo)權(quán)重。

3)地層控水性參數(shù)下屬各指標(biāo)權(quán)重側(cè)重地層涌水量和地層水壓力指標(biāo)，通過地層改性技術(shù)實(shí)現(xiàn)地層涌水控制后，因而巖體滲透系數(shù)對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井功能影響相對(duì)較弱，所以降低滲透系數(shù)指標(biāo)權(quán)重。

本研究構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基本框架中各評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)，可通過室內(nèi)試驗(yàn)、地層探測(cè)、裝備監(jiān)測(cè)和工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等可行的技術(shù)手段獲得計(jì)算分析所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)“巖-機(jī)”相互作用下的圍巖條件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；為了便于考評(píng)和操作，每項(xiàng)指標(biāo)按照百分制方法進(jìn)行評(píng)判[25]，見表3。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)及取值

將表2中13個(gè)指標(biāo)層基礎(chǔ)指標(biāo)的權(quán)重向量作為列向量[ri]，將表3中13個(gè)指標(biāo)層基礎(chǔ)指標(biāo)的評(píng)分值向量作為行向量[wij]，分別獲得準(zhǔn)則層參數(shù)巖石可切割性、圍巖自穩(wěn)性和地層控水性的分類依據(jù)，計(jì)算方法為

(1)

(2)

(3)

根據(jù)式(1)—式(3)計(jì)算出的得分結(jié)果分別對(duì)準(zhǔn)則層指標(biāo)進(jìn)行分類，可劃分為有利、一般有利、適中、不利、很不利5類，見表4。

將表2中3個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重向量作為列向量[Ri]，將表4中3個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)的評(píng)分值向量作為行向量[Wij]，獲得全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖條件的綜合分類依據(jù)，計(jì)算方法為

表4 準(zhǔn)則層指標(biāo)分類結(jié)果

(4)

根據(jù)式(4)計(jì)算出的得分結(jié)果對(duì)全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖條件進(jìn)行分類，評(píng)判結(jié)果集為{Ⅰ類，Ⅱ類，Ⅲ類，Ⅳ類，Ⅴ類}={100～83.752，83.752～62.94，62.92～39.02，39.02～11.068，11.068～0}。

根據(jù)本研究構(gòu)建的全段面豎井掘進(jìn)機(jī)圍巖分類指標(biāo)體系與科學(xué)表征方法，評(píng)判全段面豎井掘進(jìn)機(jī)對(duì)于地層的適應(yīng)性：Ⅰ類圍巖條件可以直接采用豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井；Ⅱ類圍巖條件豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井需要對(duì)近刀盤圍巖進(jìn)行隨鉆支護(hù)；Ⅲ類圍巖條件豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井需要提前進(jìn)行地層預(yù)改性加固且掘進(jìn)過程中采用近鉆頭臨時(shí)支護(hù)；Ⅳ類圍巖條件在改良裝備、近鉆頭高強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)、地層預(yù)改性、圍巖超前支護(hù)等成套技術(shù)保障下依然需要謹(jǐn)慎采用；Ⅴ類圍巖條件不適合采用全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井。

3 圍巖分類指標(biāo)方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖評(píng)價(jià)方法的可行性和合理性，以我國首臺(tái)套導(dǎo)井式全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工程為樣本，對(duì)井筒穿越地層條件進(jìn)行綜合分類和評(píng)價(jià)。樣本為云南白鶴灘配套水電站出線豎井工程，采用MSJ5.8/1.6D型豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井直徑為5.8 m，深度為282.5 m，豎井掘進(jìn)機(jī)最大破巖能力達(dá)150 MPa，徑向支撐力8×300 kN，最大推進(jìn)力6 000 kN，最大轉(zhuǎn)矩1 000 kN·m。井筒待穿越地層0～41.4 m深為二疊系峨眉山組中風(fēng)化玄武巖，單軸抗壓強(qiáng)度為32.4～80.0 MPa，下部巖性為二疊系棲霞-茅口組弱風(fēng)化灰?guī)r，單軸抗壓強(qiáng)度范圍為42.2～53 MPa，完整巖心試樣經(jīng)測(cè)試為弱沖擊傾向性；井筒待穿越地層110 m處斷層少量發(fā)育，豎向裂隙較大，寬度10～50 cm，充填碎裂巖、方解石脈及次生泥；井筒待穿越地層58.5～106.8,141.7～175.3 m范圍內(nèi)，多處巖體破碎，完整性差，呈碎裂和鑲嵌結(jié)構(gòu)；井筒待穿越地層內(nèi)地下水總體不發(fā)育，以基巖裂隙水為主，局部可見沿構(gòu)造與節(jié)理面滲水；井筒待穿越地層無巖溶發(fā)育地層。

豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖綜合分類和評(píng)價(jià)時(shí)，將按照最不利原則，將上述豎井工程地質(zhì)條件和裝備性能條件參數(shù)輸入圍巖分類指標(biāo)和評(píng)價(jià)體系，由式(1)—(3)計(jì)算得到巖石可切割性評(píng)價(jià)結(jié)果為79.5分，屬一般有利類別；圍巖自穩(wěn)性評(píng)價(jià)結(jié)果為63.1分，屬適一般有利類別，但值得注意的是該值接近該類別的下限值；地層控水性的評(píng)價(jià)結(jié)果為95.75分，屬有利類別。由式(4)計(jì)算得到豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖條件綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為81分，屬Ⅱ類圍巖條件。因此，可通過提升優(yōu)化豎井掘進(jìn)機(jī)破巖能力，并配合近刀盤圍巖隨掘臨時(shí)支護(hù)后采用。指標(biāo)層各指標(biāo)取值與評(píng)分，如圖3所示。

1—單軸抗壓強(qiáng)度；2—巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)；3—巖心質(zhì)量RQD指標(biāo)；4—刀具磨蝕量；5—巖石破碎比能耗；6—圍巖承載能力；7—巖爆傾向性；8—節(jié)理間距；9—節(jié)理?xiàng)l件；10—斷層走向和傾向方向；11—井內(nèi)涌水量；12—地層水壓力；13—巖體滲透系數(shù)

經(jīng)鉆孔地質(zhì)探測(cè)、井下電視觀測(cè)結(jié)果，以及豎井掘進(jìn)機(jī)實(shí)際鑿井過程中揭露，豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井穿過破碎地層總厚度約80 m，并通過護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)近鉆頭圍巖、隨鉆隨噴臨時(shí)支護(hù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了日進(jìn)尺3.6～5.0 m；機(jī)械破巖顯著了降低了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，同時(shí)提高了井幫圍巖的自穩(wěn)性，保障了豎井掘進(jìn)機(jī)單日最高進(jìn)尺10.30 m的記錄，連續(xù)30 d掘進(jìn)進(jìn)尺159.97 m，成井偏斜率0.15%。實(shí)踐證明本研究構(gòu)建的全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)圍巖分類指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性，其評(píng)價(jià)結(jié)果反映了豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖條件存在的不足，并為后續(xù)地層圍巖控制、災(zāi)害防治、隨掘支護(hù)、圍巖永久支護(hù)等技術(shù)方案制定實(shí)施，以及豎井掘進(jìn)機(jī)裝備性能優(yōu)化升級(jí)提供了指導(dǎo)。

4 結(jié) 論

1)基于全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝特征，針對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井面臨的地質(zhì)難題以及地質(zhì)災(zāi)害防控措施的可行性，考慮豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井“巖-機(jī)”互饋?zhàn)饔孟聡鷰r巖石力學(xué)特性、裝備破巖能力、巖體構(gòu)造特征、圍巖與裝備相互支撐、地層防治水等因素的影響，提出全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖分類指標(biāo)選取原則，并構(gòu)建了巖石可切割性、圍巖自穩(wěn)性、地層控水性3個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)，以及所屬的13個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)的圍巖分類指標(biāo)體系框架。

2)全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，融合“巖”與“機(jī)”2者的相關(guān)性和獨(dú)立性，綜合專家測(cè)評(píng)和工程施工經(jīng)驗(yàn)確定了圍巖分類指標(biāo)體系權(quán)重，并采用模糊綜合評(píng)價(jià)和百分制方法量化基礎(chǔ)指標(biāo)，構(gòu)建了多維矩陣結(jié)構(gòu)圍巖分類評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，經(jīng)計(jì)算分析后將巖石可切割性、圍巖自穩(wěn)性、地層控水性劃分為有利、一般有利、適中、不利和很不利5類，進(jìn)而計(jì)算分析將豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖條件劃分為Ⅰ～Ⅴ類，評(píng)判了圍巖分類與豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井適應(yīng)性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并給出了可行的優(yōu)化改善措施。

3)以我國首臺(tái)套導(dǎo)井式全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工程為例，驗(yàn)證了豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖分類指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性和可靠性；實(shí)際掘進(jìn)過程中豎井掘進(jìn)機(jī)通過破碎地層時(shí)，通過采用近鉆頭圍巖護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)和隨鉆隨噴臨時(shí)支護(hù)，實(shí)現(xiàn)了日進(jìn)尺3.6～5.0 m，穩(wěn)定地層中單日最高進(jìn)尺10.30 m，成井偏斜率0.15%。

4)全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖分類指標(biāo)體系與科學(xué)表征方法，是基于豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井裝備性能、技術(shù)難度、工藝流程和地質(zhì)條件而研究制定的，對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)破巖掘進(jìn)、災(zāi)害防控、圍巖穩(wěn)定控制等技術(shù)方案的制定和實(shí)施具有指導(dǎo)作用；隨著鑿井裝備研發(fā)能力、制造水平、地層改性技術(shù)的提高和優(yōu)化，豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法將與之進(jìn)行修訂和完善。