荊國業(yè)，韓 博，劉志強(qiáng)

(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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)[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(jī)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(jī)械化鑿井施工等4個(gè)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(jiǎn)單、成本低、故障率低、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)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(xiǎn)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(dá)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(jìn)工藝、技術(shù)和裝備等方面取得進(jìn)展和突破，使地下空間開發(fā)向機(jī)械化、自動(dòng)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(jìn)更多使用機(jī)械破巖方式鉆進(jìn)，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(dá)到660m，最大鉆井直徑達(dá)到10.8m；反井鉆機(jī)鑿井法的最大鉆井深度達(dá)到562m，最大擴(kuò)孔直徑達(dá)到5.3m；掘進(jìn)機(jī)鑿井法，已研制出鉆井直徑5.8m有導(dǎo)井的豎井掘進(jìn)機(jī)[4，5]。平巷施工，煤巷實(shí)現(xiàn)了全斷面快速掘進(jìn)、掘支運(yùn)平行作業(yè)、遠(yuǎn)距離監(jiān)控操作、輔助作業(yè)機(jī)械化(部分)掘進(jìn)系統(tǒng)[6-8]；巖巷?5m和?3.2m全斷面掘進(jìn)機(jī)，已在煤礦成功應(yīng)用[9]。標(biāo)志著我國巷道全斷面掘進(jìn)技術(shù)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，但豎井全斷面掘進(jìn)還需要進(jìn)一步開發(fā)并予以實(shí)施。

1 井筒機(jī)械化鉆進(jìn)技術(shù)分析

井筒機(jī)械化鉆進(jìn)方法主要有：①采用豎井鉆機(jī)鉆進(jìn)形成井筒的鉆井法；②采用反井鉆機(jī)經(jīng)過正向?qū)Э缀头聪驍U(kuò)孔鉆進(jìn)形成井筒的反井鉆井法；③利用豎井掘進(jìn)機(jī)一次全斷面鉆進(jìn)形成井筒的掘進(jìn)機(jī)鉆井法。以上3種鑿井方法均以可控的機(jī)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(shí)現(xiàn)了“打井不下井”的施工工藝，具有安全性高等優(yōu)點(diǎn)[10，11]。包括：鉆井工藝、豎井鉆機(jī)、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(kuò)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(dá)不到40m，綜合成井速度較低，井筒施工深度有限，而且對(duì)于堅(jiān)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(jìn)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(diǎn)，通過大型反井鉆機(jī)研制、導(dǎo)孔鉆進(jìn)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(jī)可以實(shí)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)孔出露點(diǎn)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(shí)現(xiàn)隨擴(kuò)孔鉆進(jìn)對(duì)井幫進(jìn)行支護(hù)處理；③需要下部具有巷道。

因此，需要研究另一種機(jī)械化鑿井方法—豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井技術(shù)。

1.3 豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井技術(shù)

豎井掘進(jìn)機(jī)一種能夠?qū)崿F(xiàn)在空間和時(shí)間上掘進(jìn)和支護(hù)平行作業(yè)的綜合機(jī)械化裝備，可以使井筒機(jī)械化施工速度達(dá)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(jìn)機(jī)直接破巖鉆進(jìn)，排渣，并進(jìn)行支護(hù)，使用液力排渣的上排渣方式的全斷面掘進(jìn)機(jī)；或采用反井鉆機(jī)鉆進(jìn)導(dǎo)井作為溜矸孔，掘進(jìn)機(jī)擴(kuò)鉆成井，并進(jìn)行支護(hù)，使用導(dǎo)孔排渣的下排渣方式的部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)。豎井掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)破巖、排渣、井壁支護(hù)同時(shí)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?jǐn)嗝尕Q井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝與裝備

根據(jù)我國井筒工程特點(diǎn)，在豎井鉆井、反井鉆井和普通鑿井已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，筆者團(tuán)隊(duì)研究了適合豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的鑿井工藝，并研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有導(dǎo)孔的下排渣礦山豎井掘進(jìn)機(jī)。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(jìn)方式、掘進(jìn)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(jī)械化、自動(dòng)化、智能化奠定基礎(chǔ)，填補(bǔ)我國在礦山豎井掘進(jìn)機(jī)的空白，使井筒建設(shè)向綜合化、機(jī)械化、自動(dòng)化方向發(fā)展。

2.1 豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝

根據(jù)豎井工程和掘進(jìn)機(jī)特點(diǎn)，豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝，主要包括[20]：

1)導(dǎo)井鉆進(jìn)。采用BMC系列反井鉆機(jī)完成直徑1.2～1.8m的溜渣導(dǎo)井鉆進(jìn)，用于豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井時(shí)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(jìn)機(jī)和吊盤。

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

4)掘進(jìn)機(jī)拆卸及輔助設(shè)施安裝。掘進(jìn)完成后，先提出并拆除吊盤，并拆除鉆頭擴(kuò)展部分，再將豎井掘進(jìn)機(jī)整體提出地面，最后進(jìn)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(jī)、豎井掘進(jìn)機(jī)、新型井架、專用吊盤等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鑿井過程中的破巖、排渣、臨時(shí)支護(hù)、永久支護(hù)及鑿井輔助工作，形成部分?jǐn)嗝尕Q井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝，如圖1所示。

圖1 豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝

2.2 部分?jǐn)嗝尕Q井掘進(jìn)機(jī)組成

部分?jǐn)嗝尕Q井掘進(jìn)機(jī)主要包括鉆井裝備和輔助裝備兩部分[21，22]。

掘進(jìn)機(jī)鉆井裝備由鉆頭結(jié)構(gòu)、主機(jī)系統(tǒng)(支撐裝置、推進(jìn)裝置、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(jìn)機(jī)輔助裝備由提絞系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)等組成。

下排渣式部分?jǐn)嗝尕Q井掘進(jìn)機(jī)，主要針對(duì)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(jìn)出口和聯(lián)絡(luò)通道等。目前，已完成樣機(jī)研制及廠內(nèi)調(diào)試，正在云南以里河四級(jí)水電站進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)與應(yīng)用，為上排渣式全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)研制積累經(jīng)驗(yàn)。

3 全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井關(guān)鍵技術(shù)

全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)，利用機(jī)-電-液系統(tǒng)功能，進(jìn)行高效破巖、上排渣、姿態(tài)控制自動(dòng)鉆進(jìn)、井幫同步支護(hù)，實(shí)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(jī)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(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)井筒機(jī)械化施工時(shí)下部掘進(jìn)、排渣與上部支護(hù)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(jìn)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在歐美等少數(shù)發(fā)達(dá)國家，如德國海瑞克公司和美國羅賓斯公司。新型豎井掘進(jìn)機(jī)主要有切削破巖的下沉式豎井掘進(jìn)機(jī)(VSM)和滾壓破巖的撐靴式豎井掘進(jìn)機(jī)(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?jǐn)嗝尕Q井掘進(jìn)機(jī)。目前國內(nèi)尚無關(guān)于全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)的研究資料及工程應(yīng)用。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)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(bào)體系，刀具破巖效率，巖渣排出效果，提升和支護(hù)失效等因素。

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

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

3)破巖、排渣與支護(hù)是豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井的三個(gè)重要工序，對(duì)具有相互制約關(guān)系的三者實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合的研究是豎井掘進(jìn)機(jī)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(huì)造成罐道沖擊等安全隱患，因此井筒鉆進(jìn)方向的偏斜控制是豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井成敗的關(guān)鍵。

3.2 全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝與裝備研究方向

3.2.1 全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)地質(zhì)適應(yīng)性研究

豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)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(bào)體系。基于巖石本構(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(jìn)機(jī)鑿井井幫卸荷規(guī)律，利用圍巖與支護(hù)體協(xié)同作用，選擇合適的支護(hù)形式與支護(hù)方法。

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

深部微擾動(dòng)、高塑性巖層機(jī)械破巖機(jī)理尚不明確，研究深部條件下滾壓破巖機(jī)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(shí)現(xiàn)高效破巖，提高破巖效率。

3.2.3 高效清理及時(shí)排渣技術(shù)研究

上排渣是利用機(jī)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(jìn)機(jī)井底巖渣高效清理和及時(shí)排出技術(shù)，減少滾刀對(duì)巖渣的重復(fù)破碎，實(shí)現(xiàn)工作面高效破巖。

3.2.4 井幫安全控制及支護(hù)技術(shù)研究

不同于豎井鉆機(jī)、反井鉆機(jī)等傳統(tǒng)機(jī)械施工井筒方法采用的鉆掘完成后支護(hù)，掘進(jìn)機(jī)鑿井時(shí)掘進(jìn)與支護(hù)在井筒內(nèi)平行作業(yè)，井幫支護(hù)的及時(shí)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(jìn)機(jī)后部多功能輔助工作盤，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)支護(hù)和永久井壁的統(tǒng)一，不但能夠提高支護(hù)效率，而且能夠提高井筒內(nèi)的安全級(jí)別。

3.2.5 系統(tǒng)提升技術(shù)研究

掘進(jìn)機(jī)及相關(guān)配套重量達(dá)到300t，最大單件重量超過50t，在掘進(jìn)至井筒深部時(shí)，對(duì)于提升系統(tǒng)的要求極高、難度極大。研究掘進(jìn)時(shí)破碎巖渣、支護(hù)時(shí)各種物料、以及風(fēng)、水、電等管路的安全高效提升，是實(shí)現(xiàn)全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井的必要條件。

3.2.6 豎井掘進(jìn)機(jī)主機(jī)裝備研究

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

3.2.7 豎井掘進(jìn)機(jī)智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)研究

開發(fā)多電機(jī)剛性連接的同步驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、支撐推進(jìn)電液協(xié)調(diào)控制技術(shù)和地面遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)。研發(fā)破巖與排渣匹配控制系統(tǒng)、掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)高精度實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)、掘進(jìn)機(jī)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(dòng)沖擊條件下視頻信號(hào)、傳感器參數(shù)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和控制數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)穩(wěn)定可靠傳輸，解決設(shè)備控制與遠(yuǎn)程控制的融合，實(shí)現(xiàn)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工作面智能化、無人化。

3.2.8 豎井掘進(jìn)機(jī)定向鉆進(jìn)系統(tǒng)研究

研究豎井掘進(jìn)機(jī)激光導(dǎo)向和姿態(tài)調(diào)控相結(jié)合的定向鉆進(jìn)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(jìn)機(jī)軸線偏斜測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)豎井掘進(jìn)機(jī)的鉆進(jìn)狀態(tài)。充分利用豎井掘進(jìn)機(jī)支撐推進(jìn)系統(tǒng)特點(diǎn)，建立豎井掘進(jìn)機(jī)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(jìn)方向。

3.2.9 全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工業(yè)性試驗(yàn)

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

4 結(jié) 論

機(jī)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(jī)械破巖為核心的豎井鉆機(jī)、反井鉆機(jī)、掘進(jìn)機(jī)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(jī)械化鑿井方法。在機(jī)械破巖逐步取代爆破破巖成為井筒掘進(jìn)所采用的主要方法基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究豎井綜合機(jī)械化破巖、掘進(jìn)支護(hù)一體化的工藝、技術(shù)與裝備，是實(shí)現(xiàn)安全高效建井的保障。

通過全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵理論、技術(shù)及裝備研究，攻克破碎地層對(duì)掘進(jìn)機(jī)施工安全效率影響的難題，形成掘進(jìn)、排渣、支護(hù)相結(jié)合鑿井新工藝，提高和擴(kuò)大豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井的競(jìng)爭(zhēng)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(bǔ)我國全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)施工領(lǐng)域的空白。在提高井筒機(jī)械化掘進(jìn)裝備研發(fā)實(shí)力的同時(shí)，也可帶動(dòng)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。