譚 杰 劉志強(qiáng) 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(shè)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)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(chǎn)資源開發(fā)是國家產(chǎn)業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)支撐和有力保障。目前，我國礦產(chǎn)品產(chǎn)量快速增長，截至2019年礦業(yè)產(chǎn)值占我國GDP的比例達(dá)到7%，為國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了80%的原材料和95%的能源資源，在礦產(chǎn)品的生產(chǎn)和貿(mào)易方面均達(dá)到了世界第一［1］。然而，隨著對(duì)我國礦產(chǎn)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(xí)近平總書記在全國科技創(chuàng)新大會(huì)上指出“向地球深部進(jìn)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(shè)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(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的首要和關(guān)鍵工程。目前，礦山智能化建設(shè)技術(shù)已成為地下資源開發(fā)領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略方向，是推動(dòng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐［3］。其中，智能建井是我國礦山豎井發(fā)展的目標(biāo)和愿景，隨著我國礦產(chǎn)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(duì)更加復(fù)雜的地質(zhì)和工程難題，如深部復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、高地應(yīng)力、高地溫和高水壓等多場多相的地質(zhì)難題［4］，以及深大直徑井筒的破巖掘進(jìn)、圍巖支護(hù)、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(jí)礦山豎井鑿井工程的發(fā)展歷程與總體現(xiàn)狀，綜述了深孔爆破、排渣、提升、井壁支護(hù)等鉆爆法鑿井技術(shù)與工藝的發(fā)展現(xiàn)狀，以及機(jī)械破巖鉆井裝備與技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，凝練了我國礦山深豎井建設(shè)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(gòu)筑物，為深部資源開發(fā)提供了重要技術(shù)支撐和安全保障，同時(shí)，資源開采深度和開采量需求的增加倒逼深井建設(shè)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步［5］。

1.1 礦產(chǎn)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(jìn)入埋深1 500～2 000 m的深部開采階段［6-7］。根據(jù)對(duì)國內(nèi)煤礦和金屬礦山大量相關(guān)文獻(xiàn)和資料的不完全統(tǒng)計(jì)，我國千米級(jí)開采深度礦山統(tǒng)計(jì)結(jié)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(chǔ)量達(dá)550 t的超大型金礦。根據(jù)礦體成因特點(diǎn)，未來隨著勘探技術(shù)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(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)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(dá)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(huì)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(chǔ)量達(dá)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(tuán)孫村煤礦，開采深度達(dá)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(hào)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(chǎn)資源開采已成為資源供給的重要保障和支撐，地下礦產(chǎn)資源開發(fā)已經(jīng)正式進(jìn)入深地開采階段。

1.2 豎井鑿井深度

根據(jù)對(duì)國內(nèi)煤礦、金屬礦山建設(shè)情況和大量文獻(xiàn)的不完全統(tǒng)計(jì)，我國1970—2020年間建設(shè)的千米級(jí)豎井深度與建設(shè)年份的對(duì)應(yīng)關(guān)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(shí)近40 a的時(shí)間，而從1 200 m到1 600 m，僅用了10年時(shí)間；此外，在2005—2015年的10 a間，井筒深度在900～1 200 m范圍內(nèi)的豎井建設(shè)數(shù)量明顯增加；2012年后，以鉆爆法作為深井鑿井的主要技術(shù)與工藝，集中開發(fā)建設(shè)了一批1 500 m級(jí)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(huì)澤鉛鋅礦深度為1 526 m的3號(hào)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(shè)計(jì)井深1 600.2 m和1 560.37 m的主井和副井。根據(jù)發(fā)展需求和深井建設(shè)規(guī)劃，國家“十四五”期間深井建設(shè)深度有望突破2 000 m。礦山深豎井建設(shè)裝備、技術(shù)和工藝的不斷改進(jìn)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(chǎn)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(shè)計(jì)與建設(shè)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(xiàng)目對(duì)礦業(yè)領(lǐng)域給予的大力支持和我國礦井建設(shè)者廣泛而深入研究，豎井鑿井基礎(chǔ)理論不斷完善、鑿井裝備能力和技術(shù)不斷提升、鑿井工藝不斷改進(jìn)，為滿足大型礦井年產(chǎn)量的提升需求，千米級(jí)豎井直徑依然呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國1970—2020年間建設(shè)的千米級(jí)豎井直徑與建設(shè)年份的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出：千米級(jí)豎井從最初5～6 m的凈直徑發(fā)展到最大凈直徑達(dá)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(jié)法特殊鑿井技術(shù)和工藝，是目前我國凈直徑最大的豎井。該時(shí)期開展的大直徑豎井鑿井設(shè)備選型、井內(nèi)優(yōu)化布置和井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工等研究，使得千米級(jí)大直徑井筒建設(shè)技術(shù)與工藝滿足了我國大型礦井建設(shè)與年產(chǎn)量提升的要求，推動(dòng)了我國大型現(xiàn)代化礦山建設(shè)和發(fā)展。

1.4 豎井鑿井速度

豎井井筒在礦井建設(shè)中雖然僅占礦井建設(shè)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(duì)的高地溫、高地壓和高水壓等地質(zhì)環(huán)境條件和工程條件日趨復(fù)雜，豎井井筒占礦井建設(shè)總工期的比例也相應(yīng)增加［12］。經(jīng)過對(duì)鉆眼爆破、裝巖出渣、提升設(shè)備、穩(wěn)車懸吊、砌壁模板等豎井施工機(jī)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(shè)周期逐步縮短。

根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國豎井鑿井速度與建設(shè)年份的對(duì)應(yīng)關(guān)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(fēng)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(duì)近5 a的豎井鑿井速度統(tǒng)計(jì)分析，平均鑿井速度為88.3 m/月。根據(jù)工程實(shí)際調(diào)研和資料檢索分析結(jié)果，千米級(jí)豎井建設(shè)周期縮短到2～3 a，如金誠信施工的會(huì)澤礦3號(hào)豎井井深1 526 m，建設(shè)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(dá)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(shè)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(dá)188 m。由此可見，我國在深井基巖快速掘進(jìn)施工中深孔液壓鑿巖鉆架研制、深孔爆破技術(shù)研究、大型中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)和邁步式整體金屬模板設(shè)計(jì)研究等大型自動(dòng)化、機(jī)械化裝備能力和技術(shù)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(jié)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(guān)鍵技術(shù)與工藝，形成了豎井上部深厚富水沖積地層和風(fēng)化帶的凍結(jié)法輔助鑿井或鉆井法鉆井、結(jié)合下部基巖含水層地面預(yù)注漿施工的平行作業(yè)技術(shù)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(shí)現(xiàn)了豎井建設(shè)技術(shù)、工藝在時(shí)間、空間上的綜合合理利用，滿足了復(fù)雜地質(zhì)條件下深井鑿井需求。

2 鉆爆法破巖鑿井裝備技術(shù)與工藝現(xiàn)狀

目前，我國豎井建設(shè)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(jìn)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(fēng)管、安全梯等配套設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了掘砌一次成井技術(shù)與工藝，待豎井掘進(jìn)到底部后拆除鑿井設(shè)備，再進(jìn)行永久提升井架和井筒裝備施工［7］。

2.1 爆破破巖技術(shù)

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(jù)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(zhuǎn)換和出渣清底的次數(shù)越少，效率越高；但掘砌段高主要由鉆眼設(shè)備的鉆眼深度來確定，段高H應(yīng)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(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，在提高機(jī)械化程度、改進(jìn)掘進(jìn)技術(shù)和改善作業(yè)組織的前提下，應(yīng)力求加大孔深和增加循環(huán)次數(shù)。隨著掘進(jìn)機(jī)械化程度的提高和掘進(jìn)爆破技術(shù)的改善，當(dāng)達(dá)到一定循環(huán)指標(biāo)后，適當(dāng)?shù)乜刂蒲h(huán)次數(shù)、逐步增加孔深是合理的［16］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，炮孔深度、循環(huán)進(jìn)尺與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

根據(jù)豎井穿越地層巖土特性、地質(zhì)構(gòu)造、井筒斷面形狀、井筒直徑等條件，結(jié)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(shù)目、炸藥消耗量和爆破單位巖體的炸藥消耗量等爆破參數(shù)［17］。由圖5可以看出：隨著新型高效鑿巖機(jī)和先進(jìn)裝運(yùn)設(shè)備的研制和改進(jìn)，以及爆破技術(shù)和爆破器材質(zhì)量的提高，井筒掘進(jìn)的炮孔深度趨向增大。在20世紀(jì)70年代，由于當(dāng)時(shí)采用多臺(tái)手持式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)、YT型氣腿式鑿巖機(jī)、Y24型手持式鑿巖機(jī)等設(shè)備進(jìn)行鉆眼，受制于鉆具設(shè)備性能，鉆眼深度較小，炮孔深度一般不超過3 m，循環(huán)進(jìn)尺僅為1.5 m左右；20世紀(jì)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(dòng)傘形鉆或液壓傘鉆，并配備有YGZ-55型、YGZ-70型氣動(dòng)鑿巖機(jī)，炮孔深度可達(dá)4.2 m，循環(huán)進(jìn)尺提高至3.14 m；2010年以來，炮眼深度不斷增加，最深可達(dá)5.8 m，循環(huán)進(jìn)尺最高可達(dá)5.2 m；手持鑿巖機(jī)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(jī)、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(shí)現(xiàn)200 MPa堅(jiān)硬巖石地層的有效爆破破巖。同時(shí)，采用光面、光底、減震、弱沖中深孔爆破技術(shù)和分段擠壓爆破等方式［12］，減小了爆破破巖對(duì)圍巖的振動(dòng)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(jié)構(gòu)；同時(shí)，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(shè)備的工作效率。

2.2 排渣技術(shù)

鉆爆法施工豎井的排渣主要采用抓巖機(jī)和吊桶配合清底，抓巖機(jī)的裝巖能力與一次爆破巖石量密切相關(guān)。通常抓巖工序占整個(gè)鑿井作業(yè)循環(huán)時(shí)間的60%左右，抓巖機(jī)的性能直接影響鑿井速度［18］。隨著鑿井設(shè)備的發(fā)展，20世紀(jì)70年代初采用NZQ2-0.11型抓巖機(jī)，小型氣動(dòng)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(jìn)行排渣；經(jīng)過1974年3部豎井掘進(jìn)機(jī)械化會(huì)戰(zhàn)，研制出HH型、HZ型、HK型3種大型抓巖機(jī)和HS型長繩懸吊抓巖機(jī)。20世紀(jì)80年代，研制出斗容為0.4 m3、0.6 m3的6瓣和8瓣抓巖機(jī)，包括HZ-4型和HZ-6型中心回轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和規(guī)格的抓巖機(jī)，并配以1.5～3 m3的單鉤和雙鉤吊桶進(jìn)行排渣，采用的液壓抓巖機(jī)較先前的氣動(dòng)抓巖機(jī)減少了能耗，顯著提高了鑿井效率。20世紀(jì)90年代以后，研制出了HZ-6B型、DTQ0.6B型和HZ-10型中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)，機(jī)架回轉(zhuǎn)角度大于360°，斗容達(dá)到1.0 m3，配以MWY6/0.3型、MWY6/0.2型等小型挖掘機(jī)清底，排渣能力達(dá)到80 m3/h；研制出大容積、輕質(zhì)、高強(qiáng)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(jié)構(gòu)，降低了吊桶重心，降低了吊桶傾倒的風(fēng)險(xiǎn)，吊桶桶體材質(zhì)由Q345B調(diào)整為Q460C，吊桶梁選用35號(hào)鋼并加粗吊桶梁［15-18］。吊桶新型材料的應(yīng)用不僅提高了其強(qiáng)度，同時(shí)減輕了吊桶自重。

2.3 鑿井井架與提吊技術(shù)

在20世紀(jì)70年代及以前，曾先后利用木制、混凝土和輕型金屬井架結(jié)構(gòu)作為提升和懸吊結(jié)構(gòu)，研制出了Ⅰ～Ⅳ型標(biāo)準(zhǔn)劃分的鑿井井架，提升巖渣、施工人員和物料的提升機(jī)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(jì)80年代，經(jīng)過鑿井機(jī)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(jī)，同時(shí)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(shè)。20世紀(jì)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(jī)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(nèi)布置多套提升設(shè)備，容繩量最高可達(dá)2 000 m，提升能力最高達(dá)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(tái)尺寸滿足了井口施工設(shè)備、材料運(yùn)輸及天輪布置要求；同時(shí)，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(shù)

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(jī)和大容積提升吊桶的同時(shí)，研制并配備了大段高整體金屬模板和底卸式吊桶運(yùn)混凝土，形成的機(jī)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(zhuǎn)換時(shí)間少、施工速度快、作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度低、綜合機(jī)械化程度較高，顯著提高了豎井鑿井速度和質(zhì)量［12］。目前，砌壁使用最普遍的是MJY型系列整體移動(dòng)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(zhì)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(qiáng)、剛度大、變形小、立模拆模方便的特點(diǎn)。一掘一砌正規(guī)循環(huán)，井壁接茬少，井壁成形質(zhì)量好，砌壁時(shí)間從初始階段占循環(huán)時(shí)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(shè)施及懸吊的質(zhì)量，并利用液壓油缸和井壁梁窩實(shí)現(xiàn)了井筒內(nèi)鑿井裝備的無繩懸吊、邁步自調(diào)平［22］，同時(shí)采用大吊桶和大提升機(jī)，實(shí)現(xiàn)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(jí)深大豎井建設(shè)需求。

2.5 特殊鑿井技術(shù)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，建國以來不同時(shí)期的特殊鑿井井筒數(shù)如圖6所示。

沉井法鑿井作為掘進(jìn)支護(hù)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(shí)我國也是較早將機(jī)械破巖鉆進(jìn)和沉井法相結(jié)合的國家［23］。1970—1979年間，用沉井法施工的井筒達(dá)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(jié)法鑿井和鉆井法鑿井技術(shù)的成熟和發(fā)展，沉井法逐漸淡出礦山特殊鑿井舞臺(tái)。

為保障礦產(chǎn)資源持續(xù)供給，井筒建設(shè)數(shù)量和深度不斷增加，采用凍結(jié)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(jié)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(jié)方面，掌握了超高圍壓下地層凍土物理力學(xué)特性、深厚沖積層凍結(jié)壁設(shè)計(jì)、多圈孔凍結(jié)工藝、機(jī)械化施工與信息化監(jiān)控、深厚沖積層井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及高性能混凝土澆筑等關(guān)鍵技術(shù)與施工工藝，創(chuàng)造了凍結(jié)表土層深度754 m的世界紀(jì)錄［25］，此外，新巨龍煤礦東副井鑿井已落底正在進(jìn)行井筒裝備，凍結(jié)深度達(dá)到958 m（表土深度646 m）。通過對(duì)西部富水弱膠結(jié)地層凍結(jié)規(guī)律的研究，掌握了白堊系及侏羅系巖層的物理力學(xué)特性、凍結(jié)壁發(fā)展規(guī)律、單圈孔凍結(jié)工藝、控溫凍結(jié)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了西部弱膠結(jié)地層千米深井圍巖控制凍結(jié)［26］。西部典型的凍結(jié)法鑿井工程為華能慶陽煤電有限責(zé)任公司核桃峪煤礦已建成的副井井筒，基巖凍結(jié)深度達(dá)950 m；陜西高家堡煤礦西區(qū)進(jìn)風(fēng)井基巖凍結(jié)深度達(dá)990 m，是目前國內(nèi)凍結(jié)深度最深的落底井筒。

進(jìn)入21世紀(jì)后的煤炭建設(shè)黃金十年，隨著煤礦建設(shè)向深部延伸，建設(shè)速度要求提高，對(duì)水害治理、圍巖加固等技術(shù)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(shù)、深井L形鉆孔地面預(yù)注漿技術(shù)、井筒過采空區(qū)地面預(yù)注漿加固技術(shù)，并研制出配套的深井注漿裝備［27］，包括煤礦頂驅(qū)定向鉆孔專用鉆機(jī)、DX系列斜井鉆機(jī)、JD系列高精度小直徑陀螺測(cè)斜定向儀、YSB-350型液力調(diào)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(qiáng)水泥漿液、單液水泥基復(fù)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(xué)漿液等［28-30］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國有超過200座煤礦立井井筒采用了地面預(yù)注漿技術(shù)進(jìn)行堵水加固，最大地面預(yù)注漿深度達(dá)1 078 m，形成了千米深井注漿工藝及地層可注性評(píng)價(jià)體系。地面預(yù)注漿技術(shù)與工藝不但為普通鑿井提供了技術(shù)保障，同時(shí)也為機(jī)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(jī)鉆井以及豎井掘進(jìn)機(jī)等機(jī)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(shù)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(jié)法、注漿法等井筒圍巖改性方法，形成的凍結(jié)壁臨時(shí)帷幕和巖層注入膠凝材料結(jié)構(gòu)改性帷幕，隔絕了地下水和圍巖破碎對(duì)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(shí)現(xiàn)了“凍結(jié)—注漿—鑿井”三同時(shí)鑿井技術(shù)與工藝［7］，三同時(shí)平行作業(yè)縮短了整個(gè)建井周期的20%～30%，為我國大直徑、千米級(jí)深豎井快速鉆爆法施工提供了技術(shù)支撐。

3 機(jī)械破巖鉆井技術(shù)與工藝現(xiàn)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(fēng)險(xiǎn)大、通風(fēng)阻力大等難點(diǎn)問題愈加突出，機(jī)械化、無人化、信息化、智能化建井技術(shù)與裝備成為重要的發(fā)展趨勢(shì)，也是建井技術(shù)與裝備面臨的重大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。目前豎井鉆機(jī)鉆井最大深度達(dá)到660 m，鉆井成井直徑8.3 m；反井鉆機(jī)鉆井最大深度為562 m，鉆井最大直徑6 m；導(dǎo)井式下排渣豎井掘進(jìn)機(jī)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(dá)到千米級(jí)深度，但是隨著非爆破破巖鑿井技術(shù)、裝備能力和工藝的不斷發(fā)展和完善，必將推動(dòng)我國礦山豎井工程的智能化建設(shè)。

3.1 豎井鉆機(jī)鉆井技術(shù)

1960年以來我國豎井鉆機(jī)鉆井?dāng)?shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。我國豎井鉆機(jī)鉆井深度大于400 m的井筒參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。

20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行豎井鉆機(jī)鉆井鑿井技術(shù)資料收集、工藝研究、室內(nèi)試驗(yàn)及鉆井設(shè)備的選型與配套，并于1969年在淮北朔里南風(fēng)井完成了第一口采用豎井鉆機(jī)鉆井的井筒，采用ZZS-1型鉆機(jī)鉆井直徑為4.3 m、鉆井深度僅為92.5 m；初步形成了以機(jī)械破巖、泥漿護(hù)壁、壓氣反循環(huán)排渣、地面井壁預(yù)制、井壁懸浮下沉和壁后充填固井等技術(shù)工藝為主的豎井鉆機(jī)鉆井工藝體系［31］。20世紀(jì)70年代作為豎井鉆機(jī)鉆井技術(shù)發(fā)展的初期，主要有“技術(shù)基礎(chǔ)準(zhǔn)備”和“鉆井工藝現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)應(yīng)用”兩個(gè)主要階段，該時(shí)期應(yīng)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(hào)的豎井鉆機(jī)，共鉆成煤礦風(fēng)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(jì)80—90年代，為鉆井法鑿井的“技術(shù)裝備發(fā)展成熟階段”和“技術(shù)、裝備突破階段”兩個(gè)重要階段，在已有成型鉆機(jī)的基礎(chǔ)上又研制出了AS-9/500型、L-40/800型等鉆機(jī)型號(hào)，并成為豎井鉆機(jī)鉆井的主要鉆機(jī)類型，該階段采用豎井鉆機(jī)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(jìn)入21世紀(jì)后，通過“600 m深厚沖積層鉆井法鑿井技術(shù)”課題的研究和實(shí)踐，形成了“一鉆成井”和“一擴(kuò)成井”快速鉆井工藝［31-35］，研發(fā)了與鉆井工藝相適應(yīng)的超前鉆頭、擴(kuò)孔鉆頭、破巖滾刀用以提高鉆進(jìn)能力；針對(duì)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(fù)用為注漿材料等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鉆井泥漿零排放，大幅提高了豎井鉆機(jī)鉆井速度，減少了環(huán)境污染，解決了減少擴(kuò)孔次數(shù)的鉆頭結(jié)構(gòu)布置、滾刀耐磨和壽命低、深井鉆井井壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化、懸浮下沉井壁穩(wěn)定控制、壁厚高效充填等技術(shù)難題，形成了深厚沖積層鉆井工藝［36］，采用豎井鉆機(jī)鉆成了3條600 m以深的井筒，其中最大鉆井深度達(dá)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(hào)豎井鉆機(jī)，其中，動(dòng)力頭式的液壓驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)的AD130/1000型豎井鉆機(jī)鉆井直徑可達(dá)13 m、鉆井深度可達(dá)1 000 m，這標(biāo)志著我國豎井鉆機(jī)鉆井技術(shù)發(fā)展達(dá)到了一個(gè)新的高度。我國豎井鉆機(jī)鉆井部分典型工程如表1所示。

3.2 反井鉆機(jī)鉆井技術(shù)

20世紀(jì)80年代，針對(duì)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(xiǎn)性大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作效率低的問題，在“七五”國家科技攻關(guān)項(xiàng)目支持下，研發(fā)了LM-120型反井鉆機(jī)，主要用于鉆進(jìn)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(jī)鉆進(jìn)導(dǎo)井，再采用鉆爆法擴(kuò)大井孔與進(jìn)行井壁支護(hù)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(shí)現(xiàn)了反井工程施工的安全無人員傷亡事故［37］。20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，研制了LM-90、LM-200型硬巖反井鉆機(jī)與 ZFYD1200、ZFYD1500、ZFYD2500低矮型反井鉆機(jī)，其中ZFYD2500低矮型反井鉆機(jī)為當(dāng)時(shí)國內(nèi)最大直徑的反井鉆機(jī)，鉆井深度可達(dá)100 m，直徑2.5 m。

2005年以來，針對(duì)堅(jiān)硬巖石條件下反井鉆機(jī)裝備能力低導(dǎo)致鉆進(jìn)參數(shù)不合理、破巖滾刀壽命低、鉆進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)性差等問題，有針對(duì)性地研發(fā)了新型鋸齒形鉆桿絲扣聯(lián)結(jié)、多油缸推進(jìn)、多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等反井鉆機(jī)鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，研制了BMC300、BMC400、BMC500、BMC600型系列反井鉆機(jī)，其中，最大拉力可達(dá)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(qiáng)度達(dá)310 MPa的堅(jiān)硬巖石地層中鉆進(jìn)需求，可鉆進(jìn)導(dǎo)孔最大直徑350 mm、擴(kuò)孔最大直徑6.0 m、最大深度562 m的反井，反井鉆機(jī)裝備性能得到了大幅度提高。經(jīng)過持續(xù)的科研攻關(guān)和裝備研發(fā)，反井鉆機(jī)鉆井直徑從最初的1.0～1.2 m，發(fā)展到堅(jiān)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(kuò)孔鉆進(jìn)5.3～6.0 m；反井鉆機(jī)的鉆井角度方面，從最初反井鉆機(jī)鉆進(jìn)90°的立井，發(fā)展到反井鉆進(jìn)50°～75°的斜井；反井鉆機(jī)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(jī)鉆井典型工程如表2所示。

目前，在反井鉆機(jī)鉆井理論、技術(shù)、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(jiān)硬巖石等復(fù)雜地層條件下反井鉆機(jī)鉆井中的關(guān)鍵技術(shù)難題，創(chuàng)造出了下導(dǎo)上擴(kuò)式、上導(dǎo)下擴(kuò)式、上導(dǎo)上擴(kuò)式、直接上鉆式4種主要的反井鉆機(jī)鉆井工藝［38］。反井鉆機(jī)鉆井在礦山溜矸孔、人工凍結(jié)地層中鉆井、地面預(yù)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(fēng)井、地下儲(chǔ)油儲(chǔ)氣等地下工程的豎井工程中應(yīng)用廣泛，極大地推動(dòng)了地下工程建設(shè)的技術(shù)進(jìn)步。

3.3 豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井技術(shù)

我國“十二五”期間由北京中煤礦山工程有限公司承擔(dān)了國家“863”計(jì)劃中的“礦山豎井掘進(jìn)機(jī)研制”課題，從豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井施工新工藝、高效滾刀破巖技術(shù)出發(fā)，攻克了礦山豎井掘進(jìn)機(jī)在井筒內(nèi)狹小空間的合理空間結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置、高效大體積機(jī)械破碎巖石、大直徑鉆頭的空間結(jié)構(gòu)及滾刀布置、多臺(tái)剛性連接電機(jī)大扭矩旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的變頻器同步控制、大流量高精度電液比例控制、掘進(jìn)方向智能控制、關(guān)鍵部件及掘進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷、井筒內(nèi)特殊條件下的遠(yuǎn)程控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)與工藝難題，研制出國內(nèi)首臺(tái)（套）導(dǎo)孔式下排渣MSJ5.8/1.6D型豎井掘進(jìn)機(jī)［39-40］，并于2020年成功應(yīng)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(jìn)尺為10.3 m，平均進(jìn)尺達(dá)6.9 m。實(shí)踐證明，豎井掘進(jìn)機(jī)快速機(jī)械破巖、支護(hù)，具有機(jī)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(zhì)量好、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，礦山豎井掘進(jìn)機(jī)是大型現(xiàn)代化礦井建設(shè)機(jī)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(shì)

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(jīng)濟(jì)繁榮穩(wěn)定，研究深部千萬噸級(jí)礦井建設(shè)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)、研制智能裝備、研發(fā)新材料、探索新工藝成為必然趨勢(shì)。然而，我國深豎井工程面臨地質(zhì)精準(zhǔn)探測(cè)、巖爆防控、高溫防治、提升裝備系統(tǒng)、智能鉆井技術(shù)等重大挑戰(zhàn)。

4.1 深豎井地質(zhì)精準(zhǔn)探測(cè)

地質(zhì)環(huán)境精準(zhǔn)探測(cè)與地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)是地下工程共同的研究熱點(diǎn)與追求目標(biāo)。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(diǎn)，以及穿越地層具有的差異性、復(fù)雜性、不確定性和未知性等地質(zhì)特點(diǎn)，因而超深豎井面臨的建設(shè)難度更大，對(duì)此技術(shù)的需求也更迫切，特別是新建礦區(qū)的首批井筒建設(shè)，不具備井下實(shí)施各種物探測(cè)試技術(shù)的有利條件［41-42］。因此，地質(zhì)精準(zhǔn)勘探、原位巖土力學(xué)特性測(cè)試技術(shù)、地層透明化重構(gòu)技術(shù)是深豎井建設(shè)面臨的重大挑戰(zhàn)。應(yīng)重點(diǎn)突破高精度高密度全數(shù)字三維地震勘探、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造槽波地震探測(cè)、超前定向長鉆孔探查等先進(jìn)技術(shù)瓶頸，加強(qiáng)深部高地應(yīng)力、高滲透壓、高地溫等多場多相探測(cè)技術(shù)與基礎(chǔ)理論研究，實(shí)現(xiàn)豎井穿越地層的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提高鑿井工作面前方地質(zhì)條件解釋的準(zhǔn)確率。

4.2 深豎井巖爆防控

隨著豎井建設(shè)深度不斷增加，井筒穿越地層的原巖應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力也不斷升高，鑿井破巖擾動(dòng)易導(dǎo)致能量在巖體中演化聚集、突然釋放并發(fā)生巖爆災(zāi)害，嚴(yán)重威脅鑿井人員和裝備安全。如紗嶺金礦深井鑿井深度達(dá)到1 520 m時(shí)，最大主應(yīng)力達(dá)到45.56 MPa，井筒圍巖側(cè)壓力系數(shù)達(dá)到1.36，地應(yīng)力超過了一般工程巖體的抗壓強(qiáng)度。據(jù)各地統(tǒng)計(jì)資料，紅透山銅礦在深度1 137 m、會(huì)澤鉛鋅礦在深度1 400 m處均發(fā)生過較強(qiáng)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(shù)已成為深豎井建設(shè)面臨的重大挑戰(zhàn)之一。深豎井巖爆防控需重點(diǎn)研究井筒荒斷面形狀與尺寸優(yōu)化、擾動(dòng)較小的非爆破破巖新技術(shù)、井筒鑿井速度控制、非等厚井壁設(shè)計(jì)理論與施工技術(shù)、井筒圍巖超前卸壓技術(shù)等內(nèi)容，改善井筒圍巖與鑿井工作面前方的應(yīng)力聚集狀態(tài)，同時(shí)研究圍巖能量聚集、演化和動(dòng)能釋放過程理論［43-45］與監(jiān)測(cè)技術(shù)，提高巖爆災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)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?zé)岷θ找鎳?yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國部分豎井鑿井工作面溫度分布如圖9所示。

根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)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(shí)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(biāo)1℃，工人作業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率會(huì)下降7%～10%［46］。目前，智能化建井技術(shù)路徑主要以智能元器件的感知、數(shù)據(jù)傳輸、視頻監(jiān)控等監(jiān)測(cè)手段為基礎(chǔ)，然而以分布式光纖、智能轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)儀、設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀、井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)、防爆交換機(jī)等為代表的監(jiān)測(cè)設(shè)備，其正常工作耐高溫度一般為40～50℃；另一方面，深井建設(shè)過程中無論是液壓、氣壓或者電控的鑿井設(shè)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(dǎo)致監(jiān)測(cè)元器件和鑿井設(shè)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(chǎn)生膨脹、融化現(xiàn)象，導(dǎo)致炸藥失效和產(chǎn)生有毒物質(zhì)。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(dá)到11 MPa，水溫為49℃。在高地應(yīng)力和高水壓長期作用下深部井筒圍巖變形破壞嚴(yán)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(dǎo)致豎井鑿井面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

目前，深井降溫技術(shù)以機(jī)械制冷降溫和非機(jī)械制冷降溫的被動(dòng)降溫技術(shù)為主［8］。為了提高深井降溫效率，應(yīng)重點(diǎn)研究能夠阻斷工作面與周圍巖體熱交換通道的新技術(shù)、新材料和新工藝，研究深井圍巖改性、相變儲(chǔ)能支護(hù)結(jié)構(gòu)、隔熱支護(hù)材料和人工制冷協(xié)同井下降溫技術(shù)；同步研發(fā)耐高溫監(jiān)測(cè)元器件和鑿井設(shè)備構(gòu)件，提高井下掘進(jìn)設(shè)備、智能監(jiān)測(cè)設(shè)備和圍巖襯砌結(jié)構(gòu)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(jī)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(jié)構(gòu)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(shù)襯墊、高效閘控技術(shù)與裝備、摩擦提升機(jī)導(dǎo)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(duì)國家“十四五”期間深井建設(shè)深度有望突破2 000 m的戰(zhàn)略規(guī)劃，深井懸吊提升技術(shù)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(yùn)行平穩(wěn)，提升機(jī)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(yùn)行是深井建設(shè)面臨的重大挑戰(zhàn)之一，應(yīng)重點(diǎn)研制輕質(zhì)高強(qiáng)提升鋼絲繩、穩(wěn)繩和提升容器及其配套構(gòu)件，研發(fā)吊盤、管路等設(shè)備的井內(nèi)無繩吊掛技術(shù)，簡化鑿井井架懸吊布置。

目前，機(jī)械破巖鉆井技術(shù)和工藝中豎井鉆機(jī)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(jié)砂巖地層；而反井鉆機(jī)鉆井和導(dǎo)孔式豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井采用下排渣工藝，巖渣依靠自重下落到下部巷道內(nèi)，再由裝載設(shè)備裝入皮帶或礦車進(jìn)行排渣，要求豎井下部存在排渣空間的必要條件。因此，機(jī)械破巖深豎井鉆井技術(shù)裝備的研制與發(fā)展面臨上排渣技術(shù)與工藝創(chuàng)新的挑戰(zhàn)，應(yīng)重點(diǎn)研究液—固、氣—固、氣—液—固連續(xù)提升技術(shù)工藝與裝備，解決深部礦井提運(yùn)技術(shù)難題，同時(shí)為超深部原位流態(tài)化開采的顛覆性技術(shù)研究與應(yīng)用提供技術(shù)支撐［39］。

4.5 深豎井智能鉆井技術(shù)

目前隨著豎井建設(shè)逼近2 000 m深度，普通鉆爆鑿井技術(shù)在工程穩(wěn)定性、適用性和先進(jìn)性方面處于質(zhì)變拐點(diǎn)，極大地促進(jìn)了非爆破破巖鉆井技術(shù)向自動(dòng)化、數(shù)字化、清潔化和智能化方向不斷發(fā)展。2019年11月，陽煤集團(tuán)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(jìn)行了組網(wǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了礦井主巷道、運(yùn)輸巷道的5G信號(hào)覆蓋。同時(shí)，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(tái)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，礦山智能化建設(shè)已經(jīng)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(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)等高新技術(shù)與礦井建設(shè)技術(shù)的深度融合，實(shí)現(xiàn)礦井智能建設(shè)及其智能運(yùn)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(shè)及其智能運(yùn)營的全生命周期安全服役是一項(xiàng)涉及多技術(shù)領(lǐng)域和多組織生產(chǎn)部門的復(fù)雜而龐大的工程，主要技術(shù)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(yùn)行狀態(tài)智能調(diào)控，復(fù)雜環(huán)境下豎井掘進(jìn)機(jī)裝備智能制造與智能調(diào)控技術(shù)，深井智能掘進(jìn)環(huán)境監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)鉆進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)防控，深豎井井壁結(jié)構(gòu)與圍巖多場耦合作用智能監(jiān)控，井下多尺度多源數(shù)據(jù)融合共網(wǎng)傳輸、集成與智慧終端展示平臺(tái)等［3］。智能建井與井筒智能運(yùn)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(chǎn)經(jīng)營能力，推進(jìn)我國礦山智能化發(fā)展進(jìn)程。

5 結(jié)語

（1）我國礦山鑿井技術(shù)以快速高效、安全可靠為目標(biāo)，通過學(xué)習(xí)借鑒和自主研發(fā)，在地下工程巖土物理力學(xué)理論研究、井幫圍巖穩(wěn)定性控制、井壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鑿井裝備研發(fā)與制造、鑿井關(guān)鍵技術(shù)與工藝等方面取得了重大突破，滿足了1 500 m級(jí)深豎井安全建設(shè)的需求，實(shí)現(xiàn)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(jī)、反井鉆機(jī)和豎井掘進(jìn)機(jī)裝備及其各自適應(yīng)的鉆井技術(shù)與工藝，實(shí)現(xiàn)了由人工鉆鑿、鉆孔爆破到機(jī)械化破巖鉆進(jìn)的轉(zhuǎn)變，初步實(shí)現(xiàn)了無人化或少人化、機(jī)械化和信息化礦山豎井鉆井，為我國智能化礦井建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

（3）我國礦山2 000 m以深豎井建設(shè)應(yīng)重點(diǎn)攻克以豎井地質(zhì)精準(zhǔn)探測(cè)、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(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)為牽引，推動(dòng)千米級(jí)上排渣豎井非爆破破巖、精準(zhǔn)鉆進(jìn)、高效排渣和井壁支護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)工藝的智能監(jiān)控技術(shù)與裝備系統(tǒng)的發(fā)展，盡快推進(jìn)實(shí)現(xiàn)“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。