劉志強，陳湘生，宋朝陽?，程守業(yè)

1) 北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013 2) 礦山深井建設(shè)技術(shù)國家工程研究中心，北京 100013 3) 深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，深圳 518061

“深地、深海、深空、深藍”作為國家“決戰(zhàn)深部”的重大戰(zhàn)略任務(wù)，其中“深地”戰(zhàn)略關(guān)乎國家重要戰(zhàn)略資源和能源的開發(fā)利用，然而面臨深部堅硬巖石、高地溫、高地壓和高水壓等極端地層環(huán)境條件，導(dǎo)致對深部地層的認知相較于深空和深海的認知程度較低[1]. 因此，向地球深部進軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題，以滿足國家對戰(zhàn)略科技支撐的需求.

資源和能源是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)和支柱，礦業(yè)與能源工程科技是現(xiàn)代化世界強國建設(shè)戰(zhàn)略的重大需求. 目前，深地勘查或深部開采石油的鉆井深度已接近15000 m，世界上已鉆成超9000 m深井9口，超萬米特超深井3口，其中，最深鉆井為俄羅斯Sakhalin鉆井，達14600 m深，俄羅斯Odoptu OP-11油井深度為12345 m，美國在卡塔爾鉆成的阿肖辛油井深度為12289 m. 隨著我國石油鉆井技術(shù)裝備的不斷發(fā)展，我國西北油田順北55X井完鉆井深達到8725 m（亞洲陸上最深鉆井），順北鷹1井完鉆井深8588 m，順北5-5H井深8520 m，順北蓬1井深8450 m，順北評2H井深8433 m；此外，我國深部找礦鉆探在2000～3000 m深度已完成鉆孔170個，3000 m以上金屬探查孔2個，分別為膠東地區(qū)焦家斷裂帶鉆孔深3266.06 m和三山島斷裂帶鉆孔深4006.17 m，其中焦家斷裂帶鉆孔在2800 m以深探獲多層金礦體，是我國目前最深的見礦鉆孔[2]. 從國際資源開發(fā)現(xiàn)狀來看，石油、天然氣等油氣資源鉆探深度已超過萬米，主要因油氣資源屬于流態(tài)化開發(fā)，采用鉆機鉆井直徑小，人員不下井，而以井工開采的固體礦物資源開發(fā)深度遠不及油氣資源開發(fā)深度. 按照固體礦產(chǎn)資源賦存深度與環(huán)境條件以及資源的需求現(xiàn)狀，國內(nèi)外礦產(chǎn)資源開發(fā)已全面轉(zhuǎn)入深部開發(fā)階段，千米級深部資源開采已成常態(tài). 據(jù)統(tǒng)計，國外礦產(chǎn)資源勘查開采深度超1000 m的礦山有80余座，其中礦產(chǎn)開采深度在1000～2000 m的有60余座，2000～3000 m深的有12座，3000～4000 m深的有5座，開采深度超過4000 m的有1座；我國煤礦最大開采深度超1500 m，有色金屬礦山開采深度逼近2000 m[3]. 以現(xiàn)有的技術(shù)儲備來看，對于2000～5000 m深部固體礦物的大規(guī)模開采，依然需要依靠井工開采方式. 因此，礦井建設(shè)能力和技術(shù)水平在很大程度上制約了進入深地空間進行資源開發(fā)的步伐，亟需開展深部井巷工程建設(shè)新理論、新技術(shù)、新材料、新工藝等方面的攻關(guān)，以滿足裝備進入地下進行采、掘、運等生產(chǎn)活動的需求；對于5000 m以深的固體礦物資源的開發(fā)現(xiàn)有的技術(shù)儲備將完全失效，必須顛覆現(xiàn)有的礦物開采理論與技術(shù)，如借鑒油氣資源流態(tài)化開采模式或流態(tài)化提運模式. 因此，面對現(xiàn)階段2000 m以深國家資源能源戰(zhàn)略迫切需求，探索深地基礎(chǔ)前沿大科學(xué)問題，構(gòu)建深部礦井開拓模式與工藝，突破深部井巷建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)適應(yīng)深地復(fù)雜環(huán)境中井巷掘進重大裝備，既是保障國家深地資源和能源的安全開發(fā)與經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐，也是實現(xiàn)向地球深部“要資源，要空間”必須解決的科學(xué)技術(shù)問題.

隨著探明資源賦存深度的不斷增加，高溫?zé)岷Τ蔀樯畈抠Y源開發(fā)面臨的突出難題之一. 深地資源開發(fā)過程中地層溫度以平均30 ℃·km-1梯度增加，在地幔與地殼交界處平均厚度17 km，溫度達到500 ℃. 目前，國外開采深度最深的南非蘭德金礦開采深度為4530 m，工作面溫度達65 ℃；我國礦產(chǎn)資源開采深度已突破1500 m埋深，工作面最高溫度達53 ℃[4-5]. 因此，隨著深部開采深度繼續(xù)向下延伸，在達到一定臨界深度時，高地溫將導(dǎo)致現(xiàn)有的井巷建設(shè)技術(shù)工藝和裝備等將難以高效、安全、可靠和穩(wěn)定的工作；同時，隨著我國生態(tài)環(huán)境保護呈現(xiàn)高壓態(tài)勢，資源開采的生態(tài)環(huán)境約束將越來越嚴苛，致力于向綠色低碳轉(zhuǎn)型. 因此，從深部資源開發(fā)的安全、經(jīng)濟、綠色、智能等方面考慮，井工開采作為2000～5000 m深部固體礦產(chǎn)資源開發(fā)的主要方式，礦井建設(shè)模式正醞釀深刻變革，高溫地層井巷建設(shè)基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備、新材料和新工藝亟待發(fā)展或變革.

為推動資源與能源發(fā)展向綠色低碳轉(zhuǎn)型，解決深部高地溫環(huán)境下資源安全開發(fā)難題，蔡美峰院士提出了“深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采戰(zhàn)略”[6]，核心理念是將深部采礦與深部地?zé)衢_發(fā)相結(jié)合，充分利用礦產(chǎn)開采建設(shè)的井巷工程，在深部建設(shè)多水平巷道、360°分布的水平巷道，這與增強型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced geothermal systems，EGS）的小口徑鉆孔和通過水壓致裂形成的熱儲相比，可有效地大規(guī)模地提高熱儲建造的能力、成百上千倍地增加熱交換面積和地?zé)彷斔偷牧考?，不僅大幅度消減采礦降溫成本，同時增加礦產(chǎn)開采效益和地?zé)豳Y源開發(fā)利用效益，為解決深部采礦的經(jīng)濟性和可行性問題開辟了有效途徑.

深部高溫地層井巷工程是深地礦產(chǎn)資源和深部地?zé)峁膊蓱?zhàn)略實施的重要組成部分，即采用井巷建設(shè)技術(shù)與裝備從地表進入深部高溫堅硬地層中，為資源與地?zé)峁膊蓜?chuàng)造條件的工程，是保障深地資源安全、高效開發(fā)整個產(chǎn)業(yè)鏈的首要和關(guān)鍵工程. 本文在中國工程院《深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采戰(zhàn)略研究》重點咨詢項目的資助下，筆者基于高溫堅硬巖層井巷建設(shè)技術(shù)與裝備對深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采戰(zhàn)略支撐的關(guān)鍵需求，總結(jié)發(fā)展現(xiàn)狀、剖析面臨難題、分析關(guān)鍵技術(shù)群、研判重點攻關(guān)方向，以期為深部資源開采清潔化和地?zé)崆鍧嵞茉匆?guī)?；l(fā)展提供參考.

1 礦山井巷建設(shè)技術(shù)發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

1.1 鉆爆法井巷建設(shè)技術(shù)

鉆眼爆破法鑿井是我國礦山井巷掘進的主要施工方法. 鉆爆法鑿井方面，以深孔控制爆破破巖技術(shù)為核心，完善了短段掘砌鑿井工藝，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，實現(xiàn)了一次段高超5 m正規(guī)循環(huán)掘砌作業(yè)，具有提升高度1547.5 m、運行速度15.7 m·s-1、單次有效提升荷載53 t的能力[4]；鉆爆法鑿井輔以凍結(jié)法、注漿法等圍巖改性方法，解決了建井過程中地層涌水和圍巖失穩(wěn)控制等難題，創(chuàng)新“凍結(jié)-注漿-鑿井”時空協(xié)同作業(yè)技術(shù)與工藝，滿足了直徑8～12 m、1500 m以深豎井建設(shè)需求. 據(jù)不完全統(tǒng)計，我國近40余年來，礦山領(lǐng)域建成1000 m以深豎井150余條，其中，1300～1500 m深豎井15條，1500 m以深豎井7條；盡管受到礦產(chǎn)資源儲量和生產(chǎn)能力等因素的影響，井筒直徑建設(shè)并不是一味地追求大直徑，但千米級豎井成井直徑從最初6 m的已發(fā)展到10.5 m，月成井速度曾一度超過200 m[4]. 我國豎井建設(shè)深度與成井直徑發(fā)展歷程圖，如圖1所示.

圖1 我國豎井建設(shè)深度與直徑發(fā)展歷程圖[4]Fig.1 Development of shaft depth and diameter in China[4]

礦山巷道工程特別是巖巷，同樣以鉆爆法施工為主，現(xiàn)已全面采用機械化鉆孔取代人工鉆孔，以鑿巖臺車鉆孔爆破，裝巖機排渣及輔助運輸，形成“鉆爆支排”的整套機械化作業(yè)線；研發(fā)了多種氣動和全液壓型鑿巖機具，攻克了鑿巖臺車控制終端集中管控、巷道輪廓掃描、爆后輪廓重建、位姿控制、自動定位和自主行走等技術(shù)[7]，提高了鑿巖臺車自動化鉆爆施工巷道能力和效率.

不可否認鉆孔爆破井巷掘進技術(shù)為我國礦產(chǎn)資源開發(fā)與經(jīng)濟社會發(fā)展提供了重要支撐，但是也不可回避采用鉆爆法井巷掘進存在的問題. 首先，鉆爆鑿井施工存在難度大和風(fēng)險高等問題，如下井作業(yè)人員多、作業(yè)環(huán)境差、職業(yè)傷害嚴重，安全事故時有發(fā)生；其次，鉆爆法鑿井工序復(fù)雜、施工效率低，井筒建設(shè)工程量只占井巷工程總量的5%～7%，但受制于建井技術(shù)的不足，工期占到了井巷施工總工期的40%～50%；最后，鉆爆法施工炸藥爆破破巖產(chǎn)生大量的有害氣體，造成環(huán)境污染，以鉆爆施工深度1200 m、直徑8 m的井筒為例，需要消耗炸藥約200 t，排放到大氣中的CO、NO、NO2、N2O等有害氣體超過20000 m3. 綜上，盡管基于鉆爆法井巷掘進施工，部分企業(yè)研發(fā)了一些所謂的智能鑿巖、智能裝藥、智能排渣、智能支護和智能輸送等設(shè)備，但由于炸藥爆炸對設(shè)備、人員、圍巖及環(huán)境等的不利影響，國家對炸藥使用嚴格限制，現(xiàn)階段普通鉆爆法井巷建設(shè)技術(shù)顯然與礦山行業(yè)機械化、少人化、綠色化、智能化發(fā)展的總體趨勢不匹配、不協(xié)調(diào)，亟待進行非爆破破巖技術(shù)裝備的研發(fā)與攻關(guān).

1.2 非爆破機械破巖井巷掘進技術(shù)

機械高效破巖技術(shù)代替鉆眼爆破巖石技術(shù)，實現(xiàn)了連續(xù)、精準、可控破巖鉆進，機械破巖對井巷圍巖擾動較小、次生裂隙率降低，有效降低了透水、涌水等水害風(fēng)險；機械破巖掘進形成的斷面規(guī)矩，可避免超挖和欠挖現(xiàn)象，提高了井巷圍巖自穩(wěn)性能；機械破巖鑿井工藝相比于普通鉆爆法鑿井井下作業(yè)人減少約70%，降低了作業(yè)人員勞動強度和職業(yè)傷害.

1.2.1 豎井機械破巖鉆進技術(shù)與裝備

針對地層條件和工程建設(shè)條件，機械破巖大直徑井筒鉆井方面，研發(fā)了以豎井鉆機、豎井掘進機和反井鉆機為主的機械破巖鉆井裝備體系，攻克了鉆井地層預(yù)改性、富水軟巖地層鉆井圍巖穩(wěn)定控制、堅硬巖石大體積破碎、克服重力連續(xù)排渣、掘-支協(xié)同作業(yè)等關(guān)鍵技術(shù)與工藝，形成了機械破巖鉆井技術(shù)與裝備體系.

（1）豎井鉆機鉆井方面.

豎井鉆機鉆井方面我國處于國際領(lǐng)先水平，研制了L40/1000型、AD130/1000型和ZDZD-100型等豎井鉆機及配套裝備，鉆井直徑可達13 m、深度可達1000 m，形成了適用于深厚沖積地層和富水軟巖地層的“一擴成井”和“一鉆成井”快速鉆井技術(shù)工藝[8]，已完成最大鉆井直徑10.8 m，最深鉆井深度660 m的井筒.

（2）反井鉆機鉆井方面.

德國海瑞克研制的RBR900型反井鉆機和維爾特研制的G330SP型反井鉆機，設(shè)計鉆井深度可達2000 m，但尚無工程應(yīng)用案例[9]. 國內(nèi)北京中煤礦山工程有限公司研制的BMC100～BMC600型反井鉆機，完成了最大鉆井深度562 m和最大鉆井直徑6 m的井筒[10-11]，研發(fā)的BMC1000型反井鉆機，設(shè)計鉆井直徑7 m，鉆井深度1000 m.

（3）豎井掘進機鉆井方面.

國外豎井掘進機研發(fā)起步較早，研制了部分斷面和全斷面的導(dǎo)井式下排渣豎井掘進機、部分斷面和全斷面的上排渣豎井掘進機等裝備，典型代表有德國海瑞克研制的雙支撐截割滾筒式、全斷面式下排豎井掘進機以及截割式上排渣豎井掘進機，美國羅賓斯和齊尼公司分別研制了241SB-184型、VDS400/2430型全斷面上排渣豎井掘進機. 截止目前，國外豎井掘進機鑿井直徑約8 m、深度1000 m左右[12-13]. 北京中煤礦山工程有限公司研制了國內(nèi)首臺套MSJ5.8/1000/1.6D型豎井掘進機（金沙江1號），在云南以禮河水電站出線豎井工程應(yīng)用并完成國內(nèi)首個豎井掘進機鉆井工業(yè)試驗，掘進直徑5.8 m，深度282.5 m，單日最高進尺10.3 m；中鐵工程裝備集團有限公司研制了SBM/1000型全斷面硬巖豎井掘進機，在浙江寧海抽水蓄能電站完成了深度約198 m、直徑7.83 m鉆井工程.

我國現(xiàn)有豎井機械破巖鉆井裝備鉆井深度及適用范圍，如圖2所示. 目前，豎井機械破巖鉆井已形成了適用富水軟弱地層的豎井鉆機鉆井，反井鉆機和下排渣豎井掘進機鉆井適用具有下部排渣通道的鉆井工程，豎井掘進機鉆井受地層條件、破巖能力、鉆進技術(shù)和工藝的限制，與其他機械破巖鉆井均未突破千米深度，而目前采用普通法鑿井已經(jīng)突破1500 m. 我國的機械破巖鉆井技術(shù)與裝備依然處于研發(fā)起步階段，現(xiàn)階段亟需研發(fā)1000～2000 m深鉆井技術(shù)與裝備并完成工業(yè)性試驗，深豎井機械化掘進基礎(chǔ)理論、技術(shù)與裝備的研發(fā)和創(chuàng)新任重而道遠.

圖2 我國現(xiàn)有豎井機械破巖鉆井裝備適用范圍Fig.2 The scope of application of mechanical rock boring

1.2.2 斜井與巷道機械破巖掘進技術(shù)與裝備

（1）斜井與巷道部分斷面掘進方面.

以井工建設(shè)模式為主的礦山資源開采，遵循“采掘并重，掘進先行”的原則，巷道快速高效掘進，對礦山企業(yè)高效生產(chǎn)具有重要意義. 掘錨機組是在懸臂掘進機和連續(xù)采煤機的基礎(chǔ)上研發(fā)而成的掘錨一體化設(shè)備，可實現(xiàn)地層截割破巖、鉆錨臨時和永久支護的掘-支協(xié)同作業(yè)[14]. 國外具有代表性的掘錨機組有瑞典山特維克的MB670LH、MB670和MB670-1系列，美國久益公司的12BM18、12ED30和EJM2x170系列，德國波拉特的E230，英國安德森的KBⅡ和BJD的2048HP/MD，奧地利阿爾卑尼的AM30等. 我國從20世紀90年代開始在掘錨一體化快速成巷裝備領(lǐng)域進行了研究試驗，經(jīng)幾十年的研發(fā)和科技攻關(guān)，國內(nèi)研制的具有代表性的掘錨機組有三一重工的EBZ160-JM系列化掘錨機、兗煤黑豹的EBZ160MH錨護分離式掘護錨一體機、中煤科工集團太原院的EJM340/4-2H掘錨機、天巨重工的EJM270/4-2型掘錨機、鐵建重工的ZJM4200護盾式掘錨機及徐工基礎(chǔ)的EBZ260M-4H型掘錨機. 目前，適用巷道快速掘進的掘錨機組將掘、裝、運、錨、支等功能高度集于一體，結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好，實現(xiàn)了超前鉆探、遠程控制截割、可視化及高效除塵、截割軌跡在線監(jiān)測及掘錨護一體化等技術(shù)，并逐步向大功率、自動化和智能化方向發(fā)展. 然而現(xiàn)有的各種懸臂式部分斷面掘進機主要應(yīng)用于巖石強度較低的井巷掘進，且掘進斷面一般小于35 m2，在硬巖地層中掘進依然存在刀具耐磨性差、消耗量大、掘進效率低等問題.

（2）斜井與巷道全斷面掘進方面.

全斷面隧道掘進機（Tunnel boring machine，TBM）掘進技術(shù)與裝備在隧道工程應(yīng)用成熟后，近年來隨著TBM掘進技術(shù)的不斷提升和能源開發(fā)等領(lǐng)域需求的增長，TBM逐漸轉(zhuǎn)向礦山井巷工程施工，主要應(yīng)用于礦山軟巖地層斜井和井下巖巷掘進. 國家“十一五”科技支撐計劃示范工程“盾構(gòu)施工煤礦長距離斜井關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”，采用中國鐵建重工集團研制的單護盾TBM掘進機掘進神東補連塔煤礦2號副井，5.5°連續(xù)下坡，TBM掘進長度2718.2 m，開挖直徑7.62 m，平均月進尺546 m. 2021年陜西延長石油可可蓋煤礦主副斜井采用的中國鐵建重工集團研發(fā)的ZTT7130型敞開式全斷面TBM掘進機開始掘進，主副斜井設(shè)計傾角分別為5.6°和6°，單井TBM掘進長度超5000 m，是目前國內(nèi)煤系地層TBM正在掘進的最長斜井.我國煤礦平硐和井下近水平巷道建設(shè)采用TBM掘進的情況，如神華新疆澇壩灣煤礦副平硐采用中國鐵建重工集團研制的ZTE6460復(fù)合式TBM掘進，掘進長度6200 m，掘進直徑6.46 m；山東新巨龍煤礦采用初北方重工集團研制的QJYC063M全段面掘進機掘進，掘進巷道總長度約為10 km，掘進直徑6.3 m，環(huán)境作業(yè)溫度高達40 ℃. 綜上分析，我國已經(jīng)擁有大直徑礦山井巷全斷面掘進機掘進技術(shù)裝備與施工經(jīng)驗，初步形成了礦山井巷TBM掘進地層超前探測、高效破巖掘進、連續(xù)排渣、姿態(tài)控制、圍巖快速支護、裝備運行狀態(tài)監(jiān)控等成套技術(shù)體系，全斷面掘進機雖然能夠滿足硬巖地層破巖掘進需求，但是其掘進技術(shù)工藝與裝備需要克服地層涌水、地層破碎、斷層發(fā)育等復(fù)雜地質(zhì)條件，滿足巷道多變坡度、小半徑轉(zhuǎn)彎、超長距離等工程條件，實現(xiàn)“探-破-支-運”一體化快速掘進，從而為深部高溫地層井巷智能化掘進提供支撐.

1.3 智能化井巷建設(shè)技術(shù)

深部資源與能源共采戰(zhàn)略的實施過程中必然要秉持安全、高效、綠色、智能的理念. 目前，我國礦山井巷建設(shè)正經(jīng)歷鉆爆法掘進、機械化掘進、智能化掘進的發(fā)展路徑. 然而，智能化井巷掘進處于發(fā)展的初期階段，現(xiàn)有豎井鉆機、豎井掘進機、反井鉆機等鉆井技術(shù)與裝備，以及掘錨一體機、全斷面掘進機等巷道掘進技術(shù)與裝備，盡管已經(jīng)在一定程度上實現(xiàn)了掘進前方地層探測、破巖與排渣、掘進導(dǎo)向與裝備姿態(tài)調(diào)控、運行狀態(tài)監(jiān)控、圍巖與支護結(jié)構(gòu)監(jiān)控、井下人員與施工進度監(jiān)視等技術(shù)[15]. 但我們必須清醒的認識到仍存在的問題，如目前的智能化井巷掘進裝備水平不高、智能化技術(shù)體系不完整，智能化井巷建設(shè)不能被自動化、機械化建設(shè)能力混淆或被掩蓋.

首先，現(xiàn)有所謂的井巷智能建設(shè)系統(tǒng)存在“重監(jiān)測、輕控制”和“管理強、技術(shù)弱”等突出問題.現(xiàn)階段的自動化機械破巖井巷建設(shè)技術(shù)在一定程度上更多的還是爆破破巖技術(shù)的替代以及作業(yè)工人體力的延伸或替代，在復(fù)雜的礦井地質(zhì)條件下，特別是穿越富水地層或高應(yīng)力破碎地層時，必須隨時進行人工干預(yù)或者實施輔助技術(shù)或工藝才能完成安全掘進.

其次，深部井巷工程穿越地層條件具有多變性、復(fù)雜性和不確定性等特征，對掘進裝備和配套裝備的深度學(xué)習(xí)、分析與決策系統(tǒng)的研發(fā)及運行可靠度困難重重，自動化、機械化的井巷掘進裝備系統(tǒng)尚無法滿足智能感知、自主決策與智能調(diào)控的需求[5]；此外，井巷圍巖支護技術(shù)、設(shè)備、材料、工藝與智能化建設(shè)要求尚有很大差距.

其三，現(xiàn)有的智能化監(jiān)控技術(shù)存在“重建設(shè)、輕運維”的問題. 加快礦井智能化發(fā)展不應(yīng)僅體現(xiàn)在井巷智能化建設(shè)過程中，井巷工程服役期運維監(jiān)控技術(shù)的智能化也必然要列入礦山井巷智能化的藍圖中.

2 深部高溫地層井巷建設(shè)面臨的難題與挑戰(zhàn)

深部“礦-熱”共采戰(zhàn)略將深部高地溫導(dǎo)致的熱害轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫責(zé)崮茉?，實現(xiàn)“變害為利”，但深部資源能源開發(fā)不僅僅要面臨高地溫難題，同時要面臨地質(zhì)情況難確定、應(yīng)力環(huán)境更復(fù)雜、涌水溫度高和水量大等挑戰(zhàn)，復(fù)雜惡劣地質(zhì)環(huán)境將導(dǎo)致深部不良地質(zhì)治理難度加大、裝備性能受損、深井礦物提運效率降低、圍巖支護結(jié)構(gòu)劣化或失效、井巷施工成本增加、災(zāi)害和風(fēng)險率提高等一系列的井巷工程建設(shè)難題與挑戰(zhàn).

2.1 深部地層原位精準探識與透明化難題

深部地層原位探識與透明化重構(gòu)是開展深地礦物開采、地?zé)衢_發(fā)、深地空間利用和深地實驗室等活動的首要任務(wù). 可以說地層鉆探深度有多深，對深部地層的認知程度才能有多深，資源和能源的開發(fā)利用才有可能達到多深. 深部高溫地層原位精準探識技術(shù)是深部地層結(jié)構(gòu)探查與研究高溫巖體力學(xué)的根本保證，是研究深部高溫地層與淺部地層的產(chǎn)異性、變異性和不確定性的基礎(chǔ)手段，是實現(xiàn)深部地層透明化和深部高溫地層井巷工程規(guī)劃設(shè)計融合的先決條件，能夠為實現(xiàn)資源有效利用和能源開發(fā)提供安全可行的技術(shù)保障.

針對基于普通鉆探獲得的巖芯存在丟失大量原位信息的不足，謝和平院士提出了保壓、保溫、保質(zhì)、保濕、保光的“五?！比⌒緲?gòu)想[16]，經(jīng)科研攻關(guān)初步實現(xiàn)了取芯保壓能力超過100 MPa，溫度調(diào)節(jié)范圍-8.8 ℃～100.0 ℃. 然而基于鉆孔式的鉆孔窺視、光-電聯(lián)合、震-電聯(lián)合、重-磁聯(lián)合等探測方法，受制于探測深度與范圍、數(shù)據(jù)傳輸方式、反演算法等，深部遠距離地層構(gòu)造與多場多相分布探測維度和精度不足，大部分已有礦區(qū)三維地質(zhì)模型，在一定程度上是基于鉆探資料和三維地震勘探數(shù)據(jù)進行簡單疊加或進行數(shù)值計算反演后疊加，在探測精度和分辨率上并沒有真正的提高[17]，特別是對于新建礦區(qū)不具備井下探測條件時，距離真正意義上的地質(zhì)透明還有很大的差距.

2.2 深部不良地層改性難題

隨著資源開采深度的不斷增加，深部高溫井巷建設(shè)將面對斷層構(gòu)造、巖體破碎、高溫高壓水、高巖溶水、有害氣體等不良地質(zhì)條件，對于深部地層井巷掘進構(gòu)成嚴重威脅. 基于地層精準探測與透明化重構(gòu)技術(shù)，突破深部不良地層預(yù)改性技術(shù)，封堵地層高溫涌水和有害氣體，加固破碎圍巖體并提高工程圍巖穩(wěn)定性，是實現(xiàn)深部高溫地層井巷建設(shè)防災(zāi)減災(zāi)的重要保障技術(shù).

目前，礦山建設(shè)工程形成了以破碎地層注漿技術(shù)與富水地層凍結(jié)技術(shù)為主的地層堵水與加固的預(yù)改性技術(shù)，然而深部高溫地層特點導(dǎo)致低溫凍結(jié)技術(shù)難以有效實施，所以深井預(yù)注漿改性必然成為深部不良地層加固堵水的重要技術(shù)手段.現(xiàn)有的地面預(yù)注漿深度已達到垂深1100 m，造斜段水平段加固距離超過200 m，但是更深部地層的預(yù)改性治理，將使得鉆孔深度不斷增加. 然而深部鉆進堅硬巖石時跳鉆和鉆具磨損嚴重，常規(guī)螺桿等工具中橡膠件可耐高溫的數(shù)值通常僅120 ℃，隨鉆測量（MWD）等儀器的電子元件耐高溫極限為175 ℃，常規(guī)鉆孔液中蒙脫石在150 ℃以上溫度后會形成一種低標(biāo)號的水泥，這些對鉆孔軌跡測量、控制及鉆進速率提高造成困難；此外，高地層壓力導(dǎo)致漿液擴散范圍受限，超深預(yù)注漿鉆孔分支軌跡控制技術(shù)困難重重. 因此，靶域精準定向鉆孔、高溫地層鉆孔鉆具、深井高壓注漿裝備、綠色高性能注漿材料等成為深井不良地層預(yù)改性面臨的挑戰(zhàn).

2.3 深部高地溫防治難題

隨著深部地層井巷建設(shè)深度的不斷增加，高溫?zé)岷τ訃乐? 進入地下1000 m以深普遍溫度大于40 ℃，南非Mponeng金礦深度4359 m，地層溫度65 ℃，印度某金礦開采深度近3000 m時，地層溫度高達70 ℃；更有甚者，在我國云南會澤、山東巨野、膠東半島、河南秦嶺等地區(qū)的部分礦山500 m深地層溫度就超40 ℃[6]. 據(jù)不完全統(tǒng)計，我國部分豎井鑿井工作面溫度統(tǒng)計，如圖3所示.

圖3 鑿井深度與工作面溫度統(tǒng)計[4]Fig.3 Shaft depth and working surface temperature[4]

深部高溫濕熱環(huán)境將導(dǎo)致人員難以下井工作，鉆爆法施工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，并產(chǎn)生有毒物質(zhì)；井巷掘進采用的液壓、氣壓或者電控裝備，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)致裝備性能降低或無法正常工作；分布式光纖、智能轉(zhuǎn)速監(jiān)測儀、設(shè)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)控設(shè)備，其正常工作耐高溫度一般為40～50 ℃，高溫將導(dǎo)致監(jiān)測元器件失效；同時，井巷圍巖襯砌支護結(jié)構(gòu)高溫濕熱環(huán)境下易腐蝕劣化. 然而，隨著井巷開采深度增加，井下長距離輸送冷量損失較大，單純依靠機械制冷降溫成本較高，深部井巷建設(shè)與運維全生命周期的“降溫-隔溫-保溫”系列高溫防治技術(shù)亟待突破[5]. 根據(jù)地?zé)崮苜Y源利用分類，可分為水熱型地?zé)崮埽ǖ蜏? 90 ℃，中溫90～150 ℃，高溫>150 ℃）和干熱巖地?zé)崮埽囟?200 ℃），然而現(xiàn)階段我國中低溫地?zé)岚l(fā)電效率低等問題突出，這對“礦-熱共采”和“先采熱后采礦”技術(shù)方案都提出了更嚴苛的要求. 因此，深部地層高溫防治依然是井巷安全高效建設(shè)面臨的挑戰(zhàn).

2.4 深部高地應(yīng)力防治難題

隨著礦產(chǎn)資源開采深度的不斷增加，井巷穿越地層的原巖應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力不斷升高且更加復(fù)雜，深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化引起的應(yīng)力場、滲流場、能量場及變形場等多場耦合規(guī)律依然沿用淺部礦井建設(shè)理論分析顯然不科學(xué)；深部井巷建設(shè)過程中巖體的高度非線性、巖石脆延性轉(zhuǎn)換、強壓縮、高蓄能狀態(tài)下發(fā)生能量聚集、應(yīng)力釋放、圍巖變形和強烈瞬時動態(tài)破壞等各種力學(xué)行為與現(xiàn)象[18-20]，將對深部井巷建設(shè)與運維帶來諸多困難；同時，傳統(tǒng)基于線彈性地應(yīng)力測量理論和方法的可靠性和準確性都值得商榷和深入研究. 目前，我國礦山千米級開采深度發(fā)生較強巖爆的頻率、破壞程度明顯增加，嚴重威脅了井巷建設(shè)裝備和人員的安全.此外，深部高地應(yīng)力環(huán)境下地?zé)衢_采過程中，水壓致裂產(chǎn)生的裂隙易閉合，導(dǎo)致裂隙間不連通或形成短路，無法建成并保持足夠體積的熱儲，導(dǎo)致深部地?zé)崮荛_采效率降低. 因此，深部井巷建設(shè)過程中斷面形狀優(yōu)化、超前卸壓、恒阻大變形支護、非等厚井壁支護等高應(yīng)力誘導(dǎo)、能量調(diào)控和圍巖控制理論與技術(shù)是深部井巷建設(shè)必須解決的難題，從而提高巖爆災(zāi)害預(yù)測預(yù)報的準確性.

2.5 深井快速提升難題

深井物料與巖渣的快速提升技術(shù)與工藝，無論是鉆爆法掘進還是上排渣豎井掘進機鑿井、部分斷面或全斷面掘進機掘進工藝，都是礦山井巷建設(shè)過程中核心環(huán)節(jié). 現(xiàn)階段礦井建設(shè)過程中普遍采用摩擦輪多繩提升機，可滿足2000 m以淺的提升高度. 然而，隨著礦山井巷不斷向深部延伸，提升高度同步增加，現(xiàn)有的懸吊提升技術(shù)存在鋼絲繩自重占懸吊荷載比例大、提升鋼絲繩大擺動、提升容器大振蕩等難題；深井提升時穩(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，同時這也增加了提升鋼絲繩的斷絲風(fēng)險，導(dǎo)致鋼絲繩壽命急劇下降，嚴重影響提升系統(tǒng)高速高效安全運行，甚至難以運行.

為了克服摩擦輪多繩提升產(chǎn)生大擺動、大慣量、大振動等難題，何滿潮院士提出了以“頂部智能驅(qū)動與制動、中部剛?cè)狁詈陷p量化容器、底部自適應(yīng)尾繩導(dǎo)向”系統(tǒng)控制為核心的深井自適應(yīng)預(yù)應(yīng)力（Self-adapting pre-stressed，SAP）提升新模式[21]；英國的布雷爾研發(fā)出多繩纏繞式提升機，消除了深井提升機的提升尾繩. 但是這兩種提升方式仍然采用提升機鋼絲繩提升容器的提升方式，依然沒有實現(xiàn)提升方式的變革. 面對未來規(guī)劃2000～3000 m深度，甚至5000 m的深度依然存在提升困難的問題. 鑒于此，劉志強等[5]提出了豎井式斜坡螺旋分級提運技術(shù)構(gòu)想，采用資源多相流態(tài)化提升方式（圖4），在一定程度上解決深部資源提升難題具有可行性. 然而，采用豎井式斜坡螺旋分級提運，從理論上講必然存在一個極限提升高度，必須解決一次向上流態(tài)化提升高度. 因此，如何實現(xiàn)高效連續(xù)提升礦物和高效利用地?zé)豳Y源，成為深部礦井建設(shè)模式面臨的挑戰(zhàn).

圖4 豎井式斜坡螺旋分級提運技術(shù)構(gòu)想[5]. (a) 豎向螺旋模式; (b) 橫向螺旋模式Fig.4 Spiral graded lifting mode for deep vertical shaft slope[5]: (a) vertical spiral mode; (b) horizontal spiral mode

2.6 高性能掘進裝備制造難題

高性能井巷掘進裝備是深部井巷建設(shè)的利器，推動井巷掘進裝備制造技術(shù)向材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化的高性能設(shè)計制造，符合我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)《中國制造2025》的要求. 深豎井掘進裝備研制集地質(zhì)、機械、材料、力學(xué)、控制等科學(xué)于一體，需要解決地層探測與預(yù)報、堅硬巖石破碎、克服重力排渣、姿態(tài)與導(dǎo)向調(diào)控、掘進機支撐與推進、集中控制與運行監(jiān)控、隨掘支護、降溫、除塵、排水等一系列關(guān)鍵技術(shù)，研制輕量化、高性能、低能耗、高效率的掘進裝備，并借鑒電磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、信息工程等高新技術(shù)，不斷推進適用深井極端環(huán)境下智能掘進裝備研制是未來很長一段時間內(nèi)深部井巷建設(shè)面臨重大挑戰(zhàn).

目前，我國開展機械破巖豎井掘進裝備研制的單位主要有中國煤炭科工集團、中煤礦山建設(shè)集團和中信重工集團，以及從研制隧道或巷道掘進機方面轉(zhuǎn)型到研制豎井掘進機裝備的中國鐵建重工集團、中鐵工程裝備集團、中交天和機械設(shè)備制造有限公司等企業(yè). 整體而言，我國在豎井掘進裝備研制起步較晚，基礎(chǔ)研究短板依舊突出，原始創(chuàng)新能力仍顯薄弱，產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈協(xié)同不足，更多的是對國外已有裝備的改造和升級. 因此，深部高溫地層中井巷安全、高效、綠色、智能化建設(shè)，首要任務(wù)是研制高精度、高可靠、高效率、綠色化、智能化的高性能掘進裝備.

3 深部高溫地層井巷建設(shè)重點發(fā)展方向

3.1 深部井巷工程建造優(yōu)先發(fā)展任務(wù)

以我國2000 m以深地層“礦-熱共采”戰(zhàn)略開發(fā)為背景，針對深部高溫堅硬巖石地層井巷建設(shè)面臨的高巖石硬度、高應(yīng)力、高地溫、高水壓、超井深等導(dǎo)致的重大難題，結(jié)合我國目前深部井巷建設(shè)地質(zhì)探查、井巷開拓方式、掘進技術(shù)裝備和工藝等方面的現(xiàn)有能力和綜合水平，提出了我國深部高溫堅硬巖層井巷建設(shè)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略（圖5），為實現(xiàn)深部復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下安全、高效、綠色、智能化建設(shè)深地工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展目標(biāo)，確定以下3個優(yōu)先發(fā)展任務(wù)：深部高溫地層井巷建設(shè)地質(zhì)保障系統(tǒng)，深部高溫地層井巷建設(shè)模式與規(guī)劃，深部高溫地層井巷建設(shè)成套技術(shù)與裝備.

圖5 深部高溫堅硬巖層井巷建設(shè)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略示意Fig.5 Technical development strategy of shaft and roadway construction in deep high-temperature rock strata

3.1.1 深部高溫地層井巷建設(shè)地質(zhì)保障系統(tǒng)

深部高溫地層井巷建設(shè)地質(zhì)保障系統(tǒng)需要以提升深部礦體資源和地?zé)崮茉传@取能力為導(dǎo)向，構(gòu)建“探-識-防-治”地質(zhì)保障技術(shù)體系. 發(fā)展深部高溫地層地質(zhì)和地應(yīng)力環(huán)境探測新理論、新方法和新技術(shù)等，探識技術(shù)由鉆探向物探化轉(zhuǎn)變[17]，利用高分辨三維地震勘探、隨鉆探測等技術(shù)，精準探測地層構(gòu)造、有害氣體、突水災(zāi)害等分布與狀態(tài)，確定隱患災(zāi)害靶域；研究災(zāi)源災(zāi)變演化規(guī)律以及深部地質(zhì)風(fēng)險判識理論；構(gòu)建多尺度多維地層透明化重構(gòu)的理論體系；基于地質(zhì)精準探識成果和透明化地質(zhì)模型，提出不良地層改性技術(shù)與方法，構(gòu)建深部動力災(zāi)害防治新技術(shù)體系，從而為深部高溫地層井巷建設(shè)提供地質(zhì)保障.

3.1.2 深部高溫地層井巷建設(shè)模式與規(guī)劃

在深部高溫地層探識與透明化重構(gòu)研究成果的基礎(chǔ)上，遵循安全性、可行性、適應(yīng)性、經(jīng)濟性的原則，開展深部高溫井巷工程整體規(guī)劃、建設(shè)模式及工藝適宜性研究，不僅要突破超深井立井懸吊提升的技術(shù)瓶頸，同時也要實現(xiàn)礦產(chǎn)資源與地?zé)崮茉吹某浞珠_采和利用. 根據(jù)深部礦產(chǎn)資源與地?zé)崮茉吹姆植家?guī)律和賦存狀態(tài)，充分發(fā)揮規(guī)劃與設(shè)計的引領(lǐng)作用，分類型、分層次、分階段規(guī)劃深部井巷建設(shè)模式，整體規(guī)劃、協(xié)調(diào)推進、分步實施“礦-熱共采”戰(zhàn)略. 現(xiàn)階段發(fā)展可按照以下路徑逐步開展，對于1000～2000 m深度以井工方式進行礦產(chǎn)資源開采為主；對于2000～4000 m深度先采用鉆孔方式采熱，后以井工方式采礦為主；對于4000 m以深主要以鉆孔式地?zé)衢_采為主. 針對深部礦井開拓模式而言，僅采用斜井開拓具有建設(shè)工程量大、技術(shù)難度高、經(jīng)濟性差等缺點，可開展“上豎井+下斜井”、“上斜井+下豎井”以及“豎井式斜坡螺旋”等多種井巷建設(shè)模式研究，提出多水平、多角度、分級建設(shè)深部高溫地層井巷開拓與延伸方案，構(gòu)建井巷開拓與地?zé)徙@孔高效換熱的協(xié)調(diào)理論模型，實現(xiàn)“礦-熱共采”戰(zhàn)略下井巷工程共建、共用、共存，保障深部高溫地層井巷建設(shè)過程中巖渣和物料連續(xù)高效運輸，以及運營期礦產(chǎn)資源和地?zé)豳Y源的高效提升.

3.1.3 深部高溫地層井巷建設(shè)成套技術(shù)與裝備

針對深部井巷建設(shè)穿越地層的復(fù)雜性、多變性和不確定性等難題，重點研究深部高溫堅硬巖石機械破碎為主、新型破巖方式為輔的聯(lián)合破巖方法，研制耐磨、耐高溫的大體積破巖刀具，研發(fā)基于掘進工作面巖渣分布規(guī)律的高效排渣方法與裝置，研發(fā)高強刀盤結(jié)構(gòu)、智能換刀裝置與技術(shù)；研發(fā)長期濕熱、高壓條件下深部高溫地層工程圍巖控制理論、支護方法與新型材料；突破隨掘隨探、地層改性、高效破巖、連續(xù)排渣、精準鉆進、圍巖控制、穩(wěn)定支護、降溫除塵、堵水排水、環(huán)境感知、風(fēng)險防控等關(guān)鍵技術(shù)，提出井巷復(fù)雜掘進裝備機構(gòu)系統(tǒng)建模、性能評價、位姿調(diào)控、智能反饋、集中控制等一體化設(shè)計理論與方法，研制適應(yīng)深部極端環(huán)境的井巷硬巖掘進機及配套裝備，或小轉(zhuǎn)彎半徑的井巷掘進一體機，形成井巷建設(shè)過程中“掘-排-支-控-運-監(jiān)”的成套技術(shù)與裝備體系，提高深部高溫地層井巷建設(shè)技術(shù)與裝備能力以及工程結(jié)構(gòu)耐久性和穩(wěn)定性，保障安全、高效、穩(wěn)定和持續(xù)地進行礦產(chǎn)開采與地?zé)崮荛_發(fā).

3.2 深部高溫井巷建設(shè)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)體系

隨著地球科學(xué)的發(fā)展和礦井工程的深延，深部高溫環(huán)境下井巷建設(shè)基礎(chǔ)理論研究已涉及越來越多的學(xué)科領(lǐng)域并越來越受到重視，成為解決深部高溫巖層中工程建造技術(shù)問題、工程問題的基礎(chǔ)支撐和重要途徑，也是一個新挑戰(zhàn). 深部高溫環(huán)境下井巷建設(shè)基礎(chǔ)研究，包括為了認識深部高溫地層和熱能利用而進行的巖石物理力學(xué)、熱物理特性和破碎機理等基礎(chǔ)科學(xué)規(guī)律研究，以及為保障深部高溫環(huán)境中井巷建設(shè)過程中高效安全的掘進、降溫-隔溫-保溫、圍巖控制等技術(shù)難題進行的應(yīng)用基礎(chǔ)研究. 圍繞深部高溫地層井巷建造優(yōu)先發(fā)展的3大任務(wù)，凝練出深部高溫環(huán)境下井巷建設(shè)涉及的8項基礎(chǔ)理論與技術(shù)的重點研究方向.優(yōu)先發(fā)展任務(wù)與研究方向間的邏輯關(guān)系，以及深部高溫地層井巷建設(shè)基礎(chǔ)理論與技術(shù)研究體系，如圖6所示.

圖6 深部高溫地層井巷建設(shè)基礎(chǔ)理論與技術(shù)研究體系Fig.6 Basic theory and technology of shaft and roadway construction in deep high temperature stratum

3.2.1 深部地層原位探識與透明化重構(gòu)

基于深部地層探識技術(shù)，認知深部地層演化科學(xué)規(guī)律，構(gòu)建礦井地質(zhì)透明化，是深部工程建設(shè)的先決條件. 重點開展探識深部巖體原位力學(xué)行為，探究深部巖體非穩(wěn)定變形、臨界破壞狀態(tài)、觸發(fā)條件和能量演化規(guī)律；研究巖體力學(xué)及多場多相滲流理論，揭示巖體力學(xué)及多場多相耦合作用的力-能、力-構(gòu)演化規(guī)律；建立多維地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫，提出反演重構(gòu)地質(zhì)模型的理論和方法，提高“礦-熱”共采地質(zhì)透明化水平.

3.2.2 深部高溫地層井巷建設(shè)工藝適應(yīng)性

基于深部地層精準探識與透明化重構(gòu)技術(shù)，研究深部高溫地層井巷工程開拓模式與工藝適應(yīng)性，即能夠獨立開展研究又能夠與其他井巷建設(shè)技術(shù)協(xié)同開展. 重點研究基于井巷掘進機掘進功能的井巷工程空間布置設(shè)計理論和方法；研究深部高溫復(fù)雜地層井巷掘進機掘-支與地層改性平行作業(yè)時空關(guān)系，形成探、破、裝、運、支和地層處理等工序平行作業(yè)工藝；提出井巷建設(shè)與地面設(shè)備適應(yīng)性選型與配套方法.

3.2.3 深部高溫巖體非爆破破巖

針對深部高溫巖石硬度大、研磨性強、可鉆性差等高效破碎難題，研究高溫和溫變條件下巖石宏細觀物理力學(xué)特性[22]，以及溫度對巖石破壞模式的影響機制，研究高溫巖石可鉆性，基于“巖-機”互饋作用構(gòu)建圍巖分類和分級評價方法[23]；研究齒形滾刀機械破巖機理，以及機械與高壓水射流聯(lián)合破巖機制，研發(fā)激光破巖、熱-機碎巖、貫通錐形斷裂破巖、等離子體破巖、微波破巖、粒子沖擊破巖等新型破巖技術(shù)并向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化.

3.2.4 深部井巷建設(shè)連續(xù)提升

針對深部礦井建設(shè)和開采過程中固體資源與巖渣采用非連續(xù)箕斗提升機方式，制約提升能力和高運營成本的難題，在懸吊提升機和帶式輸送機輸送機的基礎(chǔ)上，研發(fā)諸如磁懸浮箱式提升、多相流體管道提升等提升技術(shù)裝備與工藝，重點研發(fā)適用流態(tài)化輸送的固體礦物井下分選方法與技術(shù)，研究多相流動理論，確定并優(yōu)化多相流管道直徑、提升高度、多相比、多相流速等參數(shù)，建立低能耗高效連續(xù)提升模式，為超深部原位流態(tài)化開采的顛覆性技術(shù)進行技術(shù)與裝備的探索奠定基礎(chǔ).

3.2.5 深部地層預(yù)改性與圍巖長期穩(wěn)定控制

針對超深井復(fù)雜地質(zhì)條件下地層涌水、巖體破碎和高應(yīng)力下巖體變形破壞、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等問題，研發(fā)超深井地面定向鉆孔與曲線鉆孔技術(shù)，研究深部不良地層劈裂注漿和高壓噴射注漿等注漿理論，研發(fā)具有耐高溫、低固相、低導(dǎo)熱性的綠色注漿材料；研發(fā)與破巖掘進相適應(yīng)的不良地層近工作面快速模塊化支護技術(shù)與工藝；研究多相多場耦合條件圍巖體力-能演化規(guī)律與變形破壞特征，研發(fā)耐高溫、耐腐蝕、高強度、高韌性復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)與材料，建立深井工程“地層改性-斷面優(yōu)化-應(yīng)力調(diào)控-圍巖支護”的圍巖穩(wěn)定協(xié)同控制技術(shù)體系，提高圍巖的自承載和自穩(wěn)定能力，滿足深部井巷工程支護體系達到高強抗壓和防滲堵水的需求.

3.2.6 深部高溫地層井巷建設(shè)熱害治理

深部高溫地層可分為水熱型和干熱型，根據(jù)礦體成因特點，“礦-熱共采”地?zé)嵩粗饕獮樗疅嵝? 應(yīng)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(shù)、新材料和新工藝，闡明新型相變儲能材料隔熱的熱交換機制，研發(fā)耐高溫、耐腐蝕的隔熱材料；研究深井圍巖改性、相變儲能支護結(jié)構(gòu)、隔熱支護材料和人工制冷協(xié)同的井下降溫技術(shù)等，形成“降溫-保溫-隔溫”聯(lián)合的深井圍巖注漿、支護結(jié)構(gòu)和人工降溫三位協(xié)同的熱害治理技術(shù)體系，實現(xiàn)低能耗降溫技術(shù)與工藝.

3.2.7 深部高溫地層井巷裝備感知融合技術(shù)

針對深部復(fù)雜多變的地質(zhì)條件對井巷掘進裝備的掘進效率和安全造成的影響，重點開展“巖-機”相互作用下裝備掘進狀態(tài)與地質(zhì)環(huán)境信息感知技術(shù)研究[24]，包括研究裝備隨掘工作面前方探測、刀具磨損、裝備姿態(tài)、掘進方向、裝備性能等掘進裝備與運行狀態(tài)感知；同步開展研究井巷掘進過程中工作面涌水、有害氣體、工作溫度等環(huán)境條件感知，以及基于圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用的耦合機理，研究工程圍巖體與支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形特征信息感知；構(gòu)建井巷裝備掘進全過程信息的采集系統(tǒng)[25]，形成裝備、圍巖、結(jié)構(gòu)、環(huán)境等綜合感知技術(shù)體系，實現(xiàn)掘進進度、風(fēng)險、質(zhì)量等關(guān)聯(lián)性分析與自主決策，保障裝備掘進過程中風(fēng)險可預(yù)、可識、可防、可控.

3.2.8 深部高溫地層井巷掘進裝備智能控制技術(shù)

深部高溫地層井巷掘進集超前探測、破巖、排渣、支護、導(dǎo)向等功能于一體并協(xié)調(diào)運行與控制的技術(shù)體系，是未來井巷智能化掘進裝備發(fā)展的重大需求[26-27]. 重點研究井巷全斷面掘進機支撐、推進與驅(qū)動協(xié)同模塊化設(shè)計方法；研究掘進機姿態(tài)精準調(diào)控機制和算法，基于以激光導(dǎo)向為主，結(jié)合掘進機姿態(tài)感知數(shù)據(jù)，研發(fā)激光+傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，并通過控制撐靴位置和調(diào)向油缸實現(xiàn)掘進過程方向控制；突破感知數(shù)據(jù)無線傳輸與遠程控制技術(shù)，研發(fā)井巷掘進裝備智能控制系統(tǒng)平臺.

4 結(jié)論

深部高溫地層井巷工程為深部礦產(chǎn)資源開采與地?zé)崮荛_發(fā)利用提供了經(jīng)濟可行的技術(shù)途徑，是保障深地資源安全、高效開發(fā)整個產(chǎn)業(yè)鏈的首要和關(guān)鍵工程. 開展深部井巷工程建設(shè)跨學(xué)科交叉融合的基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)問題研究，創(chuàng)新深部井巷建設(shè)模式，協(xié)同攻關(guān)核心裝備研制，將為深部“礦-熱共采”戰(zhàn)略安全經(jīng)濟實施提供重要支撐.

(1) 深部地質(zhì)條件與淺部相比更加錯綜復(fù)雜，災(zāi)源探識不明，致災(zāi)機理不清，對礦井建設(shè)設(shè)計施工中的風(fēng)險辨識和災(zāi)害防控帶來很大挑戰(zhàn). 應(yīng)首先開展深部地層應(yīng)力場、滲流場、溫度場等多場原位探測及多場耦合機理研究，提高對深部地層風(fēng)險和隱秘災(zāi)源的判識能力，突破基于多維地層信息融合的地質(zhì)透明化重構(gòu)技術(shù)，構(gòu)建“探-識-防-治”地質(zhì)保障技術(shù)體系.

(2) 深部極端復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境與超深井難以高效提升的難題，亟需創(chuàng)新深井建設(shè)模式. 開展分類型、分層次、分階段規(guī)劃深部井巷建設(shè)模式研究，探索“上豎井+下斜井”、“上斜井+下豎井”以及“豎井式斜坡螺旋”等井巷建設(shè)模式，提出多水平、多角度、分級建設(shè)深部高溫地層井巷開拓與延伸方案，整體規(guī)劃、協(xié)調(diào)推進、分步實施“礦-熱共采”戰(zhàn)略.

(3) 深部高溫地層井巷安全、高效、綠色、智能化建設(shè)，是未來深地資源開發(fā)的必然趨勢. 基于深部地層透明化重構(gòu)技術(shù)，攻克深部不良地層綜合改性的干井掘進技術(shù)，研究機械與新型破巖方法聯(lián)合的破巖技術(shù)，突破機械-流體協(xié)同排渣和流態(tài)化提運技術(shù)；研究深井工程“地層改性-斷面優(yōu)化-應(yīng)力調(diào)控-圍巖支護”的圍巖穩(wěn)定協(xié)同控制技術(shù)，研發(fā)耐高溫、耐腐蝕支護結(jié)構(gòu)與材料，提高工程結(jié)構(gòu)耐久性和穩(wěn)定性；突破“降溫-保溫-隔溫”聯(lián)合的深井圍巖注漿、支護結(jié)構(gòu)和人工降溫三位協(xié)同的熱害防治技術(shù).

(4) 研究裝備、圍巖、結(jié)構(gòu)、環(huán)境等綜合感知技術(shù)，提高裝備掘進過程中風(fēng)險可判識、可預(yù)警、可防控能力；研究集超前探測、破巖、排渣、支護、導(dǎo)向等功能于一體并協(xié)調(diào)運行與控制的技術(shù)群；研究井巷全斷面掘進機支撐、推進與驅(qū)動協(xié)同模塊化設(shè)計方法；研制適應(yīng)深部極端環(huán)境下的井巷硬巖掘進機及配套裝備，提高深部高溫地層井巷建設(shè)技術(shù)與裝備能力，保障安全、高效、穩(wěn)定和持續(xù)地進行礦產(chǎn)開采與地?zé)崮荛_發(fā).

致 謝

感謝中國工程院重點咨詢項目“深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采戰(zhàn)略研究”（項目編號：2019-XZ-16）對本研究的支持. 感謝北京科技大學(xué)蔡美峰院士、西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘察開發(fā)局多吉院士、中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所毛景文院士、北京科技大學(xué)紀洪廣教授、大連理工大學(xué)唐春安教授等專家對本研究的指導(dǎo)和建議；感謝本研究團隊中深圳大學(xué)崔宏志教授、包小華教授，以及北京中煤礦山工程有限公司譚杰研究員、荊國業(yè)研究員等所有參研人員的參與和大力支持.