千米豎井硬巖全斷面掘進機鑿井關鍵技術與研究路徑探析

劉志強，李術才，王杜娟，宋朝陽，劉征宇，田彥朝，荊國業

(1.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013；2.礦山深井建設技術國家工程研究中心,北京 100013；3.山東大學 巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061；4.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

深地資源與空間開發利用是國家重大戰略任務。豎井作為進入深部地層的核心構筑物，擔負著礦物、人員、材料和裝備的提升，以及通風、供排水、供電與安全通道等多種功能。豎井工程廣泛應用于地下礦物資源開采、地下交通、水力水電工程建設、地下大科學試驗、地下油氣存儲、地下核廢料和CO封存等地下資源開采和地下空間開發利用領域，對保障資源、能源供給和國家安全，支撐國民經濟持續發展具有重要意義。據統計，2000年以來我國超千米豎井已建成150余條，近10 a增速超200%，我國已然成為深地開發大國。面對千米以深礦物資源開發和地下空間利用的重大需求，特別是進入2 000～3 000 m深地工程，豎井必將成為進入深部地層的主要通道。目前，井筒建設以鉆孔爆破鑿井方法為主，存在下井作業人員多、工作環境差、職業傷害嚴重、豎井施工難度大、風險高等問題，安全事故時有發生，而以機械破巖為代表的非爆破破巖技術是現階段鑿井技術發展的重要方向，是實現千米深大直徑井筒智能建設的重要支撐。

目前，千米豎井高精度、高可靠、高效率、綠色化、智能化建設技術，是國內外地下礦物資源開采與地下空間開發利用領域競爭的焦點之一。然而，千米深井穿過地層的復雜性、不確定性和未知性，給豎井掘進機鑿井地層穩定控制和涌水治理技術、掘進裝備與配套裝備以及工藝和示范帶來一系列重大的風險和挑戰。我國已形成了適用富水軟弱地層的豎井鉆機鉆井技術，適用待鑿井筒下部存在巷道工程條件的反井鉆機鉆井和導井式下排渣豎井掘進機鑿井技術，以及適用200 m以淺的上排渣豎井掘進機鑿井技術。我國千米深豎井掘進機鑿井技術依然處于空白階段，豎井掘進機鑿井基礎理論缺乏，硬巖大體積低能耗機械破巖、克服重力連續垂直排渣、掘進-支護協同與安全保障等關鍵技術尚未完全突破，千米豎井全斷面硬巖掘進機及其配套裝備亟待研發。因此，千米豎井硬巖全斷面豎井掘進機鑿井技術是我國千米豎井安全、高效、綠色、智能化建設的迫切需求。

按照支撐國家資源安全和構建新發展格局的要求，促進井筒向更深和向無人化、智能化建井發展進行技術積累，占領國際深地科技前沿，保障國民經濟發展和國防建設安全。2021年科技部發布了國家重點研發計劃“高性能制造技術與重大裝備”重點專項的申報指南，其中“重大裝備應用示范”任務的3.3為“千米豎井硬巖全斷面掘進機關鍵技術與裝備”。北京中煤礦山有限公司作為項目牽頭單位，組織國內有關院校、研究機構和井筒建設企業，進行了項目申報。筆者圍繞重點專項申報指南中的研究內容和考核指標，梳理了國內外機械破巖鑿井技術發展現狀，剖析了機械破巖鑿井面臨的難題，凝練了千米豎井硬巖全斷面掘進機鑿井需要攻克的3個科學問題和8項關鍵技術問題，按照“工藝引領—地質保障—技術突破—裝備研發—工程示范”的全要素、全過程思路，提出了5項攻關任務，以期為千米豎井硬巖全斷面掘進機鑿井關鍵技術與裝備的發展提供參考。

1 豎井掘進機發展現狀與存在的問題

1.1 豎井掘進機發展歷程與現狀

20世紀初期，國外采礦與機械制造工作者開始研發豎井掘進機鑿井技術，提出了大量的基于機械破巖的豎井掘進機設計方案，并形成了專利；但受當時材料、裝備加工制造水平和經濟成本所制約，阻礙了機械破巖鑿井技術的發展。從20世紀60年代開始，以美國和德國為主研制出了多種類型的全斷面和部分斷面豎井掘進機，并應用于工程實踐(表1)。盡管完成了煤礦、非金屬礦和水利等領域的井筒建設項目，但多采用單刃盤形滾刀或裝有截齒的鉆頭進行破巖，適用地層巖石強度較低，上排渣方式排渣通道不暢，總體施工效率低，經濟成本高。21世紀初期，由于采礦工業的變化，多數國家此項技術研發處于暫時停滯狀態，或轉行到隧道掘進機等領域。目前，德國海瑞克公司是國外研究豎井掘進機的代表性企業，制造了多種類型的豎井掘進機，包括豎井掘進機(VSM)、懸臂截割破巖上排渣豎井掘進機(SBR)、全斷面流體上排渣硬巖掘進機(SBC)，設計了大滾輪破巖上排渣豎井掘進機的概念機。

表1 國外從事相關研究的主要機構及其研發的裝備應用情況

我國從20世紀60年代開始研發機械破巖鉆井技術裝備與工藝，北京中煤礦山工程有限公司、中煤礦山建設集團和中信重工集團是最早從事機械鉆井技術裝備研究的單位，重點研發了適用我國中東部富水沖積地層的豎井鉆機鉆井技術裝備，以及適用具有下部排渣通道的反井鉆機鉆井技術裝備；近年來，中鐵工程裝備集團有限公司、中交天和機械設備制造有限公司、遼寧三三工業有限公司、中國鐵建重工集團等企業，從研制隧道或巖巷掘進機方面轉型到研制井筒掘進機裝備。截至目前，已有北京中煤礦山工程有限公司研制的導井式豎井掘進機、中鐵工程裝備研制的機械式上排渣全斷面硬巖豎井掘進機，以及中交中交天和機械設備制造有限公司研制的流體式上排渣全斷面硬巖掘進機，見表2。與國外同領域技術綜合比較而言，我國豎井全斷面掘進機鑿井技術裝備與工藝的研發處于起步階段，與國外差距較大，較多的集中在國外豎井掘進機原理的基礎上進行升級改造，核心技術自主創新能力薄弱。

表2 國內從事相關研究的主要機構及其研發的裝備應用情況

1.2 千米豎井機械破巖鑿井面臨的難題

千米深井穿過地層的復雜性、不確定性和未知性，給豎井掘進機鑿井地層穩定控制、涌水治理、核心裝備與配套裝備、工藝和示范帶來重大的風險和挑戰，具體主要包括以下4個方面：

(1)豎井掘進機掘進地層穩定控制與減少空幫距離的近工作面支護。千米豎井掘進機鑿井將穿越淺部不穩定軟弱地層，并隨著鑿井深度的不斷增加，將面臨地質構造條件更復雜、地應力增大、破碎巖體增多、涌水量和地下水壓加大等惡劣的地質環境條件，將導致突水突泥、圍巖坍塌等動力災害事故發生。因此，必須采取適應豎井掘進機掘進的圍巖穩定控制、減少空幫距離的近工作面隨掘支護等措施，降低因地層突泥導致的刀盤被卡或被埋、巖爆對刀具裝備導致的損壞、地層涌水導致井內設備或人員被淹等風險，保障豎井掘進機施工安全。

(2)堅硬巖石大體積高效低成本破巖。千米深井堅硬巖石破碎是豎井掘進機鑿井首要解決的難題。目前不同地下工程領域對巖石堅硬程度的劃分界限不同，對于煤礦而言從80～150 MPa屬于堅硬巖石，但是對于金屬礦山巖石相對更加堅硬。現有的鑲齒滾刀、盤形滾刀和截齒等破巖刀具，難以適應堅硬巖石破碎(圖1)，特別是地層巖石強度大于100 MPa時，刀具破巖效率低、滾刀磨損快、刀軸脫落等問題突出，刀具更換頻繁，造成施工成本增加和施工周期延長，亟需研制高硬度、耐磨刀具，提高刀具壽命。滾刀破巖磨損與失效情況，如圖2所示。此外，從機械破巖機理角度來分析，機械刀具主要通過擠壓、剪切作用破巖，存在破巖體積較小、重復破碎等問題突出，有必要聯合其他新型破巖方式解決大體積高成本破巖難題。

圖1 巖石單軸抗壓強度、滾刀壓力與貫入度的關系曲線[9]

圖2 滾刀破巖磨損與失效情況

(3)千米豎井全斷面掘進機掘進偏斜控制。為保障井筒施工質量，鑿井偏斜控制技術是必須要解決的核心技術難題之一。全斷面豎井掘進機鑿井穿越千米地層，處于復雜的、不確定的、動態的非結構化地質環境中時，地層傾角、傾向、層狀等結構產狀與斷層、破碎帶、溶洞等地質構造，以及地層巖性、風化程度、地層軟硬巖石的變化等，都會對全斷面豎井掘進機鑿井偏斜控制造成困難。因此，要求豎井掘進機能夠通過自身所裝配的傳感器來感知地質環境和自主定位，并實現掘進機姿態校準和路徑規劃，這是一項很大的技術挑戰?；趲r-機映射關系的巖體參數動態感知示意，如圖3所示。

圖3 基于巖-機映射關系的巖體參數動態感知示意

(4)復雜環境條件下大型低功率鑿井裝備的設計制造及其配套研發。豎井全斷面掘進機作為機械破巖鑿井技術的核心裝備，是一個集地層探測、旋轉破巖、推進排渣、支撐導向、井幫支護、環境感知等多功能于一體的復雜系統，滿足復雜地質環境下多維度感知、多功能融合、多動作協同豎井掘進機的研制依然面臨諸多問題；相對于普通鉆爆法鑿井而言，全斷面硬巖掘進機鑿井技術屬于變革性鑿井技術，不能僅僅是普通鉆爆法鑿井的人工代替或延伸，因此適用豎井掘進機鑿井的工藝和配套裝備，必然要同步實現變革，從而滿足豎井掘進機鑿井安全高效和穩定可靠的總體要求。

2 千米豎井全斷面硬巖掘進機鑿井科學技術問題

盡管普通鉆爆法鑿井早已突破千米深度，在千米豎井建設地質保障方面取得了一定進展，同時國內外已研制出適合不同地質條件和工程條件的豎井鉆機、反井鉆機和豎井掘進機等全斷面或部分斷面、上排渣或下排渣等類型的機械破巖鑿井裝備，并在工程實踐中取得了重要突破。但是要實現千米豎井硬巖全斷面掘進機鑿井，無法直接復制或套用現成的地質理論和鑿井技術，依然面臨著基礎研究滯后、關鍵技術尚未突破、裝備不配套、施工成本較高等系列難題。針對千米豎井復雜地層條件下硬巖全斷面掘進機鑿井總體目標和研究現狀，凝練出以下待攻克的3個關鍵科學問題和8個關鍵技術問題。

2.1 關鍵科學問題

(1)基于千米地層原位狀態探識的豎井掘進機鑿井圍巖分級理論。目前研究表明，現有的圍巖分類、分級理論主要在RQD定量判斷巖體質量法的基礎上進行修正和完善，國外發展出了巖體地質力學分類(RMR)、巖體質量Q值等分類方法；國內提出了《工程巖體分級標準》的修正BQ法和《水利水電工程地質勘察規范》的HC法，并結合RMR和Q分類法共同使用的組合評價方法或模型?？傮w而言，現有的巖體分類方法是從普通鉆爆法的基礎上發展起來的，主要依靠鉆孔獲取的巖芯來分析和確定，僅依靠普通鉆探存在獲得的巖芯易丟失大量原位信息、探查范圍較小等問題。豎井掘進機鑿井與鉆爆鑿井技術原理和工藝有本質區別，需要基于全斷面豎井掘進機鑿井“巖-機”互饋作用，側重地層涌水量對豎井掘進機鑿井的決定性，考慮地層巖體可鉆性的重要性、圍巖自穩性能的關鍵性、豎井掘進機支撐的穩定性、不良地層預改性治理的可靠性及衍生災害的可控性等要素，制定圍巖分級原則與依據、確定指標體系、構建算法模型，形成豎井掘進機鑿井圍巖分級理論。

(2)硬巖大斷面多刀協同與射流輔助破巖機理。已有的研究表明，現有的盤形滾刀、鑲齒滾刀等刀具破巖，主要依靠鉆壓將鉆齒壓入巖體一定深度，形成不同深度的破碎坑，巖體內部產生壓剪、拉伸破壞，可分為巖粉區、裂紋密集區和裂紋擴展延伸區，如圖4所示，其中，為滾刀作用于巖石的正向壓力；為滾刀刀軸施加的驅動力；和分別為刀齒和巖石相互作用，巖石對刀齒產生的反向壓力和反驅動力；為正向壓力與反向壓力之間的夾角。但是現有滾刀破巖為點接觸破巖，存在破壞范圍較小、破壞深度較淺、巖石重復破碎等問題。針對堅硬巖石大體積高效破碎難題，尚需研究多刃鑲齒滾刀-盤形滾刀聯合破巖以及水射流預切縫弱化大體積破巖的不同組合方式及其破巖效率，揭示硬巖多刃鑲齒滾刀-盤形滾刀聯合破巖機理，提出硬巖高壓射流預切縫致損原理與方法，闡明預切縫釋放巖體儲能以減少巖爆機制，為實現大體積硬巖“聯合破巖”，以及新型刀具、滾刀布置與變徑刀盤的研發提供理論支撐。

圖4 盤形滾刀與齒形滾刀破巖示意

(3)大直徑破巖掘進面巖渣分布與運移規律及垂直輸送機制。已有的研究表明，盤形滾刀、鑲齒滾刀等刀具破碎出的巖渣具有較好的分形特征，且具有較好的級配關系；但是豎井掘進機破巖與水平隧道掘進機破巖的工作面巖渣分布規律不同，豎井掘進機刀盤破碎下來的巖渣在掘進工作面上的分布狀態，既不均勻也不集中，總體而言呈現出豎井井底周邊的巖渣總量遠大于井筒中心位置巖渣量的分布特征。現有的國內外豎井掘進機排渣主要采用刮板機械排渣、泥漿循環排渣、真空泵吸流體排渣等方式，目前為止排渣效果均不太理想，特別是大直徑豎井的排渣效率更低，導致井底巖渣重復破碎，無謂的消耗破巖刀具和能量。針對硬巖破碎后難以高效排渣和重復破碎的難題，尚需研究不同地層、刀具布置、集渣裝置、鉆進參數等條件下井底巖渣特征與分布規律，以及機械攜渣和流體吸渣的物理與力學原理，揭示巖渣機械和多相流體多動作協同排渣機制，構建大直徑刀盤機械與流體協同排渣最優組合模式，為巖渣收集、排渣通道、輸送方法等“干式”排渣技術工藝提供理論支撐。

2.2 關鍵技術問題

(1)千米地層原位探測、風險識別與改性技術。針對深部地層復雜軟弱破碎帶、含導水裂隙等不良地質易誘發高壓突水突泥、圍巖失穩坍塌等災害事故的難題，探明千米地層不良地質與巖性變化信息是豎井掘進機安全掘進的前提。重點突破多尺度立體化地球物理場精細探測方法和隨鉆地層原位狀態快速感知技術，攻克豎井掘進機機載隨掘地震波遠距離動態探測和基于巖-機映射關系的巖體參數感知技術，地層識別準確率≥90%，實現地層透明化重構，破解不良地質精細探測難題。復雜含水軟弱破碎地層地面預注漿改性是千米豎井掘進機安全施工的重要保障，研發深長鉆孔定向控制、災源靶域精準制導和無線隨鉆數據傳輸等技術裝備，深長距離鉆注預改性治理后井筒涌水量≤10 m/h，實現“干井”掘進技術變革。千米地層鉆孔原位探測與預改性示意，如圖5所示。

圖5 千米地層鉆孔原位探測與預改性示意

(2)大斷面硬巖鑲齒滾刀-盤形滾刀聯合與水射流輔助高效破巖技術。針對豎井掘進機遇到硬巖時，刀具難貫入、易磨蝕、掘進效率極低的難題，提出高壓水射流預切縫、多刀協同破巖的新路徑。開展高圍壓硬巖射流-滾刀聯合破巖實驗，研究射流與滾刀的配合方式、切割方法、相對布局等對破巖效率的影響規律，揭示射流-滾刀高效聯合破巖機理；以破巖效率、能耗、刀具磨損等為評價指標，研究射流-滾刀聯合破巖最優組合模式與控制方法，解決高壓射流與滾刀協同作業問題，提出適于豎井掘進機聯合破巖刀盤的射流裝置布置方式，研發新型破巖刀具，適用于巖石單軸抗壓強度≥150 MPa，滾刀密封承壓≥10 MPa，單刀壽命≥130 m/把，實現大體積硬巖多刀聯合高效破碎。多滾刀與水射流聯合破巖刀盤示意，如圖6所示。

圖6 多類型滾刀與水射流輔助破巖刀盤示意

(3)大直徑刀盤機械與流體組合排渣技術。針對硬巖重復破碎和難以高效排渣的問題，攻克與大體積破巖效率相匹配的大直徑井筒掘進面排渣技術是實現豎井掘進機高效掘進功能的重要保障技術。基于豎井掘進機掘進面巖渣特征與分布規律的分析，以及不同機械結構攜渣和不同流體介質排渣原理的研究，揭示巖渣克服重力機械和流體協同排渣機制(圖7)，攻克巖渣大體量快速垂直提運技術，研究豎井掘進機鑿井垂直排渣工序、裝備配套、安全保障的動態組織和統籌優化方法，形成與巖渣分布、刀盤布局、排渣通道等因素相適應的排渣系統，突破克服重力垂直排渣關鍵技術。

圖7 掘進工作面收集巖渣與排渣示意[7]

(4)豎井掘進機姿態調控與整機集中控制技術。豎井掘進機姿態調控與集中控制系統是實現豎井掘進機精準鑿井的核心技術。綜合分析豎井掘進機施工過程中負載力的變化規律與工況條件，建立掘進機液壓系統數學和仿真模型，闡明主驅動、支撐、推進液壓系統動力學參數之間的耦合作用關系，提出掘進機魯棒高精度姿態調控方法與多技術融合的精準導向技術；分析豎井掘進機液壓系統，開發液壓系統仿真模型，分析不同工況下液壓系統的性能，研發豎井掘進機穩定支撐、快速換步技術與控制方法，實現液壓系統高效集中控制。

(5)豎井掘進機系統耦合動力學分析及優化。針對千米豎井掘進機動力學設計需求，研究豎井掘進機關鍵結構/子系統動力學建模方法，構建掘進裝備子結構動力學模型；研究豎井掘進機典型工況或極端環境工況下激勵源力學特性表征方法、關鍵連接組件等效建模方法，構建激勵源和連接組件動力學模型；提出豎井掘進機整機模型組裝流程，建立多源動載激勵多結構耦合的豎井掘進機核心部件動力學模型(圖8)；開展復雜工況下裝備動態特性分析，闡明主要設計因素對系統動態性能的影響規律，提出參數優化改進方案。

圖8 軸承動力學分析示意

(6)時空關系協同的豎井掘進機掘進與地層改性平行作業。針對豎井掘進機鑿井掘-支與地層改性平行作業鑿井的協同性問題，依據地層構造特征和含水地層分布的精細判識成果，并結合超前探測和無線隨鉆軌跡控制技術，研究能夠滿足豎井掘進機鑿井功能的地面預改性方法與工藝；分析地層改性治理后巖體參數動態時效變化規律，研究基于豎井掘-支與地層改性關系的圍巖穩定時空演化規律，提出豎井掘進機掘-支系統配置與優化方案，建立地層改性工藝與豎井掘進機掘-支工藝之間的時空關系，確定地層改性的超前距離和時機，形成基于地質探識技術的豎井掘進機掘支與地層改性協同施工工藝。

(7)基于豎井掘進機鑿井的井筒空間斷面優化布置。針對豎井掘進機鑿井功能的井筒內空間合理利用與科學布置的問題，研究現有鉆孔爆破豎井鑿井工藝及井巷機械破巖掘進技術與方法，分析其破巖、排渣、支護等工序之間的相關關系，對比分析豎井鉆機和反井鉆機等有鉆桿鑿井裝備的井筒掘進方法，以及硬巖隧道掘進機和盾構機隧道掘進工藝特點；研究豎井掘進機破巖、排渣、支護等施工工藝的時空關系，建立基于豎井掘進機鑿井功能的井筒內空間模塊化設計與方法，確定井筒空間垂直方向的鑿井各功能系統協同布置形式。機械上排渣豎井掘進機井內空間布置示意，如圖9所示。

圖9 機械上排渣豎井掘進機井內空間布置示意[7]

(8)豎井掘進機前置高韌性薄噴臨時支護與掘-支協同永久支護技術。針對千米硬巖復雜地層條件和豎井掘進機鑿井特點，研究現有千米豎井鑿井支護結構、材料和技術工藝，提出千米井筒不同圍巖分級下豎井掘進機鑿井對應的臨時支護和永久支護作業方式；研發高韌性圍巖臨時支護材料，攻克隨掘快速薄噴臨時支護技術與工藝；研究千米復雜地質條件下豎井圍巖與井壁結構相互作用機制，研發高韌性、高抗裂、高抗滲井壁新材料，研究不同改性方法相關的深井高強永久支護井壁結構，建立千米地層豎井掘進機掘-支協同的永久支護體系。

以上凝練的8項關鍵技術，涵蓋了豎井掘進機破巖與排渣、地層探測與圍巖支護、井內空間布置與掘支協同、裝備智能感知與集中控制，8項關鍵技術對豎井掘進機鑿井的支撐作用分析，如圖10所示。

圖10 關鍵技術對總目標的支撐作用示意

3 攻關任務及其邏輯關系

3.1 攻關任務

圍繞千米豎井硬巖全斷面掘進機鑿井的科學和關鍵技術問題，按照“工藝引領—地質保障—技術突破—裝備研發—工程示范”的全要素、全過程思路，提出以下5項攻關任務。

3.1.1 豎井掘進機鑿井工藝及工程適應性

針對豎井掘進機鑿井巖體條件、裝備和鑿井工藝等方面的適應性問題，解決“豎井掘進機鑿井圍巖分級理論”重大科學問題和“基于豎井掘進機鑿井的井筒空間斷面優化布置技術”關鍵技術問題，制定本攻關任務。

重點開展調研普通鉆爆法鑿井工藝及現有機械破巖井巷鉆進技術方法，分析破巖、排渣、支護、提升等作業方式和工序；對比分析豎井鉆機、反井鉆機等有鉆桿鉆井方法，以及硬巖隧道掘進機、盾構機的掘進工藝特點；研究井筒空間垂直方向協同布置形式，滿足破、裝、運、支和地層改性等工序平行作業，形成適用不同類型豎井掘進機的鑿井工藝，建立井筒內空間布置設計理論與方法；針對千米地層高地壓、高水壓多場耦合條件的地層特性，以巖石力學性能、地層可鉆性、涌水量和圍巖穩定性為基礎，研究豎井掘進機鑿井圍巖分級理論與指標體系；依據地質精確判識地層構造特征和含水地層分布，運用超前探測和無線隨鉆軌跡技術，優化設計豎井掘進機掘進與地層改性平行作業時空關系；基于鉆進參數及圖像識別的動態分析技術，研究豎井掘進機鑿井風險表征方法，提出風險防控措施和工程對策；基于豎井直徑-深度研究豎井工程掘進機鑿井的配套原則、選型方法和整體工藝，形成不同豎井掘進機鑿井的井內與地面裝備選型配套適應性分析方法。

3.1.2 千米豎井地層原位精細化探測、巖性識別與地層預改性關鍵技術

針對千米豎井地質復雜、巖性多變、高水壓等復雜地質環境，致災水體、破碎帶、含導水裂隙等多災源類型，以及突水淹井、圍巖失穩坍塌等致災風險，解決“千米地層原位精準探識”、“地層預改性”等關鍵技術問題，制定本攻關任務。

開展分析豎井掘進機鑿井工序對地質與水文地質參數要求，調研現用豎井檢查鉆孔勘探方法及分析手段，研究與檢查鉆孔鉆進過程同步的地層勘察方法及探測儀器選擇，建立實驗室模擬分析裝置和數字模擬分析系統，實現千米地層地質原位分析、多場參數測量與巖性判識；利用礦區勘探鉆孔資料，提出井筒及擾動區域鉆孔多物理場精細探測方法；基于地層整合接觸條件、地質構造、含水層分布與圍巖穩定性分析，研究千米深井地層物理改性和結構改性綜合堵水及圍巖穩定控制方法，研究相適應的工藝、材料與機具，通過試驗提出改性效果檢驗與判識方法；研究基于搭載技術及豎井掘進機破巖震動的地層超前預報，形成隨掘地震波遠距離動態探測和基于巖-機映射關系的巖體參數感知技術。豎井掘進機隨掘地震動態探測與成像示意，如圖11所示。

圖11 豎井掘進機隨掘地震動態探測與成像示意

3.1.3 千米豎井大體積破巖、垂直排渣與掘支協同關鍵技術

針對堅硬巖石難破碎、排渣效率低、重復破巖、滾刀磨損快、掘-支不協調等難題，解決“多刀協同及射流輔助破巖機理”、“巖渣運移及垂直輸送機制”的重大科學問題，以及“大斷面硬巖高效破碎技術”、“大直徑刀盤機械與流體組合排渣技術”、“前置高韌性薄噴臨時支護技術”等關鍵技術問題，制定本攻關任務。

重點開展與盤形滾刀協同破巖的大直徑多刃鑲齒破巖滾刀研發，試驗研究硬巖高壓水射流預切縫致損機制，研究盤形滾刀、多刃鑲齒滾刀以及鑲齒滾刀-盤形滾刀協同以及射流預切縫致損的聯合破巖機理；依據破巖能耗低與破巖量均衡原理，分析滾刀正壓力與推動力關系，研究優化大直徑刀盤滾刀破巖技術參數，形成不同直徑、不同類型刀具聯合破巖的刀盤滾刀布置方法；以合理鉆進速度為基礎，研究基于安全、效率和能耗模型的不同地層條件和不同直徑豎井掘進機技術參數計算方法；根據刀具破巖試驗的巖渣分形規律，進一步研究豎井掘進機掘進工作面巖渣分布特征，研究機械、流體克服重力垂直排渣巖渣運移規律，解決豎井掘進機“干式”排渣關鍵技術，實現巖石破碎和垂直排渣速度≥25 m/h；研究豎井掘進機鑿井臨時支護和永久支護作業方式，研究以高韌性材料為基礎的隨掘快速薄噴臨時支護技術，研究適應不同改性方法的合理永久井壁結構形式，形成掘-支協同的圍巖支護技術體系。

3.1.4 千米豎井硬巖全斷面掘進機研制

針對豎井掘進機支撐、推進、驅動等動力系統失調，姿態調控干擾多、難度大，以及硬巖地層掘進刀盤結構變形、排渣不暢等難題，解決“豎井掘進機姿態調控”與“高效集中控制”等關鍵技術問題，制定本攻關任務。開展面向示范工程、滿足千米井筒特殊工程條件的豎井掘進機設計總體方案研究；建立豎井掘進機復雜工況下整機動力模型，進行三維數字化設計、數字模擬組裝和3D打印模型試驗；研制鑲齒滾刀-盤形滾刀聯合布置的可變徑新型刀盤結構(圖12)，保障刀盤連續工作進尺≥300 m；研發變頻電機驅動動力頭系統、調向加壓一體化的組合推進系統、實現邁步環向加壓雙層撐靴支撐系統，研究支撐、推進與驅動協同模塊化設計方法；研究掘進機姿態精準調控機制和算法，研究以激光為主結合豎井掘進機姿態感知的導向控制系統，通過撐靴與圍巖相互作用、控制撐靴位置和調向油缸實現掘進過程方向控制；研究豎井掘進機掘進過程環境、狀態監測方法和傳感器布置方式，實現對風險狀態監測和預警；采用無線傳輸技術實現豎井掘進機遠程控制；研究豎井掘進機加工組裝工藝、大型核心元部件的材料選型，保障主軸平均無故障工作時間(MTBF)≥15 000 h，完成整機制造與廠內試驗。

圖12 智能變徑刀盤擴挖示意

3.1.5 千米級井筒豎井掘進機鑿井工程示范

面向千米以深豎井示范工程，解決“基于豎井掘進機鑿井的井筒空間斷面優化布置技術”、“時空關系協同的豎井掘進機掘進與地層改性平行作業技術”等關鍵技術問題，制定本攻關任務。

重點開展研究示范工程井筒檢查鉆孔鉆進工藝，進行地質狀態和地層、水文條件的原位探測，評估地層和地質狀態識別鑿井風險，研究適應示范工程條件和地質條件專項工藝；研究地層綜合改性方法，建立豎井掘進機掘進與地層改性平行作業的時間和空間關系；分析與井筒直徑-深度相關的豎井掘進機鑿井配套裝備，研究豎井掘進機始發組裝和設備拆除吊運的技術與工具，形成相關安全保障技術，滿足懸吊深度≥1 000 m、懸吊質量≥1 000 t；研究與優化匹配地層條件和鉆進速度的豎井掘進機掘進參數，達到掘進速度≥6 m/d；研究以地層環境感知與衍生災害預警為基礎的豎井掘進機鑿井智能決策系統，構建豎井掘進機智慧鑿井數字孿生平臺；以千米級井筒豎井掘進機鑿井工程為現場試驗平臺，驗證項目研究的相關成果，解決工業性試驗出現的技術問題，完成豎井直徑6～12 m、豎井深度≥1 000 m的示范工程，并進行技術總結便于推廣應用。

3.2 攻關任務之間的邏輯關系

為實現千米豎井全斷面硬巖掘進機安全高效、穩定可靠鑿井的總體目標，梳理5個攻關任務之間的邏輯關系，如圖13所示。

圖13 任務設置及其相互之間的邏輯關系

攻關任務1為鑿井工藝研究，既能夠獨立開展研究又和其他攻關任務協調開展，并對其他攻關任務研究起引領作用，為任務2地層預改性技術研究創造掘-支改性平行作業條件提供工藝指導，為任務3豎井掘進機破巖、排渣和支護協同作業等技術應用奠定井筒內空間布置理論基礎，引領任務4開展適合井筒地質和功能條件的裝備研制，為任務5特定工程條件和地質條件下的示范工程實施奠定基礎。攻關任務2地層原位精細化探測和隨掘超前地質預報，將豎井掘進機前方地質信息由“黑箱模型”轉變為“透明模型”，為安全掘進提供地質信息保障，同時也是支撐任務1形成鑿井工藝的基礎，為任務3全斷面豎井掘進機高效破巖機理、圍巖臨時支護和永久支護理論與技術的研究提供地層巖性特征參數，為任務5工程示范隨掘工作面下方不良地質探查提供重要的地質信息。攻關任務3不僅為豎井掘進機裝備鍛造一副“鐵齒鋼牙”，為豎井掘進機掘-支協同運行提供可靠保障，同時為任務4豎井掘進機總體方案設計和整機研制提供理論和技術支撐。攻關任務4豎井掘進機裝備研發與制造，是攻關任務1鑿井工藝落實的重要保障，也是攻關任務5工程示范必要條件。攻關任務5是整個項目的落腳點和工程落地點，在實踐中檢驗攻關任務1～4所形成的技術與裝備成果，并構建智能決策與智慧鑿井數字孿生平臺，提升千米豎井機械化和智能化建井水平，推動建井技術與裝備變革，達到全面推廣應用條件。

4 結 語

千米豎井硬巖全斷面掘進機鑿井技術與裝備是千米豎井少人化、機械化、智能化建設的迫切需求。以千米深井硬巖地層和復雜地質條件為背景，提出千米豎井全斷面掘進機鑿井面臨的難題，圍繞豎井掘進機鑿井的基本功能屬性，詳細探討了豎井掘進機鑿井探、破、排、支等科學技術問題和材料-結構-功能一體化的裝備制造問題，確定了研究任務、發展方向和相應的技術目標。

(1)研究機械破巖鑿井圍巖分級理論，建立豎井掘進機工程適用性圍巖分級和指標體系，探索豎井掘進機機械破巖鑿井新工藝，實現由傳統爆破破巖鑿井到機械破巖鑿井的技術跨越與工藝變革。

(2)研究立體化多地球物理場的不良地層探測方法，達到地層識別準確率≥90%；開發鉆注靶域定向控制的地層綜合預改性技術，實現改性后地層涌水量≤10 m/h；突破豎井掘進機機載隨掘地震波遠距離動態探測技術、基于巖-機映射關系的巖體參數感知技術，實現豎井掘進機鑿井“透明地質、靶域改性、主動控災”的地質保障。

(3)研究硬巖多刀協同機械破巖和射流輔助機械聯合破巖機理，研制與盤形滾刀協同破巖的新型多刃鑲齒滾刀，滿足巖石抗壓強度可達150 MPa、單刀壽命≥130 m、密封承壓≥10 MPa的性能指標；研發液壓控制的高強、高耐磨的變徑刀盤，達到不維修連續工作進尺≥300 m能力，突破堅硬巖石大體積機械破巖的技術瓶頸。

(4)研究井筒掘進工作面巖渣特征及其分布規律，揭示機械-流體聯合高效上排渣機制，研發出與破巖協同的刀盤集渣與垂直排渣系統，實現巖石破碎與垂直排渣速度≥25 m/h、掘進速度≥6 m/d，破解千米豎井巖渣大體量快速垂直提運的技術難題。

(5)構建安全-效率-能耗協調的豎井掘進機最優技術參數計算模型，提出適用千米級豎井工程的豎井掘進機總體設計方案，研制高效集中控制的硬巖全斷面豎井掘進機，構建鑿井數字孿生平臺；研制井內與地面相適應的配套系統，具備懸吊系統適應井筒深度≥1 000 m、懸吊質量≥1 000 t的能力，滿足千米豎井硬巖掘進機鑿井需求。

本論文撰寫過程中，深圳大學陳湘生院士，北京科技大學蔡美峰院士，神華集團有限責任公司顧大釗院士，山東大學楊為民教授、劉斌教授、張波教授，浙江大學龔國芳教授，華中科技大學李小清教授，中鐵工程裝備集團有限公司賈連輝教授級高工、肖威高工，北京中煤礦山工程有限公司程守業教授級高工、譚杰研究員、高峰博士等參與討論并提出建議，在此一并表示感謝。