全斷面豎井掘進機鑿井技術

荊國業(yè)，韓 博，劉志強

(1.煤炭科學研究總院 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.煤礦深井建設技術國家工程實驗室，北京 100013)

井筒是礦井建設的“咽喉”工程，工程量不大但工期較長[1]。我國鑿井技術發(fā)展可以劃分為立井井筒施工技術初步發(fā)展、立井機械化配套科研攻關、立井短段掘砌混合作業(yè)施工以及千米深井機械化鑿井施工等4個階段[2]。目前井筒施工以鉆眼爆破普通法鑿井為主，具有設備簡單、成本低、故障率低、維修方便等優(yōu)點，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險較大。

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雜，礦井建設難度增大。我國礦山開采深度已達到1500m，國外開采深度甚至超過了3000m。在深井建設過程中存在著效率、安全、成本等問題。立井開拓還將是主要方式，但需要在井筒鉆進工藝、技術和裝備等方面取得進展和突破，使地下空間開發(fā)向機械化、自動化、智能化方向發(fā)展[3]。

隨著科學技術與裝備制造的快速發(fā)展，井巷工程掘進更多使用機械破巖方式鉆進，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到660m，最大鉆井直徑達到10.8m；反井鉆機鑿井法的最大鉆井深度達到562m，最大擴孔直徑達到5.3m；掘進機鑿井法，已研制出鉆井直徑5.8m有導井的豎井掘進機[4，5]。平巷施工，煤巷實現(xiàn)了全斷面快速掘進、掘支運平行作業(yè)、遠距離監(jiān)控操作、輔助作業(yè)機械化(部分)掘進系統(tǒng)[6-8]；巖巷?5m和?3.2m全斷面掘進機，已在煤礦成功應用[9]。標志著我國巷道全斷面掘進技術已經(jīng)初步實現(xiàn)了機械化，但豎井全斷面掘進還需要進一步開發(fā)并予以實施。

1 井筒機械化鉆進技術分析

井筒機械化鉆進方法主要有：①采用豎井鉆機鉆進形成井筒的鉆井法；②采用反井鉆機經(jīng)過正向導孔和反向擴孔鉆進形成井筒的反井鉆井法；③利用豎井掘進機一次全斷面鉆進形成井筒的掘進機鉆井法。以上3種鑿井方法均以可控的機械破巖代替爆破破巖，是井筒施工技術的主要發(fā)展方向。

1.1 鉆井法鑿井技術

鉆井法鑿井適用于含水沖積層軟巖井筒，實現(xiàn)了“打井不下井”的施工工藝，具有安全性高等優(yōu)點[10，11]。包括：鉆井工藝、豎井鉆機、破巖刀具、預制井壁和壁后填充、鉆井泥漿等技術與裝備。通過直徑7m井筒的“一鉆成井”和直徑9m井筒的“一擴成井”快速鑿井關鍵技術攻關，有效提高了鉆井法成井速度，但月成井速度仍達不到40m，綜合成井速度較低，井筒施工深度有限，而且對于堅硬基巖并不適用[12]。

1.2 反井鉆井鑿井技術

反井法鑿井采用反向破巖方式，巖渣依靠自重下落，鉆進速度快、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，通過大型反井鉆機研制、導孔鉆進軌跡控制技術等，形成適用于不同類型的反井鉆井工藝與裝備[13，14]。BMC系列反井鉆機可以實現(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，不能實現(xiàn)導孔出露點偏移和導孔平直順滑的有效控制；②井幫穩(wěn)定性，不能實現(xiàn)隨擴孔鉆進對井幫進行支護處理；③需要下部具有巷道。

因此，需要研究另一種機械化鑿井方法—豎井掘進機鑿井技術。

1.3 豎井掘進機鑿井技術

豎井掘進機一種能夠實現(xiàn)在空間和時間上掘進和支護平行作業(yè)的綜合機械化裝備，可以使井筒機械化施工速度達到月成井100～200m水平，與普通法施工速度相當[19]。

根據(jù)鑿井工藝與裝備，分為：采用掘進機直接破巖鉆進，排渣，并進行支護，使用液力排渣的上排渣方式的全斷面掘進機；或采用反井鉆機鉆進導井作為溜矸孔，掘進機擴鉆成井，并進行支護，使用導孔排渣的下排渣方式的部分斷面掘進機。豎井掘進機系統(tǒng)能夠實現(xiàn)掘進破巖、排渣、井壁支護同時作業(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 部分斷面豎井掘進機鑿井工藝與裝備

根據(jù)我國井筒工程特點，在豎井鉆井、反井鉆井和普通鑿井已有經(jīng)驗的基礎上，筆者團隊研究了適合豎井掘進機掘進的鑿井工藝，并研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的有導孔的下排渣礦山豎井掘進機。攻克了大直徑井筒破巖滾刀在鉆頭的合理布置、巖石與滾刀適應關系、移步式推進方式、掘進方向智能控制等技術難題，為我國礦山豎井非爆破鑿井的機械化、自動化、智能化奠定基礎，填補我國在礦山豎井掘進機的空白，使井筒建設向綜合化、機械化、自動化方向發(fā)展。

2.1 豎井掘進機鑿井工藝

根據(jù)豎井工程和掘進機特點，豎井掘進機鑿井工藝，主要包括[20]：

1)導井鉆進。采用BMC系列反井鉆機完成直徑1.2～1.8m的溜渣導井鉆進，用于豎井掘進機鑿井時的溜渣、排水、通風等。

2)鎖口施工。安裝地面鑿井裝備、組裝豎井掘進機和吊盤。

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

4)掘進機拆卸及輔助設施安裝。掘進完成后，先提出并拆除吊盤，并拆除鉆頭擴展部分，再將豎井掘進機整體提出地面，最后進行井筒提升、通風、管道等設施的裝配工作。

采用反井鉆機、豎井掘進機、新型井架、專用吊盤等設備，實現(xiàn)鑿井過程中的破巖、排渣、臨時支護、永久支護及鑿井輔助工作，形成部分斷面豎井掘進機鑿井工藝，如圖1所示。

圖1 豎井掘進機鑿井工藝

2.2 部分斷面豎井掘進機組成

部分斷面豎井掘進機主要包括鉆井裝備和輔助裝備兩部分[21，22]。

掘進機鉆井裝備由鉆頭結構、主機系統(tǒng)(支撐裝置、推進裝置、旋轉驅動裝置)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)[23]、導向糾偏系統(tǒng)[24]等組成；掘進機輔助裝備由提絞系統(tǒng)、支護系統(tǒng)等組成。

下排渣式部分斷面豎井掘進機，主要針對地質條件較好、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、隧道工程的通風井筒，以及其他地下工程的進出口和聯(lián)絡通道等。目前，已完成樣機研制及廠內(nèi)調(diào)試，正在云南以里河四級水電站進行工業(yè)性試驗與應用，為上排渣式全斷面豎井掘進機研制積累經(jīng)驗。

3 全斷面豎井掘進機鑿井關鍵技術

全斷面豎井掘進機，利用機-電-液系統(tǒng)功能，進行高效破巖、上排渣、姿態(tài)控制自動鉆進、井幫同步支護，實現(xiàn)在沒有下部工作條件的巖石地層中精準鉆鑿井筒，是用于地下工程井筒施工的技術密集型裝備。具有機械化程度高、無需爆破作業(yè)、井下人員少、成井質量好、安全性高等優(yōu)點，能夠實現(xiàn)井筒機械化施工時下部掘進、排渣與上部支護平行作業(yè)的全套技術，是礦山豎井建設的發(fā)展方向。

全斷面豎井掘進機的關鍵技術主要集中在歐美等少數(shù)發(fā)達國家，如德國海瑞克公司和美國羅賓斯公司。新型豎井掘進機主要有切削破巖的下沉式豎井掘進機(VSM)和滾壓破巖的撐靴式豎井掘進機(SBM)兩種。北京中煤礦山工程有限公司在“十二五”期間研制出需要導井的部分斷面豎井掘進機。目前國內(nèi)尚無關于全斷面豎井掘進機的研究資料及工程應用。

3.1 關鍵技術難點

全斷面豎井掘進機鑿井技術開發(fā)，需要綜合考慮深部地層地應力，超前地質預報體系，刀具破巖效率，巖渣排出效果，提升和支護失效等因素。

1)豎井掘進機鑿井全過程均受到工程地質條件的影響，對適用條件的研究是能夠采用豎井掘進機鑿井的前提條件。

2)豎井掘進機依靠靴板與井幫的支撐力提供鉆壓與扭矩，對臨時暴露井幫穩(wěn)定性的分析研究是豎井掘進機能否順利通過破碎地層的關鍵。

3)破巖、排渣與支護是豎井掘進機鑿井的三個重要工序，對具有相互制約關系的三者實現(xiàn)有機結合的研究是豎井掘進機鑿井工藝的核心。

4)井筒內(nèi)經(jīng)常需要安裝提升系統(tǒng)等設施，如果井筒偏斜會造成罐道沖擊等安全隱患，因此井筒鉆進方向的偏斜控制是豎井掘進機鑿井成敗的關鍵。

3.2 全斷面豎井掘進機鑿井工藝與裝備研究方向

3.2.1 全斷面豎井掘進機地質適應性研究

豎井掘進機掘進至千米后，地層應力顯著增加，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預報體系。基于巖石本構關系和流變特性等，建立井幫穩(wěn)定流變力學模型，研究豎井掘進機鑿井井幫卸荷規(guī)律，利用圍巖與支護體協(xié)同作用，選擇合適的支護形式與支護方法。

3.2.2 深地高效機械破巖機理、刀具及空間結構布置研究

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

3.2.3 高效清理及時排渣技術研究

上排渣是利用機械或循環(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機井底巖渣高效清理和及時排出技術，減少滾刀對巖渣的重復破碎，實現(xiàn)工作面高效破巖。

3.2.4 井幫安全控制及支護技術研究

不同于豎井鉆機、反井鉆機等傳統(tǒng)機械施工井筒方法采用的鉆掘完成后支護，掘進機鑿井時掘進與支護在井筒內(nèi)平行作業(yè)，井幫支護的及時性和有效性，既是安全鉆井的必要條件，也是高效鉆井制約因素。研制豎井掘進機后部多功能輔助工作盤，實現(xiàn)臨時支護和永久井壁的統(tǒng)一，不但能夠提高支護效率，而且能夠提高井筒內(nèi)的安全級別。

3.2.5 系統(tǒng)提升技術研究

掘進機及相關配套重量達到300t，最大單件重量超過50t，在掘進至井筒深部時，對于提升系統(tǒng)的要求極高、難度極大。研究掘進時破碎巖渣、支護時各種物料、以及風、水、電等管路的安全高效提升，是實現(xiàn)全斷面豎井掘進機鑿井的必要條件。

3.2.6 豎井掘進機主機裝備研究

研究結構緊湊的主機系統(tǒng)，主要包括鉆頭驅動系統(tǒng)、支撐推進系統(tǒng)。根據(jù)設備工作原理和施工工況要求，進行主機結構設計，開展軸承、密封等關鍵零部件選型、排渣系統(tǒng)在主機上的優(yōu)化設計，形成緊湊型主機系統(tǒng)總體方案；研發(fā)適用于井下強沖擊、重載荷條件下的動力傳動方式、多油缸同步推進方式、能夠適應破碎地層的支撐靴板、裸露井幫臨時護壁的護盾，實現(xiàn)支護前的邁步式安全鉆進。

3.2.7 豎井掘進機智能監(jiān)測控制系統(tǒng)研究

開發(fā)多電機剛性連接的同步驅動控制技術、支撐推進電液協(xié)調(diào)控制技術和地面遠程監(jiān)控技術。研發(fā)破巖與排渣匹配控制系統(tǒng)、掘進機姿態(tài)高精度實時顯示系統(tǒng)、掘進機核心部件工作狀態(tài)與使用壽命預警系統(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、高濕度和高震動沖擊條件下視頻信號、傳感器參數(shù)精準監(jiān)測和控制數(shù)據(jù)實時穩(wěn)定可靠傳輸，解決設備控制與遠程控制的融合，實現(xiàn)豎井掘進機鑿井工作面智能化、無人化。

3.2.8 豎井掘進機定向鉆進系統(tǒng)研究

研究豎井掘進機激光導向和姿態(tài)調(diào)控相結合的定向鉆進技術。開發(fā)激光指向儀、光電位移傳感器和慣性導航系統(tǒng)相配合的掘進機軸線偏斜測量系統(tǒng)，實時監(jiān)測豎井掘進機的鉆進狀態(tài)。充分利用豎井掘進機支撐推進系統(tǒng)特點，建立豎井掘進機偏斜狀態(tài)下的糾偏控制模型，根據(jù)地質條件智能調(diào)整鉆進方向。

3.2.9 全斷面豎井掘進機鑿井工業(yè)性試驗

研究豎井掘進機入井與撤出技術；開展全斷面豎井掘進機鑿井工業(yè)性試驗，完成一口井的掘進施工，檢驗理論研究、鉆頭結構、上排渣方式、提吊系統(tǒng)和支護系統(tǒng)的合理性，改進、完善研究成果，達到推廣應用目的。

4 結 論

機械化、智能化、無人化是礦井建設尤其是深井建設的發(fā)展方向。以機械破巖為核心的豎井鉆機、反井鉆機、掘進機鑿井法，具有各自的適用性和局限性，需要根據(jù)不同工程條件、地質條件采用不同的機械化鑿井方法。在機械破巖逐步取代爆破破巖成為井筒掘進所采用的主要方法基礎上，進一步研究豎井綜合機械化破巖、掘進支護一體化的工藝、技術與裝備，是實現(xiàn)安全高效建井的保障。

通過全斷面豎井掘進機關鍵理論、技術及裝備研究，攻克破碎地層對掘進機施工安全效率影響的難題，形成掘進、排渣、支護相結合鑿井新工藝，提高和擴大豎井掘進機鑿井的競爭力和應用范圍，滿足我國大直徑深井筒建設的需要，填補我國全斷面豎井掘進機施工領域的空白。在提高井筒機械化掘進裝備研發(fā)實力的同時，也可帶動相關裝備制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展；為煤礦等資源的深部開采提供裝備保障，為科學鉆井和深地科學研究提供科技支撐。