全斷面豎井掘進機鑿井圍巖分類指標體系與評價方法

劉志強，宋朝陽，程守業(yè)，荊國業(yè)

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 建井研究分院，北京 100013)

0 引 言

深地資源開采和空間利用是我國深地戰(zhàn)略的重要組成部分，豎井井筒作為深部礦產資源開采和地下工程建設的核心構筑物，擔負著礦物、人員、材料和裝備提升以及通風、供排水、供電與安全通道等多種功能[1-3]。據統(tǒng)計，2000年以來我國超千米豎井已建成150余條，近10年增速超200%[4]，我國已成為深地開發(fā)大國。井筒建設也稱為鑿井，通常采用鉆孔爆破方法，對地層探識不足及爆破工藝原因，造成井筒施工安全事故頻發(fā)，地層有害氣體突出、涌水淹井、炮煙窒息、物料墜落等重大傷亡事故時有發(fā)生，同時鉆爆法鑿井，存在井下作業(yè)人員多、安全和職業(yè)傷害嚴重、作業(yè)不連續(xù)、建井效率低、智能化進程緩慢等問題[5]，難以符合現代化工業(yè)要求的安全、高效、綠色、智能化建設的總原則。

人類從人工鏨鑿破巖發(fā)展到爆破破巖，實現了第1次破巖方式的質變；從爆破破巖發(fā)展到連續(xù)的機械破巖或者非接觸的高能破巖，將是破巖技術的第2次重大變革[6]。目前，國內外研究機構或企業(yè)已開展了非爆破機械鑿井技術和裝備的研發(fā)與應用。針對井筒穿過復雜地層條件和工程條件，形成了適用于深厚沖積地層和富水軟巖地層的豎井鉆機鉆井[7]，以及適用于具有下部排渣通道工程條件和穩(wěn)定地層條件的反井鉆機鉆井[6]，但受地層條件、破巖能力、鉆進技術和工藝的限制，均未突破千米深度。千米豎井全斷面掘進機鑿井關鍵技術與裝備是國家高端裝備制造戰(zhàn)略新興產業(yè)發(fā)展的迫切需求，實現高性能制造技術和重大裝備的自主可控，對提高我國戰(zhàn)略性高端產品和重大工程關鍵裝備的核心競爭力具有重要意義。

目前，我國豎井掘進機及其鑿井技術、裝備和工藝處于研發(fā)起步階段，千米深井穿過地層的高地壓、高水壓、高地溫和高巖石硬度等工程地質條件帶來的復雜性、不確定性和未知性，給豎井掘進機鑿井地層穩(wěn)定控制、涌水治理技術以及核心裝備與配套裝備、工藝和示范帶來重大的風險和挑戰(zhàn)[8]。因此，要實現豎井掘進機安全、高效、綠色、智能化鑿井，首要解決豎井掘進機鑿井地層適應性難題。普通鉆爆法鑿井具有工作靈活特性，形成的短段掘砌鑿井工藝，特別適應于較為復雜的地層，通過掘進段高的改變減少空幫距離，進而減少掘進對圍巖的破壞和控制圍巖的變形失穩(wěn)；而全斷面豎井掘進機一次推進最大行程固定，既要實現井筒有效斷面內巖石的低能耗破碎，同時要保障井筒圍巖穩(wěn)定[9]，達到井筒結構在地壓、擾動、滲水等作用下，不發(fā)生巨大的變形和結構破壞，避免鉆頭或刀盤卡死或被埋。所以，針對千米豎井全斷面掘進機鑿井的井筒圍巖分類指標體系與科學表征方法研究，一方面保證了建井地質探測信息科學合理分析，另一方面對指導豎井掘進機的支撐、邁步、推進等功能以及掘支協(xié)同支護技術工藝的研發(fā)具有極其重要的科學意義和工程應用價值。

現有的巖體分類方法是從普通鉆爆法的基礎上發(fā)展起來的，從而確定工程巖土體開挖和圍巖支護方法，然而，豎井掘進機破巖與爆破破巖技術原理和工藝有本質區(qū)別。與爆破破巖鑿井相比，機械破巖以“破巖兼顧防控圍巖破壞”的理念為指導，相比于爆破破巖對圍巖的擾動明顯降低，有效降低了圍巖新增裂隙滲水、透水等水害風險。值得注意是豎井掘進機鑿井時撐靴對巖體持續(xù)施加的動態(tài)作用力增加，圍巖體質量非常差時將對圍巖穩(wěn)定產生負面影響；其次豎井掘進機鑿井對井筒空幫的距離要求更小，近刀盤或鉆頭井幫通常采用護盾或者隨掘噴漿支護等。因此，筆者基于全段面豎井掘進機鑿井技術和工藝的分析，提出了評價豎井掘進機鑿井地層適應性分析基本原則，構建了豎井掘進機鑿井圍巖分級評價指標與科學表征方法。

1 全斷面豎井掘進機鑿井及面臨的地質難題

1.1 全斷面豎井掘進機鑿井關鍵技術與工藝

全斷面豎井掘進機是機械科學、機械振動學、材料學、結構力學、控制科學等多學科融合，集“材料-結構-性能”一體化設計、“設計-制造-運行”全過程融合、“破巖-排渣-支護”多動作、多系統(tǒng)協(xié)同的高性能鑿井裝備，主要包括破巖系統(tǒng)、旋轉系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、支護系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、方向控制與糾偏系統(tǒng)等[22]。全斷面豎井掘進機鑿井工藝示意，如圖1所示。豎井掘進機入井后撐靴作用于井筒圍巖上并撐緊，啟動旋轉和推進系統(tǒng)驅動刀盤旋轉和切割巖體，刀盤上的鑲齒滾刀、盤形滾刀、刮刀等刀具將巖石從巖體上破碎下來；同時采用激光導向或陀螺儀導向等實現鉆進導向判識，并通過調整不同位置的撐靴實現鉆進實時糾偏；同步采用機械或流體排渣系統(tǒng)將掘進工作面上的巖渣收集并通過懸吊系統(tǒng)提運至地面；一般近刀盤井幫采用護盾支撐或采用高強薄噴技術實現臨時支護，同時豎井掘進機上部吊盤進行井壁永久支護；完成一個掘進行程后撐靴松開豎井掘進機邁步下移，完成一個循環(huán)掘進。

圖1 全斷面豎井掘進機鑿井示意

豎井掘進機鑿井工藝相比于普通鉆爆法鑿井井下作業(yè)人減少約70%；克服了鉆爆法破巖的不可控因素，有效控制超挖和欠挖，同時對圍巖擾動影響最小，可充分利用圍巖自身支撐能力降低人工支護強度，減少材料消耗；顯著減少了環(huán)境污染，以采用鉆爆法施工直徑8 m、深度600 m井筒為例，需要消耗炸藥約100 t，排放到大氣中的CO,NO,NO2,N2O等有害氣體超過1萬m3，而豎井掘進機機械破巖鑿井無有害氣體排放，明顯減少碳排放量。

1.2 面臨的地質難題與控制措施

巖土工程問題的復雜性，在很大程度上來自于工程地質條件，無論從地層年代、地層構造、地層接觸、巖層產狀和地質力學等地學的角度，還是從成巖特性、巖體(石)力學、巖石結構和礦物成分等地層巖性的角度分析，井筒穿過地質及水文地質條件具有多樣性、復雜性和不確定性等特征，如我國東部煤礦井筒穿過的深厚不穩(wěn)定沖積地層、我國西部煤礦井筒穿過的富水弱膠結地層、金屬礦豎井穿過的堅硬花崗巖地層、云貴高原地區(qū)井筒建設穿過巖溶發(fā)育地層等等；此外，即便同一條井筒穿過地層自上而下也存在應力場、溫度場、滲流場等多場和巖體、水體、氣體等多相的分布規(guī)律，具有差異性、多層次、非線性和不可逆性等特征[23-24]。井筒穿越復雜地層條件示意，如圖2所示。因此，復雜地質環(huán)境和工況下高可靠、高效率、智能化的機械破巖裝備要實現安全、高效和綠色鑿井，必須首要攻克面臨的地質難題，為實現豎井掘進機待掘井筒的“干井掘進”提供“透明地質、靶域改性、主動控災”的地質安全保障。

圖2 井筒穿越復雜地層條件示意

全斷面豎井掘進機鑿井面臨地質難題時可行的防控措施簡述如下：

1)井筒穿越軟弱地層時，井筒圍巖自穩(wěn)能力差，不足以提供豎井掘進機撐靴支撐反作用力和反轉矩時，可采用地層預改性加固技術，提高井筒圍巖的承載能力，保障工程施工安全。

2)井筒穿過堅硬巖石地層時，可通過研制新型抗磨蝕滾刀，采用多刃鑲齒滾刀、盤形滾刀等多刀組合與高壓水射流聯合破巖模式，并通過優(yōu)化刀盤結構和滾刀布置來實現堅硬巖石大體積低能耗高效破巖，降低工程施工成本。

3)井筒穿過破碎不穩(wěn)定地層時，應減少空幫距離，同時采用護盾或近工作面快速臨時支護，避免圍巖坍塌導致刀盤被埋等施工風險。

4)井筒將穿過含水或涌水地層時，利用隨掘超前精準探測技術進行實時探測與監(jiān)測，根據地層富水程度、工作面涌水量和水質情況，采用地層超前預注漿堵水或配合工作面隨掘排水等方法，保障豎井掘進機“干井掘進”。

5)井筒穿過斷層、節(jié)理、不整合地層時，應采用實時導向技術隨掘隨測，避免刀盤破巖過程中滑移或不均勻受力而導致的掘進偏斜，保障工程施工質量。

2 全斷面豎井掘進機鑿井圍巖分類指標體系

2.1 圍巖分類指標體系構建的基本原則

工程地質條件具有隱蔽性、復雜性以及工程圍巖體動態(tài)變化的特點以及豎井掘進機鑿井功能特點，2者共同決定了構建適應豎井掘進機鑿井的圍巖分類評價指標體系，必須結合豎井掘進機技術工藝特征及其面臨的地質難題。構建豎井掘進機鑿井圍巖分類指標體系框架時應遵循以下基本原則：

1)整體系統(tǒng)性原則。因豎井掘進機鑿井的各個工藝環(huán)節(jié)是一個有機系統(tǒng)，所以構建指標體系應從系統(tǒng)角度出發(fā)，不能脫離整體工藝特征，不可忽略各技術指標和工藝之間的相互聯系，即指標體系的構建盡可能涵蓋豎井掘進機鑿井“巖-機”相互作用下的各類因素，要能整體反映豎井掘進機鑿井過程中對圍巖產生的各種擾動以及圍巖對豎井掘進機功能的反作用影響。

2)簡明科學性原則。即各個指標的選取必須堅持可行性和合理性原則，能夠客觀反映巖石可切割性、圍巖自穩(wěn)性、圍巖承載能力的特征和要求；指標體系不能過于繁雜、重疊，亦不能過于簡化而不能反映真實狀態(tài)，且指標權重系數的確定應科學合理。

3)主成分性和獨立性原則。因豎井掘進機鑿井是典型的“巖-機”互饋模式，應重點圍繞巖體強度、圍巖自穩(wěn)、地層水條件等客觀主要的變量，以及刀具耐磨性能、刀盤結構和刀具布置、豎井掘進機撐靴支撐力和最大轉矩等獨立且可控變量，依據重要性、可控性、貢獻率確定指標的設置與劃分標準。

4)可獲取、可量化原則。即評價指標的選取必須充分考慮指標相關數據獲取的難易程度，同時考慮能否進行定量化處理，以便于進行數學計算和分析。

5)對立統(tǒng)一性原則。豎井掘進機機械破巖鑿井既是目標也是過程，必然存在矛盾的、模糊的、對立的評價指標，因此必須考慮靜態(tài)與動態(tài)的發(fā)展變化特征，即包含如巖石質量、巖體節(jié)理等靜態(tài)指標以及圍巖穩(wěn)定、刀具磨損量等動態(tài)指標；同時考慮巖石破碎與圍巖自穩(wěn)之間的雙面性原特點，如巖石硬度、巖體完整性對機械破巖來說是負相關指標，而對圍巖自穩(wěn)性卻是正相關指標。

6)綜合性原則。巖體破碎-圍巖穩(wěn)定-裝備低能耗等參數之間的互動“雙贏”是豎井掘進機鑿井的最終目標，也是綜合評價的重點，應綜合考慮工程安全、施工周期、經濟成本、裝備性能等諸多因素，并進行綜合分析和評價。

2.2 評價指標體系的基本框架

本研究構建的全斷面豎井掘進機鑿井圍巖分級指標體系框架的基本指導思想是：圍繞豎井掘進機鑿井“巖-機”互饋機制，即井筒內巖體低擾動高效破碎、圍巖自穩(wěn)控制、圍巖與靴板之間的穩(wěn)定支撐、刀具低磨損以及裝備低能耗，遵循本文2.1節(jié)確定的基本原則，合理地借鑒和吸收國內外巖體質量分級方法，以及豎井掘進機鑿井相關領域的研究成果，構建科學的、可量化的豎井掘進機鑿井圍巖分類指標體系的基本框架，以期能夠為豎井掘進機鑿井地層適應性研判、地層預改性或防控技術的實施提供理論指導。

本研究構建的評價指標體系融合了“巖”與“機”2者的相關性和獨立性，分為巖石可切割性、圍巖自穩(wěn)性、地層控水性3項準則層指標以及所屬的13個基礎評價指標，評價指標體系的基本框架見表1。

表1 評價指標體系的基本框架

2.3 圍巖分類綜合評價與計算方法

采用專家測評意見和工程施工經驗綜合分析的方法，確定全斷面豎井掘進機鑿井圍巖分類評價指標權重，見表2。

表2 評價體系各指標權重

準則層指標參數權重的設置側重地層富水程度對豎井掘進機是否適用的決定性，考慮豎井掘進機破巖能力對裝備核心能力的重要性，兼顧圍巖自穩(wěn)性能對掘支協(xié)同和快速掘進的關鍵性，并綜合考慮了不良地質條件下圍巖質量指標人工改善的可行性和經濟性，體現了技術進步、安全掘進和災害防控難易程度并重的原則，指導豎井掘進機鑿井施工實現地質保障。指標層基礎指標參數權重的設置思路如下：

1)巖石可切割性參數下屬各指標權重的設置側重巖體強度、質量等客觀因素，降低豎井掘進機裝備性能、材料等可提高、可優(yōu)化、可改善的主觀因素的影響。

2)圍巖自穩(wěn)性參數下屬各指標權重的設置側重圍巖承載能力、巖爆傾向性等關鍵參數，節(jié)理和斷層構造對豎井掘進機鑿井功能影響相對較小，因而降低其指標權重。

3)地層控水性參數下屬各指標權重側重地層涌水量和地層水壓力指標，通過地層改性技術實現地層涌水控制后，因而巖體滲透系數對豎井掘進機鑿井功能影響相對較弱，所以降低滲透系數指標權重。

本研究構建的評價指標體系的基本框架中各評價指標參數，可通過室內試驗、地層探測、裝備監(jiān)測和工程現場測試等可行的技術手段獲得計算分析所用的基礎數據。采用模糊評價方法對“巖-機”相互作用下的圍巖條件進行綜合評價；為了便于考評和操作，每項指標按照百分制方法進行評判[25]，見表3。

表3 評價指標及取值

將表2中13個指標層基礎指標的權重向量作為列向量[ri]，將表3中13個指標層基礎指標的評分值向量作為行向量[wij]，分別獲得準則層參數巖石可切割性、圍巖自穩(wěn)性和地層控水性的分類依據，計算方法為

(1)

(2)

(3)

根據式(1)—式(3)計算出的得分結果分別對準則層指標進行分類，可劃分為有利、一般有利、適中、不利、很不利5類，見表4。

將表2中3個準則層指標的權重向量作為列向量[Ri]，將表4中3個準則層指標的評分值向量作為行向量[Wij]，獲得全斷面豎井掘進機鑿井圍巖條件的綜合分類依據，計算方法為

表4 準則層指標分類結果

(4)

根據式(4)計算出的得分結果對全斷面豎井掘進機鑿井圍巖條件進行分類，評判結果集為{Ⅰ類，Ⅱ類，Ⅲ類，Ⅳ類，Ⅴ類}={100～83.752，83.752～62.94，62.92～39.02，39.02～11.068，11.068～0}。

根據本研究構建的全段面豎井掘進機圍巖分類指標體系與科學表征方法，評判全段面豎井掘進機對于地層的適應性：Ⅰ類圍巖條件可以直接采用豎井掘進機鑿井；Ⅱ類圍巖條件豎井掘進機鑿井需要對近刀盤圍巖進行隨鉆支護；Ⅲ類圍巖條件豎井掘進機鑿井需要提前進行地層預改性加固且掘進過程中采用近鉆頭臨時支護；Ⅳ類圍巖條件在改良裝備、近鉆頭高強臨時支護、地層預改性、圍巖超前支護等成套技術保障下依然需要謹慎采用；Ⅴ類圍巖條件不適合采用全斷面豎井掘進機鑿井。

3 圍巖分類指標方法驗證

為了驗證豎井掘進機鑿井圍巖評價方法的可行性和合理性，以我國首臺套導井式全斷面豎井掘進機鑿井工程為樣本，對井筒穿越地層條件進行綜合分類和評價。樣本為云南白鶴灘配套水電站出線豎井工程，采用MSJ5.8/1.6D型豎井掘進機鑿井直徑為5.8 m，深度為282.5 m，豎井掘進機最大破巖能力達150 MPa，徑向支撐力8×300 kN，最大推進力6 000 kN，最大轉矩1 000 kN·m。井筒待穿越地層0～41.4 m深為二疊系峨眉山組中風化玄武巖，單軸抗壓強度為32.4～80.0 MPa，下部巖性為二疊系棲霞-茅口組弱風化灰?guī)r，單軸抗壓強度范圍為42.2～53 MPa，完整巖心試樣經測試為弱沖擊傾向性；井筒待穿越地層110 m處斷層少量發(fā)育，豎向裂隙較大，寬度10～50 cm，充填碎裂巖、方解石脈及次生泥；井筒待穿越地層58.5～106.8,141.7～175.3 m范圍內，多處巖體破碎，完整性差，呈碎裂和鑲嵌結構；井筒待穿越地層內地下水總體不發(fā)育，以基巖裂隙水為主，局部可見沿構造與節(jié)理面滲水；井筒待穿越地層無巖溶發(fā)育地層。

豎井掘進機鑿井圍巖綜合分類和評價時，將按照最不利原則，將上述豎井工程地質條件和裝備性能條件參數輸入圍巖分類指標和評價體系，由式(1)—(3)計算得到巖石可切割性評價結果為79.5分，屬一般有利類別；圍巖自穩(wěn)性評價結果為63.1分，屬適一般有利類別，但值得注意的是該值接近該類別的下限值；地層控水性的評價結果為95.75分，屬有利類別。由式(4)計算得到豎井掘進機鑿井圍巖條件綜合評價結果為81分，屬Ⅱ類圍巖條件。因此，可通過提升優(yōu)化豎井掘進機破巖能力，并配合近刀盤圍巖隨掘臨時支護后采用。指標層各指標取值與評分，如圖3所示。

1—單軸抗壓強度；2—巖石點荷載強度指數；3—巖心質量RQD指標；4—刀具磨蝕量；5—巖石破碎比能耗；6—圍巖承載能力；7—巖爆傾向性；8—節(jié)理間距；9—節(jié)理條件；10—斷層走向和傾向方向；11—井內涌水量；12—地層水壓力；13—巖體滲透系數

經鉆孔地質探測、井下電視觀測結果，以及豎井掘進機實際鑿井過程中揭露，豎井掘進機鑿井穿過破碎地層總厚度約80 m，并通過護盾臨時支護近鉆頭圍巖、隨鉆隨噴臨時支護等技術，實現了日進尺3.6～5.0 m；機械破巖顯著了降低了對圍巖的擾動，同時提高了井幫圍巖的自穩(wěn)性，保障了豎井掘進機單日最高進尺10.30 m的記錄，連續(xù)30 d掘進進尺159.97 m，成井偏斜率0.15%。實踐證明本研究構建的全斷面豎井掘進機圍巖分類指標體系和評價方法具有一定的準確性和可靠性，其評價結果反映了豎井掘進機鑿井圍巖條件存在的不足，并為后續(xù)地層圍巖控制、災害防治、隨掘支護、圍巖永久支護等技術方案制定實施，以及豎井掘進機裝備性能優(yōu)化升級提供了指導。

4 結 論

1)基于全斷面豎井掘進機鑿井工藝特征，針對豎井掘進機鑿井面臨的地質難題以及地質災害防控措施的可行性，考慮豎井掘進機鑿井“巖-機”互饋作用下圍巖巖石力學特性、裝備破巖能力、巖體構造特征、圍巖與裝備相互支撐、地層防治水等因素的影響，提出全斷面豎井掘進機鑿井圍巖分類指標選取原則，并構建了巖石可切割性、圍巖自穩(wěn)性、地層控水性3個準則層指標，以及所屬的13個基礎指標的圍巖分類指標體系框架。

2)全斷面豎井掘進機鑿井是一個復雜系統(tǒng)，融合“巖”與“機”2者的相關性和獨立性，綜合專家測評和工程施工經驗確定了圍巖分類指標體系權重，并采用模糊綜合評價和百分制方法量化基礎指標，構建了多維矩陣結構圍巖分類評價數學模型，經計算分析后將巖石可切割性、圍巖自穩(wěn)性、地層控水性劃分為有利、一般有利、適中、不利和很不利5類，進而計算分析將豎井掘進機鑿井圍巖條件劃分為Ⅰ～Ⅴ類，評判了圍巖分類與豎井掘進機鑿井適應性之間的對應關系，并給出了可行的優(yōu)化改善措施。

3)以我國首臺套導井式全斷面豎井掘進機鑿井工程為例，驗證了豎井掘進機鑿井圍巖分類指標體系與評價方法的準確性和可靠性；實際掘進過程中豎井掘進機通過破碎地層時，通過采用近鉆頭圍巖護盾臨時支護和隨鉆隨噴臨時支護，實現了日進尺3.6～5.0 m，穩(wěn)定地層中單日最高進尺10.30 m，成井偏斜率0.15%。

4)全斷面豎井掘進機鑿井圍巖分類指標體系與科學表征方法，是基于豎井掘進機鑿井裝備性能、技術難度、工藝流程和地質條件而研究制定的，對豎井掘進機破巖掘進、災害防控、圍巖穩(wěn)定控制等技術方案的制定和實施具有指導作用；隨著鑿井裝備研發(fā)能力、制造水平、地層改性技術的提高和優(yōu)化，豎井掘進機鑿井圍巖分類標準、指標體系和評價方法將與之進行修訂和完善。