全断面竖井掘进机凿井技术

荆国业，韩 博，刘志强

(1.煤炭科学研究总院 建井研究分院，北京 100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；3.煤矿深井建设技术国家工程实验室，北京 100013)

井筒是矿井建设的“咽喉”工程，工程量不大但工期较长[1]。我国凿井技术发展可以划分为立井井筒施工技术初步发展、立井机械化配套科研攻关、立井短段掘砌混合作业施工以及千米深井机械化凿井施工等4个阶段[2]。目前井筒施工以钻眼爆破普通法凿井为主，具有设备简单、成本低、故障率低、维修方便等优点，但各道工序均需要人员在淋水、低温、潮湿的艰苦环境中作业，受到高强度噪声、粉尘污染等职业伤害，面临井筒突水、煤层瓦斯突出、塌方、落物等安全事故的风险较大。

我国大型煤矿井工开采向西部和深部发展，井筒直径和深度不断增大，地层与含水条件更加复杂，矿井建设难度增大。我国矿山开采深度已达到1500m，国外开采深度甚至超过了3000m。在深井建设过程中存在着效率、安全、成本等问题。立井开拓还将是主要方式，但需要在井筒钻进工艺、技术和装备等方面取得进展和突破，使地下空间开发向机械化、自动化、智能化方向发展[3]。

随着科学技术与装备制造的快速发展，井巷工程掘进更多使用机械破岩方式钻进，替代人工井下钻爆破岩方式凿井。钻井法凿井的最大钻井深度达到660m，最大钻井直径达到10.8m；反井钻机凿井法的最大钻井深度达到562m，最大扩孔直径达到5.3m；掘进机凿井法，已研制出钻井直径5.8m有导井的竖井掘进机[4，5]。平巷施工，煤巷实现了全断面快速掘进、掘支运平行作业、远距离监控操作、辅助作业机械化(部分)掘进系统[6-8]；岩巷∅5m和∅3.2m全断面掘进机，已在煤矿成功应用[9]。标志着我国巷道全断面掘进技术已经初步实现了机械化，但竖井全断面掘进还需要进一步开发并予以实施。

1 井筒机械化钻进技术分析

井筒机械化钻进方法主要有：①采用竖井钻机钻进形成井筒的钻井法；②采用反井钻机经过正向导孔和反向扩孔钻进形成井筒的反井钻井法；③利用竖井掘进机一次全断面钻进形成井筒的掘进机钻井法。以上3种凿井方法均以可控的机械破岩代替爆破破岩，是井筒施工技术的主要发展方向。

1.1 钻井法凿井技术

钻井法凿井适用于含水冲积层软岩井筒，实现了“打井不下井”的施工工艺，具有安全性高等优点[10，11]。包括：钻井工艺、竖井钻机、破岩刀具、预制井壁和壁后填充、钻井泥浆等技术与装备。通过直径7m井筒的“一钻成井”和直径9m井筒的“一扩成井”快速凿井关键技术攻关，有效提高了钻井法成井速度，但月成井速度仍达不到40m，综合成井速度较低，井筒施工深度有限，而且对于坚硬基岩并不适用[12]。

1.2 反井钻井凿井技术

反井法凿井采用反向破岩方式，岩渣依靠自重下落，钻进速度快、效率高。根据煤矿、金属矿山、水电、交通隧道的井筒工程围岩特点，通过大型反井钻机研制、导孔钻进轨迹控制技术等，形成适用于不同类型的反井钻井工艺与装备[13，14]。BMC系列反井钻机可以实现钻孔直径5m、钻井深度600m井筒的施工[15]。反井钻井法尚需研究和解决的问题有[16-18]：①偏斜控制，不能实现导孔出露点偏移和导孔平直顺滑的有效控制；②井帮稳定性，不能实现随扩孔钻进对井帮进行支护处理；③需要下部具有巷道。

因此，需要研究另一种机械化凿井方法—竖井掘进机凿井技术。

1.3 竖井掘进机凿井技术

竖井掘进机一种能够实现在空间和时间上掘进和支护平行作业的综合机械化装备，可以使井筒机械化施工速度达到月成井100～200m水平，与普通法施工速度相当[19]。

根据凿井工艺与装备，分为：采用掘进机直接破岩钻进，排渣，并进行支护，使用液力排渣的上排渣方式的全断面掘进机；或采用反井钻机钻进导井作为溜矸孔，掘进机扩钻成井，并进行支护，使用导孔排渣的下排渣方式的部分断面掘进机。竖井掘进机系统能够实现掘进破岩、排渣、井壁支护同时作业，互不干扰，并可以大幅减少井下作业人员，加快凿井速度，缩短工期，降低成本。

2 部分断面竖井掘进机凿井工艺与装备

根据我国井筒工程特点，在竖井钻井、反井钻井和普通凿井已有经验的基础上，笔者团队研究了适合竖井掘进机掘进的凿井工艺，并研发了具有自主知识产权的有导孔的下排渣矿山竖井掘进机。攻克了大直径井筒破岩滚刀在钻头的合理布置、岩石与滚刀适应关系、移步式推进方式、掘进方向智能控制等技术难题，为我国矿山竖井非爆破凿井的机械化、自动化、智能化奠定基础，填补我国在矿山竖井掘进机的空白，使井筒建设向综合化、机械化、自动化方向发展。

2.1 竖井掘进机凿井工艺

根据竖井工程和掘进机特点，竖井掘进机凿井工艺，主要包括[20]：

1)导井钻进。采用BMC系列反井钻机完成直径1.2～1.8m的溜渣导井钻进，用于竖井掘进机凿井时的溜渣、排水、通风等。

2)锁口施工。安装地面凿井装备、组装竖井掘进机和吊盘。

3)掘进、排渣与支护。利用滚刀进行破岩，破碎岩渣沿井底锥形面滑落至导井，由下部运输设备装运。根据井筒类型，选择锚杆、挂网和喷浆作为支护，或整体模板浇筑混凝土井壁作为支护。

4)掘进机拆卸及辅助设施安装。掘进完成后，先提出并拆除吊盘，并拆除钻头扩展部分，再将竖井掘进机整体提出地面，最后进行井筒提升、通风、管道等设施的装配工作。

采用反井钻机、竖井掘进机、新型井架、专用吊盘等设备，实现凿井过程中的破岩、排渣、临时支护、永久支护及凿井辅助工作，形成部分断面竖井掘进机凿井工艺，如图1所示。

图1 竖井掘进机凿井工艺

2.2 部分断面竖井掘进机组成

部分断面竖井掘进机主要包括钻井装备和辅助装备两部分[21，22]。

掘进机钻井装备由钻头结构、主机系统(支撑装置、推进装置、旋转驱动装置)、液压系统、电气系统[23]、导向纠偏系统[24]等组成；掘进机辅助装备由提绞系统、支护系统等组成。

下排渣式部分断面竖井掘进机，主要针对地质条件较好、岩石稳定或经地层改性后稳定的地层，且具有下部巷道的矿山井筒工程。如水电工程、隧道工程的通风井筒，以及其他地下工程的进出口和联络通道等。目前，已完成样机研制及厂内调试，正在云南以里河四级水电站进行工业性试验与应用，为上排渣式全断面竖井掘进机研制积累经验。

3 全断面竖井掘进机凿井关键技术

全断面竖井掘进机，利用机-电-液系统功能，进行高效破岩、上排渣、姿态控制自动钻进、井帮同步支护，实现在没有下部工作条件的岩石地层中精准钻凿井筒，是用于地下工程井筒施工的技术密集型装备。具有机械化程度高、无需爆破作业、井下人员少、成井质量好、安全性高等优点，能够实现井筒机械化施工时下部掘进、排渣与上部支护平行作业的全套技术，是矿山竖井建设的发展方向。

全断面竖井掘进机的关键技术主要集中在欧美等少数发达国家，如德国海瑞克公司和美国罗宾斯公司。新型竖井掘进机主要有切削破岩的下沉式竖井掘进机(VSM)和滚压破岩的撑靴式竖井掘进机(SBM)两种。北京中煤矿山工程有限公司在“十二五”期间研制出需要导井的部分断面竖井掘进机。目前国内尚无关于全断面竖井掘进机的研究资料及工程应用。

3.1 关键技术难点

全断面竖井掘进机凿井技术开发，需要综合考虑深部地层地应力，超前地质预报体系，刀具破岩效率，岩渣排出效果，提升和支护失效等因素。

1)竖井掘进机凿井全过程均受到工程地质条件的影响，对适用条件的研究是能够采用竖井掘进机凿井的前提条件。

2)竖井掘进机依靠靴板与井帮的支撑力提供钻压与扭矩，对临时暴露井帮稳定性的分析研究是竖井掘进机能否顺利通过破碎地层的关键。

3)破岩、排渣与支护是竖井掘进机凿井的三个重要工序，对具有相互制约关系的三者实现有机结合的研究是竖井掘进机凿井工艺的核心。

4)井筒内经常需要安装提升系统等设施，如果井筒偏斜会造成罐道冲击等安全隐患，因此井筒钻进方向的偏斜控制是竖井掘进机凿井成败的关键。

3.2 全断面竖井掘进机凿井工艺与装备研究方向

3.2.1 全断面竖井掘进机地质适应性研究

竖井掘进机掘进至千米后，地层应力显著增加，岩石塑性明显呈现，水压、地温随之升高，需要具备施工全过程的综合超前地质预报体系。基于岩石本构关系和流变特性等，建立井帮稳定流变力学模型，研究竖井掘进机凿井井帮卸荷规律，利用围岩与支护体协同作用，选择合适的支护形式与支护方法。

3.2.2 深地高效机械破岩机理、刀具及空间结构布置研究

深部微扰动、高塑性岩层机械破岩机理尚不明确，研究深部条件下滚压破岩机理，通过开发新型破岩滚刀及破岩滚刀在钻头体上的合理布置实现高效破岩，提高破岩效率。

3.2.3 高效清理及时排渣技术研究

上排渣是利用机械或循环液体将滚刀破碎的岩渣向上输送。研究适用于全断面竖井掘进机井底岩渣高效清理和及时排出技术，减少滚刀对岩渣的重复破碎，实现工作面高效破岩。

3.2.4 井帮安全控制及支护技术研究

不同于竖井钻机、反井钻机等传统机械施工井筒方法采用的钻掘完成后支护，掘进机凿井时掘进与支护在井筒内平行作业，井帮支护的及时性和有效性，既是安全钻井的必要条件，也是高效钻井制约因素。研制竖井掘进机后部多功能辅助工作盘，实现临时支护和永久井壁的统一，不但能够提高支护效率，而且能够提高井筒内的安全级别。

3.2.5 系统提升技术研究

掘进机及相关配套重量达到300t，最大单件重量超过50t，在掘进至井筒深部时，对于提升系统的要求极高、难度极大。研究掘进时破碎岩渣、支护时各种物料、以及风、水、电等管路的安全高效提升，是实现全断面竖井掘进机凿井的必要条件。

3.2.6 竖井掘进机主机装备研究

研究结构紧凑的主机系统，主要包括钻头驱动系统、支撑推进系统。根据设备工作原理和施工工况要求，进行主机结构设计，开展轴承、密封等关键零部件选型、排渣系统在主机上的优化设计，形成紧凑型主机系统总体方案；研发适用于井下强冲击、重载荷条件下的动力传动方式、多油缸同步推进方式、能够适应破碎地层的支撑靴板、裸露井帮临时护壁的护盾，实现支护前的迈步式安全钻进。

3.2.7 竖井掘进机智能监测控制系统研究

开发多电机刚性连接的同步驱动控制技术、支撑推进电液协调控制技术和地面远程监控技术。研发破岩与排渣匹配控制系统、掘进机姿态高精度实时显示系统、掘进机核心部件工作状态与使用寿命预警系统、井下作业环境音视频感知系统等，确保在千米深井高温度、高湿度和高震动冲击条件下视频信号、传感器参数精准监测和控制数据实时稳定可靠传输，解决设备控制与远程控制的融合，实现竖井掘进机凿井工作面智能化、无人化。

3.2.8 竖井掘进机定向钻进系统研究

研究竖井掘进机激光导向和姿态调控相结合的定向钻进技术。开发激光指向仪、光电位移传感器和惯性导航系统相配合的掘进机轴线偏斜测量系统，实时监测竖井掘进机的钻进状态。充分利用竖井掘进机支撑推进系统特点，建立竖井掘进机偏斜状态下的纠偏控制模型，根据地质条件智能调整钻进方向。

3.2.9 全断面竖井掘进机凿井工业性试验

研究竖井掘进机入井与撤出技术；开展全断面竖井掘进机凿井工业性试验，完成一口井的掘进施工，检验理论研究、钻头结构、上排渣方式、提吊系统和支护系统的合理性，改进、完善研究成果，达到推广应用目的。

4 结 论

机械化、智能化、无人化是矿井建设尤其是深井建设的发展方向。以机械破岩为核心的竖井钻机、反井钻机、掘进机凿井法，具有各自的适用性和局限性，需要根据不同工程条件、地质条件采用不同的机械化凿井方法。在机械破岩逐步取代爆破破岩成为井筒掘进所采用的主要方法基础上，进一步研究竖井综合机械化破岩、掘进支护一体化的工艺、技术与装备，是实现安全高效建井的保障。

通过全断面竖井掘进机关键理论、技术及装备研究，攻克破碎地层对掘进机施工安全效率影响的难题，形成掘进、排渣、支护相结合凿井新工艺，提高和扩大竖井掘进机凿井的竞争力和应用范围，满足我国大直径深井筒建设的需要，填补我国全断面竖井掘进机施工领域的空白。在提高井筒机械化掘进装备研发实力的同时，也可带动相关装备制造产业发展；为煤矿等资源的深部开采提供装备保障，为科学钻井和深地科学研究提供科技支撑。