千米竖井硬岩全断面掘进机凿井关键技术与研究路径探析

作者：刘志强; 李术才; 王杜娟; 宋朝阳^*; 刘征宇; 田彦朝; 荆国业

来源：煤炭学报, 2022, 47(08): 3163-3174.

DOI：10.13225/j.cnki.jccs.2022.0358

• 千米竖井
• 机械破岩
• 竖井掘进机
• 排渣
• 掘-支协同
• 矿井建设

机械破岩为代表的非爆破破岩技术是现阶段竖井凿井技术发展的重要方向，是解决现有钻孔爆破凿井井下作业人员多、工序复杂、职业伤害严重和环境污染等问题的可行技术途径。目前，已形成适用松软地层条件的竖井钻机钻井和适用井筒下部存在通道的反井钻机钻井，适用条件受到限制且未突破千米难关，竖井硬岩全断面掘进机凿井技术与装备依然处于研发起步阶段。竖井机械破岩凿井重大装备不仅是国家高端装备制造新兴产业发展的需求，也是千米竖井凿井技术变革的重要支撑。梳理了竖井掘进机发展历程与现状，分析了千米竖井多变地层稳定和高压涌水控制、坚硬岩石破碎、克服重力排渣、与支护相适应的井筒断面变化4个方面的难题，提出了地层预改性“干井掘进”、坚硬岩石“组合破岩”、克服重力“协同排渣”、掘-支协同“智能变径”等硬岩全断面掘进机凿井的核心功能需求。为满足复杂环境和工况下竖井掘进机高效可靠服役的需求，凝练了拟攻克的3个关键科学问题和8个关键技术问题，其中科学问题包括：(1)基于千米地层原位状态探识的竖井掘进机凿井围岩分级理论；(2)硬岩大断面多刀协同与射流辅助破岩机理；(3)大直径破岩掘进工作面岩渣分布与运移规律及垂直输送机制。关键技术问题包括：(1)千米地层原位探测、风险识别与改性技术；(2)大断面硬岩镶齿滚刀-盘形滚刀联合与水射流辅助高效破岩技术；(3)大直径刀盘机械与流体组合排渣技术；(4)竖井掘进机姿态调控与整机集中控制技术；(5)竖井掘进机系统耦合动力学分析及优化；(6)时空关系协同的竖井掘进机掘进与地层改性平行作业；(7)基于竖井掘进机凿井的井筒空间断面优化布置；(8)竖井掘进机前置高韧性薄喷临时支护与掘-支协同永久支护技术。最后根据科学问题和技术问题，面向工程示范制定了5项攻关任务，包括：(1)竖井掘进机凿井工艺及工程适应性；(2)千米竖井地层原位精细化探测、岩性识别与地层预改性关键技术；(3)千米竖井大体积破岩、垂直排渣与掘支协同关键技术；(4)千米竖井硬岩全断面掘进机研制；(5)千米级井筒竖井掘进机凿井工程示范，并明确了攻关任务之间的逻辑关系。基于以上内容，初步构建了千米竖井硬岩全断面掘进机凿井技术体系和研发路径，以期为我国千米竖井安全、高效、绿色、智能建设提供基础参考。

• 单位
  山东大学