千米級豎井全斷面科學鉆進裝備與關(guān)鍵技術(shù)分析

劉志強，宋朝陽，程守業(yè)，紀洪廣，譚 杰，荊國業(yè)

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013; 2.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實驗室，北京 100013; 3.北京科技大學 城市地下空間工程北京市重點實驗室，北京 100083; 4.北京科技大學 土木與資源工程學院,北京 100083)

深部資源開發(fā)和地下空間利用是我國深地科學探索的重要方向之一，豎井是進入深部地層的主要通道，作為地下空間利用和礦井生產(chǎn)全生命周期服務(wù)的核心構(gòu)筑物和安全保障，承擔著人員、設(shè)備、物料、產(chǎn)品的運輸和礦井通風等重要功能[1-3]。2019年第21屆中國科協(xié)年會閉幕式上發(fā)布了20個對科學發(fā)展具有導(dǎo)向作用、對技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新具有關(guān)鍵作用的前沿重大科學問題和工程技術(shù)難題[4]，其中第19項為“千米級深豎井全斷面掘進技術(shù)”。目前，無論是煤礦還是非煤礦，豎井開拓方式均已突破埋深1 000 m，進入埋深1 500～2 000 m的深部開采。截止目前，我國深度超過千米的煤礦，開采井深在1 000～1 299 m的礦井約占91.48%，而開采深度最深的礦井為山東省新汶礦業(yè)集團孫村煤礦，開采深度達到了1 501 m[5]。“十三五”期間國家重點研發(fā)計劃以攻克2 000 m以淺深豎井建井與提升的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、工藝與裝備難題為目標[6]。國際上，在深豎井建設(shè)方面較為先進的國家是南非和加拿大，率先建成了突破2 000 m的深豎井，南非金礦豎井深度已經(jīng)達到2 996 m。所以，我國“十四五”期間的豎井深度將突破2 000 m。因此，為保障深部資源開采、深地空間開發(fā)、川藏鐵路等戰(zhàn)略工程的建設(shè)，在千米級深豎井全斷面掘進理論、技術(shù)與裝備的研究和創(chuàng)新勢在必行，這對于資源安全供給、保障經(jīng)濟高速發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

巖石破碎方法的發(fā)展給豎井施工技術(shù)帶來了2次重大技術(shù)突破:第1次為鉆眼爆破技術(shù)代替人工鏨鑿破巖;第2次是機械破巖技術(shù)代替爆破技術(shù)[7-9]。與淺部井筒建設(shè)相比，千米級深豎井賦存地層具有地應(yīng)力高、地溫高、水壓高等特點，以及地層巖芯餅化、破碎現(xiàn)象突出等難題。以地溫為例，地下巖層溫度隨深度以3.0 ℃/hm左右的梯度上升。目前，現(xiàn)有國內(nèi)最深豎井為1 527 m，采用普通鑿井法在掘進到深度1 500 m時，地層溫度達到52 ℃，深井的巖層溫度大大超過人體溫度。而在高溫環(huán)境中采用普通法施工時，通風降溫在井深超過1 000 m后往往不能滿足降溫要求，必須通過人工降溫技術(shù)來保證人員安全、炸藥安全和設(shè)備安全等問題，而傳統(tǒng)的人工制冷降溫技術(shù)，導(dǎo)致深井建設(shè)成本增加[10]。同時，隨著豎井深度的增加，豎井圍巖承載更高地應(yīng)力和水壓力的作用，導(dǎo)致圍巖巖爆和突水等災(zāi)害現(xiàn)象突出[11]，人工鏨鑿和鉆眼爆破施工，井下作業(yè)人員多，作業(yè)環(huán)境差，無法保證安全和高效的進行豎井建設(shè)。所以，淺部的普通鑿井技術(shù)應(yīng)用于千米級豎井以及更深豎井的建設(shè)風險大大增加甚至難以施工。而機械破巖鉆井相對于普通鑿井方法，將不連續(xù)且難以控制的爆破破碎巖石轉(zhuǎn)變?yōu)橛刹煌愋偷钠茙r刀具進行連續(xù)可控的破碎巖石[12-13]，為解決多相、多場耦合地質(zhì)環(huán)境下深井建設(shè)的諸多難題提供了有效技術(shù)途徑，智能鑿井裝備的發(fā)展，將逐漸實現(xiàn)井筒工作面無人化作業(yè)。因此，機械破巖是千米級豎井全斷面掘進的重要發(fā)展方向。若將機械破巖與正在研發(fā)的高壓水射流破巖、熱-機碎巖、貫通錐形斷裂破巖、激光破巖、微波破巖、等離子體破巖、電子束破巖等現(xiàn)代破巖技術(shù)相結(jié)合，必將進一步提高破巖效率，盡管目前這些方法直接應(yīng)用于工程實際中還有一定的距離，但是依然是深井鑿井破巖的重要研究方向。

為此本文以“十二五”國家863計劃重大項目“煤礦智能掘進技術(shù)及裝備”研究為基礎(chǔ)，在國家“十三五”重點研發(fā)計劃“深部金屬礦建井與提升關(guān)鍵技術(shù)”的資助下，以攻克1 000 m以深的全斷面豎井機械化鉆進關(guān)鍵技術(shù)工藝及裝備研制為目標，梳理了以豎井鉆機、豎井掘進機和反井鉆機3種鉆機的應(yīng)用以及無人化鉆井現(xiàn)狀，分析了機械破巖科學鉆井的技術(shù)工藝體系，凝練出千米深井全斷面機械破巖、排渣、智能監(jiān)控、支護和輔助鉆進5項核心技術(shù)，以及涵蓋的12項關(guān)鍵技術(shù);指出以研究多場耦合下的機械破巖機理，解決機械破巖與多相流循環(huán)排渣之間的矛盾，并實現(xiàn)智能感知與精準鉆進的智能化控制是實現(xiàn)千米級豎井安全高效鉆進的有效途徑;提出了機械破巖鉆井需要攻克的關(guān)鍵問題與研究方向，為千米級豎井全斷面掘進技術(shù)難題提供解決思路。

1 機械破巖鉆井工藝及裝備發(fā)展現(xiàn)狀

機械破巖鉆井裝備種類很多，根據(jù)鉆進破巖方式分為沖擊鉆進和旋轉(zhuǎn)鉆進裝備，目前在大直徑鉆井中已不再采用沖擊破巖方式;根據(jù)鉆進方向劃分為正向鉆井和反向鉆井;根據(jù)鉆頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式劃分為轉(zhuǎn)盤方鉆桿驅(qū)動、動力頭驅(qū)動和井下動力裝備驅(qū)動。這些都能夠在常用的豎井鉆機、反井鉆機和豎井掘進機3種類型鉆進設(shè)備上有所體現(xiàn)。目前據(jù)不完全統(tǒng)計，開挖荒徑直徑小的井筒，機械破巖鉆井占主導(dǎo)地位;開挖直徑大的井筒，鉆爆法占主導(dǎo)地位。機械鉆井占90%以上井孔的直徑從20世紀80年代的1.4 m的井孔，到20世紀末為直徑2.0 m，到目前為止達到直徑3.5 m。與此同時，機械鉆井工藝和裝備的發(fā)展拓展了鉆井工程應(yīng)用范圍。根據(jù)不完全統(tǒng)計，國際上機械破巖鉆井的占有率，如圖1所示。

圖1 國際上機械破巖鉆井的占有率Fig.1 International share of mechanical rock breaking rigs

1.1 豎井鉆機鉆井方面

豎井鉆機也稱為盲井鉆機，在井筒內(nèi)充滿泥漿等洗井介質(zhì)條件下，采用鉆桿驅(qū)動，由上向下鉆進井筒的一類鉆機。采用豎井鉆機為主要裝備形成井筒的方法稱為鉆井法鑿井，或簡稱鉆井法[14-20]。從1848年德國最早采用改進的沖擊鉆機作為鉆井裝備鉆鑿煤礦井筒開始，鉆井法成為最早井下無人鑿井方法。國內(nèi)外鉆井裝備的發(fā)展都是從借鑒石油鉆機鉆井方法開始，逐漸研制專用的礦山鉆井裝備，形成以刀具旋轉(zhuǎn)破巖鉆進為核心的鉆井方法[15]。20世紀中期美國、德國在大直徑鉆井裝備方面處于領(lǐng)先地位，美國休斯公司的CSD300型、德國維爾特研制出L40型豎井鉆機代表了當時的先進水平，從20世紀末到21世紀以來，國外發(fā)展基本處于停滯狀態(tài)。

隨著我國復(fù)雜地層中煤礦井筒建設(shè)的發(fā)展，作為特殊鑿井裝備的豎井鉆機，從解決兩淮、蘇北、山東等深厚沖積層建井難題開始，豎井鉆機經(jīng)歷了改進石油鉆機、引進國外鉆機、研制專用鉆機等不同階段。從鉆頭結(jié)構(gòu)方式的改變出現(xiàn)了星輪式、行星式、潛孔式豎井鉆機;從旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和提吊方式發(fā)展，先后研制了轉(zhuǎn)盤驅(qū)動和大鉤提升，以及液壓動力頭驅(qū)動和液壓油缸提吊，其中我國研制的安全氣動抱鉤技術(shù)處于領(lǐng)先水平;從鉆桿的連接方式，先后使用了螺紋連接、螺栓法蘭盤連接和花鍵牙嵌連接等鉆桿連接方式，其中我國獨創(chuàng)的花鍵牙嵌連接方式，連接速度快、運行可靠。目前，仍在采用的AS-9/500 G型豎井鉆機為轉(zhuǎn)盤驅(qū)動、氣動抱鉤提吊、塔式井架懸吊機械傳動式鉆機;AD130/1000型液壓豎井鉆機，采用動力頭驅(qū)動、油缸提吊、整體井架傳扭，代表了豎井鉆機的先進水平，具備了鉆進深度1 000 m，直徑13 m的鉆井能力。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，從20世紀50年代末進行鉆井法鑿井試驗開始，到目前為止，我國采用鉆井法鑿井已鉆鑿119個井筒(圖2)，總深度超過22 km，最大鉆井直徑10.8 m，最深鉆井深度660 m[18]，成功穿越近500 m深厚沖積層，突破了巨野礦區(qū)復(fù)雜地層條件下建井技術(shù)瓶頸，發(fā)展和完善了鉆井法鑿井工藝，形成了一級超前多級擴孔鉆進、泥漿護壁、壓氣反循環(huán)排渣、井筒偏斜及有效斷面監(jiān)測、鉆進偏斜控制、地面預(yù)制井壁、井壁懸浮下沉安裝、機械化連續(xù)壁后充填、充填質(zhì)量無損檢驗等一套成熟的鉆機鉆井工藝。隨著鉆井法鉆進技術(shù)及裝備的進一步發(fā)展，形成了大直徑井筒“一擴成井”、小直徑井筒“一鉆成井”的全斷面一次鉆進技術(shù)工藝與裝備。同時，將豎井鉆機鉆井技術(shù)工藝拓展應(yīng)用到橋梁樁基建設(shè)，例如研發(fā)的40,45和50型橋梁樁基鉆機，以及海上風電裝機建設(shè)，例如研發(fā)的ZDZD-100型和QYZJ8000/110型海上風電鉆機。目前，我國在豎井鉆機鉆井直徑和鉆進深度方面處于國際先進水平，這為千米級豎井全斷面鉆進奠定了基礎(chǔ)。

圖2 1960年以來我國鉆井法鑿井數(shù)量統(tǒng)計Fig.2 Number of wells drilled in China since 1960

由圖1可以看出，我國在豎井鉆機鉆井領(lǐng)域方面，占有率具有明顯的優(yōu)勢，豎井鉆機鉆井主要應(yīng)用在我國中東部深厚不穩(wěn)定含水沖積層中的豎井建設(shè)，然而西部弱膠結(jié)地層具有松、散、弱以及富水等特點，白堊系和侏羅紀地層的物理力學性質(zhì)與中東部石炭二疊系地層具有一定的差別，制約了鉆井法鑿井在西部弱膠結(jié)地層推廣應(yīng)用。從本質(zhì)上來講，是對弱膠結(jié)地層巖石的賦存條件、物理力學特性認識不清，而此正是機械刀具破巖、鉆井泥漿材料、井壁設(shè)計與支護等工藝中必須掌握的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如果認識不清，則容易造成設(shè)計布局不合理、井壁坍塌、潰水潰沙等問題。因此，亟待研究西部弱膠結(jié)地層中鉆井法鉆井的超薄井壁結(jié)構(gòu)、材料、安裝和壁后充填工藝，低密度泥漿及高效排渣方式;以及可移動式復(fù)合鉆井井架、快速拆卸鉆桿結(jié)構(gòu)、高效破巖鉆頭結(jié)構(gòu)、高效破巖刀具、智能化偏斜控制等問題[20];特別是在以往施工中顯現(xiàn)出的鉆鑿巖石地層速度緩慢，巖渣不能及時排出導(dǎo)致的重復(fù)破碎，影響鉆進速度，刀具磨損嚴重，鉆鑿效率低等問題?？傊?，鉆井法鑿井技術(shù)通過技術(shù)、工藝和裝備的發(fā)展，在一定程度上率先實現(xiàn)井內(nèi)無人化、機械化鉆井。

1.2 豎井掘進機鑿井方面

豎井掘進機與掘進機鑿井技術(shù)方面，以德國維爾特和美國羅賓斯公司為代表，研制出多種豎井掘進機，包括導(dǎo)井溜渣和機械、流體上排渣，全斷面和部分斷面機械破巖的鉆進方式。德國海瑞克公司研制出截割式部分斷面豎井掘進機(SBR,Shaft Boring Roadheader)，采用了滾筒截割破巖、真空泵吸排渣，并配有可伸縮式截割臂和旋轉(zhuǎn)式截割滾筒[21]，開挖直徑可達12 m井筒，適用于軟巖地層或凍結(jié)改性含水地層，并在加拿大、白俄羅斯和英國鉀鹽礦井筒建設(shè)中得到應(yīng)用。德國海瑞克公司正在研制的大直徑轉(zhuǎn)盤式全斷面豎井掘進機(SBM,Shaft Boring Machine)，設(shè)計鉆井深度達2 000 m，鉆井直徑12 m，而滾輪式豎井掘進機(SBC,Shaft Boring Cutterhead)作為一種概念機[21]，設(shè)計的體積重量大，價格昂貴，加工制造還有大量技術(shù)難點有待突破，因此，至今沒有實質(zhì)性進展。德國海瑞克公司開發(fā)的沉井式豎井掘進設(shè)備(VSM，Vertical Shaft Sinking Machine)在地下水以下的復(fù)雜地質(zhì)中以及在施工現(xiàn)場空間狹窄的情況下具有明顯優(yōu)勢[21]，其在2019年完成的英國天狼星礦業(yè)公司的大型雜鹵石礦項目，開挖深度達115.2 m，直徑5.94 m，這是有史以來，采用下沉式豎井掘進設(shè)備VSM挖掘的最深豎井。我國在“十二五”期間，由煤炭科學研究總院建井分院研制了國內(nèi)首臺下排渣式豎井掘進機MSJ5.8/1.6D(圖3)，是具有安全防護的大型全斷面綜合鑿井裝備，首先利用反井鉆機形成的導(dǎo)井，再擴大鉆進形成井筒[22]，該設(shè)備要求導(dǎo)井直徑不小于1.6 m，研制的破巖刀具可破碎巖石強度達140 MPa，破巖刀盤直徑為5.8 m。目前，已在云南以禮河4級電站復(fù)建工程的豎井工程中應(yīng)用，這對于進一步開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的千米級全斷面豎井掘進機提供技術(shù)支撐作用。

圖3 國內(nèi)首臺下排渣式豎井掘進機MSJ5.8/1.6D鉆井工藝布置Fig.3 Schematic diagram of the drilling process layout of China’s first downward slagging type shaft boring machine MSJ5.8/1.6D

盡管在豎井掘進機的研發(fā)和市場占有率方面德國具有明顯的優(yōu)勢，我國在這方面與其差距較大，但國內(nèi)外豎井掘進機的發(fā)展均未實現(xiàn)無人化鉆井。在千米級豎井全斷面鉆進時面臨的巖石強度更高、地應(yīng)力增大、巖溫升高、含水條件更加復(fù)雜等問題，導(dǎo)致機械化鉆井難度顯著增加。從現(xiàn)有條件來看，豎井掘進機在硬巖地層中鉆井時，從工藝和裝備方面相較于豎井鉆機和反井鉆機鉆井具有明顯的優(yōu)勢，但要實現(xiàn)無人化、智能化鉆井，首先深入地研究深部多場耦合條件下高效破巖、多相流循環(huán)高效排渣、一體化和智能化的井幫同步支護、裝備姿態(tài)調(diào)整與精準鉆進等掘進與智能控制關(guān)鍵技術(shù)問題;其次，系統(tǒng)地升級改造并完善驅(qū)動系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等其他機-電-液系統(tǒng)功能;最后，攻克豎井掘進機鉆井工作面與裝備狀態(tài)的多參量智能感知和安全決策關(guān)鍵技術(shù)，從而為實現(xiàn)千米級深豎井全斷面無人化、智能化鉆進(掘進)做好技術(shù)支撐。

1.3 反井鉆機鉆井方面

反井鉆機及反井鉆井法鑿井方面，美國首次研制出反井鉆機后，德國、加拿大、芬蘭和澳大利亞等得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。近期德國海瑞克公司設(shè)計應(yīng)用在硬巖地層中的900反井鉆機(RBR,Raise Boring Rig)[21]，預(yù)計鉆進深達2 000 m，直徑0.3～8.0 m的豎井，尚未進行工業(yè)試驗。截止目前，我國煤炭科學研究總院建井分院研制的BMC100～BMC600系列反井鉆機[23-25]，能夠?qū)崿F(xiàn)在巖石抗壓強度達到300 MPa的巖石中實現(xiàn)較好的鉆進效果，鉆井深度100～600 m，鉆井直徑0.75～5.00 m;已施工完成的最大深度為560 m和直徑6.0 m的豎井井筒。反井鉆機BMC600鉆井示意，如圖4所示。

圖4 反井鉆機BMC600鉆井示意Fig.4 Schematic diagram of raise boring rig BMC600

反井鉆機鉆井采用自下而上的方式進行鉆進，必須利用地下已有的作業(yè)空間，才能順利實現(xiàn)鉆井。盡管在導(dǎo)孔鉆進和擴孔鉆進施工過程中實現(xiàn)了機械化和無人化鉆井，但是在反井鉆機鉆孔軌跡控制、下排渣方式、井幫有效的初期支護方面，還需深入研究和發(fā)展相應(yīng)的儀器和裝備。在此基礎(chǔ)上，反井鉆井要實現(xiàn)千米級豎井全斷面鉆進，適用于極硬巖的破巖刀具和多級擴孔鉆頭、強力鉆架結(jié)構(gòu)、高強度抗拉鉆桿、智能驅(qū)動等關(guān)鍵技術(shù)亟待解決。

綜上所述，以豎井掘進機、豎井鉆機和反井鉆機3種機械破巖鉆機為主的不同鉆井方法，并借助其他輔助設(shè)備系統(tǒng)的配合，形成了適合不同地質(zhì)條件和工程條件的配套施工技術(shù)、裝備及工藝體系;雖然，經(jīng)過改進和發(fā)展，豎井鉆機和反井鉆機鉆井工藝能夠首先實現(xiàn)了機械化、無人化鉆井，但豎井鉆機在硬巖地層中破巖效率較低，而反井鉆機鉆井需利用井下已有空間且缺乏同步井幫支護技術(shù)等問題，一定程度上限制了這2種鉆井工藝在深部復(fù)雜地層中的應(yīng)用范圍，豎井掘進機的潛入式鉆進方式成為主要的補充和發(fā)展。

2 千米級全斷面科學鉆井關(guān)鍵技術(shù)

機械破巖鉆進技術(shù)發(fā)展，以工藝引領(lǐng)、試驗先行、裝備支撐、實踐驗證的研究步驟，以豎井鉆機、豎井掘進機及反井鉆機及配套裝置形成了各自相適應(yīng)的機械鉆井工藝。然而，無論以任何一種機械破巖鉆機進行豎井施工，還是裝備的組合，其構(gòu)成體系基本一致，均包括機械破巖、高效排渣、智能監(jiān)控、隨鉆支護和輔助鉆進五大核心技術(shù)，這五大核心技術(shù)又涵蓋了12項關(guān)鍵技術(shù)，如圖5所示。

2.1 機械破巖技術(shù)

與爆破破巖鑿井相比，機械破巖以“破巖兼顧控制圍巖破壞”的理念為指導(dǎo)，在破巖過程中對井筒圍巖擾動效應(yīng)減小到最低，形成的規(guī)矩圓形井筒截面，提高了井筒圍巖結(jié)構(gòu)在高地應(yīng)力條件下的自穩(wěn)性能;同時，形成的井筒圍巖裂隙率明顯降低，有效降低了井筒圍巖透水、涌水等水害的風險。千米深井機械破巖鉆進，巖石的賦存條件和淺部相比發(fā)生一定變化，對于大體積機械破巖，溫度的提高導(dǎo)致巖石的塑性和蠕變增強，而對破巖有利的脆性降低，裂隙封閉降低了巖石的崩裂效應(yīng)，地層的多場應(yīng)力狀態(tài)使得處于三向應(yīng)力條件的巖石更難以破碎。

圖5 井筒鉆進工藝體系Fig.5 Shaft drilling technology system

機械破巖的核心是破巖刀具。鉆井設(shè)備以推進和旋轉(zhuǎn)的方式，將能量高效傳遞到鉆頭上，同時鉆頭上布置的不同組合形式刀具和巖體直接接觸，并將巖石從巖體上破碎下來。目前，大體積破巖以刮削、截割和擠壓巖石破碎3種方式為主，在不同的機械破巖鉆機的鉆頭中這3種破巖方式獨立應(yīng)用或以組合應(yīng)用的方式進行破巖，以適應(yīng)不同特性的地層條件。機械破巖的3個要素包括刀具的形狀、壓入巖石的力和刀具運動狀態(tài)，需要針對不同物理力學性質(zhì)的巖石，研究不同的破巖機理。不同的鉆頭形制和刀齒布置形成的鉆頭結(jié)構(gòu)，如圖6所示。刮削破碎一般適用軟巖或沖積地層，需要很大的扭轉(zhuǎn)力矩來提供破巖所需的能量，在與豎井鉆進方向和重力方向相反的條件下，很難和流體排渣實現(xiàn)匹配;截割破巖在煤、弱膠結(jié)砂巖等強度低且脆性較好的地層中具有良好效果，不適用堅硬巖層，目前已在凍結(jié)后的軟巖和沖積地層的井筒建設(shè)中成功應(yīng)用。各種類型的擠壓破巖型滾刀，在不同地層條件下都已實現(xiàn)了高效破巖，其應(yīng)用范圍正逐漸拓展。

圖6 不同鉆頭類型和刀齒布置方式形成的鉆頭形制Fig.6 Drill shape made of different drill types and knife arrangements

擠壓破巖將成為深部地層中機械破巖的主要方式，擠壓破巖的滾刀包括盤形滾刀和鑲齒滾刀，滾刀破巖具備3個要素，即刀齒或刀刃的形制、正向壓力以及滾刀運動。在驅(qū)動力的作用下滾刀運動對巖石產(chǎn)生以剪切破壞為主的連續(xù)破碎。對于巖石脆性較好或者泥漿壓力不高的情況下，巖石能夠從巖體上崩裂，其破巖效果好。鑲齒滾刀除了剪切作用外，其滾刀運動產(chǎn)生的刀齒滑移作用，更適合破碎千米深井中高溫導(dǎo)致的塑性增強的巖石。鑲齒滾刀破巖影響因素分析示意，如圖7所示。影響鑲齒滾刀破巖的因素主要包括齒形、齒間距、齒排距、圍壓、節(jié)理等。

鉆井裝備的推進能力、旋轉(zhuǎn)扭矩、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速3個主動參數(shù)是設(shè)計鉆機性能的基礎(chǔ)參數(shù)。推進能力必須滿足布置在鉆頭上的多把滾刀的刀齒需要達到最小推力，主要通過分析滾刀體積破巖的正壓力、計算出鉆進推進壓力，同時考慮鉆具的重力、洗井液的浮力和摩擦力等因素，最終確定鉆井設(shè)備的推進能力。旋轉(zhuǎn)扭矩是根據(jù)滾刀推動力和裝備尺寸計算得到的;旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速可通過滾刀運動方式與刀齒接觸巖石的時間得到。推進能力、旋轉(zhuǎn)扭矩、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的組合和鉆機輸送給鉆頭破巖的能量，以及能量轉(zhuǎn)化為破巖的效率，決定了裝備設(shè)計和鉆井工藝是否合理。

為滿足千米深井鉆井裝備的需求，在以往研究成果基礎(chǔ)上，經(jīng)過計算鉆井直徑為8 m、鉆井深度為1 000 m，且能夠有效破碎巖石抗壓強度達150 MPa時，不同類型鉆井裝備的技術(shù)參數(shù)的參考值，見表1。

2.2 高效排渣技術(shù)

在機械破巖鉆進過程中，排渣速率需要和破巖速率相匹配，以保證破碎的巖渣及時排掉，避免重復(fù)破碎并減小刀具磨耗。因此，排渣技術(shù)是影響鉆進效果的重要因素。根據(jù)機械破巖鉆井工藝的不同，排渣技術(shù)又可以分為上排渣技術(shù)、下排渣技術(shù)和循環(huán)排渣技術(shù)。不同機械破巖鉆機鉆井排渣方式，如圖8所示。

豎井鉆機要實現(xiàn)千米級鉆進時的排渣，除了進一步研究壓氣反循環(huán)排渣技術(shù)，優(yōu)化鉆桿內(nèi)徑、壓風管直徑、風壓、壓量、埋入深度等排渣參數(shù)，還需研究潛入式鉆進工藝，研發(fā)鉆頭機械配合井底排渣泵高效排渣新技術(shù)，實現(xiàn)利用機械能或流體動能將刀具破巖產(chǎn)生的碎屑帶離泥漿圍巖作用的井底表面，并快速輸送到地面，最后將泥漿和巖渣分離后排放。反井鉆機鉆進破碎的巖渣，將依靠自重下落到下部巷道內(nèi)，由裝載設(shè)備裝入皮帶或礦車等排渣設(shè)備，其中需要研究巖渣下落規(guī)律和控制方法，減少巖塊掉落沖擊對井幫的破壞作用。因此，千米級豎井掘進機的排渣除了采用以上2種鉆機的排渣方式外，還可以采用機械排渣和真空泵吸方式，而研究局部淹水泥漿排渣及其多相流長距離管道輸送技術(shù)也許是實現(xiàn)千米豎井掘進機高效連續(xù)排渣的重要研究方向之一。

圖7 鑲齒滾刀破巖影響因素分析示意[23]Fig.7 Schematic diagram of the analysis of the influencing factors of the rock-inserted hob broken rock[23]

表1 千米級全斷面鉆井裝備基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 Basic parameters of kilometer-level full-section drilling equipment

圖8 不同機械破巖鉆機鉆井排渣技術(shù)Fig.8 Slag drainage technology for drilling with different mechanical rock breaking rigs

2.3 隨鉆支護技術(shù)

機械鉆井過程雖然將圍巖的擾動破壞程度降到最低程度，但是千米深井復(fù)雜的地層條件，高地應(yīng)力、高水壓和高地溫環(huán)境下臨時和永久支護的結(jié)構(gòu)、支護材料、支護順序和支護方法都是尚待研究的課題。

豎井鉆機進行鉆井法施工時，以泥漿護壁作為臨時支護，鉆進過程中井筒內(nèi)的泥漿在新開挖地層表面形成泥皮，能夠隔絕地層和泥漿的水力聯(lián)系;同時，依靠泥漿壓力平衡地壓，來保障鉆進過程中井幫穩(wěn)定[24-26]。因此，在復(fù)雜地層條件下進行千米鉆機鉆井時，需要重點研究千米深井高地溫環(huán)境中泥漿參數(shù)性能控制，泥漿壓力和地層壓力平衡之間的協(xié)調(diào)性，避免因局部高地壓導(dǎo)致井幫突出或坍塌等事故。豎井鉆機進行鉆井法施工時，永久支護井壁是在地面預(yù)制鋼筋混凝土、鋼板混凝土或鑄鐵丘賓筒等井壁節(jié)，并采用在泥漿中懸浮下沉的方式進行井壁安裝，再進行壁后充填固井。

反井鉆機擴孔鉆進時，井幫圍巖處于裸露狀態(tài)，難以進行有效的臨時支護，待擴孔完成后，根據(jù)井筒功能再采用由上而下一次進行錨噴永久支護或作為臨時支護，或者采用由下而上的方式澆筑永久混凝土井壁。但是，對于千米級反井鉆機鉆井，若穿越特殊地層(高破碎或含有害氣體地層等)，其臨時支護是必須的，亟需研究井筒內(nèi)無人化自動支護機器人，能夠在大直徑反井擴孔鉆進后及時完成井幫的錨固和噴漿，實現(xiàn)鉆進和臨時支護的同步進行。

豎井掘進機鉆進過程中，裝備本身的支撐結(jié)構(gòu)可以對井幫起到一定的支撐作用，相反，裝備的支撐結(jié)構(gòu)也會對井幫圍巖施加一定的向外的推力，使得井幫圍巖出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，具有一定的破壞作用，必須根據(jù)圍巖條件來確定豎井掘進機合理的支撐方式與支撐壓力參數(shù)。豎井掘進機破巖鉆進同時，可利用在豎井掘進機上方工作臺或多層吊盤，進行錨桿鉆孔、掛網(wǎng)和噴漿等臨時支護平行作業(yè);同時，利用布置在豎井掘進機上部的多層工作平臺，吊盤吊掛整體模板進行澆筑井壁;也可先進行錨噴臨時支護，待機械破巖鉆進施工完成后，再采用滑模工藝自下而上澆筑永久混凝土井壁[27]。

需要特別指出的是對于任何一種千米級井筒的鉆鑿方法，其永久井壁均需承載地壓、水壓和巖層移動等產(chǎn)生的不均勻壓力，同時，目前服役井筒反映出來的井壁劣化問題表明了永久支護井壁的強度是承載能力的關(guān)鍵。因此，隨著鉆井深度和直徑的增大，必須要探索有效解決千米深井支護的材料、結(jié)構(gòu)與工藝，主要涵蓋:研究新型高強復(fù)合混凝土井壁材料、新型高強度井壁支護結(jié)構(gòu)(鋼板、高強高韌性碳纖維板、鑄鋼結(jié)構(gòu)等)，同時研究提高圍巖自支撐能力的破巖工藝等。

2.4 輔助鉆進技術(shù)

輔助鉆進系統(tǒng)主要包括鉆進輔助技術(shù)和能源動力供應(yīng)技術(shù)。鉆進輔助技術(shù)主要實現(xiàn)對鉆進過程的控制，解決機械破巖鉆進過程中的鉆壓、旋轉(zhuǎn)扭矩及產(chǎn)生的反作用力、反扭矩之間的協(xié)調(diào)性問題;以及鉆進設(shè)備的程序優(yōu)化、位置變化、姿態(tài)調(diào)整、運行監(jiān)控等技術(shù)，以實現(xiàn)鉆機持續(xù)高效精準破巖[28-30]。能源動力供應(yīng)技術(shù)依靠電力、液壓、壓縮空氣的供應(yīng)來保障鉆進所需的推力、拉力、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速扭矩等以及消耗材料的配制補充，保證鉆進設(shè)備長時間的穩(wěn)定運行。

2.5 智能監(jiān)控技術(shù)

智能監(jiān)控技術(shù)的進步是實現(xiàn)千米深井鉆進智能識別的關(guān)鍵，也是無人化智能鉆進的必要前提條件，主要是對排渣、鉆進智能糾偏、鉆具性能等進行實時監(jiān)測和控制，保障機械破巖安全、連續(xù)、高效、精準鉆進。智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示意，如圖9所示。

(1)機械破巖效率與排渣效率的匹配性監(jiān)控系統(tǒng)。無論是下排渣、上排渣還是循環(huán)排渣系統(tǒng)，排渣效率必須與機械破巖效率相匹配。機械破巖效率較高時，排渣不及時，易造成重復(fù)破巖，刀具磨損增加，鉆進效率降低;而排渣效率高于破巖效率時，導(dǎo)致循環(huán)排渣系統(tǒng)能量耗散，經(jīng)濟成本增加。因此，通過智能監(jiān)控技術(shù)，實時優(yōu)化機械破巖參數(shù)和排渣工作運行參數(shù)，確保排渣通道(管路)暢通、工作面無殘渣，實現(xiàn)排渣效率與機械破巖效率的高度匹配。

(2)機械破巖鉆進智能糾偏監(jiān)控系統(tǒng)。由于井筒賦存地層的差異性和巖石的不均質(zhì)性，導(dǎo)致機械破巖鉆進過程中鉆頭和巖石相互作用時鉆進方向偏離井筒軸線[29]。因此，必須實時監(jiān)測鉆頭的空間位置狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)及時反饋給鉆進控制系統(tǒng)，實現(xiàn)鉆頭智能糾偏的目的，保障豎井的垂直度和有效斷面能夠滿足豎井的提升功能。目前豎井鉆機鉆進主要利用鐘擺原理來控制偏斜度，并采用超聲波井徑儀測量井筒的有效斷面;豎井掘進機鉆進主要采用激光導(dǎo)向，并利用支撐系統(tǒng)時時調(diào)整和控制鉆進方向;反井鉆機鉆進更大程度上依靠導(dǎo)孔的隨鉆測量、磁導(dǎo)向等方法，保證鉆進的精度。機械破巖鉆進智能糾偏監(jiān)控系統(tǒng)是智能監(jiān)控技術(shù)的重點，是機械鉆機鉆進的眼睛，保證鉆進軌跡滿足設(shè)計要求。

(3)鉆具及其他輔助設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)。為了保證機械破巖鉆機能夠在復(fù)雜的井筒環(huán)境中安全順利的鉆進，需要對鉆頭、動力頭、鉆桿、支撐構(gòu)架、液壓泵站、電控等的工作狀態(tài)、使用壽命進行監(jiān)測并建立報警系統(tǒng)，同時，監(jiān)測掘進機周圍環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度、粉塵、有害氣體含量等，并建立相應(yīng)的指標評價體系。

圖9 機械破巖鉆進智能監(jiān)控示意Fig.9 Schematic diagram of intelligent monitoring for mechanical rock breaking drilling

機械破巖鉆進過程中工作面圍巖狀態(tài)和裝備狀態(tài)的智能感知是智能鉆井核心要素之一，建立井筒圍巖穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，形成多參量精準感知和安全決策關(guān)鍵技術(shù)體系，為千米級深豎井全斷面無人化、智能化鉆進提供重要監(jiān)測手段和技術(shù)支撐。

3 機械破巖科學鉆井的關(guān)鍵科學技術(shù)問題

3.1 機械破巖科學鉆井科學問題

我國機械破巖鉆井領(lǐng)域取得了一些進展，但是要在深地復(fù)雜應(yīng)力、高溫和高水壓條件下實現(xiàn)安全高效全斷面掘進，機械破巖鉆進要滿足“破的掉”“排的出”“控的住”“支的牢”的四大原則，亟待解決以下突出的理論與技術(shù)難題:

(1)深部地層復(fù)雜應(yīng)力、高溫和高水壓條件下，機械破巖機理和圍巖控制理論還認識不清。盡管機械破巖相對于爆破破巖對圍巖擾動較小，在深部高地壓或者高巖溫度條件下巖石物性的差異性和變異性，對于機械破巖方式、巖石破碎模式及破巖機理還有待于進一步研究[31-35];千米深井掘進后，圍巖表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性變形和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)特征，研究深井圍巖卸荷應(yīng)力和能量演化規(guī)律，判識在深井地層三向不等壓條件下機械破巖形成的井幫是否能夠徹底解決巖爆問題。

(2)流體循環(huán)排渣技術(shù)是實現(xiàn)千米級豎井全斷面鉆進排渣的有效途徑。千米深豎井全斷面正向掘進過程中下面無既有巷道空間，下排渣技術(shù)無法有效實施;而隨著井深的增加，上排渣提升技術(shù)消耗能量增加，難以實現(xiàn)連續(xù)、高效的提升。因此，基于多相流流動理論，亟待研究優(yōu)化多相比、提升高度、流速等參數(shù)實現(xiàn)低能耗循環(huán)排渣。

(3)精準鉆進智能控制技術(shù)。目前豎井鉆機鉆進主要依靠減壓鉆進來控制鉆進精度，反井鉆機主要依靠定向鉆進導(dǎo)孔來控制擴孔鉆進精度，豎井掘進機鉆進主要采用激光導(dǎo)向，并利用支撐系統(tǒng)時時調(diào)整控制鉆進方向，鉆進精度還需要進一步的驗證和提高，缺乏智能糾偏控制模塊。

綜上所述，急需開展千米級深豎井多場耦合下的機械破巖機理與井幫圍巖控制與支護理論、多相流體循環(huán)排渣理論以及精準鉆進智能控制技術(shù)與裝備制造。在突破關(guān)鍵科學問題的基礎(chǔ)上，研究豎井掘進機主要技術(shù)參數(shù)和關(guān)鍵部件與巖石類型匹配性、豎井掘進機系統(tǒng)構(gòu)成及空間布置、機械破巖鉆進推進方式、大扭矩減速箱及變頻驅(qū)動、裝備的快速組裝與拆卸工藝等，解決我國千米級豎井全斷面掘進的技術(shù)與裝備制造難題。

3.2 千米級科學鉆井關(guān)鍵技術(shù)

目前，機械破巖鉆井作為先進的建井工藝方法已經(jīng)積累了一定的研究成果，其中豎井鉆機更適合在深厚沖擊層或含水不穩(wěn)定地層中鉆進，在硬巖地層中尚未開展研究;國內(nèi)首臺全斷面豎井掘進機為下排渣方式，需井筒下部有排渣作業(yè)空間;反井鉆機鉆井鉆頭由自下而上的方式鉆進井筒，這些已有成果尚不能完全滿足千米級深豎井全斷面掘進的需求[36-38]，亟待對機械破巖鉆井基礎(chǔ)理論、技術(shù)工藝和裝備設(shè)計研發(fā)進行科學系統(tǒng)的研究。

機械破巖鉆井參數(shù)的多維動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，具體過程，如圖10所示。基于系統(tǒng)的理論分析、科學試驗和鉆井工程應(yīng)用，以工程地質(zhì)學、鉆井工藝學、巖石力學、巖石破碎學、工程力學、機械工程學、材料學等多學科交叉融合借鑒，對機械破巖與鉆進技術(shù)、圍巖穩(wěn)定與支撐推進技術(shù)和高效排渣技術(shù)3部分分別從基礎(chǔ)理論分析、裝備性能與工藝研究2個方面進行突破。具體包括:

圖10 機械破巖鉆井參數(shù)的多維動態(tài)優(yōu)化設(shè)計流程Fig.10 Multi-dimensional dynamic optimization design of parameters of mechanical rock breaking drilling

(1)機械破巖與鉆進技術(shù)研究。研究深井地層巖石在多場耦合作用下的變異性特征、細觀結(jié)構(gòu)與礦物成分及其對巖石可鉆性的影響，揭示相應(yīng)的滾壓破巖機理;研發(fā)破巖刀具的耐磨損材料，研制破巖刀具智能換刀系統(tǒng)，提出滾刀刀齒形制及布置參數(shù)優(yōu)化方案;研發(fā)滾刀密封改進技術(shù)，研究長大鉆具受力狀態(tài)及抗疲勞性能及鉆機鉆具抗共振理論;研發(fā)新型鉆桿材料及優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)低能耗破巖鉆進。

(2)深井圍巖穩(wěn)定與支撐推進技術(shù)研究。分析深井圍巖應(yīng)力特征和變形特征演化規(guī)律，探究千米深井圍巖流變特性及大變形破壞機理;基于深部地層高應(yīng)力下的井幫穩(wěn)定性控制理論，提出復(fù)雜條件下鋼筋混凝土復(fù)合井壁設(shè)計方法，研發(fā)新型井壁材料與井壁支護材料，研究井壁壁后充填材料與井幫耦合機理，深井抗?jié)B耐高溫隔熱材料;研究鉆桿、鉆頭結(jié)構(gòu)、鉆架結(jié)構(gòu)的性能及材料，發(fā)展裝備支撐推進系統(tǒng)的智能感知和精準智能鉆進技術(shù)。

(3)高效排渣技術(shù)研究。基于多相流理論，研究深井建設(shè)中反循環(huán)排渣三相流流場分布規(guī)律，分析多相流參數(shù)之間協(xié)調(diào)性和適用性[39-41];提出循環(huán)排渣輸送U型管結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析液體輸送單位排渣的能量消耗，確定固液比與提升高度之間的最優(yōu)關(guān)系;研究排渣管道力學性能研究，研發(fā)排渣管道耐磨性材料。

4 結(jié)語與展望

(1)千米級豎井全斷面機械破巖鉆進勢在必行。需要攻克深部復(fù)雜巖體高效破巖、同步支護、巖渣連續(xù)提升、姿態(tài)調(diào)整與精準鉆進等關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)新研制大直徑深豎井全斷面掘進裝備;解決機械破巖效率與多相流循環(huán)高效排渣技術(shù)，并實現(xiàn)精準鉆進的智能化控制是千米級豎井安全高效鉆進的有效途徑。

(2)針對深部復(fù)雜應(yīng)力、高溫和高水壓鉆井環(huán)境條件下，研究機械破巖機理及高效破巖刀具形制。建立高溫及高圍壓巖石破巖實驗系統(tǒng)，分析刀具與巖石之間的相互作用關(guān)系，獲得不同刀具破巖時巖石的裂紋擴展演化規(guī)律，探究硬巖微觀滾壓破巖機理，研發(fā)破巖刀具新型耐磨材料、刀具形制和布置方式、以及智能換刀系統(tǒng)，實現(xiàn)機械能向巖石破碎能的高效轉(zhuǎn)化，達到巖石從巖體的高效破碎分離的目的。

(3)以透明地層為基礎(chǔ)的機械破巖鉆井的工藝體系。在精準地質(zhì)勘探、工作面超前地質(zhì)探測和地層改性技術(shù)的條件下，建立破碎巖渣的流體運移的高效排渣、一體化和智能化的井幫同步支護、低功耗的井筒大功率電能能量傳輸系統(tǒng)、全斷面掘進過程中風險判識及監(jiān)控等系統(tǒng)的理論與工藝體系。

(4)創(chuàng)新研制大直徑深豎井全斷面掘進裝備。滿足井筒穿越地層多場耦合條件下的智能作業(yè)機械裝備配套、適合流體介質(zhì)排渣的鉆頭空間結(jié)構(gòu)布置、無傳動永磁直驅(qū)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和推進驅(qū)動系統(tǒng)，反力反扭矩傳輸?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)體系，形成機械化、無人化、智能化的機械破巖鉆進和控制系統(tǒng)。