我國(guó)大直徑井筒機(jī)械破巖鉆井技術(shù)與裝備新進(jìn)展

劉志強(qiáng) 宋朝陽(yáng)

(1.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013;2.礦山深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程研究中心,北京 100013)

0 引 言

井筒作為在地層中建造的筒形工程構(gòu)筑物,擔(dān)負(fù)井工開(kāi)采礦物、人員、廢石、材料提升及通風(fēng)等重要功能。井筒工程從服務(wù)于傳統(tǒng)的煤礦和非煤礦山領(lǐng)域地下礦物資源開(kāi)采[1-2],現(xiàn)已發(fā)展到鐵路/公路、城市地下空間、水電、大科學(xué)實(shí)驗(yàn)和國(guó)防等領(lǐng)域的地下工程建設(shè)[3-4]。隨著我國(guó)淺部礦產(chǎn)資源的持續(xù)開(kāi)發(fā),深部礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)成為支撐我國(guó)礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[5]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),煤炭行業(yè)已建成40余條深度超過(guò)千米的井筒;金屬礦井建成近20條深度超過(guò)千米的井筒,其中7條井筒深度超過(guò)1 500 m,正在設(shè)計(jì)和施工的井筒深度超過(guò)2 000 m[6-8]。水電行業(yè)的水力發(fā)電站和抽水蓄能電站建設(shè)多采用地下廠房式結(jié)構(gòu),其中大量的壓力管道井、出線豎井、通風(fēng)豎井等井筒工程需要建設(shè),井筒深度在400 m 左右,正在規(guī)劃的壓力管道井筒深度達(dá)到800 m,從而減少輔助工程量,優(yōu)化電站建設(shè)系統(tǒng)[9]。在深埋鐵路公路隧道建設(shè)方面,隧道建設(shè)需要施工措施井和通風(fēng)井,措施井用于開(kāi)拓和增加作業(yè)面,加快主洞建設(shè)速度,通風(fēng)井則保證隧道安全運(yùn)行。目前,高黎貢山隧道1號(hào)豎井主井深762.59 m,副井深764.74 m,為國(guó)內(nèi)鐵路豎井最深紀(jì)錄;1 號(hào)斜井主井長(zhǎng)3 850 m,為中國(guó)鐵路施工史上最長(zhǎng)斜井[10-11]。在大型科學(xué)試驗(yàn)基本建設(shè)方面,目前設(shè)計(jì)規(guī)劃的試驗(yàn)豎井工程深度近800 m。此外,其他地下工程建設(shè)領(lǐng)域井筒工程數(shù)量和井筒直徑、深度也在逐年增加。

傳統(tǒng)井筒施工方法以鉆孔爆破破巖為基礎(chǔ),先后研發(fā)出多種類(lèi)型的氣動(dòng)和液壓傘形鉆架[12],提高了爆破孔定位精度和鑿巖效率;采用中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)裝巖配合小型挖掘機(jī)清底[13],大容量吊桶及大直徑滾筒提升機(jī)提運(yùn)[14],加快了排渣速度;深孔爆破及整體金屬模板砌壁[15],使鑿井循環(huán)段高增加,正規(guī)循環(huán)率提高,鑿井速度逐年穩(wěn)定提高。目前,普通鉆爆法鑿井循環(huán)進(jìn)尺超5 m,月最高成井速度超200 m,提升高度超1 500 m[16]?？v觀人類(lèi)破巖歷史從火燒水擊的初始階段,發(fā)展到用金屬冶煉出鏨鑿工具并借助人力鑿碎較為堅(jiān)硬巖石,再到利用鉆孔并采用炸藥爆破大體積破巖,實(shí)現(xiàn)井筒工程建設(shè)的重大突破。然而,由于爆破工序復(fù)雜,且存在施工安全可控性差、作業(yè)人員多、職業(yè)傷害及環(huán)境污染等問(wèn)題,爆破工序也造成鑿井循環(huán)中無(wú)法連續(xù)或掘-支平行作業(yè),限制了井筒建設(shè)向無(wú)人、少人或智能化方向發(fā)展[17]。因此,為滿足安全、高效、綠色、智能化井筒建設(shè)的現(xiàn)代化發(fā)展需求,亟需變革大直徑井筒鑿井技術(shù)與裝備。

隨著材料科學(xué)與工程、機(jī)械工程、控制科學(xué)與工程、工程力學(xué)和巖土工程等學(xué)科發(fā)展與其他學(xué)科的交叉融合,推動(dòng)了機(jī)械破巖鉆井技術(shù)與裝備的進(jìn)步[18]。從采用小直徑牙輪鉆頭機(jī)械破巖鉆進(jìn)小直徑鉆孔裝備開(kāi)始,發(fā)展出采用多把可旋轉(zhuǎn)滾刀沖擊或擠壓破巖的多種類(lèi)型隧道掘進(jìn)機(jī)與豎井鉆機(jī)等大體積破巖裝備,并通過(guò)不斷改進(jìn)優(yōu)化,使大型機(jī)械破巖鉆井裝備在工程效率和經(jīng)濟(jì)方面趨于合理,甚至在地質(zhì)條件較好的情況下工程成本能夠低于鉆爆法鑿井,形成了適應(yīng)不同地層條件和工程條件的非爆破機(jī)械破巖鉆井技術(shù)、裝備和工藝體系[19-21]。按井筒角度劃分,形成了豎井鉆機(jī)、反井鉆機(jī)、沉井式豎井掘進(jìn)機(jī)和硬巖掘進(jìn)機(jī)等豎井鉆井裝備;形成了大傾角反井鉆機(jī)和下排渣豎井掘進(jìn)機(jī),以及小傾角的斜井硬巖掘進(jìn)機(jī)等。按地質(zhì)條件劃分,形成了適用穩(wěn)定地層的豎井掘進(jìn)機(jī)、反井鉆機(jī)、斜井硬巖掘進(jìn)機(jī)等,適用東部富水沖積地層和西部軟弱地層的大型豎井鉆機(jī),以及適用城市軟土地層的沉井式豎井掘進(jìn)機(jī)。按照斷面掘進(jìn)形制,形成了全斷面掘進(jìn)的反井鉆機(jī)、豎井鉆機(jī)、豎井掘進(jìn)機(jī)和斜井硬巖掘進(jìn)機(jī)等,以及部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)的沉井式豎井掘進(jìn)機(jī)等。按照鉆井方向,形成了正向鉆進(jìn)的豎井鉆機(jī)、豎井掘進(jìn)機(jī)、斜井硬巖掘進(jìn)機(jī)和沉井式豎井掘進(jìn)機(jī),以及反向鉆進(jìn)的反井鉆機(jī)。

2021年作為我國(guó)“十四五”規(guī)劃的開(kāi)局之年,也是我國(guó)非爆破機(jī)械破巖鉆井發(fā)展進(jìn)程中重要的一年。根據(jù)國(guó)家能源戰(zhàn)略對(duì)潔凈、綠色和低碳能源的需求不斷調(diào)整,以及國(guó)家能源局、應(yīng)急管理部、發(fā)改委等部委對(duì)礦業(yè)和其他地下工程安全、高效、綠色、智能建設(shè)的總體要求,我國(guó)在大型豎井鉆機(jī)、反井鉆機(jī)、豎井掘進(jìn)機(jī)、沉井式豎井掘進(jìn)機(jī)、斜井硬巖掘進(jìn)機(jī)等研究方面取得較大進(jìn)展,取得了一系列創(chuàng)新性研究成果和突破性工程建設(shè)。

1 豎井鉆機(jī)鉆井技術(shù)與裝備的新發(fā)展

我國(guó)從1958年開(kāi)始鉆井法鑿井前期研究到1969年鉆成第一條煤礦豎井井筒,經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展,初步形成了“滾刀破巖、泥漿護(hù)壁臨時(shí)支護(hù)、氣舉反循環(huán)排渣、減壓鉆進(jìn)控斜、永久井壁地面預(yù)制、懸浮下沉安裝、內(nèi)外管壁后充填”的鉆井技術(shù)和工藝體系[22]?！笆晃濉逼陂g,針對(duì)鉆井法鑿井存在的鉆進(jìn)效率低、成井速度慢及廢棄泥漿排放等問(wèn)題,開(kāi)展了“‘一擴(kuò)成井’快速鉆井法鑿井關(guān)鍵技術(shù)及裝備”項(xiàng)目研究,形成鉆井直徑小于7.7 m井筒“一鉆成井”、鉆井直徑8.3 m 井筒“一擴(kuò)成井”快速鉆井新工藝,并在淮北和皖北礦業(yè)集團(tuán)的袁店二礦、朱集西、信湖,以及河南平頂山八礦等煤礦完成試驗(yàn)和推廣應(yīng)用,鉆進(jìn)速度提高到39 m/月,實(shí)現(xiàn)廢棄泥漿的固化或綜合利用,基本達(dá)到了廢棄物零排放要求[23-25]。豎井鉆機(jī)鉆井法作為華東及華中地區(qū)煤礦建井的一種特殊鑿井方法,主要解決了我國(guó)深厚富水沖積地層中井筒建設(shè)的難題,井筒穿過(guò)軟弱沖積地層后,井筒下部基巖段部分還需采用鉆爆法掘進(jìn)。鉆井法鑿井技術(shù)經(jīng)過(guò)在煤礦井筒建設(shè)認(rèn)可后,又研發(fā)出強(qiáng)力大直徑硬巖專(zhuān)用鉆機(jī),推廣應(yīng)用到金屬礦井和海上風(fēng)電樁基工程。

2021年,陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))可可蓋煤礦開(kāi)展在西部富水弱膠結(jié)地層中采用鉆井法建設(shè)煤礦中央進(jìn)風(fēng)豎井和中央回風(fēng)豎井。中央進(jìn)風(fēng)豎井設(shè)計(jì)深度538.5 m,井筒凈直徑6.0 m,井壁厚度600 mm,井筒擔(dān)負(fù)礦井進(jìn)風(fēng)任務(wù),并兼做安全出口。中央進(jìn)風(fēng)井由中國(guó)平煤神馬建工集團(tuán)有限公司承建,采用ZDZD-100型(見(jiàn)圖1)強(qiáng)力工程鉆機(jī)“一鉆成井”工藝[26]。ZDZD-100型鉆機(jī)原為海上大直徑堅(jiān)硬巖石風(fēng)力發(fā)電樁基鉆進(jìn)設(shè)計(jì),配有液壓油缸驅(qū)動(dòng)的可變直徑鉆頭和穩(wěn)定器結(jié)構(gòu),滿足海上風(fēng)電樁基變徑需要,能夠在巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)到130 MPa的地層鉆進(jìn),一次鉆孔直徑達(dá)到6.5 m,鉆進(jìn)速度超過(guò)100 mm/h。為了滿足可可蓋煤礦中央進(jìn)風(fēng)井需要,根據(jù)鉆機(jī)能力和采用的鉆井工藝,研制了“T”型鉆頭結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2),一次鉆井直徑達(dá)到8.5 m。為保障豎井鉆機(jī)提吊、檢修鉆頭和更換滾刀的安全,研制出配套的國(guó)內(nèi)起重能力最大的門(mén)式起重機(jī)(見(jiàn)圖1),起重能力達(dá)到8 000 k N,通過(guò)軌道能夠提吊鉆機(jī)主機(jī)。經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)備改進(jìn)和優(yōu)化,不但提吊能力增加,還能夠加長(zhǎng)預(yù)制井壁節(jié)的長(zhǎng)度,減少了井壁懸浮下沉安裝連接次數(shù)。

圖1 ZDZD-100型豎井鉆機(jī)及龍門(mén)吊現(xiàn)場(chǎng)

圖2 豎井鉆機(jī)“一鉆成井”的T 型鉆頭實(shí)物

可可蓋煤礦中央回風(fēng)豎井設(shè)計(jì)深度542.5 m,井筒凈直徑6.0 m,井壁厚度600 mm。中央回風(fēng)井由中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限公司承建,采用AD130/1000型豎井鉆機(jī)(見(jiàn)圖3)“一擴(kuò)成井”鉆井工藝[27],超前孔直徑為4.2 m,擴(kuò)孔直徑為8.5 m,破巖面積比例為1∶4。AD130/1000 型作為成熟的液壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)豎井鉆機(jī),配套1 臺(tái)MG400/30-18A4和1臺(tái)WMQH80/10-18A5型門(mén)式起重機(jī),用以配合鉆井鉆頭吊裝及井壁預(yù)制和組裝。AD130/1000型與ZDZD-100型豎井鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù),如表1所示。

表1 可可蓋煤礦采用兩種豎井鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖3 AD130/1000型豎井鉆機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)

可可蓋煤礦中央進(jìn)回風(fēng)豎井所穿過(guò)地層條件基本相同,上部為第四系薩拉烏素組地層松散砂層,厚度超過(guò)60 m,下部為基巖地層。為了保證在風(fēng)積沙地層設(shè)備穩(wěn)定和工作安全,除了施工鉆機(jī)基礎(chǔ)和鎖口外,還采用旋噴樁對(duì)井幫周?chē)疃?0 m 的地層進(jìn)行了環(huán)形帷幕加固。截止到2021-12-30,中央進(jìn)風(fēng)井直徑8.5 m,鉆井深度225.48 m,破碎巖土量為12 489 m3,完成井筒所需總破巖體積的41.9%;中央回風(fēng)井鉆井直徑4.2 m,深度420.44 m,破碎巖土量為5 822 m3,完成井筒所需總破巖體積的18.9%。

2 反井鉆機(jī)鉆井技術(shù)與裝備的新發(fā)展

從上世紀(jì)80年代開(kāi)始反井鉆機(jī)小直徑鉆井技術(shù)與裝備的研究。隨著裝備制造和機(jī)械破巖刀具的發(fā)展及大型反井鉆機(jī)的研制,鉆井直徑逐漸增大,成為一種重要的井筒施工方法——反井鉆機(jī)鉆井法[28]。進(jìn)入21世紀(jì),在前期研究基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了由小直徑反井鉆孔向大直徑反井鉆井的轉(zhuǎn)變,形成了成熟的反井鉆機(jī)鉆井新工法。

在國(guó)家科技部科研院所專(zhuān)項(xiàng)研究資金滾動(dòng)項(xiàng)目支持下,研制出國(guó)內(nèi)最大型反井鉆機(jī)——BMC600型反井鉆機(jī),并用于多條有代表性的鉆井工程。2009年,采用BMC600型反井鉆機(jī)鉆井工藝完成了國(guó)內(nèi)首條鉆井直徑5.0 m 的采區(qū)風(fēng)井工程。2016年,在白鶴灘電站堅(jiān)硬的玄武巖地層中,采用該反井鉆機(jī)鉆成直徑3.5 m 的多條通風(fēng)和壓力管道豎井。2021年,在白鶴灘以禮河電站玄武巖地層,利用“一導(dǎo)一擴(kuò)”工藝,鉆成直徑4.5 m 的壓力管道井筒。2021 年,采用經(jīng)過(guò)改造的BMC600型反井鉆機(jī)(見(jiàn)圖4),完成了神華包頭公司李家壕煤礦二水平回風(fēng)立井延深段施工,反井鉆機(jī)直接鉆進(jìn)直徑為350 mm 導(dǎo)孔,鉆進(jìn)時(shí)間為4 d,實(shí)際鉆孔深度為81 m;然后,安裝新研制的直徑6.0 m 組裝式擴(kuò)孔鉆頭(見(jiàn)圖5),擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)間15 d,這是目前反井鉆機(jī)鉆進(jìn)最大直徑鉆井。

圖4 適用井下環(huán)境的BMC600型反井鉆機(jī)施工

圖5 直徑6.0 m 的組裝式擴(kuò)孔鉆頭準(zhǔn)備開(kāi)始擴(kuò)孔

反井鉆機(jī)鉆井過(guò)程無(wú)人下井作業(yè),從根本上解決了鑿井安全問(wèn)題。經(jīng)過(guò)40余年的技術(shù)探索、科研攻關(guān)和工程應(yīng)用,截至2021年,形成了適應(yīng)復(fù)雜地層反井鉆機(jī)鉆井技術(shù)、裝備和工藝,解決了不同地質(zhì)條件鉆井井幫穩(wěn)定問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了地層改性基礎(chǔ)上的反井鉆機(jī)導(dǎo)孔定向控制、擴(kuò)孔高效鉆進(jìn),并開(kāi)始組織研制BMC1000 型反井鉆機(jī)。BMC600型和BMC1000型反井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)比,如表2所示。針對(duì)富水不穩(wěn)定地層條件,形成了凍結(jié)改性基礎(chǔ)上的反井鉆機(jī)鉆井技術(shù)和工藝;針對(duì)深部局部裂隙、溶洞、含水地層條件,形成了局部破碎地層導(dǎo)孔注漿加固堵水后反井鉆機(jī)鉆井技術(shù)和工藝;通過(guò)研發(fā)斜井專(zhuān)用反井鉆機(jī)、定向鉆機(jī)、防卡擴(kuò)孔鉆頭等技術(shù)與裝備,形成了長(zhǎng)斜井定向反井鉆井工藝[29];以破巖機(jī)理、刀齒材料及試驗(yàn)為基礎(chǔ),研制出適合不同巖層條件的系列鑲齒破巖滾刀,滿足破碎巖石單軸抗壓強(qiáng)度200 MPa的需求。

表2 BMC600型和BMC1000型反井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)比

3 豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井技術(shù)與裝備的新發(fā)展

2021年初我國(guó)首臺(tái)套導(dǎo)井豎井掘進(jìn)機(jī)完成首條井筒鉆井工程,鉆井直徑5.8 m、鉆井深度282.2 m,純鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)間為44 d。2021年底,首臺(tái)機(jī)械上排渣豎井掘進(jìn)機(jī)完成直徑7.83 m、深度約198 m 的井筒鉆井工程試驗(yàn);首臺(tái)流體上排渣豎井掘進(jìn)機(jī)始發(fā),鉆進(jìn)直徑11.4 m。2021年引進(jìn)德國(guó)海瑞克公司的沉井式豎井掘進(jìn)機(jī),在城市含水地層完成深度68 m 的地下豎井式停車(chē)場(chǎng)井筒工程。不同類(lèi)型豎井掘進(jìn)機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 我國(guó)研制的豎井掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.1 導(dǎo)井式下排渣豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井

國(guó)家“十二五”期間在“863”計(jì)劃支持下研制出首臺(tái)套MSJ5.8/1000/1.6D 型導(dǎo)井式下排渣豎井掘進(jìn)機(jī)(見(jiàn)圖6)。2021年北京中煤礦山工程有限公司采用該機(jī)完成了云南以禮河四級(jí)水電站出線豎井工程,形成了“定向鉆機(jī)超前導(dǎo)孔鉆進(jìn)、反井鉆機(jī)擴(kuò)大超前導(dǎo)孔下放鉆桿、反井鉆機(jī)擴(kuò)孔形成導(dǎo)井、豎井掘進(jìn)機(jī)擴(kuò)大導(dǎo)井鉆井、隨鉆臨時(shí)支護(hù)”的鉆井新工藝[30]。井筒施工采用了SPS-300型定向鉆機(jī)、MWD 無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀及5LZ146×7.0IV 螺桿鉆具,形成的超前導(dǎo)孔偏斜率為0.12%;采用BMC600型反井鉆機(jī)用14 d時(shí)間,鉆成直徑1.4 m 導(dǎo)井,最后采用MSJ5.8/1000/1.6D 型豎井掘進(jìn)機(jī)(金沙江1號(hào))擴(kuò)大導(dǎo)井(見(jiàn)圖6和圖7),鉆成直徑5.8 m,深度282.5 m 井筒,豎井掘進(jìn)機(jī)純鉆進(jìn)天數(shù)為44 d,其中,單日最快進(jìn)尺10.9 m,破碎地層最慢進(jìn)尺3.6 m,平均日進(jìn)尺6.9 m。在豎井掘進(jìn)機(jī)鉆頭上安裝鑲齒滾刀38把,總的鉆進(jìn)實(shí)體巖石量為6 898 m3,平均每把滾刀破巖體積為181.5 m3,每把邊刀破巖體積106.8 m3,每把正刀破巖體積195.5 m3。

圖6 MSJ5.8/1000/1.6D 型豎井掘進(jìn)機(jī)始發(fā)

圖7 MSJ5.8/1000/1.6D 型豎井掘進(jìn)機(jī)試驗(yàn)井貫通

3.2 機(jī)械上排渣式豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井

中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司自2011年開(kāi)始研制豎井掘進(jìn)裝備,歷時(shí)近11 a,成功研制了SBM/1000型全斷面硬巖豎井掘進(jìn)機(jī)(中鐵599號(hào)),主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。2021年底,采用“中鐵599號(hào)”全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)完成了浙江寧海抽水蓄能電站排風(fēng)豎井工程鉆井,排風(fēng)豎井井口標(biāo)高為+280 m,井筒深度約198 m,開(kāi)挖斷面直徑尺寸為7.83 m,圍巖完整性好。豎井掘進(jìn)機(jī)采用盤(pán)形滾刀破巖,利用刮板輸送機(jī)及鏈斗垂直提升,并在裝渣平臺(tái)裝入吊桶后將巖渣提升到地面排放[31-32]。SBM/1000型豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井示意如圖8 所示。豎井掘進(jìn)機(jī)2020 年9 月進(jìn)場(chǎng),到2021-12-28完成排風(fēng)豎井施工。全斷面硬巖豎井掘進(jìn)機(jī)與傳統(tǒng)工法相比,施工人員減少50%以上。

圖8 SBM/1 000型豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井示意[32]

3.3 流體上排渣式豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井

新疆天山勝利隧道是新疆烏尉高速公路重點(diǎn)控制性工程,全長(zhǎng)22.1 km,是目前世界最長(zhǎng)高速公路隧道,隧道最大埋深達(dá)1 112.2 m。2號(hào)豎井工程作為天山勝利隧道的通風(fēng)井,井筒深度達(dá)到800 m。天山勝利隧道豎井處于高寒高海拔地區(qū),最低氣溫達(dá)零下40 ℃,海拔高度達(dá)到3 660 m,巖石最大單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到200 MPa。為了快速非爆破建設(shè)井筒,中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司研制“首創(chuàng)號(hào)”超大直徑硬巖豎向掘進(jìn)機(jī)(見(jiàn)圖9),主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。首創(chuàng)號(hào)豎井掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)挖直徑11.4 m,主要由主機(jī)部分、吊盤(pán)部分、井上設(shè)備組成,重約1 100 t;該機(jī)刀盤(pán)破碎巖石采用流體上排渣的方式出渣,采用泥水循環(huán)系統(tǒng)排出,將避免傳統(tǒng)設(shè)備排渣揚(yáng)塵等對(duì)天山的自然環(huán)境造成污染[33]。2021-11-05首批刀盤(pán)分塊進(jìn)場(chǎng)后,用時(shí)15 d完成刀盤(pán)組裝、焊接工作,并于11月21日順利下井,12月12日完成組裝開(kāi)始始發(fā)。

圖9 首創(chuàng)號(hào)豎井掘進(jìn)機(jī)主機(jī)示意[33]

3.4 沉井式豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井

2020年我國(guó)引進(jìn)德國(guó)海瑞克公司研制的VSM12000型沉井式豎井掘進(jìn)機(jī)(見(jiàn)圖10),該機(jī)采用截割部分?jǐn)嗝嫫茙r,通過(guò)潛入式泵吸反循環(huán)排渣、地面泥漿巖渣分離、沉井井壁的下沉加壓、沉井井壁懸吊的偏斜控制等技術(shù),可滿足深度80～100 m、直徑4.5～12 m 的含水復(fù)雜地層中井筒鉆進(jìn)需要[34],特別是能夠在城市復(fù)雜工程環(huán)境下應(yīng)用,用于城市地下交通隧道、管廊、雨水、污水和海綿城市的盾構(gòu)或頂管始發(fā)和接收豎井井筒施工,以及豎井式地下停車(chē)系統(tǒng)的建設(shè)等。

圖10 沉井式豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井示意[34]

上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司承建的南京市建鄴區(qū)沉井地下車(chē)庫(kù)項(xiàng)目,一期將建設(shè)兩座沉井式地下智能停車(chē)庫(kù),把傳統(tǒng)的“二維”停車(chē)空間轉(zhuǎn)為“三維”立體空間[35]。首條豎井采用德國(guó)海瑞克VSM12000型豎井掘進(jìn)機(jī)自2020-12-23開(kāi)始掘進(jìn),到2021-02-07下沉至設(shè)計(jì)深度,最大開(kāi)挖深度為68 m,沉井內(nèi)徑12 m,平均施工速度約為1.54 m/d,最快下沉速度為4.33 m/d,周邊地層沉降量不大于5 mm;第2條豎井純掘進(jìn)施工時(shí)間為28 d。“沉井式地下智能停車(chē)庫(kù)”系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)用了目前全球最先進(jìn)的德國(guó)海瑞克VSM 下沉式豎井掘進(jìn)技術(shù),這不僅是國(guó)內(nèi)首次采用VSM技術(shù),也達(dá)到了世界上該技術(shù)應(yīng)用目前最大內(nèi)徑。

4 斜井硬巖掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)與裝備的新發(fā)展

近年來(lái)硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)TBM)逐漸應(yīng)用在12座礦井的主副斜井、運(yùn)輸巷和瓦斯抽放巷等工程施工,初步形成了全斷面刀盤(pán)高效破巖、皮帶連續(xù)出渣、錨網(wǎng)噴支護(hù)代替管片支護(hù)、通風(fēng)除塵、掘進(jìn)工作面供排水等多工序協(xié)同作業(yè)。不僅解決了普通鉆爆法危險(xiǎn)性高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題,在一定程度解決了綜掘機(jī)破巖能力不足、硬巖掘進(jìn)效率低的問(wèn)題[36]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,采用TBM 掘進(jìn)速度可達(dá)到鉆爆法的3～10倍,為綜掘法的2～8倍,體現(xiàn)了減人提效、安全可靠與經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。

神東補(bǔ)連塔煤礦2號(hào)副井采用中國(guó)鐵建重工集團(tuán)研制的單護(hù)盾TBM 掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)[37],斜井設(shè)計(jì)5.5°連續(xù)下坡,井筒每1 000 m 設(shè)置1 處長(zhǎng)50 m的車(chē)輛緩沖平臺(tái),總長(zhǎng)度2 745 m,開(kāi)挖直徑7.62 m,其中明挖段26.32 m,TBM 掘進(jìn)段2 718.2 m。該項(xiàng)目由中鐵十一局組織施工,2015年7月開(kāi)始正式掘進(jìn)并于當(dāng)年12月份貫通,單月最高進(jìn)尺639 m,平均月進(jìn)尺546 m。神華新街臺(tái)格廟礦主副斜井原設(shè)計(jì)6°全下坡[38],開(kāi)挖斷面7.6 m,初砌后內(nèi)徑6.6 m,外徑7.3 m,總長(zhǎng)度6 314 m,志丹群和表土層段計(jì)劃采用復(fù)合式TBM 掘進(jìn),進(jìn)入安定組后轉(zhuǎn)換成單護(hù)盾TBM 掘進(jìn),但由于臺(tái)格廟礦區(qū)屬于水源地保護(hù)區(qū)等原因未進(jìn)行施工。陜西延長(zhǎng)石油可可蓋煤礦主斜井設(shè)計(jì)傾角5.6°,總斜長(zhǎng)5 304.9 m,基巖段長(zhǎng)度約4 803 m,TBM 掘進(jìn)5 040.9 m,掘進(jìn)直徑7.13 m;副斜井設(shè)計(jì)傾角6°,總斜長(zhǎng)5 302 m,基巖段長(zhǎng)度約4 802 m,TBM 掘進(jìn)5 041.3 m,掘進(jìn)直徑7.13 m[39-40]。2021年可可蓋煤礦主副斜井采用中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司研發(fā)的ZTT7130型敞開(kāi)式全斷面TBM 系統(tǒng),截止到2021-12-31,中煤第三建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司承建主斜井掘進(jìn)2 400 m,中鐵十五局集團(tuán)有限公司承建副斜井掘進(jìn)1 720 m。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

大直徑井筒機(jī)械破巖鉆井技術(shù)與裝備的發(fā)展促進(jìn)了我國(guó)地下礦產(chǎn)資源開(kāi)采和地下工程領(lǐng)域的建設(shè),少人、安全、綠色、機(jī)械化、智能化的鉆井技術(shù)與裝備是未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)的重要需求和必然趨勢(shì)。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,我國(guó)大直徑井筒機(jī)械破巖鉆井技術(shù)與裝備得到了迅速發(fā)展。其一,豎井鉆機(jī)“一擴(kuò)成井”和“一鉆成井”鉆井法首次在我國(guó)西部富水弱膠地層中開(kāi)展工業(yè)性試驗(yàn),全井筒采用豎井鉆機(jī)鉆進(jìn)成井,不需要從鉆井到普通鑿井的改絞轉(zhuǎn)化過(guò)程;其二,反井鉆機(jī)“一導(dǎo)一擴(kuò)”復(fù)雜地層鉆井工藝廣泛應(yīng)用于地下工程井筒建設(shè),完成國(guó)內(nèi)最大直徑6.0 m 的反井鉆機(jī)鉆井;在BMC600型反井鉆機(jī)的基礎(chǔ)上開(kāi)始組織研制BMC1000型反井鉆機(jī);其三,豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井法鑿井方面,導(dǎo)井式豎井掘進(jìn)機(jī)、機(jī)械上排渣豎井掘進(jìn)機(jī)和引進(jìn)德國(guó)海瑞克公司的沉井式豎井掘進(jìn)機(jī)均完成首條井筒鉆井工程試驗(yàn),以及流體上排渣豎井掘進(jìn)機(jī)已始發(fā)掘進(jìn);國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)“千米豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”項(xiàng)目開(kāi)始實(shí)施。

針對(duì)深部礦產(chǎn)資源開(kāi)采、水力發(fā)電、深埋鐵路公路和地下輸水引水等地下工程的建設(shè)實(shí)踐,更深、更復(fù)雜的大直徑井筒建設(shè)工程還在日益增加,需要研究地層探識(shí)與地層改性技術(shù)與材料,提高地層穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)“干井掘進(jìn)”;研究高效破巖、連續(xù)排渣、隨鉆支護(hù)和永久支護(hù)等技術(shù),研制出低能耗大型鉆井裝備,提高大直徑井筒成套鉆井技術(shù)與裝備的可靠性和適應(yīng)性,形成機(jī)械破巖鉆井的新理論、新技術(shù)、新裝備和新工藝,并不斷提高機(jī)械破巖鉆井自動(dòng)化和智能化水平,為建設(shè)智慧井筒提供重要的支撐。