千米豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)鑿井關(guān)鍵技術(shù)與研究路徑探析

劉志強(qiáng)，李術(shù)才，王杜娟，宋朝陽(yáng)，劉征宇，田彥朝，荊國(guó)業(yè)

(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；3.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061；4.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

深地資源與空間開(kāi)發(fā)利用是國(guó)家重大戰(zhàn)略任務(wù)。豎井作為進(jìn)入深部地層的核心構(gòu)筑物，擔(dān)負(fù)著礦物、人員、材料和裝備的提升，以及通風(fēng)、供排水、供電與安全通道等多種功能。豎井工程廣泛應(yīng)用于地下礦物資源開(kāi)采、地下交通、水力水電工程建設(shè)、地下大科學(xué)試驗(yàn)、地下油氣存儲(chǔ)、地下核廢料和CO封存等地下資源開(kāi)采和地下空間開(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域，對(duì)保障資源、能源供給和國(guó)家安全，支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年以來(lái)我國(guó)超千米豎井已建成150余條，近10 a增速超200%，我國(guó)已然成為深地開(kāi)發(fā)大國(guó)。面對(duì)千米以深礦物資源開(kāi)發(fā)和地下空間利用的重大需求，特別是進(jìn)入2 000～3 000 m深地工程，豎井必將成為進(jìn)入深部地層的主要通道。目前，井筒建設(shè)以鉆孔爆破鑿井方法為主，存在下井作業(yè)人員多、工作環(huán)境差、職業(yè)傷害嚴(yán)重、豎井施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題，安全事故時(shí)有發(fā)生，而以機(jī)械破巖為代表的非爆破破巖技術(shù)是現(xiàn)階段鑿井技術(shù)發(fā)展的重要方向，是實(shí)現(xiàn)千米深大直徑井筒智能建設(shè)的重要支撐。

目前，千米豎井高精度、高可靠、高效率、綠色化、智能化建設(shè)技術(shù)，是國(guó)內(nèi)外地下礦物資源開(kāi)采與地下空間開(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。然而，千米深井穿過(guò)地層的復(fù)雜性、不確定性和未知性，給豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井地層穩(wěn)定控制和涌水治理技術(shù)、掘進(jìn)裝備與配套裝備以及工藝和示范帶來(lái)一系列重大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。我國(guó)已形成了適用富水軟弱地層的豎井鉆機(jī)鉆井技術(shù)，適用待鑿井筒下部存在巷道工程條件的反井鉆機(jī)鉆井和導(dǎo)井式下排渣豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井技術(shù)，以及適用200 m以淺的上排渣豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井技術(shù)。我國(guó)千米深豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井技術(shù)依然處于空白階段，豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井基礎(chǔ)理論缺乏，硬巖大體積低能耗機(jī)械破巖、克服重力連續(xù)垂直排渣、掘進(jìn)-支護(hù)協(xié)同與安全保障等關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，千米豎井全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)及其配套裝備亟待研發(fā)。因此，千米豎井硬巖全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井技術(shù)是我國(guó)千米豎井安全、高效、綠色、智能化建設(shè)的迫切需求。

按照支撐國(guó)家資源安全和構(gòu)建新發(fā)展格局的要求，促進(jìn)井筒向更深和向無(wú)人化、智能化建井發(fā)展進(jìn)行技術(shù)積累，占領(lǐng)國(guó)際深地科技前沿，保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)安全。2021年科技部發(fā)布了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“高性能制造技術(shù)與重大裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)的申報(bào)指南，其中“重大裝備應(yīng)用示范”任務(wù)的3.3為“千米豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”。北京中煤礦山有限公司作為項(xiàng)目牽頭單位，組織國(guó)內(nèi)有關(guān)院校、研究機(jī)構(gòu)和井筒建設(shè)企業(yè)，進(jìn)行了項(xiàng)目申報(bào)。筆者圍繞重點(diǎn)專項(xiàng)申報(bào)指南中的研究?jī)?nèi)容和考核指標(biāo)，梳理了國(guó)內(nèi)外機(jī)械破巖鑿井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，剖析了機(jī)械破巖鑿井面臨的難題，凝練了千米豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)鑿井需要攻克的3個(gè)科學(xué)問(wèn)題和8項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，按照“工藝引領(lǐng)—地質(zhì)保障—技術(shù)突破—裝備研發(fā)—工程示范”的全要素、全過(guò)程思路，提出了5項(xiàng)攻關(guān)任務(wù)，以期為千米豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)鑿井關(guān)鍵技術(shù)與裝備的發(fā)展提供參考。

1 豎井掘進(jìn)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

1.1 豎井掘進(jìn)機(jī)發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

20世紀(jì)初期，國(guó)外采礦與機(jī)械制造工作者開(kāi)始研發(fā)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井技術(shù)，提出了大量的基于機(jī)械破巖的豎井掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)方案，并形成了專利；但受當(dāng)時(shí)材料、裝備加工制造水平和經(jīng)濟(jì)成本所制約，阻礙了機(jī)械破巖鑿井技術(shù)的發(fā)展。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，以美國(guó)和德國(guó)為主研制出了多種類型的全斷面和部分?jǐn)嗝尕Q井掘進(jìn)機(jī)，并應(yīng)用于工程實(shí)踐(表1)。盡管完成了煤礦、非金屬礦和水利等領(lǐng)域的井筒建設(shè)項(xiàng)目，但多采用單刃盤(pán)形滾刀或裝有截齒的鉆頭進(jìn)行破巖，適用地層巖石強(qiáng)度較低，上排渣方式排渣通道不暢，總體施工效率低，經(jīng)濟(jì)成本高。21世紀(jì)初期，由于采礦工業(yè)的變化，多數(shù)國(guó)家此項(xiàng)技術(shù)研發(fā)處于暫時(shí)停滯狀態(tài)，或轉(zhuǎn)行到隧道掘進(jìn)機(jī)等領(lǐng)域。目前，德國(guó)海瑞克公司是國(guó)外研究豎井掘進(jìn)機(jī)的代表性企業(yè)，制造了多種類型的豎井掘進(jìn)機(jī)，包括豎井掘進(jìn)機(jī)(VSM)、懸臂截割破巖上排渣豎井掘進(jìn)機(jī)(SBR)、全斷面流體上排渣硬巖掘進(jìn)機(jī)(SBC)，設(shè)計(jì)了大滾輪破巖上排渣豎井掘進(jìn)機(jī)的概念機(jī)。

表1 國(guó)外從事相關(guān)研究的主要機(jī)構(gòu)及其研發(fā)的裝備應(yīng)用情況

我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始研發(fā)機(jī)械破巖鉆井技術(shù)裝備與工藝，北京中煤礦山工程有限公司、中煤礦山建設(shè)集團(tuán)和中信重工集團(tuán)是最早從事機(jī)械鉆井技術(shù)裝備研究的單位，重點(diǎn)研發(fā)了適用我國(guó)中東部富水沖積地層的豎井鉆機(jī)鉆井技術(shù)裝備，以及適用具有下部排渣通道的反井鉆機(jī)鉆井技術(shù)裝備；近年來(lái)，中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司、中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司、遼寧三三工業(yè)有限公司、中國(guó)鐵建重工集團(tuán)等企業(yè)，從研制隧道或巖巷掘進(jìn)機(jī)方面轉(zhuǎn)型到研制井筒掘進(jìn)機(jī)裝備。截至目前，已有北京中煤礦山工程有限公司研制的導(dǎo)井式豎井掘進(jìn)機(jī)、中鐵工程裝備研制的機(jī)械式上排渣全斷面硬巖豎井掘進(jìn)機(jī)，以及中交中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司研制的流體式上排渣全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)，見(jiàn)表2。與國(guó)外同領(lǐng)域技術(shù)綜合比較而言，我國(guó)豎井全斷面掘進(jìn)機(jī)鑿井技術(shù)裝備與工藝的研發(fā)處于起步階段，與國(guó)外差距較大，較多的集中在國(guó)外豎井掘進(jìn)機(jī)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，核心技術(shù)自主創(chuàng)新能力薄弱。

表2 國(guó)內(nèi)從事相關(guān)研究的主要機(jī)構(gòu)及其研發(fā)的裝備應(yīng)用情況

1.2 千米豎井機(jī)械破巖鑿井面臨的難題

千米深井穿過(guò)地層的復(fù)雜性、不確定性和未知性，給豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井地層穩(wěn)定控制、涌水治理、核心裝備與配套裝備、工藝和示范帶來(lái)重大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，具體主要包括以下4個(gè)方面：

(1)豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)地層穩(wěn)定控制與減少空幫距離的近工作面支護(hù)。千米豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井將穿越淺部不穩(wěn)定軟弱地層，并隨著鑿井深度的不斷增加，將面臨地質(zhì)構(gòu)造條件更復(fù)雜、地應(yīng)力增大、破碎巖體增多、涌水量和地下水壓加大等惡劣的地質(zhì)環(huán)境條件，將導(dǎo)致突水突泥、圍巖坍塌等動(dòng)力災(zāi)害事故發(fā)生。因此，必須采取適應(yīng)豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的圍巖穩(wěn)定控制、減少空幫距離的近工作面隨掘支護(hù)等措施，降低因地層突泥導(dǎo)致的刀盤(pán)被卡或被埋、巖爆對(duì)刀具裝備導(dǎo)致的損壞、地層涌水導(dǎo)致井內(nèi)設(shè)備或人員被淹等風(fēng)險(xiǎn)，保障豎井掘進(jìn)機(jī)施工安全。

(2)堅(jiān)硬巖石大體積高效低成本破巖。千米深井堅(jiān)硬巖石破碎是豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井首要解決的難題。目前不同地下工程領(lǐng)域?qū)r石堅(jiān)硬程度的劃分界限不同，對(duì)于煤礦而言從80～150 MPa屬于堅(jiān)硬巖石，但是對(duì)于金屬礦山巖石相對(duì)更加堅(jiān)硬。現(xiàn)有的鑲齒滾刀、盤(pán)形滾刀和截齒等破巖刀具，難以適應(yīng)堅(jiān)硬巖石破碎(圖1)，特別是地層巖石強(qiáng)度大于100 MPa時(shí)，刀具破巖效率低、滾刀磨損快、刀軸脫落等問(wèn)題突出，刀具更換頻繁，造成施工成本增加和施工周期延長(zhǎng)，亟需研制高硬度、耐磨刀具，提高刀具壽命。滾刀破巖磨損與失效情況，如圖2所示。此外，從機(jī)械破巖機(jī)理角度來(lái)分析，機(jī)械刀具主要通過(guò)擠壓、剪切作用破巖，存在破巖體積較小、重復(fù)破碎等問(wèn)題突出，有必要聯(lián)合其他新型破巖方式解決大體積高成本破巖難題。

圖1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度、滾刀壓力與貫入度的關(guān)系曲線[9]

圖2 滾刀破巖磨損與失效情況

(3)千米豎井全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)偏斜控制。為保障井筒施工質(zhì)量，鑿井偏斜控制技術(shù)是必須要解決的核心技術(shù)難題之一。全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井穿越千米地層，處于復(fù)雜的、不確定的、動(dòng)態(tài)的非結(jié)構(gòu)化地質(zhì)環(huán)境中時(shí)，地層傾角、傾向、層狀等結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀與斷層、破碎帶、溶洞等地質(zhì)構(gòu)造，以及地層巖性、風(fēng)化程度、地層軟硬巖石的變化等，都會(huì)對(duì)全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井偏斜控制造成困難。因此，要求豎井掘進(jìn)機(jī)能夠通過(guò)自身所裝配的傳感器來(lái)感知地質(zhì)環(huán)境和自主定位，并實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)校準(zhǔn)和路徑規(guī)劃，這是一項(xiàng)很大的技術(shù)挑戰(zhàn)?；趲r-機(jī)映射關(guān)系的巖體參數(shù)動(dòng)態(tài)感知示意，如圖3所示。

圖3 基于巖-機(jī)映射關(guān)系的巖體參數(shù)動(dòng)態(tài)感知示意

(4)復(fù)雜環(huán)境條件下大型低功率鑿井裝備的設(shè)計(jì)制造及其配套研發(fā)。豎井全斷面掘進(jìn)機(jī)作為機(jī)械破巖鑿井技術(shù)的核心裝備，是一個(gè)集地層探測(cè)、旋轉(zhuǎn)破巖、推進(jìn)排渣、支撐導(dǎo)向、井幫支護(hù)、環(huán)境感知等多功能于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，滿足復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下多維度感知、多功能融合、多動(dòng)作協(xié)同豎井掘進(jìn)機(jī)的研制依然面臨諸多問(wèn)題；相對(duì)于普通鉆爆法鑿井而言，全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)鑿井技術(shù)屬于變革性鑿井技術(shù)，不能僅僅是普通鉆爆法鑿井的人工代替或延伸，因此適用豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井的工藝和配套裝備，必然要同步實(shí)現(xiàn)變革，從而滿足豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井安全高效和穩(wěn)定可靠的總體要求。

2 千米豎井全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)鑿井科學(xué)技術(shù)問(wèn)題

盡管普通鉆爆法鑿井早已突破千米深度，在千米豎井建設(shè)地質(zhì)保障方面取得了一定進(jìn)展，同時(shí)國(guó)內(nèi)外已研制出適合不同地質(zhì)條件和工程條件的豎井鉆機(jī)、反井鉆機(jī)和豎井掘進(jìn)機(jī)等全斷面或部分?jǐn)嗝?、上排渣或下排渣等類型的機(jī)械破巖鑿井裝備，并在工程實(shí)踐中取得了重要突破。但是要實(shí)現(xiàn)千米豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)鑿井，無(wú)法直接復(fù)制或套用現(xiàn)成的地質(zhì)理論和鑿井技術(shù)，依然面臨著基礎(chǔ)研究滯后、關(guān)鍵技術(shù)尚未突破、裝備不配套、施工成本較高等系列難題。針對(duì)千米豎井復(fù)雜地層條件下硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)鑿井總體目標(biāo)和研究現(xiàn)狀，凝練出以下待攻克的3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和8個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2.1 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

(1)基于千米地層原位狀態(tài)探識(shí)的豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖分級(jí)理論。目前研究表明，現(xiàn)有的圍巖分類、分級(jí)理論主要在RQD定量判斷巖體質(zhì)量法的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正和完善，國(guó)外發(fā)展出了巖體地質(zhì)力學(xué)分類(RMR)、巖體質(zhì)量Q值等分類方法；國(guó)內(nèi)提出了《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》的修正BQ法和《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的HC法，并結(jié)合RMR和Q分類法共同使用的組合評(píng)價(jià)方法或模型?？傮w而言，現(xiàn)有的巖體分類方法是從普通鉆爆法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要依靠鉆孔獲取的巖芯來(lái)分析和確定，僅依靠普通鉆探存在獲得的巖芯易丟失大量原位信息、探查范圍較小等問(wèn)題。豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井與鉆爆鑿井技術(shù)原理和工藝有本質(zhì)區(qū)別，需要基于全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井“巖-機(jī)”互饋?zhàn)饔?，?cè)重地層涌水量對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井的決定性，考慮地層巖體可鉆性的重要性、圍巖自穩(wěn)性能的關(guān)鍵性、豎井掘進(jìn)機(jī)支撐的穩(wěn)定性、不良地層預(yù)改性治理的可靠性及衍生災(zāi)害的可控性等要素，制定圍巖分級(jí)原則與依據(jù)、確定指標(biāo)體系、構(gòu)建算法模型，形成豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖分級(jí)理論。

(2)硬巖大斷面多刀協(xié)同與射流輔助破巖機(jī)理。已有的研究表明，現(xiàn)有的盤(pán)形滾刀、鑲齒滾刀等刀具破巖，主要依靠鉆壓將鉆齒壓入巖體一定深度，形成不同深度的破碎坑，巖體內(nèi)部產(chǎn)生壓剪、拉伸破壞，可分為巖粉區(qū)、裂紋密集區(qū)和裂紋擴(kuò)展延伸區(qū)，如圖4所示，其中，為滾刀作用于巖石的正向壓力；為滾刀刀軸施加的驅(qū)動(dòng)力；和分別為刀齒和巖石相互作用，巖石對(duì)刀齒產(chǎn)生的反向壓力和反驅(qū)動(dòng)力；為正向壓力與反向壓力之間的夾角。但是現(xiàn)有滾刀破巖為點(diǎn)接觸破巖，存在破壞范圍較小、破壞深度較淺、巖石重復(fù)破碎等問(wèn)題。針對(duì)堅(jiān)硬巖石大體積高效破碎難題，尚需研究多刃鑲齒滾刀-盤(pán)形滾刀聯(lián)合破巖以及水射流預(yù)切縫弱化大體積破巖的不同組合方式及其破巖效率，揭示硬巖多刃鑲齒滾刀-盤(pán)形滾刀聯(lián)合破巖機(jī)理，提出硬巖高壓射流預(yù)切縫致?lián)p原理與方法，闡明預(yù)切縫釋放巖體儲(chǔ)能以減少巖爆機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)大體積硬巖“聯(lián)合破巖”，以及新型刀具、滾刀布置與變徑刀盤(pán)的研發(fā)提供理論支撐。

圖4 盤(pán)形滾刀與齒形滾刀破巖示意

(3)大直徑破巖掘進(jìn)面巖渣分布與運(yùn)移規(guī)律及垂直輸送機(jī)制。已有的研究表明，盤(pán)形滾刀、鑲齒滾刀等刀具破碎出的巖渣具有較好的分形特征，且具有較好的級(jí)配關(guān)系；但是豎井掘進(jìn)機(jī)破巖與水平隧道掘進(jìn)機(jī)破巖的工作面巖渣分布規(guī)律不同，豎井掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)破碎下來(lái)的巖渣在掘進(jìn)工作面上的分布狀態(tài)，既不均勻也不集中，總體而言呈現(xiàn)出豎井井底周邊的巖渣總量遠(yuǎn)大于井筒中心位置巖渣量的分布特征?，F(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外豎井掘進(jìn)機(jī)排渣主要采用刮板機(jī)械排渣、泥漿循環(huán)排渣、真空泵吸流體排渣等方式，目前為止排渣效果均不太理想，特別是大直徑豎井的排渣效率更低，導(dǎo)致井底巖渣重復(fù)破碎，無(wú)謂的消耗破巖刀具和能量。針對(duì)硬巖破碎后難以高效排渣和重復(fù)破碎的難題，尚需研究不同地層、刀具布置、集渣裝置、鉆進(jìn)參數(shù)等條件下井底巖渣特征與分布規(guī)律，以及機(jī)械攜渣和流體吸渣的物理與力學(xué)原理，揭示巖渣機(jī)械和多相流體多動(dòng)作協(xié)同排渣機(jī)制，構(gòu)建大直徑刀盤(pán)機(jī)械與流體協(xié)同排渣最優(yōu)組合模式，為巖渣收集、排渣通道、輸送方法等“干式”排渣技術(shù)工藝提供理論支撐。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

(1)千米地層原位探測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與改性技術(shù)。針對(duì)深部地層復(fù)雜軟弱破碎帶、含導(dǎo)水裂隙等不良地質(zhì)易誘發(fā)高壓突水突泥、圍巖失穩(wěn)坍塌等災(zāi)害事故的難題，探明千米地層不良地質(zhì)與巖性變化信息是豎井掘進(jìn)機(jī)安全掘進(jìn)的前提。重點(diǎn)突破多尺度立體化地球物理場(chǎng)精細(xì)探測(cè)方法和隨鉆地層原位狀態(tài)快速感知技術(shù)，攻克豎井掘進(jìn)機(jī)機(jī)載隨掘地震波遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)探測(cè)和基于巖-機(jī)映射關(guān)系的巖體參數(shù)感知技術(shù)，地層識(shí)別準(zhǔn)確率≥90%，實(shí)現(xiàn)地層透明化重構(gòu)，破解不良地質(zhì)精細(xì)探測(cè)難題。復(fù)雜含水軟弱破碎地層地面預(yù)注漿改性是千米豎井掘進(jìn)機(jī)安全施工的重要保障，研發(fā)深長(zhǎng)鉆孔定向控制、災(zāi)源靶域精準(zhǔn)制導(dǎo)和無(wú)線隨鉆數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)裝備，深長(zhǎng)距離鉆注預(yù)改性治理后井筒涌水量≤10 m/h，實(shí)現(xiàn)“干井”掘進(jìn)技術(shù)變革。千米地層鉆孔原位探測(cè)與預(yù)改性示意，如圖5所示。

圖5 千米地層鉆孔原位探測(cè)與預(yù)改性示意

(2)大斷面硬巖鑲齒滾刀-盤(pán)形滾刀聯(lián)合與水射流輔助高效破巖技術(shù)。針對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)遇到硬巖時(shí)，刀具難貫入、易磨蝕、掘進(jìn)效率極低的難題，提出高壓水射流預(yù)切縫、多刀協(xié)同破巖的新路徑。開(kāi)展高圍壓硬巖射流-滾刀聯(lián)合破巖實(shí)驗(yàn)，研究射流與滾刀的配合方式、切割方法、相對(duì)布局等對(duì)破巖效率的影響規(guī)律，揭示射流-滾刀高效聯(lián)合破巖機(jī)理；以破巖效率、能耗、刀具磨損等為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究射流-滾刀聯(lián)合破巖最優(yōu)組合模式與控制方法，解決高壓射流與滾刀協(xié)同作業(yè)問(wèn)題，提出適于豎井掘進(jìn)機(jī)聯(lián)合破巖刀盤(pán)的射流裝置布置方式，研發(fā)新型破巖刀具，適用于巖石單軸抗壓強(qiáng)度≥150 MPa，滾刀密封承壓≥10 MPa，單刀壽命≥130 m/把，實(shí)現(xiàn)大體積硬巖多刀聯(lián)合高效破碎。多滾刀與水射流聯(lián)合破巖刀盤(pán)示意，如圖6所示。

圖6 多類型滾刀與水射流輔助破巖刀盤(pán)示意

(3)大直徑刀盤(pán)機(jī)械與流體組合排渣技術(shù)。針對(duì)硬巖重復(fù)破碎和難以高效排渣的問(wèn)題，攻克與大體積破巖效率相匹配的大直徑井筒掘進(jìn)面排渣技術(shù)是實(shí)現(xiàn)豎井掘進(jìn)機(jī)高效掘進(jìn)功能的重要保障技術(shù)。基于豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)面巖渣特征與分布規(guī)律的分析，以及不同機(jī)械結(jié)構(gòu)攜渣和不同流體介質(zhì)排渣原理的研究，揭示巖渣克服重力機(jī)械和流體協(xié)同排渣機(jī)制(圖7)，攻克巖渣大體量快速垂直提運(yùn)技術(shù)，研究豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井垂直排渣工序、裝備配套、安全保障的動(dòng)態(tài)組織和統(tǒng)籌優(yōu)化方法，形成與巖渣分布、刀盤(pán)布局、排渣通道等因素相適應(yīng)的排渣系統(tǒng)，突破克服重力垂直排渣關(guān)鍵技術(shù)。

圖7 掘進(jìn)工作面收集巖渣與排渣示意[7]

(4)豎井掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)調(diào)控與整機(jī)集中控制技術(shù)。豎井掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)調(diào)控與集中控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)豎井掘進(jìn)機(jī)精準(zhǔn)鑿井的核心技術(shù)。綜合分析豎井掘進(jìn)機(jī)施工過(guò)程中負(fù)載力的變化規(guī)律與工況條件，建立掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)和仿真模型，闡明主驅(qū)動(dòng)、支撐、推進(jìn)液壓系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間的耦合作用關(guān)系，提出掘進(jìn)機(jī)魯棒高精度姿態(tài)調(diào)控方法與多技術(shù)融合的精準(zhǔn)導(dǎo)向技術(shù)；分析豎井掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)液壓系統(tǒng)仿真模型，分析不同工況下液壓系統(tǒng)的性能，研發(fā)豎井掘進(jìn)機(jī)穩(wěn)定支撐、快速換步技術(shù)與控制方法，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)高效集中控制。

(5)豎井掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化。針對(duì)千米豎井掘進(jìn)機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)需求，研究豎井掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)/子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法，構(gòu)建掘進(jìn)裝備子結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型；研究豎井掘進(jìn)機(jī)典型工況或極端環(huán)境工況下激勵(lì)源力學(xué)特性表征方法、關(guān)鍵連接組件等效建模方法，構(gòu)建激勵(lì)源和連接組件動(dòng)力學(xué)模型；提出豎井掘進(jìn)機(jī)整機(jī)模型組裝流程，建立多源動(dòng)載激勵(lì)多結(jié)構(gòu)耦合的豎井掘進(jìn)機(jī)核心部件動(dòng)力學(xué)模型(圖8)；開(kāi)展復(fù)雜工況下裝備動(dòng)態(tài)特性分析，闡明主要設(shè)計(jì)因素對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響規(guī)律，提出參數(shù)優(yōu)化改進(jìn)方案。

圖8 軸承動(dòng)力學(xué)分析示意

(6)時(shí)空關(guān)系協(xié)同的豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)與地層改性平行作業(yè)。針對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井掘-支與地層改性平行作業(yè)鑿井的協(xié)同性問(wèn)題，依據(jù)地層構(gòu)造特征和含水地層分布的精細(xì)判識(shí)成果，并結(jié)合超前探測(cè)和無(wú)線隨鉆軌跡控制技術(shù)，研究能夠滿足豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井功能的地面預(yù)改性方法與工藝；分析地層改性治理后巖體參數(shù)動(dòng)態(tài)時(shí)效變化規(guī)律，研究基于豎井掘-支與地層改性關(guān)系的圍巖穩(wěn)定時(shí)空演化規(guī)律，提出豎井掘進(jìn)機(jī)掘-支系統(tǒng)配置與優(yōu)化方案，建立地層改性工藝與豎井掘進(jìn)機(jī)掘-支工藝之間的時(shí)空關(guān)系，確定地層改性的超前距離和時(shí)機(jī)，形成基于地質(zhì)探識(shí)技術(shù)的豎井掘進(jìn)機(jī)掘支與地層改性協(xié)同施工工藝。

(7)基于豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井的井筒空間斷面優(yōu)化布置。針對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井功能的井筒內(nèi)空間合理利用與科學(xué)布置的問(wèn)題，研究現(xiàn)有鉆孔爆破豎井鑿井工藝及井巷機(jī)械破巖掘進(jìn)技術(shù)與方法，分析其破巖、排渣、支護(hù)等工序之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)比分析豎井鉆機(jī)和反井鉆機(jī)等有鉆桿鑿井裝備的井筒掘進(jìn)方法，以及硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)和盾構(gòu)機(jī)隧道掘進(jìn)工藝特點(diǎn)；研究豎井掘進(jìn)機(jī)破巖、排渣、支護(hù)等施工工藝的時(shí)空關(guān)系，建立基于豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井功能的井筒內(nèi)空間模塊化設(shè)計(jì)與方法，確定井筒空間垂直方向的鑿井各功能系統(tǒng)協(xié)同布置形式。機(jī)械上排渣豎井掘進(jìn)機(jī)井內(nèi)空間布置示意，如圖9所示。

圖9 機(jī)械上排渣豎井掘進(jìn)機(jī)井內(nèi)空間布置示意[7]

(8)豎井掘進(jìn)機(jī)前置高韌性薄噴臨時(shí)支護(hù)與掘-支協(xié)同永久支護(hù)技術(shù)。針對(duì)千米硬巖復(fù)雜地層條件和豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井特點(diǎn)，研究現(xiàn)有千米豎井鑿井支護(hù)結(jié)構(gòu)、材料和技術(shù)工藝，提出千米井筒不同圍巖分級(jí)下豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井對(duì)應(yīng)的臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)作業(yè)方式；研發(fā)高韌性圍巖臨時(shí)支護(hù)材料，攻克隨掘快速薄噴臨時(shí)支護(hù)技術(shù)與工藝；研究千米復(fù)雜地質(zhì)條件下豎井圍巖與井壁結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)制，研發(fā)高韌性、高抗裂、高抗?jié)B井壁新材料，研究不同改性方法相關(guān)的深井高強(qiáng)永久支護(hù)井壁結(jié)構(gòu)，建立千米地層豎井掘進(jìn)機(jī)掘-支協(xié)同的永久支護(hù)體系。

以上凝練的8項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，涵蓋了豎井掘進(jìn)機(jī)破巖與排渣、地層探測(cè)與圍巖支護(hù)、井內(nèi)空間布置與掘支協(xié)同、裝備智能感知與集中控制，8項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井的支撐作用分析，如圖10所示。

圖10 關(guān)鍵技術(shù)對(duì)總目標(biāo)的支撐作用示意

3 攻關(guān)任務(wù)及其邏輯關(guān)系

3.1 攻關(guān)任務(wù)

圍繞千米豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)鑿井的科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，按照“工藝引領(lǐng)—地質(zhì)保障—技術(shù)突破—裝備研發(fā)—工程示范”的全要素、全過(guò)程思路，提出以下5項(xiàng)攻關(guān)任務(wù)。

3.1.1 豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝及工程適應(yīng)性

針對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井巖體條件、裝備和鑿井工藝等方面的適應(yīng)性問(wèn)題，解決“豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖分級(jí)理論”重大科學(xué)問(wèn)題和“基于豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井的井筒空間斷面優(yōu)化布置技術(shù)”關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，制定本攻關(guān)任務(wù)。

重點(diǎn)開(kāi)展調(diào)研普通鉆爆法鑿井工藝及現(xiàn)有機(jī)械破巖井巷鉆進(jìn)技術(shù)方法，分析破巖、排渣、支護(hù)、提升等作業(yè)方式和工序；對(duì)比分析豎井鉆機(jī)、反井鉆機(jī)等有鉆桿鉆井方法，以及硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)、盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)工藝特點(diǎn)；研究井筒空間垂直方向協(xié)同布置形式，滿足破、裝、運(yùn)、支和地層改性等工序平行作業(yè)，形成適用不同類型豎井掘進(jìn)機(jī)的鑿井工藝，建立井筒內(nèi)空間布置設(shè)計(jì)理論與方法；針對(duì)千米地層高地壓、高水壓多場(chǎng)耦合條件的地層特性，以巖石力學(xué)性能、地層可鉆性、涌水量和圍巖穩(wěn)定性為基礎(chǔ)，研究豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井圍巖分級(jí)理論與指標(biāo)體系；依據(jù)地質(zhì)精確判識(shí)地層構(gòu)造特征和含水地層分布，運(yùn)用超前探測(cè)和無(wú)線隨鉆軌跡技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)與地層改性平行作業(yè)時(shí)空關(guān)系；基于鉆進(jìn)參數(shù)及圖像識(shí)別的動(dòng)態(tài)分析技術(shù)，研究豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井風(fēng)險(xiǎn)表征方法，提出風(fēng)險(xiǎn)防控措施和工程對(duì)策；基于豎井直徑-深度研究豎井工程掘進(jìn)機(jī)鑿井的配套原則、選型方法和整體工藝，形成不同豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井的井內(nèi)與地面裝備選型配套適應(yīng)性分析方法。

3.1.2 千米豎井地層原位精細(xì)化探測(cè)、巖性識(shí)別與地層預(yù)改性關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)千米豎井地質(zhì)復(fù)雜、巖性多變、高水壓等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，致災(zāi)水體、破碎帶、含導(dǎo)水裂隙等多災(zāi)源類型，以及突水淹井、圍巖失穩(wěn)坍塌等致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，解決“千米地層原位精準(zhǔn)探識(shí)”、“地層預(yù)改性”等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，制定本攻關(guān)任務(wù)。

開(kāi)展分析豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工序?qū)Φ刭|(zhì)與水文地質(zhì)參數(shù)要求，調(diào)研現(xiàn)用豎井檢查鉆孔勘探方法及分析手段，研究與檢查鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程同步的地層勘察方法及探測(cè)儀器選擇，建立實(shí)驗(yàn)室模擬分析裝置和數(shù)字模擬分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)千米地層地質(zhì)原位分析、多場(chǎng)參數(shù)測(cè)量與巖性判識(shí)；利用礦區(qū)勘探鉆孔資料，提出井筒及擾動(dòng)區(qū)域鉆孔多物理場(chǎng)精細(xì)探測(cè)方法；基于地層整合接觸條件、地質(zhì)構(gòu)造、含水層分布與圍巖穩(wěn)定性分析，研究千米深井地層物理改性和結(jié)構(gòu)改性綜合堵水及圍巖穩(wěn)定控制方法，研究相適應(yīng)的工藝、材料與機(jī)具，通過(guò)試驗(yàn)提出改性效果檢驗(yàn)與判識(shí)方法；研究基于搭載技術(shù)及豎井掘進(jìn)機(jī)破巖震動(dòng)的地層超前預(yù)報(bào)，形成隨掘地震波遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)探測(cè)和基于巖-機(jī)映射關(guān)系的巖體參數(shù)感知技術(shù)。豎井掘進(jìn)機(jī)隨掘地震動(dòng)態(tài)探測(cè)與成像示意，如圖11所示。

圖11 豎井掘進(jìn)機(jī)隨掘地震動(dòng)態(tài)探測(cè)與成像示意

3.1.3 千米豎井大體積破巖、垂直排渣與掘支協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)堅(jiān)硬巖石難破碎、排渣效率低、重復(fù)破巖、滾刀磨損快、掘-支不協(xié)調(diào)等難題，解決“多刀協(xié)同及射流輔助破巖機(jī)理”、“巖渣運(yùn)移及垂直輸送機(jī)制”的重大科學(xué)問(wèn)題，以及“大斷面硬巖高效破碎技術(shù)”、“大直徑刀盤(pán)機(jī)械與流體組合排渣技術(shù)”、“前置高韌性薄噴臨時(shí)支護(hù)技術(shù)”等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，制定本攻關(guān)任務(wù)。

重點(diǎn)開(kāi)展與盤(pán)形滾刀協(xié)同破巖的大直徑多刃鑲齒破巖滾刀研發(fā)，試驗(yàn)研究硬巖高壓水射流預(yù)切縫致?lián)p機(jī)制，研究盤(pán)形滾刀、多刃鑲齒滾刀以及鑲齒滾刀-盤(pán)形滾刀協(xié)同以及射流預(yù)切縫致?lián)p的聯(lián)合破巖機(jī)理；依據(jù)破巖能耗低與破巖量均衡原理，分析滾刀正壓力與推動(dòng)力關(guān)系，研究?jī)?yōu)化大直徑刀盤(pán)滾刀破巖技術(shù)參數(shù)，形成不同直徑、不同類型刀具聯(lián)合破巖的刀盤(pán)滾刀布置方法；以合理鉆進(jìn)速度為基礎(chǔ)，研究基于安全、效率和能耗模型的不同地層條件和不同直徑豎井掘進(jìn)機(jī)技術(shù)參數(shù)計(jì)算方法；根據(jù)刀具破巖試驗(yàn)的巖渣分形規(guī)律，進(jìn)一步研究豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)工作面巖渣分布特征，研究機(jī)械、流體克服重力垂直排渣巖渣運(yùn)移規(guī)律，解決豎井掘進(jìn)機(jī)“干式”排渣關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)巖石破碎和垂直排渣速度≥25 m/h；研究豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)作業(yè)方式，研究以高韌性材料為基礎(chǔ)的隨掘快速薄噴臨時(shí)支護(hù)技術(shù)，研究適應(yīng)不同改性方法的合理永久井壁結(jié)構(gòu)形式，形成掘-支協(xié)同的圍巖支護(hù)技術(shù)體系。

3.1.4 千米豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)研制

針對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)支撐、推進(jìn)、驅(qū)動(dòng)等動(dòng)力系統(tǒng)失調(diào)，姿態(tài)調(diào)控干擾多、難度大，以及硬巖地層掘進(jìn)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)變形、排渣不暢等難題，解決“豎井掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)調(diào)控”與“高效集中控制”等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，制定本攻關(guān)任務(wù)。開(kāi)展面向示范工程、滿足千米井筒特殊工程條件的豎井掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)總體方案研究；建立豎井掘進(jìn)機(jī)復(fù)雜工況下整機(jī)動(dòng)力模型，進(jìn)行三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字模擬組裝和3D打印模型試驗(yàn)；研制鑲齒滾刀-盤(pán)形滾刀聯(lián)合布置的可變徑新型刀盤(pán)結(jié)構(gòu)(圖12)，保障刀盤(pán)連續(xù)工作進(jìn)尺≥300 m；研發(fā)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭系統(tǒng)、調(diào)向加壓一體化的組合推進(jìn)系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)邁步環(huán)向加壓雙層撐靴支撐系統(tǒng)，研究支撐、推進(jìn)與驅(qū)動(dòng)協(xié)同模塊化設(shè)計(jì)方法；研究掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)精準(zhǔn)調(diào)控機(jī)制和算法，研究以激光為主結(jié)合豎井掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)感知的導(dǎo)向控制系統(tǒng)，通過(guò)撐靴與圍巖相互作用、控制撐靴位置和調(diào)向油缸實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)過(guò)程方向控制；研究豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程環(huán)境、狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法和傳感器布置方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警；采用無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)豎井掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制；研究豎井掘進(jìn)機(jī)加工組裝工藝、大型核心元部件的材料選型，保障主軸平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)≥15 000 h，完成整機(jī)制造與廠內(nèi)試驗(yàn)。

圖12 智能變徑刀盤(pán)擴(kuò)挖示意

3.1.5 千米級(jí)井筒豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工程示范

面向千米以深豎井示范工程，解決“基于豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井的井筒空間斷面優(yōu)化布置技術(shù)”、“時(shí)空關(guān)系協(xié)同的豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)與地層改性平行作業(yè)技術(shù)”等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，制定本攻關(guān)任務(wù)。

重點(diǎn)開(kāi)展研究示范工程井筒檢查鉆孔鉆進(jìn)工藝，進(jìn)行地質(zhì)狀態(tài)和地層、水文條件的原位探測(cè)，評(píng)估地層和地質(zhì)狀態(tài)識(shí)別鑿井風(fēng)險(xiǎn)，研究適應(yīng)示范工程條件和地質(zhì)條件專項(xiàng)工藝；研究地層綜合改性方法，建立豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)與地層改性平行作業(yè)的時(shí)間和空間關(guān)系；分析與井筒直徑-深度相關(guān)的豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井配套裝備，研究豎井掘進(jìn)機(jī)始發(fā)組裝和設(shè)備拆除吊運(yùn)的技術(shù)與工具，形成相關(guān)安全保障技術(shù)，滿足懸吊深度≥1 000 m、懸吊質(zhì)量≥1 000 t；研究與優(yōu)化匹配地層條件和鉆進(jìn)速度的豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)，達(dá)到掘進(jìn)速度≥6 m/d；研究以地層環(huán)境感知與衍生災(zāi)害預(yù)警為基礎(chǔ)的豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井智能決策系統(tǒng)，構(gòu)建豎井掘進(jìn)機(jī)智慧鑿井?dāng)?shù)字孿生平臺(tái)；以千米級(jí)井筒豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工程為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證項(xiàng)目研究的相關(guān)成果，解決工業(yè)性試驗(yàn)出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題，完成豎井直徑6～12 m、豎井深度≥1 000 m的示范工程，并進(jìn)行技術(shù)總結(jié)便于推廣應(yīng)用。

3.2 攻關(guān)任務(wù)之間的邏輯關(guān)系

為實(shí)現(xiàn)千米豎井全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)安全高效、穩(wěn)定可靠鑿井的總體目標(biāo)，梳理5個(gè)攻關(guān)任務(wù)之間的邏輯關(guān)系，如圖13所示。

圖13 任務(wù)設(shè)置及其相互之間的邏輯關(guān)系

攻關(guān)任務(wù)1為鑿井工藝研究，既能夠獨(dú)立開(kāi)展研究又和其他攻關(guān)任務(wù)協(xié)調(diào)開(kāi)展，并對(duì)其他攻關(guān)任務(wù)研究起引領(lǐng)作用，為任務(wù)2地層預(yù)改性技術(shù)研究創(chuàng)造掘-支改性平行作業(yè)條件提供工藝指導(dǎo)，為任務(wù)3豎井掘進(jìn)機(jī)破巖、排渣和支護(hù)協(xié)同作業(yè)等技術(shù)應(yīng)用奠定井筒內(nèi)空間布置理論基礎(chǔ)，引領(lǐng)任務(wù)4開(kāi)展適合井筒地質(zhì)和功能條件的裝備研制，為任務(wù)5特定工程條件和地質(zhì)條件下的示范工程實(shí)施奠定基礎(chǔ)。攻關(guān)任務(wù)2地層原位精細(xì)化探測(cè)和隨掘超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，將豎井掘進(jìn)機(jī)前方地質(zhì)信息由“黑箱模型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤巴该髂Ｐ汀?，為安全掘進(jìn)提供地質(zhì)信息保障，同時(shí)也是支撐任務(wù)1形成鑿井工藝的基礎(chǔ)，為任務(wù)3全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)高效破巖機(jī)理、圍巖臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)理論與技術(shù)的研究提供地層巖性特征參數(shù)，為任務(wù)5工程示范隨掘工作面下方不良地質(zhì)探查提供重要的地質(zhì)信息。攻關(guān)任務(wù)3不僅為豎井掘進(jìn)機(jī)裝備鍛造一副“鐵齒鋼牙”，為豎井掘進(jìn)機(jī)掘-支協(xié)同運(yùn)行提供可靠保障，同時(shí)為任務(wù)4豎井掘進(jìn)機(jī)總體方案設(shè)計(jì)和整機(jī)研制提供理論和技術(shù)支撐。攻關(guān)任務(wù)4豎井掘進(jìn)機(jī)裝備研發(fā)與制造，是攻關(guān)任務(wù)1鑿井工藝落實(shí)的重要保障，也是攻關(guān)任務(wù)5工程示范必要條件。攻關(guān)任務(wù)5是整個(gè)項(xiàng)目的落腳點(diǎn)和工程落地點(diǎn)，在實(shí)踐中檢驗(yàn)攻關(guān)任務(wù)1～4所形成的技術(shù)與裝備成果，并構(gòu)建智能決策與智慧鑿井?dāng)?shù)字孿生平臺(tái)，提升千米豎井機(jī)械化和智能化建井水平，推動(dòng)建井技術(shù)與裝備變革，達(dá)到全面推廣應(yīng)用條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

千米豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)鑿井技術(shù)與裝備是千米豎井少人化、機(jī)械化、智能化建設(shè)的迫切需求。以千米深井硬巖地層和復(fù)雜地質(zhì)條件為背景，提出千米豎井全斷面掘進(jìn)機(jī)鑿井面臨的難題，圍繞豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井的基本功能屬性，詳細(xì)探討了豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井探、破、排、支等科學(xué)技術(shù)問(wèn)題和材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化的裝備制造問(wèn)題，確定了研究任務(wù)、發(fā)展方向和相應(yīng)的技術(shù)目標(biāo)。

(1)研究機(jī)械破巖鑿井圍巖分級(jí)理論，建立豎井掘進(jìn)機(jī)工程適用性圍巖分級(jí)和指標(biāo)體系，探索豎井掘進(jìn)機(jī)機(jī)械破巖鑿井新工藝，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)爆破破巖鑿井到機(jī)械破巖鑿井的技術(shù)跨越與工藝變革。

(2)研究立體化多地球物理場(chǎng)的不良地層探測(cè)方法，達(dá)到地層識(shí)別準(zhǔn)確率≥90%；開(kāi)發(fā)鉆注靶域定向控制的地層綜合預(yù)改性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)改性后地層涌水量≤10 m/h；突破豎井掘進(jìn)機(jī)機(jī)載隨掘地震波遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)探測(cè)技術(shù)、基于巖-機(jī)映射關(guān)系的巖體參數(shù)感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井“透明地質(zhì)、靶域改性、主動(dòng)控災(zāi)”的地質(zhì)保障。

(3)研究硬巖多刀協(xié)同機(jī)械破巖和射流輔助機(jī)械聯(lián)合破巖機(jī)理，研制與盤(pán)形滾刀協(xié)同破巖的新型多刃鑲齒滾刀，滿足巖石抗壓強(qiáng)度可達(dá)150 MPa、單刀壽命≥130 m、密封承壓≥10 MPa的性能指標(biāo)；研發(fā)液壓控制的高強(qiáng)、高耐磨的變徑刀盤(pán)，達(dá)到不維修連續(xù)工作進(jìn)尺≥300 m能力，突破堅(jiān)硬巖石大體積機(jī)械破巖的技術(shù)瓶頸。

(4)研究井筒掘進(jìn)工作面巖渣特征及其分布規(guī)律，揭示機(jī)械-流體聯(lián)合高效上排渣機(jī)制，研發(fā)出與破巖協(xié)同的刀盤(pán)集渣與垂直排渣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)巖石破碎與垂直排渣速度≥25 m/h、掘進(jìn)速度≥6 m/d，破解千米豎井巖渣大體量快速垂直提運(yùn)的技術(shù)難題。

(5)構(gòu)建安全-效率-能耗協(xié)調(diào)的豎井掘進(jìn)機(jī)最優(yōu)技術(shù)參數(shù)計(jì)算模型，提出適用千米級(jí)豎井工程的豎井掘進(jìn)機(jī)總體設(shè)計(jì)方案，研制高效集中控制的硬巖全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)，構(gòu)建鑿井?dāng)?shù)字孿生平臺(tái)；研制井內(nèi)與地面相適應(yīng)的配套系統(tǒng)，具備懸吊系統(tǒng)適應(yīng)井筒深度≥1 000 m、懸吊質(zhì)量≥1 000 t的能力，滿足千米豎井硬巖掘進(jìn)機(jī)鑿井需求。

本論文撰寫(xiě)過(guò)程中，深圳大學(xué)陳湘生院士，北京科技大學(xué)蔡美峰院士，神華集團(tuán)有限責(zé)任公司顧大釗院士，山東大學(xué)楊為民教授、劉斌教授、張波教授，浙江大學(xué)龔國(guó)芳教授，華中科技大學(xué)李小清教授，中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司賈連輝教授級(jí)高工、肖威高工，北京中煤礦山工程有限公司程守業(yè)教授級(jí)高工、譚杰研究員、高峰博士等參與討論并提出建議，在此一并表示感謝。