最新成果丨刘志强研究员全断面竖井掘进机凿井围岩分类指标体系与评价方法

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　　本文主要内容
　　全断面竖井掘进机凿井是一个复杂系统。基于全断面竖井掘进机凿井工艺特征，分析了竖井掘进机凿井面临的地质难题以及地质灾害防控措施的可行性；考虑竖井掘进机凿井＂岩－机＂互馈作用下围岩岩石力学特性、装备破岩能力、岩体构造特征、围岩与装备相互支撑、地层防治水等因素的影响，提出全断面竖井掘进机凿井围岩分类指标选取原则；构建了竖井掘进机凿井围岩分级评价指标与科学表征方法，评判了围岩分类与竖井掘进机凿井适应性之间的对应关系，并给出了可行的优化改善措施。
　　作者简介
　　刘志强 研究员刘志强，博士，研究员，博士生导师，中国煤炭科工集团有限公司一级首席科学家，矿山深井建设技术国家工程中心副主任，中国煤炭科工集团有限公司技术委员会委员；兼任中国煤炭学会煤矿建设与岩土工程专业委员会主任委员、中国煤炭工业协会技术委员会委员，《建井技术》主编，《煤炭科学技术》《岩石力学与工程学报》编委。
　　长期从事机械破岩钻井理论、技术、装备和工艺研究，主持完成国家科技攻关、科技支撑、＂863＂计划、专项资金等科研项目12项；在国家＂十二五＂＂863＂重点项目资助下，作为负责人研制出国内首台套导井式竖井掘进机，并组织完成工业性试验应用；提出并实践竖井钻机＂一扩成井＂钻井工艺；针对大体积破岩、排渣和支护等钻井难题，攻克了镶齿滚刀低能耗破岩的技术瓶颈，组织研制了国内最大型反井钻机和上向反井钻机。获国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步特等奖3项、一等奖14项，出版《竖井掘进机》、《竖井掘进机凿井技术》、《硬岩掘进机》（译）、《矿井建设技术》、《反井钻机》等著（译）作7部，发表论文100多篇，授权发明专利50余项；享受国务院特殊津贴专家，获得全国优秀科技工作者、科学中国人、煤炭工业科技创新人才等称号。
　　作 者
　　刘志强1,2，宋朝阳1,2，程守业1,2，荆国业1,2
　　作 者
　　１.北京中煤矿山工程有限公司; ２.煤炭科学研究总院 建井研究分院
　　针对全断面竖井掘进机凿井过程中软弱或破碎围岩失稳坍塌、高硬度岩石难破碎、地层涌水、地层节理构造等一系列地层复杂性带来的工程难题，开展了适用全断面竖井掘进机凿井的围岩分类指标体系与评价方法研究，考虑了全断面竖井掘进机凿井＂岩＂与＂机＂互馈作用下各因素的独立性和相关性，构建了围岩分类指标体系与评价方法，提出了全断面竖井掘进机凿井地层适应性综合判识方法。首先基于全断面竖井掘进机凿井工艺特征，分析了竖井掘进机凿井面临的地质难题以及防控措施，围绕竖井掘进机凿井＂岩－机＂相互作用下围岩岩石力学特性、装备破岩能力、岩体构造特征、围岩与装备相互支撑、地层防治水等多因素的影响，提出了围岩分类指标选取原则，构建了岩石可切割性、围岩自稳性、地层控水性3个准则层指标以及所属13个基础评价指标组成的评价指标体系框架；确定了围岩分类指标体系权重，并采用模糊综合评价和百分制方法量化基础指标，构建了多维矩阵结构围岩分类评价数学模型，经计算和分析将岩石可切割性、围岩自稳性、地层控水性划分为有利、一般有利、适中、不利和很不利5类，进而根据计算结果将竖井掘进机凿井围岩条件分为Ⅰ Ⅴ类，评判了全断面竖井掘进机凿井与地层之间的适应性，提出了竖井掘进机凿井围岩控制措施；以我国首台套导井式全断面竖井掘进机凿井工程为例，验证了围岩分类指标体系与评价方法的可行性和合理性。全断面竖井掘进机凿井围岩分类指标体系与评价方法对破岩掘进、灾害防控、围岩稳定控制等技术方案的制定和实施提供了科学依据。
　　研究背景
　　目前，我国竖井掘进机及其凿井技术、装备和工艺处于研发起步阶段，千米深井穿过地层的高地压、高水压、高地温和高岩石硬度等工程地质条件带来的复杂性、不确定性和未知性，给竖井掘进机凿井地层稳定控制、涌水治理技术以及核心装备与配套装备、工艺和示范带来重大的风险和挑战。因此，要实现竖井掘进机安全、高效、绿色、智能化凿井，首要解决竖井掘进机凿井地层适应性难题。普通钻爆法凿井具有工作灵活特性，形成的短段掘砌凿井工艺，特别适应于较为复杂的地层，通过掘进段高的改变减少空帮距离，进而减少掘进对围岩的破坏和控制围岩的变形失稳；而全断面竖井掘进机一次推进最大行程固定，既要实现井筒有效断面内岩石的低能耗破碎，同时要保障井筒围岩稳定，达到井筒结构在地压、扰动、渗水等作用下，不发生巨大的变形和结构破坏，避免钻头或刀盘卡死或被埋。所以，针对千米竖井全断面掘进机凿井的井筒围岩分类指标体系与科学表征方法研究，一方面保证了建井地质探测信息科学合理分析，另一方面对指导竖井掘进机的支撑、迈步、推进等功能以及掘-支协同支护技术工艺的研发具有极其重要的科学意义和工程应用价值。
　　现有的岩体分类方法是从普通钻爆法的基础上发展起来的，从而确定工程岩土体开挖和围岩支护法，然而，竖井掘进机破岩与爆破破岩技术原理和工艺有本质区别。与爆破破岩凿井相比，机械破岩以＂破岩兼顾防控围岩破坏＂的理念为指导，相比于爆破破岩对围岩的扰动明显降低，有效降低了围岩新增裂隙渗水、透水等水害风险。值得注意是竖井掘进机凿井时撑靴对岩体持续施加的动态作用力增加，围岩体质量非常差时将对围岩稳定产生负面影响；其次竖井掘进机凿井对井筒空帮的距离要求更小，近刀盘或钻头井帮通常采用护盾或者随掘喷浆支护等。因此，基于全段面竖井掘进机凿井技术和工艺的分析，构建竖井掘进机凿井围岩分级评价指标与科学表征方法，为全断面竖井掘进机凿井技术进步和发展提供支撑。
　　内容概要
　　１ 全断面竖井掘进机凿井及面临的地质难题
　　1.1 全断面竖井掘进机凿井关键技术与工艺
　　全断面竖井掘进机凿井工艺示意，如图１所示。
　　图 １ 全断面竖井掘进机凿井示意
　　1.2 面临的地质难题与控制措施
　　全断面竖井掘进机凿井面临地质难题时可行的防控措施简述如下：
　　１）井筒穿越软弱地层时，井筒围岩自稳能力差，不足以提供竖井掘进机撑靴支撑反作用力和反转矩时，可采用地层预改性加固技术，提高井筒围岩的承载能力，保障工程施工安全。
　　２）井筒穿过坚硬岩石地层时，可通过研制新型抗磨蚀滚刀，采用多刃镶齿滚刀、盘形滚刀等多刀组合与高压水射流联合破岩模式，并通过优化刀盘结构和滚刀布置来实现坚硬岩石大体积低能耗高效破岩，降低工程施工成本。
　　３）井筒穿过破碎不稳定地层时，应减少空帮距离，同时采用护盾或近工作面快速临时支护，避免围岩坍塌导致刀盘被埋等施工风险。
　　４）井筒将穿过含水或涌水地层时，利用随掘超前精准探测技术进行实时探测与监测，根据地层富水程度、工作面涌水量和水质情况，采用地层超前预注浆堵水或配合工作面随掘排水等方法，保障竖井掘进机＂干井掘进＂。
　　５）井筒穿过断层、节理、不整合地层时，应采用实时导向技术随掘随测，避免刀盘破岩过程中滑移或不均匀受力而导致的掘进偏斜，保障工程施工质量。
　　图 ２ 井筒穿越复杂地层条件示意
　　２ 全断面竖井掘进机凿井围岩分类指标体系
　　2.1 围岩分类指标体系构建的基本原则
　　１）整体系统性原则。
　　２）简明科学性原则。
　　３）主成分性和独立性原则。
　　４）可获取、可量化原则。
　　５）对立统一性原则。
　　６）综合性原则。
　　2.2 评价指标体系的基本框架
　　表 １ 评价指标体系的基本框架
　　2.3 围岩分类综合评价与计算方法
　　采用专家测评意见和工程施工经验综合分析的方法，确定全断面竖井掘进机凿井围岩分类评价指标权重，见表２。
　　本研究构建的评价指标体系的基本框架中各评价指标参数，可通过室内试验、地层探测、装备监测和工程现场测试等可行的技术手段获得计算分析所用的基础数据。采用模糊评价方法对＂岩－机＂相互作用下的围岩条件进行综合评价；为了便于考评和操作，每项指标按照百分制方法进行评判，见表３。
　　表２ 评价体系各指标权重
　　３ 围岩分类指标方法验证
　　表３ 评价指标及取值
　　表４ 准则层指标分类结果
　　图３ 指标层各指标评分结果
　　结 论１）基于全断面竖井掘进机凿井工艺特征，针对竖井掘进机凿井面临的地质难题以及地质灾害防控措施的可行性，考虑竖井掘进机凿井＂岩－机＂互馈作用下围岩岩石力学特性、装备破岩能力、岩体构造特征、围岩与装备相互支撑、地层防治水等因素的影响，提出全断面竖井掘进机凿井围岩分类指标选取原则，并构建了岩石可切割性、围岩自稳性、地层控水性３个准则层指标，以及所属的13个基础指标的围岩分类指标体系框架。
　　２）全断面竖井掘进机凿井是一个复杂系统，融合＂岩＂与＂机＂２者的相关性和独立性，综合专家测评和工程施工经验确定了围岩分类指标体系权重，并采用模糊综合评价和百分制方法量化基础指标，构建了多维矩阵结构围岩分类评价数学模型，经计算分析后将岩石可切割性、围岩自稳性、地层控水性划分为有利、一般有利、适中、不利和很不利5类，进而计算分析将竖井掘进机凿井围岩条件划分为Ⅰ Ⅴ类，评判了围岩分类与竖井掘进机凿井适应性之间的对应关系，并给出了可行的优化改善措施。
　　３）以我国首台套导井式全断面竖井掘进机凿井工程为例，验证了竖井掘进机凿井围岩分类指标体系与评价方法的准确性和可靠性；实际掘进过程中竖井掘进机通过破碎地层时，通过采用近钻头围岩护盾临时支护和随钻随喷临时支护，实现了日进尺3.6 5.0ｍ，稳定地层中单日最高进尺10.30ｍ，成井偏斜率0.15％。
　　４）全断面竖井掘进机凿井围岩分类指标体系与科学表征方法，是基于竖井掘进机凿井装备性能、技术难度、工艺流程和地质条件而研究制定的，对竖井掘进机破岩掘进、灾害防控、围岩稳定控制等技术方案的制定和实施具有指导作用；随着凿井装备研发能力、制造水平、地层改性技术的提高和优化，竖井掘进机凿井围岩分类标准、指标体系和评价方法将与之进行修订和完善。
　　引用格式
　　刘志强，宋朝阳，程守业，等.全断面竖井掘进机凿井围岩分类指标体系与评价方法［J］.煤炭科学技术,2022,50（1）：86-94.LIU Zhiqiang, SONG Zhaoyang, CHENG Shouye,et al.Classification grading evaluation index system and evaluation method of surrounding rock for full section shaft boring machine［J］.Coal Science and Technology，2022，50（1）：86-94.
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