可可蓋煤礦全礦井機械破巖智能化建井關鍵技術與裝備

范京道，封 華，宋朝陽，任懷偉，馬 英，汪青倉，譚 杰，劉全輝，李 川

(1. 陜西延長石油礦業有限責任公司,陜西 西安 710016；2. 北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013；3. 中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；4. 陜西延長石油榆林可可蓋煤業有限公司,陜西 榆林 719000)

資源和能源是人類生存與發展的2個重要基礎支柱，也是人類文明進步的動力。根據統計結果，截止到2020年全球煤炭占世界能源結構比從最高的48%下降到27%；我國的煤炭消費量占能源消費總量的比例已經由2005年的72.4%下降到56.8%，我國煤炭產量和消費量分別為39億t和39.6億t，全球占比分別為50.4%和54.3%。盡管能源結構對潔凈、綠色和低碳能源的需求不斷調整，煤炭仍將是我國能源的“壓艙石”和“穩定器”，而在國家“雙碳”目標的要求下，必然推動煤礦智能化建設基礎設施、頂層設計、技術路徑等方面的理論研究與實踐，同時也是能源結構調整和技術進步倒逼煤礦開發模式的變革，從而促進煤炭資源向高質量的智能、安全、高效、綠色等方向發展，智能化、綠色化已成為新時期煤炭行業高質量發展的必由之路。

目前，我國90%以上的煤炭產量來自于地下開采，煤礦井筒作為進入地下開采的咽喉，保障人員、設備、物料、資源等運輸或提升的安全通道，是地下煤炭資源開采的首要工程。目前，煤炭資源開發戰略目標早已向西部礦區轉移。西部礦井建設初期曾試圖采用普通法施工，但由于地層富水、松散等地質因素導致出水、潰沙、坍塌等災害而難以進行，后采用凍結特殊鑿井的方法進行施工。然而鉆孔爆破破巖鑿井存在下井人員多、作業環境差、職業傷害嚴重、安全事故時有發生、施工難度大和風險高，與煤炭行業智能化發展的總體趨勢不匹配、不協調。以井筒為例，工程量只占井巷工程總量的5%～7%，但受制于建井技術的不足，工期占到了井巷施工總工期的40%～50%。因此，少人、安全、綠色、智能化礦井建設是現階段煤炭智能化發展的必然趨勢和重要方向。

陜西延長石油可可蓋煤礦位于毛烏素沙漠南緣的陜西省榆林市，煤層賦存地層為西部典型的富水弱膠結巖石地層。可可蓋煤礦作為陜西延長石油礦業公司,在“十四五”期間煤炭產能達到5 000萬t/a，并形成千萬噸智能化煤礦集群的核心支撐，為推動智能化礦井建設高質量發展，縮短建井周期，保障煤炭能源供給，采用斜井-豎井聯合開拓方式。鑒于此，筆者團隊提出了智能化建井建智能礦井的建設理念，確定了主副斜井采用敞開式TBM掘進，進回風豎井采用豎井鉆機鉆井的建設方案，并研究了斜井敞開式全斷面TBM掘進和豎井鉆機“一鉆完井”關鍵技術和裝備，提出了井筒全機械破巖建設與運營安全保障方法與措施，探索了可可蓋煤礦全礦井機械破巖智能化建井模式，旨在為我國西部富水弱膠結地層中煤礦安全開發提供全礦井機械化智能建設模式和技術路徑。

1 井筒機械化鑿井概況與共性難題

隨著建井基礎理論的發展，機械裝備制造水平提高，以及數字化、信息化、自動化技術的發展，井筒建設在斜井和豎井方面均發展出了各自適用的鑿井技術與裝備。

1.1 煤礦井巷TBM掘進技術與裝備

在煤礦斜井建設方面發展出了敞開式、復合式、單護盾等類型TBM掘進裝備，例如，神華新街臺格廟礦斜井設計6°全下坡，開挖斷面直徑7.6 m，總長度6 314 m，斜井開口至4 200 m處(志丹群和表土層段)采用復合式TBM掘進，進入安定組后轉換成單護盾TBM掘進，但因種種原因該斜井進行了初步設計而未開展施工；神東補連塔煤礦斜井TBM掘進，設計5.5°連續下坡，開挖直徑7.62 m，凈直徑6.6 m，斜井長度2 745 m，其中明挖段26.32 m，TBM掘進段2 718.2 m,單月最高進尺639 m，平均月進尺546 m。此外煤礦平硐和井下巷道TBM掘進方面，如神華新疆澇壩灣煤礦副平硐采用ZTE6460復合式TBM掘進，掘進直徑6.46 m，掘進長度6 200 m，最高月進尺364.5 m；大同塔山煤礦主平硐采用雙護盾TBM掘進，掘進直徑4.82 m，掘進長度2 911.6 m，最高月進尺662.5 m；山東新巨龍煤礦采用EQC6330全斷面TBM掘進，掘進直徑6.33 m，大巷按R500 m的曲率半徑以2.1°上坡施工454.8 m，然后按3°上坡施工2 361.7 m，掘進月進尺高達400 m以上，巷道全長2 816.5 m；另外還有淮南張集煤礦高抽巷掘進直徑4.5 m，全長1 594 m；山西東曲煤礦掘進直徑5 m，全長3 600 m，云南羊場煤礦楊家礦井掘進直徑3.2 m，全長1 014 m。

1.2 煤礦豎井全斷面鑿井技術與裝備

目前，不同地質條件下煤礦豎井建設方面，已發展出了多種型號的豎井鉆機、反井鉆機和豎井掘進機等裝備，以及各自適用的鉆井技術與工藝。北京中煤礦山工程有限公司研制的適用煤礦的MSJ5.8/1.6D下排渣豎井掘進機和BMC系列反井鉆機需要有下部排渣通道的工程條件，而目前國內現有的上排渣豎井掘進機尚無煤礦井筒建設的應用案例。豎井鉆機鉆井法1854年始于德國，我國于1969年在淮北朔里煤礦南風井開始使用鉆井法鑿井工藝，并在國內中東部地區推廣應用，主要用于解決第四系深厚不穩定含水沖積地層的豎井建設。可可蓋煤礦進回風豎井建設屬于我國西部煤系地層中首次應用鉆井法鑿井。

經過50多年的發展，豎井鉆機鉆井技術已由“四級鉆進”至“并級鉆進(三級鉆進)”再到“一擴成井”、“一鉆成井”，充分合理地發揮了鉆井裝備的能力，提高了鉆進效率；形成了大直徑井筒“一擴成井”、小直徑井筒“一鉆成井”的技術和工藝，即井筒直徑較大時，采用一級超前多級擴孔鉆進，井筒直徑較小時，采用全斷面一次鉆進。豎井鉆機裝備方面，自主研發了國內外設計能力最大、自動化程度最高、性能可靠的液壓豎井鉆機。例如研制的L40/1000型豎井鉆機，完成了最大成井直徑8.3 m，最大鉆井直徑10.8 m，最深鉆井深度660 m的井筒；研制的AD130/1000型液壓驅動豎井鉆機，具有鉆進深度1 000 m、直徑13 m的豎井能力。到目前為止，我國鉆井法鑿井已鉆鑿119個井筒，總深度超過22 km。鉆井法具有機械化程度高、鉆進自動控制、井下無人的優勢，符合2020年八部委聯合發布的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》的要求。因此，在西部煤炭資源開發過程中，利用鉆井法鑿井對推動西部礦區機械化和智能化井筒建設技術的發展具有重要意義。

1.3 煤礦井巷機械破巖掘進共性難題

現階段特殊建井技術及裝備在機械化、信息化的進程中得到很大進步，但無論是豎井還是斜井的機械化、自動化、智能化建設，圍繞“巖-機”相互機制仍然面臨很多待解決的共性問題：一是井筒穿越地層條件具有多變性、差異性和不確定性等復雜特征，導致井筒掘進工藝的適應性不足，在地層巖石破碎、巖渣運移、圍巖支護、涌水控制等方面依然面臨很大挑戰；二是井筒掘進地質超前探測與預報、裝備運行狀態遠程監測、偏斜智能判識與自適應調控、“巖-機”作用實時感知融合與分析等技術難以滿足工程需求。因此，復雜工程地質與水文地質條件下井筒高可靠、高效率的安全智能建設與管理依然需要地質力學、巖體力學、機械工程、控制科學與工程、材料科學、鉆井工程學、信息科學與工程等多學科融合與發展，突破地層涌水封堵和穩定性控制技術，以及井筒掘進裝備的破巖能力、高效排渣、定向掘進、協同支護、智能監控等掘進技術和工藝難題。

2 可可蓋煤礦全機械破巖智能化建井模式

2.1 可可蓋煤礦工程地質條件

可可蓋井田內風積沙覆蓋面積大，地勢整體西高東低，北高南低，海拔+1 241～+1 282 m，一般相對高差5～10 m，最大相對高差41 m。根據井田勘探報告和井筒檢查孔資料，井田地質構造簡單且井田內未發現斷裂和褶皺構造，地層傾角小于1°；巖石的耐磨性指數在1.05～2.88，屬極低耐磨性等級；巖石抗壓強度多在50 MPa以下，抗剪與抗拉強度則更低，地層巖石可鉆性較好。可可蓋井田地表全部被第四系松散沉積物覆蓋，主要有由新統風積沙、上更新統薩拉烏蘇組與中、下更新統黃土組成；鉆孔揭露的地層自上而下為第四系、白堊系下統洛河組、侏羅系中統安定組、直羅組、延安組地層；白堊系洛河組為富水性中等～強的間接含水層，直羅組為富水性弱的裂隙承壓含水層。可可蓋井田工程地質條件，見表1。

表1 可可蓋井田工程地質條件

根據國內外學者對西部弱膠結地層物理力學特性與工程圍巖變形特征的研究成果，西部地區的侏羅系和白堊系地層成巖環境、成巖年代以及沉積過程具有一定特殊性，主要以顆粒物質和膠結物質經過溶蝕、蝕變、壓實和膠結作用而成的沉積砂巖；具有強度低、膠結性能差、易風化、擾動敏感等特點；特別是遇水后發生軟化、泥化、崩解等現象，其力學性質劣化和強度大幅度降低；弱膠結地層巖石的物理特性導致煤礦地下井巷圍巖承載能力差、變形劇烈、持續時間長、破壞嚴重和支護困難等問題。

2.2 可可蓋煤礦礦井開拓方案

井田開拓方案是礦井設計的重要部分，井田開拓又以井筒為主，而井筒作為進入地層深部開采的安全通道，是整個礦井安全生產的咽喉。可可蓋煤礦設計1 000萬t/a的生產能力，基于地層條件與技術性、經濟性和安全性等方面考慮，立足于井下開拓簡單、首采區開采技術條件好、外部運輸距離短、壓煤少等原則，可可蓋煤礦采用主副斜井+通風豎井的開拓方式，即井田西部礦井工業場地布置主斜井、副斜井，在井田中部主副斜井井底布置中央進風豎井和中央回風豎井，在北部布置北一風井；礦井生產后期增設北二回風豎井和南部回風豎井，實現全礦井分區通風。

主斜井井口標高+1 270.5 m，落底2號煤層的井底標高+755.0 m，傾角5.6°，井筒方位角270°，斜長5 303 m，基巖段長度約4 803 m；副斜井井口標高+1 270.50 m，落底2號煤層的井底標高+755.0 m，傾角6°，井筒方位角270°，斜長5 302 m，基巖段長度約4 802 m；中央進風豎井井口標高+1 260.0 m，井筒深度538.5 m，凈直徑6.0 m；中央回風豎井井口標高+1 261.0 m，井筒深度542.5 m，井筒凈直徑6.0 m。可可蓋煤礦井筒布置如圖1所示。主副斜井與通風豎井在井田中部交匯，不設井底車場和煤倉，原煤通過輸送帶直接運至地面。

圖1 可可蓋煤礦斜井與豎井井筒布置示意Fig.1 Layout plan of inclined shaft and shaft in Kekegai Coal Mine

2.3 可可蓋煤礦機械破巖鑿井可行性分析

根據對可可蓋煤礦周邊煤礦井筒施工調研，鄰近的大海則、巴拉素煤礦均為豎井開拓并采用全深凍結法鑿井；袁大灘礦井上部薩拉烏蘇組厚度93.5 m，洛河組缺失，主副斜井上部薩拉烏蘇組采用凍結法鑿井，進回風豎井采用全深凍結法鑿井；小紀汗礦井主副井采用斜井開拓，均采用普通法施工，進回風井采用豎井開拓。綜合分析研判可可蓋煤礦煤層580 m的賦存深度而言，豎井通風、斜井運輸是最合適的開拓方式。當前，無論是豎井的凍結法鑿井，還是斜井的綜掘機普通法施工，均存在井下作業人員多、效率低、速度慢、耗能高、安全性差、后期維護量大，無法滿足大型礦井短周期、高安全、高質量建設需求，迫切需要創新煤炭行業建井模式。

..主副斜井TBM掘進可行性分析

近年來TBM裝備逐漸應用于煤礦井巷工程的掘進，取得了良好的應用效果。目前主要的盾構機型式有土壓平衡盾構機、泥水平衡盾構機、單護盾TBM、單護盾雙模TBM、雙護盾TBM等，不同結構的TBM裝備對地質條件的適應性不同，因此需針對可可蓋的地質條件和整個礦井布局的設計，綜合考慮斜井施工裝備的結構以及支護形式。可可蓋煤礦主副斜井TBM掘進要克服長距離、大埋深等技術難題；此外，穿越含水層時TBM裝備要承受較大的水頭壓力，因此TBM掘進過程中不但應考慮因地層條件不同對TBM刀盤掘進參數進行隨掘調整，同時要求襯砌支護結構能夠保證圍巖穩定。

根據可可蓋井田井筒檢查孔地質勘探，巖石單軸抗壓強度在0～50.7 MPa，考慮到洛河組含水層和侏羅系直羅組砂巖含水層涌水量較大、2煤層承壓水的問題，初期確定了單護盾雙模TBM加裝撐靴的設備類型：土壓平衡盾構模式，采用管片支護可適應軟土及富水地層掘進，撐靴支撐在管片上給主機提供推進力；敞開式模式，采用錨網噴支護方式，撐靴支撐在井幫上給主機提供推進力，錨網噴支護和掘進可平行作業；單護盾雙模TBM的模式轉換時間大約需15 d。通過對鄰近的小紀汗副斜井施工調研和交流情況，該井田揭露洛河組100 m之后巖層硬度增加，采用綜掘機掘進效率降低，后又改為普通鉆爆法施工；同時，可可蓋煤礦通過現場試挖發現，可可蓋煤礦井口揭露的白堊系洛河組地層風化程度低、巖石強度高。鑒于土壓平衡盾構模式掘進不僅需建立土壓平衡倉并加水和泡沫改良劑，并且采用螺旋出渣方式效率低，雙模之間的模式轉換時間長、進尺效率低。因此，可可蓋煤礦主副斜井確定了采用敞開式TBM掘進的方案。敞開式TBM掘進如圖2所示。

圖2 敞開式TBM掘進示意Fig.2 Schematic diagram of open TBM driving

敞開式TBM與護盾式TBM相比，盾殼較短，坡度適應性強，降低了卡機風險；敞開式TBM護盾為分體式，利用千斤頂伸縮功能可實現上護盾和側護盾能分別主動支撐在井筒頂板和側幫，實現了主動防護功能，減少了空頂距；而護盾式TBM的護盾為整體結構，由于刀盤的擴挖致使護盾范圍內始終存在較大范圍的空頂區域，對頂板防護效果差；敞開式TBM自帶鋼拱架自動拼裝和噴錨裝置，有利于實現快速支護，可滿足TBM掘與支之間的協同性。但是敞開式TBM的撐靴支撐在井幫上，當巖體強度不足以提供撐靴支撐力時，需增加底部輔助推進裝置，可通過在斜井底鋪設的仰拱塊提供TBM推進反力來解決此問題，從而實現TBM順利推進；并根據地層條件特點采用鋼拱架或噴錨支護方式對斜井圍巖進行及時支護。因此，可可蓋煤礦主副斜井采用敞開式TBM掘進具有可行性。

..進回風豎井鉆機鉆井可行性分析

在深厚含水或不穩定地層中最可靠的特殊鑿井方法有凍結法和鉆井法。凍結法鑿井對松散含水層適應性強，采用人工制冷技術，暫時將井筒周圍的含水巖土層凍結成一個封閉的凍結壁以抵抗水土壓力，隔絕地下水和井筒的聯系，在凍結壁的保護下進行鉆孔爆破掘進。然而凍結工程僅為措施工程，依然需要采用鉆孔爆破破巖，同時建井過程中增加了地層凍結時間，建井周期長，已然不符合現階段綠色智能化煤礦建設的主要發展趨勢。鉆井法與凍結法相比具有機械化、自動化程度高，打井不下井實現本質安全，作業環境好安全性高，井壁地面預制的成井井壁質量好，對地層適應性強，工期短，造價低；節省能源，節約資源，綠色施工等顯著優勢。

在國家“七五”科技攻關項目“深井鉆井法鑿井技術的研究”資助下，鉆井法成為我國首先通過深440 m表土不穩定含水地層機械破巖鑿井施工方法；國家“十五”科技攻關項目“600 m深厚沖積層鉆井法鑿井技術研究”中，完成了山東巨野煤田新巨龍煤礦(年產600萬t特大型礦井)深厚沖積地層3個580 m深井筒施工，也是至今鉆井法鑿井井筒長期安全使用最深的井筒。盡管鉆井法鑿井在我國中東部深厚沖積地層鑿井是成熟技術，但在我國西部富水弱膠結地層礦區尚無應用。

可可蓋煤礦地層為典型的富水弱膠結地層，與我國中東部深厚沖積層在物理力學性質上有一定的差異，但均屬于含水不穩定地層。西部地區的弱膠結地層中富含水、強度較低，地層的可鉆性較好；遇水易軟化泥化、裂隙不發育、以孔隙水為主、巖層均勻性好等特點，導致該類巖層的可注性較差，但是對于鉆井法中泥漿排渣護壁來講，該類地層具有不漏漿的優勢；同時，機械裝備制造水平的提升、材料科學的進步、智能控制技術的發展、跨行業多學科的助力等為豎井鉆機的研制提供了支撐。因此，在具備裝備研制條件，以及地層較好的可鉆性和地層不漏漿的優勢條件下，可可蓋煤礦進回風豎井采用豎井鉆機鉆井具有可行性。

2.4 全礦井機械破巖智能化建井模式

可可蓋煤礦通過對井田地質和水文條件探查和分析，提出了經濟合理的斜井和豎井聯合布置的礦井開拓方案，研判了主副斜井TBM掘進和進回風豎井豎井鉆機鉆井可行性，在此基礎上初步形成了全礦井機械破巖建井模式。然而，無論是斜井TBM掘進還是豎井鉆機鉆井從裝備運行方式和掘支技術來分析，在一定程度上更多的還是爆破破巖技術的替代以及建井作業工人體力的延伸或替代，特別是穿越富水地層、極軟弱地層或破碎地層時，必須隨時進行人工干預或者實施輔助技術或工藝才能完成安全鑿井。因此，要實現自動化、機械化、信息化建井向智能化建井發展，需借助物聯網、智能感知、大數據、5G技術、仿真技術、云計算等新興技術，突破復雜地質條件下建井裝備與圍巖穩定控制互饋感知、多動作協同、分析計算及智能決策等關鍵技術，形成全礦井機械化建井的智能感知與智能調控。

可可蓋煤礦全礦井機械破巖智能化建井模式，如圖3所示。構建的全礦井機械破巖智能化建井模式，涵蓋了機械高效破巖、裝備性能狀態、排渣系統狀態、圍巖穩定控制、井壁結構可靠等參數智能反饋與調控，并為井筒及其結構運行期間風險防控和災害治理提供可行的技術路徑和對策，為井筒全壽命協同智能運行和安全服役提供保障。

圖3 可可蓋煤礦全礦井機械破巖智能化建井模式Fig.3 Mechanical rock breaking and intelligent shaft sinking mode of Kekegai Coal Mine

3 斜井敞開式TBM掘進關鍵技術與工藝

3.1 斜井敞開式TBM裝備與始發

可可蓋煤礦是我國西部典型的富水弱膠結地層礦井，根據鉆孔揭露的地質信息，斜井穿過松散層厚度63 m、洛河組強風化段厚度20 m，松散層及洛河組為強含水層，涌水量較大。為實現安全快速掘進和掘-支協同控制，提升智能化礦井建設水平，綜合考慮地層特性、工程條件和掘進裝備性能等影響因素，陜西延長石油礦業公司采用ZTT7130型敞開式全斷面TBM系統(圖4)。ZTT7130型TBM刀盤開挖直徑7.13 m，刀盤轉速5 r/min，刀盤布置40把滾刀并采用背裝楔塊式安裝，刀盤驅動功率2 300 kW；整機總長127 m，總質量約1 300 t，使用電壓為10 kV，總裝機功率3 800 kW，主軸承設計壽命>15 000 h；采用8個油缸推進，單次行程為1.1 m，額定推力15 876 kN；同時TBM配備了錨網噴支護系統、鋼拱架支護系統、仰拱吊機、超前管棚支護及注漿系統、鋼筋排架支護系統、二次風機、除塵風機、帶式輸送機等，集超前探測、破巖、排渣、支護、降溫、除塵、通風、導向等功能于一體并協調運行。

圖4 斜井全斷面智能掘進裝備Fig.4 A full face intelligent inclined shaft boring machine

考慮地表覆蓋第四系松散層強度極低和圍巖自穩性能差的特征，斜井井口段采用放坡大開挖的明槽開挖形式；斜井穿越侏羅系安定組、直羅組、延安組地層時采用TBM工法施工，每隔600 m設置1條聯絡平巷，每隔40 m設1個躲避硐。其中，主斜井傾角5.6°全下坡，明槽開挖段264 m，TBM工法施工段5 040.9 m；副斜井傾角6°全下坡，明槽段開挖長度290 m，TBM掘進工法施工段長度5 041.3 m。TBM刀盤、主梁等重大構件采用分塊分段設計加工，在臨建場地進行TBM裝備組裝后，整體步進過明槽段后，在TBM始發硐內進行始發。斜井明槽開挖段與TBM掘進始發現場如圖5所示。

圖5 斜井明槽開挖段與TBM掘進始發現場示意Fig.5 Deep-trough excavation of inclined shaft and the site of TBM departure boring

3.2 斜井敞開式TBM掘進技術難點與對策

..高效破巖掘進與連續排渣技術

針對可可蓋煤礦巖石強度低、擾動敏感的特性，斜井敞開式TBM掘進形成了高效破巖與圍巖控制、連續排渣、裝備推進與支撐協同控制技術，以智能化裝備為基礎，輔助系統為保障，制定完善的工藝措施，實現了TBM姿態大幅度調整，“探-破-支-運”一體化連續掘進，保障了安全高效施工。

敞開式TBM在臨建場區組裝并步進至明槽始發硐后，撐靴支撐在始發硐幫上，該處地層為強風化洛河組砂巖，埋深約8 m，強度僅為2.6 MPa且有滲水，TBM始發時刀盤破巖掘進對圍巖擾動易導致圍巖體坍塌。因此，采用10號工字鋼及時對硐口支護，封閉成環，硐口鋼拱架并列雙排布置以增加支護強度；并對存在坍塌的部位及時進行網片+錨桿支護，利用TBM鋼筋排安裝器，加強坍塌部位支護強度。

針對軟弱地層無法提供足夠的推進支撐反力問題，采用增大撐靴與圍巖接觸面積，導管注漿加固撐靴部位附近地層的方法，加強了撐靴部位支護結構，并利用鋼筋排架、工字型鋼或現澆混凝土結構進行加固。為了避免因圍巖強度低，難以支撐TBM主機質量，而可能造成刀盤及主機位置下陷、引起掘進機栽頭現象發生的風險，通過地質超前探測和預報及時掌握工作面前方地質情況；當發生栽頭現象時，在盾體兩側擴挖形成導洞，對主機位置底部進行注漿加固。此外，采用電液混合驅動可短時間內實現大扭矩驅動，解決了卡機脫困的問題；采用的永磁同步電機與傳統異步電機相比體積更小、綜合節能約10%；通過實時監測掘進裝備運行狀態(圖6)，包括溫度、刀盤壓力、刀具磨損量、支撐推力、撐靴支撐力、扭矩等參數，為TBM掘進、控制和維護提供了安全保障。

圖6 斜井敞開式TBM掘進裝備運行狀態監測布置Fig.6 Operation status monitoring arrangement of inclined open TBM tunneling equipment

TBM掘進采用輸送機系統排渣，連續輸送機受料端安裝在TBM后配套上，卸料端位于主洞與地面交叉口部位，連續輸送機轉場，石渣經連續輸送機運抵洞口臨時棄渣場，再以自卸車運輸到永久棄渣場。

..穿越強含水層TBM安全掘進防治水技術

可可蓋煤礦斜井下穿第四系松散層孔隙潛水、白堊系下統洛河組孔隙裂隙承壓含水層、侏羅系中統安定組碎屑巖類裂隙承壓含水層、侏羅系中統直羅組碎屑巖類裂隙承壓含水層、侏羅系延安組碎屑巖類裂隙承壓水，第四系中更新統離石組隔水層、安定組上部泥巖類隔水層等5個含水巖層(組)和2個隔水巖層(組)。斜井TBM穿越含水層時，反坡排水難度高，預計最大涌水量約180 m/h，以頂板淋水和底板涌水為主要形式，水壓2～3 MPa，為靜態承壓水；地下水的同層位聯系較強，不同層位聯系很弱，且地下水為穩定流。為保障建井施工過程安全，制定了截水、分段抽水與及時噴漿封閉水等多種防治水及安全保障措施：

(1)局部地層采取注漿堵水措施，加固井筒周邊圍巖，增加圍巖強度并減少透水性，控制頂板淋水。

(2)為便利工作面排水，將排水泵最大限度的靠近斜井掘進工作面；同時，排水系統按照不低于2倍最大涌水量設計并采用雙電源配置，從而確保排水系統安全。

(3)2號煤層為承壓水，水壓2～3 MPa，揭煤前必須采取疏水降壓措施，將水壓降至0.5 MPa以下，采用在地面施工疏水降壓鉆孔方式，并根據前期探測的富水量及富水區域，有針對性的布置疏水降壓鉆孔，提前6個月疏排2號煤層水。

(4)斜井在穿越洛河組地層及地層不整合接觸帶時，可能存在未探明的孔隙水涌入倉內的情況，遇到突發涌水時應立即拆出帶式輸送機并封閉倉門，改為螺旋出土器作業，必要時對前方地層預加固后再繼續掘進。

..TBM隨掘支護與圍巖穩定控制技術

針對可可蓋煤礦地層以軟弱-較堅硬巖為主，巖體質量一般、抗壓強度低、撐靴撐緊困難、圍巖自穩能力差、支護工作量大等難題，研發了刀盤前方定點注漿支護、一鍵式鉆錨技術、工作軌跡智能控制的混凝土噴射技術等關鍵技術，實現掘支協同作業，降低工人勞動強度，改善作業環境，保障作業安全。對TBM掘進破碎地層超前加固處理，采用可破碎玻璃纖維套管，利用水動力潛孔錘可實現100 m以上鉆孔深度，滿足刀盤前方定點注漿加固需求。圍巖支護采用“一鍵式鉆錨+自動噴混”錨網噴工藝，研發的錨桿鉆機系統包括L1區錨桿鉆機系統、L2區錨桿鉆機系統；L1區錨桿鉆機系統的1號鉆機和2號鉆機布置于主梁兩側，每臺鉆機采用控制手柄獨立控制；L2區錨桿鉆機系統位于后支撐后部，共配置4臺鉆機。混凝土噴射系統安裝在噴混橋上實現與TBM掘進同步混凝土噴射支護(圖7)，距離刀盤掘進工作面53～59 m處，噴頭距井幫0.9 m左右，采用遙控操作自動噴混的方式：利用TBM噴混設備各關節安裝的傳感器及運動學建模技術，實時獲取末端噴炬的空間位姿信息；同時利用運動學關節空間軌跡規劃技術，使TBM噴混設備按照設定的工作軌跡限定條件，自動完成運動軌跡規劃，并控制相應各關節運動自動完成混凝土噴射施工，使混凝土完整覆蓋待噴面且達到100～200 mm的噴混厚度。

圖7 TBM自動噴混設備與施工現場Fig.7 Automatic shotcrete equipment of TBM and construction site

3.3 斜井TBM掘進智能監控與安全保障技術

..TBM掘進不良地質超前智能判識

超前探測是井巷掘進必要的地質安全保障，針對長距離斜井可能穿越圍巖松散、軟巖變形、斷層破碎帶、地層富水、高水壓、含有害氣體等特殊不良地質地段需要解決的一系列關鍵技術難題，可可蓋煤礦采用的ZTT7130型敞開式全斷面TBM配備機載超前探測鉆機，輔以三維地震波法、三維激發極化法等手段，構建了多信息收集與智能評估和預警系統。根據地勘與實際掘進參數建立圍巖可掘性的動態評估模型以及相應的軟硬件系統，突破長距離斜井盾構法施工與支護結構實時監測、智能決策與安全評估技術，開發盾構、圍巖、結構和環境綜合監測平臺，實現了盾構土倉壓力、圍巖水土壓力、管片結構應力應變等多種關鍵物理力學參數的監測，建立了不良地質段智能評估、分級與預警平臺，自動關聯盾構掘進施工參數與支護參數，實現地測數據一體化管理與地層3D實時建模聯動，實現TBM掘進數據與生產調度環節時間效率管理聯動，提高決策效率。

..TBM掘支智能化監控與施工優化

根據地質勘察數據與實際掘進參數，建立圍巖可掘性的動態評估模型，并借助AI技術、物聯網與遠程高效視頻監控技術，研發出TBM掘進裝備運行狀態監控系統(圖8)。可實現對帶式輸送系統狀態，錨網噴支護、鋼架支護或管片拼裝的現場高度機械化、自動化操作，以及推進速度、掘進狀態、刀盤轉速等多動作多功能區的監控；同時，通過掃描井筒有效斷面輪廓實時反饋圖像信號，構建破碎圍巖分級分類方法，實現斜井井幫變形與坍塌類型智能識別和在線實時預警。

研發出TBM精準鉆進和裝備姿態智能調控系統(圖9)，建立了激光與傳感器組合導航系統，直觀實時掌握掘進機的設備姿態和偏離設計軸線程度，同時以數值的形式準確地描述TBM設備主機前部與后部相對于斜井設計軸線的實際偏移量，并通過地層處理和遠程操控技術實現裝備姿態調整和掘進方向的精準控制。

圖8 TBM掘進裝備運行狀態監控系統Fig.8 The online observation system carry on the real-time monitor to TBM system’s running status

圖9 TBM精準掘進與姿態智能調控系統Fig.9 TBM targeted boring and intelligent attitude control system

..斜井智能建設與管理健康診斷

針對可可蓋煤礦富水軟弱地層條件和斜井長距離、大埋深工程條件，研發了基于3DGIS、BIM 與大數據分析技術的敞開式斜井TBM掘進-場體-結構綜合監控體系和數字化綜合管理系統，如圖10所示。

通過預埋監測儀器設備，借助網絡傳輸系統，對實時監測數據進行采集、接收、處理、存儲以及可視化顯示，實現了盾構設備運行狀態和參數的遠程監控、盾構施工過程的可視化遠程監控、拼裝式管片結構健康監測和數字化綜合管理；研發了煤礦斜井TBM掘進安全生產綜合監管云平臺及相關裝備，實現人員、物資、車輛定位系統與安防系統的聯動，環境安全監控與TBM掘進應急系統的聯動，確保施工過程可查可控，工程安全有保障；研發了煤礦斜井TBM建設及投運初期的結構健康監測、檢測技術與設備，以及信息化遠程動態識別、風險決策和智能管理系統。

4 西部全巖地層豎井鉆機鉆井技術與工藝

4.1 豎井鉆機及配套系統研發與選型

可可蓋煤礦豎井鑿井裝備采用中國平煤神馬建工集團有限公司在國內大口徑工程鉆機和大型礦山豎井鉆機的技術和施工經驗的基礎上研制的ZDZD-100重型工程鉆機(圖11)，該裝備是迄今世界上能力最大的多用途動力頭式工程鉆機之一。

中央進風豎井采用ZDZD-100重型工程鉆機進行鉆井，該鉆機配有油缸驅動的可變徑穩定器、大直徑全斷面可變徑鉆頭、穩定鉆桿和裝備高效集中控制系統，可適應巖石普氏系數達130 MPa(=13)的巖層鉆進，鉆壓≥1 500 kN，硬巖鉆進速度>100 mm/h；該鉆機設計最大鉆井深度為650 m，可變鉆井直徑為4～12 m，最大提升能力為9 000 kN，動力頭扭矩為1 000 kN·m，主機裝機功率為960 kW，轉速最大可達12 r/min。為保障豎井鉆機安全提吊和穩定鉆進，研制了豎井鉆機配套的國內起重能力最大的門式起重機(圖11)，起重能力8 000 kN。

圖10 TBM掘進智能管控綜合系統Fig.10 Intelligent comprehensive control system for TBM tunneling

圖11 ZDZD-100型豎井鉆機與門式起重機Fig.11 ZDZD-100 blind shaft drilling machine and portal crane

根據中央回風豎井的地層賦存特征、井筒的設計參數及鉆機的技術性能和使用情況，決定選用AD130/1000型豎井鉆機施工(圖12)，該鉆機設計鉆井深度達到1 000 m，設計鉆井直徑13 m，采用壓氣反循環排渣，鉆機提升能力700 t，鉆機動力頭扭矩600 kN·m，設備總功率1 000 kW，設備總質量561 t。同時現場安裝1臺MG400/30-18A4和1臺WMQH80/10-18A5型門式起重機用以配合鉆井和井壁預制施工。

圖12 AD130/1000型豎井鉆機施工Fig.12 AD130/1000 type vertical shaft drilling rig construction

4.2 西部全巖地層豎井鉆機鉆井工藝

..豎井“一鉆完井”工藝的提出

針對我國東部富水深厚沖積地層的特性，豎井鉆機鉆井技術及裝備不斷發展，通過懸垂減壓鉆進、泥漿護壁、反循環排渣、井壁懸浮下沉和壁后充填固井的鉆井工藝，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與裝備，豎井鉆機鉆井實現井下無人化施工。我國中東部富水沖積地層采用“一擴成井”和“一鉆成井”技術和工藝，在穿過深厚沖積地層后破除井壁底，再采用普通法掘進下部巖石地層，可可蓋煤礦中央進風井利用ZDZD-100重型工程鉆機“一鉆成井”，中央回風井利用AD130豎井鉆機“一擴成井”，待鉆至井筒設計深度后，無需破除井壁底進行井筒延伸，僅從井壁側面鑿開并與井下巷道連通。因此，從鉆井工藝上講屬于首次進行“一鉆完井”的鉆井法鑿井。

為實現全礦井機械破巖智能化建井，提升建井智能化水平，完善“一鉆完井”智能化鉆井工藝。通過研發適用軟弱基巖地層的大型豎井鉆機與配套裝備，攻克全巖地層掘進偏斜控制、高效鉆進與低固相泥漿排渣協同控制、井壁節預制與快速焊接、井壁懸浮下沉與壁后充填固井智能監控等難題，將保障西部地區弱膠結地層豎井鉆機高效鉆井。

..厚風積沙地層鉆井基礎施工工藝

針對第四系薩拉烏素組地層松散砂層厚，承載能力極差，無法為大型豎井鉆機鉆井提供穩定基礎，因此，提出了MJS高壓旋噴樁施工方案(圖13)。在井筒鉆進施工前，對井筒第四系上部砂層進行帷幕加固處理，即在井中心直徑10.7 m圈徑上布置樁徑1 500 mm、搭接長度510 mm、樁長度 30 m，數量34根的MJS高壓旋噴樁，引孔直徑275 mm，引孔深度31 m。根據目前樁基施工工藝、技術及工期要求，采用引孔鉆機+MJS高壓旋噴鉆機進行旋噴樁成孔施工，形成承載止水帷幕，保證鉆機鉆架基礎的穩定。

圖13 MJS高壓旋噴樁平面布置示意Fig.13 Layout of MJS high pressure sprinkling stake

4.3 豎井鉆機鉆井井壁結構設計與優化

可可蓋煤礦中央進回風豎井深度540 m左右，鉆進荒徑8.5 m，凈直徑均為6 m，為目前國內首例西部富水弱膠結地層鉆井法鑿井井筒，也是全巖地層中鉆井法施工最深的井筒。我國鉆井井筒支護結構形式主要有：鋼筋混凝土井壁、內層鋼板+鋼筋混凝土復合井壁、雙層鋼板+素混凝土復合井壁。其中，在井筒淺部由于承受外荷載較小，主要采用鋼筋混凝土井壁結構；而在井筒深部為滿足強度需要，通常采用單內層鋼板+鋼筋混凝土復合井壁或雙層鋼板+素混凝土復合井壁。鑒于西部富水弱膠結地層與東部深厚沖積層之間的差異性，西部鉆井法鑿井尚無可遵循的標準和規范。但是我國中東部地區鉆井井壁結構設計理論依然可為西部全巖地層鉆井法鑿井井壁結構設計和優化提供借鑒和支撐。

根據可可蓋煤礦進回風豎井穿越地層的工程地質、水文地質條件以及井壁將承受荷載的情況，并結合我國過去鉆井井筒支護設計、施工及應用的工程實踐，制定了西部鉆井井壁結構設計及優化原則：設計荷載分段選取，第四系按1.2倍靜水壓力計算，基巖段取1.0倍靜水壓力；混凝土強度等級最高采用C70；選用Q345鋼板；淺部為鋼筋混凝土井壁，深部采用單內鋼板+鋼筋混凝土復合井壁。根據鉆井井壁結構設計理論，對鋼筋混凝土井壁結構和單內鋼板+鋼筋混凝土復合井壁結構進行了設計計算和強度校核，并同時考慮了由于馬頭門施工后容易造成應力集中的問題，在馬頭門上下對井壁進行局部加強，最終確定了井壁結構設計方案。根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015版)附錄C相關內容，對可可蓋煤礦進回風豎井鉆井井壁結構進行了進一步優化，并通過計算得到優化后的豎井井壁結構參數。

4.4 豎井鉆機鉆進與井壁沉裝關鍵技術

..豎井鉆機機械破巖與鉆進技術

高效機械破巖和精準鉆進技術是制約鉆井法鑿井的關鍵技術瓶頸之一，機械破巖的效率決定了鉆進的速度。根據可可蓋煤礦地質報告初步分析，第四系薩拉烏素組地層和離石組地層屬于不穩定地層，遇水或失水都極易失穩，其次白堊系、侏羅系地層屬于水敏感性地層，遇水容易軟化、砂化；井筒穿越地層在高地應力作用下易發生蠕變流動，將可能導致井眼縮徑、泥包鉆頭、卡鉆等問題。

可可蓋煤礦中央進風豎井采用“一鉆成井”工藝，中央回風豎井采用“一擴成井”工藝，筆者重點介紹回風豎井AD130豎井鉆機“一擴成井”的機械破巖與鉆進技術。對于回風豎井豎井鉆機“一擴成井”技術和工藝而言，超前鉆孔為整個鉆井施工中至關重要的一個環節，其鉆孔質量直接關系到后續擴孔鉆進精度并保障井筒有效斷面。豎井鉆機鉆井的直徑4.2 m超前鉆頭采用大錐角刮刀鉆頭與平底滾刀鉆頭鉆進，裝刀量26把，鉆頭重力3 800 kN，鉆壓1 120～1 200 kN，單刀破巖能力達46 kN，不僅有效提高了單刀鉆壓，且大鉆壓快速破巖基礎上還能保證鉆孔垂直度；在超前鉆孔成形的基礎上，直徑8.5 m擴孔鉆進主要通過發揮鉆機能力，采用大錐度滾刀擴孔鉆頭結構、臺階式組合形式等措施，擴孔鉆頭裝刀量36 把，并加大鉆頭組裝重力達到3 800 kN，鉆壓1 120～1 440 kN，單刀破巖能力達40 kN，鉆壓控制在鉆頭配重量的40%以內，轉速控制在4～10 r/min。豎井鉆機鉆頭結構如圖15所示。

圖15 豎井鉆機鉆頭結構示意Fig.15 Schematic diagram of shaft drill bit structure

可可蓋煤礦通風豎井鉆井法鑿井過程中，無論是“一擴成井”還是“一鉆成井”均根據地層變化和進尺情況，分析了鉆進壓力、旋轉扭矩、旋轉轉速的最優組合模式，以及鉆頭破巖的能量和泥漿循環攜渣量的關系，從而實現了隨鉆確定匹配井筒直徑與圍巖特性的最優鉆進參數。

..低固相泥漿洗井排渣和臨時支護技術

泥漿是沖洗工作面、攜帶鉆渣、冷卻鉆頭、提供井壁下沉浮力的介質，也是平衡地壓、臨時穩定井幫的重要介質。在鉆井刀具破巖鉆進過程中，洗井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，避免重復破碎并減小刀具磨耗；同時井內泥漿在鉆進過程中形成的泥皮對井幫穩定性具有重要作用。因此，排渣技術與泥漿材料性能是決定鉆井成敗的關鍵技術之一。針對可可蓋進回風井地質條件和工程場地條件，經研究確定了鉆井泥漿控制措施，主要有以下3個主要方面：

(1)基于井筒穿越地層特征的泥漿性能要求。可可蓋煤礦第四系松散地層在鎖口施工時采用高壓旋噴樁進行帷幕處理，沒有塌孔之憂；白堊系下統洛河組，要求泥漿有較高的黏度以封堵滲漏和較低的固相含量以防發生假縮徑；侏羅系中統安定組地層要求泥漿做到徹底堵住上層洛河組和破碎帶的滲漏；侏羅系中統直羅組，要求泥漿有絕對小的失水量以保證井幫的長期穩定；侏羅系中下統延安組，保持泥漿在直羅組時的優良性能。

(2)泥漿參數設計。第四系上部松散砂層無造漿能力，故在鉆進施工前配置優質泥漿，采用膨潤土、纖維素和純堿配制的泥漿，其密度為1.05～1.08 g/cm，并將用于鉆進時洗井循環的泥漿沉淀池和用于鉆進時補充的臨時儲漿池、造漿池儲滿。在第四系下部地層和泥巖、砂質泥巖和泥巖互層等巖石地層鉆進過程中，結合鉆進速度、攜渣量和泥漿參數的實時檢測和分析，并在泥漿中不斷加入膨潤土、純堿、廣譜護壁劑和磺化褐煤來保持泥漿參數的穩定，而當泥漿黏度過高時應及時排漿和加水。

(3)泥漿循環量設計和泥漿凈化。豎井鉆機鉆井前在進回風豎井井口附近分別建造1個600 m儲漿池，2個20 m的造漿池，用于泥漿配制和儲備使用，各井口分別選用4臺阿特拉斯GR200螺桿空壓機，其中一臺備用。為提高鉆進速度，設計泥漿循環量1 200～1 500 m/h；泥漿初步凈化利用泥漿三級沉淀池將大顆粒巖屑(粒徑大于1 mm的巖渣為主)沉淀并清撈外運，初步凈化過的泥漿通過泥漿泵送至泥漿凈化設備進行二次凈化。

..預制井壁快速連接與穩定下沉技術

通過研究井壁底懸浮下沉工藝，以及井壁懸浮下沉過程中井壁整體豎向穩定性控制、井壁快速連接找正、井壁節實時定位、懸浮下沉偏斜控制等技術；并根據可可蓋煤礦豎井工程具體直徑和深度條件，對豎向整體穩定性和局部穩定性進行驗算，提出了井壁配重水加載方案，保障井筒偏斜率符合國家規范要求。大直徑豎井鉆機鉆井井壁懸浮下沉工藝流程，如圖16所示。

圖16 井壁懸浮下沉工藝流程Fig.16 Shaft wall suspension sinking process

通過技術調研、對比和分析計算，初步確定了可可蓋煤礦大直徑豎井鉆井法井壁懸浮下沉技術和工藝要求。首先將井壁底吊至井口，對準臨時鎖口中心，緩慢下放，使支撐梁落在臨時鎖口上，并將支撐梁找平墊實；上、下兩節井壁對接時，壓在下節井壁的重力不得超過其鋼梁的最大承載力。井壁對接找正，使中心線與井壁上下法蘭盤米字線中心重合，后采用可裝換的24個螺栓連接，兩節井壁之間的間隙采用鐵楔墊實，鐵楔間距不應大于200 mm；節間間隙超過5 mm時，其周圈采用圓鋼或者扁鋼墊焊；在上下法蘭盤焊接時，當間隙過大則需加圓鋼填塞，焊縫高度不應小于10 mm，焊縫表面焊波應均勻，外觀檢查不得有裂紋、加渣和針狀氣孔等缺陷。節間注漿時，漿液凝固后單軸抗壓強度應不小于25 MPa，漿液的結實率應大于95%。法蘭盤外緣焊縫經檢驗合格并冷卻后，應在焊縫上下各方不小于100 mm的寬度內均勻涂抹防水防腐涂料。法蘭盤接縫進入泥漿1 m左右時應停止下沉，經檢查接縫處無漏水現象后方可繼續加水下沉。

..鉆井壁后充填與無損探測技術

為確保鉆井井壁壁后注漿充填固井質量，對懸浮下沉井壁壁后充填材料、充填工藝、充填段高劃分、二次注漿機壁后注漿充填效果檢查和監測手段進行研究，制定了可可蓋煤礦通風豎井鉆井法鑿井壁后充填固井技術方案與風險防治措施。

(1)壁后充填原則。井筒扶正后應禁止向井筒內追加配重水，采用動態平衡法進行井壁后充填，確保偏斜在控制范圍之內；第1段高水泥漿充填時單位時間增加的浮力采用向井筒內加入相應的配重水進行平衡，即防止井筒因加入過量的配重水而失穩，又保證井筒偏斜率小；壁后充填第1段高采用內管充填，其余段高采用外管充填。

(2)壁后充填段高劃分。充填總高度535 m，共劃分7段高充填；第1段高70 m采用水泥漿充填，其余段高均為77.5 m采用水泥砂漿充填。

(3)水泥砂漿充填材料設計。充填材料與所置換的泥漿的密度之差與井筒壁后充填質量成正比，充填材料密度越大越好；設計的新型充填材料每立方米配比為：水215 kg，水泥690 kg，中細砂1 050 kg，粉煤灰140 kg，泵送劑6.7 kg，密度2.1 g/cm。

(4)壁后檢查。井筒固井結束即鉆井工程施工結束，隨后的工作依據GB 50213—2010《礦山井巷工程質量驗收規范》對壁后充填質量進行檢查。井壁預制時，已依據井壁設計圖紙在井壁內預埋的檢查管和鍋底預留的4個注漿管，壁后檢查可利用預埋檢查管進行，同時配以無損探測技術對固井質量進行綜合評價。

4.5 豎井鉆機鉆井智能監控與安全保障體系

可可蓋煤礦進回風豎井是首次在西部弱膠結全巖地層中采用鉆井法鑿井，圍繞機械破巖鉆進、泥漿反循環排渣和護壁、井壁預制質量管控、鉆進參數調整、井壁快速連接與精準懸浮下沉、井壁壁后充填等方面開展智能化監控，建立了豎井鉆機鉆井與井筒運行的全生命周期的大數據服務、風險識別智能管控和安全保障體系。

通過對刀齒、滾刀和鉆頭結構的檢測和分析，實現鉆頭結構工作狀態的智能判識與失效分析；通過垂直度的實時測量與推進、旋轉、提吊等參數數據的集成和分析，實現了豎井鉆機各功能機構運行狀態的監測和鉆進偏斜控制；通過對泥漿密度、成分和流動性的檢驗，巖渣參數、泥漿泵壓力、管路流量等參數的監測，實現高效循環排渣裝備運行狀態智能監控和排渣效率的實時分析。基于破巖和排渣等功能的監控和分析，以及大型PLC集中控制系統、變頻無級調速智能化控制系統，突破機械破巖鉆進智能監控技術，保障了豎井鉆機鉆井破巖、排渣與鉆進的協調性控制。目前，可可蓋煤礦回風豎井4.2 m的超前鉆孔鉆進深度416 m，最高日進尺11.5 m；進風豎井8.5 m鉆進深度221 m，最高日進尺10.8 m。

通過對預制井壁節混凝土水化熱監測與分析、預制井壁傳感器布置與數據傳輸方式、井壁質量快速檢測、井壁節運輸與安全防護等方面的研究，建立了預制井壁結構質量監控體系；隨著鉆井法鑿井進度安排，將通過對井壁底和井壁節吊裝、井壁節快速連接和找正、懸浮下沉井壁受力、井壁垂直度、懸浮井筒內配重水量，以及井壁下沉到位后充填固井、壁后充填質量檢測等方法或技術研究，突破預制井壁的精準沉裝技術，從而為厚風積沙全巖地層大直徑井筒“一鉆完井”井壁施工質量及其安全服役提供技術保障。

5 結 論

(1)基于我國西部可可蓋煤礦典型富水弱膠結地層條件、煤層賦存狀況、年生產能力和地面交通情況等因素的綜合分析，提出了經濟合理的斜井與豎井聯合布置的礦井開拓方案，綜合研判了采用斜井TBM掘進和豎井鉆機鉆井具有可行性，并構建了可可蓋煤礦全礦井機械破巖智能化建井模式。

(2)圍繞富水軟弱地層長距離、深埋深的主副斜井全斷面TBM關鍵技術與工藝難題，研發了適用可可蓋煤礦斜井掘進的專用敞開式TBM及其配套裝備；針對地表松散地層的不利條件，采用大開挖方式順利實現了TBM掘進裝備的始發。

(3)針對可可蓋煤礦巖石強度低、擾動敏感的特性，攻克了斜井敞開式TBM高效破巖與圍巖控制、連續排渣、裝備推進與支撐協同控制技術，以智能化裝備為基礎，輔助監控系統為保障，制定完善的工藝措施，實現了TBM姿態大幅度調整，40 m全斷面一次掘進，“探-破-支-運”一體化連續掘進，月平均進尺近500 m，預計建井工期將比原計劃縮短2年以上。

(4)提出了西部富水弱膠結全巖地層豎井“一鉆完井”工藝，研發了大直徑全斷面鉆頭結構、穩定鉆桿、大型門式起重機以及豎井鉆機高效集中控制系統，攻克了豎井鉆機配套大型門式起重機安裝、起下鉆智能控制、弱膠結巖石地層豎井鉆機高效鉆進與低固相泥漿排渣協同控制等關鍵技術，制定了預制井壁質量管控、井壁懸浮下沉與壁后充填固井等智能監控方案。

(5)實現了豎井鉆機在西部弱膠結巖石地層大直徑井筒高效鉆進，可蓋煤礦回風豎井4.2 m的超前鉆孔鉆進深度416 m，最高日進尺11.5 m；進風豎井8.5 m鉆進深度221 m，最高日進尺10.8 m；取得了我國鉆井法鑿井“走出中東部，走向西部”的重大突破。

研究得到了中煤特殊鑿井有限責任公司、平煤建工集團特殊鑿井工程有限公司、中國鐵建重工集團股份有限公司、中鐵十五局集團有限公司、中煤西安設計工程有限責任公司等單位的支持與幫助，在此一并表示感謝。

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