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
2022-07-20 10:34:04
全断面竖井掘进机凿井是一个繁复编制。基于全断面竖井掘进机凿井工艺特性，判辨了竖井掘进机凿井面对的地质困难以及地质灾祸防控方法的可行性；思虑竖井掘进机凿井“岩－机”互馈感化下围岩岩石力学性情、配备破岩本事、岩体构制特性、围岩与配备互相维持、地层防治水等成分的影响，提出全断面竖井掘进机凿井围岩分类目标拣选准绳；构修了竖井掘进机凿井围岩分级评判目标与科学外征形式，评判了围岩分类与竖井掘进机凿井合适性之间的对应相干，并给出了可行的优化改正方法。
刘志强，博士，探讨员，博士生导师，中邦煤炭科工集团有限公司一级首席科学家，矿山深井修复本领邦度工程中央副主任，中邦煤炭科工集团有限公司本领委员会委员；兼任中邦煤炭学会煤矿修复与岩土工程专业委员会主任委员、中邦煤炭工业协会本领委员会委员，《修井本领》主编，《煤炭科学本领》《岩石力学与工程学报》编委。
永恒从事呆滞破岩钻井外面、本领、配备和工艺探讨，主办完结邦度科技攻闭、科技维持、“863”谋划、专项资金等科研项目12项；正在邦度“十二五”“863”重心项目资助下，举动担当人研制出邦内首台套导井式竖井掘进机，并机闭完结工业性试验行使；提出并推行竖井钻机“一扩成井”钻井工艺；针对概略积破岩、排渣和支护等钻井困难，攻下了镶齿滚刀低能耗破岩的本领瓶颈，机闭研制了邦内最大型反井钻机和上向反井钻机。获邦度科技发展二等奖1项，省部级科技发展特等奖3项、一等奖14项，出书《竖井掘进机》、《竖井掘进机凿井本领》、《硬岩掘进机》（译）、《矿井修复本领》、《反井钻机》等著（译）作7部，宣告论文100众篇，授权出现专利50余项；享用邦务院额外津贴专家，得到世界优良科技管事家、科学中邦人、煤炭工业科技改进人才等称谓。
针对全断面竖井掘进机凿井历程中虚亏或破裂围岩失稳坍塌、高硬度岩石难破裂、地层涌水、地层节理构制等一系列地层繁复性带来的工程困难，发展了实用全断面竖井掘进机凿井的围岩分类目标编制与评判形式探讨，思虑了全断面竖井掘进机凿井“岩”与“机”互馈感化下各成分的独立性和闭系性，构修了围岩分类目标编制与评判形式，提出了全断面竖井掘进机凿井地层合适性归纳判识形式。起初基于全断面竖井掘进机凿井工艺特性，判辨了竖井掘进机凿井面对的地质困难以及防控方法，盘绕竖井掘进机凿井“岩－机”互相感化下围岩岩石力学性情、配备破岩本事、岩体构制特性、围岩与配备互相维持、地层防治水等众成分的影响，提出了围岩分类目标拣选准绳，构修了岩石可切割性、围岩自稳性、地层控水性3个准绳层目标以及所属13个根源评判目标构成的评判目标编制框架；确定了围岩分类目标编制权重，并采用吞吐归纳评判和百分制形式量化根源目标，构修了众维矩阵机闭围岩分类评判数学模子，经揣度和判辨将岩石可切割性、围岩自稳性、地层控水性划分为有利、寻常有利、适中、晦气和很晦气5类，进而遵照揣度结果将竖井掘进机凿井围岩前提分为Ⅰ～Ⅴ类，评判了全断面竖井掘进机凿井与地层之间的合适性，提出了竖井掘进机凿井围岩职掌方法；以我邦首台套导井式全断面竖井掘进机凿井工程为例，验证了围岩分类目标编制与评判形式的可行性和合理性。全断面竖井掘进机凿井围岩分类目标编制与评判形式对破岩掘进、灾祸防控、围岩平稳职掌等本领计划的同意和推行供应了科学依照。
目前，我邦竖井掘进机及其凿井本领、配备和工艺处于研倡议步阶段，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前提带来的繁复性、不确定性和未知性，给竖井掘进机凿井地层平稳职掌、涌水处分本领以及中枢配备与配套配备、工艺和演示带来强大的危险和挑衅。是以，要告竣竖井掘进机安好、高效、绿色、智能化凿井，首要管理竖井掘进机凿井地层合适性困难。广泛钻爆法凿井具有管事活络性情，造成的短段掘砌凿井工艺，希奇合适于较为繁复的地层，通过掘进段高的调动淘汰空助间隔，进而淘汰掘进对围岩的毁坏和职掌围岩的变形失稳；而全断面竖井掘进机一次促进最大行程固定，既要告竣井筒有用断面内岩石的低能耗破裂，同时要保险井筒围岩平稳，抵达井筒机闭正在地压、扰动、渗水等感化下，不发作宏伟的变形和机闭毁坏，避免钻头或刀盘卡死或被埋。以是，针对千米竖井全断面掘进机凿井的井筒围岩分类目标编制与科学外征形式探讨，一方面保障了修井地质探测讯息科学合理判辨，另一方面临教导竖井掘进机的维持、迈步、促进等效用以及掘-支协同支护本领工艺的研发具有极其紧急的科学道理和工程行使价格。
现有的岩体分类形式是从广泛钻爆法的根源上生长起来的，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本领道理和工艺有素质区别。与爆破破岩凿井比拟，呆滞破岩以“破岩两全防控围岩毁坏”的理念为教导，比拟于爆破破岩对围岩的扰动显著下降，有用下降了围岩新增裂隙渗水、透水等水害危险。值得留神是竖井掘进机凿井时撑靴对岩体不断施加的动态感化力弥补，围岩体质料十分差时将对围岩平稳爆发负面影响；其次竖井掘进机凿井对井筒空助的间隔央求更小，近刀盘或钻头井助寻常采用护盾或者随掘喷浆支护等。是以，基于全段面竖井掘进机凿井本领和工艺的判辨，构修竖井掘进机凿井围岩分级评判目标与科学外征形式，为全断面竖井掘进机凿井本领发展和生长供应维持。
１）井筒穿越虚亏地层时，井筒围岩自稳本事差，亏损以供应竖井掘进机撑靴维持反感化力和反转矩时，可采用地层预改性加固本领，提升井筒围岩的承载本事，保险工程施工安好。
２）井筒穿过坚硬岩石地层时，可通过研制新型抗磨蚀滚刀，采用众刃镶齿滚刀、盘形滚刀等众刀组合与高压水射流拉拢破岩形式，并通过优化刀盘机闭和滚刀计划来告竣坚硬岩石概略积低能耗高效破岩，下降工程施工本钱。
３）井筒穿过破裂不服稳地层时，应淘汰空助间隔，同时采用护盾或近管事面神速暂且支护，避免围岩坍塌导致刀盘被埋等施工危险。
４）井筒将穿过含水或涌水地层时，愚弄随掘超前精准探测本领举行及时探测与监测，遵照地层富水水平、管事面涌水量和水质景况，采用地层超前预注浆堵水或配合管事面随掘排水等形式，保险竖井掘进机“干井掘进”。
５）井筒穿过断层、节理、不整合地层时，应采用及时导向本领随掘随测，避免刀盘破岩历程中滑移或不服均受力而导致的掘进偏斜，保险工程施工质料。
采用专家测评偏睹和工程施工体味归纳判辨的形式，确定全断面竖井掘进机凿井围岩分类评判目标权重，睹外２。
本探讨构修的评判目标编制的根本框架中各评判目标参数，可通过室内试验、地层探测、配备监测和工程现场测试等可行的本领本事得到揣度判辨所用的根源数据。采用吞吐评判形式对“岩－机”互相感化下的围岩前提举行归纳评判；为了便于考评和操作，每项目标遵守百分制形式举行评判，睹外３。
１）基于全断面竖井掘进机凿井工艺特性，针对竖井掘进机凿井面对的地质困难以及地质灾祸防控方法的可行性，思虑竖井掘进机凿井“岩－机”互馈感化下围岩岩石力学性情、配备破岩本事、岩体构制特性、围岩与配备互相维持、地层防治水等成分的影响，提出全断面竖井掘进机凿井围岩分类目标拣选准绳，并构修了岩石可切割性、围岩自稳性、地层控水性３个准绳层目标，以及所属的13个根源目标的围岩分类目标编制框架。
２）全断面竖井掘进机凿井是一个繁复编制，统一“岩”与“机”２者的闭系性和独立性，归纳专家测评和工程施工体味确定了围岩分类目标编制权重，并采用吞吐归纳评判和百分制形式量化根源目标，构修了众维矩阵机闭围岩分类评判数学模子，经揣度判辨后将岩石可切割性、围岩自稳性、地层控水性划分为有利、寻常有利、适中、晦气和很晦气5类，进而揣度判辨将竖井掘进机凿井围岩前提划分为Ⅰ～Ⅴ类，评判了围岩分类与竖井掘进机凿井合适性之间的对应相干，并给出了可行的优化改正方法。
３）以我邦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目标编制与评判形式的正确性和牢靠性；实践掘进历程中竖井掘进机通过破裂地层时，通过采用近钻头围岩护盾暂且支护和随钻随喷暂且支护，告竣了日进尺3.6～5.0ｍ，平稳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目标编制与科学外征形式，是基于竖井掘进机凿井配备功能、本领难度、工艺流程和地质前提而探讨同意的，对竖井掘进机破岩掘进、灾祸防控、围岩平稳职掌等本领计划的同意和推行具有教导感化；跟着凿井配备研发本事、创制水准、地层改性本领的提升和优化，竖井掘进机凿井围岩分类准绳、目标编制和评判形式将与之举行修订和完备。
刘志强，宋朝阳，程守业，等.全断面竖井掘进机凿井围岩分类目标编制与评判形式［J］.煤炭科学本领,2022,50（1）：86-94.