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刘志强:潜心机械破岩技术研究 照亮井巷智能化之路

​文/朱蕾

2020年9月20日随着刘志强博士指令发出, 我国首台套“金沙江一号”竖井掘进机,在国家重点工程云南白鹤滩以礼河电站出线竖井开始始发,开启了我国以非爆破机械破岩全断面掘进竖井井筒新纪元,为无人化或智能化凿井打下基础。刘志强博士在多年机械破岩技术、工艺合装备研究积累条件下,作为负责人承担了国家“十二五”863计划重点研究课题,组织研制了成功竖井掘进机,并成功应用重点工程建设,完成的竖井钻井直径5.8m,井筒深度282.5m,最高日进尺达到10.3m,纯工作时间44天。

刘志强博士是中国煤炭科工集团有限公司一级首席科学家,现任煤矿深井建设技术国家工程实验室主任,长期从事机械破岩、钻井凿井技术研究,为我国煤矿施工建设做出了突出贡献。30多年来,主持国家科技攻关、“863”计划、国家重点研发以及中国工程院重点咨询等重大课题12项,研究机械破岩钻井技术,解决建设大角度、大断面通道和垂直通道(井筒)施工过程中井下作业人员多、安全性差和职业伤害严重,且倾斜通道(斜井)施工难度大、风险高等问题,完成了大量攻关克难的研究工作,促进了由爆破破岩向机械破岩的成功变革,为国民经济发展做出了较大贡献。

打牢基础:从爆破破岩到机械破岩

“上天容易入地难”,从地面向下建设采矿和地下工程“咽喉通道”—井筒,随着深度增加难度剧增,为更好地打下智能化基础,需要进行井筒施工技术变革。爆破是人类从低效的錾凿破岩,到高效的爆破破岩实现的第一次革命。但是爆破破岩作业环节造成的不连续,以及爆炸对设备、围岩及作业空间气体破坏或不利环境影响,从根本上制约了向智能化过度。刘志强博士带领科研团队突破了以钻孔爆破工艺为主的井巷施工现状,在坚硬岩石机械挤压破岩理论、不同齿形的镶齿滚刀组合方法、大直径钻井关键核心技术、钻井工艺和机械钻井装备等方面取得突破,开启了机械破岩的新篇章,为智能化建设矿井打下一定基础。

攻克难题:井筒施工钻井凿井技术

刘志强博士从1984年考入煤炭科学研究总院起,他就长期从事煤矿建井技术研究,主攻反井钻井技术、钻井法凿井技术。多年来,刘志强博士深受科研前辈不计艰辛、坚韧不拔、从容淡定的优良品格影响,坚定着科研的信念。曾荣获科学中国人2012年度人物、全国优秀科技工作者、孙越崎科技教育基金优秀青年科技奖、“百千万人才工程”拔尖人才、杰出工程师鼓励奖等多项荣誉,获国务院政府特殊津贴。

刘志强博士通过开展钻井法凿井技术研究、全断面隧道、竖井掘进机研究等,为井筒施工技术的创新做出了重大贡献。井筒施工多采用伞形钻架钻孔、手工装药、抓岩机装岩、吊桶提升、整体模板浇筑混凝土井壁短段掘砌的普通凿井方法,这种施工工艺需要大量工作人员下井作业,安全事故时有发生,且存在对作业人员较为严重的职业伤害,无法实现井筒施工的智能化。如何将井下工作人员从最恶劣、最繁重、最艰苦、最危险的反井工作环境中解脱出来,是当时国家迫切需要解决的技术难题。

针对松软含水地层,在刘志强博士及其团队组织研究的“一扩成井”快速钻井新工艺,提高了大直径井筒成井速度,使竖井钻机为主要装备的钻井法凿井技术逐渐成熟,该技术从华东地区开始向西部煤矿软岩地层发展,且进行试验钻进应用,一次钻井直径达到8.5m,应用范围逐渐拓展。钻井法凿井作为“打井不下井”的施工方法,全部凿井作业工序在地面完成,特别是采用地面预制井壁方法对井筒进行支护,大大提高了工程质量,有利于井筒长期运行。

对于具备下部巷道的井筒,为了充分利用已经形成的生产系统,解决机械破岩排渣难题,组织研究下排渣反井钻机工艺,研制出国内最大型BMC600型反井钻机,钻井直径达到6m、深度600m。采用反井钻机通过从上向下导孔钻进和从下向上的扩孔钻进形成井筒,扩孔钻进破岩过程排出的岩渣,依靠重力掉落到下部巷道内,由装载设备高效排出,反井钻机对围岩及周围环境影响较小。反井钻机不但从根本上解决了煤矿暗井人工开挖的安全问题,而且,刘志强博士还组织将该项技术应用到水力发电和抽水蓄能电站等绿色能源建设,支撑了国家重点大江大河流域电站工程快速开发建设,特别是解决了抽水蓄能电站压力管道,大倾角斜井施工难题,替代了传统的爬罐落后生产方式,促进技术变革发展。该技术还应用奥运重点工程高铁八达岭隧道,及其他公路铁路隧道竖井施工,减少了对敏感地区环境破坏。同时将该技术推广到“一带一路”国家采矿及基础工程建设,取得广泛赞誉。

针对硬岩地层的竖井掘进机井筒施工,为替代钻爆法凿井工艺,在全断面隧道掘进机研究基础上,刘志强博士及其团队开展相关竖井掘进机研制工作,研制出首台套硬岩全断面竖井掘进机,初步进行试验井筒钻进施工,效果显著。该种技术在地质条件差的情况下可以实现井下无人远程控制。这些井筒非爆破机械破岩方法,具备智能施工的基本条件,通过与矿井智能化控制平台结合,可以初步实现井筒的智能化施工。

在刘志强博士的带领下,团队还承担过钻井法的钻机、工艺、刀具、泥浆、井壁、固井、监测监控等方面的理论和技术研究课题先后有 22 项获得国家和省部级重要大奖,其中“一扩成井快速钻井法凿井技术 ” 获国家科技进步奖二等奖,“全断面硬岩竖井掘进机”获得2021年中国煤炭工业协会技术进步特等奖。刘志强博士及其研究团队任劳任怨地投身井筒施工技术研究,使我国钻井法凿井综合技术达到国际先进水平,部分达到国际领先。

展望未来:提出井巷智能化发展建议

刘志强博士带领团队通过深入研究机械破岩理论和方法,解决了高效低成本破岩、复杂地层临时性和永久性井帮稳定控制等技术难题,发明了多种钻井工艺,组织研制了新型钻机结构,攻克了大型装备设计制造技术难题,初步建立了竖井钻机、反井钻机、竖井掘进机等机械破岩钻进技术体系,该研究成果广泛应用于矿物开采、水力发电、交通隧道等地下工程建设。为国家“深地”和“一带一路”战略提供支撑。

为了促进未来井巷智能化建设,刘志强博士对未来提出了展望和建议:智能化建井施工必须以工艺为引导、以技术变革为前提、以装备为核心,发展智能化控制系统及平台建设。

首先是建立标准的矿井设计。在一定的井型和相似的地质条件下,应该对主要井巷工程采用模块化设计,模块化设计便于施工装备的重复应用。深部资源开发多采用竖井开拓,千万吨级煤矿成为标准,可以有针对性的将主、副和风井标准化,研制的竖井掘进机、竖井钻机等适用性和通用性增强。对于主要通风、运输和安全相关的巷道,同样更容易实现标准断面布置,为各种类型的智能化掘进机应用打下基础。

其次是建立标准的施工工艺。井巷工程多为长细结构,相对于宏观地质和水文地质来说,所穿过的地层的微观地质和微观水文条件,对施工过程影响很大,不仅是设备智能就能够达到施工智能,在微观地质影响下,多数情况可能无法进行施工,这也是多年来人工施工方法,能够对地层进行及时处理,防止施工重大事故发生的主要优势。因此,形成标准的工艺方法用地层冻结—地面预注浆—竖井掘进机凿井平行作业、地面预注浆与钻井法凿井和地面预注浆与竖井掘进机平行作业等。

最后是建立标准智能化装备。针对不同的井巷工程条件,需要开发相应的装备。井巷施工装备一般包括破岩、排渣、输送和支护,装备的智能化还需要对地层随施工探测、各种传感和反馈、数据无延时传输、相关算法等,形成与地层条件相适应的自主学习、自主调整控制系统,这些需要有专业人员完成。对于矿井建设研究人员,需要解决高效破岩,目前机械破岩是爆破之外最有效的大体积破岩方法,其存在的问题是能量消耗大,不论任何岩石条件都要破碎到一定粒径,粒径的级配颗粒变小,能量消耗成级数增加,所以应该设想开发更经济的破岩方式,这需要利用岩石在长期历史年代形成的特点,包括不均质性、节理发育状况、地应力的作用等,开发相应的破岩方法和设备。在支护方面需要建立模块化支护体系,目前成熟的盾构机的管片支护、竖井钻机地面预支筒形井壁支护,都能提高施工速度,如果不能实现模块化标准支护,智能化掘进装备的发展将受到极大限制。

我国煤矿智能化发展离不开刘志强博士及其科研团队,他们像矿洞中的探照灯一样照亮智能化发展的道路,为提升我国在煤矿领域的国际地位做出了贡献。未来在众多像刘志强博士一样的煤矿建井技术研究学者的共同努力下,井巷施工的智能化将会逐步实现,为国家深地战略提供支撑,保证资源和能源供给造福广大人民。

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