我国矿山竖井凿井技术现状与发展趋势

谭 杰 刘志强 宋朝阳 刘全辉 龙志阳 宁方波

（1.北京中煤矿山工程有限公司，北京100013；2.煤矿深井建设技术国家工程实验室，北京100013；3.陕西延长石油榆林可可盖煤业有限公司，陕西榆林719000）

矿产资源开发是国家产业和国民经济发展的重要基础支撑和有力保障。目前，我国矿产品产量快速增长，截至2019年矿业产值占我国GDP的比例达到7%，为国家经济社会发展提供了80%的原材料和95%的能源资源，在矿产品的生产和贸易方面均达到了世界第一［1］。然而，随着对我国矿产资源的持续开发，浅部资源已逐渐趋向枯竭，资源开发不断走向地球深部［2］。2016年习近平总书记在全国科技创新大会上指出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。

矿山竖井工程是矿山建设的重要组成部分，也是保障矿山资源安全与高效开发整个产业链的首要和关键工程。目前，矿山智能化建设技术已成为地下资源开发领域的重大战略方向，是推动行业转型升级和高质量发展的核心技术支撑［3］。其中，智能建井是我国矿山竖井发展的目标和愿景，随着我国矿产资源需求量和开采深度不断增加，竖井作为立井开拓方式的主要工程必将面对更加复杂的地质和工程难题，如深部复杂地质构造、高地应力、高地温和高水压等多场多相的地质难题［4］，以及深大直径井筒的破岩掘进、围岩支护、排渣、提升、降温、堵水、防爆、防冲等工程难题。本研究梳理了我国千米级矿山竖井凿井工程的发展历程与总体现状，综述了深孔爆破、排渣、提升、井壁支护等钻爆法凿井技术与工艺的发展现状，以及机械破岩钻井装备与技术的发展现状，凝练了我国矿山深竖井建设工程面临的主要挑战与发展方向。

1 我国矿山竖井工程总体概况

深部矿山竖井是保障深部资源安全提升的重要构筑物，为深部资源开发提供了重要技术支撑和安全保障，同时，资源开采深度和开采量需求的增加倒逼深井建设技术的发展与进步［5］。

1.1 矿产资源开采深度

目前，无论是金属矿山还是煤矿的开采深度均已突破埋深1 500 m，进入埋深1 500～2 000 m的深部开采阶段［6-7］。根据对国内煤矿和金属矿山大量相关文献和资料的不完全统计，我国千米级开采深度矿山统计结果如图1所示。

金属矿山以山东三山岛西岭矿区为例，是目前已在1 600～2 000 m深处探明储量达550 t的超大型金矿。根据矿体成因特点，未来随着勘探技术和装备的发展，我国在2 000～5 000 m的深部仍然有存在大型金属矿床的可能［8］。根据相关统计结果，金属矿开采最深的为河南省灵宝市崟鑫金矿，开采深度达到1 600 m，另有夹皮沟金矿、六苴铜矿、秦岭金矿、红透山铜矿、大红山铁矿、会泽铅锌矿等十余座矿井开采深度超过了1 300 m。

煤炭作为我国的主体能源，煤炭资源在埋深2 000 m以浅的储量达到5.9万亿t，其中埋深超过1 000 m的占50%以上［4］；我国千米以深的竖井中井深集中在1 000～1 299 m的矿井约占91.48%，平均采深1 086 m，开采深度最深的是新汶矿业集团孙村煤矿，开采深度达到了1 501 m，另有华丰煤矿、孔庄煤矿、张集煤矿、星村煤矿、夹河煤矿、张小楼煤矿、八宝煤矿、赵各庄煤矿、梁宝寺二号矿等十余座矿井开采深度超过了1 200 m［8-10］。因此，随着浅部资源日益减少，深部矿产资源开采已成为资源供给的重要保障和支撑，地下矿产资源开发已经正式进入深地开采阶段。

1.2 竖井凿井深度

根据对国内煤矿、金属矿山建设情况和大量文献的不完全统计，我国1970—2020年间建设的千米级竖井深度与建设年份的对应关系如图2所示。

由图2可以看出：井筒深度从900 m到突破1200 m历时近40 a的时间，而从1 200 m到1 600 m，仅用了10年时间；此外，在2005—2015年的10 a间，井筒深度在900～1 200 m范围内的竖井建设数量明显增加；2012年后，以钻爆法作为深井凿井的主要技术与工艺，集中开发建设了一批1 500 m级深井，如建成了辽宁思山岭铁矿深度分别为1 505 m和1 503.9 m的主井和副井、云南会泽铅锌矿深度为1 526 m的3号竖井、山东黄金新城金矿深度为1 527 m的新主井［7-8］，在建的有中国黄金纱岭金矿设计井深1 600.2 m和1 560.37 m的主井和副井。根据发展需求和深井建设规划，国家“十四五”期间深井建设深度有望突破2 000 m。矿山深竖井建设装备、技术和工艺的不断改进和发展，必将为我国深部资源安全高效开采提供重要的支撑［11］。

1.3 竖井成井直径

尽管受到矿山生产能力、凿井装备和地层特征等因素的影响，矿山竖井井筒直径的设计与建设并不是一味地追求大直径井筒。在过去的50 a间，随着国家政策、重大项目对矿业领域给予的大力支持和我国矿井建设者广泛而深入研究，竖井凿井基础理论不断完善、凿井装备能力和技术不断提升、凿井工艺不断改进，为满足大型矿井年产量的提升需求，千米级竖井直径依然呈现不断增加的趋势。据不完全统计，我国1970—2020年间建设的千米级竖井直径与建设年份的对应关系如图3所示。由图3可以看出：千米级竖井从最初5～6 m的净直径发展到最大净直径达10 m，如辽宁思山岭铁矿副井直径10 m，井深1 503.9 m；甘肃核桃峪煤矿副井直径9 m，井深1 005 m。此外，红庆河煤矿副井净直径为10.5 m，井深718 m；泊家海子煤矿副井净直径为10.5 m，井深611.7 m，均采用了冻结法特殊凿井技术和工艺，是目前我国净直径最大的竖井。该时期开展的大直径竖井凿井设备选型、井内优化布置和井壁结构设计与施工等研究，使得千米级大直径井筒建设技术与工艺满足了我国大型矿井建设与年产量提升的要求，推动了我国大型现代化矿山建设和发展。

1.4 竖井凿井速度

竖井井筒在矿井建设中虽然仅占矿井建设工程量的3%～5%，工期却占总工期的35%～50%，随着竖井开拓深度的增加，面对的高地温、高地压和高水压等地质环境条件和工程条件日趋复杂，竖井井筒占矿井建设总工期的比例也相应增加［12］。经过对钻眼爆破、装岩出渣、提升设备、稳车悬吊、砌壁模板等竖井施工机械化配套装备的不断研发，竖井凿井速度不断提升，矿井建设周期逐步缩短。

根据不完全统计，我国竖井凿井速度与建设年份的对应关系如图4所示。自1970年以来，竖井由最初的30～40 m/月凿井速度得到不断提升，2000年前后多条竖井的最高凿井速度超过100 m/月；在2010年左右山东郓城煤矿主井、河北羊东煤矿风井、安徽潘一煤矿第二副井、山东双合煤矿主副井等井筒工程的施工过程中，最高凿井速度曾一度超过200 m/月。通过对近5 a的竖井凿井速度统计分析，平均凿井速度为88.3 m/月。根据工程实际调研和资料检索分析结果，千米级竖井建设周期缩短到2～3 a，如金诚信施工的会泽矿3号竖井井深1 526 m，建设周期为2 a，且于2015年6—7月间在井深1 000 m以下的凿井速度分别达到105 m/月和102.6 m/月；中煤五建公司三处施工的新城金矿新主井井深1 527 m，建设周期为2.6 a，2017年平均凿井速度为113 m/月，单月最高凿井速度达188 m。由此可见，我国在深井基岩快速掘进施工中深孔液压凿岩钻架研制、深孔爆破技术研究、大型中心回转抓岩机和迈步式整体金属模板设计研究等大型自动化、机械化装备能力和技术方面的不断提升和发展，短段掘砌综合凿井工艺不断完善，使得我国深井基岩快速掘砌水平得到了显著提高。

目前，我国深竖井凿井以钻爆法为主，以冻结法、注浆法、钻井法和沉井法等特殊凿井工艺为辅，突破了深度1 500 m竖井快速掘砌的关键技术与工艺，形成了竖井上部深厚富水冲积地层和风化带的冻结法辅助凿井或钻井法钻井、结合下部基岩含水层地面预注浆施工的平行作业技术和工艺，解决了竖井井筒涌水的防治难题，保证了钻爆法凿井阶段井下打干井和正规循环掘砌作业，形成了冻—注—凿平行作业和钻—注—凿联合作业的凿井体系［12-14］，实现了竖井建设技术、工艺在时间、空间上的综合合理利用，满足了复杂地质条件下深井凿井需求。

2 钻爆法破岩凿井装备技术与工艺现状

目前，我国竖井建设通常采用3层吊盘并采用传统的“九悬十八吊”方式，在吊盘的底部进行钻爆凿岩、排渣、井壁衬砌，研制了多种稳车悬吊吊盘、电缆、模板、底卸式吊桶、排水管、通风管、安全梯等配套设备，实现了掘砌一次成井技术与工艺，待竖井掘进到底部后拆除凿井设备，再进行永久提升井架和井筒装备施工［7］。

2.1 爆破破岩技术

钻眼爆破破岩是我国竖井短段掘砌混合作业的主要工艺方法。根据理论分析，在保证井帮围岩稳定和施工安全的前提下，一次爆破掘砌段高越大，掘砌转换和出渣清底的次数越少，效率越高；但掘砌段高主要由钻眼设备的钻眼深度来确定，段高H应为一次钻眼的最大深度 L 乘以爆破效率 K，即 H=L ⋅K［15］。为了实现快速掘进，在提高机械化程度、改进掘进技术和改善作业组织的前提下，应力求加大孔深和增加循环次数。随着掘进机械化程度的提高和掘进爆破技术的改善，当达到一定循环指标后，适当地控制循环次数、逐步增加孔深是合理的［16］。据不完全统计，炮孔深度、循环进尺与时间的对应关系如图5所示。

根据竖井穿越地层岩土特性、地质构造、井筒断面形状、井筒直径等条件，结合炸药性能和药卷直径等炸药特性，合理确定辅助眼和周边眼圈距、钻眼间距、钻眼深度、炮眼直径、炮眼数目、炸药消耗量和爆破单位岩体的炸药消耗量等爆破参数［17］。由图5可以看出：随着新型高效凿岩机和先进装运设备的研制和改进，以及爆破技术和爆破器材质量的提高，井筒掘进的炮孔深度趋向增大。在20世纪70年代，由于当时采用多台手持式风动凿岩机、YT型气腿式凿岩机、Y24型手持式凿岩机等设备进行钻眼，受制于钻具设备性能，钻眼深度较小，炮孔深度一般不超过3 m，循环进尺仅为1.5 m左右；20世纪80年代后，研制并采用了FJD系列（FJD-4型、FJD-6型、和FJD-9型等）、SJZ5.5～6.11系列、YSJZ系列等多种气动伞形钻或液压伞钻，并配备有YGZ-55型、YGZ-70型气动凿岩机，炮孔深度可达4.2 m，循环进尺提高至3.14 m；2010年以来，炮眼深度不断增加，最深可达5.8 m，循环进尺最高可达5.2 m；手持凿岩机可钻凿直径45 mm的炮眼，伞钻可钻凿直径55 mm的炮眼。截至目前，竖井凿井过程中，钻眼爆破采用液压凿岩机、多臂液压伞形钻架、双联钻架并配以合理的炮孔布置方式，可实现200 MPa坚硬岩石地层的有效爆破破岩。同时，采用光面、光底、减震、弱冲中深孔爆破技术和分段挤压爆破等方式［12］，减小了爆破破岩对围岩的振动破坏，不仅确保了井筒成型符合规定，而且可减少爆振裂隙，确保新岩面具有良好的稳定性，从而确保围岩自身形成承载结构；同时，高威力水胶炸药和长脚线多段毫秒雷管的一次爆破，可充分发挥伞钻和大型抓提设备的工作效率。

2.2 排渣技术

钻爆法施工竖井的排渣主要采用抓岩机和吊桶配合清底，抓岩机的装岩能力与一次爆破岩石量密切相关。通常抓岩工序占整个凿井作业循环时间的60%左右，抓岩机的性能直接影响凿井速度［18］。随着凿井设备的发展，20世纪70年代初采用NZQ2-0.11型抓岩机，小型气动抓斗斗容仅为0.11 m3，抓岩能力仅为8～12 m3/h，配合人工清底出渣，容积1.0～1.5 m3的吊桶进行排渣；经过1974年3部竖井掘进机械化会战，研制出HH型、HZ型、HK型3种大型抓岩机和HS型长绳悬吊抓岩机。20世纪80年代，研制出斗容为0.4 m3、0.6 m3的6瓣和8瓣抓岩机，包括HZ-4型和HZ-6型中心回转式、HK-4型和HK-6型靠壁式、HH-6型和2HH-6环轨轨道式等多种结构和规格的抓岩机，并配以1.5～3 m3的单钩和双钩吊桶进行排渣，采用的液压抓岩机较先前的气动抓岩机减少了能耗，显著提高了凿井效率。20世纪90年代以后，研制出了HZ-6B型、DTQ0.6B型和HZ-10型中心回转抓岩机，机架回转角度大于360°，斗容达到1.0 m3，配以MWY6/0.3型、MWY6/0.2型等小型挖掘机清底，排渣能力达到80 m3/h；研制出大容积、轻质、高强的6～8 m3大容量座钩式TZ系列吊桶和4 m3底卸式TD系列吊桶，并不断优化吊桶结构，降低了吊桶重心，降低了吊桶倾倒的风险，吊桶桶体材质由Q345B调整为Q460C，吊桶梁选用35号钢并加粗吊桶梁［15-18］。吊桶新型材料的应用不仅提高了其强度，同时减轻了吊桶自重。

2.3 凿井井架与提吊技术

在20世纪70年代及以前，曾先后利用木制、混凝土和轻型金属井架结构作为提升和悬吊结构，研制出了Ⅰ～Ⅳ型标准划分的凿井井架，提升岩渣、施工人员和物料的提升机滚筒直径小于2.5 m，凿井稳车的提吊能力在16 t以下，立井凿井多采用单行作业方式，凿井速度仅为20～30 m/月。20世纪80年代，经过凿井机械化装备的不断研发，研制出了新Ⅳ、Ⅴ型的专用凿井井架、滚筒直径为4～5 m的凿井专用提升机，同时随着短段掘砌工艺逐渐成熟，正规循环率不断提高；然而，Ⅴ型井架仅适宜直径小于8 m、深度不超过1 000 m的竖井建设。20世纪90年代后，研制出了新型Ⅵ、Ⅶ型、SA型、SM型凿井井架，JKZ-4.0、JKZ-4.5型提升机和JZ-25/1800、JZ-40/1800型悬吊稳车等新型大型化凿井装备［19-21］，通过在井筒内布置多套提升设备，容绳量最高可达2 000 m，提升能力最高达50 t，并保证了足够的悬吊伞钻、排矸及过卷高度，并且角柱跨距和天轮平台尺寸满足了井口施工设备、材料运输及天轮布置要求；同时，研制出了13、15、18、21、25 t等新型提升钩头，满足了大直径超深立井安全提升要求。

2.4 井壁浇筑技术

我国矿山深立井凿井工作面在配备伞形钻架、大斗容抓岩机和大容积提升吊桶的同时，研制并配备了大段高整体金属模板和底卸式吊桶运混凝土，形成的机械化短段掘砌混合作业方式取代了单行、平行作业方式，其工序转换时间少、施工速度快、作业人员劳动强度低、综合机械化程度较高，显著提高了竖井凿井速度和质量［12］。目前，砌壁使用最普遍的是MJY型系列整体移动式液压金属模板，迈步式液压模板代替了地面大型稳车、天轮及超长钢丝绳悬吊，段高2.5～5 m，质量为6.03～24.7 t，适用井径范围为4.5～8.5 m，具有脱模力强、刚度大、变形小、立模拆模方便的特点。一掘一砌正规循环，井壁接茬少，井壁成形质量好，砌壁时间从初始阶段占循环时间的30%下降到15%～20%。研制的迈步式整体模板和吊盘一体化装备，减少了井架、悬吊设施及悬吊的质量，并利用液压油缸和井壁梁窝实现了井筒内凿井装备的无绳悬吊、迈步自调平［22］，同时采用大吊桶和大提升机，实现了一次段高4.6 m正规循环掘砌作业，满足了直径8～12 m、深度1 500 m级深大竖井建设需求。

2.5 特殊凿井技术

据不完全统计，建国以来不同时期的特殊凿井井筒数如图6所示。

沉井法凿井作为掘进支护一体化的快速凿井工艺。在我国改革开放以前或初期，沉井法是穿越含水冲积层凿井的重要施工方法，同时我国也是较早将机械破岩钻进和沉井法相结合的国家［23］。1970—1979年间，用沉井法施工的井筒达到122条，其中曲阜单家村煤矿淹水沉井穿过180 m含水冲积层，主井沉井深192 m，偏斜率为6.9‰。然而，随着冻结法凿井和钻井法凿井技术的成熟和发展，沉井法逐渐淡出矿山特殊凿井舞台。

为保障矿产资源持续供给，井筒建设数量和深度不断增加，采用冻结法凿井解决了我国东部深厚含水不稳定冲积层和西部富水弱胶结地层凿井过程中井下涌水和围岩稳定性控制等难题［24-26］。我国在深厚冲积层冻结方面，掌握了超高围压下地层冻土物理力学特性、深厚冲积层冻结壁设计、多圈孔冻结工艺、机械化施工与信息化监控、深厚冲积层井壁结构设计及高性能混凝土浇筑等关键技术与施工工艺，创造了冻结表土层深度754 m的世界纪录［25］，此外，新巨龙煤矿东副井凿井已落底正在进行井筒装备，冻结深度达到958 m（表土深度646 m）。通过对西部富水弱胶结地层冻结规律的研究，掌握了白垩系及侏罗系岩层的物理力学特性、冻结壁发展规律、单圈孔冻结工艺、控温冻结等关键技术，实现了西部弱胶结地层千米深井围岩控制冻结［26］。西部典型的冻结法凿井工程为华能庆阳煤电有限责任公司核桃峪煤矿已建成的副井井筒，基岩冻结深度达950 m；陕西高家堡煤矿西区进风井基岩冻结深度达990 m，是目前国内冻结深度最深的落底井筒。

进入21世纪后的煤炭建设黄金十年，随着煤矿建设向深部延伸，建设速度要求提高，对水害治理、围岩加固等技术提出了新的要求，以千米深井注浆堵水为核心，研究了基岩裂隙综合注浆技术、深井L形钻孔地面预注浆技术、井筒过采空区地面预注浆加固技术，并研制出配套的深井注浆装备［27］，包括煤矿顶驱定向钻孔专用钻机、DX系列斜井钻机、JD系列高精度小直径陀螺测斜定向仪、YSB-350型液力调速高压泵、BQ系列和ZBBJ系列煤矿地面注浆专用高压注浆泵、KWS系列卡瓦式止浆塞和水力坐封式钻孔止浆塞、智能浆液配置监控系统等［28-29］，以及各种特殊性能和用途的注浆材料，包括黏土水泥浆、钻井废弃泥浆、速凝早强水泥浆液、单液水泥基复合加固浆液、高掺量粉煤灰水泥浆液、水泥粉煤灰水玻璃双液速凝浆液、改性尿醛树脂和乙酸酯水玻璃化学浆液等［28-30］。据不完全统计，我国有超过200座煤矿立井井筒采用了地面预注浆技术进行堵水加固，最大地面预注浆深度达1 078 m，形成了千米深井注浆工艺及地层可注性评价体系。地面预注浆技术与工艺不但为普通凿井提供了技术保障，同时也为机械破岩凿井提供了有利条件，注浆后的地层更适合反井钻机钻井以及竖井掘进机等机械破岩钻井方法。

目前，钻爆法凿井以深孔控制爆破破岩技术为核心，完善了短段掘砌综合凿井工艺，研制了新型凿井井架、大直径提升绞车、大吨位悬吊稳车、大直径液压伞钻、大容量吊桶、迈步式整体模板和多层吊盘等凿井装备，并辅以冻结法、注浆法等井筒围岩改性方法，形成的冻结壁临时帷幕和岩层注入胶凝材料结构改性帷幕，隔绝了地下水和围岩破碎对凿井的影响，提高了井筒穿越地层的稳定性，满足了凿井期间井筒无涌水的“打干井”条件，实现了“冻结—注浆—凿井”三同时凿井技术与工艺［7］，三同时平行作业缩短了整个建井周期的20%～30%，为我国大直径、千米级深竖井快速钻爆法施工提供了技术支撑。

3 机械破岩钻井技术与工艺现状

随着竖井凿井深度不断增加，以钻爆破岩为主的普通凿井施工工序繁杂、工作面狭小、工作环境恶劣、安全风险大、通风阻力大等难点问题愈加突出，机械化、无人化、信息化、智能化建井技术与装备成为重要的发展趋势，也是建井技术与装备面临的重大机遇与挑战。目前竖井钻机钻井最大深度达到660 m，钻井成井直径8.3 m；反井钻机钻井最大深度为562 m，钻井最大直径6 m；导井式下排渣竖井掘进机钻井最大深度为282.5 m，直径5.8 m。尽管目前非爆破破岩凿井尚未达到千米级深度，但是随着非爆破破岩凿井技术、装备能力和工艺的不断发展和完善，必将推动我国矿山竖井工程的智能化建设。

3.1 竖井钻机钻井技术

1960年以来我国竖井钻机钻井数量统计结果如图7所示。我国竖井钻机钻井深度大于400 m的井筒参数统计结果如图8所示。

20世纪60年代开始进行竖井钻机钻井凿井技术资料收集、工艺研究、室内试验及钻井设备的选型与配套，并于1969年在淮北朔里南风井完成了第一口采用竖井钻机钻井的井筒，采用ZZS-1型钻机钻井直径为4.3 m、钻井深度仅为92.5 m；初步形成了以机械破岩、泥浆护壁、压气反循环排渣、地面井壁预制、井壁悬浮下沉和壁后充填固井等技术工艺为主的竖井钻机钻井工艺体系［31］。20世纪70年代作为竖井钻机钻井技术发展的初期，主要有“技术基础准备”和“钻井工艺现场实验应用”两个主要阶段，该时期应用研制的ZZS-Ⅰ型、MZ-Ⅰ型、MZ-Ⅱ型、红阳-Ⅰ型、ND-Ⅰ型、YZ-Ⅰ型、BZ-Ⅰ型、QZ-3.5型、SZ-9/700型等多种型号的竖井钻机，共钻成煤矿风井井筒19条，最大钻井深度为308.6 m，最大钻井直径为7.9 m，成井最大直径为6 m。20世纪80—90年代，为钻井法凿井的“技术装备发展成熟阶段”和“技术、装备突破阶段”两个重要阶段，在已有成型钻机的基础上又研制出了AS-9/500型、L-40/800型等钻机型号，并成为竖井钻机钻井的主要钻机类型，该阶段采用竖井钻机钻井50余条，最大钻井深度为508 m，最大钻井直径为9.0 m，最大成井直径为6 m。

进入21世纪后，通过“600 m深厚冲积层钻井法凿井技术”课题的研究和实践，形成了“一钻成井”和“一扩成井”快速钻井工艺［31-35］，研发了与钻井工艺相适应的超前钻头、扩孔钻头、破岩滚刀用以提高钻进能力；针对钻井泥浆的环境污染问题，研发了泥浆无害化处理和泥浆复用为注浆材料等新技术，实现了钻井泥浆零排放，大幅提高了竖井钻机钻井速度，减少了环境污染，解决了减少扩孔次数的钻头结构布置、滚刀耐磨和寿命低、深井钻井井壁结构优化、悬浮下沉井壁稳定控制、壁厚高效充填等技术难题，形成了深厚冲积层钻井工艺［36］，采用竖井钻机钻成了3条600 m以深的井筒，其中最大钻井深度达660 m，最大钻井直径为10.8 m，最大成井直径为7.3 m；研制了SZ-9/700G、AS-9/500G、L40/1000、AS-12/800、AD130/1000等型号竖井钻机，其中，动力头式的液压驱动旋转和推进的AD130/1000型竖井钻机钻井直径可达13 m、钻井深度可达1 000 m，这标志着我国竖井钻机钻井技术发展达到了一个新的高度。我国竖井钻机钻井部分典型工程如表1所示。

3.2 反井钻机钻井技术

20世纪80年代，针对煤矿井下煤仓、暗井、溜井采用木垛反井法和吊罐反井法存在危险性大、劳动强度高、工作效率低的问题，在“七五”国家科技攻关项目支持下，研发了LM-120型反井钻机，主要用于钻进1.2 m、1.4 m小直径且深度小于100 m井孔，形成了以反井钻机钻进导井，再采用钻爆法扩大井孔与进行井壁支护的井下大直径反井工程施工工艺，全面取代了木垛和吊罐反井法，实现了反井工程施工的安全无人员伤亡事故［37］。20世纪90年代至21世纪初，研制了LM-90、LM-200型硬岩反井钻机与 ZFYD1200、ZFYD1500、ZFYD2500低矮型反井钻机，其中ZFYD2500低矮型反井钻机为当时国内最大直径的反井钻机，钻井深度可达100 m，直径2.5 m。

2005年以来，针对坚硬岩石条件下反井钻机装备能力低导致钻进参数不合理、破岩滚刀寿命低、钻进效率和经济性差等问题，有针对性地研发了新型锯齿形钻杆丝扣联结、多油缸推进、多马达驱动等反井钻机钻进关键技术，研制了BMC300、BMC400、BMC500、BMC600型系列反井钻机，其中，最大拉力可达6 000 kN，最大额定扭矩为300 kN·m，最大扭矩为450 kN·m，能够满足岩石抗压强度达310 MPa的坚硬岩石地层中钻进需求，可钻进导孔最大直径350 mm、扩孔最大直径6.0 m、最大深度562 m的反井，反井钻机装备性能得到了大幅度提高。经过持续的科研攻关和装备研发，反井钻机钻井直径从最初的1.0～1.2 m，发展到坚硬岩石条件下钻井直径3.4～4.0 m，以及煤矿较软地层中一次扩孔钻进5.3～6.0 m；反井钻机的钻井角度方面，从最初反井钻机钻进90°的立井，发展到反井钻进50°～75°的斜井；反井钻机钻井偏斜率方面，从最初的1.6%～1.8%的偏斜率到低于0.3%的偏斜率［38］。我国反井钻机钻井典型工程如表2所示。

目前，在反井钻机钻井理论、技术、装备、工艺等方面取得了大量的成果，解决了地下软弱夹层、含瓦斯、坚硬岩石等复杂地层条件下反井钻机钻井中的关键技术难题，创造出了下导上扩式、上导下扩式、上导上扩式、直接上钻式4种主要的反井钻机钻井工艺［38］。反井钻机钻井在矿山溜矸孔、人工冻结地层中钻井、地面预注浆改性地层中钻井、竖井延伸、富水冲击地层钻井、瓦斯管道井、公路/铁路通风井、地下储油储气等地下工程的竖井工程中应用广泛，极大地推动了地下工程建设的技术进步。

3.3 竖井掘进机钻井技术

我国“十二五”期间由北京中煤矿山工程有限公司承担了国家“863”计划中的“矿山竖井掘进机研制”课题，从竖井掘进机凿井施工新工艺、高效滚刀破岩技术出发，攻克了矿山竖井掘进机在井筒内狭小空间的合理空间结构及设备布置、高效大体积机械破碎岩石、大直径钻头的空间结构及滚刀布置、多台刚性连接电机大扭矩旋转驱动的变频器同步控制、大流量高精度电液比例控制、掘进方向智能控制、关键部件及掘进状态监测与诊断、井筒内特殊条件下的远程控制等一系列关键技术与工艺难题，研制出国内首台（套）导孔式下排渣MSJ5.8/1.6D型竖井掘进机［39-40］，并于2020年成功应用在云南以礼河水电站出线竖井工程中，钻井深度为282.5 m，直径为5.8 m，日最高进尺为10.3 m，平均进尺达6.9 m。实践证明，竖井掘进机快速机械破岩、支护，具有机械化程度高、不需爆破作业、井下作业人员少、施工效率高、成井质量好、安全性高等优点，矿山竖井掘进机是大型现代化矿井建设机械化的发展方向。

4 我国竖井工程面临的挑战与发展趋势

随着我国浅部资源逐渐减少和枯竭，为满足人民日益增长的生活需求和支撑国民经济繁荣稳定，研究深部千万吨级矿井建设基础理论与关键技术、研制智能装备、研发新材料、探索新工艺成为必然趋势。然而，我国深竖井工程面临地质精准探测、岩爆防控、高温防治、提升装备系统、智能钻井技术等重大挑战。

4.1 深竖井地质精准探测

地质环境精准探测与地质预测预报技术是地下工程共同的研究热点与追求目标。深竖井井筒工程由于井筒深、直径大且长径比大的工程特点，以及穿越地层具有的差异性、复杂性、不确定性和未知性等地质特点，因而超深竖井面临的建设难度更大，对此技术的需求也更迫切，特别是新建矿区的首批井筒建设，不具备井下实施各种物探测试技术的有利条件［41-42］。因此，地质精准勘探、原位岩土力学特性测试技术、地层透明化重构技术是深竖井建设面临的重大挑战。应重点突破高精度高密度全数字三维地震勘探、复杂地质构造槽波地震探测、超前定向长钻孔探查等先进技术瓶颈，加强深部高地应力、高渗透压、高地温等多场多相探测技术与基础理论研究，实现竖井穿越地层的实时动态监测，提高凿井工作面前方地质条件解释的准确率。

4.2 深竖井岩爆防控

随着竖井建设深度不断增加，井筒穿越地层的原岩应力和构造应力也不断升高，凿井破岩扰动易导致能量在岩体中演化聚集、突然释放并发生岩爆灾害，严重威胁凿井人员和装备安全。如纱岭金矿深井凿井深度达到1 520 m时，最大主应力达到45.56 MPa，井筒围岩侧压力系数达到1.36，地应力超过了一般工程岩体的抗压强度。据各地统计资料，红透山铜矿在深度1 137 m、会泽铅锌矿在深度1 400 m处均发生过较强岩爆；冬瓜山铜矿在深度1 100 m、灵宝崟鑫金矿在深度1 600 m、夹皮沟金矿在深度1 500 m、玲珑金矿在深度1 150 m均发生了中等岩爆；三山岛金矿在深度1 050 m、岭南金矿在深度800 m均发生了轻微岩爆［7-8］。所以，岩爆防控技术已成为深竖井建设面临的重大挑战之一。深竖井岩爆防控需重点研究井筒荒断面形状与尺寸优化、扰动较小的非爆破破岩新技术、井筒凿井速度控制、非等厚井壁设计理论与施工技术、井筒围岩超前卸压技术等内容，改善井筒围岩与凿井工作面前方的应力聚集状态，同时研究围岩能量聚集、演化和动能释放过程理论［43-45］与监测技术，提高岩爆灾害预测预报的准确性。

4.3 深竖井高温防治

随着井筒凿井深度不断增加，地层原岩温度不断升高，凿井工作面的高温热害日益严重。据不完全统计，我国部分竖井凿井工作面温度分布如图9所示。

根据大数据统计结果，地层深度每增加100 m，地层温度一般将提高1.7～3.0℃左右，而实际工程中部分深部矿井温度梯度超过3℃/100 m；井下环境气温超标1℃，工人作业劳动生产率会下降7%～10%［46］。目前，智能化建井技术路径主要以智能元器件的感知、数据传输、视频监控等监测手段为基础，然而以分布式光纤、智能转速监测仪、设备振动监测仪、井下视频监控系统、防爆交换机等为代表的监测设备，其正常工作耐高温度一般为40～50℃；另一方面，深井建设过程中无论是液压、气压或者电控的凿井设备，其密封系统适用工作温度一般不超过60℃，高温环境将导致监测元器件和凿井设备失效或性能降低；此外，普通法凿井钻眼爆破采用的炸药在高温及热水浸泡环境下易产生膨胀、融化现象，导致炸药失效和产生有毒物质。因此，必须采取有效的降温措施改善作业环境，井下工作面环境保持合理的温度和湿度，才能保证安全竖井凿井。此外，随着深度增加，承压水位增高，水头压力增大，例如莱州纱岭金矿竖井施工至-1 425 m处，水压达到11 MPa，水温为49℃。在高地应力和高水压长期作用下深部井筒围岩变形破坏严重，围岩有效隔水层厚度降低，一旦高岩温环境下发生涌水或突水，将导致竖井凿井面临更加严峻的挑战。

目前，深井降温技术以机械制冷降温和非机械制冷降温的被动降温技术为主［8］。为了提高深井降温效率，应重点研究能够阻断工作面与周围岩体热交换通道的新技术、新材料和新工艺，研究深井围岩改性、相变储能支护结构、隔热支护材料和人工制冷协同井下降温技术；同步研发耐高温监测元器件和凿井设备构件，提高井下掘进设备、智能监测设备和围岩衬砌结构的耐久性、可靠性和安全性。

4.4 深竖井提升装备系统

无论是爆破破岩凿井还是机械破岩凿井，岩渣的提升与排放是竖井凿井过程中的重要工艺之一。目前，以爆破破岩为主的凿井工艺，已研制了单次提升有效载荷50 t、提升高度2 000 m、提升速度18 m/s的新型结构的8绳摩擦式提升系统，同步研发了新式摩擦轮、高比压高摩擦系数衬垫、高效闸控技术与装备、摩擦提升机导向轮等配套装备，满足了2 000 m以浅深井提升需求。但是，面对国家“十四五”期间深井建设深度有望突破2 000 m的战略规划，深井悬吊提升技术依然存在钢丝绳自重占悬吊荷载比例大的问题，提升稳绳需要更大的张紧力以保证提升容器运行平稳，提升机需要更大的静张力和静张力差［47］。因此，钻爆法凿井提绞和悬吊装备的安全高效运行是深井建设面临的重大挑战之一，应重点研制轻质高强提升钢丝绳、稳绳和提升容器及其配套构件，研发吊盘、管路等设备的井内无绳吊挂技术，简化凿井井架悬吊布置。

目前，机械破岩钻井技术和工艺中竖井钻机钻井采用压气泥浆反循环排渣工艺，该工艺主要适用于深厚冲积地层或富水弱胶结砂岩地层；而反井钻机钻井和导孔式竖井掘进机钻井采用下排渣工艺，岩渣依靠自重下落到下部巷道内，再由装载设备装入皮带或矿车进行排渣，要求竖井下部存在排渣空间的必要条件。因此，机械破岩深竖井钻井技术装备的研制与发展面临上排渣技术与工艺创新的挑战，应重点研究液—固、气—固、气—液—固连续提升技术工艺与装备，解决深部矿井提运技术难题，同时为超深部原位流态化开采的颠覆性技术研究与应用提供技术支撑［39］。

4.5 深竖井智能钻井技术

目前随着竖井建设逼近2 000 m深度，普通钻爆凿井技术在工程稳定性、适用性和先进性方面处于质变拐点，极大地促进了非爆破破岩钻井技术向自动化、数字化、清洁化和智能化方向不断发展。2019年11月，阳煤集团新元煤炭有限公司成功部署了中国首批井下煤矿5G基站并进行了组网应用，实现了矿井主巷道、运输巷道的5G信号覆盖。同时，2020年初国家发改委、能源局、工信部等八部委已联合出台《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，矿山智能化建设已经成为保障国家能源安全稳定，解决行业安全水平不高、生态影响大、开采效能低等问题的根本途径［48］。因此，通过人工智能、大数据、云计算、物联网和5G技术等高新技术与矿井建设技术的深度融合，实现矿井智能建设及其智能运营已成为矿井全生命周期安全服役的必由之路。

深部矿井智能建设及其智能运营的全生命周期安全服役是一项涉及多技术领域和多组织生产部门的复杂而庞大的工程，主要技术要素涵盖深部地层极端条件下高效破岩与排渣装备系统的智能控制与运行状态智能调控，复杂环境下竖井掘进机装备智能制造与智能调控技术，深井智能掘进环境监测与精准钻进风险防控，深竖井井壁结构与围岩多场耦合作用智能监控，井下多尺度多源数据融合共网传输、集成与智慧终端展示平台等［3］。智能建井与井筒智能运营系统有助于提升我国矿井安全管控水平，提高矿山生产经营能力，推进我国矿山智能化发展进程。

5 结语

（1）我国矿山凿井技术以快速高效、安全可靠为目标，通过学习借鉴和自主研发，在地下工程岩土物理力学理论研究、井帮围岩稳定性控制、井壁结构优化、凿井装备研发与制造、凿井关键技术与工艺等方面取得了重大突破，满足了1 500 m级深竖井安全建设的需求，实现了单深立井年提升1 500万t资源的能力。

（2）我国研发了系列竖井钻机、反井钻机和竖井掘进机装备及其各自适应的钻井技术与工艺，实现了由人工钻凿、钻孔爆破到机械化破岩钻进的转变，初步实现了无人化或少人化、机械化和信息化矿山竖井钻井，为我国智能化矿井建设奠定了基础。

（3）我国矿山2 000 m以深竖井建设应重点攻克以竖井地质精准探测、岩爆防控、高温防治、深井提升装备以及智能钻井为主的重大难题，以人工智能、大数据、云计算、物联网等高新技术为牵引，推动千米级上排渣竖井非爆破破岩、精准钻进、高效排渣和井壁支护等关键技术工艺的智能监控技术与装备系统的发展，尽快推进实现“5G+智能钻井”、“5G+智能提升”、“5G+智能巡检”的矿井智能化全生命周期安全服役的突破发展。