刘志强^1,2 , 宋朝阳^1,2 , 程守业^1,2 , 王强^1,2 ,

周明^1,2 , 王恒¹

1. 北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013

2. 矿山深井建设技术国家工程研究中心，北京 100013

目前以钻爆法为主的短段掘砌综合凿井技术逐步成熟，煤矿立井建设深度已突破1000m，逼近1500m。然而钻爆法凿井依然存在下井作业人员多、作业环境恶劣、作业风险高和设备智能化程度低等现实难题，井筒非爆破破岩智能化建设技术已成为煤矿井筒建设技术发展的重要方向。为探索西部富水软弱地层井筒机械破岩高效智能化建设技术新思路， 从井筒建设工艺、地质保障技术、智能钻井装备、协同作业技术4个方面，开展了煤矿冻结井筒机械破岩智能化建设工艺及关键技术分析。基于多工序平行作业快速建井的理念，以地层冻结技术解决地层涌水和软弱地层易失稳的难题，以反井钻机和竖井掘进机为机械破岩钻进的核心装备，提出了冻结井筒机械破岩智能化建设新工艺：提出“冻结+反井钻机钻井+永久支护”的建井工艺，分析了冻结地层反井钻机钻井装备可行性，剖析了冻结地层反井钻机钻井冻结壁控制、扩孔钻进、快速支护等方面的9项关键技术；提出“冻结+竖井掘进机钻井+钻-支平行作业”的建井工艺，分析了冻结地层竖井掘进机钻井装备可行性，剖析了冻结地层竖井掘进机钻井井帮稳定控制、破岩智能钻进和钻支协同作业等方面的9项关键技术，以期推动井筒安全、快速、绿色、智能化建设技术的发展。

目前，我国近90%的煤炭通过井工煤矿开采生产，如何安全高效建设连接地面到深部并服务煤炭开采的井筒工程，是煤炭开发的首要工程也是矿井建设的主要任务。随着机械破岩井筒建设技术装备的创新发展，基本实现了井筒掘进工作面的少人无人、自动化和机械化作业。但是井筒机械破岩建设深度在一定条件下仅为600m级，难以满足现阶段煤炭中深部开采新建井筒及千米深井采区接续通风井筒建设的需求。同时，随着煤矿智能化的发展，煤矿建井、掘进、采煤、运输、通风、洗选等生产全过程需要满足智能化发展的要求，各个环节缺一不可。井筒智能化建设作为煤矿智能化建设的首要和关键环节，面临着复杂的地质环境和工程条件，其能否实现安全、高效、绿色、智能化作业直接决定了整体工程的智能化水平。因此，从井筒建设工艺、技术、装备和材料等方面，探索井筒智能化建设发展路径，推动井筒建设技术变革和装备智能化更新，已成为煤炭行业高质量发展的本质需求和必然趋势。

1 冻结井筒智能化建设工艺的提出

2 冻结井筒机械破岩建设工艺

2.1 冻结地层反井钻机钻井工艺

2.2 冻结地层竖井掘进机钻井工艺

3 冻结地层反井钻机钻井关键技术

3.1 冻结地层反井钻机钻井装备可行性

3.2 冻结地层反井钻机钻井关键技术分析

3.2.1 冻结地层反井钻机钻井关键技术体系

3.2.2 富水软弱地层冻结壁稳定控制技术

3.2.3 冻结地层高效破岩扩孔钻进技术

3.2.4 冻结井筒安全快速支护关键技术

4 冻结地层竖井掘进机钻井技术

4.1 冻结地层竖井掘进机钻井装备可行性

4.2 冻结地层竖井掘进机钻井关键技术

4.2.1 冻结地层竖井掘进机钻井关键技术体系

4.2.2 冻结地层井帮稳定控制关键技术

4.2.3 冻结井筒竖井掘进机智能掘进关键技术

4.2.4 竖井掘进机施工钻-支协同关键技术

1）智能化建井是煤矿智能化建设的首要和关键环节。针对西部富水软弱地层井筒建设难题，利用拟建井筒下部具有生产系统的工程条件，基于地层改性、高效钻进、协同支护的多工序平行作业快速建井的理念，提出了冻结立井井筒机械破岩智能化建设的新工艺。

2）提出了冻结井筒机械破岩智能化建设新工艺。新工艺的主要思路是以地层冻结解决富水软弱地层涌水和围岩易失稳的难题，为机械破岩建井提供地质保障；以反井钻机、下排渣全断面竖井掘进机为核心，为井筒高效破岩钻进和工作面无人化提供装备支撑；融合钻机装备、钻进参数、围岩支护和施工环境等方面的状态感知和风险判识技术，为井筒智能化建设提供安全保障。

3）分析了冻结地层机械破岩智能化建设关键技术。基于冻结地层反井钻机和全断面竖井掘进机的钻井工艺特点，分别分析了反井钻机和竖井掘进机装备现状及其在冻结地层中大直径井筒钻进的可行性；围绕 “冻结壁控制、扩孔钻进、快速支护” 三个方面，剖析了冻结地层反井钻机钻井需要重点攻克的9项关键技术；围绕“井帮控制、智能钻进、钻支协同” 三个方面，剖析了冻结地层竖井掘进机钻井需要重点攻克的9项关键技术，以期推动冻结立井井筒安全、快速、绿色、智能化建设技术的发展。

刘志强，宋朝阳，程守业，等.煤矿冻结立井井筒机械破岩智能化建设工艺及关键技术分析 [J]. 煤炭工程，2024,56(10):31-39.

LIU Zhiqiang,SONG Zhaoyang,CHENG Shouye, et al.Analysis on intelligent construction process and key technologies of mechanicalrock breaking for freezing vertical shaft in coal mines [J]. Coal Engineering,2024,56(10):31-39.