范京道教授级高工：可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井关键技术与装备

创新点
（1）基于我国西部可可盖煤矿典型富水弱胶结地层条件、煤层赋存状况、年生产能力和地面交通情况等因素的综合分析，提出了经济合理的斜井与竖井联合布置的矿井开拓方案，综合研判了采用斜井TBM掘进和竖井钻机钻井具有可行性，并构建了可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井模式。 （2）围绕富水软弱地层长距离、深埋深的主副斜井全断面TBM关键技术与工艺难题，研发了适用可可盖煤矿斜井掘进的专用敞开式TBM及其配套装备；针对地表松散地层的不利条件，采用大开挖方式顺利实现了TBM掘进装备的始发。 （3）针对可可盖煤矿岩石强度低、扰动敏感的特性，攻克了斜井敞开式 TBM高效破岩与围岩控制、连续排渣、装备推进与支撑协同控制技术，以智能化装备为基础，辅助监控系统为保障，制定完善的工艺措施，实现了TBM姿态大幅度调整，40m2全断面一次掘进，“探－破－支－运”一体化连续掘进，月平均进尺近500m，预计建井工期将比原计划缩短2年以上。 （4）提出了西部富水弱胶结全岩地层竖井“一钻完井”工艺，研发了大直径全断面钻头结构、稳定钻杆、大型门式起重机以及竖井钻机高效集中控制系统，攻克了竖井钻机配套大型门式起重机安装、起下钻智能控制、弱胶结岩石地层竖井钻机高效钻进与低固相泥浆排渣协同控制等关键技术，制定了预制井壁质量管控、井壁悬浮下沉与壁后充填固井等智能监控方案。

（5）实现了竖井钻机在西部弱胶结岩石地层大直径井筒高效钻进，可盖煤矿回风竖井ϕ4.2m的超前钻孔钻进深度416m，最高日进尺11.5m；进风竖井ϕ8.5m钻进深度221m，最高日进尺10.8m；取得了我国钻井法凿井“走出中东部，走向西部”的重大突破。

可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井关键技术与装备

作者：范京道1，封　华1，宋朝阳2，任怀伟3，马　英3，汪青仓4，谭　杰2，刘全辉4，李　川1

单位：1.陕西延长石油矿业有限责任公司；2.北京中煤矿山工程有限公司；3.中煤科工开采研究院有限公司；4.陕西延长石油榆林可可盖煤业有限公司

研究背景

资源和能源是人类生存与发展的2个重要基础支柱，也是人类文明进步的动力。根据统计结果，截止到2020年全球煤炭占世界能源结构比从最高的48%下降到27%；我国的煤炭消费量占能源消费总量的比例已经由2005年的72.4%下降到56.8%，我国煤炭产量和消费量分别为39亿t和39.6亿t，全球占比分别为50.4%和54.3%。尽管能源结构对洁净、绿色和低碳能源的需求不断调整，煤炭仍将是我国能源的“压舱石”和“稳定器”，而在国家“双碳”目标的要求下，必然推动煤矿智能化建设基础设施、顶层设计、技术路径等方面的理论研究与实践，同时也是能源结构调整和技术进步倒逼煤矿开发模式的变革，从而促进煤炭资源向高质量的智能、安全、高效、绿色等方向发展，智能化、绿色化已成为新时期煤炭行业高质量发展的必由之路。 目前，我国90%以上的煤炭产量来自于地下开采，煤矿井筒作为进入地下开采的咽喉，保障人员、设备、物料、资源等运输或提升的安全通道，是地下煤炭资源开采的首要工程。目前，煤炭资源开发战略目标早已向西部矿区转移。西部矿井建设初期曾试图采用普通法施工，但由于地层富水、松散等地质因素导致出水、溃沙、坍塌等灾害而难以进行，后采用冻结特殊凿井的方法进行施工。然而钻孔爆破破岩凿井存在下井人员多、作业环境差、职业伤害严重、安全事故时有发生、施工难度大和风险高，与煤炭行业智能化发展的总体趋势不匹配、不协调。以井筒为例，工程量只占井巷工程总量的5%~7%，但受制于建井技术的不足，工期占到了井巷施工总工期的40%~50%。因此，少人、安全、绿色、智能化矿井建设是现阶段煤炭智能化发展的必然趋势和重要方向。 陕西延长石油可可盖煤矿位于毛乌素沙漠南缘的陕西省榆林市，煤层赋存地层为西部典型的富水弱胶结岩石地层。可可盖煤矿作为陕西延长石油矿业公司，在“十四五”期间煤炭产能达到5000万t/a，并形成千万吨智能化煤矿集群的核心支撑，为推动智能化矿井建设高质量发展，缩短建井周期，保障煤炭能源供给，采用斜井－竖井联合开拓方式。

摘 要

我国西部煤矿资源开发是保障煤炭资源供给的战略性任务，少人、安全、绿色、机械化、智能化矿井建设是现阶段煤炭智能化发展的必然趋势和重要方向。首先梳理了我国煤矿斜井和竖井全断面机械破岩掘进技术和装备现状，分析了适用煤矿井筒掘进的不同类型装备机械破岩掘进工作面临的共性难题。 针对可可盖煤矿典型的西部富水弱胶结地层条件，确定了可可盖煤矿斜井和竖井联合开拓方案，并从地层条件、装备性能、围岩控制和经济合理性等方面，研判了采用斜井TBM掘进和竖井钻机钻井的可行性，提出了智能化建井建智能矿井的理念，构建了可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井模式。 针对可可盖煤矿地层岩石强度低、扰动敏感的特性，突破了斜井敞开式TBM掘进高效破岩与围岩控制、连续排渣、装备推进与支撑协同控制等技术，实现了TBM姿态大幅度调整，一次掘进断面面积40m2，形成了“探-破-支-运”一体化连续掘进技术体系，单月最高掘进进尺523.8m。 首次在西部富水弱胶结地层中采用竖井钻机钻井，提出了全岩地层竖井“一钻完井”工艺，形成了适用我国西部煤系地层钻井法凿井的大型竖井钻机及其配套装备体系，包括大直径全断面钻头结构、稳定钻杆、大型门式起重机以及竖井钻机高效集中控制系统，攻克了竖井钻机配套大型门式起重机安装、起下钻智能控制、竖井钻机高效钻进等关键技术与智能监控难题，实现了西部富水弱胶结岩石地层8.5m大直径井筒高效钻进，单日最高钻进进尺10.8m。

部分图片

可可盖煤矿斜井与竖井井筒布置示意

敞开式TBM掘进示意

可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井模式

斜井全断面智能掘进装备

斜井明槽开挖段与TBM掘进始发现场示意

斜井敞开式TBM掘进装备运行状态监测布置

TBM自动喷混设备与施工现场

TBM掘进装备运行状态监控系统

TBM精准掘进与姿态智能调控系统

TBM掘进智能管控综合系统

ZDZD-100型竖井钻机与门式起重机

MJS高压旋喷桩平面布置示意

竖井钻机钻头结构示意

井壁悬浮下沉工艺流程

作者简介

范京道，男，1965年7月生，陕西延长石油(集团)有限责任公司副总经理，正高级工程师，博士生导师，应急管理部煤矿智能化开采技术创新中心主任，煤矿智能化创新联盟副理事长，国家首批煤矿智能化专家，主要从事煤矿智能化技术与工程管理。范京道首创地面远程智能采煤方法，建成了我国第一个井下无人操作的智能化开采工作面，实现了智能化开采从0到1的突破；创建智能化煤矿“延长方案”，变革煤矿生产方式和组织形态，引领煤矿智能化建设发展方向；创新了智能化建井新技术，构建了智能化建井技术装备与工程管理体系，填补了煤矿及固体矿山领域智能化建井的空白。作为“煤与油型气共生矿区安全智能开采关键技术与工程示范项目”第一完成人，荣获2020年度国家科学技术进步奖二等奖。荣获其他省部级科技进步奖13项，其中特等奖1项，一等奖4项，并获孙越崎能源大奖、三秦学者等荣誉；在国内外重要刊物发表论文43篇，出版煤矿智能化安全技术管理专著4部，主持制定煤矿智能化系列标准7项，授权专利7项。出版了第一部煤矿智能化专著《煤矿智能化综采技术》。

范京道，封华，宋朝阳，等. 可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井关键技术与装备［J］.煤炭学报,2022,47(1):499-514.

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