2025冶金科学技术奖简介 | 硬岩竖井全断面掘进关键技术与应用

习近平总书记指出：“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。向地下要空间、向深部要资源已成为国家战略。“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。只有把关键核心技术掌握在自己手中才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。”

竖井是进入深部地下空间的咽喉传统钻爆法施工技术落后，难以满足安全、高效、绿色建井需求。研发硬岩竖井全断面掘进机施工技术，实现打井不下井，是建井人的梦想。竖井全断面掘进机涉及机械、电气、岩土、材料等多学科领域，技术集成度高、难度大。目前，国内外硬岩竖井上排渣全断面掘进技术尚处于起步阶段。

由于岩层探识、岩石破碎、岩渣集运和岩体支护等关键技术难题尚未得到有效解决，阻碍了竖井全断面掘进机的研发和应用。因此，千米级竖井全断面掘进技术被列入《2019年中国科协发布的20个重大科学问题和工程技术难题》。2021年《千米竖井硬岩全断面掘进机关键技术与装备》被列入十四五重点研发计划。

针对上述关键问题，项目团队在国家重点研发计划项目支持下，制定了总体研究思路：通过开发近远区岩性探测识别新方法，保障地质信息探得清；创新锥形刀盘滚刀破岩新理论，实现大体积硬岩破得快；研制干湿双模垂直上排渣新技术，确保岩渣排得畅；发明掘进支护协同施工新工艺，实现不同等级围岩支得稳

创新一：开发了基于随掘平台的近远区岩性探测识别新方法，研发了刀盘破岩震动波监测和岩石强度智能识别系统，保障了地质信息探得清。一是提出了基于反射波差异特征的地质体判识方法针对传统地层探测方法耗时长、工序转化繁杂，导致全断面掘进连续性差的难题，研制了刀盘破岩振动波监测系统，利用《集合经验模态分解希尔伯特黄变换》方法解析典型地质体反射波时频特征实现了刀盘前50m范围内的岩层识别，从而助力掘进机连续安全作业。二是开发了基于掘进参数的近区岩石强度智能识别系统针对掘进过程中岩石力学参数反馈不及时，导致掘进机工作参数调整迟滞难题，建立了掘进机工作参数与岩石强度机器学习数据库，构建了基于《贝叶斯优化轻量梯度提升机》算法的岩石强度预测模型识别准确率达90%，为掘进机工作参数实时调整，保障高效破岩提供依据。

创新二：揭示了锥面型刀盘滚刀破岩机理，发明了竖井掘进双锥面型刀盘，实现了大体积硬岩破得快。一是揭示了大体积硬岩机械破碎机理针对现有刀岩模型均未考虑刀盘锥角的影响，且滚刀作用力理论值与实际差异大的问题，建立了接触压力随滚刀贯入深度变化的刀岩作用模型，确定了滚刀形状函数与刀盘锥角的关系，为研发新型刀具和刀盘提供理论支撑。二是发明了双锥面型刀盘针对传统刀盘存在岩渣无法聚集、二次破碎严重问题，创新设计了双锥面型刀盘，获得了双锥面型刀盘滚刀破岩和聚渣规律，据此研制了破岩与聚渣协同的新型型刀盘（直径9.53m），破岩效率达每小时36.5m³

创新三：首创了竖井掘进机干湿双模垂直排渣技术，研发了多级垂直上排渣系统，确保了岩渣排得畅。一是建立了多尺度岩渣多相流动模型与湿式排渣系统针对多尺度岩渣多相流动特性不清晰，携渣效率低的问题，构建了岩渣与不同浓度料浆的多相流动模型，揭示了多尺度岩渣多相流场分布规律，研制了基于泥水环流的湿式排渣系统，实现了排渣效率≥40m/h。二是构建了斗轮机箕斗的多级干式排渣系统针对干式上排渣技术不成熟，岩渣长距离提升效率低的问题，构建了岩渣多级输送系统协调作业模型，优化设计了斗轮机、皮带轮、箕斗等组成的干渣多级输送系统，实现了岩渣的长距离垂直连续输送，排渣能力≥46m/h

创新四：提出了不同等级围岩差异化支护方案，构建了竖井全断面掘进与支护协同施工工艺，实现了不同等级围岩支得稳。一是提出了不同等级围岩差异化支护方案针对围岩井壁变形规律与破坏机制不明确的问题建立了围岩井壁协调变形力学模型；揭示了围岩应力场、变形场演化特征；有效控制了不同等级围岩的变形，保证了井筒安全服役。二是研发了竖井全断面掘进协同支护技术针对支护装备与竖井全断面掘进机不适配，掘进支护协同难的问题，发明了全自动液压模板，实现了四五级围岩的安全高效支护研发了适用于一二三级围岩的锚喷快速支护施工技术，形成了竖井全断面掘进协同支护工艺技术体系，实现了施工的掘进与支护平行作业。

与同类技术相比，项目针对岩层探识和岩体支护难题，研发的全断面掘进随掘探识技术和协同支护技术，填补了竖井工程领域技术空白；针对岩石破碎和岩渣集运难题，发明的破岩与聚渣协同的新型型刀盘和干湿双模式出渣系统，属于国内外首创。以邵安林院士为组长的成果评价委员会认为项目成果整体达到国际领先水平。研究成果获授权发明专利21件，实用新型件，发表论文26篇。制定了立井掘进机施工技术行业标准。《千米竖井硬岩全断面掘进机》获日内瓦国际发明专利金奖。

全球首台套干湿双模竖井全断面掘进机蜀畅号，完成了深292.5m的火山隧道通风竖井施工，最快掘进速度达4.1m/单班（8h）。全球首台千米级硬岩竖井全断面掘进机钢铁脊梁号，正在鞍钢集团西鞍山铁矿深1003m的措施井中调试应用。三年，直接经济效益达2.2亿元。培养了博硕士研究生27人。成果被中央电视台四川卫视等多家媒体报道。项目研究是贯彻落实习近平总书记给北京科技大学重要回信精神的生动实践，项目组将与行业企业一道，共同促进钢铁产业创新发展、绿色低碳发展，为铸就科技强国、制造强国的钢铁脊梁做出新的更大的贡献。

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