習(xí)近平總書記指出：“向地球深部進軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題”。向地下要空間、向深部要資源已成為國家戰(zhàn)略?！瓣P(guān)鍵核心技術(shù)是要不來、買不來、討不來的。只有把關(guān)鍵核心技術(shù)掌握在自己手中才能從根本上保障國家經(jīng)濟安全、國防安全和其他安全?！?/span>

豎井是進入深部地下空間的咽喉傳統(tǒng)鉆爆法施工技術(shù)落后，難以滿足安全、高效、綠色建井需求。研發(fā)硬巖豎井全斷面掘進機施工技術(shù)，實現(xiàn)打井不下井，是建井人的夢想。豎井全斷面掘進機涉及機械、電氣、巖土、材料等多學(xué)科領(lǐng)域，技術(shù)集成度高、難度大。目前，國內(nèi)外硬巖豎井上排渣全斷面掘進技術(shù)尚處于起步階段。

由于巖層探識、巖石破碎、巖渣集運和巖體支護等關(guān)鍵技術(shù)難題尚未得到有效解決，阻礙了豎井全斷面掘進機的研發(fā)和應(yīng)用。因此，千米級豎井全斷面掘進技術(shù)被列入《2019年中國科協(xié)發(fā)布的20個重大科學(xué)問題和工程技術(shù)難題》。2021年《千米豎井硬巖全斷面掘進機關(guān)鍵技術(shù)與裝備》被列入十四五重點研發(fā)計劃。

針對上述關(guān)鍵問題，項目團隊在國家重點研發(fā)計劃項目支持下，制定了總體研究思路：通過開發(fā)近遠區(qū)巖性探測識別新方法，保障地質(zhì)信息探得清；創(chuàng)新錐形刀盤滾刀破巖新理論，實現(xiàn)大體積硬巖破得快；研制干濕雙模垂直上排渣新技術(shù)，確保巖渣排得暢；發(fā)明掘進支護協(xié)同施工新工藝，實現(xiàn)不同等級圍巖支得穩(wěn)

創(chuàng)新一：開發(fā)了基于隨掘平臺的近遠區(qū)巖性探測識別新方法，研發(fā)了刀盤破巖震動波監(jiān)測和巖石強度智能識別系統(tǒng)，保障了地質(zhì)信息探得清。一是提出了基于反射波差異特征的地質(zhì)體判識方法針對傳統(tǒng)地層探測方法耗時長、工序轉(zhuǎn)化繁雜，導(dǎo)致全斷面掘進連續(xù)性差的難題，研制了刀盤破巖振動波監(jiān)測系統(tǒng)，利用《集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解希爾伯特黃變換》方法解析典型地質(zhì)體反射波時頻特征實現(xiàn)了刀盤前50m范圍內(nèi)的巖層識別，從而助力掘進機連續(xù)安全作業(yè)。二是開發(fā)了基于掘進參數(shù)的近區(qū)巖石強度智能識別系統(tǒng)針對掘進過程中巖石力學(xué)參數(shù)反饋不及時，導(dǎo)致掘進機工作參數(shù)調(diào)整遲滯難題，建立了掘進機工作參數(shù)與巖石強度機器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了基于《貝葉斯優(yōu)化輕量梯度提升機》算法的巖石強度預(yù)測模型識別準確率達90%，為掘進機工作參數(shù)實時調(diào)整，保障高效破巖提供依據(jù)。

創(chuàng)新二：揭示了錐面型刀盤滾刀破巖機理，發(fā)明了豎井掘進雙錐面型刀盤，實現(xiàn)了大體積硬巖破得快。一是揭示了大體積硬巖機械破碎機理針對現(xiàn)有刀巖模型均未考慮刀盤錐角的影響，且滾刀作用力理論值與實際差異大的問題，建立了接觸壓力隨滾刀貫入深度變化的刀巖作用模型，確定了滾刀形狀函數(shù)與刀盤錐角的關(guān)系，為研發(fā)新型刀具和刀盤提供理論支撐。二是發(fā)明了雙錐面型刀盤針對傳統(tǒng)刀盤存在巖渣無法聚集、二次破碎嚴重問題，創(chuàng)新設(shè)計了雙錐面型刀盤，獲得了雙錐面型刀盤滾刀破巖和聚渣規(guī)律，據(jù)此研制了破巖與聚渣協(xié)同的新型型刀盤（直徑9.53m），破巖效率達每小時36.5m3

創(chuàng)新三：首創(chuàng)了豎井掘進機干濕雙模垂直排渣技術(shù)，研發(fā)了多級垂直上排渣系統(tǒng)，確保了巖渣排得暢。一是建立了多尺度巖渣多相流動模型與濕式排渣系統(tǒng)針對多尺度巖渣多相流動特性不清晰，攜渣效率低的問題，構(gòu)建了巖渣與不同濃度料漿的多相流動模型，揭示了多尺度巖渣多相流場分布規(guī)律，研制了基于泥水環(huán)流的濕式排渣系統(tǒng)，實現(xiàn)了排渣效率≥40m/h。二是構(gòu)建了斗輪機箕斗的多級干式排渣系統(tǒng)針對干式上排渣技術(shù)不成熟，巖渣長距離提升效率低的問題，構(gòu)建了巖渣多級輸送系統(tǒng)協(xié)調(diào)作業(yè)模型，優(yōu)化設(shè)計了斗輪機、皮帶輪、箕斗等組成的干渣多級輸送系統(tǒng)，實現(xiàn)了巖渣的長距離垂直連續(xù)輸送，排渣能力≥46m/h

創(chuàng)新四：提出了不同等級圍巖差異化支護方案，構(gòu)建了豎井全斷面掘進與支護協(xié)同施工工藝，實現(xiàn)了不同等級圍巖支得穩(wěn)。一是提出了不同等級圍巖差異化支護方案針對圍巖井壁變形規(guī)律與破壞機制不明確的問題建立了圍巖井壁協(xié)調(diào)變形力學(xué)模型；揭示了圍巖應(yīng)力場、變形場演化特征；有效控制了不同等級圍巖的變形，保證了井筒安全服役。二是研發(fā)了豎井全斷面掘進協(xié)同支護技術(shù)針對支護裝備與豎井全斷面掘進機不適配，掘進支護協(xié)同難的問題，發(fā)明了全自動液壓模板，實現(xiàn)了四五級圍巖的安全高效支護研發(fā)了適用于一二三級圍巖的錨噴快速支護施工技術(shù)，形成了豎井全斷面掘進協(xié)同支護工藝技術(shù)體系，實現(xiàn)了施工的掘進與支護平行作業(yè)。

與同類技術(shù)相比，項目針對巖層探識和巖體支護難題，研發(fā)的全斷面掘進隨掘探識技術(shù)和協(xié)同支護技術(shù)，填補了豎井工程領(lǐng)域技術(shù)空白；針對巖石破碎和巖渣集運難題，發(fā)明的破巖與聚渣協(xié)同的新型型刀盤和干濕雙模式出渣系統(tǒng)，屬于國內(nèi)外首創(chuàng)。以邵安林院士為組長的成果評價委員會認為項目成果整體達到國際領(lǐng)先水平。研究成果獲授權(quán)發(fā)明專利21件，實用新型件，發(fā)表論文26篇。制定了立井掘進機施工技術(shù)行業(yè)標準?！肚棕Q井硬巖全斷面掘進機》獲日內(nèi)瓦國際發(fā)明專利金獎。

全球首臺套干濕雙模豎井全斷面掘進機蜀暢號，完成了深292.5m的火山隧道通風(fēng)豎井施工，最快掘進速度達4.1m/單班（8h）。全球首臺千米級硬巖豎井全斷面掘進機鋼鐵脊梁號，正在鞍鋼集團西鞍山鐵礦深1003m的措施井中調(diào)試應(yīng)用。三年，直接經(jīng)濟效益達2.2億元。培養(yǎng)了博碩士研究生27人。成果被中央電視臺四川衛(wèi)視等多家媒體報道。項目研究是貫徹落實習(xí)近平總書記給北京科技大學(xué)重要回信精神的生動實踐，項目組將與行業(yè)企業(yè)一道，共同促進鋼鐵產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展、綠色低碳發(fā)展，為鑄就科技強國、制造強國的鋼鐵脊梁做出新的更大的貢獻。

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