延长矿业可可盖煤矿：打井不下井，全机械化智能建井
长度5300米，目前国内外采用敞开式TBM（全断面硬岩隧道掘进机）施工的最大埋深、最长距离煤矿斜井；我国西北地区首次成功应用钻井法施工大埋深煤矿立井，500米大埋深立井“一钻完井”，所有工序全部实现地面操作，全程自动化机械破岩；煤矿建设工期缩短2年，投资成本节约10亿元……
2021年10月，在第十六届榆林国际煤炭暨高端能源化工产业博览会上，陕西延长石油榆林可可盖煤业有限公司（以下简称“可可盖煤矿”）的展台前人头攒动，以斜井敞开式全断面TBM掘进和立井钻机“一钻完井”为代表的可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井模式展览，引来了众多业界专家、学者驻足观看。
可可盖煤矿立井建设现场全景
可可盖煤矿是陕西延长石油（集团）有限责任公司在“十四五”期间的重点项目，是陕西延长石油矿业有限责任公司煤炭整体产能达到5000万吨/年、形成亿吨级智能化煤矿集群的关键布局。该矿井坐落于陕西省榆林市榆阳区小纪汗镇，地处毛乌素沙漠边缘，井田面积177平方公里，可采储量12亿吨，设计产能1000万吨/年，服务年限88.5年，建设有主、副斜井，中央进、回风立井以及北一回风立井，全矿井采用分区式通风。
自2018年以来，近20次调研考察，先后奔赴九省，行程超越10万公里，600余人次专家论证，37万字书面材料……
岁月，记载着可可盖煤矿人奋斗、拼搏的足迹。承担着树立“安全、智能、绿色、高效”建井标杆、加速延长煤炭战略落地使命重担的可可盖煤矿人，一路走来，攻坚克难，创新进取，经过无数个日夜的刻苦钻研、精益实干，成功探索出了斜井敞开式全断面TBM掘进和立井钻机“一钻完井”的建井模式和关键技术装备，开创了我国西部煤矿复杂地层智能化建井模式的先河。
可可盖煤矿中央进风立井钻井启动仪式
敢为人先 突破传统技术桎梏
“在方案设计之初，少人、安全、绿色、自动化、机械化、智能化建井一直是可可盖煤矿人追寻的目标，它指引着我们克服了一个个难题，突破了一次次桎梏。”回忆起矿井建设方案的论证、决策过程，可可盖煤矿总经理汪青仓感慨万分。
汪青仓带领团队奋战在立井建设现场
可可盖煤矿位于我国重要能源基地陕北煤炭基地，井田上覆岩层被厚厚的风积沙松散层覆盖，基岩以泥岩、弱胶结性砂岩为主，具有强赋水、弱胶结、易变形、遇水泥化的特性。而陕北地区传统的“钻爆法”建井模式存在安全性差、建井周期长、机械程度低、作业环境恶劣、劳动强度高等缺点，采用综掘机与盾构机施工斜井也存在诸多技术瓶颈，难以适应西部地区复杂水文地质条件下的超长斜井施工。
基于此，可可盖煤矿创造性地提出“智能化建井，建智能矿井”的技术思路，始终坚持安全、高效的建井理念，多次前往中煤矿山建设集团特殊凿井有限责任公司、国电龙源莆田南日岛海上风电场、国能新街公司、神东煤炭集团补连塔煤矿等企业，实地调研钻井法和煤矿TBM掘进工法，经过无数次的考察、调研、论证，最终设计制定实施了斜井敞开式全断面TBM掘进和立井钻机“一钻完井”的矿井建设方案。
“不论是采用TBM穿越长度2400米的洛河组岩层、掘进总长5300米的斜井，还是打破我国西部地区未曾使用过钻井法建设井筒先例的立井钻机‘一钻完井’，都是十分大胆的创新。”汪青仓介绍道。
首先，在采用立井钻机“一钻完井”方面，自从1969年钻井法引进国内以来，我国至今已建成79个大直径井筒，均位于我国东部地区。东部地区所含坚硬岩层总厚度均不超过80米，占比总地层厚度不超过20%。而可可盖井田在我国西北部地区，采用钻井法建设大埋深井筒在该地区没有先例。
可可盖煤矿井田地层所含坚硬岩层总厚度大于400米，占比超过全部地层厚度的85%以上，上覆主要厚基岩为洛河组砂岩、安定组砂岩、直罗组砂岩和延安组砂岩，各岩层均质地坚硬。因此，如何实现进、回风立井“厚基岩段”快速钻进，是决定该项目是否可行的关键。
“煤层埋深超过500米，钻头、钻杆、稳定器等设备总重量加起来预计超过400吨，而钻机要穿越的坚硬岩层占比超过85%，机器钻下去就像‘拧麻花’，根本不可能办到。”最初，对于可可盖煤矿采用钻井法建设立井的方案，曾这样被专家质疑。
其次，可可盖煤矿设计采用敞开式全断面TBM掘进斜井方案，需要保证TBM能够顺利穿越总长度约为2400米的洛河组砂岩层。在此之前，业内人士普遍认为，洛河组砂岩涌水量大、遇水泥化，强度不足以支撑设备推进力，并且可可盖煤矿井田洛河组岩层富水性较强，一旦发生大规模透水垮塌，将会造成设备被埋、井筒报废的后果。
在诸多难题和质疑面前，可可盖煤矿人没有退缩，凭借着一往无前的开拓精神和严谨求实的干事作风，经过无数次的论证、研究、试验，改进技术、研发设备，克服了一系列难题，将所谓的“不可能”一一实现。
克难攻坚 开创全断面智能掘进先河
超长斜井方面，可可盖煤矿牵头组织研发了国内首套敞开式斜井智能掘进装备系统，提出了适用西部弱胶结地层超长斜井6度全下坡敞开式全断面TBM掘进工艺，开发了集“探—掘—支—锚—运”于一体的协同作业模式与智能控制系统，研发并应用了渣土改良系统、大面积撑靴系统、辅助推力系统、柔性风筒长距离搭接、连续皮带机大容量储带仓、有害气体环境智能监测装置、辅助运输防跑车柔性阻拦网等配套装备，开发了智慧工地三维一体化管理系统，形成了“人员定位管理—装备智能控制—环境安全监测—智慧工地管理”四位一体的智能化建井管控体系。
可可盖煤矿TBM掘进斜井井下
在此期间，汪青仓带领项目组成员及相关专家，对相邻的小纪汗煤矿洛河组围岩进行了多次调研，对可可盖煤矿工业场地内出露的洛河组岩层和明槽段开挖出的洛河组出露围岩进行了岩石回弹试验、锚杆拉拔试验、模拟撑靴单体抗压试验等一系列试验。测试结果表明，洛河组岩层原位强度较高，平均强度为23兆帕，完全能够满足TBM撑靴稳定的强度要求。这让行业专家们重新认识了洛河组岩体性质，为TBM直接进硐在洛河组掘进提供了有力的科学理论依据。
“为防治洛河组岩层富水这一安全风险，我们通过深入研究分析洛河组岩层涌水特点，针对其通过孔隙渗水、瞬时水量较小的特点，采用多级排水、分段截水、及时喷浆封闭巷道的方法，保障TBM安全顺利通过了洛河组段岩层。”可可盖煤矿副总经理刘全辉介绍。
2021年3月31日，针对可可盖煤矿井田地质结构实际，延长石油集团牵头组织铁建重工、中煤三建和中铁十五局等单位定制化研制的2台直径7.13米的敞开式TBM设备在铁建重工长沙第二产业园区顺利下线，标志着敞开式TBM首次用于煤矿长距离斜井施工，开创了煤矿斜井采用敞开式TBM施工的先例。
“DZ823、DZ838敞开式TBM整机长度约160米，装机功率3800千瓦。针对可可盖井田洛河组砂岩强度低这一地质特性，我们要求厂商对TBM撑靴进行优化设计，将撑靴面积增大30%，以增强TBM在软弱岩层的适应能力。通过配置大方量斜井排水、锚杆钻机支护等保障系统、定制面板式小开口率硬岩刀盘，有针对性地解决了西北地区围岩软弱、泥岩糊刀盘、斜井反坡排水、支护量大等施工难题。”可可盖煤矿副总经理惠学齐说。
2021年3月12日，可可盖煤矿正式对主、副斜井明槽段开挖，TBM设备在同年4月6日进场，明槽开挖与设备的组装同期双线开展。经过严密组织、精心布置，他们45天完成了270米明槽开挖，50天完成了庞大精密的TBM设备组装调试和步进。
“在试验数据证明洛河组砂岩强度能够满足施工要求后，我们将原本‘综掘机先掘800米，再用TBM掘进’的方案改为了TBM掘进机直接进硐。为确保万无一失，我们又补充设计了19米长始发硐室、硐口顶板管棚注浆加固+钢拱架+锚网喷联合支护等一系列安全措施。不负众望，敞开式全断面掘进机于2021年6月28日顺利进硐。”可可盖煤矿工程部部长王文忠说。TBM直接进硐方案省去了井下施工大型组装硐室、井下组装大型设备，设备从安装到完成步进用时仅45天，不但节省了半年以上工期，而且安全可靠。
在TBM成功进硐后，汪青仓带领团队持续监测分析设备工况、围岩应力位移，优化工艺参数，全力以赴保障高效掘进。连续187天夙夜坚守，终于在今年4月，主斜井TBM成功穿越洛河组砂岩，月最高进尺710米，月平均进尺465米。煤炭行业超长斜井敞开式全断面掘进机智能掘进试验成功，创造了工期缩短2年，直接经济效益80多亿元的建井奇迹。
目前，可可盖煤矿主斜井TBM已掘进3210米，完成设计量过半，副斜井已掘进2300米，其间未发生安全事故，未出现质量问题。
“一直以来，我们注重TBM工法的实用性，用科学技术解决现场实际问题，降低职工劳动强度，提升矿井安全系数，实现安全实用、少人无人、远程集控等目标，争当智能化煤矿建设的排头兵。”延长矿业公司党委书记、执行董事、总经理魏东表示。
一钻完井 实现打井不下井
在大深立井方面，可可盖煤矿牵头组织研发了世界上钻井能力最大、智能化程度最高的竖井钻机成套装备体系，设计了“井壁预制—机械破岩—泥浆循环—沉井固结的竖井‘分级扩井’到‘一钻完井’”新工艺，研制了大直径全断面钻头结构、稳定钻杆、大型门式起重机以及钻机集中控制系统，首次采用“打井不下井，本质安全型”钻井法在西部地区复杂地层凿井，施工了国内最大直径8.5米立井井筒，建立了立井智能化建井工法技术装备与工程管理体系。
为破解采用钻井法突破超400米坚硬岩层的难题，可可盖煤矿设计了全岩地层立井钻机“一钻完井”钻井工艺。具体方案为：进风立井采用ZDZD-100多用途重型钻机一次全断面钻进；回风立井采用直径4.2米钻头超前钻孔和直径8.5米钻头扩孔方式进行钻进成孔施工，利用超前孔导向作用，优化扩孔钻头结构，充分发挥钻机性能，提升钻进效率。
“我们委托平煤建工集团特殊凿井工程公司和济源中州矿山设备公司研发制造了目前国内功率最大、口径最大的ZDZD-100多用途重型钻机，设计最大钻井深度为650米，最大提升能力9000千牛。联合平煤建工集团特殊凿井工程公司、上海书起机电工程公司以及江苏格雷特起重机械公司研制了立井钻机配套的国内起重能力最大的LM-800型门式起重机，起重能力8000千牛，保障立井钻机安全提吊和稳定钻进。”可可盖煤矿副总工程师郭行运说。
与此同时，可可盖煤矿设计采用了MJS高压旋喷桩施工方案，在井筒钻进施工前，在井筒中心10.7米圈径上布置34根MJS高压旋喷桩，采用‘引孔钻机+MJS高压旋喷钻机’进行旋喷桩成孔施工，形成承载止水帷幕，保证了钻机钻架基础的稳定，消除了立井场地松散砂层厚、承载能力极差，无法为大型立井钻机钻井提供稳定基础的风险。在井筒支护方面，采用泥浆洗井排渣和临时支护技术、钻井壁后充填与无损探测技术，保证井筒建设质量。
2022年2月19日，可可盖煤矿中央回风立井顺利进入延安组地层并成功揭煤，标志着钻井法在西北部矿区取得实质性成功。
目前，可可盖煤矿直径4.2米回风立井超前钻孔钻进深度511.9米，最高月进尺112米，平均月钻进72米；直径8.5米进风立井钻进深度280.18米，最高月进尺62米，平均月钻进50米，成为用钻井法在我国西部地区建成的第一口井，实现了钻井法“走出东部，成在西部”的重大突破。
“国内钻井法领域的领军人物、中国工程院院士洪伯潜，听说我们要将多年未曾使用、仅在两淮厚冲积层施工的钻井法工艺用在大西北地区建设煤矿的计划后，非常高兴，亲自到办公室验算井壁设计强度，鼓励我们一定要坚持干下去。现在我们可以很自豪地说，我们做到了。”汪青仓说。
坚守初心 为了实现本质安全
为何要摒弃传统，迎难而上，创新采用钻井法和TBM掘进？
刘全辉给记者算了一笔“安全”账：“相比传统的钻爆法，我们两个立井采用钻井法‘一钻完井’工艺，单班作业人次减少50人左右，工人不用下井，实现了本质安全。”同时，钻井法施工全程采用自动化机械破岩，消除了爆破破岩带来的安全隐患；采用气举反循环出渣，消除了吊桶提升、人员上下井等提升环节的安全隐患；采用井壁地面预制，钢筋绑扎、混凝土浇筑质量可控，井筒强度得到保证。
目前，可可盖煤矿回风、进风立井建设只需要各1名设备操作员在钻井平台操控室根据监控平台中钻机的各项参数进行调整，相比于需要几十名工人下井作业的传统方法，安全效益显著。
斜井TBM设备机组采用了全断面机械刀盘全封闭作业法，掘进、出渣、皮带全封闭操作，无外露转动部位，消除了片帮掉顶隐患；掘进过程实现地面远程操控，井下作业人员仅需进行部分辅助作业，掘进、支护、出渣等主要工序90%以上实现了机械化，井下作业人员减少了40%。
除此之外，TBM设备组还实现了自动导航、自动掘进、自主纠偏等智能化掘进功能，工作人员在地面就可以通过手机、电脑远程实时监控掘进情况和设备状态参数，安全隐患排查处置效率大大提升。“斜井TBM工法施工月推进速度可达500米以上，直径8.5米立井一钻成井，钻井全地面作业，实现本质安全智能建井。”延长石油集团副总经理范京道说。
“科技项目不但要为工程服务，而且要出标准，争取获得国家科技大奖，申请更多的专利，切实为工程服务，为可复制建井模式提供技术支撑。”延长石油集团党委书记、董事长兰建文对斜井TBM工法施工和立井钻井施工工艺提出了更高要求。
“可可盖煤矿采用斜井开拓、TBM施工长距离斜井、钻井法施工立井，实现了智能化建井、建智能化矿井。今后一段时期，我国相当一部分新建矿井均位于山西、陕西、内蒙古交界处，煤层埋深超过400米，同处地质条件接近的鄂尔多斯盆地，可可盖煤矿的建井模式将为该地区矿井建设提供可复制模板。”中国工程院院士王国法评价道。
来源：延长矿业
