當前，國內千米深井建設已邁入規模化階段。超深豎井建造面臨哪些挑戰?技術發展又將走向何方?日前舉辦的全國超深豎井建造技術交流研討會上，與會代表深入探討深部資源安全高效開發的技術路徑與未來圖景。

“超深豎井建造作為國家深地戰略實施的關鍵環節，正成為深部資源開發與地下空間利用不可或缺的‘生命線’。”中國煤炭工業協會黨委委員、副會長孫守仁在會上表示。

深井建設取得階段性成果

“我國已探明的煤炭資源中，近60%埋深在2000米至4000米之間。深井建設是打開深地資源寶庫不可或缺的鑰匙。”中國煤炭建設協會理事長張彥祿表示。

我國已建成或在建深度超過千米的礦山豎井超過100條，平均采深1086米，最大采深超過1500米，井筒最深達2005.2米。其中，煤礦立井最深達1341.6米，井筒直徑8米，井筒掘進平均速度超過110米/月。

在我國，鉆爆法仍是當前深井建設成熟的主流工法。該方法在深井硬巖地層中已實現200兆帕高強巖石的高效爆破，最大排渣能力達80立方米/小時，提升機最大靜張力達50噸，整體技術達到世界領先水平。

張彥祿表示，鉆爆法具有系統簡單、應用靈活的優勢，但面臨作業人員多、作業環境差、爆破影響大等挑戰。隨著短段掘砌綜合鑿井技術的成熟，我國已初步構建起深豎井地層探測與風險評估理論，發展了深井巖體爆破控制理論方法，鑿井機械化、自動化水平顯著提升。

在深部地層治水與加固方面，我國將地面預注漿深度推進至1600米，并研發了多種適應性注漿材料。采用“凍—注—鑿”平行作業工藝，治理深度可達1500米至2000米，已在冀中能源集團邢東煤礦、皖北煤電集團朱集西煤礦等煤礦成功應用。

同時，新型豎井鉆機及配套裝備已將巖石地層鉆井深度推進至近700米，為陜西延長石油可可蓋煤礦、淮北礦業集團陶忽圖煤礦等智能化建設提供了核心支撐，但鉆井法有其局限性，僅用于深度不超過700米的無提升豎井施工。

“在富水軟弱地層，凍結法鑿井技術取得了新突破。西部煤系地層‘弱膠結、強凍脹’凍結壁形成理論的建立，攻克了弱膠結地層條件凍結法施工凍結壁維護困難的問題，高家堡煤礦井筒凍結深度達990米，創造了凍結立井深度世界紀錄。”北京科技大學教授紀洪廣補充道。

在深井災害防控領域，中煤建設集團三處積累了豐富經驗。據該處總工程師江軍介紹，針對復雜富水地層，該處先后試驗了超細水泥、脲醛樹脂等注漿材料，推動中高壓注漿設備應用，構建起綜合水害防治技術體系。面對深部工程熱害挑戰，該處依托多個項目形成因地制宜的制冷降溫方案。

在巖爆防治方面，中國礦業大學教授竇林名指出，防治此類災害需采取區域防范與局部解危相結合的綜合策略，通過優化采掘布局、實施卸壓鉆孔與爆破，并建立多級柔性支護體系，實現安全水平與生產效能雙提升。

超深井提升研究取得新進展

超深礦井提升系統是實現深部采礦的關鍵。中國工程院院士葛世榮表示，超深井提升是當前深地開發中備受關注的“卡脖子”難題，超深礦井提升系統必須確保“進得去、運得出”。

“提升系統是超深立井建井時連接地面和井下的‘咽喉設備’，提升鋼絲繩作為深立井提升系統的‘生命線’，一旦發生纏繞故障或失效，將導致提升作業中止，甚至造成吊桶墜毀和人員傷亡惡性事故。”中國礦業大學(北京)教授王大剛表示。

葛世榮團隊研發了超深立井鋼絲繩振動檢測技術，提出了多層纏繞工況評估與承載安全性分析方法。面對超深環境下鋼絲繩“自重占比高、強度壽命短”的矛盾，葛世榮團隊提出采用高強纖維與鋼絲混合的創新思路。

目前，國產提升機性能顯著提升，最高提升速度達8米/秒，鋼絲繩終端荷載可達500千牛，可支持2000米深井配用5立方米以上吊桶，為千萬噸級深井建設提供了裝備保障。

面對深井提升懸吊風險，中煤建設集團三處自主研發了Ⅷ型鑿井井架，使用50噸鑿井絞車、雙向驅動的5.5米鑿井專用提升機配置合理的天輪及鋼絲繩，并采用一系列保護、鋼絲繩無損監測及智能控制系統，保證提升系統安全運行。

面向未來超深井大負載提升需求，葛世榮團隊研制出直線電機—鋼絲繩復合驅動系統，可顯著提升50噸箕斗與60噸罐籠的承載能力。目前，該系統已完成實驗室驗證。

“超深礦井提升裝備正朝著輕量化、智能化、連續化與直驅化方向演進。其中，直線驅動與混合繩牽引技術，有望成為推動行業實現跨越式發展的關鍵力量。”葛世榮說。

向深部進軍需協同攻關

盡管我國深井建設已經取得階段性成果，但面對2000米以深的復雜地質條件，超深豎井建造仍有不少技術難題亟待攻克。

“2000米以深的深地工程科學規律尚未探明，‘黑箱’或‘灰箱’狀態尚未有效改善，深地工程活動普遍存在著一定程度的盲目性、低效性和不確定性。”中國工程院院士陳湘生說。

深井建設面臨理論滯后的問題。張彥祿認為，深部地層高應力、高地溫、高滲透壓“三高”問題突出，傳統建井理論難以適用。圍巖與井筒相互作用機制不清，井壁結構設計亟待突破，水害、巖爆等災害防控技術也需系統研發。

在工藝與裝備方面，傳統豎井作業模式已難以滿足深層開發需求。各系統獨立運行，掘進、支護、裝運等環節銜接不暢，面臨“裝備分散、工序離散、協同壁壘”的困局，迫切需要智能裝備與工藝革新，為深井建設注入新動力。

面對深部開拓的未知領域，陳湘生提出了需要考慮的四個問題：一是提升深度問題，突破2000米一次鑿全深的立井開拓方式是否仍然適用;二是地層改性問題，高壓高溫堵水加固注漿技術、注漿材料是否仍然適用;三是支護結構問題，高壓高溫井壁結構設計、支護方式是否仍然適用;四是破巖方式問題，高壓濕熱環境下鉆孔爆破破巖技術是否仍然適用。

中國礦業大學教授楊維好建議，針對超深巖層，重點攻關低滲漏單層井壁技術、微細孔(裂)隙巖層注漿堵水技術、無人化鑿井技術和超深巖層安全高效凍結技術。

“超深豎井建造技術的突破從來不是一家企業的‘獨角戲’，而是全行業協同發力的‘大合唱’。這項技術將帶動智能鑿井裝備、深部地質探測等上下游技術集群創新，推動行業從淺層經驗施工向深部智能建造轉型。”中國中煤能源集團有限公司黨委委員、副總經理、總工程師馬世志說。

張彥祿表示，深井建設是一場多學科交叉的技術革命，必須構建“企業敢投入、高校愿深耕、院所能轉化”的創新生態，通過打破壁壘、協同與聯合攻關，為向地球深部進軍提供核心支撐。