習(xí)近平總書記指出：“向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問(wèn)題”。向地下要空間、向深部要資源已成為國(guó)家戰(zhàn)略。“關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來(lái)、買不來(lái)、討不來(lái)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(guó)家經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)防安全和其他安全?！?/span>

豎井是進(jìn)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(jìn)機(jī)施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)打井不下井，是建井人的夢(mèng)想。豎井全斷面掘進(jìn)機(jī)涉及機(jī)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(guó)內(nèi)外硬巖豎井上排渣全斷面掘進(jìn)技術(shù)尚處于起步階段。

由于巖層探識(shí)、巖石破碎、巖渣集運(yùn)和巖體支護(hù)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(jìn)機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用。因此，千米級(jí)豎井全斷面掘進(jìn)技術(shù)被列入《2019年中國(guó)科協(xié)發(fā)布的20個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題和工程技術(shù)難題》。2021年《千米豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與裝備》被列入十四五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。

針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目支持下，制定了總體研究思路：通過(guò)開(kāi)發(fā)近遠(yuǎn)區(qū)巖性探測(cè)識(shí)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(shí)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(jìn)支護(hù)協(xié)同施工新工藝，實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)圍巖支得穩(wěn)

創(chuàng)新一：開(kāi)發(fā)了基于隨掘平臺(tái)的近遠(yuǎn)區(qū)巖性探測(cè)識(shí)別新方法，研發(fā)了刀盤破巖震動(dòng)波監(jiān)測(cè)和巖石強(qiáng)度智能識(shí)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(shí)方法針對(duì)傳統(tǒng)地層探測(cè)方法耗時(shí)長(zhǎng)、工序轉(zhuǎn)化繁雜，導(dǎo)致全斷面掘進(jìn)連續(xù)性差的難題，研制了刀盤破巖振動(dòng)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用《集合經(jīng)驗(yàn)?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(shí)頻特征實(shí)現(xiàn)了刀盤前50m范圍內(nèi)的巖層識(shí)別，從而助力掘進(jìn)機(jī)連續(xù)安全作業(yè)。二是開(kāi)發(fā)了基于掘進(jìn)參數(shù)的近區(qū)巖石強(qiáng)度智能識(shí)別系統(tǒng)針對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中巖石力學(xué)參數(shù)反饋不及時(shí)，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)工作參數(shù)調(diào)整遲滯難題，建立了掘進(jìn)機(jī)工作參數(shù)與巖石強(qiáng)度機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建了基于《貝葉斯優(yōu)化輕量梯度提升機(jī)》算法的巖石強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)90%，為掘進(jìn)機(jī)工作參數(shù)實(shí)時(shí)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(jī)理，發(fā)明了豎井掘進(jìn)雙錐面型刀盤，實(shí)現(xiàn)了大體積硬巖破得快。一是揭示了大體積硬巖機(jī)械破碎機(jī)理針對(duì)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(shí)際差異大的問(wèn)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(duì)傳統(tǒng)刀盤存在巖渣無(wú)法聚集、二次破碎嚴(yán)重問(wèn)題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(dá)每小時(shí)36.5m3

創(chuàng)新三：首創(chuàng)了豎井掘進(jìn)機(jī)干濕雙模垂直排渣技術(shù)，研發(fā)了多級(jí)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(dòng)模型與濕式排渣系統(tǒng)針對(duì)多尺度巖渣多相流動(dòng)特性不清晰，攜渣效率低的問(wèn)題，構(gòu)建了巖渣與不同濃度料漿的多相流動(dòng)模型，揭示了多尺度巖渣多相流場(chǎng)分布規(guī)律，研制了基于泥水環(huán)流的濕式排渣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了排渣效率≥40m/h。二是構(gòu)建了斗輪機(jī)箕斗的多級(jí)干式排渣系統(tǒng)針對(duì)干式上排渣技術(shù)不成熟，巖渣長(zhǎng)距離提升效率低的問(wèn)題，構(gòu)建了巖渣多級(jí)輸送系統(tǒng)協(xié)調(diào)作業(yè)模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)了斗輪機(jī)、皮帶輪、箕斗等組成的干渣多級(jí)輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了巖渣的長(zhǎng)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(jí)圍巖差異化支護(hù)方案，構(gòu)建了豎井全斷面掘進(jìn)與支護(hù)協(xié)同施工工藝，實(shí)現(xiàn)了不同等級(jí)圍巖支得穩(wěn)。一是提出了不同等級(jí)圍巖差異化支護(hù)方案針對(duì)圍巖井壁變形規(guī)律與破壞機(jī)制不明確的問(wèn)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(chǎng)、變形場(chǎng)演化特征；有效控制了不同等級(jí)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(jìn)協(xié)同支護(hù)技術(shù)針對(duì)支護(hù)裝備與豎井全斷面掘進(jìn)機(jī)不適配，掘進(jìn)支護(hù)協(xié)同難的問(wèn)題，發(fā)明了全自動(dòng)液壓模板，實(shí)現(xiàn)了四五級(jí)圍巖的安全高效支護(hù)研發(fā)了適用于一二三級(jí)圍巖的錨噴快速支護(hù)施工技術(shù)，形成了豎井全斷面掘進(jìn)協(xié)同支護(hù)工藝技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了施工的掘進(jìn)與支護(hù)平行作業(yè)。

與同類技術(shù)相比，項(xiàng)目針對(duì)巖層探識(shí)和巖體支護(hù)難題，研發(fā)的全斷面掘進(jìn)隨掘探識(shí)技術(shù)和協(xié)同支護(hù)技術(shù)，填補(bǔ)了豎井工程領(lǐng)域技術(shù)空白；針對(duì)巖石破碎和巖渣集運(yùn)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(guó)內(nèi)外首創(chuàng)。以邵安林院士為組長(zhǎng)的成果評(píng)價(jià)委員會(huì)認(rèn)為項(xiàng)目成果整體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。研究成果獲授權(quán)發(fā)明專利21件，實(shí)用新型件，發(fā)表論文26篇。制定了立井掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?！肚棕Q井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)》獲日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明專利金獎(jiǎng)。

全球首臺(tái)套干濕雙模豎井全斷面掘進(jìn)機(jī)蜀暢號(hào)，完成了深292.5m的火山隧道通風(fēng)豎井施工，最快掘進(jìn)速度達(dá)4.1m/單班（8h）。全球首臺(tái)千米級(jí)硬巖豎井全斷面掘進(jìn)機(jī)鋼鐵脊梁號(hào)，正在鞍鋼集團(tuán)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(jì)效益達(dá)2.2億元。培養(yǎng)了博碩士研究生27人。成果被中央電視臺(tái)四川衛(wèi)視等多家媒體報(bào)道。項(xiàng)目研究是貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記給北京科技大學(xué)重要回信精神的生動(dòng)實(shí)踐，項(xiàng)目組將與行業(yè)企業(yè)一道，共同促進(jìn)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(qiáng)國(guó)、制造強(qiáng)國(guó)的鋼鐵脊梁做出新的更大的貢獻(xiàn)。

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