我国大直径钻井技术装备发展的挑战与思考.docx

一、前言

随着人类社会进步与国民经济发展，“向地下要资源、要空间”成为改善人类生存环境、支撑人类可持续发展的有效途径。世界各国相继制定了地下能源资源与地下空间开发利用领域的工业化、数字化、智能化发展战略。我国在能源、矿业领域以及水电、铁路、城市建设等行业快速发展，工程建设规模不断扩大，工程技术创新进入高度活跃期。我国是矿产资源开采和地下空间开发利用的大国，已由解决供需矛盾为主转变为提升质量为主的发展阶段，“十四五”及中长期内将致力于向安全、低碳、智能转型与变革。

井筒作为地下工程建设与开发的核心构筑物，担负着矿物、人员、材料、设备等运输，地下通风、供电、排水等功能；从服务于传统的井工矿产资源开采，拓展应用到铁路/公路隧道、城市地下空间、水力发电站、海上风电、大科学实验和国防等领域的功能井筒建设。大直径井筒是地下工程建设与开发的关键工程，也是首要工程，被视为能源资源安全、地下空间开发利用、深地探索等国家重大战略任务的重要支撑。

大直径井筒钻井技术与装备研究不仅是地下工程建设领域的重点研究方向，也是国家高端装备制造战略新兴产业发展的迫切任务。对照国家能源战略对洁净、绿色、低碳能源需求的不断调整，国家能源局、应急管理部、发展和改革委员会等部委对矿业和其他地下工程安全、高效、绿色、智能建设的总体要求，可以发现普通钻孔爆破破岩凿井技术存在安全风险高、作业不连续、环境污染、职业伤害严重等问题，与建井智能化发展趋势不匹配、不协调。也要注意到，我国在机械破岩钻井技术与装备方面仍处于起步阶段，尽管在大型竖井钻机、反井钻机、竖井掘进机、斜井硬岩掘进机等研究方面取得一定的进展，但钻机装备和技术工艺基础薄弱，与国外发达国家仍存在一定差距，部分钻井装备的关键构件、传感器、专用材料以及沉井式竖井掘进机整机都依赖进口；亟需通过地质、设计、岩土、力学、机械、材料、安全、控制、信息等多学科的交叉融合，科学谋划并统筹推进，重点发展新型大体积破岩与克服重力排渣、围岩与结构稳定控制、整机装备智能制造、环境感知与反馈、钻井风险防控等智能钻井技术装备的创新与应用，力争全面提升大直径井筒钻井技术与装备的创新能力和国际竞争力。

本文在分析大直径机械破岩钻井技术装备发展需求、对比国内外发展现状的基础上，从基础科学问题研究、应用技术研发、高端装备制造、工程示范等角度剖析我国钻井技术装备发展面临的挑战，提出井筒建设技术与装备的重点任务和发展建议，以期为推动我国地下工程建设与资源开发领域研究提供基础参考。

二、大直径钻井技术装备的需求分析

（一）推动井筒建设技术变革

地下固体矿产资源开采和地下空间工程建设是在深部岩土体内利用破岩技术与装备建设稳定的空间工程结构，进得去、取得出、待得住是地下工程建设的基本任务和要求。在大直径井筒建设技术的发展进程中，钻眼爆破技术代替人工錾凿破岩是第一次技术突破，而机械破岩钻井是建井技术的第二次重大技术变革，将不连续且难以控制的爆破破碎岩石转变为利用全断面刀盘或钻头进行连续可控破岩。机械破岩钻井技术解决了钻孔爆破凿井存在的井筒狭小空间内作业人员多、职业伤害严重、环境污染重、作业不连续、易发生安全事故、施工效率低等突出问题，攻克了地层预探识、不良地层预改性、大体积破岩、连续排渣、协同掘支、感知与调控、风险防控等科学技术问题，将开创机械化、无人化、智能化井筒建设的新阶段。因此，全面提升大直径井筒钻井技术装备水平，是推动我国地下工程建设的重大需求，也是解决我国深地资源开发重大工程技术问题的关键举措。

（二）支撑国家矿产资源开发

伴随着我国浅部矿产资源的持续开发，千米以深矿产资源开发成为支撑我国矿业发展的必然趋势。据不完全统计，我国煤炭行业已建成40余条深度超过1000m的井筒；金属矿井建成近20条深度超过1000m的井筒，其中7条井筒深度超过1500m，正在设计和施工的井筒深度超过2000m。2019年第21届中国科学技术协会年会发布了20个对科学发展具有导向作用、对技术和产业创新具有关键作用的前沿重大科学问题和工程技术难题，其中第19项为“千米级深竖井全断面掘进技术”。因此，深化机械破岩大直径钻井技术装备研究，致力解决深部高地温、高地压、高水压等复杂地质条件下普通钻爆法凿井存在的安全和职业伤害等问题，将为我国千米级深井建设与资源保障供给提供重要支撑。

（三）服务国家重大地下工程建设

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1.城市地下空间开发利用

从城市地下空间发展的历程来看，起初我国城市地下空间建设以人防地下工程建设为主体，而目前城市地铁隧道始发井、地下疏排水与排污系统立井、地下竖井式停车场、地下废料储藏/垃圾处理等城市深大竖井建设工程日益增加；主要采用小型挖掘设备进行开挖，场地占用面积大，挖掘效率低；城市地下60~200m空间