深部资源开发和地下空间利用是我国深地科学探索的重要方向之一，竖井是进入深部地层的主要通道，作为地下空间利用和矿井生产全生命周期服务的核心构筑物和安全保障，承担着人员、设备、物料、产品的运输和矿井通风等重要功能[1-3]。2019年第21届中国科协年会闭幕式上发布了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[4]，其中第19项为“千米级深竖井全断面掘进技术”。目前，无论是煤矿还是非煤矿，竖井开拓方式均已突破埋深1 000 m，进入埋深1 500～2 000 m的深部开采。截止目前，我国深度超过千米的煤矿，开采井深在1 000～1 299 m的矿井约占91.48%，而开采深度最深的矿井为山东省新汶矿业集团孙村煤矿，开采深度达到了1 501 m[5]。“十三五”期间国家重点研发计划以攻克2 000 m以浅深竖井建井与提升的基础理论、关键技术、工艺与装备难题为目标[6]。国际上，在深竖井建设方面较为先进的国家是南非和加拿大，率先建成了突破2 000 m的深竖井，南非金矿竖井深度已经达到2 996 m。所以，我国“十四五”期间的竖井深度将突破2 000 m。因此，为保障深部资源开采、深地空间开发、川藏铁路等战略工程的建设，在千米级深竖井全断面掘进理论、技术与装备的研究和创新势在必行，这对于资源安全供给、保障经济高速发展具有重要的战略意义。
岩石破碎方法的发展给竖井施工技术带来了2次重大技术突破:第1次为钻眼爆破技术代替人工錾凿破岩;第2次是机械破岩技术代替爆破技术[7-9]。与浅部井筒建设相比，千米级深竖井赋存地层具有地应力高、地温高、水压高等特点，以及地层岩芯饼化、破碎现象突出等难题。以地温为例，地下岩层温度随深度以3.0 ℃/hm左右的梯度上升。目前，现有国内最深竖井为1 527 m，采用普通凿井法在掘进到深度1 500 m时，地层温度达到52 ℃，深井的岩层温度大大超过人体温度。而在高温环境中采用普通法施工时，通风降温在井深超过1 000 m后往往不能满足降温要求，必须通过人工降温技术来保证人员安全、炸药安全和设备安全等问题，而传统的人工制冷降温技术，导致深井建设成本增加[10]。同时，随着竖井深度的增加，竖井围岩承载更高地应力和水压力的作用，导致围岩岩爆和突水等灾害现象突出[11]，人工錾凿和钻眼爆破施工，井下作业人员多，作业环境差，无法保证安全和高效的进行竖井建设。所以，浅部的普通凿井技术应用于千米级竖井以及更深竖井的建设风险大大增加甚至难以施工。而机械破岩钻井相对于普通凿井方法，将不连续且难以控制的爆破破碎岩石转变为由不同类型的破岩刀具进行连续可控的破碎岩石[12-13]，为解决多相、多场耦合地质环境下深井建设的诸多难题提供了有效技术途径，智能凿井装备的发展，将逐渐实现井筒工作面无人化作业。因此，机械破岩是千米级竖井全断面掘进的重要发展方向。若将机械破岩与正在研发的高压水射流破岩、热-机碎岩、贯通锥形断裂破岩、激光破岩、微波破岩、等离子体破岩、电子束破岩等现代破岩技术相结合，必将进一步提高破岩效率，尽管目前这些方法直接应用于工程实际中还有一定的距离，但是依然是深井凿井破岩的重要研究方向。
为此本文以“十二五”国家863计划重大项目“煤矿智能掘进技术及装备”研究为基础，在国家“十三五”重点研发计划“深部金属矿建井与提升关键技术”的资助下，以攻克1 000 m以深的全断面竖井机械化钻进关键技术工艺及装备研制为目标，梳理了以竖井钻机、竖井掘进机和反井钻机3种钻机的应用以及无人化钻井现状，分析了机械破岩科学钻井的技术工艺体系，凝练出千米深井全断面机械破岩、排渣、智能监控、支护和辅助钻进5项核心技术，以及涵盖的12项关键技术;指出以研究多场耦合下的机械破岩机理，解决机械破岩与多相流循环排渣之间的矛盾，并实现智能感知与精准钻进的智能化控制是实现千米级竖井安全高效钻进的有效途径;提出了机械破岩钻井需要攻克的关键问题与研究方向，为千米级竖井全断面掘进技术难题提供解决思路。
1 机械破岩钻井工艺及装备发展现状
机械破岩钻井装备种类很多，根据钻进破岩方式分为冲击钻进和旋转钻进装备，目前在大直径钻井中已不再采用冲击破岩方式;根据钻进方向划分为正向钻井和反向钻井;根据钻头旋转驱动方式划分为转盘方钻杆驱动、动力头驱动和井下动力装备驱动。这些都能够在常用的竖井钻机、反井钻机和竖井掘进机3种类型钻进设备上有所体现。目前据不完全统计，开挖荒径直径小的井筒，机械破岩钻井占主导地位;开挖直径大的井筒，钻爆法占主导地位。机械钻井占90%以上井孔的直径从20世纪80年代的1.4 m的井孔，到20世纪末为直径2.0 m，到目前为止达到直径3.5 m。与此同时，机械钻井工艺和装备的发展拓展了钻井工程应用范围。根据不完全统计，国际上机械破岩钻井的占有率，如图1所示。
图1 国际上机械破岩钻井的占有率
Fig.1 International share of mechanical rock breaking rigs
1.1 竖井钻机钻井方面
竖井钻机也称为盲井钻机，在井筒内充满泥浆等洗井介质条件下，采用钻杆驱动，由上向下钻进井筒的一类钻机。采用竖井钻机为主要装备形成井筒的方法称为钻井法凿井，或简称钻井法[14-20]。从1848年德国最早采用改进的冲击钻机作为钻井装备钻凿煤矿井筒开始，钻井法成为最早井下无人凿井方法。国内外钻井装备的发展都是从借鉴石油钻机钻井方法开始，逐渐研制专用的矿山钻井装备，形成以刀具旋转破岩钻进为核心的钻井方法[15]。20世纪中期美国、德国在大直径钻井装备方面处于领先地位，美国休斯公司的CSD300型、德国维尔特研制出L40型竖井钻机代表了当时的先进水平，从20世纪末到21世纪以来，国外发展基本处于停滞状态。
随着我国复杂地层中煤矿井筒建设的发展，作为特殊凿井装备的竖井钻机，从解决两淮、苏北、山东等深厚冲积层建井难题开始，竖井钻机经历了改进石油钻机、引进国外钻机、研制专用钻机等不同阶段。从钻头结构方式的改变出现了星轮式、行星式、潜孔式竖井钻机;从旋转驱动和提吊方式发展，先后研制了转盘驱动和大钩提升，以及液压动力头驱动和液压油缸提吊，其中我国研制的安全气动抱钩技术处于领先水平;从钻杆的连接方式，先后使用了螺纹连接、螺栓法兰盘连接和花键牙嵌连接等钻杆连接方式，其中我国独创的花键牙嵌连接方式，连接速度快、运行可靠。目前，仍在采用的AS-9/500 G型竖井钻机为转盘驱动、气动抱钩提吊、塔式井架悬吊机械传动式钻机;AD130/1000型液压竖井钻机，采用动力头驱动、油缸提吊、整体井架传扭，代表了竖井钻机的先进水平，具备了钻进深度1 000 m，直径13 m的钻井能力。
根据统计结果，从20世纪50年代末进行钻井法凿井试验开始，到目前为止，我国采用钻井法凿井已钻凿119个井筒(图2)，总深度超过22 km，最大钻井直径10.8 m，最深钻井深度660 m[18]，成功穿越近500 m深厚冲积层，突破了巨野矿区复杂地层条件下建井技术瓶颈，发展和完善了钻井法凿井工艺，形成了一级超前多级扩孔钻进、泥浆护壁、压气反循环排渣、井筒偏斜及有效断面监测、钻进偏斜控制、地面预制井壁、井壁悬浮下沉安装、机械化连续壁后充填、充填质量无损检验等一套成熟的钻机钻井工艺。随着钻井法钻进技术及装备的进一步发展，形成了大直径井筒“一扩成井”、小直径井筒“一钻成井”的全断面一次钻进技术工艺与装备。同时，将竖井钻机钻井技术工艺拓展应用到桥梁桩基建设，例如研发的40,45和50型桥梁桩基钻机，以及海上风电装机建设，例如研发的ZDZD-100型和QYZJ8000/110型海上风电钻机。目前，我国在竖井钻机钻井直径和钻进深度方面处于国际先进水平，这为千米级竖井全断面钻进奠定了基础。
图2 1960年以来我国钻井法凿井数量统计
Fig.2 Number of wells drilled in China since 1960
由图1可以看出，我国在竖井钻机钻井领域方面，占有率具有明显的优势，竖井钻机钻井主要应用在我国中东部深厚不稳定含水冲积层中的竖井建设，然而西部弱胶结地层具有松、散、弱以及富水等特点，白垩系和侏罗纪地层的物理力学性质与中东部石炭二叠系地层具有一定的差别，制约了钻井法凿井在西部弱胶结地层推广应用。从本质上来讲，是对弱胶结地层岩石的赋存条件、物理力学特性认识不清，而此正是机械刀具破岩、钻井泥浆材料、井壁设计与支护等工艺中必须掌握的基础数据，如果认识不清，则容易造成设计布局不合理、井壁坍塌、溃水溃沙等问题。因此，亟待研究西部弱胶结地层中钻井法钻井的超薄井壁结构、材料、安装和壁后充填工艺，低密度泥浆及高效排渣方式;以及可移动式复合钻井井架、快速拆卸钻杆结构、高效破岩钻头结构、高效破岩刀具、智能化偏斜控制等问题[20];特别是在以往施工中显现出的钻凿岩石地层速度缓慢，岩渣不能及时排出导致的重复破碎，影响钻进速度，刀具磨损严重，钻凿效率低等问题。总之，钻井法凿井技术通过技术、工艺和装备的发展，在一定程度上率先实现井内无人化、机械化钻井。
1.2 竖井掘进机凿井方面
竖井掘进机与掘进机凿井技术方面，以德国维尔特和美国罗宾斯公司为代表，研制出多种竖井掘进机，包括导井溜渣和机械、流体上排渣，全断面和部分断面机械破岩的钻进方式。德国海瑞克公司研制出截割式部分断面竖井掘进机(SBR,Shaft Boring Roadheader)，采用了滚筒截割破岩、真空泵吸排渣，并配有可伸缩式截割臂和旋转式截割滚筒[21]，开挖直径可达12 m井筒，适用于软岩地层或冻结改性含水地层，并在加拿大、白俄罗斯和英国钾盐矿井筒建设中得到应用。德国海瑞克公司正在研制的大直径转盘式全断面竖井掘进机(SBM,Shaft Boring Machine)，设计钻井深度达2 000 m，钻井直径12 m，而滚轮式竖井掘进机(SBC,Shaft Boring Cutterhead)作为一种概念机[21]，设计的体积重量大，价格昂贵，加工制造还有大量技术难点有待突破，因此，至今没有实质性进展。德国海瑞克公司开发的沉井式竖井掘进设备(VSM，Vertical Shaft Sinking Machine)在地下水以下的复杂地质中以及在施工现场空间狭窄的情况下具有明显优势[21]，其在2019年完成的英国天狼星矿业公司的大型杂卤石矿项目，开挖深度达115.2 m，直径5.94 m，这是有史以来，采用下沉式竖井掘进设备VSM挖掘的最深竖井。我国在“十二五”期间，由煤炭科学研究总院建井分院研制了国内首台下排渣式竖井掘进机MSJ5.8/1.6D(图3)，是具有安全防护的大型全断面综合凿井装备，首先利用反井钻机形成的导井，再扩大钻进形成井筒[22]，该设备要求导井直径不小于1.6 m，研制的破岩刀具可破碎岩石强度达140 MPa，破岩刀盘直径为5.8 m。目前，已在云南以礼河4级电站复建工程的竖井工程中应用，这对于进一步开发具有自主知识产权的千米级全断面竖井掘进机提供技术支撑作用。
图3 国内首台下排渣式竖井掘进机MSJ5.8/1.6D钻井工艺布置
Fig.3 Schematic diagram of the drilling process layout of China’s first downward slagging type shaft boring machine MSJ5.8/1.6D
尽管在竖井掘进机的研发和市场占有率方面德国具有明显的优势，我国在这方面与其差距较大，但国内外竖井掘进机的发展均未实现无人化钻井。在千米级竖井全断面钻进时面临的岩石强度更高、地应力增大、岩温升高、含水条件更加复杂等问题，导致机械化钻井难度显著增加。从现有条件来看，竖井掘进机在硬岩地层中钻井时，从工艺和装备方面相较于竖井钻机和反井钻机钻井具有明显的优势，但要实现无人化、智能化钻井，首先深入地研究深部多场耦合条件下高效破岩、多相流循环高效排渣、一体化和智能化的井帮同步支护、装备姿态调整与精准钻进等掘进与智能控制关键技术问题;其次，系统地升级改造并完善驱动系统、支撑结构、控制系统、监控系统等其他机-电-液系统功能;最后，攻克竖井掘进机钻井工作面与装备状态的多参量智能感知和安全决策关键技术，从而为实现千米级深竖井全断面无人化、智能化钻进(掘进)做好技术支撑。
1.3 反井钻机钻井方面
反井钻机及反井钻井法凿井方面，美国首次研制出反井钻机后，德国、加拿大、芬兰和澳大利亚等得到迅速发展和广泛应用。近期德国海瑞克公司设计应用在硬岩地层中的900反井钻机(RBR,Raise Boring Rig)[21]，预计钻进深达2 000 m，直径0.3～8.0 m的竖井，尚未进行工业试验。截止目前，我国煤炭科学研究总院建井分院研制的BMC100～BMC600系列反井钻机[23-25]，能够实现在岩石抗压强度达到300 MPa的岩石中实现较好的钻进效果，钻井深度100～600 m，钻井直径0.75～5.00 m;已施工完成的最大深度为560 m和直径6.0 m的竖井井筒。反井钻机BMC600钻井示意，如图4所示。
图4 反井钻机BMC600钻井示意
Fig.4 Schematic diagram of raise boring rig BMC600
反井钻机钻井采用自下而上的方式进行钻进，必须利用地下已有的作业空间，才能顺利实现钻井。尽管在导孔钻进和扩孔钻进施工过程中实现了机械化和无人化钻井，但是在反井钻机钻孔轨迹控制、下排渣方式、井帮有效的初期支护方面，还需深入研究和发展相应的仪器和装备。在此基础上，反井钻井要实现千米级竖井全断面钻进，适用于极硬岩的破岩刀具和多级扩孔钻头、强力钻架结构、高强度抗拉钻杆、智能驱动等关键技术亟待解决。
综上所述，以竖井掘进机、竖井钻机和反井钻机3种机械破岩钻机为主的不同钻井方法，并借助其他辅助设备系统的配合，形成了适合不同地质条件和工程条件的配套施工技术、装备及工艺体系;虽然，经过改进和发展，竖井钻机和反井钻机钻井工艺能够首先实现了机械化、无人化钻井，但竖井钻机在硬岩地层中破岩效率较低，而反井钻机钻井需利用井下已有空间且缺乏同步井帮支护技术等问题，一定程度上限制了这2种钻井工艺在深部复杂地层中的应用范围，竖井掘进机的潜入式钻进方式成为主要的补充和发展。
2 千米级全断面科学钻井关键技术
机械破岩钻进技术发展，以工艺引领、试验先行、装备支撑、实践验证的研究步骤，以竖井钻机、竖井掘进机及反井钻机及配套装置形成了各自相适应的机械钻井工艺。然而，无论以任何一种机械破岩钻机进行竖井施工，还是装备的组合，其构成体系基本一致，均包括机械破岩、高效排渣、智能监控、随钻支护和辅助钻进五大核心技术，这五大核心技术又涵盖了12项关键技术，如图5所示。
2.1 机械破岩技术
与爆破破岩凿井相比，机械破岩以“破岩兼顾控制围岩破坏”的理念为指导，在破岩过程中对井筒围岩扰动效应减小到最低，形成的规矩圆形井筒截面，提高了井筒围岩结构在高地应力条件下的自稳性能;同时，形成的井筒围岩裂隙率明显降低，有效降低了井筒围岩透水、涌水等水害的风险。千米深井机械破岩钻进，岩石的赋存条件和浅部相比发生一定变化，对于大体积机械破岩，温度的提高导致岩石的塑性和蠕变增强，而对破岩有利的脆性降低，裂隙封闭降低了岩石的崩裂效应，地层的多场应力状态使得处于三向应力条件的岩石更难以破碎。
图5 井筒钻进工艺体系
Fig.5 Shaft drilling technology system
机械破岩的核心是破岩刀具。钻井设备以推进和旋转的方式，将能量高效传递到钻头上，同时钻头上布置的不同组合形式刀具和岩体直接接触，并将岩石从岩体上破碎下来。目前，大体积破岩以刮削、截割和挤压岩石破碎3种方式为主，在不同的机械破岩钻机的钻头中这3种破岩方式独立应用或以组合应用的方式进行破岩，以适应不同特性的地层条件。机械破岩的3个要素包括刀具的形状、压入岩石的力和刀具运动状态，需要针对不同物理力学性质的岩石，研究不同的破岩机理。不同的钻头形制和刀齿布置形成的钻头结构，如图6所示。刮削破碎一般适用软岩或冲积地层，需要很大的扭转力矩来提供破岩所需的能量，在与竖井钻进方向和重力方向相反的条件下，很难和流体排渣实现匹配;截割破岩在煤、弱胶结砂岩等强度低且脆性较好的地层中具有良好效果，不适用坚硬岩层，目前已在冻结后的软岩和冲积地层的井筒建设中成功应用。各种类型的挤压破岩型滚刀，在不同地层条件下都已实现了高效破岩，其应用范围正逐渐拓展。
图6 不同钻头类型和刀齿布置方式形成的钻头形制
Fig.6 Drill shape made of different drill types and knife arrangements
挤压破岩将成为深部地层中机械破岩的主要方式，挤压破岩的滚刀包括盘形滚刀和镶齿滚刀，滚刀破岩具备3个要素，即刀齿或刀刃的形制、正向压力以及滚刀运动。在驱动力的作用下滚刀运动对岩石产生以剪切破坏为主的连续破碎。对于岩石脆性较好或者泥浆压力不高的情况下，岩石能够从岩体上崩裂，其破岩效果好。镶齿滚刀除了剪切作用外，其滚刀运动产生的刀齿滑移作用，更适合破碎千米深井中高温导致的塑性增强的岩石。镶齿滚刀破岩影响因素分析示意，如图7所示。影响镶齿滚刀破岩的因素主要包括齿形、齿间距、齿排距、围压、节理等。
钻井装备的推进能力、旋转扭矩、旋转转速3个主动参数是设计钻机性能的基础参数。推进能力必须满足布置在钻头上的多把滚刀的刀齿需要达到最小推力，主要通过分析滚刀体积破岩的正压力、计算出钻进推进压力，同时考虑钻具的重力、洗井液的浮力和摩擦力等因素，最终确定钻井设备的推进能力。旋转扭矩是根据滚刀推动力和装备尺寸计算得到的;旋转转速可通过滚刀运动方式与刀齿接触岩石的时间得到。推进能力、旋转扭矩、旋转转速的组合和钻机输送给钻头破岩的能量，以及能量转化为破岩的效率，决定了装备设计和钻井工艺是否合理。
为满足千米深井钻井装备的需求，在以往研究成果基础上，经过计算钻井直径为8 m、钻井深度为1 000 m，且能够有效破碎岩石抗压强度达150 MPa时，不同类型钻井装备的技术参数的参考值，见表1。
2.2 高效排渣技术
在机械破岩钻进过程中，排渣速率需要和破岩速率相匹配，以保证破碎的岩渣及时排掉，避免重复破碎并减小刀具磨耗。因此，排渣技术是影响钻进效果的重要因素。根据机械破岩钻井工艺的不同，排渣技术又可以分为上排渣技术、下排渣技术和循环排渣技术。不同机械破岩钻机钻井排渣方式，如图8所示。
竖井钻机要实现千米级钻进时的排渣，除了进一步研究压气反循环排渣技术，优化钻杆内径、压风管直径、风压、压量、埋入深度等排渣参数，还需研究潜入式钻进工艺，研发钻头机械配合井底排渣泵高效排渣新技术，实现利用机械能或流体动能将刀具破岩产生的碎屑带离泥浆围岩作用的井底表面，并快速输送到地面，最后将泥浆和岩渣分离后排放。反井钻机钻进破碎的岩渣，将依靠自重下落到下部巷道内，由装载设备装入皮带或矿车等排渣设备，其中需要研究岩渣下落规律和控制方法，减少岩块掉落冲击对井帮的破坏作用。因此，千米级竖井掘进机的排渣除了采用以上2种钻机的排渣方式外，还可以采用机械排渣和真空泵吸方式，而研究局部淹水泥浆排渣及其多相流长距离管道输送技术也许是实现千米竖井掘进机高效连续排渣的重要研究方向之一。
图7 镶齿滚刀破岩影响因素分析示意[23]
Fig.7 Schematic diagram of the analysis of the influencing factors of the rock-inserted hob broken rock[23]
表1 千米级全断面钻井装备基础参数
Table 1 Basic parameters of kilometer-level full-section drilling equipment
钻机类型推进力/kN扭矩/(kN·m)转速/rpm竖井钻机10 000(提升力)1 5000～5反井钻机20 000(拉力)2 0000～30竖井掘进机25 000(推力)6 0000～6
图8 不同机械破岩钻机钻井排渣技术
Fig.8 Slag drainage technology for drilling with different mechanical rock breaking rigs
2.3 随钻支护技术
机械钻井过程虽然将围岩的扰动破坏程度降到最低程度，但是千米深井复杂的地层条件，高地应力、高水压和高地温环境下临时和永久支护的结构、支护材料、支护顺序和支护方法都是尚待研究的课题。
竖井钻机进行钻井法施工时，以泥浆护壁作为临时支护，钻进过程中井筒内的泥浆在新开挖地层表面形成泥皮，能够隔绝地层和泥浆的水力联系;同时，依靠泥浆压力平衡地压，来保障钻进过程中井帮稳定[24-26]。因此，在复杂地层条件下进行千米钻机钻井时，需要重点研究千米深井高地温环境中泥浆参数性能控制，泥浆压力和地层压力平衡之间的协调性，避免因局部高地压导致井帮突出或坍塌等事故。竖井钻机进行钻井法施工时，永久支护井壁是在地面预制钢筋混凝土、钢板混凝土或铸铁丘宾筒等井壁节，并采用在泥浆中悬浮下沉的方式进行井壁安装，再进行壁后充填固井。
反井钻机扩孔钻进时，井帮围岩处于裸露状态，难以进行有效的临时支护，待扩孔完成后，根据井筒功能再采用由上而下一次进行锚喷永久支护或作为临时支护，或者采用由下而上的方式浇筑永久混凝土井壁。但是，对于千米级反井钻机钻井，若穿越特殊地层(高破碎或含有害气体地层等)，其临时支护是必须的，亟需研究井筒内无人化自动支护机器人，能够在大直径反井扩孔钻进后及时完成井帮的锚固和喷浆，实现钻进和临时支护的同步进行。
竖井掘进机钻进过程中，装备本身的支撑结构可以对井帮起到一定的支撑作用，相反，装备的支撑结构也会对井帮围岩施加一定的向外的推力，使得井帮围岩出现拉应力区，具有一定的破坏作用，必须根据围岩条件来确定竖井掘进机合理的支撑方式与支撑压力参数。竖井掘进机破岩钻进同时，可利用在竖井掘进机上方工作台或多层吊盘，进行锚杆钻孔、挂网和喷浆等临时支护平行作业;同时，利用布置在竖井掘进机上部的多层工作平台，吊盘吊挂整体模板进行浇筑井壁;也可先进行锚喷临时支护，待机械破岩钻进施工完成后，再采用滑模工艺自下而上浇筑永久混凝土井壁[27]。
需要特别指出的是对于任何一种千米级井筒的钻凿方法，其永久井壁均需承载地压、水压和岩层移动等产生的不均匀压力，同时，目前服役井筒反映出来的井壁劣化问题表明了永久支护井壁的强度是承载能力的关键。因此，随着钻井深度和直径的增大，必须要探索有效解决千米深井支护的材料、结构与工艺，主要涵盖:研究新型高强复合混凝土井壁材料、新型高强度井壁支护结构(钢板、高强高韧性碳纤维板、铸钢结构等)，同时研究提高围岩自支撑能力的破岩工艺等。
2.4 辅助钻进技术
辅助钻进系统主要包括钻进辅助技术和能源动力供应技术。钻进辅助技术主要实现对钻进过程的控制，解决机械破岩钻进过程中的钻压、旋转扭矩及产生的反作用力、反扭矩之间的协调性问题;以及钻进设备的程序优化、位置变化、姿态调整、运行监控等技术，以实现钻机持续高效精准破岩[28-30]。能源动力供应技术依靠电力、液压、压缩空气的供应来保障钻进所需的推力、拉力、旋转转速扭矩等以及消耗材料的配制补充，保证钻进设备长时间的稳定运行。
2.5 智能监控技术
智能监控技术的进步是实现千米深井钻进智能识别的关键，也是无人化智能钻进的必要前提条件，主要是对排渣、钻进智能纠偏、钻具性能等进行实时监测和控制，保障机械破岩安全、连续、高效、精准钻进。智能监控网络示意，如图9所示。
(1)机械破岩效率与排渣效率的匹配性监控系统。无论是下排渣、上排渣还是循环排渣系统，排渣效率必须与机械破岩效率相匹配。机械破岩效率较高时，排渣不及时，易造成重复破岩，刀具磨损增加，钻进效率降低;而排渣效率高于破岩效率时，导致循环排渣系统能量耗散，经济成本增加。因此，通过智能监控技术，实时优化机械破岩参数和排渣工作运行参数，确保排渣通道(管路)畅通、工作面无残渣，实现排渣效率与机械破岩效率的高度匹配。
(2)机械破岩钻进智能纠偏监控系统。由于井筒赋存地层的差异性和岩石的不均质性，导致机械破岩钻进过程中钻头和岩石相互作用时钻进方向偏离井筒轴线[29]。因此，必须实时监测钻头的空间位置状态，并将数据及时反馈给钻进控制系统，实现钻头智能纠偏的目的，保障竖井的垂直度和有效断面能够满足竖井的提升功能。目前竖井钻机钻进主要利用钟摆原理来控制偏斜度，并采用超声波井径仪测量井筒的有效断面;竖井掘进机钻进主要采用激光导向，并利用支撑系统时时调整和控制钻进方向;反井钻机钻进更大程度上依靠导孔的随钻测量、磁导向等方法，保证钻进的精度。机械破岩钻进智能纠偏监控系统是智能监控技术的重点，是机械钻机钻进的眼睛，保证钻进轨迹满足设计要求。
(3)钻具及其他辅助设备的监控系统。为了保证机械破岩钻机能够在复杂的井筒环境中安全顺利的钻进，需要对钻头、动力头、钻杆、支撑构架、液压泵站、电控等的工作状态、使用寿命进行监测并建立报警系统，同时，监测掘进机周围环境参数，包括温度、湿度、粉尘、有害气体含量等，并建立相应的指标评价体系。
图9 机械破岩钻进智能监控示意
Fig.9 Schematic diagram of intelligent monitoring for mechanical rock breaking drilling
机械破岩钻进过程中工作面围岩状态和装备状态的智能感知是智能钻井核心要素之一，建立井筒围岩稳定性和支护结构稳定性的实时监测网络，形成多参量精准感知和安全决策关键技术体系，为千米级深竖井全断面无人化、智能化钻进提供重要监测手段和技术支撑。
3 机械破岩科学钻井的关键科学技术问题
3.1 机械破岩科学钻井科学问题
我国机械破岩钻井领域取得了一些进展，但是要在深地复杂应力、高温和高水压条件下实现安全高效全断面掘进，机械破岩钻进要满足“破的掉”“排的出”“控的住”“支的牢”的四大原则，亟待解决以下突出的理论与技术难题:
(1)深部地层复杂应力、高温和高水压条件下，机械破岩机理和围岩控制理论还认识不清。尽管机械破岩相对于爆破破岩对围岩扰动较小，在深部高地压或者高岩温度条件下岩石物性的差异性和变异性，对于机械破岩方式、岩石破碎模式及破岩机理还有待于进一步研究[31-35];千米深井掘进后，围岩表现出复杂的非线性变形和结构失稳特征，研究深井围岩卸荷应力和能量演化规律，判识在深井地层三向不等压条件下机械破岩形成的井帮是否能够彻底解决岩爆问题。
(2)流体循环排渣技术是实现千米级竖井全断面钻进排渣的有效途径。千米深竖井全断面正向掘进过程中下面无既有巷道空间，下排渣技术无法有效实施;而随着井深的增加，上排渣提升技术消耗能量增加，难以实现连续、高效的提升。因此，基于多相流流动理论，亟待研究优化多相比、提升高度、流速等参数实现低能耗循环排渣。
(3)精准钻进智能控制技术。目前竖井钻机钻进主要依靠减压钻进来控制钻进精度，反井钻机主要依靠定向钻进导孔来控制扩孔钻进精度，竖井掘进机钻进主要采用激光导向，并利用支撑系统时时调整控制钻进方向，钻进精度还需要进一步的验证和提高，缺乏智能纠偏控制模块。
综上所述，急需开展千米级深竖井多场耦合下的机械破岩机理与井帮围岩控制与支护理论、多相流体循环排渣理论以及精准钻进智能控制技术与装备制造。在突破关键科学问题的基础上，研究竖井掘进机主要技术参数和关键部件与岩石类型匹配性、竖井掘进机系统构成及空间布置、机械破岩钻进推进方式、大扭矩减速箱及变频驱动、装备的快速组装与拆卸工艺等，解决我国千米级竖井全断面掘进的技术与装备制造难题。
3.2 千米级科学钻井关键技术
目前，机械破岩钻井作为先进的建井工艺方法已经积累了一定的研究成果，其中竖井钻机更适合在深厚冲击层或含水不稳定地层中钻进，在硬岩地层中尚未开展研究;国内首台全断面竖井掘进机为下排渣方式，需井筒下部有排渣作业空间;反井钻机钻井钻头由自下而上的方式钻进井筒，这些已有成果尚不能完全满足千米级深竖井全断面掘进的需求[36-38]，亟待对机械破岩钻井基础理论、技术工艺和装备设计研发进行科学系统的研究。
机械破岩钻井参数的多维动态优化设计，具体过程，如图10所示。基于系统的理论分析、科学试验和钻井工程应用，以工程地质学、钻井工艺学、岩石力学、岩石破碎学、工程力学、机械工程学、材料学等多学科交叉融合借鉴，对机械破岩与钻进技术、围岩稳定与支撑推进技术和高效排渣技术3部分分别从基础理论分析、装备性能与工艺研究2个方面进行突破。具体包括:
图10 机械破岩钻井参数的多维动态优化设计流程
Fig.10 Multi-dimensional dynamic optimization design of parameters of mechanical rock breaking drilling
(1)机械破岩与钻进技术研究。研究深井地层岩石在多场耦合作用下的变异性特征、细观结构与矿物成分及其对岩石可钻性的影响，揭示相应的滚压破岩机理;研发破岩刀具的耐磨损材料，研制破岩刀具智能换刀系统，提出滚刀刀齿形制及布置参数优化方案;研发滚刀密封改进技术，研究长大钻具受力状态及抗疲劳性能及钻机钻具抗共振理论;研发新型钻杆材料及优化结构参数，实现低能耗破岩钻进。
(2)深井围岩稳定与支撑推进技术研究。分析深井围岩应力特征和变形特征演化规律，探究千米深井围岩流变特性及大变形破坏机理;基于深部地层高应力下的井帮稳定性控制理论，提出复杂条件下钢筋混凝土复合井壁设计方法，研发新型井壁材料与井壁支护材料，研究井壁壁后充填材料与井帮耦合机理，深井抗渗耐高温隔热材料;研究钻杆、钻头结构、钻架结构的性能及材料，发展装备支撑推进系统的智能感知和精准智能钻进技术。
(3)高效排渣技术研究。基于多相流理论，研究深井建设中反循环排渣三相流流场分布规律，分析多相流参数之间协调性和适用性[39-41];提出循环排渣输送U型管结构设计，分析液体输送单位排渣的能量消耗，确定固液比与提升高度之间的最优关系;研究排渣管道力学性能研究，研发排渣管道耐磨性材料。
4 结语与展望
(1)千米级竖井全断面机械破岩钻进势在必行。需要攻克深部复杂岩体高效破岩、同步支护、岩渣连续提升、姿态调整与精准钻进等关键技术，创新研制大直径深竖井全断面掘进装备;解决机械破岩效率与多相流循环高效排渣技术，并实现精准钻进的智能化控制是千米级竖井安全高效钻进的有效途径。
(2)针对深部复杂应力、高温和高水压钻井环境条件下，研究机械破岩机理及高效破岩刀具形制。建立高温及高围压岩石破岩实验系统，分析刀具与岩石之间的相互作用关系，获得不同刀具破岩时岩石的裂纹扩展演化规律，探究硬岩微观滚压破岩机理，研发破岩刀具新型耐磨材料、刀具形制和布置方式、以及智能换刀系统，实现机械能向岩石破碎能的高效转化，达到岩石从岩体的高效破碎分离的目的。
(3)以透明地层为基础的机械破岩钻井的工艺体系。在精准地质勘探、工作面超前地质探测和地层改性技术的条件下，建立破碎岩渣的流体运移的高效排渣、一体化和智能化的井帮同步支护、低功耗的井筒大功率电能能量传输系统、全断面掘进过程中风险判识及监控等系统的理论与工艺体系。
(4)创新研制大直径深竖井全断面掘进装备。满足井筒穿越地层多场耦合条件下的智能作业机械装备配套、适合流体介质排渣的钻头空间结构布置、无传动永磁直驱的旋转驱动和推进驱动系统，反力反扭矩传输的支撑结构体系，形成机械化、无人化、智能化的机械破岩钻进和控制系统。
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