習近平總書記指出：“向地球深部進軍是我們必須解決的戰略科技問題”。向地下要空間、向深部要資源已成為國家戰略。“關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的。只有把關鍵核心技術掌握在自己手中才能從根本上保障國家經濟安全、國防安全和其他安全。”

豎井是進入深部地下空間的咽喉傳統鉆爆法施工技術落后，難以滿足安全、高效、綠色建井需求。研發硬巖豎井全斷面掘進機施工技術，實現打井不下井，是建井人的夢想。豎井全斷面掘進機涉及機械、電氣、巖土、材料等多學科領域，技術集成度高、難度大。目前，國內外硬巖豎井上排渣全斷面掘進技術尚處于起步階段。

由于巖層探識、巖石破碎、巖渣集運和巖體支護等關鍵技術難題尚未得到有效解決，阻礙了豎井全斷面掘進機的研發和應用。因此，千米級豎井全斷面掘進技術被列入《2019年中國科協發布的20個重大科學問題和工程技術難題》。2021年《千米豎井硬巖全斷面掘進機關鍵技術與裝備》被列入十四五重點研發計劃。

針對上述關鍵問題，項目團隊在國家重點研發計劃項目支持下，制定了總體研究思路：通過開發近遠區巖性探測識別新方法，保障地質信息探得清；創新錐形刀盤滾刀破巖新理論，實現大體積硬巖破得快；研制干濕雙模垂直上排渣新技術，確保巖渣排得暢；發明掘進支護協同施工新工藝，實現不同等級圍巖支得穩

創新一：開發了基于隨掘平臺的近遠區巖性探測識別新方法，研發了刀盤破巖震動波監測和巖石強度智能識別系統，保障了地質信息探得清。一是提出了基于反射波差異特征的地質體判識方法針對傳統地層探測方法耗時長、工序轉化繁雜，導致全斷面掘進連續性差的難題，研制了刀盤破巖振動波監測系統，利用《集合經驗模態分解希爾伯特黃變換》方法解析典型地質體反射波時頻特征實現了刀盤前50m范圍內的巖層識別，從而助力掘進機連續安全作業。二是開發了基于掘進參數的近區巖石強度智能識別系統針對掘進過程中巖石力學參數反饋不及時，導致掘進機工作參數調整遲滯難題，建立了掘進機工作參數與巖石強度機器學習數據庫，構建了基于《貝葉斯優化輕量梯度提升機》算法的巖石強度預測模型識別準確率達90%，為掘進機工作參數實時調整，保障高效破巖提供依據。

創新二：揭示了錐面型刀盤滾刀破巖機理，發明了豎井掘進雙錐面型刀盤，實現了大體積硬巖破得快。一是揭示了大體積硬巖機械破碎機理針對現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際差異大的問題，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與刀盤錐角的關系，為研發新型刀具和刀盤提供理論支撐。二是發明了雙錐面型刀盤針對傳統刀盤存在巖渣無法聚集、二次破碎嚴重問題，創新設計了雙錐面型刀盤，獲得了雙錐面型刀盤滾刀破巖和聚渣規律，據此研制了破巖與聚渣協同的新型型刀盤（直徑9.53m），破巖效率達每小時36.5m3

創新三：首創了豎井掘進機干濕雙模垂直排渣技術，研發了多級垂直上排渣系統，確保了巖渣排得暢。一是建立了多尺度巖渣多相流動模型與濕式排渣系統針對多尺度巖渣多相流動特性不清晰，攜渣效率低的問題，構建了巖渣與不同濃度料漿的多相流動模型，揭示了多尺度巖渣多相流場分布規律，研制了基于泥水環流的濕式排渣系統，實現了排渣效率≥40m/h。二是構建了斗輪機箕斗的多級干式排渣系統針對干式上排渣技術不成熟，巖渣長距離提升效率低的問題，構建了巖渣多級輸送系統協調作業模型，優化設計了斗輪機、皮帶輪、箕斗等組成的干渣多級輸送系統，實現了巖渣的長距離垂直連續輸送，排渣能力≥46m/h

創新四：提出了不同等級圍巖差異化支護方案，構建了豎井全斷面掘進與支護協同施工工藝，實現了不同等級圍巖支得穩。一是提出了不同等級圍巖差異化支護方案針對圍巖井壁變形規律與破壞機制不明確的問題建立了圍巖井壁協調變形力學模型；揭示了圍巖應力場、變形場演化特征；有效控制了不同等級圍巖的變形，保證了井筒安全服役。二是研發了豎井全斷面掘進協同支護技術針對支護裝備與豎井全斷面掘進機不適配，掘進支護協同難的問題，發明了全自動液壓模板，實現了四五級圍巖的安全高效支護研發了適用于一二三級圍巖的錨噴快速支護施工技術，形成了豎井全斷面掘進協同支護工藝技術體系，實現了施工的掘進與支護平行作業。

與同類技術相比，項目針對巖層探識和巖體支護難題，研發的全斷面掘進隨掘探識技術和協同支護技術，填補了豎井工程領域技術空白；針對巖石破碎和巖渣集運難題，發明的破巖與聚渣協同的新型型刀盤和干濕雙模式出渣系統，屬于國內外首創。以邵安林院士為組長的成果評價委員會認為項目成果整體達到國際領先水平。研究成果獲授權發明專利21件，實用新型件，發表論文26篇。制定了立井掘進機施工技術行業標準。《千米豎井硬巖全斷面掘進機》獲日內瓦國際發明專利金獎。

全球首臺套干濕雙模豎井全斷面掘進機蜀暢號，完成了深292.5m的火山隧道通風豎井施工，最快掘進速度達4.1m/單班（8h）。全球首臺千米級硬巖豎井全斷面掘進機鋼鐵脊梁號，正在鞍鋼集團西鞍山鐵礦深1003m的措施井中調試應用。三年，直接經濟效益達2.2億元。培養了博碩士研究生27人。成果被中央電視臺四川衛視等多家媒體報道。項目研究是貫徹落實習近平總書記給北京科技大學重要回信精神的生動實踐，項目組將與行業企業一道，共同促進鋼鐵產業創新發展、綠色低碳發展，為鑄就科技強國、制造強國的鋼鐵脊梁做出新的更大的貢獻。

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