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礦井建設(shè)科研成就60年

劉志強(qiáng)1，2，洪伯潛1，2，龍志陽(yáng)1，2

（1.煤炭科學(xué)研究總院 建井研究分院，北京  100013；2.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京  100013） 

摘  要：我國(guó)礦井建設(shè)技術(shù)不斷發(fā)展提高，為解決深厚沖積層和復(fù)雜地層中的礦井建設(shè)問(wèn)題起到關(guān)鍵作用。60年來(lái)，研究開發(fā)了特殊鑿井和井巷掘進(jìn)機(jī)械化等技術(shù)；從人工手抱鉆施工到半機(jī)械化掘進(jìn)、井巷機(jī)械化一條線掘進(jìn)、大型鉆機(jī)鉆井和全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，作了大量研發(fā)和工程應(yīng)用工作。煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究所（建井研究分院）自成立以來(lái)，在礦井建設(shè)技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究。主要介紹三法（凍結(jié)法鑿井、注漿法鑿井、鉆井法鑿井）一套（井巷機(jī)械化配套）技術(shù)，以及立井普通法施工和平巷掘進(jìn)、爆破與支護(hù)技術(shù)等的相關(guān)研究與應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：礦井建設(shè)；科研成就；井巷施工；施工設(shè)備；技術(shù)發(fā)展

中圖分類號(hào)：TD26      文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A      文章編號(hào)：1002-6029（2017）05-0001-05

Scientific Research Achievements of Mine Construction in Recent 60 Years

LIU Zhiqiang1,2，HONG Boqian1,2，LONG Zhiyang1,2

(1.Beijing China Coal Mine Engineering Company Limited,Beijing 100013,China; 2.National Engineering Laboratoryfor Deep Shaft Construction Technology in Coal Mine, Beijing 100013,China)

Abstract:In order to solve the mine construction in deep alluvium and complex formation plays a key role, ensure national coal base construction and production,make the summary of construction technology in China coal mine development especially in Yanzhou and other large area built.Development and research of special sinking technology are studied intensively such as freezing method,grouting method,drilling method, mechanization of coal roadway,semi-coal and rock roadway,tunneling mechanization,rock roadway mechanization and shaft sinking mechanization.From the hand holding drill to semi-mechanized roadway excavation,to mechanized line driving with large drilling rig,to TBM tunneling technology.Extensive research has been carried on mine construction technology since the Coal Science Research Institute was established.It mainly introduces the freezing method,grouting method,drilling method,reverse well method,shaft sinking, general construction of vertical shaft,excavation,blasting and support of rock roadway.

Key words:roadway construction technology;construction equipment;technical status;development prospects

1  普通法鑿井技術(shù)

1957年，成立北京煤炭科學(xué)研究院建井研究所，當(dāng)時(shí)就開展了立井掘、砌、安一次成井，短段掘砌、短段單行作業(yè)方式的研究。1966年以前，曾承擔(dān)鑿井用4層大吊盤、整體下移金屬活動(dòng)模板、大抓巖機(jī)、自動(dòng)翻矸裝置和立井砌壁機(jī)械化、裝配式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土井架等項(xiàng)目研究任務(wù)。1974―1983年，煤炭部、冶金部、一機(jī)部聯(lián)合組織立井掘進(jìn)機(jī)械化配套科研攻關(guān)會(huì)戰(zhàn)，取得近百項(xiàng)成果，為鑿井技術(shù)水平的提高和快速施工奠定了基礎(chǔ)。煤炭科學(xué)研究院上海所和北京建井所等單位，主要從事掘進(jìn)機(jī)械技術(shù)的研究，主要研究內(nèi)容為巖巷掘進(jìn)機(jī)械化與立井鑿井機(jī)械化。1983年以后，北京建井所承擔(dān)“六五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目――立井短段掘砌混合作業(yè)及其配套設(shè)備的研究，以深孔控制爆破技術(shù)為核心，整體金屬模板砌壁為重點(diǎn)，大型鑿井裝備為手段，以地面預(yù)注漿、工作面預(yù)注漿和壁后注漿等技術(shù)來(lái)綜合治理井下涌水，實(shí)現(xiàn)了打干井，保證了正規(guī)循環(huán)掘砌作業(yè)，滿足了千米鑿井需要。“六五” ―“八五”以來(lái)，進(jìn)行了立井快速施工技術(shù)的完善與推廣應(yīng)用。1988年，短段掘砌混合作業(yè)法被列入煤炭工業(yè)部重點(diǎn)推廣項(xiàng)目“50推”之中，在全國(guó)礦山建設(shè)單位逐步推廣應(yīng)用[1]；“八五”―“九五”期間，又被列入煤炭工業(yè)部“100推”和“100推”續(xù)集重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，并把經(jīng)過(guò)改進(jìn)的配套施工設(shè)備納入。

國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)課題“千米級(jí)深井基巖快速掘砌關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究”，對(duì)4.2 m段高掘砌正規(guī)循環(huán)作業(yè)及其配套施工設(shè)備進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)研究，設(shè)備配套、地面裝備實(shí)現(xiàn)了大型化。新型鑿井井架、大直徑提升機(jī)、大噸位鑿井絞車等的研制成功和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大容量吊桶和大直徑傘形鉆架的快速提升和重型吊盤、模板等鑿井設(shè)施的懸吊。井下施工裝備以液壓驅(qū)動(dòng)代替氣動(dòng)，提高了效率，降低了噪音，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。主要研發(fā)了新型液壓鑿巖鉆架和雙聯(lián)鉆架，鉆進(jìn)炮眼深度超過(guò)5 m；斗容為1.0 m3的大型液壓中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)（裝巖效率達(dá)到60 m3/h）以及用于代替人工清底的液壓挖裝機(jī)；直徑6.0～10.6 m的液壓整體金屬模板，實(shí)現(xiàn)了快速立拆模及井壁高效澆筑；針對(duì)深度超過(guò)千米及以上的井筒需要，為減少懸吊設(shè)施及懸吊重量，研制出邁步式整體模板和吊盤，利用井壁梁窩及液壓油缸，實(shí)現(xiàn)井筒內(nèi)鑿井裝備的無(wú)繩懸吊。工業(yè)性試驗(yàn)的目標(biāo)是依托新集礦區(qū)楊村煤礦千米立井建設(shè)工程，人員工效達(dá)2.0 m3/工[2]。

國(guó)家“十二五”863計(jì)劃課題“新型大井徑鑿井井架研制”，基于井筒直徑和深度的增大，井筒施工設(shè)備的布置范圍增大，鑿井井架懸吊的井內(nèi)吊盤和管線荷載也在逐步增大，我國(guó)已有的鑿井井架已不能滿足深大立井施工需要。邁步式鑿井吊盤研制，深大立井施工鑿井吊盤采用井壁吊掛技術(shù)，研制開發(fā)全液壓控制的邁步式吊盤設(shè)備機(jī)組并實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，可使深大立井施工技術(shù)得到發(fā)展，技術(shù)水平得以提升。

2  凍結(jié)法鑿井技術(shù)

1955年，我國(guó)與波蘭合作，首先在開深林西礦風(fēng)井采用凍結(jié)法鑿井技術(shù)。我國(guó)凍結(jié)法鑿井技術(shù)經(jīng)歷由淺沖積層到深厚沖積層，由東部不穩(wěn)定沖積層到西部富水軟巖等復(fù)雜地質(zhì)條件，由礦山立井、斜井凍結(jié)發(fā)展到地鐵水平凍結(jié)等階段。近年來(lái)，煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院開展了卓有成效的凍結(jié)技術(shù)基礎(chǔ)理論和工藝研究，在凍結(jié)壁設(shè)計(jì)、凍結(jié)孔布置與鉆進(jìn)技術(shù)、井壁結(jié)構(gòu)與新材料、掘砌工藝、環(huán)境效應(yīng)控制等方面，取得了重要成果，初步解決了600 m深厚沖積層和千米富水軟巖凍結(jié)鑿井技術(shù)難題；同時(shí)作為市政凍結(jié)技術(shù)的開拓者，開創(chuàng)的地鐵隧道交叉穿越凍結(jié)、淺覆土凍結(jié)、液氮凍結(jié)和免拔管凍結(jié)新技術(shù)，促進(jìn)了軌道交通建設(shè)技術(shù)的安全快速發(fā)展。

目前基本解決了井筒穿越600 m深厚沖積層凍結(jié)理論與關(guān)鍵技術(shù)。1998年，建井研究分院總結(jié)我國(guó)凍結(jié)施工及凍土力學(xué)研究成果，提出了以凍結(jié)壁(凍結(jié)管)變形極限為準(zhǔn)則的各變量分離的深凍結(jié)壁時(shí)空設(shè)計(jì)理論及公式；配制出適用于凍結(jié)段現(xiàn)澆井壁的C50～C90高強(qiáng)高性能混凝土，基本解決了凍結(jié)井壁混凝土收縮裂縫問(wèn)題，并在趙固二礦主、副、風(fēng)井成功應(yīng)用[3]。由于東部千米以內(nèi)煤炭資源逐漸枯竭，西部戰(zhàn)略應(yīng)運(yùn)而生，富水軟巖井筒多采用凍結(jié)法鑿井。千米深富水軟巖井筒凍結(jié)關(guān)鍵技術(shù)包括凍結(jié)壁設(shè)計(jì)、凍結(jié)造孔與防串水技術(shù)、控制凍結(jié)技術(shù)等。

近年來(lái)，凍結(jié)法鑿井平均以每年施工10個(gè)立井的速度增長(zhǎng)。在特殊地層井巷施工方法中，凍結(jié)法所占比重最大，已成為我國(guó)礦山特殊地層井巷施工和其他地下工程施工的主要方法。1955―2015年，采用凍結(jié)法鑿井，建成立井1 200個(gè)，累計(jì)長(zhǎng)度32.7萬(wàn)m，最大井筒凈直徑10.5 m。其中許多立井凍結(jié)深度超過(guò)了波蘭、前蘇聯(lián)、德國(guó)等國(guó)家。2011年開工建設(shè)項(xiàng)目甘肅省核桃峪礦副井，井深1 005 m，凈直徑9.0 m，凍結(jié)深度950 m，超過(guò)英國(guó)石膏礦立井930 m凍結(jié)深度的世界紀(jì)錄。

提出了斜井沿軸線凍結(jié)工藝。研究了傾斜凍結(jié)孔布置理論，斜井凍結(jié)壁發(fā)展規(guī)律，斜井凍結(jié)交圈判據(jù)；磁導(dǎo)向傾斜凍結(jié)孔定向鉆進(jìn)技術(shù)及裝備，傾斜凍結(jié)孔鉆進(jìn)、凍結(jié)管下放及安裝工藝，斜井凍結(jié)施工過(guò)程中井幫變形的時(shí)空規(guī)律、井幫變形與凍結(jié)管受力狀態(tài)之間的相關(guān)關(guān)系、凍結(jié)管斷裂不同階段的信號(hào)響應(yīng)特征、在線監(jiān)測(cè)與斷裂預(yù)警技術(shù)；斜井凍結(jié)設(shè)備選型、交圈檢測(cè)及開挖時(shí)間確定，井筒掘進(jìn)技術(shù)及裝備，井壁安裝測(cè)試及優(yōu)化，凍融沉降及井壁控制滲漏技術(shù)，為今后長(zhǎng)斜井凍結(jié)技術(shù)的工業(yè)性應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

自上世紀(jì)90年代末起，北京中煤礦山工程有限公司在國(guó)內(nèi)開發(fā)了水平凍結(jié)技術(shù)，并成功應(yīng)用于北京、上海和廣州等一線大城市的地鐵工程后，人工地層凍結(jié)技術(shù)逐步進(jìn)入到市政地下工程建設(shè)領(lǐng)域，并起到了越來(lái)越重要的作用。以上海軌道交通4號(hào)線隧道下穿1號(hào)線上體場(chǎng)站隧道凍結(jié)工程為背景，研究得出了凍脹與結(jié)構(gòu)相互作用規(guī)律及其工程對(duì)策，創(chuàng)新長(zhǎng)距離夯管施工技術(shù)，提出了分臺(tái)階開挖支護(hù)方案和“多點(diǎn)、均勻、少量、多次”的融沉治理方法，成功完成了世界首例軌道交通立體交叉零距離穿越工程。除通常的鹽水凍結(jié)外，在地鐵盾構(gòu)隧道地基加固、地下工程修復(fù)和應(yīng)急搶險(xiǎn)等工程施工中，還應(yīng)用了液氮快速凍結(jié)技術(shù)[3]。

3  注漿法鑿井技術(shù)

上世紀(jì)70―80年代，研究完善配套了各種注漿專用設(shè)備、機(jī)具和儀器，工作面預(yù)注漿、地面預(yù)注漿工藝技術(shù)得到廣泛推廣應(yīng)用。研制出化學(xué)注漿配套的2MJ-3/40型隔膜計(jì)量注漿泵、NJY-1型凝膠時(shí)間測(cè)定儀和注漿專用的YSB-250/120、YSB-300/20型液力調(diào)速注漿泵，以及DZJ500-1000型凍結(jié)注漿鉆機(jī)、ZGS-1型水力膨脹式單管止?jié){塞、KWS型卡瓦式止?jié){塞、CL-2型超聲波流量計(jì)、ZSJ-300型攪拌機(jī)組等注漿機(jī)具設(shè)備。采用止?jié){墊和巖帽的工作面注漿技術(shù)、分段止?jié){的地面預(yù)注漿技術(shù)逐漸成熟，大量應(yīng)用于工程實(shí)踐，井筒地面預(yù)注漿鉆孔減少到6～8個(gè)，并開發(fā)了多種以水泥為主的系列注漿材料，預(yù)注漿逐漸成為煤礦立井井筒施工的成熟技術(shù)手段。

1990年以后，注漿技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展完善。學(xué)習(xí)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)了以黏土-水泥漿為核心的綜合注漿法技術(shù)，改變了煤礦地面預(yù)注漿以水泥漿為主的局面，開始了黏土-水泥漿注漿時(shí)代，注漿質(zhì)量得到保證，工期縮短，成本降低。深井注漿技術(shù)不斷突破，注漿深度由600多m增加到1 100多m。研究了“凍-注-鑿”三同時(shí)鑿井技術(shù)、“鉆-注”平行作業(yè)技術(shù)、深井L型鉆孔地面預(yù)注漿技術(shù)、井筒過(guò)采空區(qū)地面預(yù)注漿加固技術(shù)。各種特殊性能和用途的注漿材料，包括：黏土-水泥漿、鉆井廢棄泥漿、速凝早強(qiáng)水泥漿液、單液水泥基復(fù)合加固漿液、高摻量粉煤灰水泥漿液、水泥-粉煤灰-水玻璃雙液速凝漿液、改性脲醛樹脂和水玻璃化學(xué)漿液等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有超過(guò)200個(gè)煤礦立井井筒，采用了地面預(yù)注漿技術(shù)進(jìn)行堵水加固。同時(shí)在軟土地基加固方面，研發(fā)了三重管高壓旋噴注漿技術(shù)、雙高壓高噴注漿技術(shù)、振沖注漿技術(shù)等，在市政地鐵建設(shè)中，得到大范圍應(yīng)用，取得了較好的效果。

1955年，我國(guó)新汶礦區(qū)成功應(yīng)用了工作面預(yù)注漿技術(shù)；1958年，峰峰薛村礦成功完成了地面預(yù)注漿。截至目前，采用注漿技術(shù)施工的立井約有150多個(gè)，最大注漿深度1 l05 m。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到上世紀(jì)90年代末，采用預(yù)注漿技術(shù)施工的立井有256個(gè)。其中地面預(yù)注漿立井約有150個(gè)，地面預(yù)注漿鉆孔最深達(dá)到 1 078.2 m；工作面預(yù)注漿立井約有109個(gè)，工作面注漿最大深度達(dá)到1 110.4 m，斜井注漿最大斜長(zhǎng)達(dá)到1 157.6 m。

4  鉆井法鑿井技術(shù)

我國(guó)用鉆井法于1969年首先施工成功，目前鉆井綜合技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。到2016年，鉆井法鑿井在我國(guó)已竣工130個(gè)立井，其中深度超過(guò)300 m的有40個(gè)，深度超過(guò)400 m的有30個(gè)。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)已成功運(yùn)用鉆井法成井20多個(gè)，總深度超過(guò)20 km，通過(guò)沖積層厚度由300多m增加到目前的580多m。另有鄆城礦風(fēng)井深度在650 m左右，板集煤礦主、副、風(fēng)3個(gè)立井已完成施工。鉆井法鑿井技術(shù)主要研究內(nèi)容包括：鉆井工藝、大型鉆井機(jī)、破巖刀具、鉆井井壁和壁后填充、鉆井泥漿以及反井鉆機(jī)。包括在1969年國(guó)內(nèi)首次使用鉆井法鉆成朔里南風(fēng)井，針對(duì)大屯地質(zhì)條件；對(duì)超前鉆頭和擴(kuò)孔鉆頭的結(jié)構(gòu)完成了改進(jìn)；研制成功XZ型巖石滾刀和XC型沖積層滾刀，開發(fā)出黏土層抑制造漿技術(shù)和廢漿處理設(shè)備與工藝；立井永久井壁支護(hù)由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展為單層或雙層鋼板混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)。

豎井鉆機(jī)鉆井技術(shù)取得新進(jìn)展。本世紀(jì)初，為解決深厚沖積層煤炭開發(fā)難題，首先開展了深厚沖積層鉆井法鑿井關(guān)鍵技術(shù)研究。該項(xiàng)研究以深厚沖積層覆蓋的巨野煤田為研究目標(biāo)，針對(duì)鉆井法鑿井深厚黏土層蠕變控制的泥漿護(hù)壁技術(shù)、能承受高地壓和高水壓的新型井壁結(jié)構(gòu)、井壁懸浮下沉工藝、機(jī)械化壁后充填技術(shù)進(jìn)行研究，形成了以龍固雙主井為代表的深厚沖積層鉆井工藝，取得多項(xiàng)技術(shù)突破，快速、安全地建成了新汶龍固煤礦。“十一五”期間，為解決鉆井法鑿井速度低、破巖滾刀消耗量大、泥漿長(zhǎng)期占地和污染等技術(shù)難題，以兩淮礦區(qū)深厚沖積層鉆井法施工典型工程為背景，開展了大直徑井筒“一擴(kuò)成井”、小直徑井筒“一鉆成井”技術(shù)裝備研究。該項(xiàng)研究以理論分析、數(shù)值分析為基礎(chǔ)，以大能力液壓豎井鉆機(jī)、分臺(tái)階“T”型鉆頭、“L”型密封的高耐壓破巖滾刀為裝備保障，研發(fā)的新型超前和擴(kuò)孔鉆具結(jié)構(gòu)、新型破巖（土）滾刀，提高了破巖能力和排渣效率，廢棄泥漿作為注漿材料和全部固化創(chuàng)新成果，實(shí)現(xiàn)了大幅提高鉆井法成井速度，有效減少環(huán)境污染。該項(xiàng)技術(shù)在淮北袁店二礦、信湖煤礦和皖北朱集西礦等礦井井筒施工中，得到成功應(yīng)用，標(biāo)志著我國(guó)鉆井法施工技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的高度。

“十二五”期間，在“863”項(xiàng)目支持下，開展了豎井掘進(jìn)機(jī)的研究，完成了首臺(tái)豎井掘進(jìn)機(jī)研制。該項(xiàng)研究以豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井工藝研究為基礎(chǔ)，針對(duì)有導(dǎo)井井筒特點(diǎn)，形成了具有整體框架、多點(diǎn)支撐、多油缸推進(jìn)、變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、錐形可擴(kuò)展鉆頭結(jié)構(gòu)和空間分層布置、低功率輸入等特點(diǎn)的豎井掘進(jìn)機(jī)，為井筒機(jī)械化施工提供了新的選擇[4]，也為將來(lái)上排渣豎井掘進(jìn)機(jī)研究打下了基礎(chǔ)，對(duì)2 000 m深地資源開發(fā)具有重要意義。

5  反井法鑿井技術(shù)

上世紀(jì)70年代起，煤炭系統(tǒng)開始研制反井鉆機(jī)；1985年又引進(jìn)了美國(guó)羅賓斯公司的83R-HE型反井鉆機(jī)。1986年，煤炭科學(xué)研究總院北京建井所在國(guó)家“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目支持下，完成了 LM-120型反井鉆機(jī)研制工作，此后又研制成功LM-200、LM-90和BMC100～400型系列反井鉆機(jī)。1987―1994年，煤炭科學(xué)研究總院南京所研制成功了ATY-1500、ZFYD-2500和1200低矮型等多種類型反井鉆機(jī)。這些反井鉆機(jī)應(yīng)用于我國(guó)許多煤礦，施工了井下煤倉(cāng)、溜煤眼及其他用途的暗井工程。目前，煤礦反井工程最小直徑為0.75 m，最大直徑為5.3 m，最大鉆井深度560 m。

從上世紀(jì)80年代研制小型反井鉆機(jī)，用于解決煤礦井下暗井、煤倉(cāng)施工的安全和效率問(wèn)題開始，反井鉆機(jī)全面取代了其他落后的反井施工方法。進(jìn)入21世紀(jì)，煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院以堅(jiān)硬巖石、大直徑深井井筒為目標(biāo)，通過(guò)大型反井鉆井技術(shù)裝備研制和導(dǎo)孔鉆進(jìn)軌跡控制技術(shù)、煤礦大直徑風(fēng)井反井鉆井關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究，形成了適合煤礦井筒的反井鉆井新工藝。所研制的BMC系列反井鉆機(jī)，鉆孔直徑從0.75～5.0 m，鉆井深度從100～600 m，在不同的地質(zhì)條件下，鉆成直徑為3.5，5.0和5.3 m的多條煤礦采區(qū)風(fēng)井及電站、隧道通風(fēng)豎井。井筒鉆進(jìn)期間，人員全部地面作業(yè)，鑿井安全問(wèn)題得到根本解決。所研制的系列破巖滾刀，解決了堅(jiān)硬的、磨蝕性強(qiáng)的火成巖有效鉆進(jìn)、刀具壽命問(wèn)題，為電站、抽水蓄能電站建設(shè)提供了先進(jìn)的技術(shù)及裝備，促進(jìn)了建井技術(shù)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益十分顯著。

6  凍注鑿三同時(shí)鑿井技術(shù)

上世紀(jì)90年代中后期，煤礦基建投資發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變，國(guó)家不再直接投資，而代之以集資、貸款或股份制的形式。投資性質(zhì)的變化，使建設(shè)單位對(duì)建井速度提出了更高的要求。立井850 m深的礦井，基建投資需4億元，每年利息就達(dá)    2 000多萬(wàn)元，3～4年建成，貸款利息將成為企業(yè)的沉重負(fù)擔(dān)，這是一對(duì)尖銳的矛盾。深井三同時(shí)快速鑿井新技術(shù)就是在這種背景下提出的，并在邢東礦副井成功應(yīng)用[5]。

凍注鑿三同時(shí)，就是將傳統(tǒng)的凍結(jié)、注漿、鑿井依次施工，通過(guò)一定的技術(shù)手段，使三者在同一立井、同一時(shí)間同時(shí)施工，達(dá)到縮短立井建設(shè)工期目的的新方法。平面上，凍結(jié)管圈位于立井荒徑周邊附近，井架位于立井荒徑之外，最外面布置注漿用定向鉆進(jìn)鉆塔；剖面上，自上而下，依次為立井凍結(jié)段、立井掘進(jìn)段和立井注漿段。

7  平巷掘進(jìn)技術(shù)

巷道掘進(jìn)施工是一個(gè)復(fù)雜的多工序交替進(jìn)行的過(guò)程，破巖、裝載、轉(zhuǎn)載、運(yùn)輸、支護(hù)是其主要工藝。破巖工藝主要有鉆爆法和機(jī)掘法，巖巷掘進(jìn)仍以鉆爆法為主，特別是在中等以上硬度的巖層中，是唯一的經(jīng)濟(jì)有效的施工方法，目前已形成以氣腿式鑿巖機(jī)和全液壓鉆車為主要設(shè)備的作業(yè)線；而機(jī)掘法主要以懸臂式掘進(jìn)機(jī)或全斷面掘進(jìn)機(jī)為主要設(shè)備。煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究所（以下簡(jiǎn)稱北京建井所）先后承擔(dān)國(guó)家“六五”、“七五”、“八五”裝巖機(jī)方面的課題，性能指標(biāo)均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

20世紀(jì)50年代，巖石平巷多采用先小斷面掘進(jìn)，然后再刷大到設(shè)計(jì)要求斷面（通常要經(jīng)過(guò)多次刷擴(kuò)，才能達(dá)到設(shè)計(jì)斷面）的施工方法，進(jìn)行成巷作業(yè)。60年代，京西煤礦超嶺平硐與西山平硐掘進(jìn)隊(duì)和淮北礦區(qū)楊莊礦與皇后窯礦掘進(jìn)隊(duì)，創(chuàng)造一次成巷作業(yè)法。即把在巖巷施工中的掘進(jìn)、砌壁、砌水溝、鋪永久軌道4部分工程視為一個(gè)整體，有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，在一定的距離內(nèi)，相互保持適當(dāng)?shù)木嚯x，同時(shí)施工，一次做成設(shè)計(jì)要求的巷道。一次成巷作業(yè)法的出現(xiàn)，立即受到廣大煤礦職工的重視。70年代中期，我國(guó)開始研制耙斗式裝巖機(jī)，逐步取代鏟斗后卸式裝巖機(jī)，成為裝巖的主要設(shè)備。錨噴支護(hù)技術(shù)的推廣和膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)的成功應(yīng)用，較好地解決了煤礦巖巷支護(hù)和轉(zhuǎn)載的機(jī)械化問(wèn)題。以耙斗裝巖機(jī)為主的機(jī)械化作業(yè)線，設(shè)備簡(jiǎn)單可靠，使用靈活方便，以較快的速度，得到推廣，成為巖巷施工機(jī)械化配套的主要形式，創(chuàng)造了一批巖巷施工記錄。

20世紀(jì)80年代，在對(duì)國(guó)外技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開始進(jìn)行以側(cè)卸式裝巖機(jī)為主的機(jī)械化作業(yè)線試驗(yàn)和推廣工作。北京建井所等單位，在新汶礦區(qū)協(xié)莊煤礦，試驗(yàn)以多臺(tái)氣腿式鑿巖機(jī)、側(cè)卸式裝巖機(jī)為主的作業(yè)線；在斷面14.46 m2、長(zhǎng)度406 m的巖巷中，創(chuàng)造平均月進(jìn)81.2 m好成績(jī)。其主要配套設(shè)備為YTP-26型氣腿式鑿巖機(jī)、ZC-1B型側(cè)卸式裝巖機(jī)、ZP-1型膠帶式轉(zhuǎn)載機(jī)、HT-1.5型橫向調(diào)車器、CDXT-2.5型蓄電池電機(jī)車、ZHP-2型混凝土噴射機(jī)、JZB-1型激光指向儀等。1986年，我國(guó)在對(duì)國(guó)外技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了鉆車國(guó)產(chǎn)化，以液壓鉆車、側(cè)卸式裝巖機(jī)為主的機(jī)械化作業(yè)線，開始在我國(guó)煤礦推廣使用，并取得了可喜的成績(jī)。1991年，為全國(guó)12個(gè)工程處裝備了主要設(shè)備，有CTH-10型或LC-12型雙臂液壓鉆車、ZC-2型側(cè)卸式裝巖機(jī)、SD800/10.5型膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)、混凝土噴射機(jī)和蓄電池電機(jī)車等，機(jī)械化作業(yè)線使用效果良好。

1986―1989年，煤炭工業(yè)重點(diǎn)項(xiàng)目“中硬巖石巷道中深孔光爆技術(shù)與參數(shù)的研究”，由北京建井所、中國(guó)統(tǒng)配煤礦總公司第十工程處承擔(dān)研究任務(wù)，用于中硬巖石巷道中深孔爆破作業(yè)，實(shí)行光面爆破，尋求2.5～3.0 m中深孔合理爆破參數(shù)，使其炮眼利用率達(dá)到85%；圍巖超欠挖不大于150 mm；眼痕率達(dá)到70%，提高巷道成形質(zhì)量和圍巖穩(wěn)定性；飛石距離控制在15 m以內(nèi)，炸藥單耗及工作面炮孔數(shù)目較定額值低10%。最終達(dá)到加快巷道掘進(jìn)速度，提高鉆、裝機(jī)械化工作效率，降低掘進(jìn)與支護(hù)成本目的。

8  錨噴支護(hù)技術(shù)

巷道支護(hù)技術(shù)方面，我國(guó)煤礦先后經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、型鋼支護(hù)到錨桿支護(hù)的漫長(zhǎng)過(guò)程，如今錨噴已成為巷道支護(hù)的主要形式。我國(guó)在錨桿支護(hù)理念、支護(hù)材料、設(shè)計(jì)方法、監(jiān)測(cè)技術(shù)、數(shù)值模擬等方面，均取得了重大進(jìn)展，這不僅提升了我國(guó)煤礦巷道支護(hù)整體水平，還使巷道支護(hù)效果和成巷速度大幅提高，錨噴現(xiàn)已成為煤礦巷道首選的、安全高效的支護(hù)方式。北京建井所早期就投入錨噴支護(hù)技術(shù)的開發(fā)研究，目前已在錨桿材料、施工機(jī)具、施工工藝以及支護(hù)理論和量測(cè)儀表等方面，取得科研成果數(shù)十項(xiàng)，推動(dòng)巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展；此外，還承擔(dān)了國(guó)家“七五”攻關(guān)項(xiàng)目“淮南新莊孜礦錨噴軟巖支護(hù)”與國(guó)家“八五”攻關(guān)項(xiàng)目“新型錨桿的研制”、“快速樹脂錨固劑”、“錨噴支護(hù)專家系統(tǒng)”、“錨噴支護(hù)圍巖分類”等，其中“八五”攻關(guān)項(xiàng)目1996年獲國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目成果獎(jiǎng)。

1976年，北京建井所首先研制成功了M-1型樹脂錨桿（包括76型樹脂錨固劑），此后又陸續(xù)研制成功了115型松香樹脂錨固劑和82型快速樹脂錨固劑，使樹脂錨桿在推廣應(yīng)用中不斷改進(jìn)和提高；“八五”期間，又完成了低成本速凝樹脂錨固劑的攻關(guān)研究，使樹脂錨桿躍上一個(gè)新臺(tái)階。水泥錨桿錨固劑是北京建井所20世紀(jì)80年代的科研項(xiàng)目，在國(guó)內(nèi)屬領(lǐng)先水平。為提高巖巷掘進(jìn)速度，緩解采掘接替緊張關(guān)系，北京建井所于1991年，又將小錨桿與小鉆頭、小炸藥卷共同組成“三小”作業(yè)線，開展研究，研究成功了小直徑高效水泥錨桿，錨固卷直徑27 mm，長(zhǎng)度230 mm，節(jié)約水泥30%～40%，先后在鶴壁、淮南、兗州、淮北等近30個(gè)局礦的150個(gè)工作面推廣應(yīng)用，與“三小”作業(yè)線一起，使每m巷道降低造價(jià)10%。

北京建井所開發(fā)研究了預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)，經(jīng)過(guò)10多年的配套研究和實(shí)踐探索，已形成系列錨固劑產(chǎn)品，并完善了配套機(jī)具和施工工藝，在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)揮了積極作用。1990年，北京建井所運(yùn)用錨索支護(hù)技術(shù)，成功地處理了哈密露天礦邊坡加固問(wèn)題；1994年，又運(yùn)用錨索支護(hù)技術(shù)，承接了深圳、廣州等地的深基坑護(hù)壁工程項(xiàng)目。至此，此項(xiàng)技術(shù)不僅在煤礦井巷加固工程中，發(fā)揮了積極作用，而且廣泛應(yīng)用于巖土工程，帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益，也將錨桿支護(hù)技術(shù)水平提高了一大步。

2007―2011年，北京建井所進(jìn)行了SPL系列濕式混凝土噴射機(jī)的研制；研制的SPL-4型濕式混凝土噴射機(jī)，先后在開灤礦務(wù)局趙各莊煤礦及北京昊華能源木城澗煤礦進(jìn)行了試驗(yàn)，于2008-03-14取得國(guó)內(nèi)首臺(tái)濕噴機(jī)安標(biāo)，并于2009-02-26通過(guò)中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)組織的成果鑒定。隨后，根據(jù)煤礦需求，北京建井所開始研制SPL-6型濕式混凝土噴射機(jī)，并在山東能源新礦集團(tuán)趙官能源公司及宣崗焦家寨煤礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，濕噴混凝土平均強(qiáng)度比干噴高70%以上，噴射混凝土最大回彈率由40%降低到8.5%，粉塵濃度由原來(lái)的100 m/m3降低到10 mg/m3以下，噴層質(zhì)量安全性大大提高，經(jīng)濟(jì)效益、質(zhì)量安全效益、社會(huì)環(huán)保效益等非常明顯。

9  工程加固技術(shù)

2002―2011年，煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院支護(hù)所由煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展到了市政建筑行業(yè)，成立了天地科技金草田（北京）科技有限公司，自主研發(fā)的“金草田”牌加固產(chǎn)品和礦用材料已成為國(guó)內(nèi)最有影響的品牌。其中建筑用錨固樹脂膠被建設(shè)部鑒定為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)產(chǎn)品性能；并被列為建設(shè)部科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。公司生產(chǎn)的產(chǎn)品已有六大類，30多種，包括粘鋼膠、植筋膠、工業(yè)耐磨膠、碳纖維、環(huán)氧膠粘劑、環(huán)氧防銹漆和高強(qiáng)耐磨材料等材料。公司開展了工業(yè)民用建筑，如選煤廠、膠帶走廊、橋梁、廠房等建（構(gòu)）筑物補(bǔ)強(qiáng)加固或改造工程的檢測(cè)、設(shè)計(jì)和施工工作，承接了西哈努克親王官邸加固、中山公園音樂(lè)堂加固、國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)住宅樓加固、江南大橋加固、深圳地鐵大廈加固、川煤集團(tuán)龍灘煤礦洗煤廠煤倉(cāng)加固、山西天地王坡煤礦洗煤廠棧橋加固等百余項(xiàng)工程項(xiàng)目。

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作者簡(jiǎn)介：劉志強(qiáng)（1962―），男，河北保定人，研究員。

引用格式：劉志強(qiáng)，洪伯潛，龍志陽(yáng).礦井建設(shè)科研成就60年[J].建井技術(shù)，2017，38（5）：