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中國煤炭學(xué)會(huì)

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煤礦建設(shè)學(xué)科發(fā)展報(bào)告
發(fā)布時(shí)間: 2014年12月24日
來源: 中國煤炭學(xué)會(huì)
1.煤礦建設(shè)(井巷工程)學(xué)科定義及其在國家科技發(fā)展中的地位
  在煤炭行業(yè)中,井巷工程主要包括礦山建設(shè)工程、開拓工程、延深工程和輔助工程等。礦山建設(shè)工程是指為了將煤炭從地下采出,從地表開始開鑿直至煤層的一系列井筒、巷道與硐室工程;開拓工程是指礦井生產(chǎn)過程中,為保證采煤工作面與采區(qū)的正常接續(xù)所開鑿的水平或傾斜巷道、硐室等工程;延伸工程是指為保證開采水平的接續(xù)所進(jìn)行的井筒延深和新水平的巷道開拓工程;輔助工程則指為了保證采礦活動(dòng)的安全,開鑿的一系列運(yùn)輸、排水、通風(fēng)及行人巷道、硐室等工程。
  在礦山建設(shè)的三大工程(井巷工程、土建工程和機(jī)電安裝工程)中,井巷工程量占總工程量的50%~70%,甚至更多,因此井巷工程是決定礦山建設(shè)工程質(zhì)量和工期的關(guān)鍵因素。另一方面,井巷工程與采礦生產(chǎn)緊密相連,是煤炭生產(chǎn)過程中最基本、最主要的壞節(jié)。在我國井巷工程設(shè)計(jì)與施工中,一直貫徹"以掘保采,以采促掘,采掘并舉,掘進(jìn)先行"的方針。因此,煤炭工業(yè)的發(fā)展依賴于井巷工程學(xué)科的發(fā)展和進(jìn)步。
  井巷工程學(xué)科的進(jìn)步不僅與相關(guān)學(xué)科的發(fā)展息息相關(guān),而且井巷工程所面臨的更復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境、更困難的工程條件、更嚴(yán)格的工程要求等均為相關(guān)學(xué)科科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了平臺(tái)和動(dòng)力。在國際日益白熱化"三深"(深空、深海、深地)科技競(jìng)爭(zhēng)中,相對(duì)而言"深地"的研究更為薄弱和困難,而井巷工程學(xué)科則對(duì)我國"深地"科學(xué)研究賦有不可推卸的重大使命。因此,井巷工程學(xué)科不僅對(duì)相關(guān)學(xué)科建設(shè)具有重要的意義,而且在國家科技發(fā)展中處于特殊的地位。
  2.學(xué)科發(fā)展規(guī)律與趨勢(shì)
  井巷工程學(xué)科發(fā)展的動(dòng)力來自于國家對(duì)深部地下開發(fā)的重大需求,始終服務(wù)于國家能源安全戰(zhàn)略與重大地下工程建設(shè)。井巷工程學(xué)科需要適應(yīng)礦山工程和地下工程深度和規(guī)模的不斷加大,環(huán)境和條件的日益惡化以及工程要求的不斷提升的需求。井巷工程學(xué)科水平的提升不僅源自學(xué)科本身的進(jìn)步,而且必將得益于和有益于相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。
 ?。?)工程規(guī)模不斷加大
  隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展,井巷工程所面臨的工程規(guī)模不斷加大。立井井筒深度更大,千米深井,甚至2000~3000m的深井建設(shè)是未來5~10年井巷工程科學(xué)研究與建設(shè)的主要對(duì)象;井筒斷面從6m增加到10m,凈直徑10m以上的立井井筒越來越成為施工主體;井下巷道更長(zhǎng),斷面更大,巷道之間的空間關(guān)系更復(fù)雜;井下硐室體量越來越大,單一硐室的開掘和支護(hù)理論和技術(shù)已基本成熟,但硐室群的結(jié)構(gòu)體系更加復(fù)雜,其整體設(shè)計(jì)、施工、穩(wěn)定將成為新的課題。
 ?。?)環(huán)境條件更為復(fù)雜
  隨地下深度和工程規(guī)模的不斷加大,井巷工程所面臨的地質(zhì)、水文地質(zhì)等環(huán)境條件更為復(fù)雜。井巷工程的地壓更大、水壓更大、巖性更加軟弱與復(fù)雜。
  特別需要指出的是,我國西部礦區(qū)井巷工程所穿越或進(jìn)入的巨厚白堊系、侏羅系地層普遍呈現(xiàn)出的高角度X型共軛剪切節(jié)理(裂隙、裂縫)發(fā)育,圍巖巖石原始軟化、暴露風(fēng)化、浸水泥化、振動(dòng)松化等特點(diǎn),說明該地區(qū)井巷工程圍巖賦有前所未有的特殊性質(zhì),是我國西部礦山安全建設(shè)和地下空間開發(fā)的核心和基本難題。
  (3)科學(xué)研究更加深入
  井巷工程學(xué)科將在隨對(duì)自然認(rèn)知更為科學(xué)的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新與發(fā)展。
  井巷工程學(xué)科將從主要考慮圍巖的宏觀力學(xué)行為,向宏觀、中觀、細(xì)觀以及微觀等多尺度協(xié)同,固、液、氣多介質(zhì),水分、溫度、力學(xué)、化學(xué)多場(chǎng)耦合等方向發(fā)展,以揭示巖石、土、凍土,甚至含中觀結(jié)構(gòu)圍巖介質(zhì)的本質(zhì)特性。
  隨井巷工程支護(hù)方法由單一支護(hù)向多層復(fù)合支護(hù),錨、噴、網(wǎng)、注、型鋼聯(lián)合支護(hù)體系方向發(fā)展。學(xué)科將更加注重支護(hù)體系與圍巖的相互作用,更加注重利用圍巖的自身承載能力維護(hù)地下空間。
  更大噸位的三軸試驗(yàn)系統(tǒng)、大型物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)等試驗(yàn)裝置,CT、掃描電鏡等先進(jìn)的試驗(yàn)測(cè)試技術(shù),離散元、邊界元、無網(wǎng)格方法等不斷發(fā)展的數(shù)值分析技術(shù),大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新的信息分析技術(shù)等將促使井巷工程的科學(xué)研究手段不斷進(jìn)步,學(xué)術(shù)水平不斷提升。
  (4)學(xué)科交叉越加強(qiáng)烈
  傳感與檢測(cè)技術(shù)、液壓與控制技術(shù)、自動(dòng)化與智能化技術(shù)、信息與計(jì)算機(jī)技術(shù),以及力學(xué)、采礦工程、安全工程、地質(zhì)工程、材料科學(xué)、管理科學(xué)等相關(guān)學(xué)科、領(lǐng)域的新理論、新方法、新技術(shù)與井巷工程的交叉、融合更為強(qiáng)烈,由此將帶來一系列的革命性變化。
  井巷工程支護(hù)結(jié)構(gòu)體系更明晰、支護(hù)設(shè)計(jì)厚度更合理;吊盤、抓巖機(jī)、傘鉆、模板等施工裝備將實(shí)現(xiàn)全液壓化和集成控制;適應(yīng)不同巖性的鉆鑿機(jī)具使得鑿巖開挖等更為高效;全液壓巷道鉆-鑿臺(tái)車、全自動(dòng)錨桿支護(hù)臺(tái)車將是巷道施工新技術(shù)的升級(jí)版;提升系統(tǒng)集群控制及井筒懸吊裝備安全保障技術(shù)、井下重大裝備和支護(hù)實(shí)時(shí)無線監(jiān)測(cè)技術(shù)、井巷工程施工全過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)等將大大提升井巷工程施工安全性;工作面溫度、濕度等環(huán)境控制技術(shù)將極大改善施工人員的舒適度。井巷工程施工將更為簡(jiǎn)潔、高效、安全。
 ?。?)工程設(shè)計(jì)更為科學(xué)
  未來對(duì)井巷工程設(shè)計(jì)要求將更科學(xué)和更精細(xì)。井壁、凍結(jié)壁、巷道、硐室支護(hù)設(shè)計(jì)的分析方法將從經(jīng)驗(yàn)方法、工程類比向科學(xué)計(jì)算、數(shù)值仿真、模擬再現(xiàn)方向發(fā)展。隨機(jī)場(chǎng)理論、可靠性分析方法、工程服役性能評(píng)價(jià)等新理論和新方法將逐步滲入到井巷工程設(shè)計(jì)中。傳統(tǒng)的"設(shè)計(jì)定終生"將向施工過程中自動(dòng)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析、信息反饋、優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)調(diào)整的方向發(fā)展。
  (6)工程施工更為高效
  適應(yīng)極硬、極軟、凍巖、凍土等不同巖性的5m及以上超深孔控制爆破,超大體積混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)技術(shù),深井大段高高壓預(yù)注漿技術(shù)等新技術(shù)不斷發(fā)展與完善;井巷工程施工裝備將由機(jī)械化、半機(jī)械化向及集約化、自動(dòng)化、信息化、智能化方向發(fā)展;施工組織由單一工種、單個(gè)機(jī)械作業(yè)向多工種聯(lián)合作業(yè)、多種機(jī)械協(xié)同工作方向發(fā)展。井巷工程將更加安全可靠,不斷實(shí)現(xiàn)減員增效,少人則安,無人則安。
  3.深立井施工技術(shù)現(xiàn)狀
  進(jìn)入21世紀(jì)立井,施工技術(shù)和裝備配套水平不斷提高。立井井筒最深達(dá)到1342m,基巖段最高月掘砌成井達(dá)到232.2m。
  據(jù)統(tǒng)計(jì),我國立井施工平均月進(jìn)水平是:2005年為68.51m,2006年為67.51m;2007年為64.43m,2008年為65.13m(1974年為16.4m,1997年為45.4m)。盡管單進(jìn)水平較上世紀(jì)有了較大提高,但是,全國平均月進(jìn)度維持在60多米的較低水平。從施工能力看,我國深立井施工深度基本在800-1100m范圍,采取的主要施工工藝是短段掘砌混合作業(yè),裝備配套主要為70年代三部會(huì)戰(zhàn)時(shí),重點(diǎn)針對(duì)800m井深而研制的國產(chǎn)設(shè)備,雖然歷經(jīng)多次改造升級(jí),施工到千米深井,但配套設(shè)備已達(dá)施工極限。從裝備配套看該階段國內(nèi)掘砌正規(guī)循環(huán)段高一般在3.0-4.0m,主要設(shè)備配套為基礎(chǔ)加高V型鑿井井架懸吊、大提升機(jī)配置大吊桶提升、傘鉆打眼、中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)裝巖、混凝土集中攪拌、底卸吊筒下料、液壓整體模板砌壁等。若施工深度與井徑繼續(xù)加大,無論從基礎(chǔ)理論、設(shè)備單機(jī)能力、綜合配套、技術(shù)工藝等方面都受到明顯制約。
  目前,國外立井井筒的建設(shè)深度已超過2000m,南非貴重金屬礦斯錄桂登礦井為最深,井深達(dá)3480m。南非英帕拉鉑金公司第16號(hào)立井工程井深1657m,巖石條件較好,基本無水,素混凝土支護(hù)。施工采用永久井塔作為鑿井井架;井內(nèi)吊掛五層工作吊盤,采用兩臺(tái)雙滾筒鑿井絞車四繩、回頭輪懸吊、吊盤繩兼作穩(wěn)繩使用;井筒內(nèi)布置一套5m直徑雙滾筒絞車雙鉤主提升(有效負(fù)載25t,兩個(gè)16t吊桶),一套單鉤吊籠作為輔助提升;掘進(jìn)打眼采用風(fēng)動(dòng)六臂傘鉆(眼深3.4m,循環(huán)進(jìn)尺3m);裝矸采用懸吊式0.4m?氣動(dòng)抓巖機(jī);砌壁模板安裝在吊盤中部(段高3m),混凝土集中攪拌站制作,皮帶運(yùn)輸?shù)骄?,?jīng)操作盤采用溜灰管下放;井口封口盤下設(shè)有固定盤和操作盤兩個(gè)平臺(tái);電纜通過地輪經(jīng)下操作盤由懸吊鋼絲繩下放;上部吊盤井筒永久設(shè)施安裝;管路依托罐道梁固定(罐道梁間距6m),掘、支、安順序作業(yè)、專業(yè)化施工。通過對(duì)其施工方法分析,該金礦井筒施工為掘進(jìn)、支護(hù)、永久裝備一次性整體施工。在工程、水文地質(zhì)條件和相貫工程布局形式方面與我國煤礦建設(shè)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和井下工程布置大有不同,貴重金屬礦開鑿工藝需要設(shè)置斜坡道和多水平聯(lián)絡(luò)通道,并隨井筒一起施工,從而導(dǎo)致整個(gè)建井工期長(zhǎng)達(dá)到7年,這種建設(shè)工期不做嚴(yán)格要求的施工方法與國內(nèi)煤礦建設(shè)市場(chǎng)要求存在較大差異,因此在煤炭行業(yè),在大直徑深立井施工關(guān)鍵技術(shù)和成套裝備方面,尚未借鑒國外的掘、支、安一次施工成井的經(jīng)驗(yàn)和做法。
  4.巖巷施工技術(shù)現(xiàn)狀
  2008年以來,國有重點(diǎn)煤礦的掘進(jìn)總進(jìn)尺已經(jīng)超過800萬米/a,全巖巷道不足10%。我國煤礦巖巷掘進(jìn)水平長(zhǎng)時(shí)間維持在60m-70m/月左右,對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和礦井建設(shè)速度的要求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為此,把握我國巖巷掘進(jìn)發(fā)展趨勢(shì),找準(zhǔn)巖巷掘進(jìn)技術(shù)、裝備、工藝等發(fā)展方向,對(duì)實(shí)現(xiàn)巖巷安全高效掘進(jìn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
  巖巷掘進(jìn)分為鉆爆法和機(jī)械法兩種。光面微差爆破技術(shù)、中深孔爆破技術(shù)、錨噴支護(hù)技術(shù)、掘進(jìn)作業(yè)線的成功應(yīng)用,為我國巖巷鉆爆法安全高效掘進(jìn)創(chuàng)造積極條件。
  上世紀(jì)八、九十年代以來,巖巷掘進(jìn)水平穩(wěn)定在60-70m/月。近年來,我國巖巷施工月進(jìn)尺平均水平隨著機(jī)械化程度有所提高,已基本達(dá)到70-80m/月。掘進(jìn)水平呈現(xiàn)較大差異,比如,淮南礦業(yè)集團(tuán)、平煤集團(tuán)、皖北煤電等集團(tuán)的巖巷掘進(jìn)水平要稍高于平均水平,達(dá)到85-90m/月。
  我國掘進(jìn)機(jī)的研制和應(yīng)用真正起步于上世紀(jì)70年代初,比世界各主要產(chǎn)煤國晚15-20年。經(jīng)過近40年的消化吸收,掘進(jìn)機(jī)也從輕型、中型發(fā)展到重型,到本世紀(jì),已經(jīng)形成了EBJ、EBZ、EBH系列。以全國的應(yīng)用情況來看,對(duì)堅(jiān)固性系數(shù)f<8巖石巷道效果較好,f>8的硬巖效果差,且粉塵污染問題較難解決。針對(duì)上述問題,煤炭科學(xué)研究總院太原分院研制的EBZ300TY型掘進(jìn)機(jī)可截割硬度120MPa半煤巖巷和中等硬度的巖巷,不移位截割斷面達(dá)38m2?;茨现旒V17O巖巷,2011年3月掘進(jìn)進(jìn)尺256m,打破大斷面巖巷綜掘施工記錄。
  5.特殊鑿井施工技術(shù)現(xiàn)狀
  5.1凍結(jié)鑿井施工技術(shù)現(xiàn)狀
  近年來,我國在700m深厚表土凍結(jié)法鑿井關(guān)鍵技術(shù)、千米深含水巖層凍結(jié)關(guān)鍵技術(shù)、深厚表土中斜井凍結(jié)法鑿井技術(shù)等方面取得重要成果,凍結(jié)法鑿井通過表土厚度達(dá)到675.6m,立井井筒凍結(jié)深度達(dá)到950m,斜井凍結(jié)斜長(zhǎng)達(dá)到504m,均創(chuàng)世界紀(jì)錄,使我國凍結(jié)法鑿井技術(shù)全面達(dá)到國際領(lǐng)先水平;在凍結(jié)溫度場(chǎng)及水、熱、力耦合場(chǎng),人工凍結(jié)土(巖)的力學(xué)特性,立井凍結(jié)壁的力學(xué)特性及設(shè)計(jì)理論,立井凍結(jié)井壁的力學(xué)特性及設(shè)計(jì)理論,凍結(jié)管斷裂機(jī)理與防治技術(shù),以及斜井凍結(jié)法鑿井技術(shù)等方面均取得可喜進(jìn)展,為后繼技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)造了良好條件。
  在山東巨野、單縣、成武、聊城,安徽碭山,河南焦作、周口,河北廊坊、衡水等地,煤層上有>600~800m厚的表土層,未來10年,有山東萬福煤礦等多個(gè)600~800m厚表土層井筒需要建設(shè);在西部省區(qū),深大井筒的凍結(jié)深度也將突破千米大關(guān)。因此,需要:1)加強(qiáng)凍結(jié)法鑿井技術(shù)基礎(chǔ)研究;2)堅(jiān)持技術(shù)研發(fā)在先的原則,杜絕盲目、倉促上馬凍結(jié)法鑿井工程;3)加快修訂相關(guān)規(guī)程、規(guī)范。
  5.2注漿鑿井施工技術(shù)現(xiàn)狀
  立井地面預(yù)注漿以黏土水泥漿注漿技術(shù)為主,在中東部地區(qū)有100多個(gè)井筒中應(yīng)用,西部地區(qū)部分礦區(qū)-寧夏紅二煤礦、新疆哈密漢水泉煤礦等開始嘗試應(yīng)用。為解決我國中東部地區(qū)煤礦千米深井建設(shè)的水害問題,研究應(yīng)用了以高精度S型定向鉆進(jìn)技術(shù)為核心的"凍-注-鉆"三平行鑿井施工技術(shù)和"鉆-注"平行鑿井施工技術(shù),注漿與其他鑿井工序平行作業(yè)可節(jié)省鑿井工期20%以上。目前在深井施工中,平行作業(yè)技術(shù)已普遍應(yīng)用,深井地面注漿技術(shù)能力達(dá)到1000~1200m深度水平。
  與國外注漿技術(shù)相比較,目前我國的煤礦注漿技術(shù)總體水平處在世界先進(jìn)水平。主要差距在鉆探技術(shù)、化學(xué)注漿材料方面,國外的水玻璃類化學(xué)注漿材料種類多,適用各種不同地層條件。
  5.3鉆井鑿井施工技術(shù)現(xiàn)狀
  進(jìn)入21世紀(jì)后,為適應(yīng)煤礦井筒建設(shè)的需要,對(duì)AS-9/500型、L40/800型鉆機(jī)進(jìn)行了改造,使其在鉆井直徑、提升能力、扭矩、控制系統(tǒng)方面得到了很大地提高。同時(shí)從2004年開始,著手研制能力更大的新型鉆機(jī)。先后研制出AS-12/800型鉆機(jī)、AD120/900型鉆機(jī)和AD130/1000動(dòng)力頭型鉆機(jī)。在此階段共鉆煤礦井筒51個(gè),最大鉆井直徑10.8m,最大鉆井深度660m,井壁最大厚度為1000mm,混凝土最大標(biāo)號(hào)為C85,成井最大直徑8.3m,全斷面鉆進(jìn)最大直徑7.7m,創(chuàng)造了一鉆成井施工工藝。鉆井法鑿井技術(shù)國際領(lǐng)先。
  AD130/1000豎井鉆機(jī),扭矩達(dá)620KN?M,提升力達(dá)700噸,裝機(jī)功率983.5Kw。最大鉆井直徑13m,最大鉆井深度1000m。能力比上一代豎井鉆機(jī)提高50~60%。綜合性能國際領(lǐng)先。(王厚良,丁明)
  5.4反井鑿井施工技術(shù)現(xiàn)狀
  小型反井鉆機(jī)得到普及應(yīng)用后,開始自主研究設(shè)計(jì)適合我國不同地質(zhì)條件、工程條件的大型反井鉆機(jī),在裝備上大推、拉力推進(jìn)、大扭矩旋轉(zhuǎn)的多油缸提升、多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)形成大直徑反井鉆機(jī);鋸齒形螺紋聯(lián)結(jié),替代API標(biāo)準(zhǔn),形成了大直徑鉆桿新型聯(lián)結(jié)方式,提高鉆桿抗拉、抗扭能力,滿足通用性和可靠性;組裝式大直徑擴(kuò)孔鉆頭,滿足井下運(yùn)輸和狹窄空間組裝;大直徑反井鉆井工藝,隨鉆測(cè)量和糾偏控制技術(shù),提高了偏斜控制精度。這些技術(shù)進(jìn)步使反井鉆機(jī)開始應(yīng)用于煤礦井筒工程。代表性項(xiàng)目有:河南平煤集團(tuán)四礦瓦斯抽放井,鉆孔直徑0.75m,深度462m;山西晉煤集團(tuán)趙莊煤礦瓦斯管道井,直徑2.5m,深度431m;山西晉煤集團(tuán)王臺(tái)鋪煤礦風(fēng)井,直徑5.0m,深度168m。主要鉆機(jī)類型ZFY3.5/400和ZFY5.0/600型反井鉆機(jī)。
  反井鉆機(jī)的更新發(fā)展對(duì)國內(nèi)反井鉆井技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用,不但在煤炭系統(tǒng),而且在水電、冶金、交通等地下工程建設(shè)領(lǐng)域的豎井、斜井施工中開辟了新的途徑,應(yīng)用前景十分廣闊。但是,國內(nèi)現(xiàn)有的反井鉆井裝備和技術(shù)在最大扭矩、最大推力等性能指標(biāo)、硬巖適應(yīng)性以及綜合多用途等方面與國外先進(jìn)水平相比尚有一定的差距,還要更深入的研究。