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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的安全，開鑿的一系列運輸、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)計與施工中，一直貫徹"以掘保采，以采促掘，采掘并舉，掘進先行"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)展和進步。
　　井巷工程學(xué)科的進步不僅與相關(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)展提供了平臺和動力。在國際日益白熱化"三深"（深空、深海、深地）科技競爭中，相對而言"深地"的研究更為薄弱和困難，而井巷工程學(xué)科則對我國"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
　　井巷工程學(xué)科發(fā)展的動力來自于國家對深部地下開發(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)濟建設(shè)和社會發(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，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、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、振動松化等特點，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。
　?。?）科學(xué)研究更加深入
　　井巷工程學(xué)科將在隨對自然認知更為科學(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。
　　隨井巷工程支護方法由單一支護向多層復(fù)合支護，錨、噴、網(wǎng)、注、型鋼聯(lián)合支護體系方向發(fā)展。學(xué)科將更加注重支護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地下空間。
　　更大噸位的三軸試驗系統(tǒng)、大型物理模型試驗系統(tǒng)等試驗裝置，CT、掃描電鏡等先進的試驗測試技術(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)研究手段不斷進步，學(xué)術(shù)水平不斷提升。
　?。?）學(xué)科交叉越加強烈
　　傳感與檢測技術(shù)、液壓與控制技術(shù)、自動化與智能化技術(shù)、信息與計算機技術(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、融合更為強烈，由此將帶來一系列的革命性變化。
　　井巷工程支護結(jié)構(gòu)體系更明晰、支護設(shè)計厚度更合理；吊盤、抓巖機、傘鉆、模板等施工裝備將實現(xiàn)全液壓化和集成控制；適應(yīng)不同巖性的鉆鑿機具使得鑿巖開挖等更為高效；全液壓巷道鉆-鑿臺車、全自動錨桿支護臺車將是巷道施工新技術(shù)的升級版；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實時無線監(jiān)測技術(shù)、井巷工程施工全過程的實時監(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潔、高效、安全。
　?。?）工程設(shè)計更為科學(xué)
　　未來對井巷工程設(shè)計要求將更科學(xué)和更精細。井壁、凍結(jié)壁、巷道、硐室支護設(shè)計的分析方法將從經(jīng)驗方法、工程類比向科學(xué)計算、數(shù)值仿真、模擬再現(xiàn)方向發(fā)展。隨機場理論、可靠性分析方法、工程服役性能評價等新理論和新方法將逐步滲入到井巷工程設(shè)計中。傳統(tǒng)的"設(shè)計定終生"將向施工過程中自動監(jiān)測、實時分析、信息反饋、優(yōu)化設(shè)計、動態(tài)調(diào)整的方向發(fā)展。
　?。?）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械化、半機械化向及集約化、自動化、信息化、智能化方向發(fā)展；施工組織由單一工種、單個機械作業(yè)向多工種聯(lián)合作業(yè)、多種機械協(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
　　進入21世紀立井，施工技術(shù)和裝備配套水平不斷提高。立井井筒最深達到1342m，基巖段最高月掘砌成井達到232.2m。
　　據(jù)統(tǒng)計，我國立井施工平均月進水平是：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）。盡管單進水平較上世紀有了較大提高，但是，全國平均月進度維持在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年代三部會戰(zhàn)時，重點針對800m井深而研制的國產(chǎn)設(shè)備，雖然歷經(jīng)多次改造升級，施工到千米深井，但配套設(shè)備已達施工極限。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、大提升機配置大吊桶提升、傘鉆打眼、中心回轉(zhuǎn)抓巖機裝巖、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3480m。南非英帕拉鉑金公司第16號立井工程井深1657m，巖石條件較好，基本無水，素混凝土支護。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（有效負載25t，兩個16t吊桶），一套單鉤吊籠作為輔助提升；掘進打眼采用風(fēng)動六臂傘鉆（眼深3.4m，循環(huán)進尺3m）；裝矸采用懸吊式0.4m?氣動抓巖機；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平臺；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。通過對其施工方法分析，該金礦井筒施工為掘進、支護、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)致整個建井工期長達到7年，這種建設(shè)工期不做嚴格要求的施工方法與國內(nèi)煤礦建設(shè)市場要求存在較大差異，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)驗和做法。
　　4.巖巷施工技術(shù)現(xiàn)狀
　　2008年以來，國有重點煤礦的掘進總進尺已經(jīng)超過800萬米/a，全巖巷道不足10%。我國煤礦巖巷掘進水平長時間維持在60m-70m/月左右，對煤礦安全生產(chǎn)和礦井建設(shè)速度的要求還遠遠不夠。為此，把握我國巖巷掘進發(fā)展趨勢，找準巖巷掘進技術(shù)、裝備、工藝等發(fā)展方向，對實現(xiàn)巖巷安全高效掘進具有重要的現(xiàn)實意義。
　　巖巷掘進分為鉆爆法和機械法兩種。光面微差爆破技術(shù)、中深孔爆破技術(shù)、錨噴支護技術(shù)、掘進作業(yè)線的成功應(yīng)用，為我國巖巷鉆爆法安全高效掘進創(chuàng)造積極條件。
　　上世紀八、九十年代以來，巖巷掘進水平穩(wěn)定在60-70m/月。近年來，我國巖巷施工月進尺平均水平隨著機械化程度有所提高，已基本達到70-80m/月。掘進水平呈現(xiàn)較大差異，比如，淮南礦業(yè)集團、平煤集團、皖北煤電等集團的巖巷掘進水平要稍高于平均水平，達到85-90m/月。
　　我國掘進機的研制和應(yīng)用真正起步于上世紀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，掘進機也從輕型、中型發(fā)展到重型，到本世紀，已經(jīng)形成了EBJ、EBZ、EBH系列。以全國的應(yīng)用情況來看，對堅固性系數(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。針對上述問題，煤炭科學(xué)研究總院太原分院研制的EBZ300TY型掘進機可截割硬度120MPa半煤巖巷和中等硬度的巖巷，不移位截割斷面達38m2?；茨现旒V17O巖巷，2011年3月掘進進尺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到675.6m，立井井筒凍結(jié)深度達到950m，斜井凍結(jié)斜長達到504m，均創(chuàng)世界紀錄，使我國凍結(jié)法鑿井技術(shù)全面達到國際領(lǐng)先水平；在凍結(jié)溫度場及水、熱、力耦合場，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)計理論，立井凍結(jié)井壁的力學(xué)特性及設(shè)計理論，凍結(jié)管斷裂機理與防治技術(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）加強凍結(jié)法鑿井技術(shù)基礎(chǔ)研究；2）堅持技術(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
　　進入21世紀后，為適應(yīng)煤礦井筒建設(shè)的需要，對AS-9/500型、L40/800型鉆機進行了改造，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。同時從2004年開始，著手研制能力更大的新型鉆機。先后研制出AS-12/800型鉆機、AD120/900型鉆機和AD130/1000動力頭型鉆機。在此階段共鉆煤礦井筒51個，最大鉆井直徑10.8m，最大鉆井深度660m，井壁最大厚度為1000mm，混凝土最大標號為C85，成井最大直徑8.3m，全斷面鉆進最大直徑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，扭矩達620KN?M，提升力達700噸，裝機功率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
　　小型反井鉆機得到普及應(yīng)用后，開始自主研究設(shè)計適合我國不同地質(zhì)條件、工程條件的大型反井鉆機，在裝備上大推、拉力推進、大扭矩旋轉(zhuǎn)的多油缸提升、多馬達驅(qū)動形成大直徑反井鉆機；鋸齒形螺紋聯(lián)結(jié)，替代API標準，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；組裝式大直徑擴孔鉆頭，滿足井下運輸和狹窄空間組裝；大直徑反井鉆井工藝，隨鉆測量和糾偏控制技術(shù)，提高了偏斜控制精度。這些技術(shù)進步使反井鉆機開始應(yīng)用于煤礦井筒工程。代表性項目有：河南平煤集團四礦瓦斯抽放井，鉆孔直徑0.75m，深度462m；山西晉煤集團趙莊煤礦瓦斯管道井，直徑2.5m，深度431m；山西晉煤集團王臺鋪煤礦風(fēng)井，直徑5.0m，深度168m。主要鉆機類型ZFY3.5/400和ZFY5.0/600型反井鉆機。
　　反井鉆機的更新發(fā)展對國內(nèi)反井鉆井技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動作用，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、硬巖適應(yīng)性以及綜合多用途等方面與國外先進水平相比尚有一定的差距，還要更深入的研究。