矿山建设技术研究60年

发布时间:2018-01-17

矿山建设技术研究60年

刘志强，洪伯潜，龙志阳

（煤炭科学研究总院 建井研究分院，煤矿深井建设技术国家工程实验室，） 

 摘  要：我国矿井建设技术不断发展提高，为解决深厚冲积层和复杂地层中的矿井建设问题起到关键作用。60年来，研究开发了特殊凿井和井巷掘进机械化等技术；从人工手抱钻施工到半机械化掘进、井巷机械化一条线掘进、大型钻机钻井和全断面掘进机掘进，作了大量研发和工程应用工作。煤炭科学研究总院北京建井研究所（建井研究分院）自成立以来，在矿井建设技术方面进行了大量研究。主要介绍三法（冻结法凿井、注浆法凿井、钻井法凿井）一套（井巷机械化配套）技术，以及立井普通法施工和平巷掘进、爆破与支护技术等的相关研究与应用情况。

关键词：矿井建设；科研成就；井巷施工；施工设备；技术发展

1  普通法凿井技术

1957年，成立北京煤炭科学研究院建井研究所，当时就开展了立井掘、砌、安一次成井，短段掘砌、短段单行作业方式的研究。1966年以前，曾承担凿井用4层大吊盘、整体下移金属活动模板、大抓岩机、自动翻矸装置和立井砌壁机械化、装配式预应力钢筋混凝土井架等项目研究任务。1974—1983年，煤炭部、冶金部、一机部联合组织立井掘进机械化配套科研攻关会战，取得近百项成果，为凿井技术水平的提高和快速施工奠定了基础。煤炭科学研究院上海所和北京建井所等单位，主要从事掘进机械技术的研究，主要研究内容为岩巷掘进机械化与立井凿井机械化。1983年以后，北京建井所承担“六五”国家科技攻关项目——立井短段掘砌混合作业及其配套设备的研究，以深孔控制爆破技术为核心，整体金属模板砌壁为重点，大型凿井装备为手段，以地面预注浆、工作面预注浆和壁后注浆等技术来综合治理井下涌水，实现了打干井，保证了正规循环掘砌作业，满足了千米凿井需要。“六五” -“八五”以来，进行了立井快速施工技术的完善与推广应用。1988年，短段掘砌混合作业法被列入煤炭工业部重点推广项目“50推”之中，在全国矿山建设单位逐步推广应用；“八五”—“九五”期间，又被列入煤炭工业部“100推”和“100推”续集重点推广项目，并把经过改进的配套施工设备纳入。

国家“十一五”科技支撑计划重点课题“千米级深井基岩快速掘砌关键技术及装备研究”，对4.2 m段高掘砌正规循环作业及其配套施工设备进行了工业性试验研究，设备配套、地面装备实现了大型化。新型凿井井架、大直径提升机、大吨位凿井绞车等的研制成功和应用，实现了大容量吊桶和大直径伞形钻架的快速提升和重型吊盘、模板等凿井设施的悬吊。井下施工装备以液压驱动代替气动，提高了效率，降低了噪音，实现了节能。主要研发了新型液压凿岩钻架和双联钻架，钻进炮眼深度超过5 m；斗容为1.0 平方米的大型液压中心回转式抓岩机（装岩效率达到60平方米/h）以及用于代替人工清底的液压挖装机；直径6.0～10.6 m的液压整体金属模板，实现了快速立拆模及井壁高效浇筑；针对深度超过千米及以上的井筒需要，为减少悬吊设施及悬吊重量，研制出迈步式整体模板和吊盘，利用井壁梁窝及液压油缸，实现井筒内凿井装备的无绳悬吊。工业性试验的目标是依托新集矿区杨村煤矿千米立井建设工程，人员工效达2.0平方米/工。

国家“十二五”863计划课题“新型大井径凿井井架研制”，基于井筒直径和深度的增大，井筒施工设备的布置范围增大，凿井井架悬吊的井内吊盘和管线荷载也在逐步增大，我国已有的凿井井架已不能满足深大立井施工需要。迈步式凿井吊盘研制，深大立井施工凿井吊盘采用井壁吊挂技术，研制开发全液压控制的迈步式吊盘设备机组并实现工程应用，可使深大立井施工技术得到发展，技术水平得以提升。

2  冻结法凿井技术

1955年，我国与波兰合作，首先在开深林西矿风井采用冻结法凿井技术。我国冻结法凿井技术经历由浅冲积层到深厚冲积层，由东部不稳定冲积层到西部富水软岩等复杂地质条件，由矿山立井、斜井冻结发展到地铁水平冻结等阶段。近年来，煤炭科学研究总院建井研究分院开展了卓有成效的冻结技术基础理论和工艺研究，在冻结壁设计、冻结孔布置与钻进技术、井壁结构与新材料、掘砌工艺、环境效应控制等方面，取得了重要成果，初步解决了600 m深厚冲积层和千米富水软岩冻结凿井技术难题；同时作为市政冻结技术的开拓者，开创的地铁隧道交叉穿越冻结、浅覆土冻结、液氮冻结和免拔管冻结新技术，促进了轨道交通建设技术的安全快速发展。

目前基本解决了井筒穿越600 m深厚冲积层冻结理论与关键技术。1998年，建井研究分院总结我国冻结施工及冻土力学研究成果，提出了以冻结壁(冻结管)变形极限为准则的各变量分离的深冻结壁时空设计理论及公式；配制出适用于冻结段现浇井壁的C50～C90高强高性能混凝土，基本解决了冻结井壁混凝土收缩裂缝问题，并在赵固二矿主、副、风井成功应用。由于东部千米以内煤炭资源逐渐枯竭，西部战略应运而生，富水软岩井筒多采用冻结法凿井。千米深富水软岩井筒冻结关键技术包括冻结壁设计、冻结造孔与防串水技术、控制冻结技术等。

近年来，冻结法凿井平均以每年施工10个立井的速度增长。在特殊地层井巷施工方法中，冻结法所占比重最大，已成为我国矿山特殊地层井巷施工和其他地下工程施工的主要方法。1955—2015年，采用冻结法凿井，建成立井1 200个，累计长度32.7万m，最大井筒净直径10.5 m。其中许多立井冻结深度超过了波兰、前苏联、德国等国家。2011年开工建设项目甘肃省核桃峪矿副井，井深1 005 m，净直径9.0 m，冻结深度950 m，超过英国石膏矿立井930 m冻结深度的世界纪录。

提出了斜井沿轴线冻结工艺。研究了倾斜冻结孔布置理论，斜井冻结壁发展规律，斜井冻结交圈判据；磁导向倾斜冻结孔定向钻进技术及装备，倾斜冻结孔钻进、冻结管下放及安装工艺，斜井冻结施工过程中井帮变形的时空规律、井帮变形与冻结管受力状态之间的相关关系、冻结管断裂不同阶段的信号响应特征、在线监测与断裂预警技术；斜井冻结设备选型、交圈检测及开挖时间确定，井筒掘进技术及装备，井壁安装测试及优化，冻融沉降及井壁控制渗漏技术，为今后长斜井冻结技术的工业性应用打下了基础。

自上世纪90年代末起，北京中煤矿山工程有限公司在国内开发了水平冻结技术，并成功应用于北京、上海和广州等一线大城市的地铁工程后，人工地层冻结技术逐步进入到市政地下工程建设领域，并起到了越来越重要的作用。以上海轨道交通4号线隧道下穿1号线上体场站隧道冻结工程为背景，研究得出了冻胀与结构相互作用规律及其工程对策，创新长距离夯管施工技术，提出了分台阶开挖支护方案和“多点、均匀、少量、多次”的融沉治理方法，成功完成了世界首例轨道交通立体交叉零距离穿越工程。除通常的盐水冻结外，在地铁盾构隧道地基加固、地下工程修复和应急抢险等工程施工中，还应用了液氮快速冻结技术。

3  注浆法凿井技术

上世纪70—80年代，研究完善配套了各种注浆专用设备、机具和仪器，工作面预注浆、地面预注浆工艺技术得到广泛推广应用。研制出化学注浆配套的2MJ-3/40型隔膜计量注浆泵、NJY-1型凝胶时间测定仪和注浆专用的YSB-250/120、YSB-300/20型液力调速注浆泵，以及DZJ500-1000型冻结注浆钻机、ZGS-1型水力膨胀式单管止浆塞、KWS型卡瓦式止浆塞、CL-2型超声波流量计、ZSJ-300型搅拌机组等注浆机具设备。采用止浆垫和岩帽的工作面注浆技术、分段止浆的地面预注浆技术逐渐成熟，大量应用于工程实践，井筒地面预注浆钻孔减少到6～8个，并开发了多种以水泥为主的系列注浆材料，预注浆逐渐成为煤矿立井井筒施工的成熟技术手段。

1990年以后，注浆技术进一步发展完善。学习引进国外先进技术，开发了以黏土-水泥浆为核心的综合注浆法技术，改变了煤矿地面预注浆以水泥浆为主的局面，开始了黏土-水泥浆注浆时代，注浆质量得到保证，工期缩短，成本降低。深井注浆技术不断突破，注浆深度由600多m增加到1 100多m。研究了“冻-注-凿”三同时凿井技术、“钻-注”平行作业技术、深井L型钻孔地面预注浆技术、井筒过采空区地面预注浆加固技术。各种特殊性能和用途的注浆材料，包括：黏土-水泥浆、钻井废弃泥浆、速凝早强水泥浆液、单液水泥基复合加固浆液、高掺量粉煤灰水泥浆液、水泥-粉煤灰-水玻璃双液速凝浆液、改性脲醛树脂和水玻璃化学浆液等。据不完全统计，我国有超过200个煤矿立井井筒，采用了地面预注浆技术进行堵水加固。同时在软土地基加固方面，研发了三重管高压旋喷注浆技术、双高压高喷注浆技术、振冲注浆技术等，在市政地铁建设中，得到大范围应用，取得了较好的效果。

1955年，我国新汶矿区成功应用了工作面预注浆技术；1958年，峰峰薛村矿成功完成了地面预注浆。截至目前，采用注浆技术施工的立井约有150多个，最大注浆深度1 l05 m。据不完全统计，到上世纪90年代末，采用预注浆技术施工的立井有256个。其中地面预注浆立井约有150个，地面预注浆钻孔最深达到 1 078.2 m；工作面预注浆立井约有109个，工作面注浆最大深度达到1 110.4 m，斜井注浆最大斜长达到1 157.6 m。

4  钻井法凿井技术

我国用钻井法于1969年首先施工成功，目前钻井综合技术达到国际领先水平。到2016年，钻井法凿井在我国已竣工130个立井，其中深度超过300 m的有40个，深度超过400 m的有30个。进入21世纪，我国已成功运用钻井法成井20多个，总深度超过20 km，通过冲积层厚度由300多m增加到目前的580多m。另有郓城矿风井深度在650 m左右，板集煤矿主、副、风3个立井已完成施工。钻井法凿井技术主要研究内容包括：钻井工艺、大型钻井机、破岩刀具、钻井井壁和壁后填充、钻井泥浆以及反井钻机。包括在1969年国内首次使用钻井法钻成朔里南风井，针对大屯地质条件；对超前钻头和扩孔钻头的结构完成了改进；研制成功XZ型岩石滚刀和XC型冲积层滚刀，开发出黏土层抑制造浆技术和废浆处理设备与工艺；立井永久井壁支护由钢筋混凝土结构发展为单层或双层钢板混凝土复合结构。

竖井钻机钻井技术取得新进展。本世纪初，为解决深厚冲积层煤炭开发难题，首先开展了深厚冲积层钻井法凿井关键技术研究。该项研究以深厚冲积层覆盖的巨野煤田为研究目标，针对钻井法凿井深厚黏土层蠕变控制的泥浆护壁技术、能承受高地压和高水压的新型井壁结构、井壁悬浮下沉工艺、机械化壁后充填技术进行研究，形成了以龙固双主井为代表的深厚冲积层钻井工艺，取得多项技术突破，快速、安全地建成了新汶龙固煤矿。“十一五”期间，为解决钻井法凿井速度低、破岩滚刀消耗量大、泥浆长期占地和污染等技术难题，以两淮矿区深厚冲积层钻井法施工典型工程为背景，开展了大直径井筒“一扩成井”、小直径井筒“一钻成井”技术装备研究。该项研究以理论分析、数值分析为基础，以大能力液压竖井钻机、分台阶“T”型钻头、“L”型密封的高耐压破岩滚刀为装备保障，研发的新型超前和扩孔钻具结构、新型破岩（土）滚刀，提高了破岩能力和排渣效率，废弃泥浆作为注浆材料和全部固化创新成果，实现了大幅提高钻井法成井速度，有效减少环境污染。该项技术在淮北袁店二矿、信湖煤矿和皖北朱集西矿等矿井井筒施工中，得到成功应用，标志着我国钻井法施工技术达到了一个新的高度。

“十二五”期间，在“863”项目支持下，开展了竖井掘进机的研究，完成了首台竖井掘进机研制。该项研究以竖井掘进机钻井工艺研究为基础，针对有导井井筒特点，形成了具有整体框架、多点支撑、多油缸推进、变频电机驱动、锥形可扩展钻头结构和空间分层布置、低功率输入等特点的竖井掘进机，为井筒机械化施工提供了新的选择，也为将来上排渣竖井掘进机研究打下了基础，对2 000 m深地资源开发具有重要意义。

5  反井法凿井技术

上世纪70年代起，煤炭系统开始研制反井钻机；1985年又引进了美国罗宾斯公司的83R-HE型反井钻机。1986年，煤炭科学研究总院北京建井所在国家“七五”科技攻关项目支持下，完成了 LM-120型反井钻机研制工作，此后又研制成功LM-200、LM-90和BMC100～400型系列反井钻机。1987—1994年，煤炭科学研究总院南京所研制成功了ATY-1500、ZFYD-2500和1200低矮型等多种类型反井钻机。这些反井钻机应用于我国许多煤矿，施工了井下煤仓、溜煤眼及其他用途的暗井工程。目前，煤矿反井工程最小直径为0.75 m，最大直径为5.3 m，最大钻井深度560 m。

从上世纪80年代研制小型反井钻机，用于解决煤矿井下暗井、煤仓施工的安全和效率问题开始，反井钻机全面取代了其他落后的反井施工方法。进入21世纪，煤炭科学研究总院建井研究分院以坚硬岩石、大直径深井井筒为目标，通过大型反井钻井技术装备研制和导孔钻进轨迹控制技术、煤矿大直径风井反井钻井关键技术及装备研究，形成了适合煤矿井筒的反井钻井新工艺。所研制的BMC系列反井钻机，钻孔直径从0.75～5.0 m，钻井深度从100～600 m，在不同的地质条件下，钻成直径为3.5，5.0和5.3 m的多条煤矿采区风井及电站、隧道通风竖井。井筒钻进期间，人员全部地面作业，凿井安全问题得到根本解决。所研制的系列破岩滚刀，解决了坚硬的、磨蚀性强的火成岩有效钻进、刀具寿命问题，为电站、抽水蓄能电站建设提供了先进的技术及装备，促进了建井技术发展，经济和社会效益十分显著。

6  冻注凿三同时凿井技术

上世纪90年代中后期，煤矿基建投资发生了根本性转变，国家不再直接投资，而代之以集资、贷款或股份制的形式。投资性质的变化，使建设单位对建井速度提出了更高的要求。立井850 m深的矿井，基建投资需4亿元，每年利息就达    2 000多万元，3～4年建成，贷款利息将成为企业的沉重负担，这是一对尖锐的矛盾。深井三同时快速凿井新技术就是在这种背景下提出的，并在邢东矿副井成功应用。

冻注凿三同时，就是将传统的冻结、注浆、凿井依次施工，通过一定的技术手段，使三者在同一立井、同一时间同时施工，达到缩短立井建设工期目的的新方法。平面上，冻结管圈位于立井荒径周边附近，井架位于立井荒径之外，最外面布置注浆用定向钻进钻塔；剖面上，自上而下，依次为立井冻结段、立井掘进段和立井注浆段。

7  平巷掘进技术

巷道掘进施工是一个复杂的多工序交替进行的过程，破岩、装载、转载、运输、支护是其主要工艺。破岩工艺主要有钻爆法和机掘法，岩巷掘进仍以钻爆法为主，特别是在中等以上硬度的岩层中，是唯一的经济有效的施工方法，目前已形成以气腿式凿岩机和全液压钻车为主要设备的作业线；而机掘法主要以悬臂式掘进机或全断面掘进机为主要设备。煤炭科学研究总院北京建井研究所（以下简称北京建井所）先后承担国家“六五”、“七五”、“八五”装岩机方面的课题，性能指标均已达到国际先进水平。

20世纪50年代，岩石平巷多采用先小断面掘进，然后再刷大到设计要求断面（通常要经过多次刷扩，才能达到设计断面）的施工方法，进行成巷作业。60年代，京西煤矿超岭平硐与西山平硐掘进队和淮北矿区杨庄矿与皇后窑矿掘进队，创造一次成巷作业法。即把在岩巷施工中的掘进、砌壁、砌水沟、铺永久轨道4部分工程视为一个整体，有机地联系起来，在一定的距离内，相互保持适当的距离，同时施工，一次做成设计要求的巷道。一次成巷作业法的出现，立即受到广大煤矿职工的重视。70年代中期，我国开始研制耙斗式装岩机，逐步取代铲斗后卸式装岩机，成为装岩的主要设备。锚喷支护技术的推广和胶带转载机的成功应用，较好地解决了煤矿岩巷支护和转载的机械化问题。以耙斗装岩机为主的机械化作业线，设备简单可靠，使用灵活方便，以较快的速度，得到推广，成为岩巷施工机械化配套的主要形式，创造了一批岩巷施工记录。

20世纪80年代，在对国外技术研究的基础上，开始进行以侧卸式装岩机为主的机械化作业线试验和推广工作。北京建井所等单位，在新汶矿区协庄煤矿，试验以多台气腿式凿岩机、侧卸式装岩机为主的作业线；在断面14.46 m2、长度406 m的岩巷中，创造平均月进81.2 m好成绩。其主要配套设备为YTP-26型气腿式凿岩机、ZC-1B型侧卸式装岩机、ZP-1型胶带式转载机、HT-1.5型横向调车器、CDXT-2.5型蓄电池电机车、ZHP-2型混凝土喷射机、JZB-1型激光指向仪等。1986年，我国在对国外技术研究的基础上，实现了钻车国产化，以液压钻车、侧卸式装岩机为主的机械化作业线，开始在我国煤矿推广使用，并取得了可喜的成绩。1991年，为全国12个工程处装备了主要设备，有CTH-10型或LC-12型双臂液压钻车、ZC-2型侧卸式装岩机、SD800/10.5型胶带转载机、混凝土喷射机和蓄电池电机车等，机械化作业线使用效果良好。

1986—1989年，煤炭工业重点项目“中硬岩石巷道中深孔光爆技术与参数的研究”，由北京建井所、中国统配煤矿总公司第十工程处承担研究任务，用于中硬岩石巷道中深孔爆破作业，实行光面爆破，寻求2.5～3.0 m中深孔合理爆破参数，使其炮眼利用率达到85%；围岩超欠挖不大于150 mm；眼痕率达到70%，提高巷道成形质量和围岩稳定性；飞石距离控制在15 m以内，炸药单耗及工作面炮孔数目较定额值低10%。最终达到加快巷道掘进速度，提高钻、装机械化工作效率，降低掘进与支护成本目的。

8  锚喷支护技术

巷道支护技术方面，我国煤矿先后经历了木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程，如今锚喷已成为巷道支护的主要形式。我国在锚杆支护理念、支护材料、设计方法、监测技术、数值模拟等方面，均取得了重大进展，这不仅提升了我国煤矿巷道支护整体水平，还使巷道支护效果和成巷速度大幅提高，锚喷现已成为煤矿巷道首选的、安全高效的支护方式。北京建井所早期就投入锚喷支护技术的开发研究，目前已在锚杆材料、施工机具、施工工艺以及支护理论和量测仪表等方面，取得科研成果数十项，推动巷道支护技术的发展；此外，还承担了国家“七五”攻关项目“淮南新庄孜矿锚喷软岩支护”与国家“八五”攻关项目“新型锚杆的研制”、“快速树脂锚固剂”、“锚喷支护专家系统”、“锚喷支护围岩分类”等，其中“八五”攻关项目1996年获国家科技攻关项目成果奖。

1976年，北京建井所首先研制成功了M-1型树脂锚杆（包括76型树脂锚固剂），此后又陆续研制成功了115型松香树脂锚固剂和82型快速树脂锚固剂，使树脂锚杆在推广应用中不断改进和提高；“八五”期间，又完成了低成本速凝树脂锚固剂的攻关研究，使树脂锚杆跃上一个新台阶。水泥锚杆锚固剂是北京建井所20世纪80年代的科研项目，在国内属领先水平。为提高岩巷掘进速度，缓解采掘接替紧张关系，北京建井所于1991年，又将小锚杆与小钻头、小炸药卷共同组成“三小”作业线，开展研究，研究成功了小直径高效水泥锚杆，锚固卷直径27 mm，长度230 mm，节约水泥30%～40%，先后在鹤壁、淮南、兖州、淮北等近30个局矿的150个工作面推广应用，与“三小”作业线一起，使每m巷道降低造价10%。

北京建井所开发研究了预应力锚索支护技术，经过10多年的配套研究和实践探索，已形成系列锚固剂产品，并完善了配套机具和施工工艺，在实际应用中，发挥了积极作用。1990年，北京建井所运用锚索支护技术，成功地处理了哈密露天矿边坡加固问题；1994年，又运用锚索支护技术，承接了深圳、广州等地的深基坑护壁工程项目。至此，此项技术不仅在煤矿井巷加固工程中，发挥了积极作用，而且广泛应用于岩土工程，带来了良好的经济效益，也将锚杆支护技术水平提高了一大步。

2007—2011年，北京建井所进行了SPL系列湿式混凝土喷射机的研制；研制的SPL-4型湿式混凝土喷射机，先后在开滦矿务局赵各庄煤矿及北京昊华能源木城涧煤矿进行了试验，于2008-03-14取得国内首台湿喷机安标，并于2009-02-26通过中国煤炭学会组织的成果鉴定。随后，根据煤矿需求，北京建井所开始研制SPL-6型湿式混凝土喷射机，并在山东能源新矿集团赵官能源公司及宣岗焦家寨煤矿进行了工业性试验，湿喷混凝土平均强度比干喷高70%以上，喷射混凝土最大回弹率由40%降低到8.5%，粉尘浓度由原来的100 m/m³降低到10 mg/m³以下，喷层质量安全性大大提高，经济效益、质量安全效益、社会环保效益等非常明显。

9  工程加固技术

2002—2011年，煤炭科学研究总院建井研究分院支护所由煤炭行业转型发展到了市政建筑行业，成立了天地科技金草田（北京）科技有限公司，自主研发的“金草田”牌加固产品和矿用材料已成为国内最有影响的品牌。其中建筑用锚固树脂胶被建设部鉴定为国内领先，达到国内外先进产品性能；并被列为建设部科技成果重点推广项目。公司生产的产品已有六大类，30多种，包括粘钢胶、植筋胶、工业耐磨胶、碳纤维、环氧胶粘剂、环氧防锈漆和高强耐磨材料等材料。公司开展了工业民用建筑，如选煤厂、胶带走廊、桥梁、厂房等建（构）筑物补强加固或改造工程的检测、设计和施工工作，承接了西哈努克亲王官邸加固、中山公园音乐堂加固、国家计划委员会住宅楼加固、江南大桥加固、深圳地铁大厦加固、川煤集团龙滩煤矿洗煤厂煤仓加固、山西天地王坡煤矿洗煤厂栈桥加固等百余项工程项目。