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煤矿建设学科发展报告
发布时间:2014-12-24
1.煤矿建设(井巷工程)学科定义及其在国家科技发展中的地位
  在煤炭行业中,井巷工程主要包括矿山建设工程、开拓工程、延深工程和辅助工程等。矿山建设工程是指为了将煤炭从地下采出,从地表开始开凿直至煤层的一系列井筒、巷道与硐室工程;开拓工程是指矿井生产过程中,为保证采煤工作面与采区的正常接续所开凿的水平或倾斜巷道、硐室等工程;延伸工程是指为保证开采水平的接续所进行的井筒延深和新水平的巷道开拓工程;辅助工程则指为了保证采矿活动的安全,开凿的一系列运输、排水、通风及行人巷道、硐室等工程。
  在矿山建设的三大工程(井巷工程、土建工程和机电安装工程)中,井巷工程量占总工程量的50%~70%,甚至更多,因此井巷工程是决定矿山建设工程质量和工期的关键因素。另一方面,井巷工程与采矿生产紧密相连,是煤炭生产过程中最基本、最主要的坏节。在我国井巷工程设计与施工中,一直贯彻"以掘保采,以采促掘,采掘并举,掘进先行"的方针。因此,煤炭工业的发展依赖于井巷工程学科的发展和进步。
  井巷工程学科的进步不仅与相关学科的发展息息相关,而且井巷工程所面临的更复杂的地质环境、更困难的工程条件、更严格的工程要求等均为相关学科科学技术的发展提供了平台和动力。在国际日益白热化"三深"(深空、深海、深地)科技竞争中,相对而言"深地"的研究更为薄弱和困难,而井巷工程学科则对我国"深地"科学研究赋有不可推卸的重大使命。因此,井巷工程学科不仅对相关学科建设具有重要的意义,而且在国家科技发展中处于特殊的地位。
  2.学科发展规律与趋势
  井巷工程学科发展的动力来自于国家对深部地下开发的重大需求,始终服务于国家能源安全战略与重大地下工程建设。井巷工程学科需要适应矿山工程和地下工程深度和规模的不断加大,环境和条件的日益恶化以及工程要求的不断提升的需求。井巷工程学科水平的提升不仅源自学科本身的进步,而且必将得益于和有益于相关学科的发展。
  (1)工程规模不断加大
  随着国民经济建设和社会发展,井巷工程所面临的工程规模不断加大。立井井筒深度更大,千米深井,甚至2000~3000m的深井建设是未来5~10年井巷工程科学研究与建设的主要对象;井筒断面从6m增加到10m,净直径10m以上的立井井筒越来越成为施工主体;井下巷道更长,断面更大,巷道之间的空间关系更复杂;井下硐室体量越来越大,单一硐室的开掘和支护理论和技术已基本成熟,但硐室群的结构体系更加复杂,其整体设计、施工、稳定将成为新的课题。
  (2)环境条件更为复杂
  随地下深度和工程规模的不断加大,井巷工程所面临的地质、水文地质等环境条件更为复杂。井巷工程的地压更大、水压更大、岩性更加软弱与复杂。
  特别需要指出的是,我国西部矿区井巷工程所穿越或进入的巨厚白垩系、侏罗系地层普遍呈现出的高角度X型共轭剪切节理(裂隙、裂缝)发育,围岩岩石原始软化、暴露风化、浸水泥化、振动松化等特点,说明该地区井巷工程围岩赋有前所未有的特殊性质,是我国西部矿山安全建设和地下空间开发的核心和基本难题。
  (3)科学研究更加深入
  井巷工程学科将在随对自然认知更为科学的基础上不断创新与发展。
  井巷工程学科将从主要考虑围岩的宏观力学行为,向宏观、中观、细观以及微观等多尺度协同,固、液、气多介质,水分、温度、力学、化学多场耦合等方向发展,以揭示岩石、土、冻土,甚至含中观结构围岩介质的本质特性。
  随井巷工程支护方法由单一支护向多层复合支护,锚、喷、网、注、型钢联合支护体系方向发展。学科将更加注重支护体系与围岩的相互作用,更加注重利用围岩的自身承载能力维护地下空间。
  更大吨位的三轴试验系统、大型物理模型试验系统等试验装置,CT、扫描电镜等先进的试验测试技术,离散元、边界元、无网格方法等不断发展的数值分析技术,大数据、云计算等新的信息分析技术等将促使井巷工程的科学研究手段不断进步,学术水平不断提升。
  (4)学科交叉越加强烈
  传感与检测技术、液压与控制技术、自动化与智能化技术、信息与计算机技术,以及力学、采矿工程、安全工程、地质工程、材料科学、管理科学等相关学科、领域的新理论、新方法、新技术与井巷工程的交叉、融合更为强烈,由此将带来一系列的革命性变化。
  井巷工程支护结构体系更明晰、支护设计厚度更合理;吊盘、抓岩机、伞钻、模板等施工装备将实现全液压化和集成控制;适应不同岩性的钻凿机具使得凿岩开挖等更为高效;全液压巷道钻-凿台车、全自动锚杆支护台车将是巷道施工新技术的升级版;提升系统集群控制及井筒悬吊装备安全保障技术、井下重大装备和支护实时无线监测技术、井巷工程施工全过程的实时监控技术等将大大提升井巷工程施工安全性;工作面温度、湿度等环境控制技术将极大改善施工人员的舒适度。井巷工程施工将更为简洁、高效、安全。
  (5)工程设计更为科学
  未来对井巷工程设计要求将更科学和更精细。井壁、冻结壁、巷道、硐室支护设计的分析方法将从经验方法、工程类比向科学计算、数值仿真、模拟再现方向发展。随机场理论、可靠性分析方法、工程服役性能评价等新理论和新方法将逐步渗入到井巷工程设计中。传统的"设计定终生"将向施工过程中自动监测、实时分析、信息反馈、优化设计、动态调整的方向发展。
  (6)工程施工更为高效
  适应极硬、极软、冻岩、冻土等不同岩性的5m及以上超深孔控制爆破,超大体积混凝土浇筑与养护技术,深井大段高高压预注浆技术等新技术不断发展与完善;井巷工程施工装备将由机械化、半机械化向及集约化、自动化、信息化、智能化方向发展;施工组织由单一工种、单个机械作业向多工种联合作业、多种机械协同工作方向发展。井巷工程将更加安全可靠,不断实现减员增效,少人则安,无人则安。
  3.深立井施工技术现状
  进入21世纪立井,施工技术和装备配套水平不断提高。立井井筒最深达到1342m,基岩段最高月掘砌成井达到232.2m。
  据统计,我国立井施工平均月进水平是:2005年为68.51m,2006年为67.51m;2007年为64.43m,2008年为65.13m(1974年为16.4m,1997年为45.4m)。尽管单进水平较上世纪有了较大提高,但是,全国平均月进度维持在60多米的较低水平。从施工能力看,我国深立井施工深度基本在800-1100m范围,采取的主要施工工艺是短段掘砌混合作业,装备配套主要为70年代三部会战时,重点针对800m井深而研制的国产设备,虽然历经多次改造升级,施工到千米深井,但配套设备已达施工极限。从装备配套看该阶段国内掘砌正规循环段高一般在3.0-4.0m,主要设备配套为基础加高V型凿井井架悬吊、大提升机配置大吊桶提升、伞钻打眼、中心回转抓岩机装岩、混凝土集中搅拌、底卸吊筒下料、液压整体模板砌壁等。若施工深度与井径继续加大,无论从基础理论、设备单机能力、综合配套、技术工艺等方面都受到明显制约。
  目前,国外立井井筒的建设深度已超过2000m,南非贵重金属矿斯录桂登矿井为最深,井深达3480m。南非英帕拉铂金公司第16号立井工程井深1657m,岩石条件较好,基本无水,素混凝土支护。施工采用永久井塔作为凿井井架;井内吊挂五层工作吊盘,采用两台双滚筒凿井绞车四绳、回头轮悬吊、吊盘绳兼作稳绳使用;井筒内布置一套5m直径双滚筒绞车双钩主提升(有效负载25t,两个16t吊桶),一套单钩吊笼作为辅助提升;掘进打眼采用风动六臂伞钻(眼深3.4m,循环进尺3m);装矸采用悬吊式0.4m?气动抓岩机;砌壁模板安装在吊盘中部(段高3m),混凝土集中搅拌站制作,皮带运输到井口,经操作盘采用溜灰管下放;井口封口盘下设有固定盘和操作盘两个平台;电缆通过地轮经下操作盘由悬吊钢丝绳下放;上部吊盘井筒永久设施安装;管路依托罐道梁固定(罐道梁间距6m),掘、支、安顺序作业、专业化施工。通过对其施工方法分析,该金矿井筒施工为掘进、支护、永久装备一次性整体施工。在工程、水文地质条件和相贯工程布局形式方面与我国煤矿建设地质、水文地质条件和井下工程布置大有不同,贵重金属矿开凿工艺需要设置斜坡道和多水平联络通道,并随井筒一起施工,从而导致整个建井工期长达到7年,这种建设工期不做严格要求的施工方法与国内煤矿建设市场要求存在较大差异,因此在煤炭行业,在大直径深立井施工关键技术和成套装备方面,尚未借鉴国外的掘、支、安一次施工成井的经验和做法。
  4.岩巷施工技术现状
  2008年以来,国有重点煤矿的掘进总进尺已经超过800万米/a,全岩巷道不足10%。我国煤矿岩巷掘进水平长时间维持在60m-70m/月左右,对煤矿安全生产和矿井建设速度的要求还远远不够。为此,把握我国岩巷掘进发展趋势,找准岩巷掘进技术、装备、工艺等发展方向,对实现岩巷安全高效掘进具有重要的现实意义。
  岩巷掘进分为钻爆法和机械法两种。光面微差爆破技术、中深孔爆破技术、锚喷支护技术、掘进作业线的成功应用,为我国岩巷钻爆法安全高效掘进创造积极条件。
  上世纪八、九十年代以来,岩巷掘进水平稳定在60-70m/月。近年来,我国岩巷施工月进尺平均水平随着机械化程度有所提高,已基本达到70-80m/月。掘进水平呈现较大差异,比如,淮南矿业集团、平煤集团、皖北煤电等集团的岩巷掘进水平要稍高于平均水平,达到85-90m/月。
  我国掘进机的研制和应用真正起步于上世纪70年代初,比世界各主要产煤国晚15-20年。经过近40年的消化吸收,掘进机也从轻型、中型发展到重型,到本世纪,已经形成了EBJ、EBZ、EBH系列。以全国的应用情况来看,对坚固性系数f<8岩石巷道效果较好,f>8的硬岩效果差,且粉尘污染问题较难解决。针对上述问题,煤炭科学研究总院太原分院研制的EBZ300TY型掘进机可截割硬度120MPa半煤岩巷和中等硬度的岩巷,不移位截割断面达38m2。淮南朱集矿17㎡岩巷,2011年3月掘进进尺256m,打破大断面岩巷综掘施工记录。
  5.特殊凿井施工技术现状
  5.1冻结凿井施工技术现状
  近年来,我国在700m深厚表土冻结法凿井关键技术、千米深含水岩层冻结关键技术、深厚表土中斜井冻结法凿井技术等方面取得重要成果,冻结法凿井通过表土厚度达到675.6m,立井井筒冻结深度达到950m,斜井冻结斜长达到504m,均创世界纪录,使我国冻结法凿井技术全面达到国际领先水平;在冻结温度场及水、热、力耦合场,人工冻结土(岩)的力学特性,立井冻结壁的力学特性及设计理论,立井冻结井壁的力学特性及设计理论,冻结管断裂机理与防治技术,以及斜井冻结法凿井技术等方面均取得可喜进展,为后继技术的研发创造了良好条件。
  在山东巨野、单县、成武、聊城,安徽砀山,河南焦作、周口,河北廊坊、衡水等地,煤层上有>600~800m厚的表土层,未来10年,有山东万福煤矿等多个600~800m厚表土层井筒需要建设;在西部省区,深大井筒的冻结深度也将突破千米大关。因此,需要:1)加强冻结法凿井技术基础研究;2)坚持技术研发在先的原则,杜绝盲目、仓促上马冻结法凿井工程;3)加快修订相关规程、规范。
  5.2注浆凿井施工技术现状
  立井地面预注浆以黏土水泥浆注浆技术为主,在中东部地区有100多个井筒中应用,西部地区部分矿区-宁夏红二煤矿、新疆哈密汉水泉煤矿等开始尝试应用。为解决我国中东部地区煤矿千米深井建设的水害问题,研究应用了以高精度S型定向钻进技术为核心的"冻-注-钻"三平行凿井施工技术和"钻-注"平行凿井施工技术,注浆与其他凿井工序平行作业可节省凿井工期20%以上。目前在深井施工中,平行作业技术已普遍应用,深井地面注浆技术能力达到1000~1200m深度水平。
  与国外注浆技术相比较,目前我国的煤矿注浆技术总体水平处在世界先进水平。主要差距在钻探技术、化学注浆材料方面,国外的水玻璃类化学注浆材料种类多,适用各种不同地层条件。
  5.3钻井凿井施工技术现状
  进入21世纪后,为适应煤矿井筒建设的需要,对AS-9/500型、L40/800型钻机进行了改造,使其在钻井直径、提升能力、扭矩、控制系统方面得到了很大地提高。同时从2004年开始,着手研制能力更大的新型钻机。先后研制出AS-12/800型钻机、AD120/900型钻机和AD130/1000动力头型钻机。在此阶段共钻煤矿井筒51个,最大钻井直径10.8m,最大钻井深度660m,井壁最大厚度为1000mm,混凝土最大标号为C85,成井最大直径8.3m,全断面钻进最大直径7.7m,创造了一钻成井施工工艺。钻井法凿井技术国际领先。
  AD130/1000竖井钻机,扭矩达620KN·M,提升力达700吨,装机功率983.5Kw。最大钻井直径13m,最大钻井深度1000m。能力比上一代竖井钻机提高50~60%。综合性能国际领先。(王厚良,丁明)
  5.4反井凿井施工技术现状
  小型反井钻机得到普及应用后,开始自主研究设计适合我国不同地质条件、工程条件的大型反井钻机,在装备上大推、拉力推进、大扭矩旋转的多油缸提升、多马达驱动形成大直径反井钻机;锯齿形螺纹联结,替代API标准,形成了大直径钻杆新型联结方式,提高钻杆抗拉、抗扭能力,满足通用性和可靠性;组装式大直径扩孔钻头,满足井下运输和狭窄空间组装;大直径反井钻井工艺,随钻测量和纠偏控制技术,提高了偏斜控制精度。这些技术进步使反井钻机开始应用于煤矿井筒工程。代表性项目有:河南平煤集团四矿瓦斯抽放井,钻孔直径0.75m,深度462m;山西晋煤集团赵庄煤矿瓦斯管道井,直径2.5m,深度431m;山西晋煤集团王台铺煤矿风井,直径5.0m,深度168m。主要钻机类型ZFY3.5/400和ZFY5.0/600型反井钻机。
  反井钻机的更新发展对国内反井钻井技术的发展起到了巨大的推动作用,不但在煤炭系统,而且在水电、冶金、交通等地下工程建设领域的竖井、斜井施工中开辟了新的途径,应用前景十分广阔。但是,国内现有的反井钻井装备和技术在最大扭矩、最大推力等性能指标、硬岩适应性以及综合多用途等方面与国外先进水平相比尚有一定的差距,还要更深入的研究。


来源:中国煤炭学会
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