矿井建设作为近代发展起来的学科，以往在煤炭院校中专门作为重要的专业服务于煤炭建设各个领域。目前，虽然还有少数院校保留或恢复专业设置，但多数院校已将其纳入土木学科，只保留其研究方向。多年来矿山建设专业相关研究成果，特别是以大量的工程实践为基础，创造出的技术、工艺、装备、材料等，推动了煤炭高速发展，间接服务国民经济发展。煤炭开发以井工开采为主，采用竖井、斜井或联合布置的开拓方式，我国煤炭赋存范围广泛，但多数煤层上覆岩石地质条件复杂，造成井工矿井施工难度大，特别是对于一般只占矿井建设工程量3%~5%的井筒工程，施工工期占矿建总工期的40%~50%，随着矿建工作者的努力付出，大幅提高矿井建设速度，煤矿建设周期从以往的6~8 a，缩短到3~4 a。特别是在“十三五”期间，除了为煤矿建设服务外，还拓展到地下工程建设的不同领域，应用范围逐渐扩大，影响力不断增强。以钻爆为基础的井巷施工方法，大幅提高了建井速度，但是在施工安全、职业健康、劳动强度方面存在诸多问题，大量智能化矿井已经出现，但智能化建井还有巨大差距，在“十四五”期间需要各方共同努力实现建井技术重大变革。
1 建井技术发展回顾
按照煤炭开采需要将煤矿工程划分不同类型，同时需要采用相应的施工技术。煤矿工程大概分为竖井井筒、斜井井筒、巷道和硐室等，目前还出现如瓦斯、下料、供电、供水、安全等小直径管道井工程。到“十三五”末，各种施工技术相对成熟，根据施工方法分为钻爆破岩施工法、机械破岩钻进方法。钻爆破岩施工法包括以伞形钻架钻进爆破孔的普通竖井凿井法，以台车、手持风钻等斜井、巷道和硐室普通施工方法。机械破岩钻进法包括适用于竖井和大倾角斜井的竖井钻机钻井法、反井钻机钻井法、竖井掘进机钻井法，用于巷道、斜井或硐室的全断面和部分断面钻进方法。针对上述施工方法对地层涌水的敏感及影响，发展出的以地层冻结的物理改性和以地面预注浆的结构改性，实现富水冲积地层和岩石裂隙地层的注浆帷幕。我国在相应的技术方面处于国际领先和先进水平。
我国煤矿深井开采最大深度达到了1 501 m，一次建设井筒深度达到1 342 m，金属矿山一次建井深度为1 527 m，穿过冲积层最大深度754 m。以多臂伞形钻架钻孔、人工装药爆破、电雷管起爆、中心回转抓岩机装岩、吊桶排渣、整体金属模板砌壁的短段掘砌综合凿井工艺（图1），达到一次掘进循环进尺5 m，综合月成井速度超过百米的先进水平，并且，拓展应用到长大公路铁路隧道竖井建设中，包括大瑞铁路高黎贡山隧道竖井、终南山特长公路隧道通风竖井。
图1 普通钻爆法凿井工艺（北京中煤矿山工程有限公司）
竖井钻机钻井实现“一扩成井”，月成井速度超过40 m，并实现废弃泥浆的综合利用和固化分离。最大钻井直径达到10.8 m，钻井深度660 m。竖井钻机钻井技术在海上风电大直径扩孔桩钻进发挥巨大作用，钻井直径13 m、钻井深度1 000 m的AD130/1000型全液压竖井钻机如图2所示，钻井直径8 m、钻井深度100 m的海上风电桩基钻机如图3所示。
图 2 AD130/1000型全液压竖井钻机（中矿山建设集团特殊凿井公司）、图 3 ZDZD-100型海上风电桩基钻机（平煤特殊凿井股份有限公司）
反井钻机及钻进技术，实现从反井钻孔到反井钻井突破，一次扩孔钻进直径达到6 m，满足高效采区通风需求，反井钻机成为水力发电和抽水蓄能电站建设的重要装备，突破电站竖井、斜井建设瓶颈，大幅加快地下厂房发电系统建设速度。并为八达岭高铁和蒙华及敦格铁路快速建设发挥重要作用。图4为目前国内研制的最大型BMC600型反井钻机。
图4 BMC600型反井钻机（北京中煤矿山工程有限公司）
“十二五”研制的国内首台套竖井掘进机“金沙江-1号”（图5），竖井掘进机钻井深度1 000 m，在2020年完成第1条直径5.8 m、深度282 m的以礼河电站出线竖井井筒工业性试验，达到日钻进进尺5~10 m的较高钻进速度，研制的专用破岩刀具寿命达到300 m以上的高水平，为竖井掘进机技术、工艺和装备的发展打下基础。
图 5 MSJ5.8/1.6/1000型导井式竖井掘进机
在巷道掘进方面，煤炭开拓尽力以煤巷为基础，以截割方式破岩的悬臂掘进机为基础，形成掘进、支护掘锚一体化的设备配套和作业线，在煤层条件好的地质条件下，达到较高掘进速度。同时，煤炭企业也在探讨和试验采用全断面掘进机掘进煤矿斜井和岩石巷道，将用于铁路和地铁隧道的多种全断面掘进机，包括采用撑靴支撑的开敞式、局部护盾式和双伸缩护盾（图6）等防护方式，用于处于软弱沉积地层中的煤矿巷道，相对投资巨大，还有待探讨其实用性。神东补连塔采用全断面掘进机，钻成倾角5.5°，斜长2 718.2 m的新副斜井。
图 6 用于大同王村煤矿回风巷道直径5.8 m竖井掘进机（三三工业集团）
针对华东地区深厚冲积层覆盖煤炭，发展的冻结凿井技术，较好的解决了含水地层安全建井问题。随着煤炭开发向西部转移，西部白垩系弱胶结孔隙岩石，具有高富水状态且对开挖扰动敏感，普通法凿井直接施工难以通过，只能采用冻结法，但也出现不少问题，通过多年研究和实践，逐渐掌握岩石地层冻结壁发展规律，冻结深度已经达到950 m。冻结技术方法日益得到地下工程建设领域青睐，在市政隧道中广泛推广应用，并在举世瞩目的港珠澳大桥建设中发挥重要积极作用。
地面预注浆技术，在定向钻进技术基础，形成了“冻-注-凿”三同时凿井技术，“钻-注”平行作业凿井技术、L型钻孔地面预注浆巷道加固技术、采空区地面预注浆加固技术等，实现了煤矿井筒的“干井”施工，提高了普通凿井施工速度，也为反井钻井和竖井掘进机钻井实现封堵涌水和稳定地层改性。地面预注浆深度达到1 100 m，并为其他类型井工开采矿井建设提高了手段，在大瑞铁路高黎贡山隧道措施竖井建设中（图7），封堵坚硬岩石的裂隙大流量涌水，保证了井筒安全掘进到底。
图 7 大瑞铁路高黎贡山隧道施工措施井筒地面预注浆防水加固（北京中煤矿山工程有限公司）
在建井理论研究方面，建立了竖井钻机、反井钻机、竖井掘进机机械破岩钻井技术体系，在滚刀破岩机理、钻进循环排渣、泥浆护壁、井壁结构和悬浮下沉理论方面取得进步。冻结凿井方面，千米深井控制冻结、斜井沿轴线冻结、冻结壁和冻结井壁设计，基岩冻结井壁厚度计算理论等，满足冲积层和岩石冻结。地层注浆改性理论，提出“L”深部硐室围岩注浆改性理论，通过改变岩体的物理力学性质，实现对岩体的预加固，保障岩体长期稳定。
2 矿井建设研究涉及的工程领域
建井相关科学和技术的研究不但影响资源和能源供应，同时也是地下空间利用的基础。21世纪，谁掌握地下工程建设核心技术，谁就能够充分利用地下工程，拓展生存范围和生存条件。对于建井领域来说，也是重要发展机遇，所面向的不再只是煤矿建井行业，要面向包括地下工程在内的国家建设的各个领域，包括非煤矿物开采如铁、金、镍等金属，钾盐、石膏等非金属矿物，其开拓方式和煤矿有许多相似之处；水力发电站，随着在深山峡谷中建设大型水力发电工程增加，多采用地下厂房式或引水式，出现大量的井筒和隧道工程；我国以火力发电为主，抽水蓄能电站作为电力调峰的重要手段，保证电力的合理利用，同时为新能源电力提供上网条件，处于大发展阶段，其压力管道、引水隧道等大量特殊工程出现；地下物料储存作为港口和重要位置储存石油和其他物资以及气体液体原料，需要在地下建设满足原料保护及进出方便输入和输出的工程；地下废物封存，在稳定地下工程中将核废料、核废物及其他污染物质长期封存，作为目前唯一可行的方法，通过大规模建设，满足国内大规模发展的核电站将来产生大量废料的封存。当然，为国防方面还需建设多种多样的地下工程，以保证国家安全。
3 “十四五”建井技术发展设想
作为国家百年发展的重要阶段，党和国家非常重视“十四五”规划的编制。矿井建设领域也应做好相关规划工程，服务于国民经济发展。“十四五”矿井建设领域科学技术发展目标，通过理论、工艺、技术、材料、装备的研究，改变矿井建设作业人员多、机械化程度低、劳动强度高、职业伤害严重、安全状况复杂的现状，以机械化、无人化和智能化为发展方向，实现矿井建设技术的发展与变革。
针对矿井建设需要在地层中高效开挖出所需空间，同时还需尽量减少对地层状态的改变或破坏，充分利用地层这种天然的建筑材料。解决好破碎（所需空间）地层和防止（周围）地层破碎这矛盾。需要进行以地层性质的精确判识、提高地层稳定的地层改性研究为基础，以可控机械破岩替代爆破破岩研究，实现对地层精准和智能开挖；以新型支护材料和支护结构，实现结构的长期稳定；通过研究新的检测方法，实现对地下工程结构建设过程及全生命周期控制。
1）理论方面。
需要进行地层性质的视频、声波判识、机械破岩机理、大体积破岩刀具布置、三相流排渣、支撑结构稳定、冻结地层改性能量交换、注浆浆液流体与地层耦合、装配支撑与围岩作用机理等研究。
2）关键技术工艺方面。
需要研究创新以机械破岩为基础的综合施工工艺，在大体积低能耗破岩、机械流体排渣及岩渣水平和垂直输送、按层位的地层控制冻结、按裂隙条件的精确注浆、装配式工程结构、与5G相关的信号传输及反馈等进行研究。针对建井共性关键技术定向钻进或定向控制技术进行研究，实现以智能定向钻孔为基础的控制冻结、控制范围注浆、反井钻井导向、竖井钻机控斜、水平及斜井沿轴线冻结技术的实现。
3）核心材料方面。
需要进行破岩耐磨硬质合金、环境友好型注浆材料、记忆支护材料、易分离泥浆材料、高强复合材料、现场3D打印材料及开挖材料的再利用等研究。
4）重要装备方面。
针对工程结构特点，根据井筒、巷道和硐室工程需要，研究智能千米深井井上、井内双动力驱动竖井钻机、千米上排渣竖井掘进机、千米反井钻机；对斜井和岩石巷道地层特点，研究不同护盾方式的全断面掘进机；对煤巷同时发展异形盾构和掘锚一体化智能掘进设备；对硐室工程研究部分断面仿形破岩智能掘支设备；研制与地层冻结和地面预注浆改性配套智能钻孔、安装设备。
5）标准规范及实验系统建设方面。
建立建井相关技术标准体系和实验研究体系。针对技术、工艺、装备、材料发展，进行与之配套的标准体系研究，形成满足不同需求的国家、行业和团体标准，为企业进入国外市场和“一带一路”国家，进行相关国际标准的研究。完善与机械破岩相关理论、技术和装备研制的试验体系，建立专项实验平台，实现中间试验和技术试验，促进研究成果转化。
4 结 语
实现 “十四五”矿井建井技术发展目标，需要集合高等院校、科研单位以矿井建设施工、机械加工、材料生产等企业的广泛合作，建立相应的创新联盟，共同攻关。并且需要土木、地质、机械、材料、化工、仪器等多方面高层次人才，在不同方面研究取得突破。还需建立全国范围的矿建专业协会，达到更高层次的合作，带动行业的健康发展。
