刘志强
博士，研究员，博士生导师，中国煤炭科工集团有限公司一级首席科学家，现任煤矿深井建设技术国家工程实验室主任
获科学中国人2012年度人物、全国优秀科技工作者、孙越崎科技教育基金优秀青年科技奖、“百千万人才工程”拔尖人才、杰出工程师鼓励奖等多项荣誉，享受国务院政府特殊津贴。30多年来，主持国家科技攻关、“863”计划、国家重点研发计划及中国工程院重点咨询等重大项目12项，攻克了高效低成本机械破岩、大直径钻井偏斜控制、复杂地层钻井井帮稳定控制等技术难题，成功组织研制出国内首台套大型反井钻机、竖井掘进机和上向反井钻机，建立了机械破岩钻井工艺体系，研究成果广泛应用于矿产资源开采、水力发电、交通隧道等地下工程建设，促进了由爆破破岩向机械破岩的成功变革。
2020年2月，国家发展改革委、原国家煤矿安全监察局等八部委联合发布了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确指出智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，并制定了煤矿智能化发展的原则、目标、任务和保障措施。由王国法院士团队起草的《智能化煤矿（井工）分类、分级技术条件与评价》《智能化采煤工作面分类、分级技术条件与评价》等相关标准，对智能化煤矿和智能化工作面进行了分类，建立了评价标准与分级评价方法，这些工作为煤矿智能化发展奠定了坚实基础，国内大量的智能化工作面和智能化矿井相继建成；但在智能化矿井建设的施工方面发展缓慢，尚未形成完整体系，仍停留在机械或半机械化状态。目前，智能化煤矿或智能化工作面多数是在煤矿建成后或已经投入生产后进行智能化改造而成，因此，需要推动以智能化的方式建设智能化矿井。
图1 采用钻井法凿井建成的山东新巨龙煤矿一号和二号主井井筒及地面设施
矿井建设
井工开采煤矿是在地层中建设的复杂系统工程，涉及井巷工程施工和设备的安装。井巷工程包括竖井井筒、斜井井筒、巷道、硐室、暗竖井、暗斜井以及采区巷道等工程，一些井巷工程服务于矿井生产的全生命周期。在矿井生产过程中，仍需不断建设与采区生产相关的开拓工程，实现开采工作面的有序衔接。在矿井建设期间，同时完成永久运行固定设备的安装，如井筒提升系统、通风系统、排水系统等。矿井建设还包括一定数量的地面工程，如井塔、选煤厂、煤仓、装载及配套建筑等（图1），这些工程施工也需要统筹考虑向智能化方向发展。
井巷施工技术现状
智能化的基础框架包括应用层、数据服务层、基础设施层和设备感知层，需要具备相应的协同控制平台，实现自主学习、智慧决策、深度应用，还需要建设相应的标准体系。智能化发展的基础是连续作业的终端装备，如采煤工艺从爆破采煤，发展到普通机械化开采，再发展到综合机械化开采，最后发展到智能化开采，综合机械化开采是智能化开采的基础，井巷施工如果继续采用不连续的炮采，是无法实现采煤工作面的智能化。总体来说，井巷施工相比于煤矿开采还不具备智能化基础。
目前，井巷施工仍以钻孔爆破工艺为主，爆破是人类从低效的錾凿破岩到高效的爆破破岩实现的第一次技术革命。但是爆破破岩作业环节造成的不连续，以及爆炸对设备、围岩及作业空间气体的破坏和对环境的影响，从根本上制约了井巷施工向智能化过渡。虽然，出现了一些所谓的智能凿岩钻孔、智能装药、智能排渣、智能支护和智能输送等设备，但离真正的智能化相距甚远。近年来，由于限制对炸药的使用，迫使煤炭企业进行非爆破机械破岩掘进技术装备的研究，对于坚硬岩石采用挤压破岩原理，形成不同齿形的镶齿滚刀组合（图2），对于煤和半煤岩巷道掘进，采用截割破岩原理破岩，形成悬臂掘进机、连续采煤机和掘锚机组等智能化作业线，这些工作为智能化建设矿井打下一定基础。
图2 挤压原理破碎破岩坚硬岩石的镐形镶齿滚刀组合
井筒施工现状
井筒施工多采用伞形钻架钻孔、手工装药、抓岩机装岩、吊桶提升、整体模板浇筑混凝土井壁短段掘砌的普通凿井方法，这种施工工艺需要大量工作人员下井作业，安全事故时有发生，且对作业人员造成较为严重的职业危害，无法实现井筒施工的智能化。为此，针对松软含水地层，以竖井钻机为主要装备的钻井法凿井技术逐渐成熟，应用范围逐渐拓展，并从华东地区开始向西部煤矿软岩地层发展，且进行试验钻进应用，图3为安徽朱集西煤矿“一钻成井”钻头结构。钻井法凿井作为“打井不下井”的施工方法，全部凿井作业工序均在地面完成，特别是采用地面预制井壁方法对井筒进行支护（图4），工程质量良好，有利于井筒长期运行。
图3 安徽朱集西煤矿风井竖井钻机采用的直径7.7 m钻头结构
图4 钻井法凿井地面预制井壁结构
图5 国内最大型BMC600型反井钻机
对于具备下部巷道的井筒，为了充分利用已经形成的生产系统，解决机械破岩排渣的难题，采用反井钻机通过从上向下导孔钻进和从下向上的扩孔钻进形成井筒，扩孔钻进破岩过程排出的岩渣，依靠重力掉落到下部巷道内，由装载设备高效排出，并且反井钻机对围岩及周围环境影响较小，国内最大型的BMC600型反井钻机如图5所示，其施工场景如图6所示。在特殊条件下采用专用设备，可以直接由下部巷道向上一次钻井，形成大直径井孔，自移动式上向反井钻机如图7所示。
针对硬岩地层的井筒施工，为替代钻爆法凿井工艺，在全断面隧道掘进机研究基础上，开展了相关竖井掘进机研制工作，研制出首台套硬岩全断面竖井掘进机（图8），并且进行初步井筒钻进施工试验（图9），其施工效果较好。在地质条件较差的情况下，可以实现井下无人远程控制。上述井筒非爆破机械破岩方法，具备智能施工的基本条件，通过与矿井智能化控制平台相结合，可以初步实现井筒的智能化施工。
图6 反井钻机施工现场
图7 自移动式上向反井钻机总体布置
巷道施工现状
巷道工程特别是岩巷，同样采用以钻爆法施工为主，以凿岩台车钻孔爆破，装岩机排渣及辅助运输为辅的方案，开展了智能化凿岩台车研究工作，总体施工工艺难以实现智能化。针对煤层或半煤岩层巷道，通过以悬臂式掘进机为主的综合机械化作业线，连续采煤机与锚杆钻车配套的作业线，以及掘锚一体机组作业线，同时完成地层破岩截割、钻锚临时和永久支护等智能掘进作业。上述系统一般应用在生产矿井，与矿井的控制平台相结合，初步形成开拓巷道的智能化掘进系统。
近年来，煤矿岩巷掘进开始引进用于隧道施工的全断面掘进机，利用全断面掘进机完整的智能化系统，可实现全断面破岩、铲斗同步除渣、带式输送机运输及转载、智能导向系统定向、气体环境监测、锚喷及钢拱架支护等，能够与生产矿井系统协调，实现掘进的智能化。直径为5.8 m的双护盾小转弯半径巷道全断面掘进机（图10）已在大同王村煤矿成功应用。
图8 首台套硬岩全断面竖井掘进机
图9 竖井掘进机入井始发钻进施工
图10 煤矿用双护盾小转弯半径巷道全断面掘进机
图 11 竖井钻机和地面预注浆平行作业施工现场
硐室施工现状
煤仓和装载硐室、水仓和水泵房、变电和充电硐，以及为减少矸石地面排放的井下选煤硐室等大断面硐室，只能采用钻爆法施工；虽然借助反井钻机可对小直径导井进行钻进，再扩挖成形，形成下排渣优势，但扩挖成形后也只能采用钻爆法。大断面硐室需要高强支护，但这些支护设施的安装，以及固定设备的安装，只能依靠大量人员手工作业。
矿井建设智能化发展展望
智能化建井施工必须以工艺为引导、以技术变革为前提、以装备为核心，进行智能化控制系统及平台建设。针对目前建井施工现状，建议建立相应的技术、工艺、装备和标准体系，并根据井巷工程条件从以下3个方面，逐步推进。
建立标准的矿井设计方案
在矿井建设设计过程中，根据地质条件和环境条件确定井型和开拓方式，以及井筒结构和巷道型式。目前，多数煤矿井巷工程参数变化较大，成为难以开展智能化施工的因素之一。山岭隧道采用的全断面掘进机（TBM），以及地铁和交通隧道采用的盾构机（STBM），单台设备造价较高，且一次施工的隧道长度较长，每米的折旧相对较低，特别是采用标准化的隧道断面设计，设备的重复利用率较高，隧道建设成本得到控制，激发了大型装备制造企业和隧道施工企业发展智能化装备的热情。因此，建议在一定的井型和相似的地质条件下，对主要井巷工程采用模块化设计，以便于施工装备的重复应用。深部资源开发多采用竖井开拓，在千万吨级的煤矿可有针对性地将主、副井和风井标准化，增强竖井掘进机、竖井钻机等装备的适用性和通用性。对于与通风、运输和安全相关的主要巷道，同样更容易实现标准断面布置，为各种类型的智能化掘进机应用打下基础。
图12 井筒施工工艺
建立标准的施工工艺
在地下地层中建设井巷工程，地质条件是影响施工工艺的主要因素，在标准设计基础上，研究广义的施工工艺十分重要。地层作为井巷工程的载体，需要按照设计在地层中开挖出相应的空间；同时地层又是维持井巷工程稳定的主体结构，需要通过一定的支撑结构，共同承担地层及地质构造等所产生的外部荷载，以保持井巷工程的长期安全运行。井巷工程多为长细结构，相对于宏观地质和水文地质来说，所穿过地层的微观地质和微观水文条件对施工过程影响较大，不仅仅是设备智能化就能够实现施工智能化；在微观地质影响下，多数情况可能无法进行施工，这也是多年来仍采用人工施工方法，才能够对地层进行及时处理，防止施工重大事故发生。因此，形成标准的工艺方法是地层冻结—地面预注浆—竖井掘进机凿井平行作业，地面预注浆与竖井钻机平行作业（图11），以及地面预注浆与竖井掘进机平行作业等。
以井筒施工为例，从地球角度看，井筒工程只是一个细长杆件，除了宏观地质影响外，微观地质影响更大，如图12所示；不同类型的地层条件包括成岩方式、微观地质构造、高水压高地压和构造应力、地层温度等，这些地层条件均对井筒施工安全和智能化有严重影响；因此，需要在原位精确探识的情况下，对地层进行预改性，包括堵水、加固、应力改造和地温环境控制等（图13），为智能化井筒装备施工创建一条“高速公路”。
图13 井筒改性后智能施工工艺
建立标准的智能化装备
施工装备是井巷工程建设的核心和关键，“没有装备的工艺”和“没有工艺的装备”都是不完善的；因此，针对不同的井巷工程条件，需要开发相应的装备。井巷施工装备一般包括破岩、排渣、输送和支护装备，装备的智能化还需要对地层进行施工探测、各种传感和反馈、数据无延时传输、相关算法研究等，形成与地层条件相适应的自主学习、自主调整控制系统，这些需要有专业人员完成。对于矿井建设研究人员，需要解决高效破岩的问题，目前机械破岩是爆破之外最有效的大体积破岩方法，其存在的问题是能量消耗大，无论任何岩石条件都需破碎到一定粒径，粒径的级配颗粒变小，能量消耗成级数增加，所以应该设想开发更经济的破岩方式，这需要利用岩石在长期历史年代形成的特点，包括不均质性、节理发育状况、地应力的作用等，开发相应的破岩方法和设备。当然，现阶段还要根据冲击、刮削、截割、挤压4种机械破岩机理，研发适合不同地层条件的装备。排渣采用的机械、流体等手段，对于小粒径岩石同样有效，根据不同岩石研究利用真空泵、铲斗、螺旋输送机、带式输送机、泵送管道等不同且有效的排渣方式。在支护方面需建立模块化支护体系，目前成熟的盾构机管片支护、竖井钻机地面预支筒形井壁支护，均能提高施工速度，如果无法实现模块化标准支护体系，智能化掘进装备的发展将受到很大限制。
井巷工程施工较为艰苦，这种现状必须改变，建井人也有责任改变，需要通过减少井筒和巷道掘进工作面作业人员，才能实现施工安全、降低劳动强度、减轻作业人员的职业伤害。因此，井巷施工必须向智能化方向发展，并为之努力，且逐步实现。
