深部矿产资源开采矿井建设模式及其关键技术.pdf

第4 6 卷第3 期 2 0 2 1 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．3 M a l “ ．2 0 2 1 深部矿产资源开采矿井建设模式及其关键技术 刘志强1 ”，宋朝阳1 ”，纪洪广3 ⋯，刘书杰1 ’2 ⋯，谭杰1 ’2 ，程守业1 ’2 ，宁方波1 ’2 1 ．北京中煤矿山工程有限公司，北京1 0 0 0 1 3 ；2 ．煤矿深井建设技术国家工程实验室，北京1 0 0 0 1 3 ；3 ．北京科技大学土木与资源工程学院，北 京1 0 0 0 8 3 ；4 ．北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 摘要深部矿产资源开采是我国资源持续供给和保障经济高速发展的重要物质支撑，井巷工程作 为进入深部开采的安全通道是进入深部开采的咽喉，因此，深部矿井建设关键技术是实现深部矿产 资源开采的重要技术支撑。基于深部矿产开采矿井工程设计与装备制造先行的理念，深部矿井建 设模式、优化设计与理论、矿井建设技术与智能装备、智能监控技术体系、矿井建设与生态环境互馈 等方面亟待取得突破。系统分析了矿井赋存地质条件探查、数据融合反演与透明化重构技术及其 亟待攻克的科学问题；梳理了深部矿井井巷优化设计方法、建设模式、建井提运装备的发展现状和 面临的难题；基于深部井巷围岩“应力调控一改性一支护”理念，提出了围岩应力调控技术，地面预注 浆加固、抗渗、降一隔一保温技术等围岩改性技术，以及矿井工程支护结构等围岩控制理论与及其关 键技术；提出了深井智能掘进装备与智能控制系统研发体系，梳理了机械破岩掘进装备制造与发展 趋势，从高效破岩与排渣、装备构成与空间优化、精确智能钻井控制3 个方面分析了上排渣竖井掘 进机设计与制造亟需攻克的科学问题与技术难题；围绕破岩掘进复杂工序智能监控、围岩与井壁结 构稳定智能监控、井筒内运行设备智能监控，提出了深部矿井全生命周期智能监控系统与关键技术 体系。基于以上深部矿井开拓模式的优化设计、建井装备及其相应关键技术工艺的深入思考和分 析，有望为深部矿井安全高效绿色建设提供解决思路。 关键词矿井建设；智能化；围岩支护；注浆；掘进；风险监控 中图分类号T D 2 6文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 3 0 8 2 6 2 0 C o n s t r u c t i o nm o d ea n dk e yt e c h n o l o g yo fm i n i n gs h a f te n g i n e e r i n g f o rd e e pm i n e r a lr e s o u r c e s L I UZ h i q i a n 9 1 ⋯，S O N GZ h a o y a n 9 1 ”，J IH o n g g u a n 9 3 ⋯，L I US h u j i e l ，2 ⋯，T A NJ i e l ⋯，C H E N GS h o u y e l ”，N I N GF a n g b 0 1 2 1 ．B e i j i n gC h i n aC o a lM i n eE n g i n e e r i n gC o ．L t d ．，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；2 ．N a t i o n a lE n g i n e e r i n gL a b f o rD e e pS 妒C o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g yi nC o a l M i n e ，B e i f i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；3 ．S c 如o lo f C i v i la f tR e s o u r c eE n g i n e e r i n g ，‰i w “ i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i f t g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；4 ．B e i j i n g K e y L a b o r a t o r y o f U r b a nU n d e r g r o u n dS p a c e E n g i n e e r i n g ，踟眈m 泐o f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y B e i i i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee x t r a c t i o no fd e e pm i n e r a lr e s o u r c e si sa ni m p o r t a n tm a t e r i a ls u p p o r tf o rt h ec o n t i n u o u ss u p p l yo fr e - s o u r c e sa n dt h eg u a r a n t e eo fr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ti nC h i n a ．S h a f te n g i n e e r i n g ，a sas a f ep a s s a g ei n t od e e pm i n - i n g ，i st h et h r o a tf o rd e e pm i n i n g ．T h e r e f o r e ，t h ek e yt e c h n o l o g yo fd e e pm i n ec o n s t r u c t i o ni si m p o r t a n tf o re x t r a c t i n g 收稿日期2 0 2 0 - 1 2 - 1 4修回日期2 0 2 1 - 0 1 - 2 4责任编辑钱小静D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．Y T 2 0 ．1 9 4 4 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 6 Y F C 0 6 0 0 8 0 1 ；国家自然科学基金资助项目 5 2 0 0 4 1 2 5 ；中国工程院咨 询研究资助项目 2 0 1 9 一X Z 一1 6 - 0 3 作者简介刘志强 1 9 6 2 一 ，男，河北徐水人，研究员，博士生导师，博士。E m a i l l i u z h i q i a n g v i p ．s o h u ．c o r n 通讯作者宋朝阳 1 9 8 6 一 ，男，山东邹平人，副研究员，博士。E m a i l s z h a o y a n 9 1 2 3 1 2 6 ．c o n 引用格式刘志强，宋朝阳，纪洪广，等．深部矿产资源开采矿井建设模式及其关键技术[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ，4 6 3 8 2 6 8 4 5 ． L I UZ h i q i a n g ，S O N GZ h a o y a n g ，J IH o n g g u a n g ，e ta 1 ．C o n s t r u c t i o nm o d ea n dk e yt e c h n o l o g yo fm i n i n gs h a f te n g i n e e f i n gf o rd e e pm i n e r a lr e s o u r c e s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 3 8 2 6 8 4 5 ． 移动阅读 万方数据 第3 期刘志强等深部矿产资源开采矿井建设模式及其关键技术 8 2 7 d e e pm i n e r a lr e s o u r c e s ．B a s e do nt h ec o n c e p to fl e a dt i m ei ne n g i n e e r i n gd e s i g na n de q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gf o rd e e p m i n e s ，t h ed e e pm i n ec o n s t r u c t i o nm o d e l s ，o p t i m i z e dd e s i g na n dt h e o r i e s ，m i n ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n di n t e l l i g e n t e q u i p m e n t ，i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ys y s t e m ，m i n ec o n s t r u c t i o na n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n tm u t u a lf e e d b a c ka r e i nu r g e n tn e e do fb r e a k t h r o u g h s ．T h i ss t u d ys y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e sm i n eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，d a t af u s i o ni n v e r s i o n a n dt r a n s p a r e n tr e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n ds c i e n t i f i cp r o b l e m st ob es o l v e du r g e n t l y ，a n dr e v i e w st h ed e v e l o p m e n t s t a t u so fd e e pm i n es h a f to p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o d ，c o n s t r u c t i o nm o d e ，s h a f ts i n k i n ga n dl i f t i n ge q u i p m e n ta n d f a c i n g p r o b l e m s ．B a s e do nt h ec o n c e p to f “s t r e s sc o n t r o l m o d i f i c a t i o n s u p p o r t ”f o rt h es u r r o u n d i n gr o c ko fd e e pm i n e s ．t h e s u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sc o n t r o lt e c h n o l o g y ，g r o u n dp r e - g r o u t i n gr e i n f o r c e m e n t ，a n t i s e e p a g et e c h n o l o g y ，d r o p s e p a r a t i o n h e a tp r e s e r v a t i o nt e c h n o l o g ya n do t h e rs u r r o u n d i n gr o c kr e f o r m sa r ep r o p o s e d ．T h et h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g i e so f s u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o ls u c ha st h es u p p o r t i n gs t r u c t u r eo fm i n ee n g i n e e r i n ga r ea l s op r e s e n t e d ．Ar e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts y s t e mf o rd e e ps h a f ti n t e l l i g e n th e a d i n ge q u i p m e n ta n di n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi sp r o p o s e d ，a n dt h em a n u - f a c t u r i n ga n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fe x i s t i n gm e c h a n i c a lr o c k - b r e a k i n gh e a d i n ge q u i p m e n ti sr e v i e w e d ．T h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r eo ft h eu p p e rs l a g g i n gs h a f th e a d i n gm a c h i n en e e dt ob eo v e r c o m ei nt h r e ea s p e c t s ，i n c l u d i n gs l a gd i s c h a r g e ，e q u i p m e n tc o n f i g u r a t i o na n ds p a c eo p t i m i z a t i o n ，a n dp r e c i s ei n t e l l i g e n td r i l l i n gc o n t r 0 1 ．T h ei n t e l l i g e n tm o n i t o - r i n go ft h ec o m p l e xp r o c e s so fr o c k b r e a k i n ga n dh e a d i n g ，a n ds t a b l es u r r o u n d i n gr o c ka n ds h a f tw a l ls t r u c t u r ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n di n t e l l i g e n tm o n i t o r i n go fo p e r a t i n ge q u i p m e n ti nt h es h a f th a v ee s t a b l i s h e daf u l ll i f ec y c l ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e ma n dk e yt e c h n o l o g i e sf o rd e e pm i n e s ．I n d e p t ht h i n k i n ga n da n a l y s i sb a s e do nt h eo p t i m i z a t i o n d e s i g n ，c o n s t r u c t i o ne q u i p m e n ta n dc o r r e s p o n d i n gk e yt e c h n o l o g yo ft h ea b o v e m e n t i o n e dd e e pm i n ed e v e l o p m e n t m o d ea r ee x p e c t e dt op r o v i d es o l u t i o n sf o rt h es a f e ，e f f i c i e n ta n dg r e e nc o n s t r u c t i o no fd e e pm i n e s ． K e yw o r d s m i n ec o n s t r u c t i o n ；i n t e U i g e n t i z a t i o n ；s u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t y ；g r o u t i n g ；h e a d i n g ；r i s km o n i t o r i n g 世界能源体系经历了若干次能源革命，出于洁 净、绿色和低碳的考虑，煤炭资源在世界能源消费结 构中的比例由最高时期的4 8 ％下降至目前的3 0 ％左 右⋯，尽管如此，也足以说明煤炭在与石油、天然气、 核能、可再生能源组成的世界能源体系的重要性和持 久性心J 。因此，煤炭资源依然是人类社会生存、发展 和经济建设中不可替代的、不可缺少的基础能源之 ’。一0 随着我国经济的持续繁荣发展，煤炭消费需求总 量的不断增加，华东和华中地区的煤炭资源开采由浅 部地层逐渐向深部地层延伸，同时煤炭资源开发战略 目标早已向西部矿区转移，西部矿区经过十几年的发 展，开采深度也早已超过10 0 0m 【3J 。然而，由于深 部煤炭资源的赋存条件，煤炭深部开采在很长一段时 期内依然采用井工开采的方式，即采用矿井建设技术 与装备从地表进入深部煤层并为煤层开采创造条件 的工程，包括井筒、巷道、硐室和管道等地下构筑物。 针对深部资源的赋存特征和开采条件，谢和平在煤 炭革命的战略与方向中，提出了“深部原位流态化 开采的颠覆性理念与构想”，由“井下单一采煤”颠覆 性的转变为“井下深地原位煤炭流体化，以油、电、 热、气等流态化资源升井”的开发利用模式旧J ，然而 在深部原位流态化开采模式下依然需要建设连接地 面到深部煤层的井筒或大直径管道、巷道和硐室，用 于深地煤炭资源开采装备的运输与安置以及气态、液 态、气固 昆合态、液固混合态的流态化资源的“采一 运一提”。因此，矿井建设技术为深部资源开采提供 了重要技术支撑和安全保障，也可能是资源开采深度 和开采量倒逼矿井建设技术的发展与进步。 目前，我国9 0 ％以上的煤炭产量来自井工开采， 埋深10 0 0m 以深的煤炭资源量占已探明的5 ．5 7 万 亿t 煤炭资源的5 3 ％H 1 ；我国千米深井井深集中 在10 0 0 ～12 9 9m 的矿井约占9 1 ．4 8 ％，平均采 深10 8 6m ，最大采深为15 0 1m ，最深井筒13 4 2m ； 目前，金属矿最深竖井井筒为15 2 7m ，在建最深竖井 深度为16 0 0 ．2m ，另据调研有5 座竖井拟建深度 为19 0 0 ～20 1 0m ；而国外开采最深为43 5 0m ，最深 竖井深度29 9 5m ∞山J 。我国在矿井建设方面主要采 用立井开拓方式，先后采用注浆法、沉井法、帷幕法、 降水法等建井工艺，并逐渐形成了以冻结法和钻井法 为核心的特殊凿井方法，解决了我国东部深厚含水冲 积地层和西部富水弱胶结地层中矿井建设难题。目 前，我国煤矿井筒一次凿井深度达到13 4 2m ，最大井 筒净径1 0 ．5m ，最大掘砌荒径1 4 ．6m ；最大煤矿立井 基岩冻结深度9 5 8m ，冻结冲积层厚度7 5 4m ；最大钻 井深度6 6 0m ；最大地面预注浆深度10 7 8m ；反井钻 机钻井最大深度5 6 2m ，最大反井直径6m0 7 - 9 ] ；下排 渣竖井掘进机钻井深度2 8 2 ．5m ，直径为5 ．8m 。我 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 国科研工作者和工程人员在矿井建设领域形成了一 系列重要的建井基础理论，突破了复杂地层中建井关 键技术，研发了适用不同地层条件的建井装备与工 艺，取得了显著经济效益和社会效益。“十三五”期 间国家重点研发计划以攻克20 0 0m 以浅深竖井建 井与提升的基础理论与关键技术为目标0 | 。因此， 国家“十四五”期间以及中长期规划内，必将 以20 0 0 ～30 0 0m 矿井凿井关键技术工艺与装备制 造、岩体工程的力学行为特性、矿建中的安全科学和 环境科学等作为矿井建设领域的重点任务，来满足深 部矿产资源绿色安全高效开发的需求。 深地资源开发和深地空间工程建设是在深部岩 土体内利用一系列关键技术与装备建设长期或者一 段时间内稳定的工程结构，其技术核心是“进得去、 取得出和待得住”。然而，随着矿产资源开采深度的 增加，面临深部高地应力、高渗透压、高地温等多场的 极端条件，以及气一液一固多相介质耦合作用、非线性 动力效应、非线性渗流及失稳奇异状态等因素⋯J ，使 得“进得去”成为首先要攻克的难题；多场多相耦合 以及开采扰动作用下采场和井巷围岩变形失稳、瓦斯 突出、冲击地压、岩爆、突水等矿山灾害事件的发生频 率和强度明显增加2 | ，矿井建设难度加大，致使“取 得出”成为制约深井建设与资源安全高效开采的关 键；同时深部井下作业环境恶化，井下通风降温和生 产成本急剧增加，“待得住”成为深部矿井建设与资 源开采经济性的必然要求。深部资源开发过程中首 要面对的就是深井建设，特别是对于新建矿区首批井 筒的建设，面临的环境条件和工程条件存在诸多的复 杂性、不确定性和未知性，必须克服深部矿井建设的 功能一性能一尺度一环境等“极限”条件，保证深部矿井 的安全、高效和绿色建设及其全生命周期的安全可靠 运营。 因此，我国深部资源开发与技术创新、变革的过 程中，首要解决20 0 0m 以深矿井建设关键技术与工 艺，并为攻克超深部流态化开采的颠覆性技术做好技 术支撑，迫切需要在矿井建设涉及的复杂地质构造探 测及其多尺度建模，高地应力、高渗透压、高地温环境 下多场多相耦合非连续体非线性力学行为与非线性 渗流行为、灾变演化机理及防控机理与技术，矿井建 设优化设计与理论、矿井建设技术与装备、深井围岩 改性材料与工艺、矿井建设与生态环境互馈等方面取 得突破，为我国深地资源开发战略的实施提供坚实的 科技支撑。笔者以发展深部高效安全建井基本理论 和关键技术为目标，以多场多相耦合作用下深部岩体 工程力学特性为基础，提出了深部资源开采矿井建设 模式、关键科学问题、技术路径、装备与材料、智能监 控等内容的研发思路及其主要研究方向。 1 深部矿井工程优化及其关键技术 1 ．1 深部矿井工程智能建井构想 目前，在矿井穿越地层条件适宜的情况下，反 井钻机、竖井钻机、下排渣竖井掘进机等大型钻井 装备在自动化控制下可实现较高的破岩钻进效率， 有效保障和明显改善了建井工人的作业环境和劳 动强度。从现有的机械破岩钻井装备运行方式和 钻凿模式来分析，在适宜的地层条件下通过控制程 序调控钻压、钻头转速、扭矩等破岩参数和排渣参 数，可适应不同地层岩性的高效破岩钻进并提高装 备的适应性，但在一定程度上更多的还是爆破破岩 技术的替代以及建井作业工人体力的延伸或替代。 然而，对于复杂的矿井地质条件下，特别是穿越富 水地层或高应力破碎地层时，必须随时进行人工干 预或者实施辅助钻进技术或工艺才能完成安全钻 井，自动化、机械化的钻井装备系统尚无法实现智能 调控，同时井筒井壁支护材料、结构、技术和工艺也需 要同步满足智能化建井要求。因此，迫切需要创新研 发复杂地质条件下的智能钻井装备与围岩控制技术， 将钻井装备系统与围岩稳定控制系统的环境感知、多 动作协同、分析计算及智能决策能力融入自动控制系 统中，形成一个自主决策的智能化建井体系。智能化 建井阶段作为机械化和信息化建井阶段到智慧化建 井的过渡阶段，面对深部矿井地质环境条件的复杂 性、特殊性和多变性，以及重复出现率较低的自主学 习机会，都会对智能化建井系列装备的深度学习、分 析、决策系统的研发与运行可靠度造成极大的困难。 因此，现阶段作为智能化建井的初始阶段，突破“人一 机”二元体系模式，实现“环境装备一仿真模拟- N 识 反馈”三元体系的智能分析决策，成为现阶段智能化 建井首要解决的难题3 | 。 针对深部矿井智能破岩钻进与围岩控制面临的 技术难题，围绕高效破岩钻进、流体排渣、围岩支护、 智能控制4 | ，提出深部矿井工程智能钻井构想，即综 合研判深部矿井穿越地层条件和破岩钻进装备性能 之间的适应性和可行性，以提高破岩钻进速率和排渣 效率、研发智能化钻井成套装备及辅助装备、实现围 岩稳定控制的智能一体化建井为思路，以“多场多相 耦合一破岩钻进智能化控制一围岩稳定控制一工业 试验”为研究路线，将地质力学、岩体力学、岩石破碎 学、机械工程学、控制科学与工程、材料科学、流体力 学、钻井工程学等多学科融合，研究智能建井过程中 万方数据 第3 期刘志强等深部矿产资源开采矿井建设模式及其关键技术 8 2 9 灾源孕育、演化过程和防控机理等基础理论，研发环 境装备动态数据的获取与传输、计算与分析、学习与 智能决策技术与方法；建立大型装备运行的空间场与 环境场叠加模型，能够实现钻井装备钻进一个行程 后，钻井实际动态数据自动循环更新与计算模型修 正，实现地质环境参数和装备运行状态参数的准确判 识、反馈与控制；最终研发形成深部矿井工程地质超 前探测、破岩钻井、连续排渣、钻进装备电器远程控制 和围岩稳定控制的智能化建井体系。总体研究理论 与技术框架，如图1 所示。 深部矿产资源开采矿井I 程智能建造 深部多相多深部井筒深部岩体破岩钻进 深井全，1 i 场耦合作用围岩稳定改性机理流体排渣命周期智 下岩体非线性控制机与向效破多相流流能安全监 性力学特性 I 早 碎机理动理论控模式 原位地层与 高效破岩 连续品效多相多场耦多源物联网 岩性超前探精准钻进流体排涟合下围岩支数据智能采 测与分析技智能控制与智能控护一改性一应集、传输与 术 技术制技术力调控技术展示技术 现场原理论相似模数值高性能 位测试分析拟试验仿真 数值计算 地质岩体岩石机械控制科学钻井材料流体 力学力学破碎学工程学与工程一I 程学科学力学 深部矿井工程智能建设与井筒智能运行成套技术 图1总体研究理论与技术框架 F i g ．1 O v e r a l lr e s e a r e ht h e o r ya n dt e c h n i c a lf r a m e w o r k 1 ．2 深部矿井赋存地质条件探测与分析技术 传统的工程设计理论主要围绕“相互作用”与 “能量转换”2 个基本的变量，深部矿井工程设计理论 考虑工程结构本身因素与外部环境因素，依然需要以 力和能量为主要出发点。而岩土工程问题的复杂性， 在很大程度上来自工程地质条件。因此，拟建深部矿 井井巷穿越地质结构的精细探测、描述、判识地层区 域动力与能量演化是进行深部矿井工程设计的首要 任务。以煤炭成因特性及其赋存条件为基础，以沉积 地质学、岩石力学、岩石破碎学、钻井工艺学、工程力 学、流变力学、物理化学、电磁动力学等多学科的理论 研究为基础的物探、钻探、巷探和试验等技术为手 段‘1 41 ，探究地层成岩特性、岩石宏细观物理力学特 性、地层构造与多场多相分布特征。 1 地层成岩特性方面。利用地质勘探技术进 行地质年代和同位素测年分析，获得矿井穿越地层的 成岩方式、侵入体产状、活动方式、层位和形成机制以 及裂隙充填物的形成机理。 2 岩石宏细观物理力学特性方面。通过深部 岩体工程的原位随钻测试技术与分析、深部原位保真 取i 占技术与测试、室内岩石测试与力学试验“，获得 岩石矿物成分组成、岩石微细观结构特征、宏细观物 理力学特征等内容及其科学表征方法。目前，岩石力 学特性研究以室内岩石力学试验、破岩试验、相似模 拟试验和数值分析等手段，经历了最初的经验估算、 提出假说、定性分析、线性分析逐渐过渡到理论与试 验相结合、数值试验定性到定量、外界复杂耦合作用 与响应的非线性等科学性综合分析方法，总得来讲是 从经验向科学、从粗放向精细、从假说向理论、从定性 向定量发展。为此，深部矿井岩石力学特性的研究重 点以探究多孑L 岩固一液一气多相介质属性、固体骨架 及微结构模型，以及深部多裂隙岩体跨尺度力学表征 模型，建立岩石的宏观力学性能以及微细观结构组织 参数之间的关系6 。1 8o ；运用分形理论、混沌、灾变理 论及重整化理论等非线性理论以及有限元、节理单 元、块体力学、离散元及非均质、多相介质多场耦合作 围困 万方数据 8 3 0 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 用理论与方法等岩体力学计算分析方法。1 ⋯，建立岩 体力学理论与岩体结构力学理论；揭示饱和、于湿循 环、高温、温变、异常应力、循环应力等多场多相耦合 作用下深井建设区域岩石的损伤破坏机理、岩体改性 机理以及机械破岩机理及其表征方法。 3 地层构造与多场多相分布探测与分析特征 方面。利用钻孔窥视、钻孑L 无线电波透视、钻孑L 测斜、 孑L 深探测、开孔定向和随钻测量等新型地球物理探测 技术，以竖直探测和水平探测联合探测与分析，如利 用以光纤类、钻孔组合式监测仪、常规应变计 振弦 式、电阻式 等监测方法监测应力应变场；以声发射、 微地震法、槽波地震构造探测法、弹性波法、地质雷 达、电法 高密度电法、网络并行电法 、无线电造 像 R I M 测量法、电磁场法 横向电磁场T E M 、大地 电磁法M T 、音频大地电磁法A M T 、可控源声频大地 电磁测深C S A M T 监测地质地球物理场。“’；以分布 式光纤测试、红外温度传感等监测方法监测温度场； 以地面瞬变电磁、高密度电法、频率测深、C S A M T 、磁 偶源频率测深和钻孑L 无线电波透视等技术探测矿井 含水层的富水性和充水通道水力性质，同时联合单 孔、多孔、群孔形式的井检孑L 稳定与非稳定流抽 放 水试验、示踪联通试验及二者联合试验、脉冲干扰试 验等，形成多手段、多尺度的矿井水文地质模型和参 数确定的技术体系，从而实现矿井赋存地层渗流场的 精准超前探测；以及光一电联合、震一电联合、重一磁联 合等监测方法实现复合多场的耦合特征的监测，从而 能够探明矿井工程赋存地层区域断层、褶皱、节理等 地质构造的产状、几何形态、结构面等特征，以及矿井 工程赋存地层中的直接充水的裂隙承压含水层、间接 充水的冲积层水和奥陶系岩溶裂隙含水的分布规律、 含水量特征和矿井水文地质类型划分；采用块段指数 法、数理统计综合评价法、模糊数学法和数学力学法 等，对断层和地层断裂强度进行量化分析【“J 。基于 刚度理论、能量理论和失稳理论等经典理论和适应深 部“极限”条件的新理论，研究地层重力、构造压力、 水压力、温度压力、气体压力等长期静力荷载和天体 撞击、地球运转、潮汐、地震、采矿、战争等冲击动力作 用下矿井工程赋存地层区域空间结构、空间尺度以及 应力场与能量的时空演化规律，提出空间结构理论、 地质动力学和多尺度建模数值分析技术相结合的研 究方法。2 2 j ，研判构造活动对矿井工程的影响机制；研 究矿井建设过程中水文地质的演变规律、重点水害的 类型、防治难易程度等特征，进一步匹配深部地层建 井工艺性能及其工艺适应性。深部矿井赋存地质条 件探测与重构示意，如图2 所示。 图2 深部矿井赋存地质条件探测与重构示意 F i g ．2 S c h e m a t i cd i a g r a mo td e t e c t i o na d dr e c o n s t r u c t i o n o fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si nd e e pm i n e s 大量的理论研究与工程实践已经证明，矿井工程 地质条件精细探查、岩体力学特性分析与地层透明化 重构技术是矿井井巷开拓布置方式和工程尺寸、井巷 钻进、提运装备等技术与工艺研究确定的重要基础保 障。 1 ．3深部矿井工程优化及关键技术 随着开采资源赋存深度的增加，资源上覆地质条 件越来越复杂，随之凿井新技术和新装备不断取得创 新，以“高效高产矿井”、“一矿一面”、“大吨位提升” 等理念为导向，原有的设计思想不断被新的设计思想 取代。8 。矿井设计一般根据矿井地理位置、地面地 形条件、地面运输条件等矿井建设外部条件，地层条 件、煤层赋存特征、开采技术条件、矿井的生产能力等 矿井建设资源条件，确定井筒位置、数目、用途、水平 划分、井筒凿井技术与装备、井壁结构与材料等井筒 开拓方式，井底车场与大硐室布置，主要运输大巷与 总回风巷道的布置，采区划分与配采安排，井巷提运 方式、主要运输设备选型、辅助运输设备选型等，同 时，优化设计矿井通风、降尘、降温、防火、防爆、供电、 排水、压风监控、通信等系统布置及设备选型，并兼顾 灾害预防、建设工期和环境保护等因素；2 扎。 1 ．3 ．1深部井巷开拓方式及关键技术 井田开拓是矿井设计的重要部分，井田开拓又以 井简为主，而井筒作为进入深部开采的安全通道，是 进入深部开采的咽喉。随着矿井深度的增加，井筒穿 越地层处于“三高一扰动” 高地应力、高地温、高渗 透压及强烈采掘扰动 的复杂地质环境，服役井筒由 于所处岩层及多相地质体分布特征具有差异性且服 役环境复杂，具有多层次、非线性和不可逆性等特点， 导致矿井建设难度越来越大。 矿山开拓按照井筒倾角的不同一般可分为平硐、 斜井、立井以及综合开拓方式。然而，矿井建设深度 超过千米后，平硐和缓坡斜井的开拓方式从技术性、 万方数据 第3 期 刘志强等深部矿产资源开采矿井建设模式及其关键技术 经济性和安全性等方面分析均不适宜，因此立井开拓 方式成为深部矿井建设的主要方式。 我国煤矿矿井立井建设基础理论、技术工艺与装 备持续不断的探索和研发，从开始利用注浆法、沉井 法、帷幕法、降水法等方法穿越含水不稳定冲积地层， 到目前形成了以冻结法、钻井法为主的特殊凿井方 法，实现了穿越东部深厚含水冲积层、西部弱胶结不 稳定地层的凿井方法。通过对冻结、地面预注浆为核 心的井筒围岩改性加固、堵水技术的研究和发展，以 深井控制爆破技术为核心，以新型凿井井架、大直径 提升绞车、大吨位稳车、大直径液压凿岩伞钻、容积 4m 3 的大容量底卸式吊桶、斗容1 ．0n 1 3 的中心回转 抓岩机、液压控制的整体金属模板、非悬吊的液压迈 步式吊盘等大型凿井装备为手段1 8 j ，完善了短掘短 砌综合凿井工艺，发展了“冻一注一凿”3 同时平行作 业技术工艺，形成了千米深井快速掘进关键技术与装 备体系。 为了解决钻眼爆破施工，井下作业人员多，作业 环境差等问题，研制的竖井钻机钻井直径可达1 3n ，、 钻进深度可达10 0 0m ，形成了“一钻成井”和“一扩 成井”快速钻井技术工艺’24 I ；研制的反井钻机钻井已 达到61 1 1 直径、钻进深度已达到5 9 21 1 1 ，形成了反井 钻进硬岩和坚硬岩地层的高效破岩、精准钻进等反井 钻井新技术工艺；研制的导孔式下排渣竖井掘进机钻 井已达到5 ．8m 直径，钻井深度已达到2 8 2 ．5n ，，并 形成了协调迈步式推进方式、掘进方向智能控制、掘 支一体化等技术和工艺。目前矿井凿井技术与装备 示意，如图3 所示。 图3目前矿井凿井技术与装备示意 F i g ．3 S c h e m a t i cd i a g r a mo fc u r r e n tm i n es i n k i n gt e c