來源：《智能礦山》2022年第3期“視角觀點”欄目
作者：劉志強
2020年2月，國家發(fā)展改革委、原國家煤礦安全監(jiān)察局等八部委聯合發(fā)布了《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》，明確指出智能化是煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的核心技術支撐，并制定了煤礦智能化發(fā)展的原則、目標、任務和保障措施。由王國法院士團隊起草的《智能化煤礦（井工）分類、分級技術條件與評價》《智能化采煤工作面分類、分級技術條件與評價》等相關標準，對智能化煤礦和智能化工作面進行了分類，建立了評價標準與分級評價方法，這些工作為煤礦智能化發(fā)展奠定了堅實基礎，國內大量的智能化工作面和智能化礦井相繼建成；但在智能化礦井建設的施工方面發(fā)展緩慢，尚未形成完整體系，仍停留在機械或半機械化狀態(tài)。目前，智能化煤礦或智能化工作面多數是在煤礦建成后或已經投入生產后進行智能化改造而成，因此，需要推動以智能化的方式建設智能化礦井。
井工開采煤礦是在地層中建設的復雜系統工程，涉及井巷工程施工和設備的安裝。井巷工程包括豎井井筒、斜井井筒、巷道、硐室、暗豎井、暗斜井以及采區(qū)巷道等工程，一些井巷工程服務于礦井生產的全生命周期。在礦井生產過程中，仍需不斷建設與采區(qū)生產相關的開拓工程，實現開采工作面的有序銜接。在礦井建設期間，同時完成永久運行固定設備的安裝，如井筒提升系統、通風系統、排水系統等。礦井建設還包括一定數量的地面工程，如井塔、選煤廠、煤倉、裝載及配套建筑等（圖1），這些工程施工也需要統籌考慮向智能化方向發(fā)展。
圖1 采用鉆井法鑿井建成的山東新巨龍煤礦一號和二號主井井筒及地面設施
智能化的基礎框架包括應用層、數據服務層、基礎設施層和設備感知層，需要具備相應的協同控制平臺，實現自主學習、智慧決策、深度應用，還需要建設相應的標準體系。智能化發(fā)展的基礎是連續(xù)作業(yè)的終端裝備，如采煤工藝從爆破采煤，發(fā)展到普通機械化開采，再發(fā)展到綜合機械化開采，最后發(fā)展到智能化開采，綜合機械化開采是智能化開采的基礎，井巷施工如果繼續(xù)采用不連續(xù)的炮采，是無法實現采煤工作面的智能化。總體來說，井巷施工相比于煤礦開采還不具備智能化基礎。
目前，井巷施工仍以鉆孔爆破工藝為主，爆破是人類從低效的鏨鑿破巖到高效的爆破破巖實現的第一次技術革命。但是爆破破巖作業(yè)環(huán)節(jié)造成的不連續(xù)，以及爆炸對設備、圍巖及作業(yè)空間氣體的破壞和對環(huán)境的影響，從根本上制約了井巷施工向智能化過渡。雖然，出現了一些所謂的智能鑿巖鉆孔、智能裝藥、智能排渣、智能支護和智能輸送等設備，但離真正的智能化相距甚遠。近年來，由于限制對炸藥的使用，迫使煤炭企業(yè)進行非爆破機械破巖掘進技術裝備的研究，對于堅硬巖石采用擠壓破巖原理，形成不同齒形的鑲齒滾刀組合（圖2），對于煤和半煤巖巷道掘進，采用截割破巖原理破巖，形成懸臂掘進機、連續(xù)采煤機和掘錨機組等智能化作業(yè)線，這些工作為智能化建設礦井打下一定基礎。
圖2 擠壓原理破碎破巖堅硬巖石的鎬形鑲齒滾刀組合
井筒施工現狀
井筒施工多采用傘形鉆架鉆孔、手工裝藥、抓巖機裝巖、吊桶提升、整體模板澆筑混凝土井壁短段掘砌的普通鑿井方法，這種施工工藝需要大量工作人員下井作業(yè)，安全事故時有發(fā)生，且對作業(yè)人員造成較為嚴重的職業(yè)危害，無法實現井筒施工的智能化。為此，針對松軟含水地層，以豎井鉆機為主要裝備的鉆井法鑿井技術逐漸成熟，應用范圍逐漸拓展，并從華東地區(qū)開始向西部煤礦軟巖地層發(fā)展，且進行試驗鉆進應用，圖3為安徽朱集西煤礦“一鉆成井”鉆頭結構。鉆井法鑿井作為“打井不下井”的施工方法，全部鑿井作業(yè)工序均在地面完成，特別是采用地面預制井壁方法對井筒進行支護（圖4），工程質量良好，有利于井筒長期運行。
圖3 安徽朱集西煤礦風井豎井鉆機采用的直徑7.7 m鉆頭結構
圖4 鉆井法鑿井地面預制井壁結構
對于具備下部巷道的井筒，為了充分利用已經形成的生產系統，解決機械破巖排渣的難題，采用反井鉆機通過從上向下導孔鉆進和從下向上的擴孔鉆進形成井筒，擴孔鉆進破巖過程排出的巖渣，依靠重力掉落到下部巷道內，由裝載設備高效排出，并且反井鉆機對圍巖及周圍環(huán)境影響較小，國內最大型的BMC600型反井鉆機如圖5所示，其施工場景如圖6所示。在特殊條件下采用專用設備，可以直接由下部巷道向上一次鉆井，形成大直徑井孔，自移動式上向反井鉆機如圖7所示。
圖5 國內最大型BMC600型反井鉆機
圖6 反井鉆機施工現場
圖7 自移動式上向反井鉆機總體布置
針對硬巖地層的井筒施工，為替代鉆爆法鑿井工藝，在全斷面隧道掘進機研究基礎上，開展了相關豎井掘進機研制工作，研制出首臺套硬巖全斷面豎井掘進機（圖8），并且進行初步井筒鉆進施工試驗（圖9），其施工效果較好。在地質條件較差的情況下，可以實現井下無人遠程控制。上述井筒非爆破機械破巖方法，具備智能施工的基本條件，通過與礦井智能化控制平臺相結合，可以初步實現井筒的智能化施工。
圖8 首臺套硬巖全斷面豎井掘進機
圖9 豎井掘進機入井始發(fā)鉆進施工
巷道施工現狀
巷道工程特別是巖巷，同樣采用以鉆爆法施工為主，以鑿巖臺車鉆孔爆破，裝巖機排渣及輔助運輸為輔的方案，開展了智能化鑿巖臺車研究工作，總體施工工藝難以實現智能化。針對煤層或半煤巖層巷道，通過以懸臂式掘進機為主的綜合機械化作業(yè)線，連續(xù)采煤機與錨桿鉆車配套的作業(yè)線，以及掘錨一體機組作業(yè)線，同時完成地層破巖截割、鉆錨臨時和永久支護等智能掘進作業(yè)。上述系統一般應用在生產礦井，與礦井的控制平臺相結合，初步形成開拓巷道的智能化掘進系統。
近年來，煤礦巖巷掘進開始引進用于隧道施工的全斷面掘進機，利用全斷面掘進機完整的智能化系統，可實現全斷面破巖、鏟斗同步除渣、帶式輸送機運輸及轉載、智能導向系統定向、氣體環(huán)境監(jiān)測、錨噴及鋼拱架支護等，能夠與生產礦井系統協調，實現掘進的智能化。直徑為5.8 m的雙護盾小轉彎半徑巷道全斷面掘進機（圖10）已在大同王村煤礦成功應用。
圖10 煤礦用雙護盾小轉彎半徑巷道全斷面掘進機
硐室施工現狀
煤倉和裝載硐室、水倉和水泵房、變電和充電硐，以及為減少矸石地面排放的井下選煤硐室等大斷面硐室，只能采用鉆爆法施工；雖然借助反井鉆機可對小直徑導井進行鉆進，再擴挖成形，形成下排渣優(yōu)勢，但擴挖成形后也只能采用鉆爆法。大斷面硐室需要高強支護，但這些支護設施的安裝，以及固定設備的安裝，只能依靠大量人員手工作業(yè)。
智能化建井施工必須以工藝為引導、以技術變革為前提、以裝備為核心，進行智能化控制系統及平臺建設。針對目前建井施工現狀，建議建立相應的技術、工藝、裝備和標準體系，并根據井巷工程條件從以下3個方面，逐步推進。
建立標準的礦井設計方案
在礦井建設設計過程中，根據地質條件和環(huán)境條件確定井型和開拓方式，以及井筒結構和巷道型式。目前，多數煤礦井巷工程參數變化較大，成為難以開展智能化施工的因素之一。山嶺隧道采用的全斷面掘進機（TBM），以及地鐵和交通隧道采用的盾構機（STBM），單臺設備造價較高，且一次施工的隧道長度較長，每米的折舊相對較低，特別是采用標準化的隧道斷面設計，設備的重復利用率較高，隧道建設成本得到控制，激發(fā)了大型裝備制造企業(yè)和隧道施工企業(yè)發(fā)展智能化裝備的熱情。因此，建議在一定的井型和相似的地質條件下，對主要井巷工程采用模塊化設計，以便于施工裝備的重復應用。深部資源開發(fā)多采用豎井開拓，在千萬噸級的煤礦可有針對性地將主、副井和風井標準化，增強豎井掘進機、豎井鉆機等裝備的適用性和通用性。對于與通風、運輸和安全相關的主要巷道，同樣更容易實現標準斷面布置，為各種類型的智能化掘進機應用打下基礎。
建立標準的施工工藝
在地下地層中建設井巷工程，地質條件是影響施工工藝的主要因素，在標準設計基礎上，研究廣義的施工工藝十分重要。地層作為井巷工程的載體，需要按照設計在地層中開挖出相應的空間；同時地層又是維持井巷工程穩(wěn)定的主體結構，需要通過一定的支撐結構，共同承擔地層及地質構造等所產生的外部荷載，以保持井巷工程的長期安全運行。井巷工程多為長細結構，相對于宏觀地質和水文地質來說，所穿過地層的微觀地質和微觀水文條件對施工過程影響較大，不僅僅是設備智能化就能夠實現施工智能化；在微觀地質影響下，多數情況可能無法進行施工，這也是多年來仍采用人工施工方法，才能夠對地層進行及時處理，防止施工重大事故發(fā)生。因此，形成標準的工藝方法是地層凍結—地面預注漿—豎井掘進機鑿井平行作業(yè)，地面預注漿與豎井鉆機平行作業(yè)（圖11），以及地面預注漿與豎井掘進機平行作業(yè)等。
圖 11 豎井鉆機和地面預注漿平行作業(yè)施工現場
以井筒施工為例，從地球角度看，井筒工程只是一個細長桿件，除了宏觀地質影響外，微觀地質影響更大，如圖12所示；不同類型的地層條件包括成巖方式、微觀地質構造、高水壓高地壓和構造應力、地層溫度等，這些地層條件均對井筒施工安全和智能化有嚴重影響；因此，需要在原位精確探識的情況下，對地層進行預改性，包括堵水、加固、應力改造和地溫環(huán)境控制等（圖13），為智能化井筒裝備施工創(chuàng)建一條“高速公路”。
圖12 井筒施工工藝
圖13 井筒改性后智能施工工藝
建立標準的智能化裝備
施工裝備是井巷工程建設的核心和關鍵，“沒有裝備的工藝”和“沒有工藝的裝備”都是不完善的；因此，針對不同的井巷工程條件，需要開發(fā)相應的裝備。井巷施工裝備一般包括破巖、排渣、輸送和支護裝備，裝備的智能化還需要對地層進行施工探測、各種傳感和反饋、數據無延時傳輸、相關算法研究等，形成與地層條件相適應的自主學習、自主調整控制系統，這些需要有專業(yè)人員完成。對于礦井建設研究人員，需要解決高效破巖的問題，目前機械破巖是爆破之外最有效的大體積破巖方法，其存在的問題是能量消耗大，無論任何巖石條件都需破碎到一定粒徑，粒徑的級配顆粒變小，能量消耗成級數增加，所以應該設想開發(fā)更經濟的破巖方式，這需要利用巖石在長期歷史年代形成的特點，包括不均質性、節(jié)理發(fā)育狀況、地應力的作用等，開發(fā)相應的破巖方法和設備。當然，現階段還要根據沖擊、刮削、截割、擠壓4種機械破巖機理，研發(fā)適合不同地層條件的裝備。排渣采用的機械、流體等手段，對于小粒徑巖石同樣有效，根據不同巖石研究利用真空泵、鏟斗、螺旋輸送機、帶式輸送機、泵送管道等不同且有效的排渣方式。在支護方面需建立模塊化支護體系，目前成熟的盾構機管片支護、豎井鉆機地面預支筒形井壁支護，均能提高施工速度，如果無法實現模塊化標準支護體系，智能化掘進裝備的發(fā)展將受到很大限制。
井巷工程施工較為艱苦，這種現狀必須改變，建井人也有責任改變，需要通過減少井筒和巷道掘進工作面作業(yè)人員，才能實現施工安全、降低勞動強度、減輕作業(yè)人員的職業(yè)傷害。因此，井巷施工必須向智能化方向發(fā)展，并為之努力，且逐步實現。
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