煤礦礦井建設技術與裝備70 余年創新發展及推廣實踐

劉志強 ，宋朝陽 ，程守業 ，荊國業 ，高 偉 ，李生生

（1.北京中煤礦山工程有限公司, 北京 100013；2.礦山深井建設技術國家工程研究中心, 北京 100013）

0 引 言

煤炭作為最主要的能源資源之一，是國家經濟發展的重要基礎和保障。我國煤炭開發在建國初期以開灤、大同等老煤炭基地為主力礦井[1]，到黨的十一屆三中全會后，開展了第一次能源發展戰略研究，鄧小平同志提出“2000 年GDP 翻兩番”和“下世紀中葉全面實現現代化”的兩大戰略目標，拉開了改革開放和社會主義現代化建設的序幕。在經濟社會發展起步騰飛階段及全國煤炭嚴重短缺的形勢下，煤炭行業提出“以煤炭產量翻一番保全國工農業總產值翻兩番”目標[2]，確定建設14 個大型煤炭基地作為煤炭產量翻番的支撐。我國煤炭產量在建國初期僅0.32 億t，1960 年也只有3.97 億t；1973 年在周恩來總理的支持下，從英、法、德等國家進口43 套采煤設備和部分設備的制造生產線，標志著我國煤礦開采開始進入機械化時代；1978 年原煤炭部組織引進了100 套國外綜合機械化開采設備，同時我國自主研發綜合機械化設備能力也不斷提升，煤炭產量得以大幅提高[3]，到2001 年煤炭產量已達到14.72 億t，而到2023 年提高至46.6 億t，創造了我國煤炭產量的歷史高點，是1960 年煤炭產量的11.74 倍、2001 年的3.2 倍[4]。全國煤礦百萬噸死亡率由建國初期的21.23%，下降至1965 年的4.76%，而后隨著開采量的增加又增至1977 年的10.24%，但隨著煤炭開采技術與安全生產管理水平的提升，百萬噸死亡率持續降低，到2022 年降低為0.054%，首批智能化煤礦的百萬噸死亡率為0.024%[5]。2022 年煤炭年產量超過千萬噸的?。▍^）共15 個，其中超過億噸?。▍^）6 個，超10 億噸?。▍^）2 個；2022 年我國煤炭產量在全球煤炭產量中的比重達到52.82%，在亞太地區煤炭產量中的比重達到67.70%[6]。目前，中國煤炭生產量穩居世界第一，發揮了國家能源供應安全的兜底保障作用。

我國煤炭資源開發從新中國誕生以來經歷了70 余年的發展，這也是煤礦礦井建設技術快速發展的歷程。我國煤炭資源的賦存條件，造成采用井工開采的煤炭產量占總煤炭產量近90%，煤礦井工開采的開拓方式按照井筒傾角的不同，主要有平硐、斜井、豎井以及不同方式的協同開拓[7]。其中，平硐開拓在我國西南地區煤炭開發中應用較多，但總量占比不超過5%，隨著煤炭資源開采規模的持續增加，平洞開拓方式大幅減少并逐漸退出。隨著我國中東部地區開采深度增加，斜井開拓也在逐年減少，通常煤炭資源賦存深度大于500 m 時一般不再采用斜井開拓的方式；但是，隨著煤炭資源開發向西部轉移，西部中深部煤炭資源開發采用了緩坡斜井帶式輸送機和膠輪車輔助運輸的方式，斜井開拓方式的應用范圍又有所增加，總量占比約為15%?？傮w來講，隨著煤炭開采深度繼續加大，平硐和緩坡斜井的開拓方式從技術性、實用性和經濟性等方面分析不適宜，特別是隨著煤礦智能化發展，智能高產、高效開采工作面的出現，采煤工作面推進速度增加以及獨立采區通風系統的要求，豎井開拓將成為進入深部地層的主要方式。

新中國成立70 余年來，我國煤炭資源開采實現了從炮采、普通機械化開采、高檔普采、綜合機械化開采到智能化開采的歷次跨越[4]，與此同時煤礦礦井建設經歷了人工抱鉆施工、半機械化普通鉆爆鑿井、全機械化鉆井的多次技術變革，形成了“三法（凍結法、注漿法、鉆井法）一套（井巷機械化配套）”為主的特殊鑿井技術體系，為解決復雜地層中的礦井建設難題起到決定性作用[8]。特別是在兩淮、山東、河南和河北等地區建設大型煤礦，面臨富水深厚沖積層建井的世界性難題，發展了具有我國特色的特殊鑿井技術，主要包括深厚沖積層凍結技術、深部基巖裂隙地面預注漿技術和深厚沖積層大直徑鉆井技術，創造了短段掘砌綜合鑿井、“凍-注-鑿”三同時、“凍-注”平行作業、“鉆-注”平行作業等快速鑿井技術并得到廣泛應用，同時井筒上部采用凍結鑿井或豎井鉆機鉆井，而下部采用反井鉆機鉆進導井溜渣再正向擴挖鑿井等技術亦得到應用。隨著機械破巖大直徑鉆井技術的發展、裝備制造能力的提高，以及依據井筒地質條件和工程類型的差異，研發并形成了3 大類主要的大直徑機械破巖鉆井技術，即從地面由上向下正向鉆進的豎井鉆機鉆井法和掘進機鉆井法[8-9]，以及井筒由下向上反向鉆進的反井鉆機鉆井法。70 余年來我國煤礦巖石巷道掘進技術從人工手抱鉆、氣腿式鑿巖機和全液壓鉆車為主要設備的鉆爆法作業線，創新發展出懸臂式掘進機、全斷面掘進機為主要設備的機掘法作業線。

我國礦井建設工作者面向國家資源能源戰略任務與重大工程建設需求，在國家科技部科研院所專項資金、國家科技攻關、國家高技術研究發展計劃（863 計劃）、國家重大專項、國家重點研發計劃等科研項目持續資助下，攻克了復雜地層礦山快速安全高效建設的多項“卡脖子”技術，使得我國具備了能夠在任何復雜地層條件下進行煤礦井巷安全、高效建設的能力。煤礦井筒深度自1980 年首次突破千米深度，到2010 年建成千米深井50 余條，再到2022 年建成千米深井超100 余條；同時各種鑿井工藝的綜合應用大幅提高了煤礦建設速度[10]，千米級深井的建設速度提升3 倍，礦井建設周期由過去的5～7 a 縮短到2 a 以內[11]；巖巷掘進速度從初始的月均不到30 m，到機械化鉆爆作業線月均超70 m、懸臂式掘進機綜掘作業線月均超120 m 以及全斷面掘進機作業線月均達400 m。礦井建設技術與裝備水平大幅躍升，施工安全保障能力進一步得到提升，礦井建設期的事故及死亡人數下降超90%，綜合技術水平達到國際領先水平。

總體來講，自新中國成立70 余年以來，我國礦井建設的井巷掘進工藝技術與裝備不斷創新，礦井建設技術水平、綜合效率和安全保障等能力持續提升，在煤炭開發的不同階段做出了不同程度的貢獻，極大地推動了我國煤礦礦井建設高效率、低風險、機械化、智能化的發展，保障了國內煤炭先進產能建設，為中東部煤炭資源開發、深部接續以及西部煤炭基地建設做出重大貢獻，保證了煤炭對國民經濟發展的兜底作用。同時，從煤礦礦井建設發展起來的工藝技術和裝備，在非煤礦山、流域水力發電站、抽水蓄能電站、城市地下空間開發、深埋長大鐵路公路隧道及國防等工程中得到推廣應用及技術再創新，極大地推動了國家重點項目和重大工程建設技術的進步。

1 豎井鉆爆法鑿井技術

鉆爆法鑿井采用炸藥爆破巖代替人工鏨鑿破巖，實現了鑿井歷史上第一次重大技術變革。自鉆爆法鑿井技術發明以來，經歷了掘砌單行作業、掘砌平行作業和短段掘砌作業的發展歷程，鉆爆法鑿井技術不斷改進、提高和再創新，至今依然是我國煤礦鑿井的主要方法。

1.1 豎井鑿井技術發展階段

建國初期為加快煤礦建設速度、早日投產和提升煤炭產量，新建礦井數量持續增加，對豎井掘、砌、安一次成井技術進行集中攻關，初步形成了短段掘砌、短段單行作業的鑿井工藝。20 世紀60—70 年代，尤其是在原煤炭部牽頭組織的豎井掘進機械化鑿井配套科研攻關會戰期間，研發形成了4 層大吊盤、整體下行金屬活動模板、多瓣抓斗抓巖機、自動翻矸裝置以及亭式Ⅰ～Ⅳ型井架等鑿井設備，為井筒建設技術水平的提高和快速施工奠定了基礎[8-9]。國家“六五”科技攻關開展了豎井短段掘砌混合作業及其配套設備的研究，突破了深孔控制爆破與整體金屬模板砌壁等技術，鉆爆掏槽孔平均深度由1.7 m增加至3.5 m，一次爆破掘砌段高均值達到3.2 m[12-13]；同時開展了地面預注漿、工作面預注漿和壁后注漿等關鍵技術研究，實現了井下地層涌水治理，保證了千米深井井筒在“無水”條件下的正規循環掘砌鑿井作業。1980 年在北票冠山煤礦主井深度首次突破千米，鑿井深度達1 059.2 m，之后陸續建成本溪彩屯鄭家風井、山東孫村北風豎井等超千米深豎井。

國家“七五”至“九五”期間，短段掘砌綜合作業法逐漸成熟，被列入原煤炭部“50 推”“100 推”等重點推廣項目中，并陸續把經過改進的配套施工設備納入其中，如HZ-4 和HZ-6 中心回轉抓巖機、HK-4和HK-6 型靠壁抓巖機、HH-6 環軌抓巖機等，6 瓣和8 瓣的抓巖機斗容達到0.6 m3，以及Ⅳ～Ⅴ型等專用鑿井井架、JHY 液壓整體移動模板[13-15]。該時期內通過開展豎井鑿井設備、井內設備優化布置和井壁結構設計與施工等研究，實現了豎井鑿井井內設備配套與地面提升裝備的大型化發展。

1.2 豎井鉆爆法鑿井技術成熟階段

進入21 世紀后，隨著煤炭開采深度的增加，超千米井筒工程數量顯著增加，深井基巖快速掘砌關鍵技術及裝備水平不斷提升，千米深井筒建設周期逐步縮短。2000 年以前超千米井筒不足10 條，而2000 年之后的20 余年間，我國煤礦施工的超千米井筒超100 余條（圖1），其中冀中能源磁西一號副井直徑8 m，深度達到1 341.6 m，是我國目前建成的最深煤礦豎井。隨著中東部煤炭資源開發逐漸走向深部，煤炭產業不斷向西部遷移，西部煤炭產量占比逐年升高。西部產煤基地在過去十幾年的發展過程中，根據煤炭資源賦存條件，新建煤礦井筒深度主要集中在700 m 以淺并以凍結法鑿井為主。

圖1 煤礦超千米豎井井筒統計Fig.1 Statistics of shafts over one kilometer deep in coal mines

國家“十五”“十一五”期間，通過對4.2 m 段高掘砌正規循環作業及其配套施工設備的工業性試驗研究，研發并應用了Ⅵ鑿井井架、JKZ 型系列專用提升機、JZ 系列鑿井穩車和SJZ 系列傘形鉆架等配套設備，實現了大容量吊桶、大直徑傘形鉆架等設備的快速提升，以及重型吊盤、模板等鑿井設施的安全懸吊[16-17]；研發了斗容達到1 m3的HZY-6 型和HZ-10型液壓回轉式抓巖機，以及用于代替人工清底的液壓挖裝機，工作面裝巖效率達到60 m3/h；砌壁液壓整體金屬模板直徑6.0～10.6 m，實現了快速立拆模與井壁快速澆筑，解決了千米級深井基巖快速掘砌關鍵技術及裝備難題，滿足了千米深井鑿井的需要。盡管在2010 年前后山東鄆城煤礦、河北羊東煤礦、安徽潘一煤礦等井筒鑿井施工中，小直徑井筒鑿井速度曾一度超過200 m/月，但是總體上由于井筒直徑加大、進尺工作量劇增以及井筒深度增加造成的提升時間增加，豎井平均月進尺維持在60～70 m/月。國家“十二五”到“十四五”期間，鑒于井筒直徑和深度的不斷增加，鑿井井架懸吊的井內吊盤和管線荷載也在逐步增大，研制了Ⅶ型、Ⅷ型、SA 型、SM 型鑿井井架以及JZ-25/1800、JZ-40/1800懸吊穩車，同步研制的邁步式液壓模板逐步替代了地面大型穩車、天輪及超長鋼絲繩的懸吊，井壁砌筑時間從初始階段占循環時間的30%下降到15%；研發并應用了6～8 m3座鉤式TZ 系列吊桶和4 m3底卸式TD 系列吊桶[9]，使得鑿井工作面排渣能力達到80 m3/h；同時，YSJZ4.8 型液壓傘鉆、XFJD6.11S 型雙聯傘鉆、大行程傘鉆的應用，使得鉆爆掏槽孔深度達到6 m，循環進尺超5 m，月綜合成井速度超120 m，較20 世紀70 年代提高了3～4 倍，千米級深井鑿井時間縮短到2 a 以內（例如高家堡煤礦進風立井從開機凍結到掘砌到底僅用時1 a[11]）；井筒凈直徑由原來的5～6 m 增加至現在的10.5 m，煤礦深大豎井施工技術得到快速發展。短段掘砌鉆爆法鑿井技術發展如圖2 所示?！笆濉眹抑攸c研發計劃“深地資源勘查開采”重點專項“煤礦深井建設與提升基礎理論及關鍵技術”項目[18]，以“深部非均壓建井、深井SAP 提升”原始創新為核心，研發了新材料、配套裝備和關鍵技術[19]，為我國2 000 m 以淺深部煤炭建井提供了理論與技術支撐。

圖2 短段掘砌鉆爆法鑿井技術發展Fig.2 Drilling and blasting method with short-section excavation and masonry

自2020 年我國八部委聯合印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》（發改能源〔2020〕283 號）以來，首批智能化示范建設煤礦71 處。智能化建井作為煤礦智能化建設必不可少的重要組成部分，必然要納入煤礦智能化發展的藍圖。然而，以鉆爆破巖為主的鉆爆法鑿井存在井下作業人員多，炸藥爆破破巖風險高，井內鉆-裝-支-吊設備獨立運行且相互之間無數據聯系，與數字化感知技術融合程度低，智能化升級改造難度大等問題。因此，攻克非爆破破巖、巖渣連續提升、井壁自動砌筑、深井穩定懸吊等關鍵技術，是現階段豎井建設技術的重要發展方向。

1.3 豎井鉆爆法鑿井技術的推廣實踐

煤礦鉆爆法鑿井技術經過70 余年的創新發展，在鉆眼爆破、裝巖出渣、井筒砌壁、快速提升、穩車懸吊等技術方面取得了一系列的突破，豎井鑿井配套裝備機械化、自動化水平顯著提高，短段掘砌綜合鑿井技術工藝已經成熟，煤礦千米級深井成井速度逐步加快，礦井建設周期大幅縮短。同時，基于煤礦發展起來的短段掘砌綜合鑿井工藝，廣泛應用非煤礦山、交通隧道、水利水電、地下試驗室等重點工程的井筒建設。

在非煤礦山領域應用的典型工程有：建成的遼寧思山嶺鐵礦主井深度1 505 m 和副井深度1 503.9 m、云南會澤鉛鋅礦3 號豎井深度1 526 m、山東黃金新城金礦新主井深度1 527 m，創造了亞洲豎井一次性掘砌成井最深紀錄的山東紗嶺金礦主井1 551.8 m[20]，以及在建的山東黃金三山島金礦副井設計鑿井直徑11.5 m、深度1 915 m。在公路鐵路隧道領域應用的典型工程有：在天山勝利隧道2-2 號豎井建設中采用了Ⅵ型井架、八臂液壓傘鉆等鉆爆法鑿井設備配套施工，成井直徑10.5 m、深度704 m，是高速公路隧道中最深的通風豎井；在高黎貢山鐵路隧道通風豎井工程中，采用了整體移動金屬模板、FJD-6A 型傘鉆、中心回轉抓巖機等大型專業化鑿井機械，建成的1 號豎井主井深762.59 m、副井深764.74 m，創造了國內鐵路隧道豎井最深紀錄[21]。此外，采用煤礦鉆爆法短段掘砌快速鑿井技術，我國建井施工企業先后承擔柬埔寨金礦、老撾開元鉀鹽礦、老撾中農鉀鹽礦、贊比亞穆維蓋拉銅礦等礦山井筒建設工程。

2 人工凍結地層技術

以人工凍結地層為手段的凍結法鑿井技術，在過去70 余年間，先后經歷了引進吸收、探索改進、提高完善和創新攀高的4 大階段。截至目前，煤系地層中采用凍結法鑿井所占比重最大，并且從煤礦井筒建設發展起來的凍結技術已經發展成為破解城市地下空間工程建設難題的有效技術手段。

2.1 煤礦豎井凍結法鑿井技術

我國于1955 年首次在開灤煤礦林西風井從波蘭引進了凍結法鑿井技術，解決了井筒穿過65 m 深不穩定沖積地層的施工難題。盡管我國凍結法鑿井技術的起步相對較晚，但我國凍結法鑿井技術發展迅速。在20 世紀80 年代后期，先后解決了375、435 m 深厚沖積層凍結法鑿井難題，我國凍結法鑿井技術達到國際先進水平[22-24]；進入21 世紀后隨著煤炭開發力度的加大，煤礦基建的大規模發展，攻克了煤礦深井凍結設計、凍結孔定向鉆進、井壁結構與材料等基礎理論和核心技術，解決了深井建設中地層涌（突）水、圍巖失穩、掘進風險高等工程“卡脖子”難題，井筒凍結深度相繼突破了500、600、700 m，直至2022 年凍結深度接近千米[11,25]，使得我國凍結法鑿井技術達到國際領先水平。

據不完全統計，70 余年來我國采用凍結法施工豎井井筒1 250 條左右，累計凍結長度達330 km。針對我國中東部深厚沖積層建井難題，突破了深厚沖積層凍結法鑿井理論和關鍵技術[25-27]，攻克了凍結壁智能監控、凍-鑿協調信息化調控、凍結井壁結構及澆筑等關鍵技術與工藝。例如在我國巨野礦區萬福煤礦（產量180 萬t/a）主、副、風井一次性掘砌成井821.5 m，創造了凍結表土深度754 m、井筒最大凍結深度894 m 的最大表土凍結深度世界紀錄；相繼又完成了新巨龍煤礦（產量624 萬t/a）東副井凍結深度達到958 m（凍結表土深度646 m）的千米級豎井凍結法安全鑿井；趙固二礦（產量180 萬t/a）西風井凍結深度783 m（凍結表土深度704.6 m）等凍結法鑿井工程。針對我國西部富水弱膠結厚基巖千米深井控制凍結鑿井難題，攻克了凍結孔陀螺測斜與定向鉆進、控溫凍結、凍結井壁減薄等關鍵技術[27]，先后完成了西部核桃峪煤礦（產量800 萬t/a）副井直徑9 m、井深1 005 m、基巖凍結深度950 m；高家堡煤礦（產量500 萬t/a）進風井基巖凍結深度990 m（世界紀錄）；泊家海子煤礦（產量600 萬t/a）副井直徑為10.5 m、井深611.7 m，以及紅慶河煤礦（產量1 500萬t/a）副井直徑10.5 m、井深718 m，是我國已建成的最大凈直徑豎井工程。

2.2 煤礦斜井凍結法鑿井技術

我國煤礦采用緩坡斜井開拓方式時，主要采用鉆爆法掘進，近年來隨著機械破巖技術和裝備能力不斷提升，也逐漸采用懸臂掘進機和全斷面掘進機施工，但是面對表土流沙不穩定地層和涌水地層等復雜條件難題，依然采用凍結法進行地層封水加固，為斜井鑿井提供地質保障。然而，斜井凍結法鑿井前期主要沿用了垂直孔凍結技術，致使凍結孔數量多，鉆孔工作量大，凍結過程冷量損失隨斜井長度的增加而急劇增大[27-28]，凍結成本大幅提高，且采用垂直孔凍結工藝時凍結管要穿過井筒，影響斜井掘進施工速度和安全。在“十二五”國家“863 計劃”項目“智能化礦山掘采裝備”中“500 m 斜井凍結法鑿井關鍵技術與裝備”課題，對斜井沿軸線凍結工藝技術進行了研究[25]，為后續長斜井凍結技術的工業性應用打下了基礎。

目前，我國斜井采用凍結法施工井筒40 余條，累計凍結斜長約7 km。典型的煤礦斜井凍結法鑿井工程有：凍結斜長最長的袁大灘煤礦副斜井凍結工程，傾角6°，凍結段斜長達681 m（全長3 615.9 m）；凍結斜井穿過表土最深的黑梁煤礦主斜井凍結工程，斜井穿過表土深度為206.65 m；古城煤礦主斜井凍結工程，傾角6°，凍結段斜長503.91 m（全長2 018.8 m）；李家壩煤礦副/風斜井凍結工程，傾角20°/24°，凍結段斜長167/153 m（全長1 462/1 345 m）；大南湖十號煤礦主斜井凍結工程，傾角6°，凍結段斜長203 m（全長1 542 m）。斜井凍結技術應用在非煤礦山，在馬城鐵礦主斜坡道凍結工程中凍結斜長達到1 109 m，是目前礦山斜井凍結最長紀錄。

人工凍結技術是富水軟弱地層井筒建設的地質保障技術。凍結法鑿井發展的主要方向重點圍繞鉆孔、制冷、智能檢測3 大技術，突破長斜井沿軸線斜孔智能糾偏鉆進、新型冷媒快速凍結、大水流地層凍結壁發育狀況智能監控、深井凍結井壁結構與質量控制、地面凍結站智能管控等關鍵技術，推進智能化凍結法鑿井技術發展。

2.3 地層人工凍結技術的推廣實踐

城市軌道交通領域中暗挖施工的車站、聯絡通道、盾構進出洞、近接穿越等工程條件復雜、開挖體量較大，經常是軌道交通全線建設的“卡點”。據統計，2022 年中國內地有20 個省/市，34 條軌道交通線（段）開工，新增開工里程777.35 km，其中隧道占比40%以上（約350 km），包含219 座車站[29]，這些城市地下空間工程建設中，人工凍結法施工技術發揮了積極作用。

在煤礦井筒凍結工藝技術的基礎上，針對城市地下空間工程建設的特點及要求，創新出了水平凍結、微擾動凍結、免拔管凍結、液氮凍結等新工藝，攻克了復雜地層凍結孔精準成孔、長距離水平控制凍結、“凍土+管棚”聯合承載的預支護、淺埋地下結構穿越控制凍結等關鍵技術[30-32]。地層人工凍結技術先后應用于國內首次零距離穿越凍結工程（上海地鐵明珠線零距離穿越一號線上體場段凍結工程）；國內最大凍結體量的市政凍結工程（廣州地鐵十一號線云大區間凍結工程），凍結加固工程凍土體積達4.5 萬m3；國內首座全凍結暗挖垂直聯絡通道（哈爾濱地鐵3 號線二期工程），采用了“隧道內水平凍結+地面垂直輔助凍結+礦山暗挖法”施工；世界上首座采用管幕凍結法施工的世界最大斷面公路隧道，港珠澳大橋拱北隧道暗挖段采用“曲線管幕+水平凍結”工法；國內最大埋深70 m 的公路隧道凍結工程（北京東六環改造工程）等市政軌道交通凍結工程。地層人工凍結技術支撐了城市軌道交通等基礎建設，助力了城市深部地下空間開發。

3 注漿法鑿井技術

注漿法鑿井技術作為礦井建設中治理水害、加固不穩定地層的一種有效技術手段。從最初的鑿井堵水加固單一的技術方向，已拓展應用于井巷防治水、煤礦頂底板區域探查與注漿治理、巷道超前探查及治理、巷道富水破碎圍巖地面注漿預治理、突泥涌水快速搶險等多技術方向[33]，為煤礦及非煤地下工程建設中水害、不良地質災害防治預防以及衍生災害應急處置等提供了技術支持和解決方案。

3.1 煤礦地面預注漿法鑿井技術

注漿法鑿井分為工作面預注漿和地面預注漿，兩類預注漿鑿井原理類似，均是先利用注漿技術對地下含水地層進行封堵，形成止水帷幕，再進行井筒掘砌施工。我國自1955 年開始進行和實踐鑿井工作面預注漿技術與工藝，并于1958 年首次在峰峰礦務局薛村礦主副井進行井筒地面預注漿試驗取得成功。據不完全統計，我國煤礦超過200 條豎井采用了地面預注漿技術進行堵水加固；地面預注漿深度由20 世紀80 年代的500 m 以淺發展到目前的深度1 355 m；采用工作面預注漿堵水加固技術，建成了核桃峪煤礦斜長5 875 m 的主斜井，是國內煤礦斜井開拓最長的斜井[34]。注漿法鑿井技術經過70 余年的發展，從最初的井壁涌水注漿的研究，推廣到鑿井工作面預注漿、地面預注漿、帷幕注漿、井下突水封堵注漿等方面，進一步融合鉆孔定向鉆進技術，在鑿井工藝技術和裝備方面取得了大量創新成果[35]，提升了治理效果，提高了成井速度。

在注漿裝備方面：針對地面預注漿進行井筒鑿井地層堵水、深部礦井圍巖加固、煤層底板水害區域治理等定向鉆孔施工需求，研發了多種鉆孔鉆機和測斜儀器，如TD2000/600 型全液壓頂驅鉆機、TDX-50 型和TDX-150 型斜井鉆機、JDT 系列小直徑高精度陀螺測斜定向儀等，滿足了地面預注漿工程鉆孔的需求[36]；隨著注漿深度的加大，原有的YSB-250/120 型液力調速注漿泵、YSB-300/200 型液力調速注漿泵和2MJ-3/40 型隔膜計量注漿泵等專用的注漿泵已不能滿足注漿壓力、流量等要求，又研制了地面注漿用的BQ 機械調速系列、YSB 液力變矩器系列和ZBBJ 系列變頻調速系列等3 個系列的高壓柱塞注漿泵，以及水力坐封止漿塞用以解決頂角較大的斜孔和水平定向鉆進注漿[35-37]，并開發了自動漿液配制監控系統。注漿漿液材料方面：從初期的水泥、石膏、膨潤土等為主的注漿材料，研發出特殊性能和用途的鉆井廢棄泥漿注漿材料、速凝早強水泥漿液、單液水泥基復合加固漿液、高摻量粉煤灰水泥漿液、水泥粉煤灰水玻璃雙液速凝漿液、改性尿醛樹脂和乙酸酯水玻璃化學漿液等幾十種不同種類的注漿材料[35]。在注漿工藝方面：從最初的普通直孔注漿工藝，相繼形成了“凍-注-鑿”三同時鑿井，“鉆-注”平行作業、深井L 型鉆孔和雙S 型鉆孔地面預注漿技術、井筒過采空區地面預注漿加固等建井工藝技術。

70 余年來地面預注漿技術創新發展，突破了高精度定向技術、多分支鉆孔技術、水平分段高壓注漿等關鍵技術，形成了適合不同地層條件的注漿工藝、裝備及材料。典型注漿技術及應用案例如下：

1）千米深基巖裂隙綜合注漿技術實現了“打干井”。針對千米深井基巖水文地質條件復雜、裂（孔）隙富水性強、水壓高、補給豐富、掘進突水風險大等難點，攻克了千米深井高壓預注漿、地面定向鉆孔注漿、微裂隙注漿、精準透巷注漿等關鍵技術，研發綠色注漿材料，解決了千米深井井筒防治水、圍巖加固、突水救援等工程“卡脖子”難題。例如磁西煤礦副井最大地面預注漿1 355 m，朱集西煤礦千米矸石井地面預注漿深度1 078 m，透孔精度達到±1m，與原有技術相比地面鉆孔的數量降低50%[33]，實現了傳統直線與曲線定向鉆孔注漿技術結合的重大創新。

2）針對西部弱膠結地層微裂隙注漿難題，攻克了超細漿液擴縫注漿堵水技術，注漿壓力提高到靜水壓力的3.0～3.5 倍，漿液結石體強度達到8 MPa，注漿后巖體滲透性降低80%，巖體整體穩定性提高60%。例如京能漢水泉主副風井注漿工程[38]，首次應用了西部侏羅系地層地面高壓預注漿加固技術并取得了良好效果。

3）煤礦工作面底板改造。安徽恒源煤礦采區底板承受最大太灰水壓力達5.2 MPa，突水系數遠超臨界值，采用L 型鉆孔地面預注漿技術進行加固[39]，共施工完成5 個主孔，62 個水平分支孔，完成鉆探進尺3.89 萬m，注漿水泥9.45 萬t，治理面積達1.02 km2，解放煤炭資源430 萬t，為采區安全回采奠定良好基礎。

3.2 注漿封堵加固技術的推廣實踐

煤礦注漿法鑿井技術成果在金屬礦山、引水隧道和交通隧道等地下工程建設中得到廣泛推廣應用，實現了溶洞、裂隙、破碎帶、風化囊等不良地層的快速封堵與加固。重大引水工程建設典型工程：滇中引水項目是國家“十四五”規劃的重大引調水工程和國務院節水供水重大水利工程，在國內水利系統豎井（凈徑9.6 m）首次應用地面預注漿技術，采用“直孔+S 孔”定向鉆孔地面預注漿技術地面預注漿深度達580 m；采用了長距離定向“L 孔”預注漿技術，實現了4 號施工支洞突泥、涌水段加固治理。非煤礦山深井建設典型工程：利用深井地面預注漿技術完成了云南彝良毛坪鉛鋅礦盲混合井預注漿工程、河西找探礦盲混合井井筒預注漿工程、302 工程中段硐室群防治水、礦井特大突水治理等項目；首次將溶蝕裂隙注漿技術應用于西南復雜白云巖地層磷礦深井建設中，在甕安老虎洞磷礦主副風井進行了井筒地面預注漿防治水加固；應用于河北司家營鐵礦區豎井井筒建設，首次實現變質巖地層井筒地面預注漿技術防治水。交通隧道工程建設典型工程：2020年在大瑞鐵路高黎貢山隧道通風豎井施工中，國內首次在鐵路隧道井筒建設中應用地面預注漿技術，并研發出一套軟弱巖層深豎井地面高壓預注漿加固技術與裝備，克服高地熱、高地應力、高地震烈度等施工難點，注漿深度近600 m，為大瑞鐵路建設做出了貢獻。

4 機械破巖鉆井法鑿井技術

針對普通鉆爆法鑿井存在作業人員多、職業傷害重、作業工序多且不連續等難題，開展了非爆破的機械破巖鑿井技術、工藝和裝備的重點攻關，打破國外壟斷，取得了擁有自主知識產權的豎井鉆機鉆井法、反井鉆機鉆井法、豎井掘進機鉆井法等核心技術與裝備，形成了以可控機械破巖代替鉆爆破巖的第二次建井技術變革，初步實現了掘進工作面無人的“打井不下井”，在建井機械化、信息化與智能化方向邁出關鍵一步。

4.1 豎井鉆機鉆井法

自1848 年德國人肯德采用沖擊破巖豎井鉆機鉆成世界第一口井，鉆井直徑4.25 m、深98 m，至今已有170 多年歷史[40]。據統計國外用豎井鉆機鉆井法施工井筒數千余條，其中煤礦大直徑井筒77 條左右，總深度超過7 000 m。從20 世紀末到本世紀以來，國外由于采礦工業的變化，多數國家此項技術研發處于暫時停滯狀態，或轉行到隧道掘進機等領域。而我國經過近70 年的創新發展，豎井鉆機鉆井法鑿井技術取得了迅速發展，實現了大型鉆機及配套裝備的全部國產化全部鉆井工序的機械化和自動化，綜合技術達到國際領先水平。豎井鉆機鉆井法從最初應用于我國兩淮、河北、河南、山東等地區的富水深厚沖積層重點煤礦建設工程，現為西部蒙、陜、寧等大型煤礦建設豎井鉆井法鑿井提供了技術工藝和裝備保障。據統計，自1969 年完成首個豎井鉆機鉆井法鑿井工程至今，全國煤礦領域采用豎井鉆機鉆井法施工共完成122 條井筒，累計進尺28 376 m，其中鉆井直徑≥8.0 m 的井筒27 條，成井直徑≥6 m 的井筒25 條，鉆井深度≥400 m 的井筒25 條。豎井鉆機鉆井法深度與直徑對應關系如圖3 所示。

圖3 豎井鉆機鉆井法深度與直徑對應關系Fig.3 Corresponding relationship between drilling depth and diameter of vertical shaft drill

4.1.1 豎井鉆機鉆井法初期階段

我國研究豎井鉆機鉆井法鑿井技術最初是用于解決東部富水深厚沖積層的井筒施工難題，因而技術上與國外礦山、核試驗場、石油貯藏孔等工程井筒以巖石地層為主、鉆進直徑較小、井壁焊接鋼板的施工方法有一定的差別。我國于1958 年開始，由煤炭科學研究院北京建井研究所率先開展豎井鉆機鉆井法鑿井技術研究，初期采用了石油鉆機進行改造的研發路線，成功研制出我國第一臺工業型試驗的ZZS-1 型試驗豎井鉆機[41]，首次在淮北朔里煤礦南風井鉆成直徑4.3 m、深90 m 豎井井筒。在此之后，又相繼研制了MZ-Ⅰ型、MZ-Ⅱ型等多臺試驗鉆機。20 世紀70 年代開始，走出了一條以鉆井工藝為引領，以小型鉆井試驗為基礎，技術裝備由易到難、由小到大、由簡單到復雜的發展之路。該時期內研發了紅陽-Ⅰ型、Z-Ⅰ型、BZ-Ⅰ型、QZ-3.5 型、SZ-9/700 型等多種型號的豎井鉆機，豎井鉆機大鉤提升能力達到3 200 kN，轉盤轉矩達300 kN·m，攻克了300 m 深鉆井法的關鍵技術，經工程實踐成功完成了臨渙西風井、張雙樓東風井和童亭副井等一批深300 m 以上的井筒施工[41-42]，采用豎井鉆機鉆井法共鉆成煤礦井筒19 條，最大鉆井深度為308.6 m，最大鉆井直徑為7.9 m，最大成井直徑為6 m，初步形成了我國豎井鉆機鉆井法鑿井完整的成套技術與裝備體系。

4.1.2 豎井鉆機鉆井法發展階段

20 世紀80—90 年代，在國家“六五”重點科技攻關項目“深井（500～600 m）鉆井法鑿井技術研究”的資助下，研制成功了XZ 型巖石滾刀與XC 型表土滾刀系列產品[42]，其中XZ 型巖石滾刀平均壽命達44.2 m，XC 型表土滾刀平均壽命達191 m，是當時的國際最高水平，而且每立方米巖石的破巖刀具費用僅為進口刀具的1/6，解決了豎井鉆機鉆井法鑿井高效破巖鉆進的問題。

在國家“七五”科技攻關項目“深井鉆井法鑿井”的資助下[42]，又研制了鑲嵌硬質合金鉆齒、高強度耐磨合金空冷鑄鋼刀殼的新型刀具，將刀具的破巖能力進一步提高，在80～170 MPa 的中硬巖和硬巖中使用壽命達到70 m 以上，國產刀具形成系列化和規?；?，基本滿足了鉆井法在各種強度地層中施工井筒的需要。這一階段深井鉆井法鑿井技術取得了飛速的發展，采用自主研制的AS-9/500 型豎井鉆機和當時從西德引進的L40/800 型豎井鉆機，完成了50余條井筒施工，最大鉆井深度為508 m，最大鉆井直徑為9 m，最大成井直徑為6 m。如潘三西風井表土層厚度超過440 m，其中含水流砂、膨脹性黏土等復雜地層占80%以上，極易發生掉塊、塌幫和縮徑等風險，有針對性地研發了三聚磷酸鈉等多種新型泥漿處理劑的配方和工藝，形成了深井鉆進的泥漿護壁和廢棄泥漿處理技術。這些技術使得我國成為唯一能通過400 m 以上深厚沖積層的國家[41-42]，且實現成套設備國產化和全工序機械化，鉆井法的優越性得到更進一步的發揮。

4.1.3 豎井鉆機鉆井法成熟階段

進入21 世紀后，通過國家“十五”科技攻關計劃“600 m 深厚沖積層鉆井法鑿井技術研究”項目的實施[43]，解決了深井井壁強度與懸浮下沉安裝對自重限制的矛盾，攻克了井壁懸浮下沉安裝過程中豎向穩定性控制等關鍵技術；同時，對德國進口的L40/800 型豎井鉆機進行了技術改造和能力升級，研制了L40/1000 型豎井鉆機以及AS12/800 型、AS12/1000 型等裝備。至此，轉盤式豎井鉆機的研制已基本成熟，同時開始研發全液壓動力頭式豎井鉆機[10]。2004 年成功研制了AD60/400 型動力頭式的豎井鉆機，并為后來的大型動力頭式豎井鉆機的研制奠定基礎。我國研制的豎井鉆機類型及關鍵參數對比，如圖4 所示。

圖4 我國研制的豎井鉆機類型及關鍵參數對比Fig.4 Comparison of types and key parameters of blind shaft drills manufactured in China

通過“十一五”國家科技支撐計劃項目“‘一擴成井’快速鉆井法鑿井關鍵技術及裝備研究”，研制了AD120/900 型、AD130/1000 型全液壓豎井鉆機，解決了減少擴孔次數的鉆頭結構布置、滾刀耐磨和壽命低、深井鉆井井壁結構優化、懸浮下沉井壁穩定控制、壁厚高效充填等技術難題[42-45]，形成了一級超前多級擴孔鉆進、泥漿護壁、壓氣反循環排渣、鉆進偏斜控制、地面預制井壁、井壁穩定懸浮下沉、連續壁后充填、充填質量檢測等一套成熟的豎井鉆機鉆井工藝。國家“十一五”期間應用鉆井法鑿井施工過程中，通過開展鉆頭吸收口流場分布和多相流反循環排渣技術研究，研制了“T”形臺階式大直徑鉆頭，實現了多級擴孔鉆井向“一擴成井”“一鉆成井”的跨越[46]，在朱集西煤礦矸石井直徑7.7 m 井筒“一鉆成井”，袁店二礦副井直徑9.3 m 井筒“一擴成井”；針對鉆井法鑿井泥漿量大、處置困難等問題，突破鉆井泥漿作為基巖注漿材料的再利用技術，實現廢棄泥漿零排放。據統計，該時期內采用豎井鉆機鉆成了7 條600 m 以深的井筒，其中最大鉆井深度達660 m，最大鉆井直徑為10.8 m，最大成井直徑為7.3 m。

國家“十四五”期間，隨著煤礦智能化發展的趨勢，豎井鉆機鉆井法鑿井技術憑借無人下井作業、機械化程度高、成井質量好等優勢，在西部煤礦富水弱膠結厚基巖地層井筒建設中又重新煥發生機[47-50]。例如，在西部可可蓋煤礦率先開展了豎井鉆機鉆井法鑿井工業性試驗，應用ZDZD-100 型豎井鉆機實現“一鉆成井”直徑8.5 m、深度491 m，以及應用AD130/1000 型豎井鉆機實現“一擴成井”直徑8.5 m、深度511 m；利用最新研制的ZMD120/1200 型豎井鉆機在陶忽圖煤礦北回風立井開展全斷面一次鉆井直徑達9.4 m、深度738 m 的工業性試驗[51]。針對西部弱膠結厚基巖地層開展工程實踐效果，豎井鉆機鉆井法將研制新型破巖刀具與鉆頭結構，解決破巖鉆進刀具崩齒、斷齒、刀軸損壞等破巖難題；突破泥漿洗井與破巖相匹配的協同控制技術，解決井底巖渣堆積、刀具磨損嚴重、鉆頭進尺慢等難題；研發鉆井泥漿新型材料，解決泥漿性能突變問題；攻克700 m 以深懸浮下沉井壁豎向穩定性控制技術，保障懸浮井壁精準下沉與安全固井。

4.1.4 豎井鉆機鉆井法的推廣實踐

隨著國家中東部煤炭開發由淺入深和煤炭資源開發向西部轉移的變化，以及行業政策的影響，國家“十二五”“十三五”期間豎井鉆機鉆井法鑿井技術在礦山領域應用相對減少。但是該階段從煤礦建設領域發展形成的鉆井法鑿井技術，開始拓展應用于橋梁樁基建設，以及隨著清潔能源的發展需求應用于海上風電樁基的建設。然而豎井鉆機鉆井法在煤礦主要解決軟弱地層建井難題，而樁基建設需鉆進堅硬巖石地層條件，所以豎井鉆機鉆井裝備得到了進一步發展，并創造了多種專用鉆機，研發了40 型、45 型和50 型橋梁樁基鉆機，以及研發出適用于海上風電樁基建設的QYZJ8000/110 型、ZDZD-100 型和HT-4000 型等豎井鉆機，實現了在堅硬巖石地層中變徑鉆進。例如ZDZD-100 多用途重型豎井鉆機于2017 年在福建近海海上風電單樁基礎施工[52]，實現了在巖石強度80～160 MPa 全巖地層中一次鉆進直徑達6.3 m。

4.2 反井鉆機鉆井法

最初的反井鑿井方法主要采用人工蹬渣和木垛反井法，由人工抱鉆打眼、爆破破巖的方式自下向上掘進，工人在狹小的反井掘進工作面作業。盡管后期又發展了吊罐反井法、爬罐反井法，但是沒有改變人工鉆爆施工的本質，作業環境惡劣、安全風險高、施工效率低，且經常發生傷亡事故。反井鉆機鉆井法施工最早于1949 年由德國工程師赫爾·貝德在借鑒吊罐法的反井施工工藝的基礎上，設計出第一臺無鉆桿反井鉆進設備；1962 年美國羅賓斯公司研制了第一臺有鉆桿的31R 型反井鉆機，形成了真正意義上的現代反井鉆機。我國從改革開放后，隨著礦物資源和能源的需求與日俱增，開始研發反井鉆機鉆井技術。

盡管我國反井鉆機鉆井技術研究起步較晚，但是發展迅速。經過40 余年持續不斷的科研攻關與創新實踐，突了破巖理論、鉆具可靠、整機設計、鉆進導向、動力控制、和圍巖穩定等理論與技術，解決了地下軟弱夾層、富水、瓦斯、堅硬巖石等復雜地層條件下反井鉆井難題[53]，鉆井深度由1980 年的80 m，達到深度562 m；鉆井直徑從最初的1.2 m 發展到能夠在煤系地層中一次擴孔鉆進直徑6 m，以及堅硬巖石條件下一次擴孔鉆進直徑4 m，且鉆進速率提升了2 倍左右。針對長大斜井鉆進偏斜率大的難題，突破了長大斜井定向反井鉆機鉆井隨鉆測斜、井下動力糾偏、井幫穩定控制等“卡脖子”技術與工藝，達到了斜長400 m 級斜井鉆進偏斜率0.1%～0.2%的鉆進精度，而國家水電行業規范要求為不大于1%，鉆進精度較現行規范高5 倍?？傮w而言，反井鉆機鉆井技術在裝備性能、施工效率、機械化和自動化程度等方面的綜合能力顯著增加，全面實現了國產化，技術成果在煤礦、非煤、水電等地下工程領域全面推廣應用。

4.2.1 反井鉆機鉆井法初期階段

1980—1988 年為礦山小型反井鉆井研發階段。在“七五”國家科技攻關項目支持下，1986 年煤炭科學研究總院北京建井研究所研制了LM-120 型反井鉆機，并在開灤趙各莊煤礦完成井下工業性試驗，最大鉆進深度達到80 m[52,54]。該時期反井鉆機主要用于解決煤礦井下煤倉、暗井、溜煤眼等反井工程普遍采用木垛反井法施工導致的事故頻發、作業人員傷亡嚴重的安全問題?？傮w而言，此階段內反井鉆機主要以鉆進直徑1.0～1.5 m，深度小于100 m 導井，再采用鉆爆法擴大井孔，同時進行井壁支護的井下大直徑反井工程施工工藝。

4.2.2 反井鉆機鉆井法發展階段

1989—2005 年為反井鉆井技術與裝備的發展階段。1989 年開始北京建井研究所陸續研發出LM90 型、LM-200 型反井鉆機，其中LM-200 型反井鉆機鉆井深度達200 m、直徑為1.4 m。隨著對反井鉆機材料性能和裝備性能的研究，反井鉆機的轉矩、推力、拉力等鉆進技術參數得以提高，其破巖滾刀適用從軟巖到中硬巖體中的破巖鉆進，反井鉆機導孔鉆進、偏斜控制、地層處理等技術也相應的提高[53-54]，反井鉆機技術與裝備得以迅速發展。如北京建井研究所研制的LM 系列鉆機和ZD2.0/400 型強力反井鉆機、南京煤研所研制的ZFYD 系列鉆機、長沙礦山研究院研制的ATY 系列鉆機，以及從美國引進的83RM-HE 型和從芬蘭引進的RHINO1000 型鉆機均為下導上擴式反井鉆機；從德國引進的P/EH1200 型鉆機為上導下擴式反井鉆機；煤炭科學研究總院重慶分院研制的zoq100/100 型和蘇聯飛箭-77 為無導孔上擴式反井鉆機。

4.2.3 反井鉆機鉆井法成熟階段

2006—2019 年為反井鉆機鉆井技術與裝備成熟階段。北京中煤礦山工程公司突破了新型鋸齒形鉆桿絲扣聯結、多油缸推進、多馬達驅動等反井鉆機鉆進關鍵技術，解決了反井鉆機裝備能力低導致的鉆進參數不合理、破巖滾刀壽命低、鉆進效率和經濟性差等問題[54]。研制出BMC300、BMC400、BMC500、BMC600 型系列反井鉆機（圖5），其中BMC600 型反井鉆機最大拉力為6 000 kN，額定轉矩300 kN·m，最大轉矩450 kN·m，能夠滿足巖石抗壓強度320 MPa以上的硬巖地層中鉆進，可鉆進導孔直徑最大350 mm，擴孔直徑6 m、最大深度600 m。例如，在山西晉城煤礦深度539 m、直徑5.3 m 的采區風井一次鉆成；在平煤四礦鉆成深度562 m，直徑1.4 m 瓦斯抽放井。同時，通過反井鉆機鉆井法與注漿法、凍結法和豎井鉆機鉆井法聯合施工，解決了煤系復雜地層井筒建設難題[54]。如采用注漿加固+反井鉆井工藝在山西寶興煤礦一次鉆成深度482.2 m、直徑5.0 m的風井；在凍結加固地層的基礎上，采用反井鉆井工藝技術在濟寧三號井鉆成深度300 m、直徑1.4 m 的副井導井；采用豎井鉆機鉆井法+反井鉆井法在淮北許疃煤礦鉆成深度139 m、直徑1.4 m 的副井導井，加快了井筒成井速度。該階段內，完成了百余條直徑3.5～6.0 m 煤礦各類井筒建設，實現煤礦高產采區獨立安全通風。

圖5 我國研制反井鉆機類型及鉆井參數對比Fig.5 Comparison of types of reverse boring machine and drilling parameters

從2020 年始反井鉆機鉆井技術與裝備發展進入階躍階段。煤礦井下暗井反井擴孔直徑達6 m，是目前國內完成的井下最大直徑反井鉆井工程；擴孔直徑達7 m 的千米級大直徑智能化反井鉆機樣機已經研發成功?？傮w而言，我國反井施工技術已實現了由人工挖掘、爆破破巖到井下無人化、機械化、自動化鉆井的根本性變革，保障了反井施工中人員與設備的安全，實現了反井鉆機工作全過程的機械化、數字化和智能化控制。但由于反井鉆井擴孔階段井幫無有效支護，反井鉆井技術適用地層受限。因此應繼續開展擴孔階段隨鉆支護、凍結+反井、注漿+反井等工藝技術研發工作，實現擴孔階段及永久支護階段的井幫穩定；同時進一步融合大數據分析、智能化控制、物聯網等新技術，進一步提高我國反井鉆機鉆井智能化水平。

4.2.4 反井鉆機鉆井法的推廣實踐

我國反井鉆機鉆井技術經過40 余年的創新發展，已經拓展應用于金屬礦山、水利水電、鐵路和公路隧道等地下工程建設中，并在地下核原料開采、地下儲氣儲油硐室和軍事等工程建設中發揮重要作用。典型工程案例如下：

1）金屬礦山工程?；诜淳@井技術，解決了金屬礦堅硬巖層井筒鉆進難題，一次鉆成直徑3.0～3.5 m 的溜井、通風井、下料井等各類井筒，反井鉆進成本和人工反井具有競爭優勢，并在中國五礦集團、中國黃金集團、貴州甕福、開磷集團等大型企業礦山中應用。尤其是在峨口鐵礦風井建設中，在巖石抗壓強度320 MPa 條件下一次鉆井直徑3.5 m風井。此外，研發出國內首臺套移動式上向反井鉆機及其鉆井技術與新工藝，并應用于世界最大鉆石礦俄羅斯阿爾羅薩好運礦，崩落法采礦有效爆破深度從10 m 提高到60 m，成為采礦切割井鉆進的關鍵裝備。

2）鐵路公路隧道等交通工程。反井鉆機鉆井技術為極端惡劣環境下長大交通隧道通風豎井的施工提供了解決方案，完成了我國多條重大鐵路隧道的通風井建設項目，服務國家交通強國戰略和交通重點工程。如應用大型反井鉆井技術和裝備完成了京張、崇禮、蒙華、鄭萬、敦格等10 余條鐵路隧道通風井建設，在敦格鐵路當金山隧道建設中，提出了無水反井鉆井新工藝，發明了壓風循環排渣方法，一次鉆成直徑3 m、深度442 m 的通風豎井，創造了我國首座鐵路隧道反井施工紀錄[55]。在邵懷高速公路雪峰山隧道、終南山隧道、漳永高速官田隧道等高速公路隧道通風豎井建設中應用了反井鉆機鉆井技術。

3）水力水電工程。反井鉆井技術與裝備改變了水電站出線井、電纜井、通風井、調壓井等各類井筒的傳統施工方法，采用反井成井或反井刷大的工藝，建井工效顯著提高，安全風險極大降低，此工法現已在該領域內全面采用。反井鉆機鉆井技術應用在大朝山、小灣、錦屏、小浪底、三峽、烏東德、溪洛渡、白鶴灘等水電站的井筒工程，實現非爆破機械破巖建設水電站豎井，為我國長江、黃河、瀾滄江等流域清潔能源走廊建設發揮了巨大作用。其中，在白鶴灘水電站堅硬玄武巖地層中完成鉆井81 條，總長度944 m，最大鉆井直徑4.5 m，每條通風井綜合工效較鉆爆法提高了3 倍以上。同時，基于反井鉆井技術創新了抽水蓄能電站壓力管道斜井定向反井鉆進技術[56]，替代爬罐等落后施工方法，實現了抽蓄電站壓力管道斜井施工技術變革。斜井定向反井鉆井技術首次在豐寧抽水蓄能電站應用成功后，陸續又完成了福建廈門、重慶蟠龍、河北豐寧等20 余座抽水蓄能電站的井筒建設，在廈門抽蓄長度385 m 壓力管道斜井中偏斜率降低到0.2%。目前反井鉆井技術與裝備已全面應用于國內抽水蓄能電站豎井施工，服務于國家“十四五”規劃提出的“加快抽水蓄能電站建設和新型儲能技術規?；瘧谩睉鹇匀蝿?。

此外，采用自主研發的反井鉆機鉆井技術承擔了“一帶一路”國家煤礦、金屬礦和水電工程等建設項目，為促進“一帶一路”國家高質量發展做出貢獻。例如先后完成了土耳其、巴基斯坦等多個國家煤礦反井鉆井工程，馬來西亞、哈薩赫克斯坦、厄瓜多爾等國家電站反井工程，以及贊比亞穆維蓋拉銅礦反井工程。

4.3 豎井掘進機鉆井法

國外采礦與機械制造工作者從20 世紀20 年代開始研發豎井掘進機鑿井技術并形成了專利，但受材料、裝備加工制造水平和經濟成本制約，多數豎井掘進機專利未能形成樣機并應用于工程實踐；從20世紀60 年代開始，國外研制的多種類型上排渣、下排渣和全斷面、部分斷面的豎井掘進機，逐漸應用于工程實踐[57]；20 世紀70 年代，德國維爾特SB 型下排渣豎井掘進機創造了鉆井深度1 170 m 的世界紀錄；進入21 世紀后，德國海瑞克公司SBR 型上排渣豎井掘進機完成了凈直徑5.5 m、深度1 035 m 的井筒工程。

我國豎井掘進機鉆井法研發起步較晚，在國家“十二五”期間北京中煤礦山工程有限公司承擔國家“863 計劃”項目“礦山豎井掘進機研制”課題，率先研制出國內首臺套MSJ5.8/1000/1.6D 型導井式硬巖豎井掘進機[58]，形成了定向鉆機超前導孔鉆進、反井鉆機擴大超前導孔下放鉆桿、反井鉆機擴孔形成導井、豎井掘進機擴大導孔鉆井、掘支協同作業的井筒鉆井新工藝（圖6）。2020 年應用于云南以禮河水電站豎井工程[58]，采用自主重力排渣方式，鉆井直徑5.8 m、鉆井深度282.5 m，正常鉆進速度0.5～1.0 m/h，最高日進尺10.3 m；作為我國首個豎井掘進機鑿井工程項目，實現了鑿井技術的歷史性突破。

圖6 導井式豎井掘進機鑿井工藝示意Fig.6 Sinking technology of pilot shaft boring machine

國家“十四五”期間，2021 年國家科技部發布了國家重點研發計劃“高性能制造技術與重大裝備”重點專項的申報指南，其中“重大裝備應用示范”任務的3.3 為“千米豎井硬巖全斷面掘進機關鍵技術與裝備”，目前由鐵建重工與北京科技大學等單位聯合研發的“蜀暢號”豎井掘進機在沿江高速火山隧道通風豎井建設中應用，開挖直徑9.53 m、深度293 m[59]。豎井掘進機鑿井已開展的典型工程：中鐵工程裝備集團有限公司研制了SBM/1 000 型全斷面硬巖豎井掘進機，2021 年應用于浙江寧海抽水蓄能電站排風豎井工程，采用機械上排渣方式，完成了鉆井直徑7.83 m、深度約19 m 的鉆井工程試驗；2022 年中交天和機械設備制造有限公司研制了“首創號”超大直徑硬巖豎向掘進機，鉆井直徑11.4 m，采用流體上排渣方式，正應用于天山勝利隧道通風井工程建設。

目前，與國外豎井掘進機鉆井法鑿井技術相比，我國豎井掘進機及其鑿井技術、裝備和工藝尚處于研發起步階段，豎井掘進機鉆井法依然是我國井筒鑿井技術發展的重大需求。針對豎井掘進機鉆井法鑿井穿過地層的復雜性、不確定性和未知性，給豎井掘進機鑿井地層穩定控制和涌水治理技術、掘進裝備與配套裝備以及工藝和示范帶來一系列重大的風險和挑戰，亟需攻關多變地層穩定和高壓涌水控制、堅硬巖石破碎、克服重力排渣、與支護相適應的變徑掘進等關鍵技術[60-62]，滿足復雜環境和工況下豎井掘進機高效可靠服役要求，從而推動我國豎井掘進機鉆井法鑿井技術裝備的發展進程。

5 沉井法及其他特殊鑿井技術

新中國成立70 余年以來，在我國煤礦鑿井技術發展過程中，除了主要采用普通鉆爆法、凍結法、注漿法、鉆井法等鑿井技術外，在淺部厚度不大的流砂層、破碎帶或其他特殊地層中還采用過沉井法、帷幕法、板樁法和降水法等特殊鑿井技術[40]。沉井法、帷幕法、板樁法和降水法等特殊鑿井技術在我國建井史上，尤其是在20 世紀50—80 年代發揮了重要作用，在特定條件下還可做到施工簡單、快速、安全并取得了良好的經濟效果。

我國首次采用混凝土帷幕法鑿井是1974 年在鶴崗礦務局興安臺礦，成為通過不穩定含水地層的一種特殊鑿井方法。目前，混凝土帷幕法主要解決淺部松散軟弱地層鑿井圍巖失穩問題，也用于豎井鉆機基礎穩定加固處理。如西部豎井鉆機鉆井法施工中，采用了MJS 高壓旋噴帷幕樁技術進行地層加固，避免了淺部松散層豎井鉆機鉆井基礎失穩風險。板樁法在我國豎井鑿井中曾應用了幾十個工程，為通過表土層一般多采用直板樁法，也有少量采用斜板樁法施工。降水法首次于1952 年在黑龍江雞西小恒山煤礦主井施工中應用，以后在徐州的韓橋礦和大屯、古交等鑿井施工中也采用了降水法鑿井技術。目前，沉井法、帷幕法、板樁法和降水法等特殊鑿井方法，由于鑿井深度增加而難度增加，以及施工工序復雜和水資源環境保護等原因，在煤礦鑿井中應用較少，且已逐漸被凍結法或注漿法代替，但是在非煤礦山、地下建筑、隧道、橋梁、軍事和民防等地下工程領域依然廣泛應用。

5.1 煤礦沉井法鑿井技術

沉井法是煤礦不穩定松散含水地層中建井的特殊施工方法。早期的普通沉井法，采用人工挖掘的方式，井內排水造成井壁內外的壓力差較大，容易發生井內涌砂冒泥、井筒偏斜、地面塌陷等事故，以及由于側面阻力較大，沉井下沉深度總體不大。1958年我國曾采用震動的方法使井壁周圍地層液化，以減少側面阻力，但下沉深度增加也不大。1969 年山東黃縣煤礦首先引用了淹水沉井法施工風井，下沉深度28.3 m 并取得了成功。自此以后，江蘇無錫小張墅煤礦、銅山大劉莊煤礦，以及濟寧菜園煤礦和單家村煤礦相繼采用淹水沉井取得了成功，并且下沉深度取得了重大突破。例如山東單家村煤礦風井下沉180 m、偏斜率0.79%，主井下沉192.78 m、偏斜率0.69%，使我國的沉井深度進入了世界先進行列[57]。據統計，我國煤礦建井采用沉井法工程約160 條井筒（圖7），其中淹水沉井占38 條，累計下沉深度約5 km，一次沉井深度達192.78 m。

圖7 我國煤礦沉井法鑿井時間與數量Fig.7 Age and quantity of caisson sinking in coal mine

煤礦沉井法鑿井技術發展歷程中，為解決快速破碎巖土體開挖難題，曾采用或提出了多種開挖方法，如挖掘機、抓斗、水力破土、絞吸鉆頭、沖擊鉆頭、旋轉鉆頭、截割鉆頭等；為解決井壁下沉阻力大的難題，曾采用了井壁加壓和泥漿減摩、壓氣減摩、震動減摩等技術[61]。隨著煤炭開采深度的逐漸增加，最大的沉井深度盡管達到了200 m 級，但依然無法滿足富水深厚沖積層中井筒建設的需求，同時，受限于前期沉井技術和掘進裝備能力的不足，沉井法存在下沉深度小、施工效率低、井內外水壓不平衡和偏斜難以控制等缺點，并且隨著人工凍結法和鉆井法鑿井技術的發展成熟，沉井法逐漸退出了煤礦井筒建設，沉井法鑿井只是作為礦山發展一段時期內的過渡施工工藝技術。

5.2 沉井法鑿井技術的創新發展

目前，隨著鉆井裝備設計與加工能力的不斷提升，基于沉井法的掘進支護一體化理念，沉井鑿井技術工藝又重新煥發生機。通過與機械破巖掘進裝備的配合，形成了具有機械化破巖（土）速度快、支護結構強度高和整體性強、排渣效率高、偏斜精準控制等優勢特點的鑿井技術與工藝。沉井法鑿井技術開始向機械破巖快速精確成井的方向發展，并成為地鐵隧道通風井、盾構隧道和頂管掘進隧道始發井、大型橋墩基礎、城市地下豎井式停車場建設的重要技術和工藝[62]。如南京市建鄴區沉井地下車庫豎井項目，采用德國海瑞克VSM12000 型豎井掘進機施工，最大開挖深度為68 m，沉井內徑12 m，平均施工速度為1.54 m/d；上海靜安區地下公共停車庫豎井項目，采用鐵建重工和中鐵十五局聯合研制的豎井掘進機正在施工，深度約50.5 m、開挖直徑達23.02 m，是迄今全球開挖直徑最大的掘進機沉井法施工項目。

6 煤礦巖巷掘進技術

我國煤炭資源開發以井工開采為主，截至2022年我國4 300 余個生產煤礦中井工煤礦數量占比達92%。井工煤礦在井筒建設達到設計深度后，還需要建設大量巷道工程，以滿足煤炭開采所需的運輸、通風和瓦斯抽放等功能，這些巷道包括煤巷、半煤巖巷和巖巷[63]。我國煤炭領域井下掘進巷道工程量約13 000 km/a，其中巖巷掘進約2 500 km/a，占比近20%。我國中東部的山東、安徽、山西、河北等地區和西部部分地區的煤礦多采用巖巷布置，巖巷具有長期穩定性好的優點，但也存在掘進難度大、掘進效率低等問題。經過70 余年的創新發展，經歷了鎬掘、炮掘、綜掘和智能化掘進的過程，形成了以鉆爆法作業線為主，懸臂掘進機、全斷面掘進機作業線等為輔的巖巷掘進現狀，由人工鉆爆法月均成巷40 m 發展到全斷面掘進機月均成巷超過400 m，巖巷掘進速度提升了10 倍以上。巖巷掘進裝備和圍巖支護技術水平不斷進步[64-67]，巖巷掘進速度持續提高，同步巖巷掘進作業環境、成巷質量和安全水平也得到了顯著提升。

6.1 巖巷鉆爆法作業線

在20 世紀50 年代我國巖巷多采用先小斷面掘進，然后再多次刷大到設計要求斷面的施工方法，直到20 世紀60 年代在京西超嶺和西山煤礦、淮北楊莊和皇后窯煤礦創造了一次掘進成巷作業方法，隨后在全國煤礦推廣[67]。20 世紀70 年代開始研制耙斗式裝巖機并逐步取代了鏟斗后卸式裝巖機，形成了人工手抱鉆+耙斗裝機裝運作業線，但是工人勞動強度高、噪音大、單進水平低且巷道成型不好，目前已經很少應用。20 世紀80 年代研制了氣腿式鑿巖機、側卸式裝巖機和帶式轉載機等機械設備，形成了“氣腿式鑿巖機+耙斗式裝巖機”作業線和“氣腿式鑿巖機+側卸式裝巖機”作業線以及“氣腿式鑿巖機+挖裝機”作業線，曾在新汶礦區協莊煤礦斷面14.46 m2的巖巷掘進中創造了月進尺81.2 m 的好成績。然而，該時期應用的耙斗式裝巖機因裝載效率不高和安全隱患等問題，之后陸續被側卸式裝巖機和扒裝機所取代。20 世紀90 年代液壓鉆車實現了全面國產化，陸續研制了雙臂液壓鉆車和多臂式液壓鉆車，形成了“鉆、裝、錨機組”作業線[68]，巷掘進月進尺突破100 m，形成了系統的巖巷掘進機械化作業線。

進入21 世紀后，已普遍使用液壓鉆車、側卸式裝巖機或扒裝機裝巖、蓄電池電機車或柴油機車牽引礦車排渣的全機械化作業線，巖巷掘進月進尺達到120 m 以上，比氣腿式鑿巖機作業線掘進速度提高了50%以上。但是，以鉆爆破巖為主的綜掘法作業線，無法避免裝藥放炮的爆破環節，導致掘進不連續、爆破后通風時間長、工作面粉塵大，依然無法滿足目前煤礦巖巷智能化掘進要求。

6.2 懸臂式掘進機作業線

21 世紀以來，科研單位及生產企業引進和開發了硬巖懸臂式掘進機，包括縱軸式和橫軸式懸臂式掘進機（圖8）。例如，淮南顧北煤礦使用英國多斯科公司MK3 型重型懸臂式掘進機，掘進了635.24 m 巖巷（斷面24.1 m2），最高月進尺208 m，掘進工效是鉆爆法的2.7 倍，但是當懸臂掘進機遇到堅硬巖石時，要輔以爆破進行掘進；開灤東歡坨煤礦采用EBZ200H型懸臂式掘進機，掘進斷面15.82 m2的巖巷，巖石抗壓強度為50～70 MPa，月進尺達200.3 m，綜合技術經濟指標高于鉆爆法。

圖8 懸臂式掘進機示意Fig.8 Boom-type roadheader

目前，我國懸臂式掘進機已形成年產2 000 余臺的加工制造能力，煤礦用的硬巖懸臂式巖巷掘進機多達幾十種，基本滿足了我國煤炭市場的需求[68-70]。但是懸臂式掘進機切割機構的錐形截齒破巖方式決定了其破巖能力和掘進效率，截割破巖比功大、圍巖適應性差，在100 MPa 以上巖石地層掘進時經濟性急劇下降，即便超重型橫軸式巖巷掘進機能夠達到在巖石強度120 MPa 的地層中掘進，也需要附加“截割刀具消耗量大，不經濟”的條件。因此，懸臂式掘進機在煤巷及半煤巖巷掘進工程應用更為廣泛，而懸臂式掘進機依然很難在全巖巷道掘進中取代鉆爆法機械化作業線，亟需探索新型破巖材料、刀具、破巖機構和輔助截割等高效破巖技術。

6.3 全斷面掘進機作業線

20 世紀80 年代，我國“七五”“八五”規劃中設計研究礦用全斷面巖石掘進機，先后開發出直徑3.5 m 和5.0 m 的礦用全斷面掘進機并在銅川礦務局試驗應用，由于煤礦工程條件復雜，以及設備制造、材料和工藝等方面原因，最高月進尺僅為100 m/月，應用效果不理想，并于20 世紀90 年代停止了礦用全斷面巖巷掘進機的研發。進入21 世紀后，由于地下交通隧道的快速發展和裝備材料及制造能力的快速提升，交通隧道用的硬巖全斷面掘進機又重新引入煤礦斜井和巖巷掘進施工中。目前國內斜井/巖巷采用全斷面掘進機掘進工程40 余個，掘進長度超120 km，月均掘進速度達400 m，最高進尺達到812.6 m/月。

斜井全斷面掘進機施工典型工程[71-72]：神華能源神東補連塔煤礦斜井采用全斷面掘進機掘進長度2 718.2 m，直徑7.62 m；延長石油可可蓋煤礦主副斜井采用全斷面掘進機掘進長度約5 300 m，直徑7.13 m。煤礦巖巷全斷面掘進機施工典型工程[73-76]：晉能塔山煤礦主平峒采用雙護盾全斷面掘進機掘進長度2 911.6 m、直徑4.82 m；神華新疆澇壩灣煤礦副平硐采用復合式全斷面掘進機，掘進長度6 200 m、直徑6.46 m；山東能源新巨龍煤礦巖巷采用全斷面掘進機掘進總長度2 816.5 m，直徑6.33 m；晉能王村煤礦通風巖巷采用三護盾全斷面掘進機（轉彎半徑70 m）掘進長度3 778 m，直徑5.8 m（圖9）；淮南礦業集團顧橋煤礦采用全斷面掘進機掘進長度3 000 m、直徑3.5 m。

圖9 三護盾全斷面掘進機Fig.9 Full face TBM with three shields

目前，我國煤礦井下巖巷全斷面掘進技術與裝備依然處于起步階段。煤礦井下巖巷具有埋深大、轉彎多、上下起伏、左右轉彎、沉積巖地質條件復雜等特點，造成現有的巖巷全面掘進機施工存在掘進效率不高，轉彎調角工序多、距離長，破碎地層或含水地層圍巖支護與掘進速度不匹配、輔助環節多，以及卡機風險高、脫困難度大等難題。因此，我國煤礦井下巖巷全斷面掘機掘進亟需解決地層超前探測、小轉彎半徑、姿態控制、圍巖快速支護、裝備運行狀態智能化監控等關鍵技術，向“探-破-支-運”一體化連續、高效、綠色、智能化掘進方向發展。

7 結 語

1）經過70 余年的創新發展，我國煤礦礦井建設技術與裝備取得突破性進展，保障了重大煤炭資源建設及煤礦正常開采接續建設。在地層凍結、注漿等地質保障技術的支撐下，煤礦千米級深井短段掘砌綜合鑿井技術已經成熟，掘進、提升、懸吊等裝備實現全部自動化控制。井巷掘進技術與裝備的自主創新能力不斷增強，反井鉆機鉆井法鑿井技術與裝備綜合性能指標達到國際領先水平；豎井鉆機鉆井法實現從中東部富水深厚沖積層到西部弱膠結厚基巖地層鉆井的重大突破；豎井掘進機鉆井法鑿井技術與裝備，實現了零的突破；煤礦巖巷機掘法施工的自動化、機械化水平顯著提升。煤礦井巷掘進工作面已實現了無人化作業，以機械破巖為基礎的井巷掘進裝備正融合新一代信息技術、先進制造技術和安全綠色技術等朝著智能化方向迅速發展[77]。

2）以2022 年為例，我國井工煤礦產量約占總產量76%，此外井工煤礦產量是其他非煤固體礦物井工開采總量的1.5 倍左右。為滿足井工煤礦現有產能及提升產能的需求，保證采掘平衡，必然要增加煤礦井巷建設工程量和提高建設速度。然而，煤礦礦井建設面臨地質條件的多變性、井巷結構的特殊性和作業環境的危險性等因素，倒逼煤礦井巷建設技術需要不斷創新發展。同時，礦井建設面臨的工程和環境條件比一般巖土工程、地下工程的建設條件更加復雜、難度更大。所以，礦井建設過程中形成的井巷施工技術裝備和經驗，在水利、交通和市政等地下工程領域也得到了推廣和實踐。未來，深埋交通與引水隧道、綠色能源基礎建設、城市深地空間開發、地下蓄能和國家大科學實驗室等地下工程建設將達到前所未有的水平，建設規模巨大，同時挑戰也巨大。煤礦礦井建設技術也必將繼續跨行業發揮重要作用，共同解決國家重點項目或重大工程建設難題。

3）隨著煤炭開采深度的逐漸增加，礦井建設從淺部走向深部，井巷掘進遇到地質條件更加復雜，現有建井理論、工藝、技術、裝備的適用性、可行性和先進性都將面臨巨大挑戰。例如豎井2 000 m 以深一次鑿全深的開拓方式、深井提升與懸吊技術、高壓高溫地層注漿堵水加固技術、高壓高溫地層圍巖支護技術、高壓濕熱環境下井巷掘進裝備性能等問題亟需攻克[78]。因此，礦井建設由淺部走向深部，面臨深井復雜的地質和環境條件，對礦井建設工藝技術與裝備提出了更高、更嚴格的要求，將圍繞地質保障、裝備性能、協同作業、智能化管理等方面，在深部礦井開拓方式、基于礦-熱共采理念的井巷道一體化設計、全息地質探測及其透明化重構、區域地層改性及關鍵層位改性、智能化高效破巖鉆掘裝備、智能感知的隨掘探測、井巷布置與斷面設計、高溫地層井巷支護與新材料、以連續提升代替間斷的鋼絲繩提升等工藝技術與裝備方面進行持續不斷的攻關研究，構建圍巖、裝備、環境的“感知、傳輸、決策、執行、運維、監管”六維度智能化控制系統，逐步實現深部井巷安全、高效、綠色和智能化建造與全生命周期智能化運維管理。