井巷工程学科的重要地位与作用

发布时间:2017-10-17

编者按：井巷工程学科在社会经济和矿山及地下工程中的重要地位与作用，在科技发展的意义与地位，发展规律与趋势如何，中国矿业大学副校长周国庆教授，博士生导师有如下论述。

• 井巷工程

 “井巷工程”，英文译为“Shafting andDrifting Engineering”或“Sinking and Driving Engineering”，也有译作“Openings andDevelopment Engineering”等。

“井巷工程”系指为采矿、运输、水利、军事防护等目的(如铁道隧道工程、水工工程、地下存储工程、军事防护工程等)，在地下开掘的井筒、巷道和硐室等工程的总称。

在煤炭行业中，井巷工程主要包括矿山建设工程、开拓工程、延深工程和辅助工程等。矿山建设工程是指为了将煤炭从地下采出，从地表开始开凿直至煤层的一系列井筒、巷道与硐室工程；开拓工程是指矿井生产过程中，为保证采煤工作面与采区的正常接续所开凿的水平或倾斜巷道、硐室等工程；延伸工程是指为保证开采水平的接续所进行的井筒延深和新水平的巷道开拓工程；辅助工程则指为了保证采矿活动的安全，开凿的一系列运输、排水、通风及行人巷道、硐室等工程。

  井巷工程的任务是通过破岩开挖，穿过和进入岩土体中，在地下构筑所需的空间结构，并保持其稳定性。井巷工程的破岩开挖和维持空间稳定，首先涉及到井筒、巷道、硐室的地压、水压等外荷载以及岩土介质自身的物理与力学性质；同时，井巷围岩稳定需要采用多种人工支护手段，其不仅涉及到支护结构体系、支护材料的特性，而且涉及到围岩介质与支护结构之间的相互作用规律。安全、有效进行地下空间开挖并维护围岩稳定是井巷工程研究的核心问题。

井巷工程的基本特点是工程所处自然条件恶劣，地质条件复杂；施工空间狭小、施工工艺复杂；施工周期长、工序短且转换频繁。因此，井巷工程施工难度大、安全隐患多。

• 井巷工程在社会经济与矿业发展中的地位与作用

  井巷工程是地下资源开发、矿产开采、地下空间利用的前提，是基础工程，在国家社会经济发展中具有重要的地位和特殊的作用。

一般地，井筒是矿井和地下空间与地面联接的唯一出口，巷道则是地下运输、通风、排水、救援等的主要通道。因此，井巷工程的形式和结构与矿井井型、采矿方式、矿物产量以及地下空间体量、形态等特征密切相关；井巷工程空间开凿和围岩稳定涉及到采矿工程、地下空间的安全。

一方面，在矿山建设的三大工程（井巷工程、土建工程和机电安装工程）中，井巷工程量占总工程量的50%~70%，甚至更多，因此井巷工程是决定矿山建设工程质量和工期的关键因素。另一方面，井巷工程与采矿生产紧密相连，是煤炭生产过程中最基本、最主要的坏节。在我国井巷工程设计与施工中，一直贯彻“以掘保采，以采促掘，采掘并举，掘进先行”的方针。因此，煤炭工业的发展依赖于井巷工程学科的发展和进步。

• 井巷工程学科在科技发展中的意义与地位

井巷工程是一门研究地层中井筒、巷道、硐室设计和施工基本理论、方法和技术的科学。

1998年，国家对学科专业目录进行调整，矿山建设工程并入了土木工程一级学科，其中一部分并入岩土工程（主要是井巷工程），一部分并入结构工程（主要是土建工程）。井巷工程与土木工程中的六个二级学科（岩土工程，结构工程，桥梁与隧道工程，防灾减灾与防护工程，市政工程，以及供热、供燃气、通风与空调工程）都有密切联系，在土木工程学科中占有相当重要的地位。

井巷工程学科以岩土介质为对象，以力学基本理论为基础，研究开凿破岩与围岩稳定的理论与技术；同时，又以管理科学基本理论为基础，研究井巷工程施工管理的理论和技术；此外，它还与工程地质、水文地质、构造地质、机械工程、材料科学、信息科学等多学科相联系与交叉，研究井巷工程设计与施工的安全、自动化和信息化等问题。因此，井巷工程是一门多学科交叉，综合性、技术性和实践性很强的科学。

煤炭工业中井巷工程的概念、理论、方法和技术可以用于非煤矿山行业以及地下工程领域，如冶金矿山井巷工程、铁路与公路隧道工程、地铁站线工程、地下厂房工程、涵洞工程、地下存储工程（废料、天然气、石油、水资源等）以及军事防护工程的建设。

井巷工程学科的进步不仅与相关学科的发展息息相关，而且井巷工程所面临的更复杂的质环境、更困难工程条件、更严格工程要求等均为相关学科科学技术的发展提供了平台和动力。在国际日益白热化“三深”（深空、深海、深地）科技竞争中，相对而言“深地”的研究更为薄弱和困难，而井巷工程学科则对我国“深地”科学研究赋有不可推卸的重大使命。因此，井巷工程学科不仅对相关学科建设具有重要的意义，而且在国家科技发展中处于特殊的地位。

• 井巷工程学科发展规律与趋势

井巷工程学科发展的动力来自于国家对深部地下开发的重大需求，始终服务于国家能源安全战略与重大地下工程建设。井巷工程学科需要适应矿山工程和地下工程深度和规模的不断加大，环境和条件的日益恶化以及工程要求的不断提升的需求。井巷工程学科水平的提升不仅源自学科本身的进步，而且必将得益于和有益于相关学科的发展。

（1）工程规模不断加大

随着国民经济建设和社会发展，井巷工程所面临的工程规模不断加大。立井井筒深度更大，千米深井，甚至2000~3000m的深井建设是未来5~10年井巷工程科学研究与建设的主要对象；井筒断面从6m增加到10m，净直径10m以上的立井井筒越来越成为施工主体；井下巷道更长，断面更大，巷道之间的空间关系更复杂；井下硐室体量越来越大，单一硐室的开掘和支护理论和技术已基本成熟，但硐室群的结构体系更加复杂，其整体设计、施工、稳定将成为新的课题。

（2）环境条件更为复杂

随地下深度和工程规模的不断加大，井巷工程所面临的地质、水文地质等环境条件更为复杂。井巷工程的地压更大、水压更大、岩性更加软弱与复杂。

特别需要指出的是，我国西部矿区井巷工程所穿越或进入的巨厚白垩系、侏罗系地层普遍呈现出的高角度X型共轭剪切节理（裂隙、裂缝）发育，围岩岩石原始软化、暴露风化、浸水泥化、振动松化等特点，说明该地区井巷工程围岩赋有前所未有的特殊性质，是我国西部矿山安全建设和地下空间开发的核心和基本难题。

（3）科学研究更加深入

井巷工程学科将在随对自然认知更为科学的基础上不断创新与发展。

井巷工程学科将从主要考虑围岩的宏观力学行为，向宏观、中观、细观以及微观等多尺度协同，固、液、气多介质，水分、温度、力学、化学多场耦合等方向发展，以揭示岩石、土、冻土，甚至含中观结构围岩介质的本质特性。

随井巷工程支护方法由单一支护向多层复合支护，锚、喷、网、注、型钢联合支护体系方向发展。学科将更加注重支护体系与围岩的相互作用，更加注重利用围岩的自身承载能力维护地下空间。

更大吨位的三轴试验系统、大型物理模型试验系统等试验装置，CT、扫描电镜等先进的试验测试技术，离散元、边界元、无网格方法等不断发展的数值分析技术，大数据、云计算等新的信息分析技术等将促使井巷工程的科学研究手段不断进步，学术水平不断提升。

（4）学科交叉越加强烈

传感与检测技术、液压与控制技术、自动化与智能化技术、信息与计算机技术，以及力学、采矿工程、安全工程、地质工程、材料科学、管理科学等相关学科、领域的新理论、新方法、新技术与井巷工程的交叉、融合更为强烈，由此将带来一系列的革命性变化。

井巷工程支护结构体系更明晰、支护设计厚度更合理；吊盘、抓岩机、伞钻、模板等施工装备将实现全液压化和集成控制；适应不同岩性的钻凿机具使得凿岩开挖等更为高效；全液压巷道钻-凿台车、全自动锚杆支护台车将是巷道施工新技术的升级版；提升系统集群控制及井筒悬吊装备安全保障技术、井下重大装备和支护实时无线监测技术、井巷工程施工全过程的实时监控技术等将大大提升井巷工程施工安全性；工作面温度、湿度等环境控制技术将极大改善施工人员的舒适度。井巷工程施工将更为简洁、高效、安全。

（5）工程设计更为科学

未来对井巷工程设计要求将更科学和更精细。井壁、冻结壁、巷道、硐室支护设计的分析方法将从经验方法、工程类比向科学计算、数值仿真、模拟再现方向发展。随机场理论、可靠性分析方法、工程服役性能评价等新理论和新方法将逐步渗入到井巷工程设计中。传统的“设计定终生”将向施工过程中自动监测、实时分析、信息反馈、优化设计、动态调整的方向发展。

（6）工程施工更为高效

适应极硬、极软、冻岩、冻土等不同岩性的5m及以上超深孔控制爆破，超大体积混凝土浇筑与养护技术，深井大段高高压预注浆技术等新技术不断发展与完善；井巷工程施工装备将由机械化、半机械化向及集约化、自动化、信息化、智能化方向发展；施工组织由单一工种、单个机械作业向多工种联合作业、多种机械协同工作方向发展。井巷工程将更加安全可靠，不断实现减员增效。