1　绪论

1.1　研究背景及意义

1.1.1　研究背景

煤炭是我国的主体能源，在一次能源消费结构中约占65％，是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。随着国民经济继续保持平稳较快发展，工业化和城镇化进程加快，对环境保护力度进一步加大，煤炭在一次能源消费结构中，相当长的时期内占比不会低于60％，煤炭作为我国主体能源的地位不会改变。

由于国家煤炭资源开发重点转向西部，且西部地区浅部煤炭资源已基本被开发，待开发的资源大多是中深部煤层，地质条件复杂，开采难度大。为适应国家建设特大型煤炭企业的需要，解决西部深层煤炭开采的技术难题，迫切需要研究开发先进的煤矿建井技术。

根据国家发展和改革委员会发改能源〔2011〕249号文精神，国务院同意将内蒙古新街台格庙矿区开发作为国家重点项目整装配置给神华集团公司勘查开发作为神东矿区的接续矿区。整装配置开发新街台格庙矿区是贯彻落实科学发展观，转变煤炭资源分散配置方式，保护和集约开发煤炭资源的有益尝试，有利于调整和优化煤炭产业结构，保障煤炭的可靠供应。

新街台格庙矿区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，矿区规划总面积为771.0km2，规划总资源量14427.72Mt。按照中国神华新街台格庙矿区总体规划和建设要求，矿区建设将按照设计一流、技术一流、设备一流、管理一流、效益一流、效率一流、规模一流、安全一流和环保一流“九个一流”的要求，以体制创新、制度创新、技术创新、开发模式创新为主导，将矿区打造成“集约高效、智能安全、生态和谐、科学发展”的世界一流矿区。

同时，借鉴国内外大型矿区开发建设先进经验，特别是亿吨级大型煤炭基地神东矿区的建设经验，以高度集中的千万吨矿井群为依托，集中建设利用铁路、供电、供水、洗选加工等矿区基础设施，充分利用现代信息和自动化技术，通过智能化矿山建设，打造技术领先、健康安全、绿色环保、节能减排、优质高效、和谐发展的现代化亿吨级特大型煤炭基地，转变煤炭工业发展方式，引领煤炭工业健康发展。

为实现新街台格庙矿区规划建设目标，在矿区内规划建设南、北两个集中场地，作为全矿区开发的支点，其中，南部集中场地是全矿区生产指挥的核心，集中布置生产能力均为15.0Mt/a缓坡主、副斜井四个，从而实现南部四个矿井的集中管控，共享基础设施。

神东补连塔煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗东南，乌兰木伦河一级阶地的西缘，矿井资源储量592.89Mt。截至2012年底，矿井采矿证范围内剩余资源量为481.03Mt，可采储量为303.03Mt，矿井生产能力2000万吨/年。井田划分5个盘区，2014年矿井开始回采2-2煤四盘区。矿井煤炭采用强力带式输送机运输，辅助运输采用无轨胶轮车运输，补连塔煤矿新建斜井用于辅助运输，为井下运送重型采矿设备及大型材料。新建斜井总长2745m，最大埋深276m。

20世纪90年代后，随着强力带式输送机和矿用防爆无轨胶轮车的应用，长距离缓坡斜井是实现矿井主运连续化，辅助运输无轨胶轮化的关键工程，也是矿区开发建设中的重点工程和难点工程。因此，长距离缓坡斜井的快速安全施工是矿区开发建设面临的重要课题之一。

新街台格庙矿区，白垩系含水层厚度约300m，煤层埋深约650m，缓坡斜井（6°）设计长度达6500m。神东补连塔煤矿新建斜井穿越表土层长度约48m，白垩系志丹群长度约460m，侏罗系安定组、直罗组约1150m，侏罗系延安组约1087m，斜井设计总长2745m。采用钻爆法和冻结法施工工艺，工期长、安全性差、可靠性低，斜井穿过含水层地段，井筒涌水可能导致斜井无法施工，其中采用冻结法施工段工效低、投资过大。盾构法施工技术已广泛应用于交通、水电、市政、国防等工程领域，但是该施工方法在煤炭领域矿井建设中的应用，国内尚无先例，特别是在地质条件复杂、大埋深、大坡度的长距离斜井条件下，盾构装备和施工技术都有待于进行新的研究和试验。

因此，开展“盾构施工煤矿长距离斜井关键技术”研究，研制在大埋深、长距离、富含水、复杂地层中进行盾构施工的斜井成套技术和工艺势在必行。

1.1.2　研究意义

随着科学技术的进步和煤炭生产发展的要求，我国矿井的技术面貌发生了根本性变化，生产集中化、矿井大型化、运输连续化、系统简单化是新建大型、特大型安全高效矿井追求的目标。但随着开采强度的不断加大，我国煤矿开采深度以每年8～12m的速度增加，据统计，我国查明的煤炭保有资源量中，埋深300m以浅的占36.1％，300～600m的占44.6％，600～1000m的占19.3％，目前平均开采深度接近600m。由于煤炭主运输、辅助运输连续化的要求，井筒采用缓坡斜井开发的越来越多，因此，井筒长度也会大幅度增加，同时为保障煤炭开采的可靠性，采、掘工作面设备也朝着重型化及大型化发展，要求煤矿井巷断面净宽和空必须增大，井巷净断面已由原来的约15m2逐渐增大到35m2左右。因此，由于煤矿斜井长度不断增加、井巷断面的不断增大及地质条件的不断复杂化，对煤矿井巷掘进施工装备、施工技术和施工工艺以及施工安全提出了新的挑战。采用盾构法施工煤矿长距离斜井，研究“盾构施工煤矿长距离斜井关键技术”，必将对煤炭开发建设及生产管理产生深远的影响。

1.1.2.1　盾构施工安全条件好

盾构施工煤矿斜井采用机械全断面开挖，现场作业人员少，安全技术水平高，人员及设备均可以在护盾防护下安全地进行推进等相应的工序，采用预制钢筋混凝土管片及时支护，斜井一次成巷；配套相应的安全设备和超前探测设备及监测监控系统，可有效应对软岩地层、含水层、断层破碎带等不良地质条件，抗灾能力强，人员进出工作面时间也短，因此，施工人员和机械设备的安全防护及安全技术条件好，同时安全保障系统的可靠性也得到了极大的提高。

1.1.2.2　盾构施工作业效率高

一般埋藏深度超过400m的煤炭资源采用立井开拓，盾构施工煤矿斜井施工为700m以浅的中深部资源开发提供了一种全新的开发建设模式，使700m左右的中深部资源开发的主运输实现皮带化，辅助运输实现不换装一次到位的无轨胶轮化，从而进一步提高矿井生产管理自动化水平，为矿区采用集约化管理模式创造条件，促进行业进步和产业升级。

1.1.2.3　盾构施工建设工程质量高

传统施工方法一直存在井巷成型差，支护强度到位不及时，后期维护量大，维护成本高等问题。盾构开挖对围岩扰动小，开挖面光滑，衬砌采用预制管片方式，工厂化作业，衬砌质量高，稳定性好，还有利于检测，能显著提高矿井建设工程质量，可以确保建设工程质量的优良。

1.1.2.4　盾构施工更加环保

盾构法施工机械化程度高，劳动强度低，能够有效控制粉尘，极大地改善作业环境；盾构施工中噪声、振动等引起的公害小。斜井施工涌水排放受控，控制地下水位下降和地表沉降，对于生态环境脆弱的西部地区意义尤为重要。另外，盾构施工使得采用长距离缓坡斜井集中开拓布置成为可能，可以共享地面基础设施，大幅减少对地面生态的扰动或破坏。

1.1.2.5　盾构施工速度快

相对于传统施工方法，盾构法施工时开挖、衬砌、装渣、运输等全部工序流水线作业，一般月进度可达400m以上，最高月进度可达600m以上，是传统施工方法的3～5倍，可大幅度提升矿井建设速度，时间效率和效益明显。

综上所述，盾构法施工长距离斜井技术在我国尚属空白，技术难度大、涉及专业领域广，需集中优势力量，立足自主创新和技术研发，研究盾构法建设煤矿长距离斜井成套技术，提出盾构施工煤矿斜井的相关规范和标准，建立盾构施工煤矿斜井双模式转换系统，不仅可以填补国内技术空白，更重要的是具有以下重大意义：一是将会推动煤炭行业建井模式的转变，将创新煤矿斜井建设新模式，对于我国大型煤炭基地开发建设具有典型的示范引领作用；二是将会促使中深部煤炭资源的开发模式和管理方式的转变，为中深部资源开发提供了一种全新的开发建设模式，使中深部资源开发的主运输实现皮带化，辅助运输实现不换装一次到位的无轨胶轮化，从而进一步提高矿井生产管理自动化水平，为矿区采用集约化管理模式创造条件，促进行业进步和产业升级；三是促进煤矿斜井安全优质高效建设的重大技术变革，盾构法建设长距离煤矿斜井在安全、高效、优质、快速、环保等多方面都将呈现出显著的优势，在我国煤炭行业矿井建设方面具有显著的应用潜力和价值，从而为煤矿快速、高效建设提供技术支撑。