在矿床开采之前,先进行开采工程设计,按照生产规模、开采工艺和技术等要求,确定矿山合理、经济的开拓方式,依据开拓方式进行井巷布置。矿山井巷包括各种井筒工程(如竖井、斜井、斜坡道等)、平巷及硐室工程。硐室用于安装机电设备(如水泵房、变电所、破碎站、装矿硐室等),进行设备维修(如无轨设备维修硐室等),作为工作场所(如值班室、调度室、等候室等)和存储空间(如水仓、消防材料库、炸药库等),硐室断面尺寸一般较大,有些还须设起重设施用于设备安装和检修维护。井巷掘进破岩主要采用凿岩爆破法。随着材料和制造技术发展,机械破岩设备价格和施工成本的下降,井巷掘进中使用机械破岩的比例在逐渐加大。20世纪50年代后,中国井巷掘进技术得到迅速发展,施工机械化程度不断提高,井巷施工速度逐步加快。
金属矿山或煤矿矿井的建设,包括井巷、土建和机电设备安装。其中,井巷工程因受井下同时掘进工作面数量、工程地质和水文地质条件的限制,是影响矿井建设总工期的主要方面。井巷工程量依据矿体的埋藏深度和赋存条件、矿井生产规模、开拓方式、开采方法等的不同而变化。提高矿井施工速度,抓住建井连锁工程,做好三类工程的综合平衡,是保证矿井早日投产的关键。随着开采技术和装备水平的发展,地下采矿在向地层深部、大规模持续发展,开采的地质条件日趋复杂,高应力、高地温、高水压、破碎和软岩体等问题使施工难度日益增大;采用有效、经济、快速和安全的方法,破碎岩体和开凿井巷并维持井巷工程断面外的围岩稳定性,是井巷工程需要研究和解决的重大技术问题。
在地层中挖掘竖井的作业活动即为凿井。竖井井筒是矿井的咽喉工程,截至2016年,中国金属矿山已建成竖井深度超过1500米,南非竖井深度已达到2991米。采用竖井开拓的矿山,竖井工程量约占井巷工程总量的5%~10%,而竖井工期却占矿山建设总工期的30%~55%。平巷、斜巷工程量一般占井巷工程总量的90%左右,其中平巷工程量约占井巷工程总量的70%,应选择合理的施工方案,组织快速掘进,以缩短建设工期。竖井井筒施工,根据其工程地质条件和水文地质条件不同,采用普通凿井法或特殊凿井法。前者用于稳定、含水量较小的地层;后者用于不稳定的含水地层和含水量大的稳定岩层。
进入21世纪以来,中国的凿井技术得到快速发展,主要有以下特点:①使用大型凿井井架(ⅣG型、Ⅴ型和Ⅵ型),配置两套甚至三套提升系统及5~8立方米大容积吊桶。多套提升系统保证有足够的提升能力,缩短了出渣时间;大型凿井井架可以满足伞钻进出、座钩式卸渣台装置和废石溜槽的布置要求及使用大容积吊桶。②使用5~40吨系列绞车,悬吊多层吊盘、吊泵、模板、抓岩机、安全梯及管缆等。绞车实行集中控制。③使用大型伞钻凿岩,采用中深孔光面爆破技术。扇形钻架配液压凿岩机或气动凿岩机可钻凿直径42~55毫米、深度3.2~5.0米的炮眼,凿岩效率高,一次爆破深度大;高威力炸药和高精度雷管的使用,为中深孔光面爆破技术提供了保证。④使用抓斗容积0.4立方米、0.6立方米、1.0立方米的大型抓岩机,抓岩能力大,节省了出渣工作时间。⑤使用MJY型系列整体式金属模板。⑥对井下涌水采取排、堵结合的综合治理措施。⑦辅助设施配套,缩短辅助作业时间。⑧装备全面的监视系统,使凿井作业可视化并可远程实时查看,保障了作业安全和工效。
根据井筒围岩稳定程度、井筒直径、井筒深度、涌水量大小、施工设备条件等因素,选取作业方式:①长段单行作业。②长段平行作业。③短段单行作业。④掘、砌、安一次成井等。单行作业所需掘砌设备较少,组织管理较简单,适用性较广;平行作业设备较多,组织管理较复杂,但成井速度较快。
绝大多数井筒在施工中都会遇到含水层,当基岩涌水量小于30米3/小时,一般不需治水,可加强排水、强行掘砌通过后再进行壁后注浆堵水;涌水量大于30米3/小时且埋深大时,需采用工作面预注浆进行治水。井筒掘砌到底后,若井内涌水量超过规定,须对出水部位进行壁后注浆堵水。为了加快施工进度,保证井壁浇筑混凝土的质量,遇到含水层时应先治水,实现打干井。
根据临时加固井筒围岩或隔绝井筒涌水方式和破岩特点,特殊凿井方法分为降低水位法、板桩法、冻结凿井法、注浆凿井法、矿山钻井法、沉井法、混凝土帷幕法等。特殊凿井法的选择,取决于井筒所穿过的含水层深度、涌水量大小、土层或岩层赋存状况及物理力学性质、施工设备的技术条件等,有时也可用两种特殊凿井法配合施工。除钻井法外,其他特殊凿井法以加固围岩、治水、护壁为目的,还需采用普通凿井法的工艺、设备配合完成井筒施工。
广泛采用一次成巷法,即将掘进、永久支护和水沟掘砌在一定距离内(50~100米)顺序完成。有条件时还应铺设永久轨道、安装永久管线。对于含水量大、破碎的不稳定围岩,需预注浆治水、加固或进行超前临时支护,之后再进行开挖。
井巷掘进通常采用凿岩爆破法施工,其工序包括凿岩(钻眼)、装药爆破、通风、装岩、转载运输、提升等。
井巷开挖后,如围岩不稳定,须进行支护。根据围岩稳定程度、涌水量、断面形状和大小、服务年限等因素,选择喷射混凝土、锚杆、锚杆金属网、喷锚网、锚索、浇筑混凝土或钢筋浇筑混凝土、支架等支护形式。
20世纪50年代后,中国井巷掘进技术得到迅速发展,施工机械化程度不断提高,井巷施工速度逐步加快。1973年竖井最高月成井174.82米,1974年斜井最高月成井705.3米,1977年岩巷最高月成巷1403.6米。