千米深大立井建設(shè)的難點(diǎn)如何突破？

科研人員現(xiàn)場安裝混凝土應(yīng)變計(jì)

中國礦業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)以服務(wù)深部資源開采為出發(fā)點(diǎn)，解決了超大直徑深立井建設(shè)的重大技術(shù)難題，研發(fā)了深立井凍結(jié)法鑿井的關(guān)鍵技術(shù)與成套裝備，建成了荒徑15.5米、井深1346.1米的深大立井井筒

2012年，印度庫斯坦鋅業(yè)公司茲魯?shù)V深達(dá)1006米井筒開工建設(shè)在即，經(jīng)過對比多家投標(biāo)機(jī)構(gòu)，最終選用了中國方案。“一個重要原因是我們研發(fā)的超大直徑深立井建井災(zāi)害防控關(guān)鍵技術(shù)和裝備已居世界領(lǐng)先水平。”中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任王衍森說。

中國礦業(yè)大學(xué)教授周國慶、楊維好帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)長期致力于特殊鑿井技術(shù)研究工作，創(chuàng)造了深厚表土及軟弱富水巖層凍結(jié)鑿井技術(shù)領(lǐng)域的多項(xiàng)國內(nèi)與世界紀(jì)錄，率先突破了超大直徑深立井建井關(guān)鍵技術(shù)、裝備與工藝瓶頸，創(chuàng)造了我國立井井筒建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的升級版，研發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的安全高效建井技術(shù)。

建成“巨無霸”井筒

隨著我國淺部煤炭資源的不斷減少，煤炭開采正以每10年100米到200米的深度向地下延伸。千米地下，地層壓力與水壓增大、巖土性質(zhì)相對弱化，井筒支護(hù)難度越來越大；而地溫與瓦斯?jié)舛壬?、通風(fēng)阻力增大、煤炭與大型裝備提升運(yùn)輸又要求井筒斷面必須擴(kuò)大。穿過深厚軟弱土層、富水巖層等復(fù)雜地層建設(shè)超大直徑深立井勢在必行，但困難重重。

在國家科技支撐計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和江蘇省優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目等支持下，依托深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，自2004年起，中國礦業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)以服務(wù)深部資源開采為出發(fā)點(diǎn)，瞄準(zhǔn)行業(yè)發(fā)展需求持續(xù)攻關(guān)，解決了超大直徑深立井建設(shè)的重大技術(shù)難題，研發(fā)了深立井凍結(jié)法鑿井的關(guān)鍵技術(shù)與成套裝備，連續(xù)創(chuàng)造了凍結(jié)土層深度（675.6米）世界紀(jì)錄和凍結(jié)巖層深度（910米）的優(yōu)異成績，建成了荒徑15.5米、井深1346.1米的深大立井井筒，掃除了深部固體資源開發(fā)的鑿井技術(shù)障礙，其研究成果獲得了國家科技進(jìn)步獎二等獎。

突破凍結(jié)壁設(shè)計(jì)技術(shù)瓶頸

凍結(jié)壁是井筒掘砌施工的安全屏障。深厚表土中鑿井多采用凍結(jié)法，凍結(jié)表土的厚度是凍結(jié)法鑿井技術(shù)水平的重要標(biāo)志。以前，國內(nèi)外普遍依靠數(shù)值計(jì)算或工程經(jīng)驗(yàn)計(jì)算凍結(jié)壁厚度，但往往嚴(yán)重偏離實(shí)際。“例如，500米深度的土層中，凍結(jié)壁計(jì)算厚度甚至超過25米，極不合理，沒辦法使用。”深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張馳博士說。

中國礦業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)以建立新的計(jì)算方法為目標(biāo)開展研究，創(chuàng)新了凍結(jié)壁設(shè)計(jì)的新理論和新方法，成果應(yīng)用于土層厚度達(dá)675.6米的新汶礦業(yè)集團(tuán)龍固煤礦北風(fēng)井。“凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度為11.5米，比經(jīng)驗(yàn)外推值大幅減薄23%，凍土體積減少了34%。”該礦副總工程師李志深說。

2002年以來，我國北方地區(qū)近10個在建井筒發(fā)生巖層凍結(jié)壁涌水甚至淹井事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。“我們發(fā)現(xiàn)，孔、裂隙含水巖層的導(dǎo)熱和導(dǎo)水性能與土層的有很大差異，這將嚴(yán)重影響凍結(jié)壁的形成與發(fā)展。”楊維好介紹，他們建立了巖層凍結(jié)壁的水熱力三場耦合模型，掌握了孔、裂隙開度及滲流速度對凍結(jié)壁發(fā)展的影響規(guī)律，揭示了巖層凍結(jié)壁不交圈而誘發(fā)淹井的機(jī)理，進(jìn)而成功研發(fā)了地下水高速滲流條件下的巖層凍結(jié)技術(shù)與工藝，解決了高家堡煤礦、新莊煤礦深立井裂隙巖層安全高效凍結(jié)難題，大幅拓展了凍結(jié)法的適用范圍。

破解井壁脆性破壞難題

深大立井的建設(shè)，要確保井筒的長期安全與適用，就必須避免作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的井壁發(fā)生脆性破壞、開裂滲漏。

通過大型相似模型試驗(yàn)，中國礦業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，井壁混凝土強(qiáng)度越高，其瞬間粉碎性破壞傾向越突出。經(jīng)過深入理論分析和大量室內(nèi)與現(xiàn)場試驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)提出了基于摻加鋼纖維增強(qiáng)混凝土韌性的理念，開展了鋼纖維高強(qiáng)鋼筋混凝土復(fù)合井壁技術(shù)的研究。

井壁高性能鋼纖維混凝土的研制中，原材料至關(guān)重要。“我們這個研究直接服務(wù)于龍固煤礦北風(fēng)井建設(shè)，而工地周邊沒有合適的粗骨料，一度面臨停工的危險(xiǎn)。”張弛說。為此，團(tuán)隊(duì)成員驅(qū)車跋涉近千公里，連續(xù)多日深入山區(qū)實(shí)地考察，大量取樣、檢測，最終解決了粗骨料選材問題。

在開展模擬試驗(yàn)時，有一次井壁突然粉碎性爆裂，混凝土碎塊形成的高速射流，豎直向上瞬間擊中10余米高的實(shí)驗(yàn)室天花板，發(fā)出劇響，但大家依然臨近井壁，仔細(xì)觀察分析并記錄了寶貴數(shù)據(jù)。最終，該團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出適用于凍結(jié)井的CF60~CF90鋼纖維高性能鋼筋砼復(fù)合井壁技術(shù)，建立了相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論與方法。

該團(tuán)隊(duì)還成功揭示出大厚度內(nèi)層混凝土井壁開裂漏水的新機(jī)理，基于補(bǔ)償收縮混凝土、纖維混凝土和控溫技術(shù)，研發(fā)了凍結(jié)井壁防裂新技術(shù)，攻克了內(nèi)壁嚴(yán)重開裂漏水的技術(shù)難題。

研發(fā)深大立井掘砌新裝備

深大立井的建成，歸根到底還需要鑿井裝備與施工組織來實(shí)現(xiàn)。鑿井裝備涉及提升、懸吊、穩(wěn)控、鑿巖、出矸、壓風(fēng)、輔助等7大系統(tǒng)。

“井下的裝備配套非常復(fù)雜，而且傳統(tǒng)的一些裝備只適用于凈直徑8米以下的井筒。超大斷面的深立井井筒施工必須采用新型裝備。”深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授梁恒昌介紹。

面對這一難題，中國礦業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合相關(guān)企業(yè)，從攻克鑿井裝備復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的動力穩(wěn)定及系統(tǒng)配套入手，成功研制出適用于15.5米超大直徑井筒的系列新型鑿井井架，以及配套的吊盤、傘鉆等系列大型裝備，解決了傳統(tǒng)鑿井裝備安全性弱、效率低、配套難的技術(shù)難題。

此外，中國礦業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)還揭示了立井建設(shè)技術(shù)、裝備和組織管理間相互作用關(guān)系，基于安全、效率模型，構(gòu)建了三者集成體系的四種模式，創(chuàng)立了超大直徑深立井建設(shè)管控技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了超大直徑深立井施工的標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化、專業(yè)化和模式化。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2008年至2013年間，上述成果已應(yīng)用于56個立井，占同期同類井筒的3/4以上，形成近2.5億噸產(chǎn)能，新增產(chǎn)值226億元。2017年，該項(xiàng)成果推廣應(yīng)用于深達(dá)1521米的山東省新城金礦主井井筒建設(shè)。

此外，該項(xiàng)成果也在印度、土耳其、越南等國外礦井建設(shè)市場競爭中得到認(rèn)可，提升了我國建井技術(shù)的核心競爭力與國際影響力。