“烏金三角”深井術創(chuàng)兩項世界紀錄

“凍結法應用于石拉烏素煤礦和營盤壕煤礦的6個深大井筒,創(chuàng)造了凍結孔固管充填高度300米的世界紀錄和凍結基巖井筒度849.5米的世界紀錄,示范工程總計節(jié)約工程造價約1.1億元,獲2018年度中煤協(xié)會科技進步一等獎。”日前,在兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化公司營盤壕礦700多米的寬敞明亮的大巷里,兗礦集團總工程師孟祥軍介紹說。

我國煤炭資源在地理分布上呈現(xiàn)著“北富南貧”的總格局,且主要集中分布在山西、內蒙古、陜西、新疆、貴州、寧夏等6省(自治區(qū)),其中晉、蒙、陜煤炭資源尤其豐富,被譽為“烏金三角”,有約3.58萬億噸的煤炭資源深埋在“烏金三角”深厚富水軟巖之下。

2002年以來,我國煤炭開發(fā)的重點向西部和深部轉移。“然而,在西部地區(qū)深大井筒建設過程中,很普遍地遇到孔隙、裂隙復合含水軟巖等復雜巖層條件,注漿法堵水屢遭失敗,井點抽水法降水也鮮能成功,前期有近20個井筒用普通法鑿井失敗,造成重大損失。”孟祥軍說,“慘痛的教訓證明,在西部地區(qū)復雜巖層中必須采用凍結法開鑿深大井筒!”

2010年底,兗礦集團正式進軍“烏金三角”,相繼開發(fā)建設金雞灘、轉龍灣、石拉烏素、營盤壕等千萬噸級礦井。“到了這里后,我們了解到傳統(tǒng)的‘普通法加注漿法’不適應這里的深富水軟巖地質條件。”孟祥軍解說,“2010年1月,我們正式立項深厚富水軟巖大直徑立井及毗鄰硐室凍結法開鑿關鍵技術,在石拉烏素礦開展技術攻關,就是要攻克巖層凍結孔固管封水、巖層凍結壁設計、內層井壁防裂、井筒與硐室整體凍結和砌筑四項關鍵技術。”

在鄂爾多斯能化公司,副總工程師周霖詳細介紹了深厚富水軟巖大直徑立井及毗鄰硐室凍結法開鑿關鍵技術:“四項關鍵技術攻關中,巖層凍結孔固管封水技術,掌握了漿液流動、混合及性能劣化規(guī)律,發(fā)明了長時穩(wěn)定、耐凍融的高性能緩凝水泥漿液,研發(fā)了以“孔徑—管徑相匹配,隔離液+壓漿參數(shù)精準控制”為核心的施工工藝；巖層凍結壁設計中,首次建立考慮孔隙水作用和不均勻地應力場的巖層凍結壁設計理論；在內層井壁防裂技術中,發(fā)現(xiàn)內壁開裂漏水的新機理,研發(fā)成功內壁防裂新技術；在井筒與毗鄰硐室整體凍結和砌筑技術中,提出了井筒與硐室整體連續(xù)砌筑工藝,首次實現(xiàn)井筒與箕斗裝載硐室凍結法聯(lián)合開鑿,實現(xiàn)了含水巖層中硐室快速、優(yōu)質施工。

“采用這些關鍵技術,石拉烏素礦主井2013年2月1日動工,當年到底,井筒深748米,全身凍結760米,外壁從650公分減少到400公分。”周霖說,“井筒瘦身,封水效果好,干井基本看不到水。僅石拉烏素三個井筒,就節(jié)省4000多萬元。”

隨后,這些成熟的凍結技術又移植到營盤壕礦,同樣是當年開工當年到底,六個井筒共節(jié)省投資1億多元。憑這項關鍵技術,兗礦集團在烏金三角打出了名聲,也樹立了威望。“只要是兗礦的,他們都愿意合作。”

“我國煤炭開發(fā)格局正由‘中東部為主、區(qū)域性保障’轉為‘中西部為主、向晉陜內蒙集中’發(fā)展。”在中國科學研究總院近期舉辦的“煤炭革命的戰(zhàn)略與方向”成果發(fā)布會上,中國煤炭工業(yè)協(xié)會副秘書長張宏介紹。他說,隨著東部老礦區(qū)資源枯竭,大部分衰老煤礦逐漸退出,西南地區(qū)資源賦存條件較差,煤礦安全生產壓力大,全國煤炭生產越來越向晉陜內蒙古地區(qū)集中。

“在復雜巖層地區(qū)深大井筒建井技術是一個具有挑戰(zhàn)性的難題,建井技術問題不解決,深厚富水軟巖地層下的煤田開發(fā)就無法實現(xiàn),它決定著建井工程的成敗,也關系著巨大的經濟效益。”孟祥軍說,“項目取得直接經濟效益超億元,使我國凍結法鑿井技術水平跨上一個新臺階,進入世界領先水平行列,為井工開采我國深厚富水軟巖下的礦物資源創(chuàng)造了條件。”