趙固一礦西風井鑿井現場（井下）。高春勇攝
近日，由中國煤炭工業(yè)協會和中國煤炭學會聯合頒發(fā)的2016年度“中國煤炭工業(yè)科學技術獎”揭曉，中國建材總院報送的“深厚沖積層凍結法鑿井高強高性能混凝土關鍵技術”在層層選拔中脫穎而出，獲得一等獎。
“這個技術是國內外都沒有解決了的，制約凍結法鑿井向大于600米深厚沖積層縱深發(fā)展的重大技術難題，位居國際領先水平?！敝袊禾靠乒ぜ瘓F有限公司天地科技建井研究院副院長、研究員李功洲說。
我國能源安全的有力保障
煤炭是不可再生的一次能源，在可預見的未來，煤炭仍將在能源供給結構中占據重要地位?！霸谙喈旈L的一段時間內，我國的能源格局仍將依靠煤炭等化石能源和核能供給?！敝袊こ淘涸菏繌堄褡吭诮邮苡浾卟稍L時表示。
經過幾十年的開采，我國淺層煤資源越來越少，但深部煤炭資源仍有較為豐富的儲藏，開采深層煤炭資源，對保障我國能源安全意義深遠。
然而，隨著煤炭資源向深部開發(fā)，煤炭建井的趨勢是井筒向縱深發(fā)展，沖積層越來越厚，井型越來越大。以我國東部地區(qū)煤田為例，數百億噸優(yōu)質煤炭資源被深厚沖積層所覆蓋。穿過600米 ～800米 深厚沖積層、開鑿深達1000米以上的井筒和施工建設技術，成為我國開發(fā)深部煤炭資源的關鍵所在。
“以往，我們用‘凍結法鑿井’進行深厚沖積層的煤炭開采，但沖積層厚度達到700米以上時，現有的混凝土并不能滿足高地壓、高凍結壓力對井壁高承載能力的要求，所以我們只能擴大井壁厚度，將原本2到2.5米的井壁最大厚度不得不擴大到3米、4米甚至5米，造成一系列問題?！崩罟χ拚f。
混凝土強度等級是指混凝土的抗壓強度，數字越大，其等級和抗壓強度就越高。凍結法鑿井是深厚沖積層首選和最為主要的鑿井方法，但由于現有凍結法鑿井井壁高強技術不足，混凝土強度等級只有不到C80，對于更深厚沖積層凍結法鑿井井壁設計只能增加井壁厚度。
事實上，井壁厚度過厚，不但容易造成掘進荒徑大、凍結壁厚度大、需冷量大等嚴重問題，而且太厚的短段掘砌懸吊井壁存在著難以施工、容易拉裂、不安全的問題，凍掘矛盾突出，工程造價劇增，甚至無法實施。同時，現有監(jiān)測技術難以實現深井及時安全長期對井壁及壁間溫度檢測，難以科學指導施工。
“能否減小井壁厚度成為凍結鑿井成敗的關鍵，影響著凍結法鑿井技術的推廣應用，制約更深厚沖積層所覆蓋煤炭資源的開發(fā)。”李功洲說。
打開“凍結法鑿井”通向縱深的大門
要想減小井壁厚度，提高混凝土強度等級，達到“節(jié)能、節(jié)材、節(jié)約成本、節(jié)省工期”的目標絕非易事。特別是在“凍結法鑿井井壁高強高性能混凝土”的相關設計和應用技術在國內外都沒有解決、沒有成功范例的情況下，一切研究都是摸索。
為此，中國建材總院聯合煤礦建設、科研、施工、設計等多家單位，在“十二五”國家科技支撐計劃 （2011BAE27B03）的支持下，組織開展技術攻關“深厚沖積層凍結千米深井高性能混凝土研究和應用”，目的就是要研究解決適用于煤礦凍結鑿井井筒C80～C120高強度高性能混凝土材料、設計方法及施工工藝，具有重要的理論和現實意義。
“我們將高強高性能混凝土和煤礦建井技術結合，使凍結法鑿井用混凝土強度提高到了C100，解決了千米深井井壁應用C80 ～ C100 高強高性能混凝土設計和施工應用難題，實現了國內外首次利用C100混凝土設計和施工煤礦凍結法鑿井井壁?！痹擁椖康谝煌瓿扇恕⒅袊ú目傇涸洪L姚燕說。
姚燕介紹，項目團隊經過多年的攻關，取得了多項創(chuàng)新：一是發(fā)明了調黏型聚羧酸減水劑，研制了含有偏高嶺土的復合礦物摻合料，為實現井壁高強高性能混凝土良好的施工性能、低溫早強、低收縮抗裂、高耐久性及強度長期持續(xù)發(fā)展等綜合特殊性能提供專用材料；二是開發(fā)了適用于深厚沖積層凍結段井壁應用的C80~C120混凝土制備成套技術，實現了外層井壁的低水化熱低溫早強性能、內層井壁低水化熱抗裂密實性能，開發(fā)出機制砂C80~C100混凝土制備技術，解決了機制砂配制高強高性能混凝土質量穩(wěn)定性控制的難題；三是首次提出深厚沖積層凍結井壁結構設計應用大于C80混凝土軸心抗壓強度設計值的取值方法，解決了大于C80混凝土在凍結井壁結構中應用的設計理論，提出基于C80~C120混凝土的深厚沖積層凍結設計、凍結孔布置與凍結工藝優(yōu)化組合方式，首次實現C100高強高性能混凝土在深厚沖積層凍結法鑿井工程中的設計應用，井壁厚度減薄23%以上；四是首次開發(fā)了井下便攜式一總線溫度檢測系統(tǒng)、外層和內層井壁無線測溫系統(tǒng)，揭示了深厚沖積層凍結井筒“兩壁”溫度場的耦合作用規(guī)律，形成“兩壁”溫度場有效調控技術，提出深凍結井井壁壁間注漿最佳時間，配套解決了高強高性能混凝土在深厚沖積層凍結段現場實施關鍵技術。
不負眾望 終獲碩果
據了解，此項成果不僅獲得了“中國煤炭工業(yè)科學技術獎一等獎”，還同時形成了6項發(fā)明專利、1項實用新型專利，項目團隊發(fā)表相關學術論文36篇，制定了1項國家標準。
“經過實驗室模擬試驗及實際工程應用表明，中國建材總院研發(fā)的‘深厚沖積層凍結法鑿井高強高性能混凝土關鍵技術’，完全能滿足千米深井深厚表土層凍結法鑿井現澆鋼筋混凝土井筒施工的要求?！敝袊ú目傇航淌诩壐吖じ叽河卤硎?，項目的應用，不僅節(jié)約了材料，降低了經濟成本，提高了混凝土強度等級，而且減薄了內外層井壁和凍結壁厚度，節(jié)省掘砌和凍結工程費用，減少投資、節(jié)省工期，創(chuàng)造了良好的經濟效益和社會效益。
目前，項目研究成果已在趙固一礦工程得到全面應用，并將在即將開工建設的趙固二礦中部風井凍結工程得到全面推廣。凍結設計、凍結過程調控技術、監(jiān)測技術等關鍵技術，已在紅二主副風井、平煤六礦北二回風井、常家梁主副風井等工程中獲得較好的推廣應用效果。
在已完成的趙固一礦西風井示范工程——凍結井筒C80~C100混凝土的施工中，應用C100混凝土比原設計最大減薄井壁23.8%，節(jié)約凍結鉆孔量25%和凍結需冷量25.5%，從而節(jié)省了5030萬元的建設資金。
而即將建設的趙固二礦中部風井，如設計應用C80~C100混凝土進行井壁結構設計，則可達到井壁厚度減薄32.4%的效果；如應用于趙固二礦中部風井800米以上深厚沖積層凍結井壁設計，則可降低工程造價30%以上，單一井筒可節(jié)約資金約1億元。
“該研究成果不僅解決了大于700 米深沖積層凍結法鑿井的重大技術難題，實現了顯著的社會和經濟效益，而且為實現千米深井的安全、優(yōu)質、經濟、快速建設提供了技術保障，對保障我國能源安全、提升我國煤炭深井建設水平、開發(fā)更深沖積層所覆蓋的煤炭資源具有重要的現實意義?！币ρ嗾f。
