凍結法施工冷凍機房
中國建筑材料科學研究總院與煤炭科學研究總院、北京煤科聯(lián)應用技術研究所和焦作煤業(yè)（集團）有限公司等合作，通過國家“十二五”科技攻關項目，經過課題組3年的攻關，將高強高性能混凝土和煤礦建井技術完美結合，凍結法鑿井用混凝土提高到了C100，解決了千米深井井壁應用C80～C100高強高性能設計和施工應用的難題，實現(xiàn)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筒。
煤炭建井技術有待創(chuàng)新
深井材料市場需求迫切
經過近幾十年的開采，目前我國淺層煤炭資源越來越少，深部煤炭資源仍有較為豐富的儲藏，如我國東部地區(qū)煤田煤質很好，數百億噸優(yōu)質煤炭資源被深厚沖積層所覆蓋。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。穿過600~800米深厚沖積層、開鑿深達1000米以上的井筒的施工建設技術成為我國開發(fā)深部煤炭資源的關鍵所在。
凍結法鑿井是我國穿過深厚沖積層和含水松軟巖層的主要施工方法，此方法是在開鑿井筒前，將井筒周圍含水層用人工制冷方法，凍結成封閉的圓筒形凍結壁，以抵抗地壓并隔絕地下水與井筒的聯(lián)系，在凍結壁的保護下進行掘砌作業(yè)的施工方法。凍結法鑿井在井筒周圍鉆若干凍結孔，孔內安裝由供液管、回液管和底端封閉的凍結管組成的凍結器；地面冷凍站將制出的低溫媒劑循環(huán)輸送到凍結器內，吸收底層的熱量，使含水層形成以凍結管為中心的凍結圓柱，逐漸擴大與相鄰的凍結圓柱連成封閉的凍結壁，隨后即可進行井筒掘砌、冷凍站拆除、凍結管拔出和凍結孔充填，最后凍結壁自然解凍，恢復地層初始狀態(tài)。
1955年，凍結法鑿井技術首次在開灤林西煤礦開鑿風井中應用，截至20世紀80年代我國已開鑿190多個井筒，累計凍結深度超過3萬米，井筒穿過的沖積層最大厚度為358.5米，凍結最大深度為415米。90年代，井筒穿過的沖積層最大厚度達374.5米，凍結最大深度達到435米?？缛?1世紀，新建礦井穿過的沖積層厚度和凍結深度呈跳躍式增長。隨著沖積層的延深和凍結深度的增加，凍結壓力、地壓和水壓增大，常規(guī)的雙層現(xiàn)澆鋼筋混凝土井壁已經很難適應深凍結井的需要，不僅井壁厚度需要加大，施工速度慢，建井費用高，而且井壁開裂、壓壞、井壁透水多有發(fā)生。因此凍結法鑿井施工對混凝土的性能要求越來越高。
攻克兩大技術難關
高強高性能混凝土研發(fā)成功
目前，凍結法鑿井是我國煤炭千米深井建設的主流方法，其存在的兩大技術難題嚴重制約了深井建設的發(fā)展。第一個難題是凍結法鑿井外層井壁存在的技術難點。首先是外層井壁的外側與凍結壁直接接觸，靠近井幫部位的混凝土降溫較快，強度增長較慢；在深厚黏土層中，凍土擴展速度較慢，凍結壁有效厚度較小，凍土強度較低，凍結壓力較大，有可能因混凝土強度增長率低于凍結壓力增長速度而遭受破壞；其次是由于井壁厚度大，混凝土硬化過程產生較多的水化熱而引起井壁溫度升高和壁后凍土的融化范圍大、回凍時間長，前者容易導致井壁出現(xiàn)溫度裂縫，后者容易導致井壁出現(xiàn)拉裂。
第二個難題是凍結法鑿井內層井壁存在技術難點。一是套壁過程連續(xù)澆筑的混凝土體積大和水化溫升高，外側受外層井壁的約束和低溫的影響，容易產生收縮、溫差裂縫。二是在凍結壁解凍過程中，井壁出現(xiàn)漏水或壁后凍土融化不均勻沉陷而導致局部破壞（如東榮二礦風井）。三是在礦井生產過程，因疏于排水引起沖積層段含水層水位下降或地層沉陷產生較大的豎向附加力而導致井壁永久性破壞。
針對以上技術難題，中國建筑材料科學研究總院與多家總院和企業(yè)合作，將高強高性能混凝土和煤礦建井技術完美結合，凍結法鑿井用混凝土提高到了C100，解決了千米深井井壁應用C80～C100高強高性能設計和施工應用的難題，實現(xiàn)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筒。特別是C80～C100高強高性能配制、設計和施工成套技術，改變了深凍結井井壁結構形式，確保井筒施工安全，更適合于復雜工況下的深井建設，為超過800米厚沖積層的礦井建設及千米深井凍結鑿井提供了技術支撐，顯著促進建井行業(yè)的技術進步。同時，根據現(xiàn)場實測、理論分析，課題組研究提出凍結壁形成特性綜合分析方法，進一步細化了凍結壁形成特性、基本規(guī)律的影響及因子的變化范圍和應用方法。通過課題組開發(fā)的檢測儀器和分析方法，可對凍結法施工的凍結壁和混凝土井壁進行施工性能預測分析。研究成果的推廣不僅可保證安全施工，也可為深凍結井安全快速施工創(chuàng)造凍結溫度場條件，為凍結段安全快速施工和高性能混凝土的應用提供技術保障。
此項研究成果目前已在河南焦煤集團趙固一礦西風井成功應用。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)的復雜工況C80～C100高性能混凝土成套技術完全能滿足千米深井深厚表土層凍結法鑿井現(xiàn)澆鋼筋混凝土井筒的施工要求。此項成果應用，不僅節(jié)約了材料，降低經濟成本，提高混凝土強度等級減薄井壁厚度，進而降低凍結壁厚度，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。
進入21世紀后，凍結井沖積層厚度不斷增加，已完工的井筒沖積層最厚達到675.6米，井壁混凝土標號也逐漸提高至C60~C80。中國建材總院項目的研發(fā)，不僅適合深凍結井受力特征、復雜工況C80～C100高性能混凝土成套技術，還有效解決了現(xiàn)有混凝土性能不能滿足千米深井深厚沖積層凍結井壁工程設計、施工需要的難題，并在示范工程中應用，為實現(xiàn)千米深井的安全、優(yōu)質、快速、經濟建設提供保障，也為提升我國煤炭深井建設水平，對于開發(fā)更深沖積層所覆蓋的煤炭資源具有重要的理論、實用價值和現(xiàn)實意義。
