趙固一礦西風(fēng)井鑿井現(xiàn)場(chǎng)（井下）。高春勇攝
近日，由中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)和中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)聯(lián)合頒發(fā)的2016年度“中國(guó)煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”揭曉，中國(guó)建材總院報(bào)送的“深厚沖積層凍結(jié)法鑿井高強(qiáng)高性能混凝土關(guān)鍵技術(shù)”在層層選拔中脫穎而出，獲得一等獎(jiǎng)。
“這個(gè)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有解決了的，制約凍結(jié)法鑿井向大于600米深厚沖積層縱深發(fā)展的重大技術(shù)難題，位居國(guó)際領(lǐng)先水平?！敝袊?guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司天地科技建井研究院副院長(zhǎng)、研究員李功洲說(shuō)。
我國(guó)能源安全的有力保障
煤炭是不可再生的一次能源，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，煤炭仍將在能源供給結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位?！霸谙喈?dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的能源格局仍將依靠煤炭等化石能源和核能供給?！敝袊?guó)工程院院士張玉卓在接受記者采訪時(shí)表示。
經(jīng)過(guò)幾十年的開采，我國(guó)淺層煤資源越來(lái)越少，但深部煤炭資源仍有較為豐富的儲(chǔ)藏，開采深層煤炭資源，對(duì)保障我國(guó)能源安全意義深遠(yuǎn)。
然而，隨著煤炭資源向深部開發(fā)，煤炭建井的趨勢(shì)是井筒向縱深發(fā)展，沖積層越來(lái)越厚，井型越來(lái)越大。以我國(guó)東部地區(qū)煤田為例，數(shù)百億噸優(yōu)質(zhì)煤炭資源被深厚沖積層所覆蓋。穿過(guò)600米 ～800米 深厚沖積層、開鑿深達(dá)1000米以上的井筒和施工建設(shè)技術(shù)，成為我國(guó)開發(fā)深部煤炭資源的關(guān)鍵所在。
“以往，我們用‘凍結(jié)法鑿井’進(jìn)行深厚沖積層的煤炭開采，但沖積層厚度達(dá)到700米以上時(shí)，現(xiàn)有的混凝土并不能滿足高地壓、高凍結(jié)壓力對(duì)井壁高承載能力的要求，所以我們只能擴(kuò)大井壁厚度，將原本2到2.5米的井壁最大厚度不得不擴(kuò)大到3米、4米甚至5米，造成一系列問(wèn)題。”李功洲說(shuō)。
混凝土強(qiáng)度等級(jí)是指混凝土的抗壓強(qiáng)度，數(shù)字越大，其等級(jí)和抗壓強(qiáng)度就越高。凍結(jié)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(xiàn)有凍結(jié)法鑿井井壁高強(qiáng)技術(shù)不足，混凝土強(qiáng)度等級(jí)只有不到C80，對(duì)于更深厚沖積層凍結(jié)法鑿井井壁設(shè)計(jì)只能增加井壁厚度。
事實(shí)上，井壁厚度過(guò)厚，不但容易造成掘進(jìn)荒徑大、凍結(jié)壁厚度大、需冷量大等嚴(yán)重問(wèn)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(wèn)題，凍掘矛盾突出，工程造價(jià)劇增，甚至無(wú)法實(shí)施。同時(shí)，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)深井及時(shí)安全長(zhǎng)期對(duì)井壁及壁間溫度檢測(cè)，難以科學(xué)指導(dǎo)施工。
“能否減小井壁厚度成為凍結(jié)鑿井成敗的關(guān)鍵，影響著凍結(jié)法鑿井技術(shù)的推廣應(yīng)用，制約更深厚沖積層所覆蓋煤炭資源的開發(fā)?！崩罟χ拚f(shuō)。
打開“凍結(jié)法鑿井”通向縱深的大門
要想減小井壁厚度，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，達(dá)到“節(jié)能、節(jié)材、節(jié)約成本、節(jié)省工期”的目標(biāo)絕非易事。特別是在“凍結(jié)法鑿井井壁高強(qiáng)高性能混凝土”的相關(guān)設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有解決、沒(méi)有成功范例的情況下，一切研究都是摸索。
為此，中國(guó)建材總院聯(lián)合煤礦建設(shè)、科研、施工、設(shè)計(jì)等多家單位，在“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃 （2011BAE27B03）的支持下，組織開展技術(shù)攻關(guān)“深厚沖積層凍結(jié)千米深井高性能混凝土研究和應(yīng)用”，目的就是要研究解決適用于煤礦凍結(jié)鑿井井筒C80～C120高強(qiáng)度高性能混凝土材料、設(shè)計(jì)方法及施工工藝，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
“我們將高強(qiáng)高性能混凝土和煤礦建井技術(shù)結(jié)合，使凍結(jié)法鑿井用混凝土強(qiáng)度提高到了C100，解決了千米深井井壁應(yīng)用C80 ～ C100 高強(qiáng)高性能混凝土設(shè)計(jì)和施工應(yīng)用難題，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)外首次利用C100混凝土設(shè)計(jì)和施工煤礦凍結(jié)法鑿井井壁?！痹擁?xiàng)目第一完成人、中國(guó)建材總院院長(zhǎng)姚燕說(shuō)。
姚燕介紹，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的攻關(guān)，取得了多項(xiàng)創(chuàng)新：一是發(fā)明了調(diào)黏型聚羧酸減水劑，研制了含有偏高嶺土的復(fù)合礦物摻合料，為實(shí)現(xiàn)井壁高強(qiáng)高性能混凝土良好的施工性能、低溫早強(qiáng)、低收縮抗裂、高耐久性及強(qiáng)度長(zhǎng)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(jié)段井壁應(yīng)用的C80~C120混凝土制備成套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了外層井壁的低水化熱低溫早強(qiáng)性能、內(nèi)層井壁低水化熱抗裂密實(shí)性能，開發(fā)出機(jī)制砂C80~C100混凝土制備技術(shù)，解決了機(jī)制砂配制高強(qiáng)高性能混凝土質(zhì)量穩(wěn)定性控制的難題；三是首次提出深厚沖積層凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用大于C80混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的取值方法，解決了大于C80混凝土在凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的設(shè)計(jì)理論，提出基于C80~C120混凝土的深厚沖積層凍結(jié)設(shè)計(jì)、凍結(jié)孔布置與凍結(jié)工藝優(yōu)化組合方式，首次實(shí)現(xiàn)C100高強(qiáng)高性能混凝土在深厚沖積層凍結(jié)法鑿井工程中的設(shè)計(jì)應(yīng)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(cè)系統(tǒng)、外層和內(nèi)層井壁無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)，揭示了深厚沖積層凍結(jié)井筒“兩壁”溫度場(chǎng)的耦合作用規(guī)律，形成“兩壁”溫度場(chǎng)有效調(diào)控技術(shù)，提出深凍結(jié)井井壁壁間注漿最佳時(shí)間，配套解決了高強(qiáng)高性能混凝土在深厚沖積層凍結(jié)段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施關(guān)鍵技術(shù)。
不負(fù)眾望 終獲碩果
據(jù)了解，此項(xiàng)成果不僅獲得了“中國(guó)煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)”，還同時(shí)形成了6項(xiàng)發(fā)明專利、1項(xiàng)實(shí)用新型專利，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文36篇，制定了1項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
“經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)及實(shí)際工程應(yīng)用表明，中國(guó)建材總院研發(fā)的‘深厚沖積層凍結(jié)法鑿井高強(qiáng)高性能混凝土關(guān)鍵技術(shù)’，完全能滿足千米深井深厚表土層凍結(jié)法鑿井現(xiàn)澆鋼筋混凝土井筒施工的要求。”中國(guó)建材總院教授級(jí)高工高春勇表示，項(xiàng)目的應(yīng)用，不僅節(jié)約了材料，降低了經(jīng)濟(jì)成本，提高了混凝土強(qiáng)度等級(jí)，而且減薄了內(nèi)外層井壁和凍結(jié)壁厚度，節(jié)省掘砌和凍結(jié)工程費(fèi)用，減少投資、節(jié)省工期，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
目前，項(xiàng)目研究成果已在趙固一礦工程得到全面應(yīng)用，并將在即將開工建設(shè)的趙固二礦中部風(fēng)井凍結(jié)工程得到全面推廣。凍結(jié)設(shè)計(jì)、凍結(jié)過(guò)程調(diào)控技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，已在紅二主副風(fēng)井、平煤六礦北二回風(fēng)井、常家梁主副風(fēng)井等工程中獲得較好的推廣應(yīng)用效果。
在已完成的趙固一礦西風(fēng)井示范工程——凍結(jié)井筒C80~C100混凝土的施工中，應(yīng)用C100混凝土比原設(shè)計(jì)最大減薄井壁23.8%，節(jié)約凍結(jié)鉆孔量25%和凍結(jié)需冷量25.5%，從而節(jié)省了5030萬(wàn)元的建設(shè)資金。
而即將建設(shè)的趙固二礦中部風(fēng)井，如設(shè)計(jì)應(yīng)用C80~C100混凝土進(jìn)行井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，則可達(dá)到井壁厚度減薄32.4%的效果；如應(yīng)用于趙固二礦中部風(fēng)井800米以上深厚沖積層凍結(jié)井壁設(shè)計(jì)，則可降低工程造價(jià)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(jié)法鑿井的重大技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，而且為實(shí)現(xiàn)千米深井的安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、快速建設(shè)提供了技術(shù)保障，對(duì)保障我國(guó)能源安全、提升我國(guó)煤炭深井建設(shè)水平、開發(fā)更深沖積層所覆蓋的煤炭資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?！币ρ嗾f(shuō)。
