[01159563]深井冻结法凿井关键技术与提升装备

能源是国家经济的命脉,富煤、贫油、少气的资源特点使得煤炭占我国一次能源消费比例长期超过70%。近年来,我国中东部浅部煤炭资源日益枯竭,亟需在500～700m特厚表土和600～1000m深厚含水岩层等深厚复杂地层中新建一批8～12m大直径井筒,以满足运输大型采矿设备及2～4Gt/a巨量煤炭消耗的需求。 穿越深厚复杂地层建设煤矿井筒,冻结法是最常用的凿井工法（占90%以上）,其核心是冻结壁和井壁的设计理论及施工技术,难度随冻结深度增加快速增大。当前国内外冻结法凿井技术面临的主要难题有：表土和基岩冻结壁设计方法严重偏离实际,造成重大经济损失;近10个在建冻结基岩井筒冻结壁“开窗”淹井,机理不明;普通高强混凝土井壁脆性凸显,钢纤维高强混凝土井壁无设计理论可依;双层复合井壁之内层井壁严重开裂漏水（高达110m3/h）,井壁开裂机理尚不明确,冻结井筒复杂工况条件下钢纤维高强混凝土外层井壁普遍存在施工技术难题;现有凿井井架尺寸和承载力严重不足,以及凿井安全提升技术长期未予解决,对深大井筒安全高效施工构成严峻威胁;等等。 项目采用多种研究方法,取得5项创新成果： 1)基于冻结壁径向卸载条件,分别建立并成功应用了能考虑冻结壁与围土相互作用的表土冻结壁设计理论,以及能考虑岩层不均匀初始水平地应力场、冻结壁与围岩相互作用的基岩冻结壁设计理论,大幅减薄了冻结壁厚度,从理论源头上解决深厚地层冻结壁的合理设计问题。 2)揭示了深厚含水岩层高速孔（裂）隙渗流带走冷量致使冻结壁不交圈而“开窗”淹井的机理,研发适用于高速孔（裂）隙渗流岩层的冻结技术,突破了高速地下水渗流条件下基岩冻结壁的交圈难题。 3)揭示了CF60～CF90钢纤维高强混凝土井壁的力学特性,建立了双层钢纤维高强混凝土复合井壁设计理论与方法,将普通高强混凝土井壁韧性提高2～4倍,消除了井壁脆性破坏隐患。 4)揭示了自生温度应力导致大厚度内层混凝土井壁开裂漏水的机理,成功研发基于微膨胀混凝土和钢纤维混凝土技术的内层井壁防裂技术;攻克了冻结井筒复杂工况条件下钢纤维高强混凝土外层井壁的施工技术难题。示范工程内壁裂纹显著减少,涌水量仅1～2m3/h（远小于规范6m3/h）。 5)建立了基于断绳荷载控制的立井井架设计理论,发明了井架多层平台整体结构体系和“∧-M”型组合支撑结构。构建了凿井高速提升系统动态特性预测模型,研发了提升吊桶安全运行与工作吊盘协调控制技术,攻克了深大井筒悬吊和提升系统安全运行技术难题。 项目获2项国际领先鉴定成果,授权发明专利11项,相关成果成功应用于鲁、陕、甘、蒙等地区20个深大冻结井筒,创造了冻结表土深度675.6m世界纪录,使我国冻结法凿井技术处于国际领先水平,取得直接经济效益3.5亿元。 我国未来有100个以上深大井筒需穿越深厚地层,项目成果对相似条件煤矿和非煤矿山资源开发具有重要参考价值,对保障我国能源安全具有重要意义。