[01359689]深厚富水岩土层中立井井壁关键技术创新与应用

该项目属矿山支护工程领域。 因浅埋资源日趋枯竭,国家急需开发400~800m特厚土层及500~1000m深厚含水岩层下的铜、铁、锡、磷、煤等资源,深埋矿体开采技术被《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》列为重点研究领域。 立井井壁是矿井咽喉要道之安全屏障。在深埋地层高岩土压、高水压、高地温和强开采扰动条件下,立井井壁技术攸关矿井建设之成败、运营之安危,是开发深厚复杂岩、土层下矿产资源必须攻克的首道重大技术难关。 立项前,我国铜矿、铁矿、煤矿等有119个冻结、15个钻井井筒因开采引起的土层沉降发生井壁破裂灾害,造成超百亿元重大经济损失和极为严重的矿井安全威胁,其数量之多,范围之广,危害之大为国际采矿史上所未见。其间,我国开发的注浆加固地层技术,滑动钻井井壁技术,滑动、可缩冻结井壁技术等,均未能有效预防该种灾害。 在＞500m~1000m深厚富水岩层中,经历26个井筒用普通法+注浆法凿井屡试屡败的惨痛教训后,冻结法被公认为最可靠和最可控的凿井方法,并被普遍采用。但是,国内外惯用的双层冻结井壁技术在高水压条件下暴露出厚度大（采用C80高强混凝土时仍＞2.0~3.0m）、造价高（＞15~25万元/m）、冻结壁解冻后漏水量大（＞40~130m3/h,远超规范允许值）等严重问题。井壁大量漏水严重影响井筒使用、威胁井筒乃至矿井的安全! 受上述严重危及矿井建设和生产安全的重大技术难题瓶颈制约,我国深厚含水复杂岩、土层下大量铁、铜、磷及超万亿吨煤炭等资源难以开发。在国家科技支撑计划、国家自然科学基金重点项目等资助下,历经建设、科研、设计和施工单位十余年的联合攻关,该项目取得深厚富水岩、土层中立井井壁关键技术重大突破。 1 创新土层中井壁结构,开发了适应土层沉降且竖向刚度可调的井壁结构技术,攻克了深厚土层中井壁破裂灾害防治重大技术难题。获得了深厚土层沉降条件下冻结井壁、钻井井壁所受融沉附加力、疏水附加力的变化规律,揭示了融沉附加力压裂冻结井壁新机理;探明了竖向刚度可调的冻结井壁、钻井井壁的力学特性和轴向失稳变形规律,建立了该两种井壁的设计理论与方法。相比此前最先进的滑动可缩井壁技术,井壁施工速度提高逾1倍、造价降低50%以上。 2 创新岩层中井壁结构,发明了低渗漏单层冻结井壁结构技术,破解了深厚富水岩层中传统双层冻结井壁厚度过大且漏水严重的重大技术难题。揭示了含水岩层中井壁水力荷载的形成机理和规律;掌握了低渗漏单层井壁的力学特性及其与围岩、地下水的相互作用规律,建立了其设计理论与方法。与传统双层井壁技术比,井壁厚度减薄约50%,造价降低30%以上。 3 研发了竖向刚度可调井壁施工关键技术,保障了深厚土层中井壁的封水性能和抗突然失稳破坏性能。开发了高压缩率、高水压下全寿命周期可靠封水的井壁竖向让压装置,突破了钢质让压装置受压大变形后漏水的技术瓶颈;开发了让压装置竖向刚度调控技术,实现了井壁竖向近似恒阻让压,有效防止了钻井井壁漂浮下沉过程中的失稳破坏和让压装置急速压缩造成的井筒装备破坏。创造了深厚土层中竖向让压井壁深度705m（冻结井筒）、530m（钻井井筒）两项世界纪录。 4 研发了低渗漏单层冻结井壁施工关键技术,保证了井壁强度与封水性能。研制了适应冻结井筒严苛条件的高强高性能混凝土粘度调节剂、抗裂防水剂等外加剂,攻克了岩层中单层冻结井壁混凝土低温早强、高分散、高保坍难统一的难题;研发了集控温、预应力和补偿收缩为一体的井壁防裂技术,开发了井壁检漏、堵漏及接茬强化工艺,保证了井筒漏水低于规范允许值。创造了单层冻结井壁支护深度785m及冻结井筒混凝土强度等级CF90两项世界纪录。 项目成果授权发明专利10件,已用于铜矿、铁矿、锡矿、磷矿、煤矿的90个井筒（其中,煤炭产能合计达1.43亿吨/年）,创造了4项世界纪录,实现了深厚复杂地层中井壁技术的重大突破,经鉴定达到国际领先水平,取得经济效益68亿元以上,为开发深厚土层和深厚富水岩层下的资源提供了关键技术支撑,经济和社会效益显著。