冻结法凿井高强混凝土研发与应用

发布时间:2017-04-28

赵固一矿西风井凿井现场（井下）。高春勇摄

近日，由中国煤炭工业协会和中国煤炭学会联合颁发的2016年度“中国煤炭工业科学技术奖”揭晓，中国建材总院报送的“深厚冲积层冻结法凿井高强高性能混凝土关键技术”在层层选拔中脱颖而出，获得一等奖。

“这个技术是国内外都没有解决了的，制约冻结法凿井向大于600米深厚冲积层纵深发展的重大技术难题，位居国际领先水平。”中国煤炭科工集团有限公司天地科技建井研究院副院长、研究员李功洲说。

我国能源安全的有力保障

煤炭是不可再生的一次能源，在可预见的未来，煤炭仍将在能源供给结构中占据重要地位。“在相当长的一段时间内，我国的能源格局仍将依靠煤炭等化石能源和核能供给。”中国工程院院士张玉卓在接受记者采访时表示。

经过几十年的开采，我国浅层煤资源越来越少，但深部煤炭资源仍有较为丰富的储藏，开采深层煤炭资源，对保障我国能源安全意义深远。

然而，随着煤炭资源向深部开发，煤炭建井的趋势是井筒向纵深发展，冲积层越来越厚，井型越来越大。以我国东部地区煤田为例，数百亿吨优质煤炭资源被深厚冲积层所覆盖。穿过600米～800米深厚冲积层、开凿深达1000米以上的井筒和施工建设技术，成为我国开发深部煤炭资源的关键所在。

“以往，我们用‘冻结法凿井’进行深厚冲积层的煤炭开采，但冲积层厚度达到700米以上时，现有的混凝土并不能满足高地压、高冻结压力对井壁高承载能力的要求，所以我们只能扩大井壁厚度，将原本2到2.5米的井壁最大厚度不得不扩大到3米、4米甚至5米，造成一系列问题。”李功洲说。

混凝土强度等级是指混凝土的抗压强度，数字越大，其等级和抗压强度就越高。冻结法凿井是深厚冲积层首选和最为主要的凿井方法，但由于现有冻结法凿井井壁高强技术不足，混凝土强度等级只有不到C80，对于更深厚冲积层冻结法凿井井壁设计只能增加井壁厚度。

事实上，井壁厚度过厚，不但容易造成掘进荒径大、冻结壁厚度大、需冷量大等严重问题，而且太厚的短段掘砌悬吊井壁存在着难以施工、容易拉裂、不安全的问题，冻掘矛盾突出，工程造价剧增，甚至无法实施。同时，现有监测技术难以实现深井及时安全长期对井壁及壁间温度检测，难以科学指导施工。

“能否减小井壁厚度成为冻结凿井成败的关键，影响着冻结法凿井技术的推广应用，制约更深厚冲积层所覆盖煤炭资源的开发。”李功洲说。

打开“冻结法凿井”通向纵深的大门

要想减小井壁厚度，提高混凝土强度等级，达到“节能、节材、节约成本、节省工期”的目标绝非易事。特别是在“冻结法凿井井壁高强高性能混凝土”的相关设计和应用技术在国内外都没有解决、没有成功范例的情况下，一切研究都是摸索。

为此，中国建材总院联合煤矿建设、科研、施工、设计等多家单位，在“十二五”国家科技支撑计划（2011BAE27B03）的支持下，组织开展技术攻关“深厚冲积层冻结千米深井高性能混凝土研究和应用”，目的就是要研究解决适用于煤矿冻结凿井井筒C80～C120高强度高性能混凝土材料、设计方法及施工工艺，具有重要的理论和现实意义。

“我们将高强高性能混凝土和煤矿建井技术结合，使冻结法凿井用混凝土强度提高到了C100，解决了千米深井井壁应用C80～C100高强高性能混凝土设计和施工应用难题，实现了国内外首次利用C100混凝土设计和施工煤矿冻结法凿井井壁。”该项目第一完成人、中国建材总院院长姚燕说。

姚燕介绍，项目团队经过多年的攻关，取得了多项创新：一是发明了调黏型聚羧酸减水剂，研制了含有偏高岭土的复合矿物掺合料，为实现井壁高强高性能混凝土良好的施工性能、低温早强、低收缩抗裂、高耐久性及强度长期持续发展等综合特殊性能提供专用材料；二是开发了适用于深厚冲积层冻结段井壁应用的C80~C120混凝土制备成套技术，实现了外层井壁的低水化热低温早强性能、内层井壁低水化热抗裂密实性能，开发出机制砂C80~C100混凝土制备技术，解决了机制砂配制高强高性能混凝土质量稳定性控制的难题；三是首次提出深厚冲积层冻结井壁结构设计应用大于C80混凝土轴心抗压强度设计值的取值方法，解决了大于C80混凝土在冻结井壁结构中应用的设计理论，提出基于C80~C120混凝土的深厚冲积层冻结设计、冻结孔布置与冻结工艺优化组合方式，首次实现C100高强高性能混凝土在深厚冲积层冻结法凿井工程中的设计应用，井壁厚度减薄23%以上；四是首次开发了井下便携式一总线温度检测系统、外层和内层井壁无线测温系统，揭示了深厚冲积层冻结井筒“两壁”温度场的耦合作用规律，形成“两壁”温度场有效调控技术，提出深冻结井井壁壁间注浆最佳时间，配套解决了高强高性能混凝土在深厚冲积层冻结段现场实施关键技术。

不负众望终获硕果

据了解，此项成果不仅获得了“中国煤炭工业科学技术奖一等奖”，还同时形成了6项发明专利、1项实用新型专利，项目团队发表相关学术论文36篇，制定了1项国家标准。

“经过实验室模拟试验及实际工程应用表明，中国建材总院研发的‘深厚冲积层冻结法凿井高强高性能混凝土关键技术’，完全能满足千米深井深厚表土层冻结法凿井现浇钢筋混凝土井筒施工的要求。”中国建材总院教授级高工高春勇表示，项目的应用，不仅节约了材料，降低了经济成本，提高了混凝土强度等级，而且减薄了内外层井壁和冻结壁厚度，节省掘砌和冻结工程费用，减少投资、节省工期，创造了良好的经济效益和社会效益。

目前，项目研究成果已在赵固一矿工程得到全面应用，并将在即将开工建设的赵固二矿中部风井冻结工程得到全面推广。冻结设计、冻结过程调控技术、监测技术等关键技术，已在红二主副风井、平煤六矿北二回风井、常家梁主副风井等工程中获得较好的推广应用效果。

在已完成的赵固一矿西风井示范工程——冻结井筒C80~C100混凝土的施工中，应用C100混凝土比原设计最大减薄井壁23.8%，节约冻结钻孔量25%和冻结需冷量25.5%，从而节省了5030万元的建设资金。

而即将建设的赵固二矿中部风井，如设计应用C80~C100混凝土进行井壁结构设计，则可达到井壁厚度减薄32.4%的效果；如应用于赵固二矿中部风井800米以上深厚冲积层冻结井壁设计，则可降低工程造价30%以上，单一井筒可节约资金约1亿元。

“该研究成果不仅解决了大于700米深冲积层冻结法凿井的重大技术难题，实现了显著的社会和经济效益，而且为实现千米深井的安全、优质、经济、快速建设提供了技术保障，对保障我国能源安全、提升我国煤炭深井建设水平、开发更深冲积层所覆盖的煤炭资源具有重要的现实意义。”姚燕说。