国外竖井论文9：在地下核废料处理场的采矿和凿井施工活动

发布时间:2024-03-05

 在地下核废料处理场的采矿和凿井施工活动

Dipl.- Ing. Jochen Greinacher

DEILMANN-HANIEL GmbH, Haustenbecke 1, 44319 Dortmund, Germany

硕士工程师.约亨·Greinacher

戴尔曼-HANIEL有限公司，Haustenbecke1，44319多特蒙德，德国

Bruce Dunlop

J.S. REDPATH LIMITED, 710 McKeown Avenue, North Bay, ON P1B 8K1,Canada

布鲁斯·邓洛普

J.S.雷德帕斯有限公司，710基翁大道，北湾，ON P1B8K1，加拿大

Dipl.-Ing. Thomas Oellers

DEILMANN-HANIEL GmbH, Haustenbecke 1, 44319 Dortmund, Germany

硕士工程师.托马斯Oellers

戴尔曼-哈尼尔有限公司，Haustenbecke1，44319多特蒙德，德国

Abstract

摘要

Nuclear Waste Repository construction in Germany is presently handling large-scale projects over several years while there are only very few large-scale projects in the German productive mining industry. For that reason, repository construction is of great importance these days for German mining contractors to secure their future on German markets and building upon this to expand to international markets.

近年来，德国生产采矿业很少有大型项目，而德国核废物处置库建设是目前正在建设的大型项目。因为这个原因，对德国采矿承包商而言，为了抓住德国未来核废物处置库的市场以及开拓国际市场，核废物处置库的建设显得十分重要。

Deilmann-Haniel GmbH has been working in the field of nuclear waste repository construction both in Germany and abroad for more than 45 years. The company has played an essential role with respect to all repository projects in Germany, both in terms of design and construction. Today, national and international repository construction is an important business element for Deilmann-Haniel GmbH.

戴尔曼 - 哈尼尔有限公司已在德国和国外从事核废料储存库建设超过45年。该公司已在德国所有处置库项目中发挥了至关重要的作用，无论是在设计还是施工。今天，国家和国际处置库建设是戴尔曼-哈尼尔有限公司的重要业务组成部分。

1. Introduction

1.前言

在德国，不同水平的发热体的放射性废料按计划布置在位于合适地层深处的处置库中。德国原子能法规定，最终存储是由联邦办公室代表德国联邦政府对辐射防护（BFS）负责。德国的采矿承包商在开发地下仓库或改造现有矿井充当存储库方便有特殊专长，保存和长期关闭的现存的有潜力的地下场所。

在德国硬煤开采业工作大部分已经停产后，现今储存库的建设对德国采矿承包商而言非常重要，德国采矿（第2页11）承建商以此来抓住德国未来储存库建设市场以及开拓国际市场。近年来，德国生产采矿业很少有大型项目，而德国储存库建设是目前正在建设的大型项目。储存库工程项目的大量建设和工程人才的培养可为采矿承包商提供维持和延续现有专长和经验的基础。这也有助于使德国采矿承包商在国际采矿工程中处于领导地位。

自2012年1月以来，戴尔曼-哈尼尔有限公司是加拿大雷德帕思控股的子公司。在此之前，该公司被命名为戴尔曼-哈尼尔凿井有限公司，该凿井公司先前是戴尔曼-哈尼尔有限公司成功的竖井施工事业部，2007年戴尔曼-哈尼尔有限公司宣告破产，这距戴尔曼在1888年创办戴尔曼矿业有限公司接近120年。1968年，戴尔曼与哈尼尔有限公司合并成立戴尔曼-哈尼尔有限公司。在下文中，提到戴尔曼-哈尼尔是与储存库的建造工程相关，不同的公司没有名字的区分。

2. 德国储存库建设工程

德国联邦政府在1965年收购关停的盐矿ASSE，对核废料的处置进行试验，盐矿ASSE转让给辐射与环境研究协会（Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung (GSF), Institut für Tieflagerung）。

在拿到合同之后，戴尔曼-哈尼尔有限公司着手最终储存库现场的施工活动，设计和施工了一种由钢与混凝土支护，后背填充沥青的复合防水材料来确保ASSE矿2号竖井井筒的永久支护安全。在那个时候，竖井井筒体表面有结壳、腐蚀、微小裂痕及漏水现象。在清理和对竖井进行密封后，采取增加支护的措施来确保竖井安全。

由于围岩的收敛变形，500m深度下的砖石严重破坏，砖石被移除，通过特殊的膨胀螺栓与丝网进行固定。安装新的钢支撑，导轨及通风屏障。

图1  带沥青接头的钢与混凝土复合支撑系统

在ASSE矿样机硐室系统的建设中，戴尔曼-哈尼尔、Deutag与GHH联合投资ASSE4号竖井，通过竖井掘进配合悬浮钢支护，在1974/1975年，竖井深度达到750m以下。在750m以下，通过最新研发的竖井凿岩机械进行挖掘（图3）。此外，在竖井底部才开始硐室的建设。图2  ASSE4号井，应用Deutag旋转凿井系统进行防水焊接钢护筒的安装

3  ASSE矿竖井凿岩机

在1978-1983期间，戴尔曼-哈尼尔有限公司承担ASSE矿井全面的设计工作，并为在戈莱本和康拉德现场潜在的未来储存库进行设计。戴尔曼-哈尼尔有限公司与西马克公司合作，联合进行储存库的设计，代表德国联邦物理技术协会开发了“独立位置储存库的设计”。类似于ASSE2号竖井支护系统，设计的一个重要的组成部分是考虑一种复合支护系统，该支护系统是由焊接钢板、混凝土与活动密封填充沥青组成的防水材料。

无论是联合体还是戴尔曼-哈尼尔公司，作为独立的承包商针对有关初步项目批准文件、初步安全性报告开展综合设计研究，以及对竖井支护造成的破坏以及对支护防水性的影响等事故开展综合研究。下文中，开展的设计工作主要是对于储存库的密闭性开展的竖井的防水性与气密性的施工设计。

之后，开展ASSE矿更深探测的基本设计，以及输送液体核废料的管道设计。此外，钻探三个电缆芯钻孔进行ASSE盐矿床的地质勘探。

1982年在戈莱本1、2号竖井开展了竖井的预钻孔。此后简短地说，在1983年，德国废料储存库建设与运营协会与ASG签订了一项合同，合同包括竖井（净直径平均7.5m，采用钢板、混凝土、后背沥青复合防水材料到约357m，最终到933m和843m）和地下矿山服务开孔的施工，该开孔是为勘探戈莱本盐矿床。竖井本质上是依据KPE的设计原则进行建设，就是带有沥青密封的复合支护防水系统。矿床开凿遇到的困难、增长的经验和政府的审批程序一起融入到竖井建设中。因此，设计与施工过程需要不断调整。竖井的内部和外部支护进行了加强以安全承载不断增长的荷载。在含盐地层进行综合注浆限制潜在的流入。

图4  戈莱本1号竖井混凝土块与焊接钢板常规外部支护结构

图5  戈莱本竖井基础的加固工作

在与戴尔曼-哈尼尔公司合作与倡议下，随着凿井与支护专业知识的积累，编制了DIN 21500规范。DIN 21500规范的编制是基于欧洲规范的安全理念，而今天它是竖井支护唯一的国际认可的设计标准。戈莱本竖井于1999年建成，迄今证明结构安全可靠、防水性好。不幸的是，在戈莱本矿现场的工作由于德国联邦政府的禁令已经停止，至今特殊凿井公司没有进一步的合同项目。

康拉德矿的建设方萨尔茨吉特公司签署了第一份钻孔合同。康拉德竖井由Gewerkschaft沃尔特有限公司在1957到1963年进行建设，戴尔曼-哈尼尔有限公司在1989年接管了该公司。因此，戴尔曼-哈尼尔有限公司也掌握了康拉德矿综合的建井技术。

戴尔曼-哈尼尔有限公司也与WBI有限公司（由W. Wittke教授主持）合作开展综合设计工作（理念及最终设计），在1990-1999年间完成了康拉德1号竖井提升系统的恢复及康拉德2号竖井的重建。

此外，也进行了康拉德矿的建设工作。主要是在竖井第三工作水平，依据NATM（图6）规范开展的平硐开拓与修复。越来越多新开发的滑动头喷射锚杆配合分段喷射混凝土盖进行支护，这种支护配合综合监测项目进行使用，允许围岩体的收敛变形，对硐室支护系统不会造成损坏。

在2002到2004年间，戴尔曼-哈尼尔有限公司对ASSE矿2号和4号竖井有关的缩短、清理、回填进行了设计，该设计是在ASSE矿封闭观念的范围内开展。个别的合同是在2004年签订的，相关工作包括施工现场的安装、竖井服务专线的安装、提升系统的适应以及竖井清理工作在2004年和2005年才开展。此外，ASSE4号竖井硐室和硐室颈部的充填也在此阶段开展。图6  康拉德矿（第三平台）重建的巷道网络

德尔曼-哈尼尔有限公司与蒂森克Schachtbau的合资公司在2007年拿到了“ASSE矿山中盲竖井与错层清理、安装与背后填充的研究”合同。背后填充工作的目的是确保围岩体的稳定性，通过填充可显著减少围岩收敛。随后，开展对二十二座盲竖井充填工作。然而，由于在ASSE矿中地下水的涌入，使得开展的工作被迫中断，并且成为主要问题。接下来，联邦防辐射办公室将负责ASSE矿的经营。

工作在2007年政府最终核准之后得以继续。然而，该项目经历了显著的变化，例如，原有合同被取消，又重新招标。目前，康拉德矿的重建工作由戴尔曼-哈尼尔有限公司与蒂森克Schachtbau的合资企业接手。

德国重新统一后，德国联邦政府负责德意志民主共和国Morsleben的核废料储存库。德尔曼-哈尼尔有限公司在取得DBE后，在1992-1995年间为ERAM针对紧急情况下的巷道背后充填开展了各种研究。ERAM的Bartensleben矿，在严格辐射保护的条件下进行了通风管路的更换。对巷道支护结构进行修复和更新。

蒂森Schachtbau的合资企业在2004年拿到的一份典型的合同。主要包括管道系统的安装，竖井与巷道盐混凝土的背后充填。

3. 国际储存库建设工程

早在1983年，加拿大原子能有限公司（AECL）授予J.S.雷德帕斯有限公司加拿大的北部湾，与此同时，戴尔曼-哈尼尔有限公司的加拿大姊妹公司德尔签订了一份为马尼托巴省地下实验室建设竖井的合同。最初是建设一口矩形断面为2.8 m x 4.9 m，深240m的竖井。1988年，竖井凿井到440m，直径2.6m。随后，提升设备、降落设备、装载硐室、抽水设备、电器设备及测试设备紧随其后。此外，附加巷道进行了开凿。相对于建井工程，雷德帕斯提供地下实验室运营所需日常经费。2007年，雷德帕斯提出实验室封闭概念。这个概念在2010年末成功实现。

-肯珀的施工者是戴尔曼-哈尼尔有限公司前美国姊妹公司，施工了一口746m深的竖井WIPP（废物隔离试验场）（图7）。开挖直径是6.17m，采用1375px厚的混凝土进行支护。
图7  废物隔离试验场的竖井掘进提升设备

ANDRA，该机构负责法国储存库，在1990年与德尔曼-哈尼尔有限公司洽谈，请求在岩盐中规划竖井储存库。由钢、混凝土及沥青组成的复合防水材料在稳定性与防水性方面评价比较高。对于含盐岩层，与围岩体结合的支护系统需要进一步进行综合设计，冻结，焊接方法，冻结管的密封及地面设施。

BRR于1991年在法国ANDRA各种潜在储存库的现场进行综合竖井预钻孔（结合地球物理钻孔方法）。这些勘探工作一直持续到1996年。BRR在1990-1992年间为英国Nirex有限公司在英格兰潜在储存库现场范围内进行了综合勘探钻孔工作（图8）。图8  为Nirex进行钻探

海特坎普有限公司（后来与戴尔曼-哈尼尔公司合并）的竖井建设部门为Nirex对竖井井壁与传输系统进行了综合设计。

针对竖井钻孔方法，潜在的竖井支护系统、工期及预算在1995年进行了筹划工作。

像其他德国特殊凿井公司一样，德尔曼-哈尼尔有限公司与一家法国建筑公司共同参与ANDRA组织的竖井建设工程的招标。经过综合的招标工作及费时的谈判，一个纯粹的法国合资公司赢得了谈判，该合资公司实际包括了大量的法国建筑企业。这也就意味着，德国特殊凿井公司不能再涉猎凿井工程。然而，2001年，现场经历了一系列事故后，ANDRA要求德尔曼-哈尼尔有限公司对工程的过程进行评估。

与此同时，经过德国特殊凿井公司的共同努力，打破了国家壁垒，获得了英国Nirex竖井的凿井合同。

在2002到2004年间，ANDRA委托戴尔曼-哈尼尔有限公司承担矿井传输设备，地下运输系统以及成本评估和法国储存库的安全分析工作。合同包括三口竖井传输系统的设计：人员输送井，废料输送井以及服务竖井。提升规划需要考虑竖井运输的最大荷载（容量达110t）（图9）。此外，提升系统的设计必须与设备指南、提升指南相协调，而不是考虑与传输系统的技术要求和矿山活动相匹配。需要输出功率800w的10绳索摩擦式输送机来承担载荷。设备和电梯指南会产生影响，因此需要发展更广泛的制动系统以满足输送机笼的需要。

图9  ANDRA：竖井着陆废物储存箱的转移

比利时公司ONDRAF委托第一款传输系统，例如在2004年，根据设计和摩擦概念，能承载160t的提升设备在2010年诞生。

1997年，戴尔曼-哈尼尔有限公司与Wayss & Freytag以及比利时地下工程公司迪斯组成的合资公司中标了在粘土地层ESV Praclay Gie – SCK·CEN中建设第二口地下实验室储存库竖井的合同，采用冻结凿井法。竖井开凿在城市区域中比利时研究设施SCK·CEN的地层中。合同也包括设计和提供实现矿山凿井和支护的最终输送设备（图10）。随后又中标了在塑性粘土地层中开凿两口竖井的联络巷（图11）。图10  通过工作平台和最终提升系统输送复合钢/混凝土预制块到安转位置图11  连接两口竖井用楔形块支护的联络通道

伴随着为MOL建设地下实验室，戴尔曼-哈尼尔有限公司也为瑞士建设国家合作格里姆瑟尔岩石实验室来储存NAGRA放射性废料。自从1987年以来，BRR，一个子公司，采用绳芯钻探从地表进行勘探，钻探深度在550m到1800m之间，其中一些钻孔倾角达45°。这些钻孔包括10到11页为储存库勘探进行的地球物理试验。借助定向钻进技术，地下钻孔深度可达到100m，平均钻孔直径1250px。
图12  在瑞士进行的钻探

4. 结论

戴尔曼-哈尼尔有限公司已在德国和国外从事核废料库建设超过45年。该公司无论在设计还是施工，在德国库项目建设领域占据了重要角色。此外，凭借经验与专长技术，该公司已经将技术应用到国际储存库项目中。通常，储存库建设项目的运营与常规矿井的建设基本相同。然而，在质量要求和资料方面，无论是规划还是执行，都有显著的不同。除此之外，资料和质量控制在所有工程中都十分重要。显然，在保证长期安全性设计方面，储存库项目比生产矿井更为重要。

今天，国家和国际储存库建设对戴尔曼-哈尼尔公司是一个重要的经济增长点。通过储存库的施工，新的技术解决方案已经应用到竖井施工与提升技术中。

随着德国生产采矿业的萧条，大规模储存库建设市场对德国特殊凿井公司非常重要，借助储存库项目公司培养高级工程师与高度专业化人才。如果没有经过这些工程项目经验和知识的积累，德国特殊凿井公司想成功占据国际市场是非常困难的。

5. 参考文献

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