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“乌金三角”深井开凿术

作者:吴玉华 2019-06-27 09:56:02

核心阅读

澳门皇冠金沙网站研发利用深厚富水软岩大直径立井及毗邻硐室冻结法开凿关键技术,开凿出6个深井井筒,创造了冻结孔固管充填高300米的世界纪录和冻结基岩井筒深849.5米的世界纪录,共节省投资约1.1亿元

凭借这项关键技术,澳门皇冠金沙网站在山西、内蒙古、陕西这个“乌金三角”出了名,“只要是我们的工程,他们都愿意合作”

我国未来有几百个矿井要穿越深厚复杂岩层,这项技术对于相似条件的煤矿和非煤矿山的资源开发具有重要意义

近日,记者受邀,来到山东兖州煤业鄂尔多斯能化公司营盘壕煤矿,一探深厚富水软岩大直径立井及毗邻硐室冻结法开凿关键技术。

冻结法凿井是一种利用人工制冷技术冻结待建井筒周围岩土层,形成不透水且能抵抗地压的圆筒形冻结壁,在冻结壁保护下进行井筒掘砌施工的特殊凿井法,其核心是井壁和冻结壁的设计理论和施工技术。

“这项技术在西部富水软岩地区是不多见的。”在宽敞明亮的大巷里,澳门皇冠金沙网站总工程师孟祥军开门见山,“由于传统的普通法加注浆法在西部深井凿井中不适应,我们采用了冻结法开凿大直径深井井筒,取得了良好的经济效益和社会效益。”

据孟祥军介绍,深厚富水软岩大直径立井及毗邻硐室冻结法开凿关键技术,主要采用冻结法开凿大直径深井井筒。该技术在石拉乌素煤矿和营盘壕煤矿的6个深井井筒应用后,创造了冻结孔固管充填高300米的世界纪录和冻结基岩井筒深849.5米的世界纪录,示范工程共节省投资约1.1亿元。同时,该技术还获得了2018年度中国煤炭工业协会科技进步奖一等奖。

岩石冻结法替代土层冻结法

据了解,我国煤炭资源主要集中分布在山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州、宁夏6个省(自治区)。其中,山西、内蒙古、陕西煤炭资源尤其丰富。这3个省(自治区)是我国主要煤炭工业基地,被誉为“乌金三角”,约有3.58万亿吨的煤炭资源埋在“乌金三角”深厚富水软岩之下。

“2002年以来,我国煤炭开发的重点向西部和深部转移,且煤层埋深已达500米至1000米,必须开凿深大立井井筒,以满足运输大型采矿设备及年产500万吨到3000万吨煤炭的要求。”孟祥军说,“然而,在西部地区深井井筒建设过程中,经常会遇到孔隙、裂隙复合含水软岩等复杂岩层条件,注浆法堵水屡遭失败,井点抽水法降水也鲜能成功。前期,我们有近20个井筒用普通法凿井失败,造成重大损失。惨痛的教训证明,在西部地区复杂岩层中必须采用冻结法开凿大直径深井井筒。”

2010年底,澳门皇冠金沙网站正式进军“乌金三角”,相继开发建设了金鸡滩、转龙湾、石拉乌素、营盘壕等千万吨级煤矿。

“到了这里后,我们了解到传统的普通法加注浆法不适应深厚富水软岩地质条件。”孟祥军说,“2007年之前,土层冻结法主要用于土层中凿井。利用该技术,我国开凿了500多个井筒,也创造了冻结土层深587.5米的世界纪录。之后,西部深厚富水岩层中开始沿用土层冻结法凿井技术。因该技术不适应当地环境,导致岩层中冻结孔导水淹井、岩层中冻结壁破裂淹井等事故时有发生。”

“在深厚富水软岩中凿600米至1000米深、净直径8米至12米的深井井筒,这在国外也罕见。”孟祥军说,“2010年1月,我们正式立项,开始研究深厚富水软岩大直径立井及毗邻硐室冻结法开凿关键技术,并在石拉乌素煤矿开展技术攻关,一举研发岩层冻结孔固管封水、岩层冻结壁设计、内层井壁防裂、井筒与硐室整体冻结和砌筑四项关键技术。”

冻结法开凿的四项关键技术

鄂尔多斯能化公司副总工程师周霖给记者详细介绍了深厚富水软岩大直径立井及毗邻硐室冻结法开凿关键技术。

“我曾在济三矿担任过生产区队主管队长,但这里的条件和济三矿不同。”周霖说,“济三矿表土层厚,岩层赋存水少,600米深的井筒冻结时间差不多用了两年。这里表土层薄,只有6米至7米,水层也浅,营盘壕煤矿地面0.5米以下就有水。”

周霖介绍,石拉乌素煤矿年设计生产能力1000万吨,主井、副井和风井井筒的净直径分别为9.4米、10.0米和7.5米,深度分别为748米、723米、716米,从2010年1月至2016年6月承担攻关该项目,采用冻结法施工。

石拉乌素煤矿承担了攻关项目中的四项关键技术。他们应用岩层冻结孔固管封水技术,掌握了浆液流动、混合以及性能劣化规律,发明了长时稳定、耐冻融的高性能缓凝水泥浆液,研发了以“孔径—管径相匹配、隔离液+压浆参数精准控制”为核心的施工工艺;在岩层冻结壁设计中,首次建立了考虑孔隙水作用和不均匀地应力场的岩层冻结壁设计理论;在内层井壁防裂方面,揭示了内壁开裂漏水的新机理,研发成功内壁防裂新技术;在井筒与毗邻硐室整体冻结和砌筑方面,研发了井筒与硐室整体连续砌筑工艺,首次实现了井筒与箕斗装载硐室冻结法联合开凿,使含水岩层中硐室快速、优质施工。

“采用这四项关键技术,石拉乌素煤矿主井于2013年2月1日动工,当年到达井底,井筒深748米,我们将井筒全身冻结至760米,外壁厚度从6.5米减少到4米。”周霖说,“井筒瘦身后,封水效果好,基本看不到水。仅石拉乌素煤矿的3个井筒,就节省投资4000多万元。”

随后,这些成熟的冻结技术又移植到营盘壕煤矿,同样是当年开工当年到达井底,6个井筒共节省投资约1.1亿元。

未来深井开采将成为主导

“周边煤矿都很服气。”谈及冻结法凿井成果时,周霖笑着说,“有一个矿和我们一块开工,采用传统凿井法,到现在还没有到达井底。”

“他们为什么不换成冻结法凿井技术?”记者疑惑地问。

“凿井技术一旦确定并开工后,中间不能再换技术了。”周霖说,“凭这项关键技术,我们集团在‘乌金三角’出了名。只要是我们的工程,他们都愿意合作。”

据介绍,深厚富水软岩大直径立井及毗邻硐室冻结法开凿关键技术省工、省时、省钱,由于封水效果好,对同等寿命的煤矿,其设备使用寿命可延长一半。“没有水的腐蚀了嘛。”周霖认真地说,“施工过程中,我们真的没有再遇到什么困难。”

“复杂岩层地区深井井筒建设是一个具有挑战性的难题,建井技术问题不解决,深厚富水软岩地层下的煤田就无法开发,它决定着建井工程的成败,也关系着巨大的经济效益。”孟祥军说,“这个项目使我国冻结法凿井技术水平跨上一个新台阶,为井工开采我国深厚富水软岩下的矿物资源创造了条件。我国未来有几百个矿井要穿越深厚复杂岩层,这项技术对于相似条件的煤矿和非煤矿山的资源开发具有重要意义。”

我国约65%的煤炭资源埋深超600米。

自2007年以来,我国西部地区主要开发600米至1000米以深深厚富水岩层下的煤炭。

在山西、内蒙古、陕西、甘肃、宁夏等西部地区,我国新增产能70%以上的在建和拟建大型或特大型煤矿的煤层埋深已达500米至1000米。

2000年以来,我国在深厚表土层或深厚孔隙、裂隙富水岩层中共建成150余个深井井筒。

编辑:崔波
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