[00117237]800米深厚土层中冻结法凿井关键技术

随着我国浅部资源开采殆尽,向地球深部要资源已成为国家战略。煤炭是我国的主体能源,目前,已探明的煤炭资源有 50%以上赋存深度超千米,要开发这些资源须首先解决井筒建设（或称凿井）技术瓶颈。我国中、东部地区深厚土层下煤炭储量丰富（愈1000 亿吨）。在开采这些深部煤炭资源时,须穿越厚度 600m～800m 的特厚土层,凿井难度和风险巨大,可靠的凿井方法只有冻结法和钻井法,截至 2010 年,我国用冻结法施工井筒 968 个,用钻井法施工井筒 81 个,冻结法是最主要、可靠的特殊凿井法。 井筒穿越的土层厚度是代表冻结法凿井技术发展水平的重要指标。本项目立项之初（2006 年）,国外冻结法凿井技术的土层厚度纪录为 571.2m（前苏联雅可夫列夫铁矿 2 号井）,国内纪录为 587.5m（山东郭屯矿井主井）。 兖矿集团有限公司下属兖煤万福能源有限公司的主井、副井和风井井筒穿越的土层厚度达 754.98m,均采用冻结法施工。相比以往工程,该工程的主要特点为： 1、土层厚,达 754.98m,地压大、水压大。 2、土层含水量低（最低 11.2%）,冻结温度低（最低-2.7℃）。 3、粘性土层比例高（土层总厚度 60%以上）且多具强膨胀性,深部冻土强度低,与埋深处水平地压相当。 4、煤层与土层下部含水层距离近,存在水力联系。采煤活动将导致土层沉降,危害井壁。 对于该工程特点,已有冻结法凿井技术面临以下关键难题： 1、在土层厚、地压大、冻土强度低这种特困条件下,此前的冻结设计理论因不能反映冻结壁实际的受力条件和力学性质而不再适用。 2、大地压必然要求采用多圈管冻结技术以形成厚冻结壁,此时砂层内的水在冻结过程中不易排出,因而冻结壁内将形成较大冻胀力,从而影响冻结管安全。如何减小冻胀力,改善冻结管受力,是关乎工程安全与质量的重要问题。 3、井筒穿越 800 米土层时,为降低高强混凝土井壁脆性和减少温度裂缝,须采用强度等级在 CF80CF100 的钢纤维高强混凝土井壁。CF80CF100 钢纤维高强混凝土井壁的承载特性如何？井壁中钢纤维高强混凝土的强度增长规律如何？以往缺乏相关研究,更无钢纤维高强混凝土井壁的设计理论和方法。 4、为预防地层沉降危害井壁,须采用内层可缩井壁结构。缺乏 600m~800m 深厚土层中内层可缩井壁的受力规律、CF80CF100 钢纤维高强混凝土井壁的轴向承载特性等相关研究与应用,无内层可缩钢纤维高强混凝土井壁的设计理论和方法。 5、冻结凿井工程常用的泡沫板一般密度小、韧性和抗冲击性差,应用于深厚土层时将会影响井壁混凝土的浇筑质量和强度。而缺乏针对深厚土层中冻结法凿井中泡沫板材质和参数的相关研究,无法科学的指导施工。 6、井筒首次穿越近 800m 巨厚土层,无成熟工程经验可供借鉴,如何安全、优质、高效完成井筒施工。 为攻克上述关键难题,进一步发展和完善我国冻结法凿井技术,实现 800 米土层下煤炭资源的开发,兖矿集团有限公司、中国矿业大学、兖煤万福能源有限公司、兖矿新陆建设发展有限责任公司、通用技术集团工程设计有限公司、河南国龙矿业建设有限公司、中煤第五建设有限公司第三工程处和中煤第一建设有限公司第三十一工程处,联合开展了“ 800 米深厚土层中冻结法凿井关键技术”研究,并在兖煤万福能源有限公司万福煤矿进行工业性试验。 冻结壁和井壁是冻结法凿井理论与技术的关键。冻结法凿井技术问题可概括为：冻结壁基础理论与设计方法,冻结井壁基础理论与设计方法,施工（冻结壁形成与维护、井筒掘砌）技术三大类。 针对穿越厚度 600～800m 土层冻结法凿井的关键技术难题,本项目采用如下技术思路： 1、研究建立新的冻结壁设计理论。根据冻结壁实际工况以及“大变形”的实际变形特征,建立更符合实际的冻结壁力学模型——径向卸载的冻结壁与土层的相互作用模型,研究相互作用规律并建立新的冻结壁设计理论,以合理、可靠地设计冻结壁。 2、建立多圈管冻结过程的水—热—力三场耦合作用模型,研究深厚土层中冻胀力变化规律和冻结管受力规律,研发减小冻胀力和冻结管受力的冻结技术,以降低井壁和冻结壁的冻胀荷载,提高井筒掘砌施工安全性。 3、研究 CF80CF100 钢纤维高强混凝土损伤破坏机理和井壁径向承载特性,以及600m~800m 深厚土层中双层复合钢纤维高强混凝土井壁的设计理论和方法,以安全、合理、可靠地设计井壁;研究 CF80CF100 钢纤维混凝土井壁温度场和强度场的变化规律,研发适合冻结井壁严苛施工条件的 CF80CF100 钢纤维混凝土配制与施工技术,以保障施工质量与井壁安全。 4、研究 CF80CF100 钢纤维高强混凝土井壁的轴向承载特性和土层沉降条件下600m~800m 深厚土层中内层可缩井壁的受力规律,建立内层可缩钢纤维高强混凝土井壁的设计理论和方法,以安全、合理、可靠地设计可缩井壁。