凍結(jié)法施工冷凍機房

  中國建筑材料科學研究總院與煤炭科學研究總院、北京煤科聯(lián)應用技術(shù)研究所和焦作煤業(yè)（集團）有限公司等合作，通過國家“十二五”科技攻關(guān)項目，經(jīng)過課題組3年的攻關(guān)，將高強高性能混凝土和煤礦建井技術(shù)完美結(jié)合，凍結(jié)法鑿井用混凝土提高到了C100，解決了千米深井井壁應用C80～C100高強高性能設計和施工應用的難題，實現(xiàn)了國內(nèi)外首次利用C100混凝土設計和施工煤礦凍結(jié)法鑿井井筒。

  煤炭建井技術(shù)有待創(chuàng)新

  深井材料市場需求迫切

  經(jīng)過近幾十年的開采，目前我國淺層煤炭資源越來越少，深部煤炭資源仍有較為豐富的儲藏，如我國東部地區(qū)煤田煤質(zhì)很好，數(shù)百億噸優(yōu)質(zhì)煤炭資源被深厚沖積層所覆蓋。隨著煤炭資源向深部開發(fā)，煤炭建井的趨勢是井筒向縱深發(fā)展，沖積層越來越厚，井型越來越大。穿過600~800米深厚沖積層、開鑿深達1000米以上的井筒的施工建設技術(shù)成為我國開發(fā)深部煤炭資源的關(guān)鍵所在。

  凍結(jié)法鑿井是我國穿過深厚沖積層和含水松軟巖層的主要施工方法，此方法是在開鑿井筒前，將井筒周圍含水層用人工制冷方法，凍結(jié)成封閉的圓筒形凍結(jié)壁，以抵抗地壓并隔絕地下水與井筒的聯(lián)系，在凍結(jié)壁的保護下進行掘砌作業(yè)的施工方法。凍結(jié)法鑿井在井筒周圍鉆若干凍結(jié)孔，孔內(nèi)安裝由供液管、回液管和底端封閉的凍結(jié)管組成的凍結(jié)器；地面冷凍站將制出的低溫媒劑循環(huán)輸送到凍結(jié)器內(nèi)，吸收底層的熱量，使含水層形成以凍結(jié)管為中心的凍結(jié)圓柱，逐漸擴大與相鄰的凍結(jié)圓柱連成封閉的凍結(jié)壁，隨后即可進行井筒掘砌、冷凍站拆除、凍結(jié)管拔出和凍結(jié)孔充填，最后凍結(jié)壁自然解凍，恢復地層初始狀態(tài)。

  1955年，凍結(jié)法鑿井技術(shù)首次在開灤林西煤礦開鑿風井中應用，截至20世紀80年代我國已開鑿190多個井筒，累計凍結(jié)深度超過3萬米，井筒穿過的沖積層最大厚度為358.5米，凍結(jié)最大深度為415米。90年代，井筒穿過的沖積層最大厚度達374.5米，凍結(jié)最大深度達到435米。跨入21世紀，新建礦井穿過的沖積層厚度和凍結(jié)深度呈跳躍式增長。隨著沖積層的延深和凍結(jié)深度的增加，凍結(jié)壓力、地壓和水壓增大，常規(guī)的雙層現(xiàn)澆鋼筋混凝土井壁已經(jīng)很難適應深凍結(jié)井的需要，不僅井壁厚度需要加大，施工速度慢，建井費用高，而且井壁開裂、壓壞、井壁透水多有發(fā)生。因此凍結(jié)法鑿井施工對混凝土的性能要求越來越高。

  攻克兩大技術(shù)難關(guān)

  高強高性能混凝土研發(fā)成功

  目前，凍結(jié)法鑿井是我國煤炭千米深井建設的主流方法，其存在的兩大技術(shù)難題嚴重制約了深井建設的發(fā)展。第一個難題是凍結(jié)法鑿井外層井壁存在的技術(shù)難點。首先是外層井壁的外側(cè)與凍結(jié)壁直接接觸，靠近井幫部位的混凝土降溫較快，強度增長較慢；在深厚黏土層中，凍土擴展速度較慢，凍結(jié)壁有效厚度較小，凍土強度較低，凍結(jié)壓力較大，有可能因混凝土強度增長率低于凍結(jié)壓力增長速度而遭受破壞；其次是由于井壁厚度大，混凝土硬化過程產(chǎn)生較多的水化熱而引起井壁溫度升高和壁后凍土的融化范圍大、回凍時間長，前者容易導致井壁出現(xiàn)溫度裂縫，后者容易導致井壁出現(xiàn)拉裂。

  第二個難題是凍結(jié)法鑿井內(nèi)層井壁存在技術(shù)難點。一是套壁過程連續(xù)澆筑的混凝土體積大和水化溫升高，外側(cè)受外層井壁的約束和低溫的影響，容易產(chǎn)生收縮、溫差裂縫。二是在凍結(jié)壁解凍過程中，井壁出現(xiàn)漏水或壁后凍土融化不均勻沉陷而導致局部破壞（如東榮二礦風井）。三是在礦井生產(chǎn)過程，因疏于排水引起沖積層段含水層水位下降或地層沉陷產(chǎn)生較大的豎向附加力而導致井壁永久性破壞。

  針對以上技術(shù)難題，中國建筑材料科學研究總院與多家總院和企業(yè)合作，將高強高性能混凝土和煤礦建井技術(shù)完美結(jié)合，凍結(jié)法鑿井用混凝土提高到了C100，解決了千米深井井壁應用C80～C100高強高性能設計和施工應用的難題，實現(xiàn)了國內(nèi)外首次利用C100混凝土設計和施工煤礦凍結(jié)法鑿井井筒。特別是C80～C100高強高性能配制、設計和施工成套技術(shù)，改變了深凍結(jié)井井壁結(jié)構(gòu)形式，確保井筒施工安全，更適合于復雜工況下的深井建設，為超過800米厚沖積層的礦井建設及千米深井凍結(jié)鑿井提供了技術(shù)支撐，顯著促進建井行業(yè)的技術(shù)進步。同時，根據(jù)現(xiàn)場實測、理論分析，課題組研究提出凍結(jié)壁形成特性綜合分析方法，進一步細化了凍結(jié)壁形成特性、基本規(guī)律的影響及因子的變化范圍和應用方法。通過課題組開發(fā)的檢測儀器和分析方法，可對凍結(jié)法施工的凍結(jié)壁和混凝土井壁進行施工性能預測分析。研究成果的推廣不僅可保證安全施工，也可為深凍結(jié)井安全快速施工創(chuàng)造凍結(jié)溫度場條件，為凍結(jié)段安全快速施工和高性能混凝土的應用提供技術(shù)保障。

  此項研究成果目前已在河南焦煤集團趙固一礦西風井成功應用。經(jīng)過實驗室模擬試驗及實際工程應用表明，中國建材總院研發(fā)的復雜工況C80～C100高性能混凝土成套技術(shù)完全能滿足千米深井深厚表土層凍結(jié)法鑿井現(xiàn)澆鋼筋混凝土井筒的施工要求。此項成果應用，不僅節(jié)約了材料，降低經(jīng)濟成本，提高混凝土強度等級減薄井壁厚度，進而降低凍結(jié)壁厚度，節(jié)省掘砌和凍結(jié)工程費用，減少投資、節(jié)省工期，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

  進入21世紀后，凍結(jié)井沖積層厚度不斷增加，已完工的井筒沖積層最厚達到675.6米，井壁混凝土標號也逐漸提高至C60~C80。中國建材總院項目的研發(fā)，不僅適合深凍結(jié)井受力特征、復雜工況C80～C100高性能混凝土成套技術(shù)，還有效解決了現(xiàn)有混凝土性能不能滿足千米深井深厚沖積層凍結(jié)井壁工程設計、施工需要的難題，并在示范工程中應用，為實現(xiàn)千米深井的安全、優(yōu)質(zhì)、快速、經(jīng)濟建設提供保障，也為提升我國煤炭深井建設水平，對于開發(fā)更深沖積層所覆蓋的煤炭資源具有重要的理論、實用價值和現(xiàn)實意義。