近日，由中國煤炭工業(yè)協(xié)會和中國煤炭學會聯(lián)合頒發(fā)的2016年度“中國煤炭工業(yè)科學技術獎”揭曉，中國建材總院報送的“深厚沖積層凍結法鑿井高強高性能混凝土關鍵技術”在層層選拔中脫穎而出，獲得一等獎。

  “這個技術是國內外都沒有解決了的，制約凍結法鑿井向大于600米深厚沖積層縱深發(fā)展的重大技術難題，位居國際領先水平?！敝袊禾靠乒ぜ瘓F有限公司天地科技建井研究院副院長、研究員李功洲說。

  我國能源安全的有力保障

  煤炭是不可再生的一次能源，在可預見的未來，煤炭仍將在能源供給結構中占據重要地位?！霸谙喈旈L的一段時間內，我國的能源格局仍將依靠煤炭等化石能源和核能供給?！敝袊こ淘涸菏繌堄褡吭诮邮堋吨袊茖W報》記者采訪時表示。

  經過幾十年的開采，我國淺層煤資源越來越少，但深部煤炭資源仍有較為豐富的儲藏，開采深層煤炭資源，對保障我國能源安全意義深遠。

  然而，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。以我國東部地區(qū)煤田為例，數百億噸優(yōu)質煤炭資源被深厚沖積層所覆蓋。穿過600米 ～800米 深厚沖積層、開鑿深達1000米以上的井筒和施工建設技術，成為我國開發(fā)深部煤炭資源的關鍵所在。

  “以往，我們用‘凍結法鑿井’進行深厚沖積層的煤炭開采，但沖積層厚度達到700米以上時，現(xiàn)有的混凝土并不能滿足高地壓、高凍結壓力對井壁高承載能力的要求，所以我們只能擴大井壁厚度，將原本2到2.5米的井壁最大厚度不得不擴大到3米、4米甚至5米，造成一系列問題?！崩罟χ拚f。

  混凝土強度等級是指混凝土的抗壓強度，數字越大，其等級和抗壓強度就越高。凍結法鑿井是深厚沖積層首選和最為主要的鑿井方法，但由于現(xiàn)有凍結法鑿井井壁高強技術不足，混凝土強度等級只有不到C80，對于更深厚沖積層凍結法鑿井井壁設計只能增加井壁厚度。

  事實上，井壁厚度過厚，不但容易造成掘進荒徑大、凍結壁厚度大、需冷量大等嚴重問題，而且太厚的短段掘砌懸吊井壁存在著難以施工、容易拉裂、不安全的問題，凍掘矛盾突出，工程造價劇增，甚至無法實施。同時，現(xiàn)有監(jiān)測技術難以實現(xiàn)深井及時安全長期對井壁及壁間溫度檢測，難以科學指導施工。

  “能否減小井壁厚度成為凍結鑿井成敗的關鍵，影響著凍結法鑿井技術的推廣應用，制約更深厚沖積層所覆蓋煤炭資源的開發(fā)?！崩罟χ拚f。

  打開“凍結法鑿井”通向縱深的大門

  要想減小井壁厚度，提高混凝土強度等級，達到“節(jié)能、節(jié)材、節(jié)約成本、節(jié)省工期”的目標絕非易事。特別是在“凍結法鑿井井壁高強高性能混凝土”的相關設計和應用技術在國內外都沒有解決、沒有成功范例的情況下，一切研究都是摸索。

  為此，中國建材總院聯(lián)合煤礦建設、科研、施工、設計等多家單位，在“十二五”國家科技支撐計劃 （2011BAE27B03）的支持下，組織開展技術攻關“深厚沖積層凍結千米深井高性能混凝土研究和應用”，目的就是要研究解決適用于煤礦凍結鑿井井筒C80～C120高強度高性能混凝土材料、設計方法及施工工藝，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

  “我們將高強高性能混凝土和煤礦建井技術結合，使凍結法鑿井用混凝土強度提高到了C100，解決了千米深井井壁應用C80 ～ C100 高強高性能混凝土設計和施工應用難題，實現(xiàn)了國內外首次利用C100混凝土設計和施工煤礦凍結法鑿井井壁?！痹擁椖康谝煌瓿扇?、中國建材總院院長姚燕說。

  姚燕介紹，項目團隊經過多年的攻關，取得了多項創(chuàng)新：一是發(fā)明了調黏型聚羧酸減水劑，研制了含有偏高嶺土的復合礦物摻合料，為實現(xiàn)井壁高強高性能混凝土良好的施工性能、低溫早強、低收縮抗裂、高耐久性及強度長期持續(xù)發(fā)展等綜合特殊性能提供專用材料；二是開發(fā)了適用于深厚沖積層凍結段井壁應用的C80~C120混凝土制備成套技術，實現(xiàn)了外層井壁的低水化熱低溫早強性能、內層井壁低水化熱抗裂密實性能，開發(fā)出機制砂C80~C100混凝土制備技術，解決了機制砂配制高強高性能混凝土質量穩(wěn)定性控制的難題；三是首次提出深厚沖積層凍結井壁結構設計應用大于C80混凝土軸心抗壓強度設計值的取值方法，解決了大于C80混凝土在凍結井壁結構中應用的設計理論，提出基于C80~C120混凝土的深厚沖積層凍結設計、凍結孔布置與凍結工藝優(yōu)化組合方式，首次實現(xiàn)C100高強高性能混凝土在深厚沖積層凍結法鑿井工程中的設計應用，井壁厚度減薄23%以上；四是首次開發(fā)了井下便攜式一總線溫度檢測系統(tǒng)、外層和內層井壁無線測溫系統(tǒng)，揭示了深厚沖積層凍結井筒“兩壁”溫度場的耦合作用規(guī)律，形成“兩壁”溫度場有效調控技術，提出深凍結井井壁壁間注漿最佳時間，配套解決了高強高性能混凝土在深厚沖積層凍結段現(xiàn)場實施關鍵技術。

  不負眾望 終獲碩果

  據了解，此項成果不僅獲得了“中國煤炭工業(yè)科學技術獎一等獎”，還同時形成了6項發(fā)明專利、1項實用新型專利，項目團隊發(fā)表相關學術論文36篇，制定了1項國家標準。

  “經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‘深厚沖積層凍結法鑿井高強高性能混凝土關鍵技術’，完全能滿足千米深井深厚表土層凍結法鑿井現(xiàn)澆鋼筋混凝土井筒施工的要求?！敝袊ú目傇航淌诩壐吖じ叽河卤硎荆椖康膽?，不僅節(jié)約了材料，降低了經濟成本，提高了混凝土強度等級，而且減薄了內外層井壁和凍結壁厚度，節(jié)省掘砌和凍結工程費用，減少投資、節(jié)省工期，創(chuàng)造了良好的經濟效益和社會效益。

  目前，項目研究成果已在趙固一礦工程得到全面應用，并將在即將開工建設的趙固二礦中部風井凍結工程得到全面推廣。凍結設計、凍結過程調控技術、監(jiān)測技術等關鍵技術，已在紅二主副風井、平煤六礦北二回風井、常家梁主副風井等工程中獲得較好的推廣應用效果。

  在已完成的趙固一礦西風井示范工程——凍結井筒C80~C100混凝土的施工中，應用C100混凝土比原設計最大減薄井壁23.8%，節(jié)約凍結鉆孔量25%和凍結需冷量25.5%，從而節(jié)省了5030萬元的建設資金。

  而即將建設的趙固二礦中部風井，如設計應用C80~C100混凝土進行井壁結構設計，則可達到井壁厚度減薄32.4%的效果；如應用于趙固二礦中部風井800米以上深厚沖積層凍結井壁設計，則可降低工程造價30%以上，單一井筒可節(jié)約資金約1億元。

  “該研究成果不僅解決了大于700 米深沖積層凍結法鑿井的重大技術難題，實現(xiàn)了顯著的社會和經濟效益，而且為實現(xiàn)千米深井的安全、優(yōu)質、經濟、快速建設提供了技術保障，對保障我國能源安全、提升我國煤炭深井建設水平、開發(fā)更深沖積層所覆蓋的煤炭資源具有重要的現(xiàn)實意義?！币ρ嗾f。

  《中國科學報》 (2017-01-19 第5版 技術經濟)