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我国深井快速建井综合技术 洪 伯 潜 煤炭科学研究总院,北京 100013 摘 要我国煤炭埋藏深度在1 000～2 000 m的约占总储量的5312 ,深井建设的平均深度有加 速增长的趋势。结合深井快速建井的几个代表性工程介绍钻井法和冻结法凿井技术在深井建设中的 应用。探讨了深井建设中支护技术、通风降温技术、防治水技术、施工工艺与装备技术等问题。 关键词深井建井技术;千米立井;“ 三同时 ”;特殊凿井 中图分类号TD26 文献标识码 A 文章编号 0253 - 2336 2006 01 - 0008 - 04 Comprehensive technology for deep m ine rapid construction HONG Bo2qian China Coal Research Institute, Beijing 100013, China Abstract Coal reserves at the depth ranging from 1 000 to 2 000 m in China is taken about 5312 of the total coal reserves in China. The average depth of the deep mine shafts to be constructed is going to deeper and deeper .The paper introduced the mine shaft drilling and mine shaft freezing sinking technologies applied to mine construction with several representative mine deep shaft rapid construction projects .The paper also discussed the support technology, ventilation and air conditioning technology, water prevention and control tech2 nology, construction technology and equipment technology applied in the mine shaft construction. Key words deep mine shaft construction; deep mine shaftwith a depth over 1 000 m; mine shaft special sinking technology 我国煤炭相对于石油、天然气属资源赋存比较 丰富的能源,在一次能源结构中占70左右。建 国56年来,共生产煤炭超过350亿t。而我国煤炭 资源埋藏深度在1 000～2 000 m的约占总储量的 5312图 1 。 图1 我国煤炭资源赋存深度 经过几十年的发展,煤炭深部资源开采问题日 益突出,特别是20世纪90年代中期以来,深井建 设的平均深度有加速增长的趋势,根据不同时期前 5位深井平均的深度统计, 70年代为58316 m, 80 年代为61514 m, 90年代前5年为67919 m,后5 年为81513 m。进入21世纪,开始了几个千米井 的兴建,我国新建深井平均深度已超过千米。 我国煤系地层的另一个特点是东部经济发达地 区,许多煤田上部覆盖有深厚冲积层,给矿井建设 带来新的困难。据初步了解,仅山东、安徽、河 南、河北等省,就有11处以上的煤田埋藏于400 ～800 m深厚冲积层下面,而该地区浅部煤层日益 枯竭,研究解决深厚冲积层的井筒施工技术,同样 成为我国深井开发中的突出课题。 1 国内外发展现状 煤炭资源开发由浅部向深部发展是客观的必然 规律,德国和原苏联的一些矿井采深达1 400～ 1 500 m,加拿大超过1 000 m的矿井有30座,美 国有11座。他们在建设过程中也同样遇到了深部 矿井开发所特有的一些技术难题,有些已经得到较 好解决。在深厚冲积层特殊凿井技术方面,德国、 英国、波兰、加拿大、比利时等国家冻结法凿井深 度均超过600 m,煤矿中冻结深度最深的波兰的鲁 布林煤矿一号井,冻结深度达到725 m。国外钻井 法用于施工类似我国地层条件的井筒不多,比较典 型的有,德国钻机在荷兰施工的煤矿,深512 m, 钻井直径7165 m;美国钻机在澳大利亚西部的阿 格纽镍矿岩层中,钻成一个直径41267 m,深663 8 第34卷第1期 煤 炭 科 学 技 术 2006年1月 m的风井。近年来我国在深井开发建设中,先后完 成了淄博唐口矿同一井场3个超千米井筒的 建设,研究开发了邢台邢东矿深井 “ 三同时 ”快 速凿井新技术以及新汶龙固矿4个近600 m深厚冲 积层特殊凿井工程,都属国际深井建设的先进水 平。在巷道支护、深部动力灾害和深井降温等方 面,通过引进国外先进技术,也取得了长足进步, 但由于我国地质条件复杂,在解决深井快速建井技 术上,还需结合我国的地层特点,深入系统的研 究。 2 我国深井快速建井的几个代表性工程 211 唐口千米立井 淄博唐口矿井,位于山东省济宁市西侧,设计 年生产能力300万t,采用立井开拓,主、副、风 3个超千米井筒,深度为1 030 m、1 061 m和1 045 m,净直径为715 m、710 m和610 m,布置在同一 工业广场内。井筒穿过冲积层210 m,主要由粘 土、砂质粘土及砂层组成,基岩属侏罗系和部分二 叠系岩层,基岩段共有6个含水层,预计涌水量分 别为12219 m 3 /h,623141 m 3 /h和223198 m 3 /h 表 1 。 表1 唐口矿各井筒基本参数 项目表土深度/m井筒深度/m井筒直经/m涌水量/m3h- 1 主井2161161 030715122190 副井2141621 061710623141 风井2151471 045610223198 唐口矿主、副、风井筒分别于2002年4月、 2002年1月和2001年10月正式开工,表土段采用 冻结法施工,掘进用HZ - 6型中心回转抓岩机直 接破土装罐,辅以人工铁锹、G11风镐挖掘和刷 帮。冻结基岩采用钻爆法施工, FJD - 617或FJD - 6A型伞钻打眼,中深孔光面爆破,T220中威力低 温防冻水胶炸药, 1～5段毫秒延期电磁雷管,专 用地面高频发爆器引爆。冻结段外壁施工采用短段 掘砌,段高316 m 风井和410 m 主、副井 , 砌壁模板为 MJY - 316 /81 6 主井 ; 冻结段内壁 施工从下往上套砌。基岩段施工基本同冻结基岩, 炸药选用T220高威力水胶炸药,短段掘砌,永久 井壁采用C30～C50混凝土浇筑。主、副、风井均 在地面布置两套提升绞车,主、副井采用410 m 3 吊桶提升830 m以深更换为310 m 3吊桶 , 风井 采用310 m 3吊桶提升 ,座钩式自动翻矸,自卸翻 斗汽车运输排矸。随着施工深度的加大,深部围岩 在高应力作用下进入软岩状态,常规不施加任何临 时支护的短段掘砌混合作业法,已无法满足安全生 产需要,需采取了相应的措施。又针对深立井井筒 施工,排水是制约施工安全和质量的关键因素,采 用了高扬程卧泵排水系统排水,合理组织施工,按 工序实行 “ 滚班 ”作业,提高了工程施工进度。3 个井筒分别于2003年8月10日、2003年5月29 日和2003年2月9日竣工,取得平均月成井10018 m, 117 m和11213 m的成绩,充分体现了综合机 械化配套和合理组织施工的优势。 212 邢东矿 “ 三同时 ”建井技术 “ 三同时 ”建井,是在受控钻孔定向钻进 技术发展的基础上提出的,将传统井筒建设中上部 冲积层冻结、下部岩层注浆、井筒掘砌依次施工的 顺序,通过一定的技术手段,使三者在同一井筒, 同一时间,不同的深度上同时施工,达到缩短工 期,确保安全的平行作业。在煤矿建设中,注浆是 岩土加固和治水的一种特殊施工方法,也是实现打 干井、提高工程质量、推进井巷施工机械化、加快 建井速度的一项重要技术措施。“ 三同时 ”建井的 核心是处理好注浆孔与其它工序的平行作业和钻孔 质量。研究采用受控钻孔和少孔大段高注浆等新技 术,达到缩短工期,提高质量的效果。 注浆、冻结、掘砌三者平面位置是根据冻结圈 径及永久井架位置确定的。关键是确定 “S”孔注 浆段钻机的地面位置,它主要受定向 “S”注浆孔 的技术参数,最外侧冻结管圈径的影响。邢东副井 冻结孔外圈直径1115 m,冻结深度245 m,冻结壁 厚度3 m。在245 m深度上,定向 “S”孔应在距 冻结体2 m的安全距离以外,设计 “S”孔钻机的 地面布置圈径为44 m, 3台钻机分别位于30 、 150 、270方位上,“S”孔施工中, 0～23215 m 为直孔段, 23215～400 m为定向段, 400～85215 m为直孔段。而淮南顾桥矿副井冻结深度319 m, 冻结孔外圈直径1818 m,“S”孔注浆钻机的地面 布置圈径为40 m 图 2 。 复杂地层深井筒采用 “ 三同时 ”施工法,大 大提高了建设速度,邢东矿创造了基岩月成井191 m,全井筒平均月成井131 m的当时全国最高纪 录。该研究成果已在淮南、新集等矿区广泛推广应 9 第34卷第1期 煤 炭 科 学 技 术 2006年1月 图2 顾桥矿井副井 “ 三同时 ”施工井筒剖面示意 用,技术上不断得到完善和提高,取得了巨大的经 济及社会效益。 213 龙固矿深厚冲积层特殊凿井 龙固矿位于山东省巨野煤田的中南部,设计生 产能力600万t/a,设主井双井筒2 -51 5 m 、 副井71 0 m 、风井 6 1 0 m 4个井筒。井筒 冲积层厚、特殊施工深度和井筒总深度见表2。 表2 各井筒主要参数 项目施工方法表土深/m施工深/m井 深/m 主井1钻井法546583845 主井2钻井法546583855 副井冻结法568650878 风井钻井法533581764 龙固矿井井筒特殊施工无论是钻井法或冻结 法,都是我国目前已竣工相应方法最深的井筒,代 表了我国特殊凿井的新水平,解决了该煤田发现 20年来未能开发的问题。龙固矿4个井筒特殊凿 井井口如图3所示。 钻井法凿井全部作业在地面操作,成本低、质 量好、安全、无职业病危害。是一种机械化程度很 高的竖井井筒特殊施工方法。我国钻井法凿井已竣 工的60个井筒中,深度超过400 m的有10个。龙 图3 山东龙固矿4个井筒特殊凿井井口 固矿主井井筒表土不稳定地层厚546 m,超过我国 钻井法已完成的最深井筒淮南潘三西风井106 m, 钻井深度583 m,比潘三西风井深75 m,使钻井法 凿井在应用上,实现了一个巨大的跨越。通过对竖 向附加力控制的研究,全面分析井壁的受力条件, 优化结构形式和设计方法,首次全面采用拥有自主 知识产权的单内钢板约束混凝土井壁,增强了井筒 强度。研究采用新型结构 钢筋混凝土削球厚壳 井壁底,总厚度仅700 mm,成功地承受了22 000 t 井壁悬浮下沉荷载考验。研究解决了近600 m深井 筒,承受巨大外力对井壁结构强度要求与悬浮下沉 安装对结构自重限制的矛盾。近600 m长的井壁悬 浮下沉安装,有效地控制整体结构不发生竖向失 稳,保证工程安全并满足主井使用要求。 龙固主井2个井筒于2002年8月18日和11 月18日开钻, 2004年6月9日和9月9日结束, 撤离井口。悬浮下沉安装近200层楼高井壁,成井 测量结果偏值仅134 mm和115 mm,远小于设计 控制值。现井筒全深已掘砌到底,钻井工程经受了 长期复杂的受力考验,未出现任何异常现象。在深 厚不稳定含水冲积层中,无论是钻井法凿井深度, 还是穿过表土不稳定含水地层的厚度,均属国内外 第一,综合技术达到国际领先水平。 冻结法凿井是我国应用最广泛的井筒特殊施工 方法,至今已施工了近500个井筒,龙固矿副井穿 过冲积层厚56717 m,冻结深度650 m,是至今我 国已完成冻结法施工穿过冲积层最厚、冻结深度最 深的井筒。该井筒穿过粘土层占冲积层总厚度的 77182 ,最厚一层达7915 m。深厚冲积层冻结法 凿井,尤其是巨厚粘土层施工,冻结壁的强度和稳 定性,关系到工程的成败与经济效果,是冻结工程 的核心。龙固副井深入开展了冻结壁径向位移规律 01 第34卷第1期 煤 炭 科 学 技 术 2006年1月 的研究,采用大型有限元程序对冻结壁厚度进行优 化计算,获得了冻结壁的弹塑性及蠕变位移规律, 取得了冻结壁厚度的合理设计值。采用 “ 靶域施 工 ”严格控制钻孔偏斜率和最大孔距,确保冻结 壁的均匀和整体稳定性,有效地防止井壁开裂和冻 结管断裂;掘砌中注意对基本参数的观测和数据反 馈,严格控制盐水温度,使冻结壁的强度、温度和 厚度都维持设计的要求即表土层下部,冻结壁 有效厚度1112 m,平均温度- 20℃,井帮温度在 - 19～- 20℃。由于挖掘井筒圈径比较大,为防 止上部片帮削弱对外壁的围抱力,在布置三圈孔的 前提下,增设了少量深度80～100 m的防片帮孔。 在永久井壁施工中,特别是高性能混凝土的施工全 过程,全方位进行质量控制,取得了良好的效果, 现工程已顺利地完成冻结段的掘砌,进入岩石段施 工2005年10月13日副井掘砌至663 m,井深 8741 8 m 。 3 需要研究的几个课题 311 深井支护技术 井深地压大,岩石软岩化,致使一般支护技术 难于适应,在国内几个超千米深井的实践中,总结 出一些富有特色的深井支护方法。但系统地归纳成 规律性的东西,还有待进一步深化。对于深厚冲积 层的支护问题就更为突出,深600 m左右冲积层冻 结法施工净直径6～7 m的井筒,井壁总厚度一般 都超过2 m,随着深度的增加,井壁加厚不但造价 高、施工困难,而且结构不合理,因为厚壁筒结构 的厚径比大于一定值后,材料效率急剧下降;钻井 法凿井由于受悬浮下沉安装基本工艺的限制,井壁 太厚浮不起来,就失去了钻井法实施的可能性。因 此,“ 结构创新 ”将成为深厚冲积层特殊凿井支护 技术发展的关键。 312 通风降温技术 井深地温升高,劳动条件差,设备使用效率 低,因此在深井掘砌施工中,加强通风降温技术的 研究,就显得格外突出。另一方面,地温升高将增 加了冻结法施工对冻结壁维护的困难以及钻井法施 工中造成泥浆发酵而失效等问题,都是实践中屡次 遇到的现象,是深井特殊施工需要解决的新课题 。 313 防水、治水技术 随着井深加大,地层构造一般比较复杂,含水 层水量大、压强高,水的治理往往是深井施工的大 问题,成为制约施工安全和质量管理的瓶颈。采用 注浆方法,仍是深井岩石层治水的有效方法。国内 外也有采用地层冻结的方法来解决局部水的问题, 如我国山东郭屯矿冲积层厚583～587 m ,井深 853～884 m,由于靠近冲积层的岩层水大,采取加 大冻结深度到702 m的方法来解决该层水的问题。 314 施工工艺与装备技术 提高深井建设水平,除上述专项技术外,关 键在于提高施工机械化水平。近年来通过引进学习 国际上先进技术的基础上,研究开发了适合我国条 件的深井掘砌工艺和机械设备,取得了较大的进 步。唐口矿3个千米井的兴建,平均月成井超百 米;仅用415 a建成实际生产能力825万t/a矿区 的 “ 济北模式 ”;山东龙固、郭屯,安徽丁集、板 集的深厚冲积层特殊凿井技术。都取得了一定的经 验,并有所突破和创新。 上述成绩,虽然总体上还处于起步阶段,尚未 形成一套完整的适合我国煤矿深部矿井开发的先进 理论、施工工艺和设备,在建井界的共同努力下, 经过 “ 十一五 ”期间的协同攻关,在1 000～1 500 m深立井综合防治水、井筒凿砌施工工艺与技术装 备研究,深井支护以及深厚冲积层冻结法和钻井法 凿井技术等各方面再上一个新台阶,使我国深井快 速建井综合技术跃居世界前矛是完全可能的。 参考文献 [1] 周兴旺,王长生.快速建井与东部特殊凿井[A ].首届全 国建井年评论文集[ C ].徐州中国矿业大学出版社, 2004. 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