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“冻结法应用于石拉乌素煤矿和营盘壕煤矿的6个深大井筒,创造了冻结孔固管充填高度300米的世界纪录和冻结基岩井筒度849.5米的世界纪录,示范工程总计节约工程造价约1.1亿元,获2018年度中煤协会科技进步一等奖。”日前,在兖州煤业鄂尔多斯能化公司营盘壕矿700多米的宽敞明亮的大巷里,兖矿集团总工程师孟祥军介绍说。
我国煤炭资源在地理分布上呈现着“北富南贫”的总格局,且主要集中分布在山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州、宁夏等6省(自治区),其中晋、蒙、陕煤炭资源尤其丰富,被誉为“乌金三角”,有约3.58万亿吨的煤炭资源深埋在“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。“然而,在西部地区深大井筒建设过程中,很普遍地遇到孔隙、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,前期有近20个井筒用普通法凿井失败,造成重大损失。”孟祥军说,“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深大井筒!”
2010年底,兖矿集团正式进军“乌金三角”,相继开发建设金鸡滩、转龙湾、石拉乌素、营盘壕等千万吨级矿井。“到了这里后,我们了解到传统的‘普通法加注浆法’不适应这里的深富水软岩地质条件。”孟祥军解说,“2010年1月,我们正式立项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,在石拉乌素矿开展技术攻关,就是要攻克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。”
在鄂尔多斯能化公司,副总工程师周霖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:“四项关键技术攻关中,岩层冻结孔固管封水技术,掌握了浆液流动、混合及性能劣化规律,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；岩层冻结壁设计中,首次建立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；在内层井壁防裂技术中,发现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技术中,提出了井筒与硐室整体连续砌筑工艺,首次实现井筒与箕斗装载硐室冻结法联合开凿,实现了含水岩层中硐室快速、优质施工。
“采用这些关键技术,石拉乌素矿主井2013年2月1日动工,当年到底,井筒深748米,全身冻结760米,外壁从650公分减少到400公分。”周霖说,“井筒瘦身,封水效果好,干井基本看不到水。仅石拉乌素三个井筒,就节省4000多万元。”
随后,这些成熟的冻结技术又移植到营盘壕矿,同样是当年开工当年到底,六个井筒共节省投资1亿多元。凭这项关键技术,兖矿集团在乌金三角打出了名声,也树立了威望。“只要是兖矿的,他们都愿意合作。”
“我国煤炭开发格局正由‘中东部为主、区域性保障’转为‘中西部为主、向晋陕内蒙集中’发展。”在中国科学研究总院近期举办的“煤炭革命的战略与方向”成果发布会上,中国煤炭工业协会副秘书长张宏介绍。他说,随着东部老矿区资源枯竭,大部分衰老煤矿逐渐退出,西南地区资源赋存条件较差,煤矿安全生产压力大,全国煤炭生产越来越向晋陕内蒙古地区集中。
“在复杂岩层地区深大井筒建井技术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开发就无法实现,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,“项目取得直接经济效益超亿元,使我国冻结法凿井技术水平跨上一个新台阶,进入世界领先水平行列,为井工开采我国深厚富水软岩下的矿物资源创造了条件。”
