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高强高性能混凝土:让千米煤炭深井披上“钢筋铁骨”

2015年03月30日

    中国建 筑材料科学研究总院与煤炭科学研究总院、北京煤 科联应用技术研究所和焦作煤业(集团)有限公司等合作,通过国家“十二五”科技攻关项目,经过课题组3年的攻关,将高强 高性能混凝土和煤矿建井技术完美结合,冻结法 凿井用混凝土提高到了C100,解决了 千米深井井壁应用C80~C100高强高 性能设计和施工应用的难题,实现了 国内外首次利用C100混凝土 设计和施工煤矿冻结法凿井井筒。


    煤炭建 井技术有待创新


    深井材 料市场需求迫切


    经过近几十年的开采,目前我 国浅层煤炭资源越来越少,深部煤 炭资源仍有较为丰富的储藏,如我国 东部地区煤田煤质很好,数百亿 吨优质煤炭资源被深厚冲积层所覆盖。随着煤 炭资源向深部开发,煤炭建 井的趋势是井筒向纵深发展,冲积层越来越厚,井型越来越大。穿过600~800米深厚冲积层、开凿深达1000米以上 的井筒的施工建设技术成为我国开发深部煤炭资源的关键所在。


    冻结法 凿井是我国穿过深厚冲积层和含水松软岩层的主要施工方法,此方法 是在开凿井筒前,将井筒 周围含水层用人工制冷方法,冻结成 封闭的圆筒形冻结壁,以抵抗 地压并隔绝地下水与井筒的联系,在冻结 壁的保护下进行掘砌作业的施工方法。冻结法 凿井在井筒周围钻若干冻结孔,孔内安装由供液管、回液管 和底端封闭的冻结管组成的冻结器;地面冷 冻站将制出的低温媒剂循环输送到冻结器内,吸收底层的热量,使含水 层形成以冻结管为中心的冻结圆柱,逐渐扩 大与相邻的冻结圆柱连成封闭的冻结壁,随后即 可进行井筒掘砌、冷冻站拆除、冻结管 拔出和冻结孔充填,最后冻结壁自然解冻,恢复地层初始状态。


    1955年,冻结法 凿井技术首次在开滦林西煤矿开凿风井中应用,截至20世纪80年代我国已开凿190多个井筒,累计冻结深度超过3万米,井筒穿 过的冲积层最大厚度为358.5米,冻结最大深度为415米。90年代,井筒穿 过的冲积层最大厚度达374.5米,冻结最大深度达到435米。跨入21世纪,新建矿 井穿过的冲积层厚度和冻结深度呈跳跃式增长。随着冲 积层的延深和冻结深度的增加,冻结压力、地压和水压增大,常规的 双层现浇钢筋混凝土井壁已经很难适应深冻结井的需要,不仅井 壁厚度需要加大,施工速度慢,建井费用高,而且井壁开裂、压坏、井壁透水多有发生。因此冻 结法凿井施工对混凝土的性能要求越来越高。


    攻克两大技术难关


    高强高 性能混凝土研发成功


    目前,冻结法 凿井是我国煤炭千米深井建设的主流方法,其存在 的两大技术难题严重制约了深井建设的发展。第一个 难题是冻结法凿井外层井壁存在的技术难点。首先是 外层井壁的外侧与冻结壁直接接触,靠近井 帮部位的混凝土降温较快,强度增长较慢;在深厚黏土层中,冻土扩展速度较慢,冻结壁有效厚度较小,冻土强度较低,冻结压力较大,有可能 因混凝土强度增长率低于冻结压力增长速度而遭受破坏;其次是 由于井壁厚度大,混凝土 硬化过程产生较多的水化热而引起井壁温度升高和壁后冻土的融化范围大、回冻时间长,前者容 易导致井壁出现温度裂缝,后者容 易导致井壁出现拉裂。


    第二个 难题是冻结法凿井内层井壁存在技术难点。一是套 壁过程连续浇筑的混凝土体积大和水化温升高,外侧受 外层井壁的约束和低温的影响,容易产生收缩、温差裂缝。二是在 冻结壁解冻过程中,井壁出 现漏水或壁后冻土融化不均匀沉陷而导致局部破坏(如东荣二矿风井)。三是在矿井生产过程,因疏于 排水引起冲积层段含水层水位下降或地层沉陷产生较大的竖向附加力而导致井壁永久性破坏。


    针对以上技术难题,中国建 筑材料科学研究总院与多家总院和企业合作,将高强 高性能混凝土和煤矿建井技术完美结合,冻结法 凿井用混凝土提高到了C100,解决了 千米深井井壁应用C80~C100高强高 性能设计和施工应用的难题,实现了 国内外首次利用C100混凝土 设计和施工煤矿冻结法凿井井筒。特别是C80~C100高强高性能配制、设计和施工成套技术,改变了 深冻结井井壁结构形式,确保井筒施工安全,更适合 于复杂工况下的深井建设,为超过800米厚冲 积层的矿井建设及千米深井冻结凿井提供了技术支撑,显著促 进建井行业的技术进步。同时,根据现场实测、理论分析,课题组 研究提出冻结壁形成特性综合分析方法,进一步 细化了冻结壁形成特性、基本规 律的影响及因子的变化范围和应用方法。通过课 题组开发的检测仪器和分析方法,可对冻 结法施工的冻结壁和混凝土井壁进行施工性能预测分析。研究成 果的推广不仅可保证安全施工,也可为 深冻结井安全快速施工创造冻结温度场条件,为冻结 段安全快速施工和高性能混凝土的应用提供技术保障。


    此项研 究成果目前已在河南焦煤集团赵固一矿西风井成功应用。经过实 验室模拟试验及实际工程应用表明,中国建 材总院研发的复杂工况C80~C100高性能 混凝土成套技术完全能满足千米深井深厚表土层冻结法凿井现浇钢筋混凝土井筒的施工要求。此项成果应用,不仅节约了材料,降低经济成本,提高混 凝土强度等级减薄井壁厚度,进而降低冻结壁厚度,节省掘 砌和冻结工程费用,减少投资、节省工期,创造了 良好的经济效益和社会效益。


    进入21世纪后,冻结井 冲积层厚度不断增加,已完工 的井筒冲积层最厚达到675.6米,井壁混 凝土标号也逐渐提高至C60~C80。中国建 材总院项目的研发,不仅适 合深冻结井受力特征、复杂工况C80~C100高性能 混凝土成套技术,还有效 解决了现有混凝土性能不能满足千米深井深厚冲积层冻结井壁工程设计、施工需要的难题,并在示范工程中应用,为实现 千米深井的安全、优质、快速、经济建设提供保障,也为提 升我国煤炭深井建设水平,对于开 发更深冲积层所覆盖的煤炭资源具有重要的理论、实用价值和现实意义。



来源:中国建材报

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