高強(qiáng)高性能混凝土：讓千米煤炭深井披上“鋼筋鐵骨”

凍結(jié)法施工冷凍機(jī)房

  中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院與煤炭科學(xué)研究總院、北京煤科聯(lián)應(yīng)用技術(shù)研究所和焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限公司等合作，通過(guò)國(guó)家“十二五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)課題組3年的攻關(guān)，將高強(qiáng)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(yīng)用C80～C100高強(qiáng)高性能設(shè)計(jì)和施工應(yīng)用的難題，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)外首次利用C100混凝土設(shè)計(jì)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(chǎng)需求迫切

  經(jīng)過(guò)近幾十年的開(kāi)采，目前我國(guó)淺層煤炭資源越來(lái)越少，深部煤炭資源仍有較為豐富的儲(chǔ)藏，如我國(guó)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(kāi)發(fā)，煤炭建井的趨勢(shì)是井筒向縱深發(fā)展，沖積層越來(lái)越厚，井型越來(lái)越大。穿過(guò)600~800米深厚沖積層、開(kāi)鑿深達(dá)1000米以上的井筒的施工建設(shè)技術(shù)成為我國(guó)開(kāi)發(fā)深部煤炭資源的關(guān)鍵所在。

  凍結(jié)法鑿井是我國(guó)穿過(guò)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(kāi)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(hù)下進(jìn)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(kuò)大與相鄰的凍結(jié)圓柱連成封閉的凍結(jié)壁，隨后即可進(jìn)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(fù)地層初始狀態(tài)。

  1955年，凍結(jié)法鑿井技術(shù)首次在開(kāi)灤林西煤礦開(kāi)鑿風(fēng)井中應(yīng)用，截至20世紀(jì)80年代我國(guó)已開(kāi)鑿190多個(gè)井筒，累計(jì)凍結(jié)深度超過(guò)3萬(wàn)米，井筒穿過(guò)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(guò)的沖積層最大厚度達(dá)374.5米，凍結(jié)最大深度達(dá)到435米?？缛?1世紀(jì)，新建礦井穿過(guò)的沖積層厚度和凍結(jié)深度呈跳躍式增長(zhǎng)。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(yīng)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(fèi)用高，而且井壁開(kāi)裂、壓壞、井壁透水多有發(fā)生。因此凍結(jié)法鑿井施工對(duì)混凝土的性能要求越來(lái)越高。

  攻克兩大技術(shù)難關(guān)

  高強(qiáng)高性能混凝土研發(fā)成功

  目前，凍結(jié)法鑿井是我國(guó)煤炭千米深井建設(shè)的主流方法，其存在的兩大技術(shù)難題嚴(yán)重制約了深井建設(shè)的發(fā)展。第一個(gè)難題是凍結(jié)法鑿井外層井壁存在的技術(shù)難點(diǎn)。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(qiáng)度增長(zhǎng)較慢；在深厚黏土層中，凍土擴(kuò)展速度較慢，凍結(jié)壁有效厚度較小，凍土強(qiáng)度較低，凍結(jié)壓力較大，有可能因混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率低于凍結(jié)壓力增長(zhǎng)速度而遭受破壞；其次是由于井壁厚度大，混凝土硬化過(guò)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(shí)間長(zhǎng)，前者容易導(dǎo)致井壁出現(xiàn)溫度裂縫，后者容易導(dǎo)致井壁出現(xiàn)拉裂。

  第二個(gè)難題是凍結(jié)法鑿井內(nèi)層井壁存在技術(shù)難點(diǎn)。一是套壁過(guò)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(guò)程中，井壁出現(xiàn)漏水或壁后凍土融化不均勻沉陷而導(dǎo)致局部破壞（如東榮二礦風(fēng)井）。三是在礦井生產(chǎn)過(guò)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(dǎo)致井壁永久性破壞。

  針對(duì)以上技術(shù)難題，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院與多家總院和企業(yè)合作，將高強(qiáng)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(yīng)用C80～C100高強(qiáng)高性能設(shè)計(jì)和施工應(yīng)用的難題，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)外首次利用C100混凝土設(shè)計(jì)和施工煤礦凍結(jié)法鑿井井筒。特別是C80～C100高強(qiáng)高性能配制、設(shè)計(jì)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(fù)雜工況下的深井建設(shè)，為超過(guò)800米厚沖積層的礦井建設(shè)及千米深井凍結(jié)鑿井提供了技術(shù)支撐，顯著促進(jìn)建井行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、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(jìn)一步細(xì)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(yīng)用方法。通過(guò)課題組開(kāi)發(fā)的檢測(cè)儀器和分析方法，可對(duì)凍結(jié)法施工的凍結(jié)壁和混凝土井壁進(jìn)行施工性能預(yù)測(cè)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(chǎng)條件，為凍結(jié)段安全快速施工和高性能混凝土的應(yīng)用提供技術(shù)保障。

  此項(xiàng)研究成果目前已在河南焦煤集團(tuán)趙固一礦西風(fēng)井成功應(yīng)用。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)及實(shí)際工程應(yīng)用表明，中國(guó)建材總院研發(fā)的復(fù)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(xiàng)成果應(yīng)用，不僅節(jié)約了材料，降低經(jīng)濟(jì)成本，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)減薄井壁厚度，進(jìn)而降低凍結(jié)壁厚度，節(jié)省掘砌和凍結(jié)工程費(fèi)用，減少投資、節(jié)省工期，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

  進(jìn)入21世紀(jì)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(dá)到675.6米，井壁混凝土標(biāo)號(hào)也逐漸提高至C60~C80。中國(guó)建材總院項(xiàng)目的研發(fā)，不僅適合深凍結(jié)井受力特征、復(fù)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(shè)計(jì)、施工需要的難題，并在示范工程中應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)千米深井的安全、優(yōu)質(zhì)、快速、經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供保障，也為提升我國(guó)煤炭深井建設(shè)水平，對(duì)于開(kāi)發(fā)更深沖積層所覆蓋的煤炭資源具有重要的理論、實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。