當(dāng)前，國(guó)內(nèi)千米深井建設(shè)已邁入規(guī)模化階段。超深豎井建造面臨哪些挑戰(zhàn)？技術(shù)發(fā)展又將走向何方？日前舉辦的全國(guó)超深豎井建造技術(shù)交流研討會(huì)上，與會(huì)代表深入探討深部資源安全高效開發(fā)的技術(shù)路徑與未來圖景。
“超深豎井建造作為國(guó)家深地戰(zhàn)略實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，正成為深部資源開發(fā)與地下空間利用不可或缺的‘生命線’?！敝袊?guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)黨委委員、副會(huì)長(zhǎng)孫守仁在會(huì)上表示。
深井建設(shè)取得階段性成果
“我國(guó)已探明的煤炭資源中，近60%埋深在2000米至4000米之間。深井建設(shè)是打開深地資源寶庫(kù)不可或缺的鑰匙?！敝袊?guó)煤炭建設(shè)協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)張彥祿表示。
我國(guó)已建成或在建深度超過千米的礦山豎井超過100條，平均采深1086米，最大采深超過1500米，井筒最深達(dá)2005.2米。其中，煤礦立井最深達(dá)1341.6米，井筒直徑8米，井筒掘進(jìn)平均速度超過110米/月。
在我國(guó)，鉆爆法仍是當(dāng)前深井建設(shè)成熟的主流工法。該方法在深井硬巖地層中已實(shí)現(xiàn)200兆帕高強(qiáng)巖石的高效爆破，最大排渣能力達(dá)80立方米/小時(shí)，提升機(jī)最大靜張力達(dá)50噸，整體技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
張彥祿表示，鉆爆法具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活的優(yōu)勢(shì)，但面臨作業(yè)人員多、作業(yè)環(huán)境差、爆破影響大等挑戰(zhàn)。隨著短段掘砌綜合鑿井技術(shù)的成熟，我國(guó)已初步構(gòu)建起深豎井地層探測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論，發(fā)展了深井巖體爆破控制理論方法，鑿井機(jī)械化、自動(dòng)化水平顯著提升。
在深部地層治水與加固方面，我國(guó)將地面預(yù)注漿深度推進(jìn)至1600米，并研發(fā)了多種適應(yīng)性注漿材料。采用“凍—注—鑿”平行作業(yè)工藝，治理深度可達(dá)1500米至2000米，已在冀中能源集團(tuán)邢東煤礦、皖北煤電集團(tuán)朱集西煤礦等煤礦成功應(yīng)用。
同時(shí)，新型豎井鉆機(jī)及配套裝備已將巖石地層鉆井深度推進(jìn)至近700米，為陜西延長(zhǎng)石油可可蓋煤礦、淮北礦業(yè)集團(tuán)陶忽圖煤礦等智能化建設(shè)提供了核心支撐，但鉆井法有其局限性，僅用于深度不超過700米的無提升豎井施工。
“在富水軟弱地層，凍結(jié)法鑿井技術(shù)取得了新突破。西部煤系地層‘弱膠結(jié)、強(qiáng)凍脹’凍結(jié)壁形成理論的建立，攻克了弱膠結(jié)地層條件凍結(jié)法施工凍結(jié)壁維護(hù)困難的問題，高家堡煤礦井筒凍結(jié)深度達(dá)990米，創(chuàng)造了凍結(jié)立井深度世界紀(jì)錄?！北本┛萍即髮W(xué)教授紀(jì)洪廣補(bǔ)充道。
在深井災(zāi)害防控領(lǐng)域，中煤建設(shè)集團(tuán)三處積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。據(jù)該處總工程師江軍介紹，針對(duì)復(fù)雜富水地層，該處先后試驗(yàn)了超細(xì)水泥、脲醛樹脂等注漿材料，推動(dòng)中高壓注漿設(shè)備應(yīng)用，構(gòu)建起綜合水害防治技術(shù)體系。面對(duì)深部工程熱害挑戰(zhàn)，該處依托多個(gè)項(xiàng)目形成因地制宜的制冷降溫方案。
在巖爆防治方面，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授竇林名指出，防治此類災(zāi)害需采取區(qū)域防范與局部解危相結(jié)合的綜合策略，通過優(yōu)化采掘布局、實(shí)施卸壓鉆孔與爆破，并建立多級(jí)柔性支護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)安全水平與生產(chǎn)效能雙提升。
超深井提升研究取得新進(jìn)展
超深礦井提升系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)深部采礦的關(guān)鍵。中國(guó)工程院院士葛世榮表示，超深井提升是當(dāng)前深地開發(fā)中備受關(guān)注的“卡脖子”難題，超深礦井提升系統(tǒng)必須確?！斑M(jìn)得去、運(yùn)得出”。
“提升系統(tǒng)是超深立井建井時(shí)連接地面和井下的‘咽喉設(shè)備’，提升鋼絲繩作為深立井提升系統(tǒng)的‘生命線’，一旦發(fā)生纏繞故障或失效，將導(dǎo)致提升作業(yè)中止，甚至造成吊桶墜毀和人員傷亡惡性事故?！敝袊?guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）教授王大剛表示。
葛世榮團(tuán)隊(duì)研發(fā)了超深立井鋼絲繩振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，提出了多層纏繞工況評(píng)估與承載安全性分析方法。面對(duì)超深環(huán)境下鋼絲繩“自重占比高、強(qiáng)度壽命短”的矛盾，葛世榮團(tuán)隊(duì)提出采用高強(qiáng)纖維與鋼絲混合的創(chuàng)新思路。
目前，國(guó)產(chǎn)提升機(jī)性能顯著提升，最高提升速度達(dá)8米/秒，鋼絲繩終端荷載可達(dá)500千牛，可支持2000米深井配用5立方米以上吊桶，為千萬噸級(jí)深井建設(shè)提供了裝備保障。
面對(duì)深井提升懸吊風(fēng)險(xiǎn)，中煤建設(shè)集團(tuán)三處自主研發(fā)了Ⅷ型鑿井井架，使用50噸鑿井絞車、雙向驅(qū)動(dòng)的5.5米鑿井專用提升機(jī)配置合理的天輪及鋼絲繩，并采用一系列保護(hù)、鋼絲繩無損監(jiān)測(cè)及智能控制系統(tǒng)，保證提升系統(tǒng)安全運(yùn)行。
面向未來超深井大負(fù)載提升需求，葛世榮團(tuán)隊(duì)研制出直線電機(jī)—鋼絲繩復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可顯著提升50噸箕斗與60噸罐籠的承載能力。目前，該系統(tǒng)已完成實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。
“超深礦井提升裝備正朝著輕量化、智能化、連續(xù)化與直驅(qū)化方向演進(jìn)。其中，直線驅(qū)動(dòng)與混合繩牽引技術(shù)，有望成為推動(dòng)行業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的關(guān)鍵力量?！备鹗罉s說。
向深部進(jìn)軍需協(xié)同攻關(guān)
盡管我國(guó)深井建設(shè)已經(jīng)取得階段性成果，但面對(duì)2000米以深的復(fù)雜地質(zhì)條件，超深豎井建造仍有不少技術(shù)難題亟待攻克。
“2000米以深的深地工程科學(xué)規(guī)律尚未探明，‘黑箱’或‘灰箱’狀態(tài)尚未有效改善，深地工程活動(dòng)普遍存在著一定程度的盲目性、低效性和不確定性?！敝袊?guó)工程院院士陳湘生說。
深井建設(shè)面臨理論滯后的問題。張彥祿認(rèn)為，深部地層高應(yīng)力、高地溫、高滲透壓“三高”問題突出，傳統(tǒng)建井理論難以適用。圍巖與井筒相互作用機(jī)制不清，井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亟待突破，水害、巖爆等災(zāi)害防控技術(shù)也需系統(tǒng)研發(fā)。
在工藝與裝備方面，傳統(tǒng)豎井作業(yè)模式已難以滿足深層開發(fā)需求。各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，掘進(jìn)、支護(hù)、裝運(yùn)等環(huán)節(jié)銜接不暢，面臨“裝備分散、工序離散、協(xié)同壁壘”的困局，迫切需要智能裝備與工藝革新，為深井建設(shè)注入新動(dòng)力。
面對(duì)深部開拓的未知領(lǐng)域，陳湘生提出了需要考慮的四個(gè)問題：一是提升深度問題，突破2000米一次鑿全深的立井開拓方式是否仍然適用；二是地層改性問題，高壓高溫堵水加固注漿技術(shù)、注漿材料是否仍然適用；三是支護(hù)結(jié)構(gòu)問題，高壓高溫井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、支護(hù)方式是否仍然適用；四是破巖方式問題，高壓濕熱環(huán)境下鉆孔爆破破巖技術(shù)是否仍然適用。
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授楊維好建議，針對(duì)超深巖層，重點(diǎn)攻關(guān)低滲漏單層井壁技術(shù)、微細(xì)孔（裂）隙巖層注漿堵水技術(shù)、無人化鑿井技術(shù)和超深巖層安全高效凍結(jié)技術(shù)。
“超深豎井建造技術(shù)的突破從來不是一家企業(yè)的‘獨(dú)角戲’，而是全行業(yè)協(xié)同發(fā)力的‘大合唱’。這項(xiàng)技術(shù)將帶動(dòng)智能鑿井裝備、深部地質(zhì)探測(cè)等上下游技術(shù)集群創(chuàng)新，推動(dòng)行業(yè)從淺層經(jīng)驗(yàn)施工向深部智能建造轉(zhuǎn)型?！敝袊?guó)中煤能源集團(tuán)有限公司黨委委員、副總經(jīng)理、總工程師馬世志說。
張彥祿表示，深井建設(shè)是一場(chǎng)多學(xué)科交叉的技術(shù)革命，必須構(gòu)建“企業(yè)敢投入、高校愿深耕、院所能轉(zhuǎn)化”的創(chuàng)新生態(tài)，通過打破壁壘、協(xié)同與聯(lián)合攻關(guān)，為向地球深部進(jìn)軍提供核心支撐。