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打井不用下井挖 ——洪伯潜院士忆煤矿深大竖井
发表时间:2019-08-17

  本文原标题:《打井不用下井挖 ——洪伯潜院士忆煤矿深大竖井井筒技术研发历程》

  井筒是煤矿的咽喉工程。在深井筒支护上,作为煤矿深大竖井钻井法凿井技术的奠基人之一的洪伯潜院士,独创了多项核心技术,保证了井筒安全使用,并创造了巨大经济效益,使我国深大井筒钻井法凿井技术达到世界先进水平。

  已是80多岁高龄的洪伯潜院士向《中国能源报》记者讲述了我国钻井法凿井技术的发展历程。

  1931年,我出生在有“海上花园”之称的鼓浪屿,在我看来,它是最漂亮的。解放前鼓浪屿是万国租界,我从小痴迷这里的洋房。但这些洋房是外国侵略者蚕食中国的标记,我就想长大以后也要学设计,我们自己盖房子。

  1952年,我怀揣着当建筑师的梦考进了厦门大学土木系。1953年国家院系调整,将厦大和浙大的土木系合并,设在浙大,然后我就在杭州攻读我所热爱的工业与民用建筑专业。1956年,我获三好优等生,还在学校最后一次支部会上,被批准为党员,成为为数不多的学生党员之一。

  当时正值解放初期,我们的口号就是为祖国建设贡献自己的力量。在毕业分配时,我在志愿书上填了“服从分配,到祖国最需要的地方去”。就这样,我被分配到了煤炭部,成了煤炭人,一干就是一辈子。

  我当时是直接到煤炭科学研究院(以下简称煤科院——编者注)报到的,煤科院还在筹备阶段,1957年才正式成立。报到没几天,我们就被分配到东北双鸭山实习。十月初我还穿着单衣,一到东北就穿上了棉衣,作为南方人,可是把我凉坏了。有次我去锅炉房打开水,打了半杯,回来路上碰到工地的队长给我讲工程情况,过了一会我一看杯子,里面的水已经结成冰了。

  当时煤矿条件可比不上现在,煤矿建设还是一个技术面貌相当落后的行业,矿工们很艰辛。我们和三班倒的工人们一起睡在用两排板条钉的集体通铺上,每人占窄窄的一条铺位。这次实习,让我初步认识了煤矿,更让我坚信要为之奋斗。

  在双鸭山实习半年后,1957年5月我提前被调回来了。干什么呢?当时正是我国第一个五年计划期间,钢材非常紧缺,木材也很少,为解决矿井建设中“钢木代用”技术途径,我奔赴徐州参加原煤炭部预应力混凝土结构新技术推广学习班。

  我一直坚信“实践出真知”,作为一个从事工程科学技术工作的人必须不断地求知于实践,尤其对我而言,要成为熟练的矿井建设技术驾驭者,每一项科研任务都必须全力以赴地投入。我十分珍惜每一次科研实践,这也正是增长才干的好机会。

  我和课题组的同志们一起搜集资料、配套试验设备、做相关试验、研究必要参数,进行设计与试制。在大家共同努力下,1958年研究成功我国第一座煤矿竖井悬臂式预应力钢筋混凝土井架,在河南省鹤壁市鹿楼矿投入使用,取得了良好效果。1964年我们又研究成功32米高预应力钢筋混凝土井架,并投入实际应用。这些科研成果填补了当时国内矿山预应力混凝土特种结构的空白,也为矿井建设工程节约钢材开辟了途径。

  我觉得,我们能赶上第一个五年计划建设高潮非常幸运,科研道路上有很多“未知”等待着去探索,等着我们脚踏实地一步一个脚印走下去。

  为了适应当时煤炭资源开发需要,1966-1969年,原煤炭部设立“高寒地区开矿可行性”课题。1967年我受命负责该课题研究,任课题组组长。

  到海拔4300米的青藏高原,上去多是高山反应,吐得昏天黑地。我们在天峻县的木里煤田做平硐实验,同时建造了当时世界上海拔最高的锅炉房,这下大家终于可以洗澡了。由于高寒地区的表土是永冻层,处理不好很容易坍塌,我们研究解决了建筑物在高寒地区基础处理的问题。

  说起煤矿竖井,无论是早期原始的人工开挖,还是技术逐渐进步后的机械化掘砌,都离不开凿井工人下井在地层中窄小的空间操作这一过程。我国开挖竖井最早采用的是冻结法,这个方法现在应用依然比较多,就是把整块地冻起来,然后工人下去挖,下面冻土温度都在零下,其劳动之艰辛不言而喻。

  而钻井法凿井是一种先进特殊施工方法,在我国发展比较晚,开始是针对我国东部地区存在的深厚不稳定含水冲积层展开的,凿井工人在这种条件下工作更艰苦。

  钻井法应用于煤矿大直径井筒施工,是多种技术工艺综合的大型工程,不仅机械化程度很高,而且全部工序(其他施工方法的地层固结处理、挖掘、矸石提升和井筒支护等大量工作需在井下操作)都在地面操作,工人无需下井,这是钻井法的最大优点,大大改善了劳动条件,非常安全,且无职业病危害,尤其适合于流砂层等不稳定含水地层的井筒开凿。

  上世纪70年代初期,钻井法凿井施工的井筒多为一百多米的浅井,施工经验不足,井壁悬浮下沉安装曾出现“两卡、两浮”事故。“卡”就是井壁悬浮下沉进入底部基岩时,被井帮卡住下不去,只好将井筒内的配重水排出,让井壁浮起来,逐节割断,吊运回堆放场,进行扩孔纠偏后重新下沉。“浮”就是井壁悬浮下沉到底,壁后充填水泥浆后,过一段时间发现已下沉到底的井壁又浮起来,再压也下不去,只有将浮出多余的部分凿除。这类事故给工程施工带来很大的损失。

  我最早就开始研究这个问题,井壁下到底后,井壁与井帮之间充满水泥浆,水泥浆比原来的泥浆比重大得多,所以会浮出来。

  针对“卡”的问题,我们提出了以钻孔“有效断面”代替钻孔偏斜率作为评价井孔质量的基本指标方法。“有效断面”就是在最后一级钻孔结束后,根据要求每隔一定深度测量一次井孔断面的相对形位,将这些结果投到一个平面上作内切圆并以此作为“有效断面”,它必须满足悬浮下沉井壁和下放壁后充填管的要求。针对“浮”的问题,需要严格验算水泥浆置换泥浆后井壁浮力设计壁后充填高度与井筒及配重水的平衡关系。

  我具体是从1971年开始研究钻井法的,1972年担任钻井室主任,主攻钻井法支护技术方面的问题。

  为开发我国东部深厚表土不稳定含水层的煤田,以适应当时国家经济建设的需要,“六五”(1981-1985年)期间,国家下达了“深井(500-600米)钻井法凿井技术的研究”科技攻关课题,我受命成为该项目的负责人。

  深井发展需要解决钻机、破岩刀具泥浆、护壁、井筒支护这些问题。我国开始使用的是石油钻井设备配套的钻机。到了上世纪70年代,开始陆续研制出ND-1型、SZ9/700型和AS9/500型等第二代煤矿专用大钻机,同时系统地研制了预期相配套的施工工艺和井筒支护技术。

  我在负责“深井(500-600米)钻井法凿井技术的研究”项目期间,组织了有关钻井工艺、专用设备、破岩刀具、钻井参数自动控制和监测、化学泥浆、超声波测井仪、井壁结构及壁后充填等方面12个子项目多专业的攻关,并亲自负责或参加钻井工艺、专用钻机、井壁结构和壁后充填等项目的研究工作。

  在这期间,我参与研究设计了当时国产煤矿大型井筒两种类型专用钻机,最大直径有9米;参加了潘三西风井等8个井筒的钻井方案制定和施工,潘三西风井筒深度达到了508米;我又提出深井井壁的基本设计理论和方法,承担和审查了包括谢桥西风井、龙口梁家风井等疑难井壁在内的11个钻井井壁设计;也负责参与完成了“钻井壁后充填机械化”的研究。

  该项目的完成使钻井法成为我国首先通过440米以深表土不稳定含水地层、独具优势的大直径井筒特殊施工方法,全部设备国产化,最大钻井直径9.3米,成井直径7.0米,最大成井深度508米,综合技术达到国际先进水平。这个项目获得了国家“六五”重点科技攻关项目奖、1987年国家科技进步一等奖。

  80年代末90年代初,我国徐淮等地区在不稳定含水冲积层中采用钻井法施工的部分井筒,在正常使用中曾发生井筒局部破坏的事故。为此,各科研院校、建设单位对井壁的破坏情况、产生的原因和加固方法等,也相继开展了大量模型实验和理论分析。

  井巷工程是煤矿建设期间影响全局的工程主体,而井筒又是矿井建设的咽喉工程,井筒支护结构设计及配套工艺的合理与可靠,是保证井筒功能有效发挥的重要环节。因而必须高度重视井壁的受力分析和设计理论的探讨,尤其是在通过表土不稳定含水地层特殊凿井的深大井筒,由于巷道掘进或煤层开采后,表土层中水大量泄入井下,导致地层大面积沉降,土层以竖向附加力的形式作用于井壁,沿井筒深度结构受力更加复杂,必须结合具体情况作深入细致的分析,容不得丝毫闪失,否则将造成塌井等事故,后果不堪设想。

  支护工作首先要弄明白井壁受力实际情况。钻井法井壁结构设计初期主要借鉴冻结法凿井,但钻井法井壁的支护条件显然与冻结法不同,井孔钻进后岩层结构基本没有发生变化,而冻结法井筒周围受冻融影响土层结构发生变化,这些差别在一定程度上影响了井壁受力。

  为了弄明白钻井法井壁实际承受的地层压力作为结构研究的基本依据,80年代我们建井所开展了“钻井法深井井壁受力”研究,先后对江苏大屯矿区的龙东矿风井,安徽淮北矿区的芦岭矿西风井、桃园矿风井、童亭矿主井,安徽淮南矿区的潘三矿西风井、谢桥矿西风井和山东龙口矿区的梁家矿风井等7个井筒的14个水平的井壁进行内外力实测,最后提出了有关设计参数。

  钻井法用于不稳定含水地层的井筒施工,井壁结构是其关键技术之一。在获得实际外力的基础上,还需要正确的理论分析和计算方法,这就需要模型实验对这些理论分析和计算进行验证。

  80年代初我带领课题组研究设计了我国第一套井壁结构试验装置,应用中又不断地更新换代,是当时国内性能最齐全的井壁结构试验装置。这套装置对完成“六五”“七五”国家攻关项目中新型井壁结构的研究,起了关键作用,并获得1991年原能源部科技进步二等奖。

  1989年,课题组还为原联邦德国戴尔曼—哈尼尔(Deilmann-Haniel)凿井公司设计了新型冻结法井壁结构试验的技术方案,并主持在该试验装置上进行试验,解决了德国的技术问题,为单位创收了第一笔外汇试验费。

  开始研究钻井技术,我不是很了解,所以在现场一住就是三四个月,除了解钻井法的工艺过程以外,也在琢磨还存在什么问题,自己能做些什么工作。

  深井钻井法的井壁要在地面预制好,再逐节吊过来沉下去,有一个运输、下沉过程,井壁不能太厚。所以,我就开始研究如何把建筑上用的钢与筋混凝土组合结构,应用在井壁的研制。

  之前煤矿上用的井壁里也用钢板,但最主要的作用是防水。但我们的观点不同,用的设计理念也不同,我们认为井壁也是地下结构,因此配的钢筋比较多,应用钢与钢筋混凝土组合结构作为约束混凝土,保证井壁不裂,增加井壁强度。

  我引入约束混凝土结构基本原理,研发出新型钻井井壁结构,是内钢板-钢筋混凝土复合井壁,属于钢与混凝土组合结构。由于钢与混凝土组合结构有承载能力大、对复杂荷载适应性强、自重轻、施工方便、质量容易保证等优点,因此可不受钻井法井壁在深厚冲积层中承受巨大的地层压力、不均匀荷载和竖向附加力等复杂外力和悬浮下沉安装对自重的限制,在许多复杂工程中得到广泛应用。

  在设计当中,部分双钢板井壁有钢板鼓包现象,鼓包事故不仅严重影响安全生产,而且每次处理事故都要耗费近百万元!一般认为钻井钢筋混凝土井筒是干的,但井壁内侧设置钢板后,少量洇水渗流到混凝土与钢板之间形成夹层水,它既不能被吹干又无出路,以压力水的状态聚集在夹层中,随着时间的加长,压力水总量不断增加并局部渗透,面积逐渐扩大,当一定范围内水的总压力大于相应锚卡所能承受的力时,锚卡破坏,钢板应力条件改变,就可能产生鼓包变形,失去承载能力。

  我们在内钢板-钢筋混凝土复合井壁的结构内力分析和构造设置研究中,事先分析了这种情况,并基于钢筋混凝土井壁良好的隔水性能和夹水层的特点,运用水力学的原理,采取在钢板上预留泄水孔的措施解决夹水层的问题。该措施首次在谢桥矿西风井应用,取得了预期效果。而后,所有的钢板-混凝土设计时都采用了预留泄水孔的方法,从根本上解决了内钢板鼓包问题。

  煤炭工业不断发展的同时,建井规模不断扩大,埋深浅、易开采的煤炭资源锐减,“十五”期间新井建设任务仍然十分艰巨。这期间,国家下达了“龙固主井(双井筒)近600m钻井法凿井技术研究与应用”课题,对已探明20余年而迟迟未开发的巨野煤田,进行了开发技术研究。巨野煤田已探明地质储量为48.69亿吨以上,煤质优良且煤类齐全,具有很高的开发价值。但该煤田上部覆盖着平均厚度为620米的特厚冲积层,因而带来一系列前所未有的技术难题,建井难度倍增。

  首先开发的龙固矿设计能力为年产600万吨煤炭的大型矿井,地处巨野煤田的中部,主1、主2井和中央风井采用了钻井法凿井。双主井钻井直径8.7米,钻井深度582.75米,穿过富含水、砂的表土不稳定地层厚度达546.48米,是当时用特殊凿井施工最深、穿过表土不稳定地层最厚的井筒。在这复杂条件下给施工带来的困难前所未有,尤其是井筒支护是这一钻井法施工成功的重要环节,由于受力复杂和悬浮下沉安装井壁工艺的制约,井壁结构选择和厚度控制的难度尤为突出,这一环节甚至关系到钻井法凿井实施的可能性。因而研究探索一种既能抵御常规地压力和竖向附加力共同作用,又能满足现场施工悬浮下沉安装条件的高强、高效井壁结构就成为当务之急。此外,调整与维护好施工过程井筒中循环的泥浆性能,是安全钻进、维护已钻成井筒、保证地面预制的百余节大型钢筋混凝土复合井壁顺利悬浮下沉到底的重要条件。

  面对这无例可循的超级难题,我当时已年逾七十,但依然欣然受邀。我承担了井壁形式研究与设计计算,井壁节间注浆与悬浮下沉工艺等方面的科研攻关。自2002年6月起,历经18个月,我潜心研究工程中井壁结构的特点,我和课题组同事一起努力,形成了完整的设计思路和可靠合理的计算方法,精心完成了龙固3个井筒的井壁设计和计算,并与济南煤矿设计研究院合作完成了3个井筒的设计图纸。

  2004年4月,121节外径7.4m、重2万2千多吨,相当于200层楼高的井壁开始悬浮下沉安装,前后30多天我一直坚守在施工现场,仔细考虑各个施工环节的具体技术关键及可能会遇到的问题,亲自制定施工技术程序及每个步骤的细节,检查每道工序,严把每个环节,从工地回到住处后也不断根据工程进展的实际情况反复验算核对数据,生怕有一点闪失。4月28日,龙固矿1号主井井壁顺利下沉到底,井深582.75米,经成井测量井筒偏斜率仅为0.23%。

  井筒深了以后,就要考虑新的问题了。例如,一个杆件很长很细,到一定程度后,就可能失去稳定。最主要的就是解决结构稳定问题了。

  早期在上世纪70年代,大家都是把钢和混凝土折算成一种材料,然后再从理论上分析稳定性,这个误差是比较大的。后来我根据压杆稳定原理,探索并首先揭示钻井法施工中井壁悬浮下沉安装过程整体轴向失稳的问题,创立了采用“力矩平衡法”控制第一段合理充填高度和配重水添加量计算公式。

  就像麦秆,在陆地上给它注水,很快就会弯下去,但在水里就算充满水沉下去也不会失稳。因为水是均匀压在它上面的,如不产生支点,就不会失稳。我就根据这个原理推出在施工中如何慢慢加水,保证井壁不偏斜就不会失稳。

  我也将竖向附加力作为荷载,探讨出增加复杂受力条件下井壁的应变计算方法,为防止特殊地层中深井井筒局部破坏提供了可靠的结构保证。

  2007年4月,国投新集能源股份有限公司板集矿的三个井筒施工中井壁下沉环节出现急待解决的技术问题。板集矿主、副、风三个井筒深度均超过龙固主井,2004年10月三个井筒陆续开工,2007年5月底风井钻进首先到底,鉴于深度之大,各井筒悬浮下沉安装井壁过程中,会不会发生结构竖向失稳,成为施工中的关键,也是众所关心的问题。

  我经过对板集主、副、风三个井筒井壁的具体研究,得出三个结论:钻井法凿井悬浮下沉安装井壁,在目前的深度和结构条件下,悬浮下沉过程严格按规程操作,井壁一般不会发生竖向结构失稳。但如果施工中处理不当,产生荷载传递不均匀或出现塑性铰,就可能发生井壁结构竖向失稳,产生横向弯曲,影响井筒的正常使用,甚至损坏。根据当时的技术水平,板集三个井筒钻井法凿井悬浮下沉安装井壁,轴向结构稳定完全可以采用“力矩平衡法”和通过合理的施工工艺加以控制,保证工程施工安全。

  2007年5月底我们完成了“板集风井井壁竖向稳定性分析及关键技术措施”研究。施工单位在8月、10月、11月板集风井、主井、副井先后在井壁悬浮下沉安装过程中,根据力矩平衡法的求解,严格控制配重水的添加量,认真按施工设计要求保证节间施工质量,确保了井壁竖向刚度和自重的均匀传递,未发生失稳,顺利完成了三个井筒井壁的悬浮下沉安装。成井偏斜率,风井0.171‰、主井0.177‰、副井0.310‰,满足并大大优于新修订的《钻井井筒永久支护通用技术条件》中规定的“主、副井偏斜率不应大于0.4‰;无特殊要求的风井偏斜率不应大于0.8‰”的要求。

  现在总体看来,钻井法凿井技术在我国发展40多年来,从无到有,从小到大,由浅至深,已经施工90多个,累计长度超过20千米。其中,最大钻井深度662米,钻过的不稳定含水层厚达584米,最大钻井直径有10.8米。目前新研制的钻机设计可钻最大直径13米,最大深度1000米,总体技术水平已经处于世界前列。对我而言,能够为我国煤矿建设事业不断贡献自己的才智与力量,就是我最大的愿望和精神慰藉的源泉。希望钻井法这一先进的施工技术,能为我国煤矿建设发挥作用。

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