科技新进展：滨海金属矿1500m深竖井工程高效建造关键技术与配套装备
一、研究的背景与问题
开发深部矿产资源，满足国民经济发展对矿产资源的需求，是保障国家资源安全和社会经济稳定发展的重大战略和重要途径。而井筒是矿山的咽喉，要进行深部资源规模化开采，必须首先攻克深井建设和大深度提升两大关键技术瓶颈。
随着开采深度的增加，尤其是当井筒深度超过1500m时，深部地层的高应力、高水压、高地温以及复杂有害化学环境等复杂深地条件，如滨海地区地层中的高浓度海象离子腐蚀，使得现有的建造技术和装备难以适应深部地层条件和深井安全高效建造的要求。金属矿超深竖井工程建设面临以下关键技术难题和挑战：
难题1：深部地层环境和竖井工程条件复杂多变。深部地层岩性及地应力、地下水、地温等多场、多相地质体存在未知和不确定性，加大了分布状态探测和表征难度，现有探测技术不成熟，深竖井工程设计、施工面临更多风险和不确定性。
难题2：现有施工工艺及装备与深竖井工程安全高效施工要求不适应。随着井筒深度增加，凿岩、排渣、混凝土砌筑等装备不配套，效率低，提升系统、悬吊系统的荷载显著增大，现有装备能力不足，急需攻克凿岩爆破、快速排渣、井壁支护等关键工艺技术和提升、悬吊等重点装备。
难题3：深竖井建造技术与复杂多变的地质条件不适应。当深度超过千米，尤其是超过1500m以后，高应力、高水压、高地温等多场的共同作用导致施工环境发生很大的变化，缺乏成熟的技术，急需研究高效掘进与成井工艺、工程围岩与地压控制、综合治水、高效降温等关键施工技术。
难题4：深井建设灾害防控与安全保障技术不完善。山东半岛滨海地区由于深部地层的高应力、高水压、高地温和古海床地层中的强海象腐蚀等特殊条件，深竖井施工面临着岩爆、突水、高温、海象腐蚀等工程灾害风险，亟需提升安全保障能力。
目前，在深竖井建设技术方面，较为先进的国家是南非和加拿大，先后建成了深度超过2000m 的竖井工程，但施工速度慢，效率低。受地质条件的差异性，许多技术不适用我国的工程要求，同时，最核心技术还存在技术封锁。建国以来，我国经过不断学习、探索和创新，在穿过深厚冲积层建井技术方面，不断取得突破，但在深井和超深井建设技术方面较国外仍存在很大差距。目前1200m以浅竖井建造技术和工艺较为成熟。而当深度超过1500m时，无论是深井建设技术，还是工程装备，都缺乏成熟的理论、技术和工程经验可循。
本项成果是“十三五”国家重点研发项目“深部金属矿建井与提升关键技术” （项目编号: 2016YFC0600800）的核心研究成果和工程示范工程建设项目。研究目标就是针对金属矿深部地层硬度大、应力高、强压缩、开挖扰动敏感等特殊性，研究金属矿深竖井建井与提升基础理论、关键技术以及高效施工工艺与装备，形成1500m以深深竖井建井与提升关键技术体系与装备能力，破解1500m以深矿产资源开发中超深井建设这一“卡脖子”技术难题。
二、解决问题的思路与技术方案
1、解决问题的思路
为破解金属矿深竖井建造工程关键技术难题，在对国内外工程实例进行调研基础上，提出以研究滨海金属矿大埋深地层地应力、地层温度、深部水压以及滨海腐蚀环境等复杂地层条件的精细化探测与分析为基础，重点研究金属矿深部地层性能与深竖井工程风险及其控制机理”、“金属矿深部高应力强压缩硬岩地层高效破岩机理与深井快速施工安全保障理论”和“大井深、大载荷提升与悬吊系统可靠性保障”三个关键科学问题，全力攻克深井工程区域深部地层地应力与岩体结构及相关物理场探测、深井工程区域地质水文条件分析和工程围岩评价、建井建设工程风险及其控制、高应力硬岩地层精准破岩，复杂破碎围岩支护、深部地层水害控制、深井工作面热害、滨海海象腐蚀防控等核心关键技术，形成1500m以深金属矿深竖井高效建造、安全施工关键技术与工艺装备配套能力。项目组通过近6年的协同攻关，开展多学科、多专业交叉研究，在滨海金属矿深竖井高效建造关键技术与工艺装备方面取得了重大突破和集成创新。项目研究思路如下图所示：
图1 研究思路与技术方案
2、技术方案
（1）研发工程区多场探测与工程灾害风险分析技术。发明了深部地应力测试保护装置，实现了1633m深部地层地应力、地温、孔隙水压与地层完整性等多场探测，建立了1500m深部地层条件下深井工程风险评价方法与控制技术。
（2）建立深竖井高应力、高水压、高地温、强腐蚀环境中的施工风险防控技术。实现了50MPa高应力地层工程围岩变形、岩爆灾害有效控制；15MPa高压突水防控技术、耐50℃高地温和滨海强腐蚀环境的新型井壁材料；深井50℃高地温工作面温度调控，工作面温度低于27℃。
（3）形成1500m深竖井高效成井施工技术与装备配套。50MPa高应力地层中的深孔光面爆破与精准控制；大型全液压抓岩机、1500m深井高效排渣与深井混凝土输送与井壁砌筑质量保障。
三、主要创新性成果
1、基础理论创新
探明了1500m深井工程区域地应力场、孔隙水压场、温度场及滨海化学场分布特征，揭示了滨海金属矿1500m深井工程高应力、高水压、高地温、强腐蚀等特殊工程条件和服役环境对深井施工影响的作用机制，阐明了滨海深部复杂地层条件下深竖井建造施工的关键工程风险。
图2 纱岭金矿主竖井1633m深竖井工程区“多场”综合探测与反演分析结果
图3 深竖井工程风险分析与工程决策逻辑图
2、工艺技术创新
研发出滨海金属矿1500m竖井高效掘进与施工灾害防控关键技术，形成了超深竖井快速成井施工工艺和安全保障技术体系。研发出金属矿深部高应力硬岩地层大段高高效爆破理论与震动控制、深竖井工程围岩控制与复杂地层支护、耐腐蚀井壁材料、深竖井快速排渣与高速提升等快速掘进与成井关键技术；建立了深部地压调控与岩爆防控、高水压突涌水灾害控制、工程热害防控与工作面温度调控、通风与炮烟排放、井下高压电源输送系统配置等灾害防控与安全保证技术体系。
图4 高埋深大段高的高效掘进爆破工艺
图5 韧性适配性井壁结构及材料
3、关键装备创新
研发出金属矿1500m竖井施工重大装备，形成了深竖井施工工艺装备配套。研发了金属矿1500m深凿井快速提升与悬吊系统与装备、硬岩液压伞钻与中深孔凿岩装备、液压大功率抓岩机与立井砌壁施工迈步式模板及大吨位提升排渣装，形成了深竖井掘进工作面岩爆片帮、高压突水、工程热害等深地工程灾害防控与安全保证技术体系。
图6 超深井施工地面凿井井架、提升与悬吊系统
图7 超深井施工高效排渣技术与工艺
4、工程建设创新
项目研究成果以项目研发的关键技术与重大装备为支撑，建成了新城金矿滕家矿区主竖井（深度1527m，直径6.7m）和莱州汇金集团纱岭金矿主竖井（深度1551.8m，直径6.8m）两个1500m以深深竖井工程，其中深度达1551.8m的纱岭金矿主竖井是目前亚洲最深井，打开了1500m以深矿产资源开发的通道。
通过项目研究，取得滨海地区1500m深竖井工程施工工程风险及其控制关键技术、1500m深竖井工程高效掘进与快速成井关键技术、1500m深井工程高效施工重大装备与工艺装备配套等标志性创新成果。
项目研究成果对于实现“基石计划”，对于摆脱国外技术封锁，保障国家资源安全和国民经济健康稳定发展具有重要意义和广阔应用前景，也为科技、军事、国防等领域的深地空间开发提供技术支撑，也标志着我国的深井建设关键技术与装备配套能力达到了国际领先水平。
与国内外同类技术比较
（1）工程区多场探测与工程灾害风险分析技术方面。
国内外现有的深部地应力测量法主要是用水压致裂法和应力解除法。地温、空隙水压等观测也是根据需要进行单项观测。对深部地层高应力、高水压、高地温等深地条件与深竖井工程建设的影响及其控制方面属于技术空白区。
本项成果发明了深部地应力测试保护装置，克服了深孔测量卡钻、探测装置磨损等工程问题，依托示范工程，同时完成了1633m深部地层地应力、地温、孔隙水压与地层完整性等多场探测。同时，通过理论研究、仿真模拟和材料实验，揭示深部高应力、高水压、高地温、高海象腐蚀离子含量等“非常规状态”导致深井工程突水、岩爆、大变形、高地温热害、强材料腐蚀等工程风险的机理，建立了1500m深部地层条件下深井工程风险评价方法与控制技术。填补了该领域的技术空白。
（2）深竖井高应力、高水压、高地温、强腐蚀环境中的施工风险防控技术方面。
国内外现有对深部地层高应力、高水压、高地温等深地条件与深竖井工程建设的影响及其控制技术不成体系，大多集中在岩爆防控、变形控制以及注浆加固等方面，而且工程深度鲜有超过1500m，对高地温与强海象腐蚀共存这一特殊地质环境及其致灾研究方面属于技术空白区。
本项目成果根据深部高应力、高水压、高地温、高海象腐蚀离子含量等“非常规状态”导致深井工程突水、岩爆、大变形、高地温热害、强材料腐蚀等工程风险的机理，研发出深井掘进工作面50Mpa高应力地层工程围岩变形、岩爆灾害有效控制技术；15Mpa高压突水防控技术、耐50℃高地温和滨海强腐蚀环境的新型井壁材料；深井50℃高地温工作面温度调控，工作面温度低于27℃。填补了滨海金属矿1500m深部地下工程灾害方面的技术空白。
（3）1500m深竖井高效成井施工技术、施工装备与装备配套方面。
调查研究表明，在不同国家受工程建设水平和技术水平所限，国内外现有的建井装备大都只能满足1000m深度的竖井施工。根据1500m深井施工要求核算，对超深井施工过程中的提升、悬吊、凿岩等装备能力普遍不足，与深竖井施工工艺不适应、工艺装备不配套。
本成果研发出适应于1500m以深竖井提升与悬吊系统：包括5m大直径滚筒凿井专用提升机（提升静张力增加8.5t、凿井绞车静张力增加15t），7-8m3提升吊桶、18t提升钩头装置，研发出50Mpa高应力地层中的深孔光面爆破与精准控制技术、大型全液压抓岩机、1500m深井高效排渣与深井混凝土输送与井壁砌筑质量保障技术，形成适应1500m深竖井安全高效施工工艺装备配套能力。
本成果与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较如表1所示。
表1 技术指标对比表
四、应用情况与效果
项目研究形成的技术成果在山东黄金矿业股份有限公司新城金矿矿滕家矿区的主井、副井以及回风井3条深竖井井筒示范工程建设和中国黄金集团莱州汇纱岭金矿主井、副井、进风井和回风井4条深竖井井筒示范工程建设中得到了工程应用与示范，有力保障了两个矿区7条深竖井工程的安全高效建设。7条深竖井井筒工程的成井参数如表2和表3所示。
表2 纱岭金矿竖井示范工程井筒及其参数
表3 新城金矿滕家矿区竖井示范工程井筒及其参数
利用多场探测技术，完成了1633m深部地层信息的探测与分析，阐明了矿区深竖井工程深部地层条件、工程服役环境及不同井筒条件的差异性。综合分析滨海地层海象离子分布及其对地下水的化学成分的影响，提出了性能改良和保障措施，降低了材料风险。
采用开发的深立井凿井的提升、悬吊系统，成功解决了新城、纱岭金矿深竖井建设过程的提升悬吊难题，确保了竖井工程的快速高效施工。
根据深部高应力地层岩体特性，进行了掘进爆破掏槽、减震和控制爆破设计优化，提高了掘进效率，改善了超欠挖控制效果。采用项目研究出的风险防控技术，使得新城、纱岭金矿竖井施工过程中的突水、高地温热害与海象环境腐蚀等关键工程灾害得到了有效控制。采用掘进工作面综合防水技术，实现了深部破碎带涌水区的有效治理，取得良好工程效果。采用了工作面热环境调控技术，有效改善了深部掘进工作面高地温作业环境，确保工作面环境温度不高于27℃。
依托项目成果，成功建成了新城金矿新主井（井深1527m，直径6.7m）、纱岭金矿主竖井(井深1551.8m，直径6.8m)两个超深竖井工程，其中深度达1551.8m的纱岭金矿主竖井是目前全国和亚洲建成的最深井。
信息来源：北京科技大学