汇报煤矿超深立井施工关键技术研究PPT课件

煤矿超深立井施工关键技术研究 中煤第五建设公司第三工程处北京科技大学沛县大屯矿区中大注浆工程有限公司汇报人 周晓敏教授2015年12月28号 1 汇报提纲 第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 工作报告 科研报告 经济效益与推广前景分析 查新报告 第五部分 结论 2 3 一 项目背景 本项目是由中煤第五建设公司第三工程处 北京科技大学 沛县大屯矿区中大注浆工程有限公司等三家单位从2010年开始 优势互补 在承担的同一项目 我国煤矿超千米深井井壁设计和受力观测研究 凿井施工 地面预注浆等 科研和工程的基础上 通过自筹科研资金和项目支撑 共同确立 分工开展了 煤矿超深立井施工关键技术研究 项目 4 二 工程概况 本课题依托磁西一号矿副立井 该矿井田位于河北省邯郸市峰峰矿区东部 行政区划隶属磁县和峰峰矿区管辖 磁西一号矿副立井井筒检查孔深1360m 自上而下揭露新生界第四系 第三系冲积层189m 中生界三叠系地层331m 古生界二叠系上统地层798 15m 下统地层41 85m 井筒冲积层采用冻结法施工 冻结深度245m 基岩段主要岩性为泥岩和粉 细 中 粗砂岩 采用地面预注浆法施工 注浆深度1355m 5 三 项目进展过程 6 三 项目进展过程 磁西副立井地面预注浆工程2010年10月8日开工 2012年4月24日完成 直孔钻进4个 2080m S孔8个 共12个注浆孔 总深长10840m 合计造孔12920m延米 其中下套管固管段3920m 注浆段9000m 136个注浆段 注水泥浆8923m3 注粘土浆14724m3 注浆总量 23647m3 8个 正切 定向注浆孔的各个注浆段孔斜质量 均超过国标要求 国标要求0 5 实际孔斜0 15 完全满足注浆工程的需要 各种工序严格按照质量报验程序进行了报验 各工序质量合格 各段注浆经施工方 监理方及建设单位验收合格 7 三 项目进展过程 副立井2011 03 25开始打冻结孔施工 06 06开冻 7月29日正式开挖 2012年08月18至31日 完成了井深831m处的中间转水站施工 2013年03月2日至04月07日 完成了井深1285m处的管子道及避灾通道施工 开口处各掘砌了6m 2013年04月17日至05月25日 到达井深1305m处 在马头门及摇台南北方向各掘6m 2013年6月6日 井筒落底 井筒实际深度1341 6m 2013年11月1日 2日 由业主单位峰峰集团邯郸宝峰矿业有限公司主持 监理单位河北国控工程项目管理有限公司 施工企业 2家 一起进行了涌水量验收 整个井筒全长总涌水量5 21m3 h 10m3 h 8 三 项目进展过程 2011年6月至12年 超千米井壁设计理论研究 2012年12月 完成井壁测试方案设计 2013年1月24日 2月24日 完成井深1208米完成了第一水平埋设 共27个传感器 26个测试成功 2013年4月16日 6月27日 在井筒深度1305m水平 完成了第二次传感器的埋设 23个成功 2013年7月11日 两个水平的自动监测取得了成功 2013年11月7日 由于井筒安装工程 井壁监测工作于阶段性终止 实测获得了共计18000多个数据 2014年8月完成井壁结构评价报告 2015年3月完成井壁设计研究报告 9 四 已经获得成果 1 周晓敏 谢琰珂 李德春 阎建国 磁西副立井超千米单层井壁受力变形实测与分析 J 煤炭学报 2015 05 1015 1020 2 周晓敏 磁西矿超深井筒原岩地应力研究 J 岩土力学 2015 06 1761 1768 3 周晓敏 管华栋 磁西矿千米深井不均匀原岩应力场有限元模型研究 A 第24届全国结构工程学术会议论文集 第 册 C 2015 8 4 周海振 周晓敏 磁西一号矿井1341 6m深副立井快速施工技术 J 建井技术 2013 05 33 37 5 江军 吴坚 磁西煤矿超深立井安全优质高效施工 J 建井技术 2014 05 4 7 45 6 吴鹏飞 贾坛彬 磁西矿超千米副井提升系统设计及应用 J 煤炭与化工 2015 04 83 85 7 周海振 董廉辉 靳亚丽 磁西一号矿副井1341m深立井施工技术 J 能源技术与管理 2014 01 127 129 8 程志彬 吴晓山 缓凝水泥浆置换冻结孔泥浆封水技术 J 建井技术 2010 06 28 30 5 9 殷建新 赵德秀 邓海军 立井施工中的主要机电设备信息化安全监测系统研究与应用 J 建井技术 2013 03 40 43 10 刘增东 庆文奎 凿井悬吊钢丝绳在线监测控制系统简述 J 自动化技术与应用 2011 03 81 83 10 四 已经获得成果 正在申报的专利 短段掘砌 倒模混凝土高压止水接槎技术中间泵房自动接力排水控制器上层盘井壁截流导水环装置 11 12 第二部分研究报告内容 一 煤矿超深井施工的组织方式和关键技术二 超深立井的支护理论和技术三 超深立井围岩地面分段预注浆技术研究四 超深立井快速建井关键技术研究五 超深立井建设的技术评价 13 14 一 煤矿超深立井组织方式和关键技术 我国资源开发正在朝深部进军 矿山建设的关键在于超深立井施工技术 装备和管理等方面继续发展 施工技术难点和问题 如围岩软 水压高 地压大 工程量大 施工速度慢等瓶颈问题 解决之道 策略 1 施工组织 流线施工 2 关键技术 地面定向分段围岩预注浆加固封水 现代新 新奥法 井筒支护理论应用和技术 工作面综合和自动化治排水 深立井最佳提升装备系统 升级的 短掘短砌 混合机械化自动化作业 15 一 煤矿超深立井组织方式和关键技术 原理 将施工对象在工艺上划分几个施工过程 在平面上划分几个施工段 在竖向划分几个施工层 按施工过程组织专业化的施工队 各个施工队将使用相同的材料和机具 依次连续地投入施工 各专业工作队在各施工对象上连续地 有节奏地工作 并作最大限度地搭接 特点 1 既能充分利用空间 又可争取时间 将相邻工作最大大限度地西衔接 可进一步缩短工期 2 实现专业化生产 有利于提高操作技术 工程质量和和生产率高 3 各专业队伍可连续作业 不窝工 4 资源投入较均匀 便于组织管理 5 为实现文明施工 科学管理 创造良好的条件 适用 工程规模较大 具备划分施工段和施工层条件 流线施工 16 一 煤矿超深立井组织方式和关键技术 井筒工程是一个竖向空间工程 传统工艺决定了只能采取顺序施工的组织方式 即 1施工准备 2围岩封水加固 3凿井砌壁 若要进行竖向分段 实现流线施工组织 就必须采用新技术和新工艺 17 一 煤矿超深立井组织方式和关键技术 定向钻井是广泛应用于石油开采和地质勘探的一项技术 将这一技术应用到井筒注浆工程 就能克服井筒垂直空间工艺的顺序限制 实现井筒纵向的分段 实现超前注浆 和掘进等其他工艺平行 从而大大加快建井速度 缩短工艺 18 一 煤矿超深立井组织方式和关键技术 利用定向钻进技术 实现超前注浆支护 为深井竖向分段提供了可能 针对磁西副立井筒 其常规工期安排可见表2 4 进行流线组织施工 800m 1355m 0 800m 19 20 二 超深立井支护理论与技术 厚度计算公式 拉麦公式 钻井井壁 普通法 注浆法 冻结法基岩井壁经验取值 600m 不同工法厚度差异很大 典型的载荷结构法理念 根深蒂固 理论指向 1是提高材料的许用应力 高强度混凝土 钢材 还有 2是估算井壁载荷 估不准 2007年8月1日实施的GB50384 2007 煤矿立井井筒及硐室设计规范 21 二 超深立井支护理论与技术 决定井壁厚度设计的荷载标准值存在很大随意性 拉麦公式计算只涉及到两个材料参数 公式过于简单化就会缺乏基本的科学性 基岩段井壁设计未能考虑水渗流和水压的影响 规范中提供的类比法设计参数表仅涉及到净直径小于等于8m的井筒 也未对深度方面予以参考 我国煤矿井筒井壁设计要求和定位较低 耐久性设计和施工尚未纳入行业规范 目前迫切需要借鉴国内外钢筋混凝土耐久性设计和施工的最新理论和技术来提高我国成井井筒质量 当前超深井筒井壁设计方法的局限 22 二 超深立井支护理论与技术 基于神华包头梅林庙项目的研究成果 包神公式 将无限边界的围岩纳入范围 考虑太沙基的流固耦合理论 平面应变问题 基于自重应力场的原岩应力理论 图包神井壁设计力学模型 图3 2井筒渗流场模型 23 二 超深立井支护理论与技术 基于平面应变问题的包神衬砌设计公式 2009年9月煤炭学报公式特点 4个特点意味着新 新奥法 理论奠基 1 统一性 2 科学性 3 技术性 4 定量性 5 实用性 井壁设计 漏水或者不漏 注浆帷幕设计 冻结壁设计 永久井壁承载能力要求和具体工法无关新理念和途径 利用围岩 开发围岩 为井壁的增设径向钢筋提供了理论依据 加强围岩和井壁的相互径向抗拉和抗破坏 能有效提高井筒安全性和承载能力 24 二 超深立井支护理论与技术 25 二 超深立井支护理论与技术 26 二 超深立井支护理论与技术 四种厚度的井壁结构方案 都满足包神支护设计公式 但需要进行方案比选 27 二 超深立井支护理论与技术 四种厚度的井壁结构方案 都满足包神支护设计公式 但需要进行方案比选 28 29 30 二 超深立井支护理论与技术 层次分析优选方案 井壁设计优选权重计算结果 31 二 超深立井支护理论与技术 考虑井筒施工的深度和循环作业过程 井壁砌筑过程的热力模型可简化成轴对称的有限段高准三维热传导模型 图3 4混凝土浇筑后不同时刻温度分布 图3 3热传导几何网格模型 混凝土的入模温度对最高温度起到了控制作用 加强入模温度的控制和井壁内缘的保温工作 对控制最高温度和井筒内环境温度之差起到关键作用 32 二 超深立井支护理论与技术 现浇耐久性单层混凝土井壁短锚杆连接 径向钢筋去滑动夹层止水接茬 33 34 三 超深立井围岩地面分段预注浆技术研究 1 国产的石油钻机分钻进钻机和修井钻机 月进尺能力达到5000m以上 钻进深度能力已经达到了6000m以上 而石油钻井修井钻机 移动快速 功能齐全 特别适用于井筒地面快速移动和安装 2 石油钻进技术的随钻测斜MWD技术 可为深井地面预注浆定向钻孔施工提供了极大方便 35 三 超深立井围岩地面分段预注浆技术研究 由于石油钻机在钻进速度和适应性方面具有一定的优势 因此针对流线施工组织管理要求 选择石油钻井系统XJ450 550系列的修井钻机 定向钻进机具 造孔深度达1000 3000米 采用该种型号钻机施工注浆孔 结合煤矿冻结钻孔测斜机具 解决了煤矿超深井筒的地面正切型定向分段预注浆关键工艺技术和装备 实现了煤矿超深井施工地面预注浆工艺 图4 1石油修井钻机XJ550照片 36 三 超深立井围岩地面分段预注浆技术研究 表XJ450型修井机主机技术参数及性能 37 三 超深立井围岩地面分段预注浆技术研究 表注浆加固厚度设计 38 三 超深立井围岩地面分段预注浆技术研究 表注浆方案选择 39 三 超深立井围岩地面分段预注浆技术研究 固管段注入单液水泥浆376m3 岩帽注浆段注入单液水泥浆1272m3 其他注浆段注入粘土水泥浆28711m3 总注浆量30359m3 注浆压力按低压和高压两阶段进行 第一阶段注浆压力一般小于5 0 6 0MPa 第二阶段的终压达到15 17 5MPa 注浆压力为注浆深度静水压力的的2 3倍 40 三 超深立井围岩地面分段预注浆技术研究 要实现竖井地面预注浆的纵向分段 一是需要增加钻井和注浆设备 二是借助地面空间 通过定向钻进技术 实现在竖向空间上进行分段 即采用正切型定向钻进注浆技术实现 如图4 2所示 按最短行程理想情况 即平面曲线设计 靶域导向轨迹实现的是两个平移垂直线的光滑连接 在井筒中心线和钻孔开孔点行程径向平面内 图4 2井筒地面预注浆正切型定向孔 41 四 超深立井围岩地面分段预注浆技术研究 要 图4 2井筒地面预注浆正切型定向孔 42 三 超深立井围岩地面分段预注浆技术研究 图井筒垂深1200m注浆交圈图 图井筒垂深800m注浆交圈图 43 44 四超深立井井筒快速建井技术研究 确保超深立井快速掘进的条件 工作面涌水量控制 一般要求小于10m3 h 综合治水 截流 篷淋 壁注 超前集水 和接力排水 使得涌水量小于5 8m3 h 已经超提升机JZ2 40 1600 JZ2 25 1600的最大提升深度 机械化设备配套 具有足够的生产能力 井内设备布置 悬吊安全间隙已无参考 增100mm施工正循环率 提高到92 45 四超深立井井筒快速建井技术研究 凿井装备配置 46 四超深立井井筒快速建井技术研究 凿井施工机械化装备 井筒布置两套单钩提升 伞钻凿岩 井筒内布置2台中心回转式抓岩机出矸 井筒内压风管 供水管 排水管及风筒均采用井壁固定工艺 井筒布置两套单钩提升 其中两根吊盘绳兼作稳绳 根据以往施工经验 采取以下措施可以实现该吊盘绳零磨损 具体措施如下 1 选用18 7 44 1870型吊盘悬吊钢丝绳 安全系数达到6 3 规定为6 2 稳绳滑套采用尼龙结构 减轻滑套对钢丝绳的磨损 3 加强钢丝绳的检查工作 并指定专人进行定期检查 47 四超深立井井筒快速建井技术研究 提升系统 提升绞车前期选18 7 40 1870型不旋转提升钢丝绳挂5m3矸石吊桶提升到720m更换4m3矸石吊桶提升 施工到850m更换18 7 44 1870型不旋转提升钢丝绳挂5m3矸石吊桶提升到930m 更换4m3矸石吊桶提升到1180m更换3m3矸石吊桶提升到底 挂3m3砼吊桶提升到1290m更换2m3砼吊桶提升 挂伞钻提升到底 实际施工时 应提前更换吊桶 绞车实际电流不得超过额定电流 确保提升安全 48 四超深立井井筒快速建井技术研究 水害治理 工作面涌水量是影响掘进速度的关键因素 为此 采取注浆和 截 导 堵 排 等综合防治水措施 降低涌水对掘进的影响 井筒掘进期间 井深830m以内 进行了4次壁后注浆 工作面涌水量超过15m3 h后 停止掘进 进行壁后注浆 均取得了预期效果 为减少排水占用时间 在井壁上安设了5道截水槽分别将淋水导入中间转水站和吊盘水箱中 浇筑混凝土井壁后 井筒有大量积水 利用转水站设备将其排出 比以往利用吊桶排水节省了大量时间 49 四超深立井井筒快速建井技术研究 采用专业工种 滚班 作业制 冻结段外壁施工 三掘一砌 基岩段 一掘一砌 机电工及其它辅助工种均采用 三八 作业制 工程技术人员及项目部管理人员 实行24小时值班制度 采用胶带输送机新工艺 混凝土可直接装入灰罐中 省去了以往摘罐 推罐 挂罐步骤 节省了人力 提高了工效 在 1000m以下施工时 作业时间较长的班组为出矸找平班与打灰班 为减小劳动强度 将两个班组拆分为三个班组 找平一班14人 找平二班10人 打灰班12人 找平二班接替进行出矸找平 并与打灰一班共同完成绑扎钢筋工作 找平二班接替打灰班一班8小时 工作流程如表所示 50 51 五井筒建设技术经济评价 1 工期 进度分析 52 五井筒建设技术经济评价 1 工期 进度分析 53 54 五井筒建设技术经济评价 2 有限元分析 55 五井筒建设技术经济评价 加固后最大位移降低了0 08mm 等效破坏应力降低了1MPa 井壁内外缘等效破坏应力随井壁厚度的变化图围岩注浆加固 围岩注浆加固后水压分布图 23 7MPa 0 9m 1 5m 18 0MPa 2 有限元分析 56 五井筒建设技术经济评价 仪器准备和安装 传感器准备 采集仪防水处理 压力盒的安装 传感器线路铺设 基站安装 数据采集 第一水平在2013年1月24日埋设 2月24日进行了初测 在6月27日 在井筒施工返回到马头门时 进行第三次数据检测 在7月12日实现了自动采集功能 至11月7日之间进行了3次集中数据收集 第一水平共埋设27个传感器 正常工作的26个 有效果的有21个传感器 反应了历时288天的井筒井壁的力学反应特征 第二水平埋设时间是2013年4月16日 埋设位置方位和第一水平相同 井壁外缘三向共9个应变计 内缘的两向共6应变计 2向共6个钢筋计 3个压力盒 东北方向一处井壁内2个温度计 共26个传感器 正常工作的22个 有效果的有20个传感器数据 3 实测分析 57 五井筒建设技术经济评价 数据分析 第一水平井壁外缘应变 3 实测分析 58 五井筒建设技术经济评价 第一水平井壁内缘应变 3 实测分析 59 五井筒建设技术经济评价 第一水平井壁内缘钢筋受力 3 实测分析 60 五井筒建设技术经济评价 C60极限应变 1640 设计应变 750 实测平均 593 3 实测分析 最大钢筋受力是50MPa左右 61 五井筒建设技术经济评价 4 井壁验收报告 62 63 第三部分经济效益与应用推广分析 磁西副井井筒性价比分析磁西副立井井筒工程的经济效益分析推广应用 64 一 磁西井筒建设性价比分析 功能分析权重计算 65 一 磁西井筒建设性价比分析 方案功能的专家打分 66 一 磁西井筒建设性价比分析 功能分析权重计算 67 一 磁西井筒建设性价比分析 方案的造价分析 68 一 磁西井筒建设性价比分析 方案的造价分析 69 二 经济效益分析 施工企业经济效益 3621万元注浆单位经济效益磁西副立井 地面8孔预注浆深度1355m 预算总价4334万 实际中标价格3700万 报价经济效益634万元 实际该工程承包的核算获毛利503万元 所以该地面预注浆的总经济效益1037万元 分析 1 加快进度和加固后获得良好的围岩 2 能加快施工进度5 3个月直接费 间接费 辅助费降低 70 二 经济效益分析 施工企业经济效益建井单位经济效益磁西8m净直径 井深1341 6m 预算价格12067万 合同额10700万元 结算10761万元 结算经济效益1306万 实现毛利1278万元 因此经济效益2584万元 分析 降低设备费用220万元 能加快施工进度1个月 材料 机电和人工费能降低450万元 71 二 经济效益分析 72 三 推广应用 我国煤矿 目前新建井筒50 的井筒深度超过1000m 现今完成的千米竖井已经超过30多个 其中煤矿竖井占70 以上 2000年以后建设的超千米井筒数量占87 我国非煤矿山 铜矿 金矿等贵金属开采已经进入800m深度以下的开采 山东胶东黄金的开采深度 1600m 国外最深井筒已经到达到2500米到4000米 73 74 一 查新点 1 提出超深井工程流线施工组织管理模式 并采用正切型定向钻进注浆技术 解决了单项井筒工程纵向分段问题 实现了注浆 包括冻结 和凿井的流线施工组织和管理 缩短了工期 2 将包神支护设计理论应用到深井施工中 通过注浆围岩和衬砌的相互作用 降低开挖和砌壁体积 结合大体积混凝土温度控制技术 有效解决高水压和高地应力支护难题 75 一 查新点 3 引进石油钻井系统XJ450 550系列的修井钻机 定向钻进机具 造孔深度可达1000 3000米 采用该种型号钻机施工注浆孔 结合煤矿冻结钻孔测斜机具 解决了煤矿超深井筒的地面正切定向分段预注浆关键工艺技术和装备 实现了煤矿超深井施工地面预注浆工艺 4 采用工作面综合治水和自动化接力排水技术 将工作面水害对凿掘进度和砌筑质量的影响降为最低 以钻 装 筑等系列机械化成套形成成熟的凿井工艺 通过合理选择吊桶容量和更换钢丝绳 优化不同凿井深度下的最大提升能力 实现了煤矿超深竖井的快速施工 最深1341 6m 综合成井速度达到了97m 月 76 二 查新范围要求 要求查新机构通过查新 证明在所查范围内 国内外 有无与查新项目相同或类似的报道 77 二 查新范围要求 要求查新机构通过查新 证明在所查范围内 国内外 有无与查新项目相同或类似的报道 78 三 中外文检索词 煤矿 深井 井筒 竖井 立井 凿井 流线 施工组织 正切 型孔 定向钻进 纵向分段 注浆 灌浆 冻结 包神 支护 混凝土 温度分析 温度控制 高水压 高地应力 石油钻机 石油钻具 XJ450 XJ550 治水 截流 篷淋 壁注 超前集水 吊桶容量 钢丝绳 优化coal mine mining shaft well schedule organization construction stype directed drilling grouting casting frozen freezing timbering support pitprop concrete temperature h