冻结法凿井斜井井筒井壁结构及施工技术研究项目公示内容

--冻结法凿井斜井井筒井壁结构及施工技术研究项目公示内容一、项目名称冻结法凿井斜井井筒井壁结构及施工技术研究二、主要完成人刘清宝、任建喜、郭光乔、孙书亮、张琨、华召文、王长友三、提名者及提名意见提名单位：陕西省煤炭学会提名意见：该成果通过设备研发、理论分析、三维物理模型试验、数值模拟、现场实测和工程应用等方法，对人工冻结斜井井筒结构及施工关键技术中的若干问题进行了深入的研究，取得了以下研究成果：1.研制了人工冻结斜井三维物理模拟试验系统。2.提出了松散富水沙层斜井井壁设计新方法。3.发明了松散富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测方法和松散富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测结构，构建了斜井全寿命健康永久信息化可视监测系统。4.构建了松散富水沙层人工冻结斜井安全快速施工成套工艺体系。该成果紧密结合工程实际，在袁大滩煤矿建设中采用人工冻结斜井穿越富水沙层，并经过总结归纳后，在袁大滩煤矿、郭家滩煤矿、里必煤矿斜井冻结工程中成功应用，为类似地层人工冻结斜井建设提供了技术保障，其理论和实践意义重大。经审查，该成果申报材料齐全，人员排序无异议，符合申报要求。四、拟申报奖项及等级该项目拟申报陕西省科学技术进步奖三等奖。五、项目简介斜井是陕北千万吨级现代化煤矿首选的首选开拓方式，陕北矿区初期开发的矿井开拓多为斜井开拓；随着矿区大面积开发建设，埋深较大的榆横、榆神等矿区，地表赋存萨拉乌苏组，属富水沙层，斜井井筒穿越该层时涌水量大，有的矿井涌水量达到1000~1200m3/h左右，为了保证井筒安全顺利穿越富水沙层的萨拉乌苏组，需采用人工冻结法施工。但在富水沙层中采用人工冻结斜井建井施工难度极大，且没有相关工程实践案例，由于问题的复杂性，在松散富水沙层中采用人工冻结斜井建井存在诸多亟待解决的问题。主要表现在四个方面：一是斜井冻结施工建设经验缺乏，斜井冻结基础理论研究远远滞后于工程要求；二是冻结法施工研究对象以冻结基岩居多，而针对风积沙或冲积土层冻结研究很少，过去在深厚表土冲积层中立井的冻结设计参数在斜井冻结设计中不能适应，出现了“水土不服”的现象；三是缺少斜井井壁结构设计和井壁结构施工工艺规范；四是信息化施工和监测手段缺失，冻结斜井工程复杂性和不确定性使得冻结斜井施工成为一个系统工程，仅依靠理论分析和经验估计来把握施工节奏和工程质量做法已远远不能适应新形势下斜井建设。本项目按照理论研究-试验设备研制-施工技术研发-监测系统构建的技术路线开展研究，一是研制了人工冻结斜井三维物理模拟试验系统，完成了松散富水沙层人工冻结斜井施工全过程物理模拟试验。二是提出了松散富水沙层冻结斜井井壁设计新理论，给出了冻结斜井井壁厚度计算公式，研究了斜井冻结法凿井合理施工工法，提出了松散富水沙层人工冻结斜井冻融灾害预测预报控制技术。三是发明了一种富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测方法和一种富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测结构，建立了松散富水沙层冻结斜井全寿命健康永久信息化监测系统。最终构建了松散富水沙层人工冻结斜井安全快速施工成套工艺体系。项目研究取得以下创新性成果：（1）研制了人工冻结斜井三维物理模拟试验系统，完成了松散富水沙层人工冻结斜井施工全过程物理模拟试验。为阐明松散富水沙层斜井冻结过程中冻结壁水热迁移机理和冻结温度场、水分场、应力场的耦合特性，研制了人工冻结斜井三维物理模拟试验系统，分析了冻结壁沙土冻融过程中水热迁移机理和冻结温度场、水分场、应力场的耦合特性，得到了不同渗流速度下冻结壁温度、冻结压力和孔隙水压力与时间的拟合公式。（2）提出了松散富水沙层冻结斜井井壁设计新方法，基于松散富水沙层斜井冻结壁-井壁相互作用机理、冻结斜井井壁变形特性和井筒受荷类型、大小及应力状态，构建了考虑皮带震动影响的冻结斜井井壁厚度设计方法，给出了松散富水沙层人工冻结斜井井壁厚度并袁大滩斜井顺利实施。（3）发明了松散富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测方法和松散富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测结构。为适应松散富水沙层冻结斜井施工及安全运营的技术研究，发明了一种富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测结构和方法，基于此发明完成了松散富水沙层人工冻结斜井井壁变形特性现场实测研究，构建了松散富水沙层人工冻结斜井全寿命健康永久信息化监测系统。（4）构建了松散富水沙层人工冻结斜井安全快速施工成套工艺体系，保障冻结井壁安全快速施工。基于松散富水沙层人工冻结斜井快速建设技术要求和斜井井壁受力特点，形成了松散富水沙层斜井冻结法凿井合理施工工法，构建了松散富水沙层人工冻结斜井安全快速施工成套工艺体系，节省资金4000万元。研究期间共发表论文8篇，授权实用新型专利3项，公开发明专利1项，登记软件著作权1件，培养硕士研究生2人，博士研究生1人。项目成果被北京中煤矿山工程有限公司一级首席科学家刘志强研究员担任主任委员的鉴定委员会评价为国际先进水平。应用推广及效益情况：项目整体成果在袁大滩煤矿、郭家滩煤矿、里必煤矿等斜井井壁结构设计中得以利用，尤其在袁大滩副斜井冻结法凿井施工段井壁进行了校核，减少了施工工期4个月左右，节省资金4000万元，完成了国内冻结斜长681m的最长斜井建设，为斜井冻结施工国家标准《矿山斜井冻结法施工及质量验收标准》（GB/T51288-2018）的编写提供数据依据。成果可直接应用于榆神、榆横、呼吉尔特、纳林河矿区等西部地区能源基地的冻结斜井建设工程中，其中冻结斜井井壁设计方面研究成果在榆神矿区郭家滩煤矿主、副斜井和山西晋中里必煤矿主斜井井壁设计方面得到了应用，近三年项目成果的成功应用取得经济效益约4000万元，提升了人工冻结法的技术水平，拓宽了人工冻结法的应用领域，产生了显著的经济和社会效益。六、客观评价特长缓坡斜井是千万吨级现代化煤矿首选的开拓方式，但在富水沙层中采用人工冻结斜井建井，因斜井冻结施工建设经验缺乏，缺少冻结斜井井壁结构设计和井壁结构施工工艺规范和信息化施工监测手段缺失等问题，导致富水沙层中采用人工冻结斜井建井施工难度极大。该成果研发的人工冻结斜井三维物理模拟试验系统，填补了国内外人工冻结斜井三维物理模拟试验系统空白；提出了冻结斜井井壁设计算方法，填补了松散富水沙层冻结斜井井壁厚度设计理论空白；发明了松散富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测结构和方法，实现了富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测；构建了松散富水沙层冻结法凿井斜井井筒井壁结构快速施工成套工艺体系，实现了17~20m大步距连续施工。与国内外同类技术对比，达到了国际先进水平。1.行业认可矿山斜井建设标准《矿山斜井冻结法施工及质量验收标准》（GB/T51288-2018）条文说明中提到“2015年底，全国采用冻结法施工建成的斜井井筒约36个。其中,冻结斜长最长达681m，穿过冲积层的最大厚度达197.56m,冻结深度最深为220m,最大倾角25°”，该冻结斜长681m的最长记录即为袁大滩煤矿人工冻结斜井凿井创造。2.查新结论由陕西省科学技术情报研究院对“冻结法凿井斜井井筒井壁结构及施工技术研究”成果进行了科技查新，查新结果为研究内容除查新委托项目组成员发表的文献及申请的专利外，在国内外所检其他文献中未见报道。3.鉴定评价2022年2月1日中国煤炭工业协会组织专家，对“冻结法凿井斜井井筒井壁结构及施工技术研究”项目进行鉴定，以北京中煤矿山工程有限公司一级首席科学家刘志强研究员担任主任委员的鉴定委员会评价为国际先进水平。七、应用情况主要应用单位情况表序号单位名称应用的技术应用对象及规模应用起止时间单位联系人/电话1中煤西安设计工程有限责任公司冻结法凿井斜井井筒井壁结构及施工技术研究袁大滩煤煤矿、郭家滩煤矿、里必煤矿等斜井井壁结构设计中得以利用2017年2月-至今郭光乔130604269542榆林市榆阳中能袁大滩矿业有限公司冻结法凿井斜井井筒井壁结构及施工技术研究袁大滩煤矿主斜井、副斜井冻结法施工段得以利用2016年4月-2020年3月郑天斌183292708883陕西榆林能源集团郭家滩矿业有限公司冻结法凿井斜井井筒井壁结构及施工技术研究郭家滩矿主斜井井筒表土段冻结法施工2018年1月-2022年2月周党文185912300734中煤华晋集团晋城能源有限公司冻结法凿井斜井井筒井壁结构及施工技术研究里必煤矿主斜井冻结段井壁结构设计2019年1月-2022年2月朱广、主要知识产权和标准规范等目录序号知识产权类别知识产权具体名称国家（地区）授权号授权日期证书编号权利人发明人1发明专利一种富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测方法中国CN202010129387.62020年6月26日陕西陕煤陕北矿业有限公司、中煤西安设计工程有限责任公司、西安科技大学

吴群英申斌学任建喜郭光乔张琨2实用新型一种富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测结构中国 CN202020231984.52021年3月26日陕西陕煤陕北矿业有限公司、中煤西安设计工程有限责任公司、西安科技大学吴群英申斌学任建喜郭光乔张琨3软件著作权冻结斜井井壁结构设计软件V1.0中国2021SR08472952021年6月7日№08136933中煤西安设计工程有限责任公司、西安科技大学中煤西安设计工程有限责任公司、西安科技大学4实用新型专利一种土体加固土钉中国ZL201420751733.42015年04月29日№4269401西安科技大学任建喜，张杨洋，孙杰龙5实用新型专利一种三轴压缩实验用原状土体试样制备装置中国ZL201520187395.02015年05月31日№448038西安科技大学张琨，焦传奇，由临东，王真，王群6SCI期刊PhysicalSimulationTestonTemperatureFieldDistributionofArtificialVerticalStraightMultirowFreezingInclinedShaftENGLAND2021年2021年6月21日Geofluids延安大学、西安科技大学孙杰龙任建喜7CSCD期刊冻结斜井温度场分布规律物理模拟试验研究中国2021年2021年8月14日煤炭科学技术延安大学、西安科技大学孙杰龙任建喜邱明明曹海龙曹雪叶8核心期刊富水砂层冻结斜井内外壁受力特性实测中国2017，37(06)2017年11月30西安科技大学学报西安科技大学任建喜孙杰龙张琨董西好宋勇军9核心期刊富水砂层斜井冻结壁力学特性及温度场研究中国2017,38(05)2017年2月8日岩土力学西安科技大学任建喜孙杰龙张琨王江王东星10核心期刊富水砂层冻结斜井冻结壁厚度设计中国2016,35(11)2016年11月10日煤炭技术西安科技大学任建喜孙杰龙张琨王江王东星10博士论文饱和砂层斜井冻结壁与井壁相互作用力学机理研究中国20182018年6月1日西安科技大学西安科技大学孙杰龙九、主要完成人情况姓名排名行政职务技术职称工作单位完成单位对本项目贡献刘清宝1总工程师教授级高工中煤西安设计工程有限责任公司中煤西安设计工程有限责任公司项目总负责，对项目的组织、策划和实施全面负责，作为主要技术负责，对创新点2、3、4作出了重要贡献，具体贡献如下：（1）提出了斜井井壁设计新思路（创新点2）；（2）提出了富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测方法和富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测结构，指导构建了冻结斜井全寿命健康永久信息化监测系统（创新点3）；（3）构建了人工冻结斜井安全快速施工成套工艺体系，保障冻结井壁安全快速施工（创新点4）。支撑材料：附件2，转件著作权《冻结斜井井壁结构设计软件V1.0》任建喜2院长教授西安科技大学西安科技大学作为主要技术负责，对创新点3、4作出了重要贡献，具体贡献如下：（1）完成了富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测结构和方法设计（创新点3）；（4）完成了人工冻结斜井安全快速施工成套工艺体系研究，保障冻结井壁安全快速施工（创新点4），投入项目研究工作时间占本人同期科研工作量的75%。支撑材料：附件1，实用新型专利：一种富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测结构，附件3，核心期刊《富水砂层斜井冻结壁力学特性及温度场研究》；附件6，核心期刊《富水砂层冻结斜井内外壁受力特性实测》；附件4，实用新型专利：一种土体加固土钉。郭光乔3无高级工程师中煤西安设计工程有限责任公司中煤西安设计工程有限责任公司作为主要技术负责，对创新点2、3作出了重要贡献，具体贡献如下：（1）完成了冻结斜井井壁设计理论分析和软件编制（创新点2）；（2）完成了富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测方法的设计（创新点3）；投入项目研究工作占本人工作量75%以上。支撑材料：附件2，软件著作权《冻结斜井井壁结构设计软件V1.0》；附件1，实用新型专利，一种富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测结构。孙书亮4无教授级高工中煤西安设计工程有限责任公司中煤西安设计工程有限责任公司对创新点1、2作出了重要贡献，具体贡献如下：（1）完成了人工冻结斜井三维物理模拟试验系统模型箱设计研制（创新点1）；（2）完成了冻结斜井井壁结构受力分析，并协助完成了冻结斜井井壁结构设计软件编制（创新点4），投入项目研究工作占本人工作量75%以上。支撑材料：附件2，软件著作权《冻结斜井井壁结构设计软件V1.0》张琨5无高级工程师西安科技大学西安科技大学对创新点2、3作出了重要贡献，具体贡献如下：（1）完成了冻结斜井井壁受力特性分析和室内试验，协助完成了冻结斜井井壁结构设计软件编制（创新点2）；（2）完成了富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测结构设计（创新点3）；投入项目研究工作占本人工作量75%以上。支撑材料，附件1，实用新型专利，一种富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测结构；附件2，软件著作权《冻结斜井井壁结构设计软件V1.0》。附件5，实用新型专利：一种三轴压缩实验用原状土体试样制备装置。华召文6无教授级高工中煤西安设计工程有限责任公司中煤西安设计工程有限责任公司对创新点1、2作出了重要贡献，具体贡献如下：（1）完成了人工冻结斜井三维物理模拟试验系统加载系统的研制（创新点1）；（2）完成了冻结斜井井壁变形特性和斜井井筒受荷类型、大小及应力状态分析（创新点2）；投入项目研究工作占本人工作量80%以上。支撑材料：附件2，软件著作权《冻结斜井井壁结构设计软件V1.0》。王长友7无教授级高工中煤西安设计工程有限责任公司中煤西安设计工程有限责任公司对创新点2、3作出了重要贡献，具体贡献如下：（1）完成了冻结斜井井壁受力特性分析和室内试验，协助完成了冻结斜井井壁结构设计软件编制（创新点2）；（2）完成了富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测结构设计（创新点3）；投入项目研究工作占本人工作量75%以上。十、主要完成单位及创新推广贡献序号单位名称对本项目的主要贡献1中煤西安设计工程有限责任公司作为“冻结法凿井斜井井筒井壁结构及施工技术研究”项目的第一完成单位，中煤西安设计工程有限责任公司开展了较为系统的深入研究，负责为项目创造良好的环境，提供设备，保证科研资金投入等，对项目的创新和应用做出了如下贡献：（1）提出了人工冻结斜井三维物理模拟试验系统研制思路，并给出了可行性研究方案。（2）提出了松散富水沙层人工冻结斜井井壁设计新思路，提出了斜井井壁设计理论分析和软件编制思路。（3）制定了富水沙层特长冻结斜井三维数字钻孔可视化监测方案，指导构建了斜井全寿命健康永久信息化监测系统。（4）构建了人工冻结斜井安全快速施工成套工艺体系，保障冻结井壁安全快速施工。对创新点1、2、3、4有贡献。2西安科技大学作为“冻结法凿井斜井井筒井壁结构及施工技术研究”项目的主要完成单位，西安科技大学负责为项目提供技术支持，制定项目研究总体方案，技术路线，研究内容和方案，对项目