6超深立井施工技术

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1、首届煤炭建设行业总工程师论坛 超深立井施工 技术 汇 报 人： 程志彬 2019年 6月 26日 汇报内容 1. 国内外超深立井建设现状 2. 中煤五建超深立井技术创新成果 3. 国内超深立井装备及技术发展现状 4. 超深立井施工技术难题及解决思路 5. 超深立井施工技术展望 序：超深井开采及超深立井定义 南非 ： 深井开采指矿山开采深度超过 2300米，原岩温度超过 38 的矿山， 超深井开采 指其开采深度超过 3500米的矿山。 加拿大 ： 超深井开采 矿山指在 2500米以下既能保证人的安全， 同时矿业公司 又 能获得经济效益的矿山。 煤矿： 2001年 11月 ， 我国在 175次中科

2、院香山科学会议上 ， 就深 部开采问题召开了专题会议 ， 将煤矿开采深度界定为 4个等级： 金属矿山： 1994至 1997年间 ， 中国矿业大学史天生教授根据凿 井施工难易程度和井筒装备程度 ， 提出了五个深度等级划分的 建议： 序：超深井开采及超深立井定义 世界上开采深度超过 2000米的矿山主要集中在南非 、 加拿大 和 俄罗斯等 国家 ， 其中南非有 14个矿区开采深度超过 2000米 ， 在 2015年就已经有约 40%的 金矿开采在 3000米以下 。 其中采用暗立井方式开采最深的矿山是位于南非金 山盆地西部金矿田的 3座金矿 （ 采深分别为 3900米 、 3900米和 4500

3、米 ） 。 在建井技术方面 ， 国外深立井建设主要采用一次成井 ， 即掘 、 砌 、 安一 次成井 。 国外深井建设采用永久井架 ， 多层吊盘作为工作平台 ， 其多层吊盘 层数高达 10层 ， 吊盘高度最高达 150米高 。 1国内外超深立井建设现状 1.1 国外超深立井建设现状 1国内外超深立井建设现状 1.1 国外超深立井建设现状 2012年 ， 在南非豪登省的南部金矿 ， 投资 50亿美元 ， 花费 7年时间 建成 ， 并 开凿了世界上最深的立井 (井深 2991.45米 )。 在北美 ， 加拿大鹰桥公司的铜金矿开采深度达 3120米 。 在美国北爱达荷 的 Hecla矿业幸运星期五铅锌

4、矿 ， 开凿了直径 5.5米 、 深度达 2900米的立 井 。 在俄罗斯开采最深的矿山其立井提升深度为 2100米 。 在亚洲 ， 印度的科拉尔金矿区有 3座金矿井采深超过 2400米 ， 其中 Champion Reef金矿开拓 112个中段 ， 开采深度达到 3260米 ， 后因 开采诱 发产生严重岩爆灾害 ， 致使该矿已停产关闭 。 1.2 国内超深立井建设现状 在国内，目前煤炭行业超过千米立井达 55条，金属非金属矿山在建和拟 建井深超过 1000米达 45条，在建或拟建开采深度超过 1500米的矿山主要有抚 顺红透山铜矿、本溪思山岭铁矿、山东三山岛金矿西岭矿区、中金山东纱岭 金矿等

5、。 磁西、万东和史村煤矿煤层埋深 9001800米，我公司施工的磁西煤矿 1# 副井， 井深 1341.6米，目前为国内最深煤矿立井 ： 本溪思山岭铁矿矿体埋深 达到 2000米以上， 设计最深立井为 1505米 ； 辽宁大台沟铁矿在 1号坑建 1250 米深探矿井；云南会泽铅锌矿探矿 3#立井井深 1526米 ； 中金集团纱岭金矿主 井设计深度 1600.2米，副井设计深度 1559.87米，为 国内 在建 最深立 井。三山 岛金矿西岭矿区勘探出矿体赋存深度达到 2060.5米，拟建 2005米深立井。 我国超深立井施工工艺 地面冻结 /预注浆 + 工作面注浆为围岩 治理辅助工法的井 筒掘砌

6、混合作业 钢丝绳悬吊 大段高整体液压金属 模板砌壁、大功率风机抽压混合 式通风、高扬程卧泵接力排水等 机械化配套混合作业工法。 大直径滚筒提升机配大容积吊桶 提升、液压伞钻凿岩、小型挖掘 机配合中心回转抓岩机装岩清底 ，钢丝绳悬吊多层吊盘。 2.中煤五建公司超深立井技术创新成果 2.1 超深立井施工业绩和荣誉 中煤五建 在 矿井建设领域 ，尤其 是 在 超大直径、超深立井 施工方面， 保持着多项记录， 立井 综合月成井速度已超过 100米 /月 ，曾创出连续 6个月、 8个月、 9个月成井超百米纪录， 在全国同行业中名列前茅。 在立井井筒施工 方面 ，中煤五建 施工技术行业领先，积累了 丰富

7、的施 工 经验，承建了代表行业发展方向的大直径、深立井井筒已达 17个。 五建公司近年施工的井深超 1000米 井筒 一览表 序号 工程名称 建设单位 净直径（米） 井深（米） 最高进尺（米） 1 唐口煤矿主井 山东淄博矿业集团 7.5 1029 132 2 朱集西煤矿副井 安徽皖北煤电集团 8 1015.2 180 3 潘一煤矿东区 2号副井 淮南矿业集团潘东矿井 8.6 1034.2 152 4 磁西煤矿 1号矿副井 冀中能源峰峰集团有限公司 8 1341.6 124 5 潘三煤矿深部进风井 淮南矿业（集团）有限责任公司 8.6 1004.2 140 6 祁南煤矿深部箕斗井 淮北矿业集团公

8、司 7.2 1045.5 118.8 7 祁南煤矿深部副井 淮北矿业集团公司 8.2 1063.5 122.4 8 恒源煤矿进风井 安徽恒源煤电股份有限公司 7.2 1019 160 9 张集东煤矿进风井 淮南矿业（集团）有限责任公司 7.2 1027.5 168 10 印度铅锌矿混合井 印度斯坦锌业股份有限公司 7.5 1053 158 11 唐口煤矿东进风井 山东唐口煤业有限公司 7 1034 116 12 凤凰山煤矿副井 山东能源临矿集团 7.5 1222 100 13 新城金矿回风井 山东黄金矿业股份有限公司新城金矿 7 1147 116 14 新城金矿副井 山东黄金矿业股份有限公司新

9、城金矿 7.5 1090 108 15 新城金矿主井 山东黄金矿业股份有限公司新城金矿 6.7 1527 188 16 纱岭金矿主井 莱州汇金矿业投资有限公司纱岭金矿 6.8 1600.2 在建 17 纱岭金矿回风井 莱州汇金矿业投资有限公司纱岭金矿 8.0 1349.3 在建 中煤五建公司施工速度纪录（部分 ） 序 号 工程名称 净直径 （ m） 主要业绩 1 印度斯坦锌混合井 7.5 连续 6个月 成井超 100米，单月最高成井 158米 2 红庆河副井 10.5 荒径 15米 ，单月最高成井 156米 3 李楼铁矿 5.5 连续 7个月 成井超 100米，单月最高成井 158米 4 张庄

10、铁矿 7.3 连续 7个月 成井超 100米，最高单月 229.6米，破冶金行业纪录 5 滕东生建煤矿副井 6.0 连续 8个月 掘砌成井超 100米，被评为“上海大世界基尼斯之最” 6 万福煤矿副井 7.0 成功穿过 754.96米 表土层，被大世界基尼斯授予 “冻结井筒穿过表土层厚度之最” 7 新城金矿新主井 6.7 平均月进尺 106米，最高月进尺 188米，获得“立井井筒掘砌成井 连续 9个月 超百米大世界基尼斯纪录” 我公司承建的纱岭金矿主井井筒为我国在建 最 深立井，采用我公司 独创 的 国家级 “立井机械化快速施工工法”进行施工，即短段掘砌，伞钻凿 岩、中心回转抓岩机装矸、小型液

11、压挖掘机清底、大功率提升机配吊桶 提升、底卸式吊桶下砼、整体金属模板砌壁等技术，专业化“滚班制” 的工作制度，结合中深孔光爆技术，实现“一掘一砌”正规循环。 中煤五建公司承建的纱岭项目 多年来我公司不断加大科技投入，依靠科技创新提高核心竞争力。在立井施工方面 ，获得国家科技进步奖 2项、行业及省部级科技进步奖 80项、部级及国家级施工工法 78项、国家专利 72项，保持了行业核心技术领先优势。在重大技术攻关上，针对超 深立井施工的防治水、岩爆、地温防治、提升运输、井壁支护结构等诸多方面进行 了技术研究，取得了多项技术成果。 主持的“千米埋深矿井建设技术及应用”、“超大直径深立井建井关键技术及成

12、套 装备”荣获国家科技进步二等奖；“复杂地质条件下井筒安全建设关键技术”获国 家安监总局安全生产科技成果一等奖，并被列入国家 A级推广项目；“全液压中心回 转抓岩机的研制及在立井施工中的应用”、“液压伞钻的研制及在立井硬岩爆破施 工中的应用”获中国施工企业协会科技创新成果二等奖；“立井井筒冻结表土机械 化快速掘进技术”获中煤集团公司科技进步二等奖。 2.2 超深立井建设先进装备与技术 我公司参加编制的企业标准立井施工标准，根据井筒技术特征， 汇总了 12种机械化配套模式。 针对超大直径、超深立井施工 , 成功应用了： 小型挖掘机与中心回转抓岩机 配合作业工艺 VI型井架 5米提升机 双联伞钻

13、6-8立方吊桶 钢丝绳在线监测技术。 取得了超大直径深立井建井关键技术及成套装备技术成果。 目前正在研发的超深立井相关项目主要有迈步模板、迈步吊盘、稳绳 扶绳装置、 2000米级深立井防治水、以地应力监测技术为主的信息化 施工技术、岩爆防治技术等。 在立井施工技术方面，中煤五公司拥有独一无二的打钻、冻结、掘砌 一体化施工能力的整体优势，总结出了行业领先的以“四大一深”关 键技术为核心的国家级立井机械化快速施工工法，即：提升选用 凿井专用“大提升机”，配备“大吊桶”；出矸选用“大抓岩机”； 砌壁选用“大模板”；凿岩采用“液压伞钻深孔凿岩、光面爆破”， 通过优化机械化装备，极大提高了立井施工速度。

14、 3.近年来国内超深立井装备及技术发展现状 3.1 设备配套技术 目前被广泛应用的“立井机械化快速施工工法”，经实践证明可适用 于井深 1600m以内的各种深度的立井掘砌。近年来，大直径凿井提升 机（ 4.5米、 5米）、大悬吊能力稳车（ 40T、 50T）、大型凿井井 架（ VI型、 型）已成功应用于 1500米级 超深立井施工。 3.2综合防治水技术 超深井基岩含水层在经过地面预注浆和（或）工作面预注浆后，通常要求达 到 10m3/h以下，但有时也有局部异常涌水情况，而且随着井筒深度的加深， 工作面涌水严重影响施工进度与质量，甚至导致安全事故。井筒施工中，通 常采用“探、导、截、堵、排”等

15、综合预防治理措施。 地面预注浆深度已达到 1360米。 超深立井的防治水技术需要重点考虑在高水压、大围岩弹性能及大角度裂隙 发育情况下的可注性问题。目前经实践总结出的大功率液压钻机造孔、高压 注浆泵注浆、设置加厚耐压井壁、预埋加长孔口管、浇筑高标号加厚止浆垫 、预设孔口管防喷装置，以粘土水泥浆或化学浆为主，新型遇水不分散的早 凝早强高强注浆材料为辅的综合深井注浆治水工艺，具有广泛的适用性。 3.3深井高地压支护治理技术 目前采用的应对措施： 1、应力释放：预释放和后释放 2、加强支护：及时进行锚网临时支护，优先采用管缝式锚杆等进行快速 全长锚固。 3、加强监测： 仪器监护和人工监护，提前捕捉地

16、质灾害前的征兆 4、 合理控制段高：在岩爆危险区施工时减小掘砌循环段高，减小围岩 暴 露面积，缩短暴露时间。 超千米深立井施工，围岩处于高应力状态，软岩地层出现流塑变形、 硬岩则具有冲击性破坏倾向。 3.4地温热害治理技术 1000米以下的深立井地温一般较高，多数要超过 40度，根据地温梯度， 目前 1500米级的立井，井内水温近 50度，多采取增加通风、注浆堵水 等措施。机械降温手段应用得很少。 预注浆堵水是治理热害的最有效手段。 3.5综合防腐技术 我国沿海地区分布有多个超深金属矿区，这些超深矿区所建 的立井，其穿过的含水地层地下水腐蚀性大，且建井周期长， 因此，井内设备设施需进行防腐处理

17、。 施工中根据使用年限及腐蚀磨损情况，多采用增加钢丝绳、 管路等更换次数、及时封堵井壁漏水等手段。 4.超深立井施工技术难题及解决思路 4.1 煤矿超深立井特性及难点 煤矿井筒的地层主要以沉积地层为主，上部主要为表土地层，而基岩多 为沉积岩。 煤矿井筒穿越的表土后，遭遇软弱流动地层。 随着表土深度加大，地层压力增加，井壁厚度加大，出现复杂井壁结 构。 煤矿井筒含水岩层的类型较多。 有的岩层形成年代是新近系的，成岩 程 度低、弱胶结、孔隙率大、易 膨胀。 4.2金属矿山超深立井特性及难点 金属矿山井筒的地层主要以火成岩为主，表土一般覆盖厚度较薄，基岩 的岩性强度高，弹性模量大，井壁载荷小，厚度薄

18、。 岩石硬，凿岩的难度大。 井筒多穿越复杂断层带，围岩或高压含水，或破碎、软弱充填物。 井筒含水地层主要以高角度裂隙为主。 随着金属矿井筒深度加大，围岩处于高应力状态。 4.3超深立井施工共性技术难题 （一）装备性能要求大幅度提高 （ 1）井架等凿井结构工作荷载更大； （ 2）凿井提升机静张力、容绳量、保护系统等性能要求更高； （ 3）稳车悬吊能力要求与控制难度加大； （ 4）井内结构布置要求与提升摆动控制问题更为突出，安全管理 要求更高；（现有标准规范适应性问题） （ 5）超深竖井施工通风、排水难度大幅增加； （ 6）子系统集成难度大、要求高，需要更高的生产组织和现场管 控能力。 4.3超深

19、井共性问题 （二） 地质环境更加复杂 （ 1）水压力增加，治水难度加大 地质条件复杂，水患威胁更加突出，复杂的工程地质条件和水文地质条 件对施工安全及效率带来很大影响。 （ 2）地温增加，工作环境恶化 井深 1200m以后，围岩温度近 40， 1000m以后按 2.2/百米递增，施工 到 2000m时，围岩温度将达到 50以上，严重恶化工作面的热环境，必 须采取有效的降温措施。 （ 3）地压加大，岩爆风险增加 大埋深岩土主动压力增大，围岩压力与流塑变形控制更为困难；井筒施 工到 1000米以下时，发生地压显现或岩爆的可能性增大，对施工安全造 成威胁，增加安全管理难度。 4.3超深井共性问题 （

20、二） 地质环境更加复杂 （ 4）井壁支护要求更加严格，封水性、韧性、耐腐蚀性要求增加 井筒深部井壁在有淋水、涌水、腐蚀的环境下，井壁混凝土强度等级要 求高，混凝土应具有耐腐蚀性能，对混凝土质量控制的要求更加严格。 （ 5）井筒装备保护难度加大，损耗增加 地下水为具有腐蚀性的盐水时，易腐蚀皮肤以及钢丝绳、吊盘等井下凿 井设备设施，不仅造成工作环境恶化，而且由于修理、更换被腐蚀的钢 丝绳、设备设施等，增加了施工成本和工期 。 4.3超深井共性问题 （三）施工组织与安全管理更加严格 （ 1）凿井期间设备配置及井筒断面布置应提前考虑改绞需求，优选最 佳方案，使二期工程施工时提升能力最大。 （ 2）超深

21、竖井施工，提绞系统负荷更大、钢丝绳自由悬垂更高、地下 水和岩土的主动压力显现更强，对施工组织、技术管理和安全控制提出 更高的要求。 （ 3）针对防治水、地温、岩爆、提升吊挂等突出问题，需继续开展研 发工作，一方面验证已有成果的可行性、可靠性；另一方面通过不断的 优化改进，提高施工总体效率。 4.4.1 设备配套技术思路 近年来，大直径凿井提升机（ 4m、 4.5m、 5m）、大悬吊 能力稳车（ 25T、 40T、 50T）、大型井架（ V型、 VI型、 型）在 1500米级以内的深立井得到了成功应用，进一步扩大了“立井机械 化快速施工工法”的适用范围。 针对 2000米级深立井，需要研制更大能

22、力的提升机和悬吊稳车。 而吊盘和模板的无悬吊技术，是超深立井技术的发展必然路线。另 外，钢丝绳在线监测、稳绳摆动控制、智能提升等专利技术，可进 一步提高超深立井施工效率和安全保障能力。 4.4超深立井施工技术难题解决思路 4.4.2 主要辅助系统配置思路 排水系统 构筑转水站分级排水；借助老系统排水；多井筒中段贯通 构筑排水系统。 通风系统 提高通风系统能力（多路风筒）；借助老系统通风；设置 机械降温系统。 监测系统 （ 1）围岩应力、井壁结构应变采用“实时监测、阈值报警、专业盯 守、在线反馈”监控措施，确保风险预控和有效解除； （ 2）吊盘模板等悬吊绳采用在线监测装置，实际反馈凿井结构的工

23、作负荷，确保施工过程安全。 4.4.3 提升悬吊摆动控制技术思路 施工期间进行稳绳摆动监测。采用现场实测与计算机模拟 相结合的技术手段，对提升、悬吊钢丝摆动与振颤规律进 行分析和预测，采取措施控制钢丝绳横向、纵向振幅和频 率，确保提升安全 。 4.4.4 综合防治水技术思路 针对含水层数多、水量大的井筒，宜采用地面预注浆为主、工作面预 注浆为辅、壁后注浆为补充的注浆堵水方案。 根据目前的造孔技术，地面预注浆技术在注浆深度上有条件扩大其应 用范围。 目前的工作面注浆工艺，还不适应高水压 高角度微裂隙的含水地层，可以从地层预裂、 优化注浆材料等方面深入进行工程试验。 在变形能累积的情况下， 也可采

24、用抽 注联合的深井注浆方案。 4.4.5 深井地压治理技术思路 超千米深立井施工，岩爆等地压显现情况具有明显的差异性。 （ 1）地质资料掌控和预判。掌控地质检查孔资料，通过理论分析，对围岩出 现的大变形、高 地 压、岩爆等倾向进行预判预测。 （ 2）应力监测预判。 监测围岩应力应变，掌握其随深度变化的规律，结合工程地质情况，预判冲 击地压或岩爆的形式以及可能出现地压危害的位置。检测的方式主要有应力、 应变传感器方式和微震监测方式，并辅以钻屑取样等验证方法。 （ 3）改善井下结构承载性能 分为三种：第一种是改善井筒内马头门、硐室等的结构形式，减小岩石开挖 后围岩的应力集中；第二种是采用光面爆破技

25、术，减少爆破对围岩的破坏影 响，减少围岩凹凸不平造成的应力集中；第三种是采用注浆锚索对围岩进行 加固，提高其承载性能。 1、 深部高地应力问题。 研究（ 试验 室模拟及工程实测） 不同围岩强度条件下 地应力 分布特性 ，获得围岩地应力随荷载的变化规律，揭示出工程扰动后地 应力实测数据与原始应力之间存在的变 化 规律 ，为结构设计及地压防治提供 理论支撑。 2、高水压条件下 地下水封堵技术。 研究 2000米级地面预注浆技术； 在深立井 含水地层实施工作面注化学浆和新型注浆材料。 3、 深部高温热害治理技术。研制隔热 型井壁结构；研究井筒机械降温系统 。 4、研究 超深立井提升过程中吊桶摆动问题

26、。设计稳绳张力感知与调节装置， 解决稳绳张力大小不知、调节困难的问题；设计基于稳绳中部横向支撑约束 的吊桶摆动抑制系统，克服稳绳导向长而导致吊桶摆动大的问题。 5 超深立井施工技术展望 5、研究 超深立井凿井装备悬吊 方式 问题。 研究迈步式吊盘、模板结构及 应用工艺。 6、研究超深立井井壁结构设计新理论。 目前井筒设计的主要依据是 GB50384-2016煤矿立井井筒及硐室设计规范 ， 对于超千米深井筒的井 壁设计已经超过规范涉及的深度范围。 因此，需要从 围岩和 结构 相互作用 机理出发，研究适用于超深立井井壁设计的科学合理的公式。 7、研究利用永久提升系统凿井的可行性 问题。 在国内 ， 永久提升机多选 用 多绳摩擦式提升机 ， 当 生产矿井 提升深度超过 1600米时，多绳摩擦式提 升机的可靠性会大幅降低，提升机生产厂家或研究机构均 建议采用 多绳缠 绕式提升机。 在 国外 ， 大深度 矿井 多采用永久井架和永久多绳缠绕式提升 机凿井 。基于此，有必要研究 2000米 级立井采用永久提升系统凿井的可行 性。 5 超深立井施工技术展望 谢谢 ！