全国千米深立井建设施工技术课件

,*,*,千米深立井建设施工技术,山东科技大学土建学院,林登阁 教授,2019,、,8,、,17,山东邹城,学术讲座,ACADEMIC COURSE,千米深立井建设施工技术山东科技大学土建学院2019、8、17,1,主要内容：,千米立井建设背景,千米深立井施工面临问题,千米立井关键技术与装备的攻关,千米立井建设取得的,成效,主要内容：千米立井建设背景,我国煤炭资源,90%,以上依靠井工开采。,近年来在东部、中西部地区千米深度的煤炭、金属等矿山资源的开发途径上，大量采用了千米深立井井筒的,开拓方式,。,中西部地区在亿吨级矿区、千万吨级矿井的建设过程中，大量采用了大直径立井井筒,。,1,、千米立井井筒建井背景,深部资源的开发利用,高地温降温,大煤流的通道,大风流的通道,大设备流的通道,满足要求,:,（一“深”一“高,”,三“大”）,国家能源战略,，,在未来相当长时期内是,“,以煤炭为主体、电力为中心，油气和新能源全面发展,”,，煤炭作为我国主体能源的地位短期内不会改变。,第,3,次全国煤炭资源预测，埋深,2000m,内,的,煤炭资源总量为,5.57,万亿吨。已探明煤炭总储量中,65%,以上埋深超过,800m,，其中,8001200m,范围内的储量约占总储量的四分之一。,我国浅表煤炭资源已渐枯竭，目前煤矿正以每,10,年,100300m,的开采速度向深部延深。,我国煤炭资源90%以上依靠井工开采。1、千米立井井筒建井背景,图,1,立井掘进全国平均速度,2019,年以来建井速度较上世纪有了较大提高，但平均月进度维持在,6566 m/,月，依然较低。,自,2019,年后，立井井筒平均掘进速度由,68.51 m/,月逐年降低至,2019,年的,65.13 m/,月。,主要原因是：,井筒掘进直径的加大导致单位进尺工程量的剧增，井筒建设深度的增加则造成施工效率的降低。,图1 立井掘进全国平均速度2019年以来建井速度较上世纪有了,2,、千米深立井建设面临的问题,深度,：,到,2019,年底，我国施工的立井井筒最深约,1100 m,。目前煤矿立井井筒深度达到,1342,米国外立井井筒的建设深度已超过,2000m,，最深井筒为南非贵重金属矿斯录桂登矿井，其井深达,3480m,。南非英帕拉铂金公司第,16,号立井工程井深,1657m,。,工艺：,主要施工工艺是,短段掘砌混合作业,，正规循环段高平均为,33.6m,；,装备：,针对,800m,井深以下井筒施工研制的,大提升机配置大吊桶提升、中心回转抓岩机装岩、伞钻打眼、光面爆破、整体移动模板砌壁等工艺、装备遇到局限,。,虽经多次改造升级，完成工程施工，但,无法满足,千米立井井筒安全、高效、快速施工的需求,。,2、千米深立井建设面临的问题深度：到2019年底，我国施工的,施工与技术水平亟待提高,软硬冻岩；大断面、深孔,凿岩爆破：,大面积、大体量；低效益,装岩清底：,大段高；大水量、高水压,注浆堵水：,井壁维护：,大体积、大温差；多裂缝,相互影响大、受力复杂,大硐室群：,特殊地层：,膨胀地层、破碎带、煤层,提升系统：,悬吊系统：,凿井井架,提升机,高速吊桶,掘砌系统：,伞钻,抓岩机,模板,大吊盘,装备安全与能力严重不足,2.1,存在的问题：,施工与技术水平亟待提高软硬冻岩；大断面、深孔凿岩爆破：大面积,工作面大段高预注浆,大直径厚止浆垫施工技术,大段高造孔施工技术,大段高注浆施工技术,3.1,施工关键技术研发,大断面深孔钻眼爆破,硬岩、软岩、冻结岩土,大断面、深孔爆破,高效装岩清底施工,挖掘机改造与井下作业,挖掘,-,抓岩机协同作业技术,井筒穿越特殊地层施工,井筒穿越膨胀地层施工技术,井筒穿越破碎带施工技术,井筒穿越煤层施工技术,井筒相邻特大硐室群施工,先外围,-,后主体硐室群施工方案,两侧倾斜上行双导硐施工技术,先让后抗,-,先拱后墙围岩稳定技术,3,、千米立井关键技术与装备的攻关,工作面大段高预注浆3.1 施工关键技术研发大断面深孔钻眼爆破,立井硬岩爆破数值模拟,（,1,）,大断面深孔钻爆关键技术,直眼掏槽,掏槽圈径,1.6m,孔深,5.0m,孔径,55mm,堵塞,1.5m,斜眼掏槽,掏槽圈径,1.6m,孔深,4.9m,角度,7,孔径,55mm,总药量,36kg,自由面岩石加速抛掷历时,68ms,轴线自由面岩石抛掷速度,9.53m/s,岩石最大抛掷高度,4.6m,底部,1/3,岩石,没有充分破碎,自由面岩石加速抛掷历时,68ms,轴线自由面岩石抛掷速度,22.8m/s,岩石最大抛掷高度,26.5m,炮孔底部岩石充分破碎,立井硬岩爆破数值模拟（1）大断面深孔钻爆关键技术直眼掏槽斜,立井硬岩爆破现场试验,（,1,）,大断面深孔钻爆关键技术,莱新铁矿,2#,副井,-500m,标高以下闪长岩，,f=18,性能指标,传统,优化,效果,炮孔数,/,个,152,94,38%,总装药量,/kg,528,394.42,25%,炮眼利用率,80.5%,90%,9.5%,循环进尺,/m,3.6,4.0,11%,造孔缩短时间,/h,0,2.0,节省时间,形成煤炭行业（部级）工法,立井施工硬岩爆破液压伞钻凿岩工法,立井硬岩爆破现场试验（1）大断面深孔钻爆关键技术莱新铁矿2,立井软岩、冻结岩石爆破,（,1,）,大断面深孔钻爆关键技术,软岩：,钻孔难、成孔难,冻岩：,冻结管安全、炮眼利用率低,多段延时爆破控制技术,周边眼耦合装药控制技术,大药量炮轰波控制技术,专用凿岩装备钻眼技术,立井软岩、冻结岩石爆破（1）大断面深孔钻爆关键技术软岩：钻,（,2,）,高效装岩,清底施工关键技术,挖掘机改造,改柴油驱动为电液驱动,节能减排、改善环境,形成煤炭行业（部级）工法立井施工液压挖掘机与抓岩机配套装岩工法,挖掘机与抓岩机协同作业,装岩、清底：快速、彻底,安全、高效：人少、机械,（2）高效装岩清底施工关键技术挖掘机改造形成煤炭行业（部,止浆垫施工技术,几何、材料、位置,注浆孔造孔技术,大钻机、小钻头,；,孔口防喷,井壁保护技术,加厚井壁,(,增强,),、泄压孔,(,泄压,),、,预埋加长孔口管,(,减压,),等,超大直径深立井：,空间大、,水压高，水量大,（,3,）,工作面,大段高,预注浆关键技术,形成煤炭行业（部级）工法,深立井工作面预注浆施工工法,止浆垫施工技术超大直径深立井：（3）工作面大段高预注浆关键技,硐室群施工技术,：“,先外围,-,后主体,”,硐室,施工技术,：“,两侧上行倾斜双导硐,”,围岩稳定技术：“先让后抗,-,先拱后墙”,（,4,）,井筒相邻特大硐室群施工关键技术,硐室群施工顺序,两侧上行倾斜导硐施工方案,形成煤炭行业（部级）工法,高地压、软岩矿山大型硐室施工工法,木垛接顶,1,2,3,1,2,2,3,3,贯通,分层反刷,1,2,3,硐室群施工技术：“先外围-后主体”（4）井筒相邻特大硐室群施,（,5,）,井筒穿越特殊地层施工关键技术,过膨胀,地层,过破碎带,释压槽,泡,塑,板,井,圈,过膨胀土层,可调高度砌壁模板：缩小段高,开槽、敷设泡塑板：释放变形,井圈,-,背板喷射砼：临时支护,高强、早强混凝土：强化支护,过,破碎带,井圈,-,背板加喷射砼支护,柔模体系与浇筑混凝土技术,（5）井筒穿越特殊地层施工关键技术过膨胀地层过破碎带释压槽泡,提升系统关键装备,新大型,凿井井架,提升机,变频集控,高速大吊桶稳控,掘砌系统关键装备,液压、双联、大行程,伞钻,新型液压,中心回转抓岩机,可调,大段高整体滑动模板,3.2,施工关键装备研制,悬吊系统关键装备,大直径变径吊盘,大直径吊盘稳控,稳车群,集群控制,安装,与安全,系统关键装备,新型六层安装吊盘,内壁施工辅助吊盘,系列安全辅助装置,提升,-,悬吊,-,掘砌,-,安装,提升系统关键装备 掘砌系统关键装备3.2 施工关键装备研制悬,（,1,）提升系统,新型大型凿井井架,新型,VI,凿井井架,“日”字型天轮平台改为“目”字型天轮平台,优化布局，改善受力,（1）提升系统新型大型凿井井架新型VI凿井井架“日”字型,新型,VII,凿井井架,上“日”、下“目”字型,双层天轮平台结构体系,新型“,M,”型支撑结构,优化平台布局，改善受力状态,增加悬吊设备数量，降低重心,优化井架整体受力，增强稳定,个,+,个型,M+,个型,M+M,型,新型VII凿井井架优化平台布局，改善受力状态个+,新型,VII,凿井井架,性能指标,V,型,VI,型,VII,型,VI,效果,VII,效果,适用荒径,/m,7.0-8.0,8.0-10.0,9.0-15.0,25%,88%,适用井深,/m,600-1100,1000-1200,1000-1600,10%,45%,角柱跨距,/m,16.0,16.0,17.55,17.55,21.0,21.0,10%,31%,天轮平台数,/,层,1,1,2,-,100%,天轮平台,/m,7.5,7.5,9.05,9.05,9.0,9.0,12.012.0,20%,60%,一层平台高,/m,10.3,10.4,12.0,-,16%,工作荷载,/KN,4148.6,5590.0,6748.0,35%,62%,断绳荷载,/KN,5456.6,8590.0,11412.0,57%,109%,新型VII凿井井架性能指标V型VI型VII型VI效果VII效,（,1,）提升系统,新型大型凿井提升机,不同提升速度提升能力,卷筒：整体式、两瓣式,制动器：油缸后置式、盘形,控制：电液联合,离合器：径向齿块式调绳,联轴器：弹性棒销,性能指标,JKZ-4/17.8,2JKZ-5/18,效果,滚筒数,/,个,1,2,100%,滚筒直径,/m,4.0,5.0,25%,滚筒宽度,/m,3.0,4.0,33%,最大静张力,/kN,250,350,40%,最大静张力差,/kN,290,最大速度,/ms,-1,6.94,8.67,25%,提升高度,/m,1500,1753,16.8%,提升不同吊桶提升能力,（1）提升系统新型大型凿井提升机 不同提升速度提升能力,（,1,）提升系统,提升机高压变频控制,NT,型提升机网络化集散控制系统,四象限带回馈制动高压变频器控制,变频控制系统,性能指标,传统,新型,控制方式,PLC,交流控制,网络化集散控制,启动方式,电阻启动，启动电流大,软启动,运行速度,变速震动,无极变速，平稳,安全性,过卷，过放,多重保护,能耗,耗能大,25%,震动噪音,大,小,自动化程度,低,高,维护工作量,高,低,提升机变频调控,建井界首次应用,（1）提升系统提升机高压变频控制NT型提升机网络化集,（,1,）提升系统,高速大吊桶稳控,吊桶横向摆动分析,吊桶高速摆动分析模型,吊桶质量,/,t,激励,/cm,预紧力,/,t,速度,/ms,-1,最大位移,/cm,1,1,5,5,7.5,1,1,5,10,13.6,1,1,10,5,6,1,1,10,10,11.2,8.5,1,5,5,4.9,8.5,1,5,10,9.3,8.5,1,10,5,4.5,8.5,1,10,10,8.7,1,5,5,5,37.5,1,5,5,10,68,1,5,10,5,30,1,5,10,10,56,8.5,5,5,5,24.5,8.5,5,5,10,46.5,8.5,5,10,5,22.5,8.5,5,10,10,43.5,（1）提升系统高速大吊桶稳控 吊桶横向摆动分析吊桶高速摆,吊桶横向摆动检测,（,1,）提升系统,高速大吊桶稳控,扭转测量,张力测试,吊桶横向摆动检测（1）提升系统高速大吊桶稳控扭转测量张,（,1,）提升系统,高速大吊桶稳控,吊桶防坠装置,吊桶防坠滑架结构示意,（1）提升系统高速大吊桶稳控 吊桶防坠装置吊桶防坠滑架结,（,2,）悬吊系统,大直径变径吊盘,增加变径结构,设计方形喇叭口,可重复易连接立柱,多种稳控装置,适于多层井壁,便于设备上下,便于重复利用,移动稳定可靠,性能指标,传统,新型,效果,适应荒径,/m,6.0-9.0,9.0-15.0,5067%,承载,/kN,200-400,400-600