深大立井建设的“中国方案”
——中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室科研攻关略记
中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室研究团队，长期致力于特殊凿井技术的研究工作，创造了深厚表土及软弱富水岩层冻结凿井技术领域的多个国内与世界纪录，率先突破了超大直径深立井建井关键技术、装备与工艺重大技术瓶颈，创造了我国立井井筒建设标准的升级版，建立了具有完全自主知识产权的高效、安全建井技术，示范、引领了国际建井行业的科技进步。
地下千米建成“巨无霸”井筒
井筒是煤矿的咽喉，也是煤矿建设的首要任务。随着我国浅部煤炭资源不断减少，煤炭开采正以100~200米/10年的深度向地下深部延伸。千米地下，地层压力与水压增大、岩土性质相对弱化，井筒支护难度越来越高；而地温与瓦斯浓度升高、通风阻力增大、煤炭与大型装备提升运输又要求井筒断面必须扩大。
上天难，入地更难。穿过深厚软弱土层、富水岩层等复杂地层建设超大直径（井筒净径大于8m）深立井（800~1200m）势在必行，且又困难重重。
在国家科技支撑计划、国家自然科学基金重点项目和江苏省优势学科建设项目等支持下，依托深部岩土力学与地下工程国家重点实验室这一先进平台，矿大研究团队自2004年起，以服务深部资源开采的重大战略为出发点，瞄准行业发展需求持续攻关，解决了超大直径深立井建设的重大技术难题，研发了深立井冻结法凿井的关键技术与成套装备，连续创造了冻结土层深度（675.6m）世界纪录和冻结岩层深度（910m）逼近世界纪录的优异成绩，建成了荒径15.5m、井深1346.1m的深大立井井筒，扫除了深部固体资源开发的凿井技术瓶颈，形成了一大批具有自主知识产权的核心技术与装备，研究成果总体居于国际领先水平。
该项目的研究成果，获国家科技进步二等奖1项、江苏省科学技术一等奖1项；获授权国内发明22项、国外发明3项、软件著作权1件；编修国家、行业规程4部；获准国家和部级工法4部；发表高水平学术论文68篇。
突破冻结壁设计技术瓶颈
未知的地下空间带来的挑战是多方面的。矿大团队始终坚持理论创新、引领技术的理念，在复杂岩土层冻结法凿井灾害防控理论上实现了突破。
冻结壁是井筒掘砌施工的安全屏障。深厚表土中凿井，90%以上采用冻结法，冻结表土的厚度，是冻结法凿井技术水平的重要标志。
国内外以往普遍依靠数值计算或工程经验计算冻结壁厚度，结果往往严重偏离实际。“例如，500m深度的土层中，冻结壁计算厚度甚至超过25m，结果极不合理，没办法使用。”实验室张驰博士说。
中国矿业大学团队以建立新的计算方法为目标开展研究，建立了冻结壁设计的新理论和新方法。成果应用于土层厚度达675.6m（世界纪录）的龙固煤矿北风井，“冻结壁设计厚度为11.5m，比经验外推值（15m）大幅减薄23%，冻土体积减少34%，为冻结井的安全经济建设奠定了基础。”龙固煤矿李志深副总工程师说。
此外，在软弱富水岩层冻结法凿井中，冻结壁外侧是具有一定承载能力且荷载不均匀的岩层，而在2007年以前，反映这一特点的岩层冻结壁设计理论还是空白。矿大团队创新性地建立了岩层冻结壁与围岩相互作用理论模型，创立了岩层冻结壁设计新方法。为冻结深度达910m的新庄矿风井设计的冻结壁厚度为4.6m，比按国外经验的推算值减薄了26%，保证安全的同时大幅降低了工程造价。中国科学院院士宋振骐表示，矿大团队的理论更符合实际、更科学合理，“该项目成果达到了国际领先水平。”
2002年以来，我国北部近10个在建井筒发生岩层冻结壁涌水甚至淹井事故，造成了巨大的经济损失。“我们发现，孔、裂隙含水岩层的导热与导水性能与土层有很大差异；这将严重影响冻结壁的形成与发展。”杨维好教授介绍，通过全力攻关，建立了岩层冻结壁的水热力三场耦合模型，掌握了孔、裂隙开度及渗流速度对冻结壁发展的影响规律，揭示了岩层冻结壁不交圈而诱发淹井的机理，进而成功研发了地下水高速渗流（27~38m/d）条件下的岩层冻结技术与工艺，解决了高家堡煤矿、新庄煤矿深立井裂隙岩层安全高效冻结难题，大幅拓展了冻结法的适用范围。
破解井壁防脆性破坏及防裂漏难题
井筒是矿井的咽喉，而井壁是其安全屏障。深大立井的建设，要确保井筒的长期安全与适用，就必须要避免作为永久支护结构的井壁发生脆性破坏、开裂渗漏。
矿大团队通过大型相似模型试验发现：井壁混凝土强度越高，其瞬间粉碎性破坏倾向越突出，这可能给矿井带来突如其来的灭顶之灾。经过深入的理论分析和大量室内与现场试验，该团队提出了基于掺加钢纤维提高混凝土韧性的理念，开展了钢纤维高强钢筋砼复合井壁技术的研究。
井壁高性能钢纤维混凝土的研制，原材料至关重要。“由于我们这个研究直接服务于山东龙固煤矿北风井建设，而工地周边并无合适的粗骨料，工程建设一度面临停工的危险。”张弛说。为此，团队成员驱车跋涉近千公里，连续多日深入山区实地考察，经过大量取样、检测，最终解决了粗骨料选材问题。
在开展井壁力学特性及破坏性模拟试验时，有一次井壁突然粉碎性爆裂，混凝土碎块形成的高速射流，竖直向上瞬间击中十余米高的实验室天花板，发出巨响，但大家不顾危险，临近井壁仔细观察分析并记录了宝贵的数据。
最终，研究团队成功研发出了适用于冻结井的CF60~CF90钢纤维高性能钢筋砼复合井壁技术，建立了相应的设计理论与方法，消除了深井冻结井壁的脆性破坏重大安全隐患。
团队还成功揭示出大厚度内层混凝土井壁开裂漏水的新机理，基于补偿收缩砼、纤维砼和控温技术，研发形成了冻结井壁防裂新技术，攻克了内壁严重开裂漏水的技术难题。
“成果达到了国际领先水平。”这是煤炭工业协会组织的鉴定委员会的评价。
建立深大立井掘砌装备新体系
深大立井的建成，归根到底还需要凿井装备与施工组织来实现。凿井装备涉及提升、悬吊、稳控、凿岩、出矸、压风、辅助等7大系统36门类，“可以说，井下的装备配套非常复杂，而且传统的一些装备只适用于净直径8m以下的井筒。超大断面的深立井井筒施工，必须研发并采用新型装备。”实验室副教授梁恒昌介绍。
面对这一生产现场必须要解决的难题，矿大团队联合相关企业，从攻克凿井装备复杂结构体系的动力稳定及系统配套入手，成功研制出适用于 15.5m 超大直径井筒的系列新型凿井井架，以及配套的吊盘、伞钻等系列大型装备，“矿大研发的超大直径井筒建设的大型系列装备，解决了传统凿井装备安全性差、效率低、配套难的技术难题，成为深大立井建设的专用成套装备。”中煤第五建设有限公司总工程师袁兆宽说。
相较于地上广阔的施工场所，15.5m的超大直径井筒在地下空间非常狭窄，还需要容纳大型系列设备施工协同作业。
矿大团队从揭示井深增加、井径增大诱导的安全劣化效应出发，合理确定超大直径深立井施工参数，针对影响立井建设安全和效率的 17 大类、113 项因素进行了定量评价，制定了施工技术、装备安全可靠性和效率的评价新体系；进而研发制定了井内窄小空间多装备时、空动作规则，首次实现了双回转抓岩机、挖掘机“三机”协同作业。解决了大断面、大段高施工高效凿岩、装岩、清底技术难题，创新了立井建设核心环节关键技术。
此外，研究团队还揭示了立井建设技术、装备和组织管理间相互作用关系，基于安全、效率模型，构建了三者集成体系的四种模式，创立了超大直径深立井建设管控技术体系，实现了超大直径深立井施工的标准化、机械化、专业化和模式化。
据不完全统计，2008-2013年间，上述成果已应用于56个立井，占同期同类井筒3/4以上，形成近2.5亿吨产能，新增产值226亿元、利税15.5亿元；井筒建设速度提高52.8%，工效提高99%。2017年，该项成果已推广应用于深达1521m的山东省新城金矿主井井筒的建设。此外，该项研究成果，也已在印度、土耳其、越南等国外矿井建设市场竞争中得到认可并取得成功，极大地提升了我国建井技术的核心竞争力与国际影响力。