印度庫斯坦鋅業公司茲魯礦(Hindustan Zinc Ltd. SINDESAR KHURD MINE)深達1006m井筒開工建設在即，經過對多家投標機構的對比，該礦最終選用了中國方案，“重要的原因就是通過產學研聯合，我們研發的‘超大直徑深立井建井災害防控關鍵技術和裝備’已居於世界領先水平。”中國礦業大學深部岩土力學與地下工程國家重點實驗室副主任王衍森教授自豪地對筆者說。

模式化現場機械化作業工法

中國礦業大學深部岩土力學與地下工程國家重點實驗室研究團隊，長期致力於特殊鑿井技術的研究工作，創造了深厚表土及軟弱富水岩層凍結鑿井技術領域的多個國內與世界紀錄，率先突破了超大直徑深立井建井關鍵技術、裝備與工藝重大技術瓶頸，創造了我國立井井筒建設標準的升級版，建立了具有完全自主知識產權的高效、安全建井技術，示範、引領了國際建井行業的科技進步。

地下千米建成“巨無霸”井筒

井筒是煤礦的咽喉，也是煤礦建設的首要任務。

隨着我國淺部煤炭資源不斷減少，煤炭開採正以100~200米/10年的深度向地下深部延伸。千米地下，地層壓力與水壓增大、岩土性質相對弱化，井筒支護難度越來越高；而地溫與瓦斯濃度升高、通風阻力增大、煤炭與大型裝備提升運輸又要求井筒斷面必須擴大。

上天難，入地更難。穿過深厚軟弱土層、富水岩層等複雜地層建設超大直徑（井筒淨徑大於8m）深立井（800~1200m）勢在必行，且又困難重重。

科研人員現場安裝混凝土應變計

在國家科技支撐計劃、國家自然科學基金重點項目和江蘇省優勢學科建設項目等支持下，依託深部岩土力學與地下工程國家重點實驗室這一先進平臺，礦大研究團隊自2004年起，以服務深部資源開採的重大戰略爲出發點，瞄準行業發展需求持續攻關，解決了超大直徑深立井建設的重大技術難題，研發了深立井凍結法鑿井的關鍵技術與成套裝備，連續創造了凍結土層深度（675.6m）世界紀錄和凍結岩層深度（910m）逼近世界紀錄的優異成績，建成了荒徑15.5m、井深1346.1m的深大立井井筒，掃除了深部固體資源開發的鑿井技術瓶頸，形成了一大批具有自主知識產權的核心技術與裝備，研究成果總體居於國際領先水平。

該項目的研究成果，獲國家科技進步二等獎1項、江蘇省科學技術一等獎1項；獲授權國內發明22項、國外發明3項、軟件著作權1件；編修國家、行業規程4部；獲准國家和部級工法4部；發表高水平學術論文68篇。

突破凍結壁設計技術瓶頸

未知的地下空間帶來的挑戰是多方面的。礦大團隊始終堅持理論創新、引領技術的理念，在複雜岩土層凍結法鑿井災害防控理論上實現了突破。

凍結壁是井筒掘砌施工的安全屏障。深厚表土中鑿井，90%以上採用凍結法，凍結表土的厚度，是凍結法鑿井技術水平的重要標誌。

國內外以往普遍依靠數值計算或工程經驗計算凍結壁厚度，結果往往嚴重偏離實際。“例如，500m深度的土層中，凍結壁計算厚度甚至超過25m，結果極不合理，沒辦法使用。”實驗室張馳博士說。

千米表土鑿井模擬試驗系統

中國礦業大學團隊以建立新的計算方法爲目標開展研究，建立了凍結壁設計的新理論和新方法。成果應用於土層厚度達675.6m（世界紀錄）的龍固煤礦北風井，“凍結壁設計厚度爲11.5m，比經驗外推值（15m）大幅減薄23%，凍土體積減少34%，爲凍結井的安全經濟建設奠定了基礎。”龍固煤礦李志深副總工程師說。

此外，在軟弱富水岩層凍結法鑿井中，凍結壁外側是具有一定承載能力且荷載不均勻的岩層，而在2007年以前，反映這一特點的岩層凍結壁設計理論還是空白。礦大團隊創新性地建立了岩層凍結壁與圍巖相互作用理論模型，創立了岩層凍結壁設計新方法。爲凍結深度達910m的新莊礦風井設計的凍結壁厚度爲4.6m，比按國外經驗的推算值減薄了26%，保證安全的同時大幅降低了工程造價。中國科學院院士宋振騏表示，礦大團隊的理論更符合實際、更科學合理，“該項目成果達到了國際領先水平。”

2002年以來，我國北部近10個在建井筒發生岩層凍結壁湧水甚至淹井事故，造成了巨大的經濟損失。“我們發現，孔、裂隙含水岩層的導熱與導水性能與土層有很大差異；這將嚴重影響凍結壁的形成與發展。”楊維好介紹，通過全力攻關，建立了岩層凍結壁的水熱力三場耦合模型，掌握了孔、裂隙開度及滲流速度對凍結壁發展的影響規律，揭示了岩層凍結壁不交圈而誘發淹井的機理，進而成功研發了地下水高速滲流（27~38m/d）條件下的岩層凍結技術與工藝，解決了高家堡煤礦、新莊煤礦深立井裂隙岩層安全高效凍結難題，大幅拓展了凍結法的適用範圍。

破解井壁防脆性破壞及防裂漏難題

井筒是礦井的咽喉，而井壁是其安全屏障。

深大立井的建設，要確保井筒的長期安全與適用，就必須要避免作爲永久支護結構的井壁發生脆性破壞、開裂滲漏。

千米深井井壁模擬試驗檯

礦大團隊通過大型相似模型試驗發現：井壁混凝土強度越高，其瞬間粉碎性破壞傾向越突出，這可能給礦井帶來突如其來的滅頂之災。經過深入地理論分析和大量室內與現場試驗，該團隊提出了基於摻加鋼纖維提高混凝土韌性的理念，開展了鋼纖維高強鋼筋砼複合井壁技術的研究。

井壁高性能鋼纖維混凝土的研製，原材料至關重要。“由於我們這個研究直接服務於山東龍固煤礦北風井建設，而工地周邊並無合適的粗骨料，工程建設一度面臨停工的危險。”張弛說。爲此，團隊成員驅車跋涉近千公里，連續多日深入山區實地考察，經過大量取樣、檢測，最終解決了粗骨料選材問題。

在開展井壁力學特性及破壞性模擬試驗時，有一次井壁突然粉碎性爆裂，混凝土碎塊形成的高速射流，豎直向上瞬間擊中十餘米高的實7驗室天花板，發出劇響，但大家不顧危險，臨近井壁仔細觀察分析並記錄了寶貴的數據。

最終，研究團隊成功研發出了適用於凍結井的CF60~CF90鋼纖維高性能鋼筋砼複合井壁技術，建立了相應的設計理論與方法，消除了深井凍結井壁的脆性破壞重大安全隱患。

團隊還成功揭示出大厚度內層混凝土井壁開裂漏水的新機理，基於補償收縮砼、纖維砼和控溫技術，研發形成了凍結井壁防裂新技術，攻克了內壁嚴重開裂漏水的技術難題。

“成果達到了國際領先水平。”這是煤炭工業協會組織的鑑定委員會的評價。

建立深大立井掘砌裝備新體系

深大立井的建成，歸根到底還需要鑿井裝備與施工組織來實現。

鑿井裝備涉及提升、懸吊、穩控、鑿巖、出矸、壓風、輔助等7大系統36門類，“可以說，井下的裝備配套非常複雜，而且傳統的一些裝備只適用於淨直徑8m以下的井筒。超大斷面的深立井井筒施工，必須研發並採用新型裝備。”實驗室副教授梁恆昌介紹。

面對這一生產現場必須要解決的難題，礦大團隊聯合相關企業，從攻克鑿井裝備複雜結構體系的動力穩定及系統配套入手，成功研製出適用於 15.5m 超大直徑井筒的系列新型鑿井井架，以及配套的吊盤、傘鑽等系列大型裝備，“礦大研發的超大直徑井筒建設的大型系列裝備，解決了傳統鑿井裝備安全性差、效率低、配套難的技術難題，成爲深大立井建設的專用成套裝備。”中煤第五建設有限公司總工程師袁兆寬說。

相較於地上廣闊的施工場所，15.5m的超大直徑井筒在地下空間非常狹窄，還需要容納大型系列設備施工協同作業。

礦大團隊從揭示井深增加、井徑增大誘導的安全劣化效應出發，合理確定超大直徑深立井施工參數，針對影響立井建設安全和效率的 17 大類、113 項因素進行了定量評價，制定了施工技術、裝備安全可靠性和效率的評價新體系；進而研發制定了井內窄小空間多裝備時、空動作規則，首次實現了雙迴轉抓巖機、挖掘機“三機”協同作業。解決了大斷面、大段高施工高效鑿巖、裝巖、清底技術難題，創新了立井建設核心環節關鍵技術。

科研人員現場調研

此外，研究團隊還揭示了立井建設技術、裝備和組織管理間相互作用關係，基於安全、效率模型，構建了三者集成體系的四種模式，創立了超大直徑深立井建設管控技術體系，實現了超大直徑深立井施工的標準化、機械化、專業化和模式化。

據不完全統計，2008-2013年間，上述成果已應用於56個立井，佔同期同類井筒3/4以上，形成近2.5億噸產能，新增產值226億元、利稅15.5億元；井筒建設速度提高52.8%，工效提高99%。2017年，該項成果已推廣應用於深達1521m的山東省新城金礦主井井筒的建設。此外，該項研究成果，也已在印度、土耳其、越南等國外礦井建設市場競爭中得到認可並取得成功，極大地提升了我國建井技術的核心競爭力與國際影響力。