國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)推薦項(xiàng)目公示材料

1國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)推薦項(xiàng)目公示材料一、項(xiàng)目名稱深厚含水復(fù)雜巖土層凍結(jié)法鑿井井筒支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)二、推薦單位意見深井井筒開鑿是我國深部礦產(chǎn)資源開發(fā)的重要技術(shù)途徑。我國深厚富水巖層下有超過萬億噸煤炭資源因凍結(jié)法鑿井井筒支護(hù)技術(shù)瓶頸制約未能開發(fā)。由楊維好、王衍森等人共同研發(fā)的“深厚含水復(fù)雜巖土層凍結(jié)法鑿井井筒支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)”成果，攻克了表土段井壁破裂災(zāi)害防治、巖層段雙層復(fù)合井壁施工困難、漏水嚴(yán)重等技術(shù)難題，發(fā)明了深厚土層中內(nèi)層可縮雙層復(fù)合凍結(jié)井壁技術(shù)、深厚巖層中新型單層凍結(jié)井壁技術(shù)、深部凍土成套實(shí)驗(yàn)裝置與技術(shù)和凍結(jié)孔固管充填緩凝水泥漿液及施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了深厚含水復(fù)雜巖土層凍結(jié)法鑿井技術(shù)的重大突破。該項(xiàng)成果獲授權(quán)國際發(fā)明專利3件、中國發(fā)明專利23件，獲批部級(jí)工法1部；篇(SCI收錄14篇，EI收錄63篇)；獲江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局安全生產(chǎn)科技成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，經(jīng)專家鑒定，該項(xiàng)目技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。該項(xiàng)成果已經(jīng)應(yīng)用于山東、河南、安徽和內(nèi)蒙自治區(qū)等礦區(qū)的80余個(gè)深厚含水最大固管深度達(dá)到894m，應(yīng)用效果良好，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。根據(jù)國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)授獎(jiǎng)條件，推薦該項(xiàng)目為2017年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。2三、項(xiàng)目簡介該項(xiàng)目屬礦山支護(hù)工程領(lǐng)域。由于淺部資源日趨枯竭，深層礦體采礦技術(shù)被《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》列為重點(diǎn)領(lǐng)域及其優(yōu)先主題研究內(nèi)容之一。我國400~800m深厚土層和500~1000m深厚富水巖層下的大量鐵、銅及超萬億噸煤炭等礦產(chǎn)資源，因鑿井技術(shù)瓶頸制約一直未能開發(fā)。凍結(jié)法是深厚含水復(fù)雜巖土層中最主要的鑿井方法，其核心是永久井壁和臨時(shí)凍土壁支護(hù)技術(shù)。為突破鑿井技術(shù)瓶頸制約，在國家科技支撐計(jì)劃等資助下，該項(xiàng)目全面突破凍結(jié)法鑿井井筒支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)難題，取得以下重要發(fā)明：1.發(fā)明了內(nèi)層可縮雙層復(fù)合井壁技術(shù)，攻克了深厚土層中井壁破裂災(zāi)害防治關(guān)鍵技術(shù)難題。揭示了凍土融化下沉壓裂井壁新機(jī)理；提出了預(yù)防井壁破裂災(zāi)害新方法，首創(chuàng)了適應(yīng)土層沉降的內(nèi)層可縮雙層復(fù)合井壁技術(shù)，建立了該種井壁的設(shè)計(jì)理論；研發(fā)了井壁豎向承載力及阻尼調(diào)控技術(shù)，用于深達(dá)587.5m土層中井筒。與國外最先進(jìn)的AV型井壁技術(shù)比，該技術(shù)工藝簡潔、井壁造價(jià)低逾50%、施工速度高逾1倍。2.發(fā)明了新型單層凍結(jié)井壁技術(shù)，破解了深厚巖層中雙層復(fù)合井壁厚度過大且開裂漏水嚴(yán)重的關(guān)鍵技術(shù)難題。提出合理減薄井壁方法，創(chuàng)新了凍結(jié)巖層段井壁結(jié)構(gòu)；掌握了井壁—凍結(jié)壁—富水巖層相互作用規(guī)律，建立了新型單層凍結(jié)井壁設(shè)計(jì)理論與方法；發(fā)明了模板繩張力檢測及自動(dòng)調(diào)控裝置以防模板下沉致裂井壁，研發(fā)了控溫、預(yù)應(yīng)力和補(bǔ)償冷縮等防溫度裂縫技術(shù)，開發(fā)了井壁接茬強(qiáng)化及檢漏、堵漏工藝，形成了井壁防裂漏綜合工藝技術(shù)體系。該技術(shù)創(chuàng)造了單層凍結(jié)井壁支護(hù)深度785m的世界紀(jì)錄，與此前技術(shù)比，井壁厚度減薄約50%，造價(jià)低逾30%。3.發(fā)明了深部凍土原位力學(xué)特性成套科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置與技術(shù)，解決了深井凍土壁設(shè)計(jì)理論嚴(yán)重偏離實(shí)際的難題。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高地壓下原位非均溫凍土力學(xué)性狀的逼真實(shí)驗(yàn)，為揭示深部凍土原位力學(xué)特性提供了科學(xué)手段，為深部凍土壁設(shè)計(jì)提供了科學(xué)數(shù)據(jù)；考慮凍土壁原位力學(xué)特性及其與圍土的相互作用，首次建立了適于600m深厚土層的凍土壁設(shè)計(jì)理論與方法。應(yīng)用該成果，凍土壁厚度減薄約30%。4.發(fā)明了超深凍結(jié)孔固管充填緩凝水泥漿液及施工技術(shù)，根除了凍結(jié)孔導(dǎo)水淹井災(zāi)害。該種水泥漿適用于千米深井和45℃地溫條件且凍融后封水性能良好。提出了孔固管充填深度最大達(dá)894m，地溫最高達(dá)42℃)，杜絕了凍結(jié)孔導(dǎo)水淹井災(zāi)害。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了凍結(jié)法鑿井技術(shù)的重大突破，為開發(fā)400~800m深厚土層和500~1000m深厚富水巖層下的礦產(chǎn)資源掃除了鑿井技術(shù)障礙。該項(xiàng)目成果經(jīng)鑒定達(dá)到國際領(lǐng)先水平；已應(yīng)用于河南能源化工集團(tuán)、中國中煤能源集團(tuán)、山東能源集團(tuán)、兗礦集團(tuán)等煤與非煤企業(yè)的80余個(gè)深厚含水復(fù)雜巖土層中的井筒，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯專利3件、中國發(fā)明專利23件；獲批部級(jí)工法1部；出版專著1部；發(fā)表論文111篇(SCI收錄14篇，EI收錄63篇)；獲江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局安全生產(chǎn)科技成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。3四、客觀評(píng)價(jià)該項(xiàng)目通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)等的技術(shù)鑒定。研究成果得到了同行專家的高度評(píng)價(jià)，部分評(píng)價(jià)如下：1)中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)“豎向可縮井壁設(shè)計(jì)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”項(xiàng)目的鑒定意見為：研究獲得了凍融附加力的變化規(guī)律，揭示了其致裂井壁新機(jī)理，深化了對(duì)井壁破裂機(jī)理的認(rèn)識(shí)，對(duì)防治凍結(jié)井壁破裂災(zāi)害有重要意義；首創(chuàng)內(nèi)層可縮凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)及施工技術(shù)，獲得了該井壁的軸向承載性能，并建立了設(shè)計(jì)計(jì)算理論和方法，該井壁充分利用了外層井壁這一臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)保護(hù)了內(nèi)壁不受破壞，技術(shù)工藝成熟、可靠；成果于成功應(yīng)用于30多個(gè)凍結(jié)井筒設(shè)計(jì)與建設(shè)中，凍結(jié)井筒內(nèi)層可縮井壁的可縮裝置設(shè)置深度達(dá)到587.5m，為國內(nèi)外最深。該研究成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平。2)中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)“深厚含水巖層中新型單層凍結(jié)井壁關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”項(xiàng)目的鑒定意見為：(1)發(fā)明了帶接茬板的新型單層井壁支護(hù)技術(shù)，建立了考慮水平地應(yīng)力場的不均勻性、孔隙水壓作用和能充分利用基巖承載力的單層凍結(jié)井壁設(shè)計(jì)理論。(2)研究揭示了孔隙水壓致使多孔介質(zhì)體積膨脹—水壓致脹機(jī)理、孔隙含水巖石中地下結(jié)構(gòu)水力荷載的形成機(jī)理和凍結(jié)基巖段新型單層凍結(jié)井壁的力學(xué)特性，得到了凍結(jié)壁解凍前、后井壁的受力與變形規(guī)律解析解。(3)研究獲得了井壁水化熱溫度場分布規(guī)律及其與各影響因素之間的關(guān)系，研發(fā)了壁后無泡沫板保溫嚴(yán)苛條件下的新型單層凍結(jié)井壁防凍害技術(shù)。(4)研究揭示了傳統(tǒng)單層井壁開裂機(jī)理，開發(fā)了現(xiàn)澆混凝土控溫、井壁豎向預(yù)應(yīng)力施加、混凝土冷縮補(bǔ)償?shù)刃滦蛦螌觾鼋Y(jié)井壁綜合防裂技術(shù)。(5)研發(fā)了接茬鋼板加固井壁上下段界面的抗?jié)B新技術(shù)，發(fā)明了井壁接茬環(huán)形注漿新工藝，提出了在凍結(jié)壁解凍前進(jìn)行井壁檢漏與注漿堵漏的方法。(6)項(xiàng)目成果成功應(yīng)用于中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司葫蘆素和門克慶煤礦主井、副井和風(fēng)井6個(gè)井筒的凍結(jié)鑿井工程，創(chuàng)造了凍結(jié)井筒采用單層井壁支護(hù)深度785m的世界紀(jì)錄。研究成果達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。3)中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)“近700米厚表土層凍結(jié)法鑿井關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目的鑒定意見為：研究了徑卸載情況下凍結(jié)壁與圍巖(土)的力學(xué)相互作用規(guī)律，建立了新的凍結(jié)壁彈塑性設(shè)計(jì)理論。該理論更符合實(shí)際的凍土力學(xué)特性和凍結(jié)壁受力特點(diǎn)，為合理設(shè)計(jì)近700m厚表土層凍結(jié)壁提供了理論依據(jù)。項(xiàng)目成果成功應(yīng)用于龍固煤礦4北風(fēng)井凍結(jié)鑿井工程，創(chuàng)造了凍結(jié)法鑿井通過表土厚度世界紀(jì)錄(675.6m)。研究成果達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。4)中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)“復(fù)雜巖層全深凍結(jié)法鑿井凍結(jié)孔固管充填關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目的鑒定意見為：研發(fā)了適用于深凍結(jié)孔固管充填的緩凝水泥漿材料，緩凝水泥漿具有良好的穩(wěn)定性，與一定比重的凍結(jié)孔造孔泥漿具有良好的相容性，掌握了泥漿置換充填條件下凍結(jié)管下沉的可行性以及凍融條件下固管充填段的封水可靠性，提出了凍結(jié)管外徑與孔徑的匹配關(guān)系；研發(fā)形成了以“精準(zhǔn)控制緩凝水泥漿及后續(xù)泥漿壓注量”為核心，通過各關(guān)鍵環(huán)節(jié)施工質(zhì)量控制，提高凍結(jié)管下沉成功率及充填質(zhì)量的深井凍結(jié)孔固管充填施工工藝。成果達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。5五、推廣應(yīng)用情況該項(xiàng)目發(fā)明成果已應(yīng)用于河南能源化工集團(tuán)、中國中煤能源集團(tuán)、山東能源集水復(fù)雜巖土層中的井筒，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，內(nèi)層可縮井壁技術(shù)已應(yīng)用于山東省、河南省、安徽省和內(nèi)蒙自治區(qū)等地區(qū)的36設(shè)于埋深587.5m處的粘土層中，為世界最深，目前已發(fā)揮讓壓作用，井壁完好。新型單層凍結(jié)井壁技術(shù)已應(yīng)用于河南省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的15個(gè)凍結(jié)井筒。其中，位于鄂爾多斯市的門克慶煤礦主井井筒(凈直徑9.6m)，凍結(jié)基巖深度達(dá)800m，是世界上應(yīng)用新型單層凍結(jié)井壁最深的井筒(785m)。借助發(fā)明的深部凍土成套科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高地壓下原位非均溫凍土卸荷性狀模擬，深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了大量深部凍土物理力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)，為深厚土層中凍結(jié)壁設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)。深厚土層中凍土壁的設(shè)計(jì)理論與方法已應(yīng)用于11個(gè)深厚土層井筒凍結(jié)工程。凍結(jié)孔緩凝水泥漿固管封水技術(shù)已應(yīng)用于28個(gè)凍結(jié)井筒，成功杜絕了凍結(jié)孔導(dǎo)水淹井重大安全隱患，避免了重大損失。應(yīng)用地點(diǎn)包括山東、河南、河北、內(nèi)蒙、寧夏等地，最大固管深度達(dá)894m，最高地溫達(dá)42℃，最大允許沉管時(shí)間30h。6六、主要知識(shí)產(chǎn)權(quán)證明目錄(不超過10件)證書編號(hào)1一種軸向可伸縮井壁ZL152807.06.061王衍森，宋雷，任彥龍2接茬板的單層井方法ZL0610.309.08.12森3一種空心凍土試驗(yàn)用方法ZL1410016.01.20602433趙曉東,周國慶,路貴林,賴澤金,4超深凍結(jié)孔固管封ZL1110.814.6.185鋼板鋼骨混凝土井壁ZL131096雙鋼板局部約束混ZL13103.75.03.117一種帶鋼板隔水層的井壁及其施工方法ZL0610.x10.05.125江8Systemandmethodforautomaticallyregulatingtensionsofguideropesofflexiblecablesuspensionplatform1425346716.3.2720142534王進(jìn)杰，劉志，劉善增，沈剛，夏吉山，張磊9Deviceandmethodfordetectingthetensiononaguideropeofahangingscaffoldinaconstructionshaft1428088116.3.1020142808一種溫度梯度凍土法ZL13101.115.07.29鮑強(qiáng)，陰琪翔，李瑞林，陳陽光7七、主要完成人情況技術(shù)創(chuàng)造性貢獻(xiàn)權(quán)證明目錄”中的編號(hào))13)建立了適用于400~800m深厚土層的凍土壁設(shè)計(jì)理論與方23授