国家技术发明奖推荐项目公示材料

1国家技术发明奖推荐项目公示材料一、项目名称深厚含水复杂岩土层冻结法凿井井筒支护关键技术二、推荐单位意见深井井筒开凿是我国深部矿产资源开发的重要技术途径。我国深厚富水岩层下有超过万亿吨煤炭资源因冻结法凿井井筒支护技术瓶颈制约未能开发。由杨维好、王衍森等人共同研发的“深厚含水复杂岩土层冻结法凿井井筒支护关键技术”成果，攻克了表土段井壁破裂灾害防治、岩层段双层复合井壁施工困难、漏水严重等技术难题，发明了深厚土层中内层可缩双层复合冻结井壁技术、深厚岩层中新型单层冻结井壁技术、深部冻土成套实验装置与技术和冻结孔固管充填缓凝水泥浆液及施工技术，实现了深厚含水复杂岩土层冻结法凿井技术的重大突破。该项成果获授权国际发明专利3件、中国发明专利23件，获批部级工法1部；篇(SCI收录14篇，EI收录63篇)；获江苏省科学技术一等奖2项、中国煤炭工业科学技术一等奖1项、国家安全生产监督管理总局安全生产科技成果一等奖1项，经专家鉴定，该项目技术达到国际领先水平。该项成果已经应用于山东、河南、安徽和内蒙自治区等矿区的80余个深厚含水最大固管深度达到894m，应用效果良好，取得了显著的经济和社会效益。根据国家技术发明奖授奖条件，推荐该项目为2017年度国家技术发明二等奖。2三、项目简介该项目属矿山支护工程领域。由于浅部资源日趋枯竭，深层矿体采矿技术被《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》列为重点领域及其优先主题研究内容之一。我国400~800m深厚土层和500~1000m深厚富水岩层下的大量铁、铜及超万亿吨煤炭等矿产资源，因凿井技术瓶颈制约一直未能开发。冻结法是深厚含水复杂岩土层中最主要的凿井方法，其核心是永久井壁和临时冻土壁支护技术。为突破凿井技术瓶颈制约，在国家科技支撑计划等资助下，该项目全面突破冻结法凿井井筒支护关键技术难题，取得以下重要发明：1.发明了内层可缩双层复合井壁技术，攻克了深厚土层中井壁破裂灾害防治关键技术难题。揭示了冻土融化下沉压裂井壁新机理；提出了预防井壁破裂灾害新方法，首创了适应土层沉降的内层可缩双层复合井壁技术，建立了该种井壁的设计理论；研发了井壁竖向承载力及阻尼调控技术，用于深达587.5m土层中井筒。与国外最先进的AV型井壁技术比，该技术工艺简洁、井壁造价低逾50%、施工速度高逾1倍。2.发明了新型单层冻结井壁技术，破解了深厚岩层中双层复合井壁厚度过大且开裂漏水严重的关键技术难题。提出合理减薄井壁方法，创新了冻结岩层段井壁结构；掌握了井壁—冻结壁—富水岩层相互作用规律，建立了新型单层冻结井壁设计理论与方法；发明了模板绳张力检测及自动调控装置以防模板下沉致裂井壁，研发了控温、预应力和补偿冷缩等防温度裂缝技术，开发了井壁接茬强化及检漏、堵漏工艺，形成了井壁防裂漏综合工艺技术体系。该技术创造了单层冻结井壁支护深度785m的世界纪录，与此前技术比，井壁厚度减薄约50%，造价低逾30%。3.发明了深部冻土原位力学特性成套科学实验装置与技术，解决了深井冻土壁设计理论严重偏离实际的难题。创新实验装置与技术，实现了高地压下原位非均温冻土力学性状的逼真实验，为揭示深部冻土原位力学特性提供了科学手段，为深部冻土壁设计提供了科学数据；考虑冻土壁原位力学特性及其与围土的相互作用，首次建立了适于600m深厚土层的冻土壁设计理论与方法。应用该成果，冻土壁厚度减薄约30%。4.发明了超深冻结孔固管充填缓凝水泥浆液及施工技术，根除了冻结孔导水淹井灾害。该种水泥浆适用于千米深井和45℃地温条件且冻融后封水性能良好。提出了孔固管充填深度最大达894m，地温最高达42℃)，杜绝了冻结孔导水淹井灾害。该项目实现了冻结法凿井技术的重大突破，为开发400~800m深厚土层和500~1000m深厚富水岩层下的矿产资源扫除了凿井技术障碍。该项目成果经鉴定达到国际领先水平；已应用于河南能源化工集团、中国中煤能源集团、山东能源集团、兖矿集团等煤与非煤企业的80余个深厚含水复杂岩土层中的井筒，经济和社会效益显专利3件、中国发明专利23件；获批部级工法1部；出版专著1部；发表论文111篇(SCI收录14篇，EI收录63篇)；获江苏省科学技术一等奖2项、中国煤炭工业科学技术一等奖1项、国家安全生产监督管理总局安全生产科技成果一等奖1项。3四、客观评价该项目通过了中国煤炭工业协会等的技术鉴定。研究成果得到了同行专家的高度评价，部分评价如下：1)中国煤炭工业协会对“竖向可缩井壁设计理论和关键技术研究与应用”项目的鉴定意见为：研究获得了冻融附加力的变化规律，揭示了其致裂井壁新机理，深化了对井壁破裂机理的认识，对防治冻结井壁破裂灾害有重要意义；首创内层可缩冻结井壁结构及施工技术，获得了该井壁的轴向承载性能，并建立了设计计算理论和方法，该井壁充分利用了外层井壁这一临时支护结构，同时保护了内壁不受破坏，技术工艺成熟、可靠；成果于成功应用于30多个冻结井筒设计与建设中，冻结井筒内层可缩井壁的可缩装置设置深度达到587.5m，为国内外最深。该研究成果达到国际领先水平。2)中国煤炭工业协会对“深厚含水岩层中新型单层冻结井壁关键技术研究与应用”项目的鉴定意见为：(1)发明了带接茬板的新型单层井壁支护技术，建立了考虑水平地应力场的不均匀性、孔隙水压作用和能充分利用基岩承载力的单层冻结井壁设计理论。(2)研究揭示了孔隙水压致使多孔介质体积膨胀—水压致胀机理、孔隙含水岩石中地下结构水力荷载的形成机理和冻结基岩段新型单层冻结井壁的力学特性，得到了冻结壁解冻前、后井壁的受力与变形规律解析解。(3)研究获得了井壁水化热温度场分布规律及其与各影响因素之间的关系，研发了壁后无泡沫板保温严苛条件下的新型单层冻结井壁防冻害技术。(4)研究揭示了传统单层井壁开裂机理，开发了现浇混凝土控温、井壁竖向预应力施加、混凝土冷缩补偿等新型单层冻结井壁综合防裂技术。(5)研发了接茬钢板加固井壁上下段界面的抗渗新技术，发明了井壁接茬环形注浆新工艺，提出了在冻结壁解冻前进行井壁检漏与注浆堵漏的方法。(6)项目成果成功应用于中天合创能源有限责任公司葫芦素和门克庆煤矿主井、副井和风井6个井筒的冻结凿井工程，创造了冻结井筒采用单层井壁支护深度785m的世界纪录。研究成果达到了国际领先水平。3)中国煤炭工业协会对“近700米厚表土层冻结法凿井关键技术研究”项目的鉴定意见为：研究了径卸载情况下冻结壁与围岩(土)的力学相互作用规律，建立了新的冻结壁弹塑性设计理论。该理论更符合实际的冻土力学特性和冻结壁受力特点，为合理设计近700m厚表土层冻结壁提供了理论依据。项目成果成功应用于龙固煤矿4北风井冻结凿井工程，创造了冻结法凿井通过表土厚度世界纪录(675.6m)。研究成果达到了国际领先水平。4)中国煤炭工业协会对“复杂岩层全深冻结法凿井冻结孔固管充填关键技术研究”项目的鉴定意见为：研发了适用于深冻结孔固管充填的缓凝水泥浆材料，缓凝水泥浆具有良好的稳定性，与一定比重的冻结孔造孔泥浆具有良好的相容性，掌握了泥浆置换充填条件下冻结管下沉的可行性以及冻融条件下固管充填段的封水可靠性，提出了冻结管外径与孔径的匹配关系；研发形成了以“精准控制缓凝水泥浆及后续泥浆压注量”为核心，通过各关键环节施工质量控制，提高冻结管下沉成功率及充填质量的深井冻结孔固管充填施工工艺。成果达到了国际领先水平。5五、推广应用情况该项目发明成果已应用于河南能源化工集团、中国中煤能源集团、山东能源集水复杂岩土层中的井筒，经济和社会效益显著，内层可缩井壁技术已应用于山东省、河南省、安徽省和内蒙自治区等地区的36设于埋深587.5m处的粘土层中，为世界最深，目前已发挥让压作用，井壁完好。新型单层冻结井壁技术已应用于河南省和内蒙古自治区的15个冻结井筒。其中，位于鄂尔多斯市的门克庆煤矿主井井筒(净直径9.6m)，冻结基岩深度达800m，是世界上应用新型单层冻结井壁最深的井筒(785m)。借助发明的深部冻土成套科学实验装置与技术，实现了高地压下原位非均温冻土卸荷性状模拟，深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开展了大量深部冻土物理力学特性实验，为深厚土层中冻结壁设计提供了关键科学数据。深厚土层中冻土壁的设计理论与方法已应用于11个深厚土层井筒冻结工程。冻结孔缓凝水泥浆固管封水技术已应用于28个冻结井筒，成功杜绝了冻结孔导水淹井重大安全隐患，避免了重大损失。应用地点包括山东、河南、河北、内蒙、宁夏等地，最大固管深度达894m，最高地温达42℃，最大允许沉管时间30h。6六、主要知识产权证明目录(不超过10件)证书编号1一种轴向可伸缩井壁ZL152807.06.061王衍森，宋雷，任彦龙2接茬板的单层井方法ZL0610.309.08.12森3一种空心冻土试验用方法ZL1410016.01.20602433赵晓东,周国庆,路贵林,赖泽金,4超深冻结孔固管封ZL1110.814.6.185钢板钢骨混凝土井壁ZL131096双钢板局部约束混ZL13103.75.03.117一种带钢板隔水层的井壁及其施工方法ZL0610.x10.05.125江8Systemandmethodforautomaticallyregulatingtensionsofguideropesofflexiblecablesuspensionplatform1425346716.3.2720142534王进杰，刘志，刘善增，沈刚，夏吉山，张磊9Deviceandmethodfordetectingthetensiononaguideropeofahangingscaffoldinaconstructionshaft1428088116.3.1020142808一种温度梯度冻土法ZL13101.115.07.29鲍强，阴琪翔，李瑞林，陈阳光7七、主要完成人情况技术创造性贡献权证明目录”中的编号)13)建立了适用于400~800m深厚土层的冻土壁设计理论与方23授