向未知的地下世界进军中国矿业大学: 创新科普 形式多样化
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5901:第16版 本期出版日期:2020-07-22

向未知的地下世界进军

探秘中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室

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■本报记者嵇刊/文吴宇/图

19世纪,儒勒·凡尔纳的科幻小说《地心游记》描写了人类到地球深部进行探险的故事,与《地心游记》中对地心熔岩、火焰等现象的想象相比,人类对地球内部的真实了解还远不够丰富。科学家们如何探究地球内部的结构?千米地下开凿矿井开采资源,如何才能保障安全性?在中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室里,你也许就能找到答案。

世界矿井冻结表土深度纪录由它创建、世界上12个最深岩土工程中3个采用了它的技术……这个由中国工程院院士钱七虎教授领衔的实验室,也是我国唯一一个“深部地下工程”领域的实验室,在短短数年间,克服了一个个世界顶级难题,创造了一个又一个世界纪录,取得了夺目的成绩。

“上天”难“入地”更难

关于“上天”,人类目前已经取得了很多的成就,而“入地”的进程却一直很缓慢。

现阶段,人类对于“入地”的探索主要是靠科学钻探。科学钻探有助于人类获知更多地质活动发生的原因,有助于研究地震成因、火山喷发机理、地质灾害预警等。而对人类来说,更重要的是有助于资源、能源的开发利用,比如调查和开发地球深部矿产资源。

地球越往深处,压力越大,比如在地球外地核部分,压力已达到136万个大气压,在这样的压力下,最坚硬的金刚石也会变得非常柔软。另外,地球内部温度很高,越是往深处,温度也就越高,最深处可达4000~ 8000℃之间,人类现在应用的钻头远远无法承受如此高温,钻机的配件和电子元件在如此高温下也不能正常工作。再就是高密度,地核物质的平均密度大约为每立方厘米10.7克,现有最硬的钻头也无法穿透。在这样的“三高”情况下,钻探的井壁岩石也容易破碎,易造成井壁垮塌、卡钻等井下事故,这也成为制约人类向地下探索的世界级难题。

随着经济的飞速发展,全球范围内浅部资源日渐枯竭,深部资源开发已成为必然,而我国浅部煤炭资源也不断减少,向更深的地下探索已成为必然。

开采煤矿,建设一个可靠的地下井筒是首要任务。千米地下,地层压力与水压增大、岩土性质相对弱化,井筒支撑的难度越来越高;而地温与瓦斯浓度不断升高,通风阻力增大,易出现涌土、水土喷涌现象,煤炭与大型开采装备的运输又要求井筒截面必须随之扩大,这给我国岩土力学工程领域的科技工作者提出了严峻的考验。深部复杂地层大直径立井建设的关键技术,成为深部煤炭资源开发的瓶颈,也是向地下“进军”路上必须解决的第一个关键。

“土”设备立下汗马功劳

未知地下空间带来的挑战是多方面的,向更深的地下世界探索,困难重重。中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室团队利用冻结壁技术,最终在复杂岩土层凿井灾害防控技术上实现了关键突破。

记者了解到,冻结壁技术,是地下井筒得以安全施工的保障。所谓冻结法,就是利用人工制冷技术,把地层中散碎的土、流沙、水等冻结,把天然岩土变成冻土,增加其强度和稳定性,以便在冻结壁的保护下进行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技术。“深厚表土中凿井,90%以上都采用冻结法,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。”实验室副研究员赵春晓告诉记者。要实现深井冻结法凿井,并保持合理的冻结壁厚度,就必须攻克地温高、涌土、水土喷涌等技术难题,因而,无数次的试验必不可少。

在实验室,一套名为千米表土冻结法凿井模拟试验系统的设备格外令人震撼。赵春晓介绍,别看这台大家伙看上去“土兮兮”,却耗资500多万元研制,用于深部地下空间开发中的井巷工程研究领域,可以进行冻结法施工中冻结温度场、空间巷道支护等试验。除此之外,它还能进行岩土爆破、冻结壁及井壁受力、热压联合作用下的混凝土强度场等研究。这些实验仪器,为攻克科研难关都立下了汗马功劳。

经过不懈努力,该实验室团队建立了冻结壁设计的新理论和新方法--冻结壁设计厚度为11.5米,比以往减薄23%,冻土体积减少34%,为冻结井的安全经济建设奠定了基础。

深部岩土工程之最

井筒是矿井的咽喉,那么井壁就是其安全屏障。深井的建设,要确保井筒的长期安全,就必须避免作为永久支护的井壁发生脆性破坏和开裂渗漏。

实验室研究团队通过模型试验发现,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。经过大量室内与现场试验,团队提出了基于掺加钢纤维提高混凝土韧性的理念。

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。”赵春晓说。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。

科学就是在不断的失败中寻找成功的微光。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,但科研人员不顾危险,临近井壁仔细观察分析并记录了宝贵的数据。

团队顶着压力,不断优化方案、积累技术经验,成功研发出了适用于冻结井的钢纤维高性能钢筋砼复合井壁技术,消除了安全隐患,最终成功运用于山东龙固煤矿,并使之成为了深部岩土工程之最--世界表土层最厚的冻结井筒。

  
                     
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