报告8-2013年建井年会(刘志强)

大直径反井钻机快速建设采区风井技术刘志强研究员天地科技建井研究院煤矿深井建设技术国家工程实验室二〇一三年十一月一、建井研究院二、立项背景三、创新点及关键技术四、应用推广及经济社会效益汇报内容煤炭科学研究总院建井研究院，是国内唯一的、综合性的建井技术专业研究机构，从事矿山井、巷掘进、支护工艺、装备专业研究，在钻井、注浆、冻结、反井钻机等特殊凿井技术方面，引领我国煤矿建井技术的发展方向。拥有工程技术人员120余人，中国工程院院士1名、国家有突出贡献中青年专家和享受政府津贴专家30余名、研究员和高级工程师50余名，拥有自行研究成果400多项。一、天地建井研究院１.简介煤炭科学研究院北京建井研究所（1957年）煤炭科学研究总院建井研究分院（2007）天地科技建井研究院北京中煤矿山工程有限公司（1984年）一、天地建井研究院2.历史沿革

研究院下辖7个研究所，分别是冻结研究所、注浆研究所、钻井研究所、矿山技术研究所、井巷技术装备研究所、轨道交通工程研究所、定向钻进技术装备研究所。冻结研究所钻井研究所矿山技术研究所注浆研究所井巷技术装备研究所轨道交通工程研究所定向钻进技术装备研究所一、天地建井研究院科研管理办公室综合办公室经营管理部研究生培养生产安全部资产财务部3.组织机构

研究院是经北京市科委确认的高新技术企业，是我国煤炭行业唯一从事地下特殊施工技术的综合专业研究机构，拥有煤矿深井建设技术国家工程实验室及各个专业实验室：煤矿深井建设技术国家工程实验室冻结实验室注浆实验室钻井凿井实验室避难硐室实验室一、天地建井研究院4.试验系统

公司取得各类国家攻关和部级科研成果500多项，拥有专利35项，获国家级、部级等各类奖项100多项，制定了40多项行业标准。35项43项522项112项各类国家攻关和部级科研成果行业标准专利国家级、部级等各类奖项建院50多年以来一、天地建井研究院5.成果及奖励序号课题名称研究时间1煤矿建设与岩土工程专业委员会2008-20102煤炭科学技术委员会矿山建设专家委员会2008-20103煤炭行业煤矿专用设备标准化委员会“井巷分会”2008-20106.挂靠机构一、天地建井研究院普通凿井法（冻结、注浆、帷幕)沉井法（建井采用很少）钻井法：

竖井钻机（泥浆循环钻井）

竖井掘进机（局部淹水、机械、真空泵）

反井钻机（下部巷道形成岩渣自重掉落）

二、立项背景普通凿井法：以人工操作伞钻打眼、装药爆破、抓斗装岩、吊桶出渣、整体模版浇筑井壁的短段掘砌方法二、立项背景

综合机械凿井技术：钻井法、反井钻井以及竖井掘进机，实现将工作人员最大限度的从凿井工作面解脱出来，减轻工人体力劳动强度和职业伤害钻井法凿井反井钻钻井法凿井

二、立项背景采区风井直径4m-6m，深度300m-600m，岩石为主，具备下水平巷道，满足反井钻机施工条件-大直径反井钻机快速建设采区风井技术。操作人员的安全职业伤害凿井机械化程度建设成本耕地占用地面环境危害二、立项背景

项目目标：针对目前煤矿风井井筒凿井安全和效率问题，研究以机械破岩为基础，下部巷道排渣的井筒凿井技术、工艺及装备，创新形成-反井钻井法凿井技术，充分利用矿井生产条件，实现井筒施工综合机械化，达到掘进期间操作人员不下井，减少安全事故和职业伤害。

二、立项背景大直径风井反井钻井技术及装备大直径反井钻机关键技术及装备新型大直径扩孔钻头结构及配套钻具开发反井钻井工艺技术多马达驱动动力头结构可编程控制器为基础的电液比例控制系统多油缸提升系统新型可解体钻架大直径钻杆锯齿形螺纹丝扣配套的破岩滚刀扩孔式稳定钻杆组装式大直径扩孔钻头反井钻进工艺反井钻井风险性评价地层加固处理技术二、立项背景岩石破碎和地层可钻性创新点1.创新形成一种煤矿井筒凿井方法——反井钻井法凿井技术三、主要技术创新成果工艺优点：减少井下操作人员-安全机械破岩，降低对围岩损害-低耗减少场地占用和环境污染-环保提高综合成井速度-高效受理发明专利201110412546.4创新点2.研究形成实践了五种反井钻井法工艺技术反井局部开挖预支护工艺反井施工导孔定向钻进工艺反井施工地表局部不稳定地层加固工艺反井施工局部破碎地层单孔加固工艺反井施工地面预注浆地层改性工艺三、主要技术创新成果受理发明201010508385.42.1反井局部开挖预支护工艺三、创新成果及关键技术2.2反井施工地面预注浆地层改性工艺三、主要技术创新成果2.3局部破碎地层单孔加固工艺三、主要技术创新成果2.4地表局部不稳定地层加固和反井钻井工艺三、主要技术创新成果2.5高精度定向钻井导孔反井钻井工艺三、主要技术创新成果创新点3.研制成功ZFY5.0/600型最大型反井钻机三、主要技术创新成果技术参数：导孔直径：350mm；扩孔直径：5.0m;钻井深度：600m；钻机拉力：6000kN；钻机扭矩：300kNm;钻机功率：264kW；主机重量：25000kg实用新型ZL200820106834.03.1钻机设计采用3D立体设计方法三、主要技术创新成果反井钻机主机反井钻机动力头钻杆连接接头ZFY5.0／600型反井钻机钻架结构1-横梁；2-导向方柱；3-推进缸联接法兰；4-插板组件；5-底座3.2创新形成倒了“T”型井架

大型反井钻机封闭框架钻架结构形式，使结构简单、组装便捷又方便操作。新型开孔扶正装置提高了钻孔精度。实用新型ZL200820106838.9三、主要技术创新成果实用新型ZL200820106839.3倒“T”型结构有限元分析云图倒“T”型结构模态分析六阶振型3.3利用计算机分析方法，对钻架承受动载和静载能力及变形进行有限元分析，设备加工前解决反井钻机承受大扭矩、大推拉力的结构运行稳定问题。三、主要技术创新成果

创新自由轮调速多马达驱动系统，实现大直径钻机扭矩、转速范围无级调整，解决多马达配合，导孔、扩孔速度转换难题，提高了钻进效率和能量利用率。动力头中心管浮动结构

3.4创新的自由轮调速系统三、主要技术创新成果3.5反井钻机钻杆输送装置

发明的新型钻杆输送装置，解决了长、大、重钻杆安装拆卸的精确定位问题。钻杆输送装置三、主要技术创新成果授权发明ZL200810084343.5

3.6反井钻机采用了电脑控制和完成安全控制软件编制

采用工业计算机实现了操作和钻进过程精确控制，钻进过程及钻进参数，实现显示的图像化和数字化。反井钻机触屏操作界面三、主要技术创新成果3.7创建低能耗的电液控制

钻机采用先进的电液比例控制液压系统，双泵供油、比例调速，自动控制油泵配油摆角，满足正常扩孔钻进推进系统高压、低流量工艺要求。电液控制中心三、主要技术创新成果大直径分体式扩孔钻头及配套钻具总体方案1-普通钻杆；2-稳定钻杆；3-异型短接；4-分体式扩孔钻头；5-导孔钻头创新点4.大直径反井钻机配套新型钻具系统三、主要技术创新成果4.1新型锯齿形钻杆连接螺纹首创了反井钻机新型锯齿形钻杆螺纹连接，提高了联结螺纹的承载能力及可靠性，钻杆连接和拆卸过程扭矩均衡，设计、加工及检测满足大直径钻杆要求。三、主要技术创新成果受力发明200910147891.24.2完成新型高保径自扩孔滚轮式稳定钻杆研制

高保径滚轮式稳定钻杆示意图（1-钻杆体；2-后轴承座；3-镶齿滚轮；4-前轴承座；5-定位销）三、主要技术创新成果4.3创新分体组装大直径扩孔钻头5m直径钻头整体全貌结构稳定性好，运行平稳，可满足不同大直径井筒扩孔钻井需要，适应井下狭窄巷道运输与快速装卸三、主要技术创新成果受理发明200910147892.7

解决了大直径扩孔钻头分体组装和钻头中心管快速更换与检修的需求。新型扩孔钻头中心管螺母锁紧与拆卸装置4.4中心管螺母锁紧及拆卸装置三、主要技术创新成果实用新型ZL200920159822.9创新点5.首次进行反井钻井基础理论研究三、主要技术创新成果5.1研究镶齿盘形滚刀破岩机理单排齿及多排齿破岩模拟第36页提出研究反井钻机可钻性分析问题，为反井钻机破岩滚刀研制、合理布置、建立反井钻机刀具磨损方程打下初步基础；岩石类Ⅰ软Ⅱ中Ⅲ硬岩石分级一二三四五六七八九十岩石可钻性（m/h)＞2.02.01.00.50.30.10.060.030.010.008～～～～～～～～～1.00.50.30.10.060.030.010.0080.004岩石硬度（MPa）＜10010020050070015002100250034003500～～～～～～～～～200500700150021002500340035003700岩石可钻性分级表三、主要技术创新成果5.2反井钻机地层可钻性研究钻进安全：反转掉钻具、钻杆断裂、地层埋钻、卡钻等；井筒稳定性安全，扩孔坍塌、变形等。提出反井钻井井孔稳定性的地层改性方法5.3分析影响反井钻进的安全因素三、主要技术创新成果井筒轴向方向井帮径向位移曲线改性前后应力变化图4.1现场技术研讨会第38页会场及现场参观照片2009年4月17日，国家煤矿安全监察局科技装备司主持，在晋城召开了“大直径反井钻机快速施工煤矿风井技术研讨会”。郑行周司长主持，，王树鹤副局长作了重要讲话。会议交流和研讨了大型矿井分区通风的经验和反井钻机快速施工煤矿风井技术等，现场参观了大直径反井钻机开凿煤矿风井的施工技术和工艺。四、应用推广及经济社会效益编号项目名称钻井深度/m钻井直径/m时间（年.月）偏斜率（%）采用的工艺技术1晋城王台铺1#辅助回风立井工程16552008年11月-2009年4月<0.1上部人工开挖、形成预支护，再采用反井钻机导孔和扩孔2晋城长平矿杨家庄回风立井工程2015.32010年12月-2011年3月0.487反井钻机导孔、扩孔一次完成3阳煤五矿小南庄瓦斯抽放孔工程46312010年4月-2011年6月<0.3反井钻机导孔、扩孔一次完成4晋城寺河三水沟煤矿通风竖井反井工程3963.52010年11月-2011年3月<0.4上部人工开挖、形成预支护，再采用反井钻机导孔和扩孔5晋城赵庄西范反井工程5391.82010年6月-2011年1月0.196定向钻进超前导孔，再用反井钻机扩孔，再钻爆法刷大6兰花宝欣煤矿风井482.25.02012年3月至2012年6月0.2上部人工开挖、形成预支护，再采用反井钻机导孔和扩孔

合计2246.2

四、应用推广及经济社会效益4.1完成的煤矿风井钻井工程宝欣煤业工业性试验现场王台铺风井工业性试验现场4.2现场应用照片四、应用推广及经济社会效益4.3社会效益分析项目填补了国内、外在煤矿风井反井钻井施工技术空白，使我国在大直径反井钻井法凿井领域的技术达到领先地位，满足国内煤矿采区风井井筒建设技术发展需要。提高井筒机械化水平，大减少井下操作人员，提高了凿井安全，减轻了职业伤害；减少了施工、矸石永久堆放场地占用；降低了能量消耗，实现节能减排；减轻对围岩破坏，降低材料消耗；提高了通风效果