報(bào)告8-2013年建井年會(huì)(劉志強(qiáng))

大直徑反井鉆機(jī)快速建設(shè)采區(qū)風(fēng)井技術(shù)劉志強(qiáng)研究員天地科技建井研究院煤礦深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室二〇一三年十一月一、建井研究院二、立項(xiàng)背景三、創(chuàng)新點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)四、應(yīng)用推廣及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益匯報(bào)內(nèi)容煤炭科學(xué)研究總院建井研究院，是國(guó)內(nèi)唯一的、綜合性的建井技術(shù)專業(yè)研究機(jī)構(gòu)，從事礦山井、巷掘進(jìn)、支護(hù)工藝、裝備專業(yè)研究，在鉆井、注漿、凍結(jié)、反井鉆機(jī)等特殊鑿井技術(shù)方面，引領(lǐng)我國(guó)煤礦建井技術(shù)的發(fā)展方向。擁有工程技術(shù)人員120余人，中國(guó)工程院院士1名、國(guó)家有突出貢獻(xiàn)中青年專家和享受政府津貼專家30余名、研究員和高級(jí)工程師50余名，擁有自行研究成果400多項(xiàng)。一、天地建井研究院１.簡(jiǎn)介煤炭科學(xué)研究院北京建井研究所（1957年）煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院（2007）天地科技建井研究院北京中煤礦山工程有限公司（1984年）一、天地建井研究院2.歷史沿革

研究院下轄7個(gè)研究所，分別是凍結(jié)研究所、注漿研究所、鉆井研究所、礦山技術(shù)研究所、井巷技術(shù)裝備研究所、軌道交通工程研究所、定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備研究所。凍結(jié)研究所鉆井研究所礦山技術(shù)研究所注漿研究所井巷技術(shù)裝備研究所軌道交通工程研究所定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備研究所一、天地建井研究院科研管理辦公室綜合辦公室經(jīng)營(yíng)管理部研究生培養(yǎng)生產(chǎn)安全部資產(chǎn)財(cái)務(wù)部3.組織機(jī)構(gòu)

研究院是經(jīng)北京市科委確認(rèn)的高新技術(shù)企業(yè)，是我國(guó)煤炭行業(yè)唯一從事地下特殊施工技術(shù)的綜合專業(yè)研究機(jī)構(gòu)，擁有煤礦深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室及各個(gè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室：煤礦深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室凍結(jié)實(shí)驗(yàn)室注漿實(shí)驗(yàn)室鉆井鑿井實(shí)驗(yàn)室避難硐室實(shí)驗(yàn)室一、天地建井研究院4.試驗(yàn)系統(tǒng)

公司取得各類國(guó)家攻關(guān)和部級(jí)科研成果500多項(xiàng)，擁有專利35項(xiàng)，獲國(guó)家級(jí)、部級(jí)等各類獎(jiǎng)項(xiàng)100多項(xiàng)，制定了40多項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。35項(xiàng)43項(xiàng)522項(xiàng)112項(xiàng)各類國(guó)家攻關(guān)和部級(jí)科研成果行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)專利國(guó)家級(jí)、部級(jí)等各類獎(jiǎng)項(xiàng)建院50多年以來(lái)一、天地建井研究院5.成果及獎(jiǎng)勵(lì)序號(hào)課題名稱研究時(shí)間1煤礦建設(shè)與巖土工程專業(yè)委員會(huì)2008-20102煤炭科學(xué)技術(shù)委員會(huì)礦山建設(shè)專家委員會(huì)2008-20103煤炭行業(yè)煤礦專用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)“井巷分會(huì)”2008-20106.掛靠機(jī)構(gòu)一、天地建井研究院普通鑿井法（凍結(jié)、注漿、帷幕)沉井法（建井采用很少）鉆井法：

豎井鉆機(jī)（泥漿循環(huán)鉆井）

豎井掘進(jìn)機(jī)（局部淹水、機(jī)械、真空泵）

反井鉆機(jī)（下部巷道形成巖渣自重掉落）

二、立項(xiàng)背景普通鑿井法：以人工操作傘鉆打眼、裝藥爆破、抓斗裝巖、吊桶出渣、整體模版澆筑井壁的短段掘砌方法二、立項(xiàng)背景

綜合機(jī)械鑿井技術(shù)：鉆井法、反井鉆井以及豎井掘進(jìn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)將工作人員最大限度的從鑿井工作面解脫出來(lái)，減輕工人體力勞動(dòng)強(qiáng)度和職業(yè)傷害鉆井法鑿井反井鉆鉆井法鑿井

二、立項(xiàng)背景采區(qū)風(fēng)井直徑4m-6m，深度300m-600m，巖石為主，具備下水平巷道，滿足反井鉆機(jī)施工條件-大直徑反井鉆機(jī)快速建設(shè)采區(qū)風(fēng)井技術(shù)。操作人員的安全職業(yè)傷害鑿井機(jī)械化程度建設(shè)成本耕地占用地面環(huán)境危害二、立項(xiàng)背景

項(xiàng)目目標(biāo)：針對(duì)目前煤礦風(fēng)井井筒鑿井安全和效率問(wèn)題，研究以機(jī)械破巖為基礎(chǔ)，下部巷道排渣的井筒鑿井技術(shù)、工藝及裝備，創(chuàng)新形成-反井鉆井法鑿井技術(shù)，充分利用礦井生產(chǎn)條件，實(shí)現(xiàn)井筒施工綜合機(jī)械化，達(dá)到掘進(jìn)期間操作人員不下井，減少安全事故和職業(yè)傷害。

二、立項(xiàng)背景大直徑風(fēng)井反井鉆井技術(shù)及裝備大直徑反井鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及裝備新型大直徑擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)及配套鉆具開發(fā)反井鉆井工藝技術(shù)多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)可編程控制器為基礎(chǔ)的電液比例控制系統(tǒng)多油缸提升系統(tǒng)新型可解體鉆架大直徑鉆桿鋸齒形螺紋絲扣配套的破巖滾刀擴(kuò)孔式穩(wěn)定鉆桿組裝式大直徑擴(kuò)孔鉆頭反井鉆進(jìn)工藝反井鉆井風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)地層加固處理技術(shù)二、立項(xiàng)背景巖石破碎和地層可鉆性創(chuàng)新點(diǎn)1.創(chuàng)新形成一種煤礦井筒鑿井方法——反井鉆井法鑿井技術(shù)三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果工藝優(yōu)點(diǎn)：減少井下操作人員-安全機(jī)械破巖，降低對(duì)圍巖損害-低耗減少場(chǎng)地占用和環(huán)境污染-環(huán)保提高綜合成井速度-高效受理發(fā)明專利201110412546.4創(chuàng)新點(diǎn)2.研究形成實(shí)踐了五種反井鉆井法工藝技術(shù)反井局部開挖預(yù)支護(hù)工藝反井施工導(dǎo)孔定向鉆進(jìn)工藝反井施工地表局部不穩(wěn)定地層加固工藝反井施工局部破碎地層單孔加固工藝反井施工地面預(yù)注漿地層改性工藝三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果受理發(fā)明201010508385.42.1反井局部開挖預(yù)支護(hù)工藝三、創(chuàng)新成果及關(guān)鍵技術(shù)2.2反井施工地面預(yù)注漿地層改性工藝三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果2.3局部破碎地層單孔加固工藝三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果2.4地表局部不穩(wěn)定地層加固和反井鉆井工藝三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果2.5高精度定向鉆井導(dǎo)孔反井鉆井工藝三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果創(chuàng)新點(diǎn)3.研制成功ZFY5.0/600型最大型反井鉆機(jī)三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果技術(shù)參數(shù)：導(dǎo)孔直徑：350mm；擴(kuò)孔直徑：5.0m;鉆井深度：600m；鉆機(jī)拉力：6000kN；鉆機(jī)扭矩：300kNm;鉆機(jī)功率：264kW；主機(jī)重量：25000kg實(shí)用新型ZL200820106834.03.1鉆機(jī)設(shè)計(jì)采用3D立體設(shè)計(jì)方法三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果反井鉆機(jī)主機(jī)反井鉆機(jī)動(dòng)力頭鉆桿連接接頭ZFY5.0／600型反井鉆機(jī)鉆架結(jié)構(gòu)1-橫梁；2-導(dǎo)向方柱；3-推進(jìn)缸聯(lián)接法蘭；4-插板組件；5-底座3.2創(chuàng)新形成倒了“T”型井架

大型反井鉆機(jī)封閉框架鉆架結(jié)構(gòu)形式，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝便捷又方便操作。新型開孔扶正裝置提高了鉆孔精度。實(shí)用新型ZL200820106838.9三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果實(shí)用新型ZL200820106839.3倒“T”型結(jié)構(gòu)有限元分析云圖倒“T”型結(jié)構(gòu)模態(tài)分析六階振型3.3利用計(jì)算機(jī)分析方法，對(duì)鉆架承受動(dòng)載和靜載能力及變形進(jìn)行有限元分析，設(shè)備加工前解決反井鉆機(jī)承受大扭矩、大推拉力的結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定問(wèn)題。三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果

創(chuàng)新自由輪調(diào)速多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大直徑鉆機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速范圍無(wú)級(jí)調(diào)整，解決多馬達(dá)配合，導(dǎo)孔、擴(kuò)孔速度轉(zhuǎn)換難題，提高了鉆進(jìn)效率和能量利用率。動(dòng)力頭中心管浮動(dòng)結(jié)構(gòu)

3.4創(chuàng)新的自由輪調(diào)速系統(tǒng)三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果3.5反井鉆機(jī)鉆桿輸送裝置

發(fā)明的新型鉆桿輸送裝置，解決了長(zhǎng)、大、重鉆桿安裝拆卸的精確定位問(wèn)題。鉆桿輸送裝置三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果授權(quán)發(fā)明ZL200810084343.5

3.6反井鉆機(jī)采用了電腦控制和完成安全控制軟件編制

采用工業(yè)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了操作和鉆進(jìn)過(guò)程精確控制，鉆進(jìn)過(guò)程及鉆進(jìn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)顯示的圖像化和數(shù)字化。反井鉆機(jī)觸屏操作界面三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果3.7創(chuàng)建低能耗的電液控制

鉆機(jī)采用先進(jìn)的電液比例控制液壓系統(tǒng)，雙泵供油、比例調(diào)速，自動(dòng)控制油泵配油擺角，滿足正常擴(kuò)孔鉆進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)高壓、低流量工藝要求。電液控制中心三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果大直徑分體式擴(kuò)孔鉆頭及配套鉆具總體方案1-普通鉆桿；2-穩(wěn)定鉆桿；3-異型短接；4-分體式擴(kuò)孔鉆頭；5-導(dǎo)孔鉆頭創(chuàng)新點(diǎn)4.大直徑反井鉆機(jī)配套新型鉆具系統(tǒng)三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果4.1新型鋸齒形鉆桿連接螺紋首創(chuàng)了反井鉆機(jī)新型鋸齒形鉆桿螺紋連接，提高了聯(lián)結(jié)螺紋的承載能力及可靠性，鉆桿連接和拆卸過(guò)程扭矩均衡，設(shè)計(jì)、加工及檢測(cè)滿足大直徑鉆桿要求。三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果受力發(fā)明200910147891.24.2完成新型高保徑自擴(kuò)孔滾輪式穩(wěn)定鉆桿研制

高保徑滾輪式穩(wěn)定鉆桿示意圖（1-鉆桿體；2-后軸承座；3-鑲齒滾輪；4-前軸承座；5-定位銷）三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果4.3創(chuàng)新分體組裝大直徑擴(kuò)孔鉆頭5m直徑鉆頭整體全貌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，運(yùn)行平穩(wěn)，可滿足不同大直徑井筒擴(kuò)孔鉆井需要，適應(yīng)井下狹窄巷道運(yùn)輸與快速裝卸三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果受理發(fā)明200910147892.7

解決了大直徑擴(kuò)孔鉆頭分體組裝和鉆頭中心管快速更換與檢修的需求。新型擴(kuò)孔鉆頭中心管螺母鎖緊與拆卸裝置4.4中心管螺母鎖緊及拆卸裝置三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果實(shí)用新型ZL200920159822.9創(chuàng)新點(diǎn)5.首次進(jìn)行反井鉆井基礎(chǔ)理論研究三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果5.1研究鑲齒盤形滾刀破巖機(jī)理單排齒及多排齒破巖模擬第36頁(yè)提出研究反井鉆機(jī)可鉆性分析問(wèn)題，為反井鉆機(jī)破巖滾刀研制、合理布置、建立反井鉆機(jī)刀具磨損方程打下初步基礎(chǔ)；巖石類Ⅰ軟Ⅱ中Ⅲ硬巖石分級(jí)一二三四五六七八九十巖石可鉆性（m/h)＞2.02.01.00.50.30.10.060.030.010.008～～～～～～～～～1.00.50.30.10.060.030.010.0080.004巖石硬度（MPa）＜10010020050070015002100250034003500～～～～～～～～～200500700150021002500340035003700巖石可鉆性分級(jí)表三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果5.2反井鉆機(jī)地層可鉆性研究鉆進(jìn)安全：反轉(zhuǎn)掉鉆具、鉆桿斷裂、地層埋鉆、卡鉆等；井筒穩(wěn)定性安全，擴(kuò)孔坍塌、變形等。提出反井鉆井井孔穩(wěn)定性的地層改性方法5.3分析影響反井鉆進(jìn)的安全因素三、主要技術(shù)創(chuàng)新成果井筒軸向方向井幫徑向位移曲線改性前后應(yīng)力變化圖4.1現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)研討會(huì)第38頁(yè)會(huì)場(chǎng)及現(xiàn)場(chǎng)參觀照片2009年4月17日，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局科技裝備司主持，在晉城召開了“大直徑反井鉆機(jī)快速施工煤礦風(fēng)井技術(shù)研討會(huì)”。鄭行周司長(zhǎng)主持，，王樹鶴副局長(zhǎng)作了重要講話。會(huì)議交流和研討了大型礦井分區(qū)通風(fēng)的經(jīng)驗(yàn)和反井鉆機(jī)快速施工煤礦風(fēng)井技術(shù)等，現(xiàn)場(chǎng)參觀了大直徑反井鉆機(jī)開鑿煤礦風(fēng)井的施工技術(shù)和工藝。四、應(yīng)用推廣及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益編號(hào)項(xiàng)目名稱鉆井深度/m鉆井直徑/m時(shí)間（年.月）偏斜率（%）采用的工藝技術(shù)1晉城王臺(tái)鋪1#輔助回風(fēng)立井工程16552008年11月-2009年4月<0.1上部人工開挖、形成預(yù)支護(hù)，再采用反井鉆機(jī)導(dǎo)孔和擴(kuò)孔2晉城長(zhǎng)平礦楊家莊回風(fēng)立井工程2015.32010年12月-2011年3月0.487反井鉆機(jī)導(dǎo)孔、擴(kuò)孔一次完成3陽(yáng)煤五礦小南莊瓦斯抽放孔工程46312010年4月-2011年6月<0.3反井鉆機(jī)導(dǎo)孔、擴(kuò)孔一次完成4晉城寺河三水溝煤礦通風(fēng)豎井反井工程3963.52010年11月-2011年3月<0.4上部人工開挖、形成預(yù)支護(hù)，再采用反井鉆機(jī)導(dǎo)孔和擴(kuò)孔5晉城趙莊西范反井工程5391.82010年6月-2011年1月0.196定向鉆進(jìn)超前導(dǎo)孔，再用反井鉆機(jī)擴(kuò)孔，再鉆爆法刷大6蘭花寶欣煤礦風(fēng)井482.25.02012年3月至2012年6月0.2上部人工開挖、形成預(yù)支護(hù)，再采用反井鉆機(jī)導(dǎo)孔和擴(kuò)孔

合計(jì)2246.2

四、應(yīng)用推廣及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益4.1完成的煤礦風(fēng)井鉆井工程寶欣煤業(yè)工業(yè)性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)王臺(tái)鋪風(fēng)井工業(yè)性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)4.2現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片四、應(yīng)用推廣及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益4.3社會(huì)效益分析項(xiàng)目填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)、外在煤礦風(fēng)井反井鉆井施工技術(shù)空白，使我國(guó)在大直徑反井鉆井法鑿井領(lǐng)域的技術(shù)達(dá)到領(lǐng)先地位，滿足國(guó)內(nèi)煤礦采區(qū)風(fēng)井井筒建設(shè)技術(shù)發(fā)展需要。提高井筒機(jī)械化水平，大減少井下操作人員，提高了鑿井安全，減輕了職業(yè)傷害；減少了施工、矸石永久堆放場(chǎng)地占用；降低了能量消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排；減輕對(duì)圍巖破壞，降低材料消耗；提高了通風(fēng)效果