大直徑反井鉆機快速建設采區(qū)風井技術劉志強研究員天地科技建井研究院煤礦深井建設技術國家工程實驗室二〇一三年十一月一、建井研究院二、立項背景三、創(chuàng)新點及關鍵技術四、應用推廣及經(jīng)濟社會效益匯報內容煤炭科學研究總院建井研究院，是國內唯一的、綜合性的建井技術專業(yè)研究機構，從事礦山井、巷掘進、支護工藝、裝備專業(yè)研究，在鉆井、注漿、凍結、反井鉆機等特殊鑿井技術方面，引領我國煤礦建井技術的發(fā)展方向。擁有工程技術人員120余人，中國工程院院士1名、國家有突出貢獻中青年專家和享受政府津貼專家30余名、研究員和高級工程師50余名，擁有自行研究成果400多項。一、天地建井研究院１.簡介煤炭科學研究院北京建井研究所（1957年）煤炭科學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個研究所，分別是凍結研究所、注漿研究所、鉆井研究所、礦山技術研究所、井巷技術裝備研究所、軌道交通工程研究所、定向鉆進技術裝備研究所。凍結研究所鉆井研究所礦山技術研究所注漿研究所井巷技術裝備研究所軌道交通工程研究所定向鉆進技術裝備研究所一、天地建井研究院科研管理辦公室綜合辦公室經(jīng)營管理部研究生培養(yǎng)生產安全部資產財務部3.組織機構

研究院是經(jīng)北京市科委確認的高新技術企業(yè)，是我國煤炭行業(yè)唯一從事地下特殊施工技術的綜合專業(yè)研究機構，擁有煤礦深井建設技術國家工程實驗室及各個專業(yè)實驗室：煤礦深井建設技術國家工程實驗室凍結實驗室注漿實驗室鉆井鑿井實驗室避難硐室實驗室一、天地建井研究院4.試驗系統(tǒng)

公司取得各類國家攻關和部級科研成果500多項，擁有專利35項，獲國家級、部級等各類獎項100多項，制定了40多項行業(yè)標準。35項43項522項112項各類國家攻關和部級科研成果行業(yè)標準專利國家級、部級等各類獎項建院50多年以來一、天地建井研究院5.成果及獎勵序號課題名稱研究時間1煤礦建設與巖土工程專業(yè)委員會2008-20102煤炭科學技術委員會礦山建設專家委員會2008-20103煤炭行業(yè)煤礦專用設備標準化委員會“井巷分會”2008-20106.掛靠機構一、天地建井研究院普通鑿井法（凍結、注漿、帷幕)沉井法（建井采用很少）鉆井法：

豎井鉆機（泥漿循環(huán)鉆井）

豎井掘進機（局部淹水、機械、真空泵）

反井鉆機（下部巷道形成巖渣自重掉落）

二、立項背景普通鑿井法：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、立項背景

綜合機械鑿井技術：鉆井法、反井鉆井以及豎井掘進機，實現(xiàn)將工作人員最大限度的從鑿井工作面解脫出來，減輕工人體力勞動強度和職業(yè)傷害鉆井法鑿井反井鉆鉆井法鑿井

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

項目目標：針對目前煤礦風井井筒鑿井安全和效率問題，研究以機械破巖為基礎，下部巷道排渣的井筒鑿井技術、工藝及裝備，創(chuàng)新形成-反井鉆井法鑿井技術，充分利用礦井生產條件，實現(xiàn)井筒施工綜合機械化，達到掘進期間操作人員不下井，減少安全事故和職業(yè)傷害。

二、立項背景大直徑風井反井鉆井技術及裝備大直徑反井鉆機關鍵技術及裝備新型大直徑擴孔鉆頭結構及配套鉆具開發(fā)反井鉆井工藝技術多馬達驅動動力頭結構可編程控制器為基礎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孔式穩(wěn)定鉆桿組裝式大直徑擴孔鉆頭反井鉆進工藝反井鉆井風險性評價地層加固處理技術二、立項背景巖石破碎和地層可鉆性創(chuàng)新點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三、主要技術創(chuàng)新成果工藝優(yōu)點：減少井下操作人員-安全機械破巖，降低對圍巖損害-低耗減少場地占用和環(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2.研究形成實踐了五種反井鉆井法工藝技術反井局部開挖預支護工藝反井施工導孔定向鉆進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注漿地層改性工藝三、主要技術創(chuàng)新成果受理發(fā)明201010508385.42.1反井局部開挖預支護工藝三、創(chuàng)新成果及關鍵技術2.2反井施工地面預注漿地層改性工藝三、主要技術創(chuàng)新成果2.3局部破碎地層單孔加固工藝三、主要技術創(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、主要技術創(chuàng)新成果2.5高精度定向鉆井導孔反井鉆井工藝三、主要技術創(chuàng)新成果創(chuàng)新點3.研制成功ZFY5.0/600型最大型反井鉆機三、主要技術創(chuàng)新成果技術參數(shù)：導孔直徑：350mm；擴孔直徑：5.0m;鉆井深度：600m；鉆機拉力：6000kN；鉆機扭矩：300kNm;鉆機功率：264kW；主機重量：25000kg實用新型ZL200820106834.03.1鉆機設計采用3D立體設計方法三、主要技術創(chuàng)新成果反井鉆機主機反井鉆機動力頭鉆桿連接接頭ZFY5.0／600型反井鉆機鉆架結構1-橫梁；2-導向方柱；3-推進缸聯(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

大型反井鉆機封閉框架鉆架結構形式，使結構簡單、組裝便捷又方便操作。新型開孔扶正裝置提高了鉆孔精度。實用新型ZL200820106838.9三、主要技術創(chuàng)新成果實用新型ZL200820106839.3倒“T”型結構有限元分析云圖倒“T”型結構模態(tài)分析六階振型3.3利用計算機分析方法，對鉆架承受動載和靜載能力及變形進行有限元分析，設備加工前解決反井鉆機承受大扭矩、大推拉力的結構運行穩(wěn)定問題。三、主要技術創(chuàng)新成果

創(chuàng)新自由輪調速多馬達驅動系統(tǒng)，實現(xiàn)大直徑鉆機扭矩、轉速范圍無級調整，解決多馬達配合，導孔、擴孔速度轉換難題，提高了鉆進效率和能量利用率。動力頭中心管浮動結構

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

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

3.6反井鉆機采用了電腦控制和完成安全控制軟件編制

采用工業(yè)計算機實現(xiàn)了操作和鉆進過程精確控制，鉆進過程及鉆進參數(shù)，實現(xiàn)顯示的圖像化和數(shù)字化。反井鉆機觸屏操作界面三、主要技術創(chuàng)新成果3.7創(chuàng)建低能耗的電液控制

鉆機采用先進的電液比例控制液壓系統(tǒng)，雙泵供油、比例調速，自動控制油泵配油擺角，滿足正常擴孔鉆進推進系統(tǒng)高壓、低流量工藝要求。電液控制中心三、主要技術創(chuàng)新成果大直徑分體式擴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-分體式擴孔鉆頭；5-導孔鉆頭創(chuàng)新點4.大直徑反井鉆機配套新型鉆具系統(tǒng)三、主要技術創(chuàng)新成果4.1新型鋸齒形鉆桿連接螺紋首創(chuàng)了反井鉆機新型鋸齒形鉆桿螺紋連接，提高了聯(lián)結螺紋的承載能力及可靠性，鉆桿連接和拆卸過程扭矩均衡，設計、加工及檢測滿足大直徑鉆桿要求。三、主要技術創(chuàng)新成果受力發(fā)明200910147891.24.2完成新型高保徑自擴孔滾輪式穩(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、主要技術創(chuàng)新成果4.3創(chuàng)新分體組裝大直徑擴孔鉆頭5m直徑鉆頭整體全貌結構穩(wěn)定性好，運行平穩(wěn)，可滿足不同大直徑井筒擴孔鉆井需要，適應井下狹窄巷道運輸與快速裝卸三、主要技術創(chuàng)新成果受理發(fā)明200910147892.7

解決了大直徑擴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、主要技術創(chuàng)新成果實用新型ZL200920159822.9創(chuàng)新點5.首次進行反井鉆井基礎理論研究三、主要技術創(chuàng)新成果5.1研究鑲齒盤形滾刀破巖機理單排齒及多排齒破巖模擬第36頁提出研究反井鉆機可鉆性分析問題，為反井鉆機破巖滾刀研制、合理布置、建立反井鉆機刀具磨損方程打下初步基礎；巖石類Ⅰ軟Ⅱ中Ⅲ硬巖石分級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巖石可鉆性分級表三、主要技術創(chuàng)新成果5.2反井鉆機地層可鉆性研究鉆進安全：反轉掉鉆具、鉆桿斷裂、地層埋鉆、卡鉆等；井筒穩(wěn)定性安全，擴孔坍塌、變形等。提出反井鉆井井孔穩(wěn)定性的地層改性方法5.3分析影響反井鉆進的安全因素三、主要技術創(chuàng)新成果井筒軸向方向井幫徑向位移曲線改性前后應力變化圖4.1現(xiàn)場技術研討會第38頁會場及現(xiàn)場參觀照片2009年4月17日，國家煤礦安全監(jiān)察局科技裝備司主持，在晉城召開了“大直徑反井鉆機快速施工煤礦風井技術研討會”。鄭行周司長主持，，王樹鶴副局長作了重要講話。會議交流和研討了大型礦井分區(qū)通風的經(jīng)驗和反井鉆機快速施工煤礦風井技術等，現(xiàn)場參觀了大直徑反井鉆機開鑿煤礦風井的施工技術和工藝。四、應用推廣及經(jīng)濟社會效益編號項目名稱鉆井深度/m鉆井直徑/m時間（年.月）偏斜率（%）采用的工藝技術1晉城王臺鋪1#輔助回風立井工程16552008年11月-2009年4月<0.1上部人工開挖、形成預支護，再采用反井鉆機導孔和擴孔2晉城長平礦楊家莊回風立井工程2015.32010年12月-2011年3月0.487反井鉆機導孔、擴孔一次完成3陽煤五礦小南莊瓦斯抽放孔工程46312010年4月-2011年6月<0.3反井鉆機導孔、擴孔一次完成4晉城寺河三水溝煤礦通風豎井反井工程3963.52010年11月-2011年3月<0.4上部人工開挖、形成預支護，再采用反井鉆機導孔和擴孔5晉城趙莊西范反井工程5391.82010年6月-2011年1月0.196定向鉆進超前導孔，再用反井鉆機擴孔，再鉆爆法刷大6蘭花寶欣煤礦風井482.25.02012年3月至2012年6月0.2上部人工開挖、形成預支護，再采用反井鉆機導孔和擴孔

合計2246.2

四、應用推廣及經(jīng)濟社會效益4.1完成的煤礦風井鉆井工程寶欣煤業(yè)工業(yè)性試驗現(xiàn)場王臺鋪風井工業(yè)性試驗現(xiàn)場4.2現(xiàn)場應用照片四、應用推廣及經(jīng)濟社會效益4.3社會效益分析項目填補了國內、外在煤礦風井反井鉆井施工技術空白，使我國在大直徑反井鉆井法鑿井領域的技術達到領先地位，滿足國內煤礦采區(qū)風井井筒建設技術發(fā)展需要。提高井筒機械化水平，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、矸石永久堆放場地占用；降低了能量消耗，實現(xiàn)節(jié)能減排；減輕對圍巖破壞，降低材料消耗；提高了通風效果