北京中煤矿山：刘志强——千米级竖井全断面科学钻进装备与关键技术分析
创新点
（1 ）梳理了以竖井钻机、竖井掘进机和反井钻机3 种机械破岩全断面钻井装备及工艺，对比分析了其在千米级全断面机械破岩钻井工程中的适用性和可行性。
（2 ）分析了千米级全断面钻井装备机械破岩、高效排渣、智能监控、随钻支护和辅助钻进5 项核心技术及其亟待解决的科学问题。
（3 ）提出了千米级全断面钻井的主要研究方向，并建立了机械破岩钻井参数多维动态优化设计流程。
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作 者
刘志强 1,2,宋朝阳 1,2,程守业 1,2,纪洪广 3,4,谭 杰 1,2,荆国业 1,2
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单 位
1.北京中煤矿山工程有限公司；2.煤矿深井建设技术国家工程实验室；3.北京科技大学 城市地下空间工程北京市重点实验室；4.北京科技大学 土木与资源工程学院
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研究背景
智能钻井装备研制与应用是保障地下矿产资源开发、地下空间开发、地下交通、水力发电站建设等地下工程安全高效建设目标实现的关键，也是国际地下工程技术竞争的热点和国家核心竞争力的支柱。竖井是进入深部地层的主要通道，作为地下空间利用和矿井生产全生命周期服务的核心构筑物和安全保障，承担着人员、设备、物料、产品的运输和矿井通风等重要功能。2019年第二十一届中国科协年会闭幕式上发布了20个对科学发展具有导向作用、对技术和产业创新具有关键作用的前沿重大科学问题和工程技术难题，其中第19项为“千米级深竖井全断面掘进技术”。
目前，以竖井掘进机、反井钻机、竖井钻机为代表的竖井凿井装备为代表的井筒装备都是多场耦合高度复杂、功能异常丰富、运行控制能力强大的复杂机电系统。机械高效破岩技术代替钻眼爆破岩石技术，实现了连续、精准、可控破岩钻进和排渣，机械破岩过程中对井隧围岩扰动效应减小的最低，形成的规矩截面，提高了围岩结构在高地应力条件下的自稳性能；同时，形成的工程围岩裂隙率明显降低，有效降低了围岩透水、涌水等水害的风险，因此，亟待推动地下工程井筒机械化钻进装备的发展。
“十三五”期间国家重点研发计划以攻克2000m以浅深竖井建井与提升的基础理论、关键技术、工艺与装备难题为目标，国内“十四五”期间的竖井深度将突破2000m。因此，为保障深部资源开采、深地空间开发、川藏铁路等战略工程的建设，在千米级深竖井全断面掘进理论、技术与装备的研究和创新势在必行，这对于资源安全供给、保障经济高速发展具有重要的战略意义。
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摘 要
千米级竖井全断面钻进技术是我国深地开发的重要技术支撑。围绕机械高效破岩与智能安全钻进这一主题,阐述了机械破岩钻井装备和无人化钻井的研究进展,梳理得出以竖井钻机、竖井掘进机和反井钻机3种钻机构成的机械破岩科学钻井技术、工艺及装备体系,并凝练出竖井全断面科学钻进过程中破岩、排渣、智能监控、支护和辅助钻进5项核心技术及其涵盖的12项关键技术;提出千米级竖井全断面机械破岩钻井需要攻克的关键技术问题与科学问题。
针对深部高应力、高岩温和高水压条件下岩石强流变、强扰动等特点,以破岩与围岩控制技术、高效排渣技术、装备钻进与支撑技术的“三位一体”协同控制为核心,将重点攻克:
①深部破岩机理和井帮围岩控制理论研究,以及辅助机械破岩的高效破岩技术;②多相流流动理论研究,优化多相比、提升高度、多相流速等参数,建立低能耗高效循环排渣模式;③围岩智能感知、判识与精准钻进轨迹的智能化控制理论研究,开发深部地层钻进多信息融合的钻机自适应钻进技术。
为解决机械破岩、多相流循环排渣、钻井智能推进3者之间的协调性和匹配性问题,从基础理论分析、装备性能、工艺研究3个方面,构建了机械破岩科学钻井参数动态优化设计体系,基于以上机械化全断面钻井技术和装备现有条件和尚待攻克难题的梳理,为国家千米级竖井全断面钻进成套技术与装备的开发与升级提供借鉴。
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部分图片
国际上机械破岩钻井的占有率
1960年以来我国钻井法凿井数量统计
国内首台下排渣式竖井掘进机MSJ5.8/1.6D钻井工艺布置
反井钻机BMC600钻井示意
井筒钻进工艺体系
不同钻头类型和刀齿布置方式形成的钻头形制
镶齿滚刀破岩影响因素分析示意[23]
不同机械破岩钻机钻井排渣技术
机械破岩钻进智能监控示意
机械破岩钻井参数的多维动态优化设计流程
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作者简介
刘志强（1962-），研究员，博士，博士生导师，中国煤炭科工集团有限公司一级首席科学家，中国煤炭学会煤矿建设与岩土工程专业委员会主任委员，煤矿深井建设技术国家工程实验室主任。长期从事矿井建设技术研究，主攻方向为机械破岩钻井工艺、技术及装备，主持完成国家“863”计划、科技攻关、科技支撑、科研院所专项以及北京市、煤炭行业等多项科研项目，在反井钻井、钻井法凿井以及竖井掘进机钻井技术装备研究方面做出了突出贡献；获得国家、煤炭、电力等多项科技进步奖，并获得全国优秀科技工作者、杰出工程师鼓励奖及煤炭工业科技创新人才等多项荣誉，获得国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步特等奖2项、一等奖10项，发表论文100多篇，获得授权发明专利40多项；已出版《反井钻机》《竖井掘进机》《竖井掘进机凿井技术》《钻井法凿井井筒支护结构研究与实践》等专著，牵头编著出版了《矿井建设技术》、翻译出版了《硬岩掘进机》。
来源：
文章来源：煤炭学报
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