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12019年度国家科学技术进步奖提名项目公示材料一、项目名称：大直径反井钻井关键技术、装备及应用二、提名者及提名意见提名者：中国煤炭工业协会提名意见：井筒是矿物开采和地下工程建设的重要工程，传统的钻爆施工方法，施工效率低、用人多、施工周期长、安全保障性差、粉尘、噪声等职业伤害严重。为推进井筒施工技术升级，北京中煤矿山工程有限公司、中国三峡建设管理有限公司、汇永控股集团有限公司等7个单位联合攻关，创新研发了反井钻井新工艺及装备，实现井筒施工技术的变革，研发了大直径反井钻井技术和装备，在大直径、大深度、坚硬岩石和不稳定地层，在钻井装备、破岩刀具和钻进工艺方面取得重大突破，取得以下主要成果和创新：（1）发明了不稳定地层局部开挖预支护、地面预注浆地层改性、深部局部破碎地层单孔加固、局部不稳定地层注浆加固等多种反井钻井新工艺。（2）针对抽水蓄能电站大倾角压力管道施工难题，创新研发了长斜大直径定向反井钻井工艺，研制出隧道专用定向钻机，超前导孔偏斜率小于0.5%，曲率半径满足直径2.5m扩孔钻进要求。（3）创新研发了多种类型反井钻机和配套机具，多马达驱动使最大输出扭矩达到450kN·m，同步多油缸推进使拉力达到6000kN，钻井深度600m，钻井直径5.0m的大型反井钻机。（4）研发了长寿命破岩刀具和高承载钻具连接形式，最大直径达到384mm；发明了金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿，解决了抗压强度达到300MPa岩石的高效破碎问题。该项目获授权专利63项，发明专利32项，获得煤炭工业科学技术奖等省部级一等奖5项，制定行业标准3项，出版专著3部，发表学术论文85篇。项目在煤矿、非煤矿山及其它地下工程领域广泛应用，井筒最大直径5.3m，最大深度562m，解决了以三峡白鹤滩电站、丰宁抽水蓄能电站、敦格当金山及八达岭铁路隧道等国家重点工程中井筒建设的难题，在土耳其、哈萨克斯坦、巴基斯坦等“一带一路”国家矿山、电站工程建设中发挥重要作用，产品销售到德国、澳大利亚、南非等国家，取得重大的经济和社会效益，提高了“中国制造”影响力。提名该项目为国家科技进步奖二等奖。2三、项目简介21世纪作为地下空间开发利用的世纪，在矿山、水电站和隧道建设中，井筒是其咽喉和建设关键。通常采用的钻爆掘进方法，需要多人下井作业，安全风险大、劳动强度高、职业伤害严重。针对深井、大直径、坚硬岩石和复杂地层所面临的破岩、排渣、偏斜和井帮稳定性控制等科学问题，在多项科技部科研院所技术研发专项资金以及财政部、北京市科委支持下，经过多年理论、技术、装备的创新，形成了反井钻井新技术、工艺和装备配套，促进了井筒施工技术变革。主要创新如下：（1）发明了多种大直径竖井反井钻井新工艺。针对深井穿过地层条件复杂，大直径井帮暴露时间长稳定难以控制难题，以地质资料为基础建立反井钻井风险评价体系，发明了不稳定地层局部开挖预支护、地面预注浆地层改性、深部局部破碎地层单孔加固、局部不稳定地层注浆加固等多种反井钻井工艺，通过对地层物理和结构改性实现大直径井筒井帮稳定，排除井筒反井钻进风险，并创造了反井钻井直径5.3m，反井钻井深度562m等记录。（2）创新了长斜大直径定向反井钻井工艺。针对抽水蓄能电站大倾角压力管道施工这一世界级难题，采用反井钻机直接钻进导孔偏斜率通常达到1.5-2.5%，难以满足长斜井工程需要。创新提出定向超前导孔理念，研制出隧道专用定向钻机，在倾角50°条件下，超前导孔偏斜率小于0.5%，曲率半径满足直径2.5m扩孔钻进要求，促使高风险的“人工爬罐反井法”被淘汰。（3）研制出国内最大型反井钻机。针对钻井深度增加直径加大，缺乏大型装备设计理论和加工工艺的问题，研究确定大体积破岩钻压、扭矩、转速、钻速相互关系，形成了反井钻机设计理论；创新了“L”和倒“T”型紧凑抗变形的钻架结构，多台马达驱动、中心管整体浮动、自动抱卡连接钻杆的动力头，自动控制的大直径重型钻杆输送、连接、拆卸机构，防止误操作的安全锁闭系统；形成了输出扭矩450kN·m，拉力6000kN，钻井深度600m，钻井直径5.0m的大型反井钻机。（4）创新了长寿命破岩刀具和高承载钻具连接形式。针对火成岩地层岩石坚硬导致刀具磨损快、寿命低，影响钻进效率和成本难题，试验研究了镶齿滚刀破岩机理，揭示了滚刀齿形、齿间距、齿排距与破岩效果和刀具寿命关系，发明了金刚石-碳化钨硬质合金复合钻齿，解决了抗压强度达到300MPa岩石的高效破碎问题，滚刀寿命提高2-3倍。通过螺纹结构对承载能力影响的试验研究，优选发明了新型锯齿形螺纹接头钻杆，最大直径达到384mm，承载能力提高了5倍，实现钻具可靠连接。该项目获授权专利63项，发明专利32项，获得煤炭工业科学技术奖等省部级一等奖5项，制定行业标准3项，出版专著3部，发表学术论文85篇。在煤矿成功进行直径5.3m的井筒试验后，全面推广到煤矿、非煤矿山及其它地下工程领域，解决了以三峡白鹤滩电站、丰宁抽水蓄能电站、敦格当金山及八达岭铁路隧道为代表的国家重点工程中井筒建设的关键问题，并在土耳其、哈萨克斯坦、巴基斯坦等“一带一路”国家矿山、电站工程建设中发挥重要作用。形成大型反井钻机加工制造产业，产品销售到德国、澳大利亚、南非等国家。3四、客观评价4-1第三方验收鉴定意见（四项鉴定两项验收）4-1-12018年9月中国煤炭工业协会对“基于反井钻井技术的瓦斯管道井建设新工艺研究”项目鉴定，鉴定委员会认为：研发了瓦斯管道井反井钻井施工新工艺，形成了反井钻井条件下瓦斯管道井设计理论，形成了富水岩层泄水条件下井壁内外压差平衡控制技术和壁后充填工艺，研制出管道快速提吊安装的A字形专用井架。研究成果达到国际领先水平。4-1-22017年12月中国煤炭工业协会对“长斜大直径定向反井钻井工艺与装备研究”项目鉴定，鉴定委员会认为：项目研发了长斜大直径定向反井钻井新工艺，研制出TDX-50型斜井专用定向钻机、ZFY3.0/160/500专用反井钻机及配套的无线随钻测斜和井下动力纠偏钻具系统等关键装置，使斜井超前导孔轨迹得到实时控制，实现了成井偏斜率在0.5%以内，研究成果达到了国际领先水平。4-1-32012年11月中国煤炭工业协会对“5米大直径反井钻井技术及装备”项目鉴定，鉴定委员会认为：项目研制了ZFY5.0/600型反井钻机、直径5m扩孔钻头及配套钻具，形成了适于煤矿不同地层条件的五种大直径反井钻井工艺；鉴定委员会认为，研究成果在反井钻井技术装备方面取得重大突破，经济效益和社会效益显著，整体达到国际先进水平，其中5m大直径井筒反井施工技术达到国际领先水平。4-1-42009年12月中国煤炭学会对“ZFY3.5/400电控型反井钻机技术及应用”项目鉴定，鉴定委员会认为：项目研制了一套ZFY3.5/400电控型反井钻机、完成钻机工业性试验检验；国内第一次将先进的工业计算机控制技术，应用于反井钻机系统，形成综合技术及装备，该钻机有广泛的推广应用前景，对推动了反井钻井技术进步有重要意义，经查新具有新颖性和创新性，达到了国际先进水平。4-1-52009年7月煤炭科学研究总院对“大直径反井钻机关键技术及装备研究”项目验收，验收专家认为：研制一套ZFY5.0／600（BMC600）国内最大型反井钻机主机系统，采用计算机控制操作系统，实现钻井参数及控制的自动化，数字化。采用自动钻机状态监控系统，避免钻进中反转、卡钻、压扣等人为事故的发生。4-1-62009年7月煤炭科学研究总院对“新型大直径扩孔钻头结构及配套钻具开发研究”项目验收，验收专家认为：研制的与ZFY5.0／600型反井钻机配套的钻具系统各项性能指标均达到了计划任务书规定的要求，在结构、工艺有较大创新。5-2重要科技奖励（五项）4-2-1“长斜大直径定向反井钻井工艺与装备研究”、“5米大直径反井钻井技术及装备”、“ZFY3.5/400电控型反井钻机技术及应用”分别获得2018、2013、2010年中国煤炭工业协会科学技术进步一等奖；4-2-2“机械破岩井筒钻井技术及其应用”获得2018年中国产学研合作创新成果一等奖；4-2-4“大直径煤矿风井反井钻井技术及装备”获得2013年中国职业安全健康协会科学技术奖一等奖。4-3规范标准44-3-1煤炭工业协会将反井钻机列为重点推广项目，2016年10月1日实施的《煤矿安全规程》，删除了原39条，采用木垛盘和吊罐施工反向凿井的规定，只保留了反井钻机钻井法。4-3-2制定多项煤炭行业标准，包括煤矿用反井钻机通用技术条件MT/T213-2011、钻井井筒永久支护通用技术条件MT/T518-2009、矿用反井钻机钻杆失效技术条件MT/T1056-2008。4-3-3水利行业标准，水利水电地下工程施工组织设计规范（SL642-2013）中表1，列出了项目的装备成果主要技术参数。4-4国内外同行学术性评价意见4-4-12016年11月25日，煤炭工业技术委员会三届二次会议暨中国煤炭学会七届理事会第四次会议上，王显政会长指出:“大直径反井钻井技术、……取得重大突破，为大型现代化煤矿、千万吨级矿井群和亿吨级矿区建设提供了技术支撑”。4-4-2中国工程院院士马洪琪谈我国水电地下工程施工技术：“我国开发了但反井钻机打导井，是斜（竖）井开挖技术的重大革新，由于其安全、快捷的优点，在水电系统中广泛采用”。4-5年鉴、工法、著作中评价4-5-1中国煤炭工业协会，煤炭工业技术委员会2014年年鉴，将“5米大直径反井钻井技术及装备”列入重要技术成果。4-5-2中煤煤炭建设年鉴（2006-2010）在第4篇重大技术装备和技术创新中将“大直径煤矿风井反井钻井技术及装备”作为重大技术（装备）研究成果。4-5-3中国煤炭建设协会，将“反井钻机施工井筒溜矸孔施工工法（BJGF012-2010）”列为行业工法。4-5-4中国水电第一工程局主编的《抽水蓄能电站输水系统施工技术》第四章，第五节介绍了反井钻机技术。4-5-5中国煤炭工业协会，中煤协会综合〔2016〕52号《关于推进煤炭工业“十三五”科技发展的指导意见》，将“煤矿大直径反井施工技术与装备”列入煤炭工业“十三五”推广应用先进技术。4-7媒体报道4-7-1中央电视台综合频道，2018年12月6日，在《我们一起走过——致敬改革开放40周年》第九集《集中力量办大事》中，指出敦格铁路当金山隧道修建过程中，采用本项目技术攻克超长隧道通风的世界性难题。4-7-2国务院国资委网站，2015年7月30日和2016年9月30日分别以《中国煤炭科工大直径反井钻井技术及装备研究成果填补国内空白》《中国铁建设计我国首座铁路隧道反井法深竖井贯通”对项目成果和项目施工工程进行了报道。4-7-3中国煤炭报于2018年12月20日以《攻克超长隧道通风世界性难题——中国煤科北京中煤矿山工程有限公司为铁路隧道建设贡献力量》报道了项目组铁路隧道通风中大直径反井施工的应用。5五、应用情况1.1反井钻井技术工程应用1)煤矿井筒工程应用。该项技术原是为快速建设煤矿采区风井，解决高产高效工作面的通风需求研发，项目在山西晋煤集团王台铺煤矿工业性试验成功后，国家煤矿安全生产管理局组织召开现场推广会，在山西、陕西、内蒙古等大型煤炭基地，已完成直径3.0-5.3m风井超过42条，最大深度539m。并推广至瓦斯井工程中，最深562m。汇永集团柴沟煤矿采用该技术，快速建成8号煤层延深进回、风井筒各一条，直径5.0m，实现提前13个月开采出煤，快速采出煤炭325万吨。2)水力发电工程应用。项目组将该技术向水力发电电站全面推广普及，所有的地下厂房式电站全部采用反井钻机施工竖井井筒，或作为导井辅助施工竖井和斜井。在三峡公司建设的金沙江白鹤滩电站，采用国内最大型反井钻机，在坚硬的玄武岩地层中，钻成直径3.0~3.5m的风井21条，最大深度235.78m。与导井扩挖法建设一条井筒约需要6个月时间，采用该技术建设时间只有1个月，为此估算该项技术至少缩短了电站一个月的建设期，白鹤滩电站的装机为1600万千瓦，一个月发电量为115.2亿度，同时该技术也在溪洛渡、乌东德等电站推广应用。3)抽水蓄