聚焦鉆井主業(yè) 踔厲奮發(fā)創(chuàng)新科技驅(qū)動(dòng) 砥礪前行
——記中國煤炭科工集團(tuán)北京中煤反井鉆機(jī)鉆井技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)

□宋朝陽 荊國業(yè)

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人劉志強(qiáng)研究員

北京中煤礦山工程有限公司隸屬于國務(wù)院國資委直接監(jiān)管的中國煤炭科工集團(tuán)有限公司，為煤炭科學(xué)研究總院建井研究院的轉(zhuǎn)制院所，是機(jī)械破巖鑿井的開創(chuàng)者。作為國內(nèi)唯一從事地下特殊鑿井技術(shù)與裝備研究的專業(yè)機(jī)構(gòu)，致力于研發(fā)礦山特殊鑿井方面共性技術(shù)、前瞻性技術(shù)和新興技術(shù)，推動(dòng)礦山建設(shè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，以需求拉動(dòng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在豎井鉆機(jī)、反井鉆機(jī)、導(dǎo)井式豎井掘進(jìn)機(jī)等鉆井技術(shù)、工藝及裝備研發(fā)方面具有顯著優(yōu)勢，全面提升了大直徑井筒鉆井技術(shù)與裝備的創(chuàng)新能力和國際競爭力。

北京中煤礦山工程有限公司下屬鉆井研究所是我國最早從事反井鉆機(jī)鉆井理論、技術(shù)、裝備、工藝一體化研究的專業(yè)團(tuán)隊(duì)，研發(fā)了BMC100至BMC600型反井鉆機(jī)和國內(nèi)首臺(tái)移動(dòng)式上向反井鉆機(jī)，市場占有率高達(dá)60%，從服務(wù)于傳統(tǒng)的井工礦產(chǎn)資源開采，現(xiàn)已拓展應(yīng)用到鐵路/公路隧道、城市地下空間、水力發(fā)電站、大科學(xué)實(shí)驗(yàn)和國防等領(lǐng)域的功能井筒建設(shè)，為國家重大戰(zhàn)略和重點(diǎn)工程實(shí)施做出了重要貢獻(xiàn)。

求實(shí)鼎新 推動(dòng)井筒建設(shè)技術(shù)變革

井筒作為進(jìn)入地下空間的“咽喉”通道，承擔(dān)通風(fēng)、運(yùn)輸和安全等重要使命，每年需要建設(shè)各類井筒上千條，總長約500千米。廣泛應(yīng)用于地下礦物開采、水力發(fā)電、抽水蓄能電站、鐵路與公路隧道、地下儲(chǔ)油、儲(chǔ)氣及核廢料儲(chǔ)存及軍事人防。以鉆眼、爆破為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)井筒施工方法，機(jī)械化水平低，井筒內(nèi)人員作業(yè)環(huán)境惡劣、職業(yè)傷害嚴(yán)重、安全事故時(shí)有發(fā)生，爆破法難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、自動(dòng)化和智能化。傳統(tǒng)人工蹬渣反井施工和爬罐法反井施工，工作面在作業(yè)人員的頭頂上方，頂部爆破新揭露的井筒圍巖容易出現(xiàn)掉石、塌方、片幫、淋水和有害氣體聚集等風(fēng)險(xiǎn)，人工作業(yè)空間范圍狹小，存在作業(yè)環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度高、職業(yè)傷害嚴(yán)重等缺點(diǎn)。

針對普通反井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高和機(jī)械化程度低等問題，2000年在科技部科研院所專項(xiàng)資金“深井反井鉆機(jī)技術(shù)及裝備”支持下，劉志強(qiáng)研究員依托北京中煤礦山工程有限公司成立“反井鉆井技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”，經(jīng)過20余年的精心培育，形成了32人的科研團(tuán)隊(duì)。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)聘請洪伯潛院士、陳湘生院士擔(dān)任顧問，團(tuán)隊(duì)成員中擁有中國煤炭科工集團(tuán)有限公司一級(jí)首席科學(xué)家1名，三級(jí)首席科學(xué)家2名，孫越崎青年科技獎(jiǎng)5人，全國煤炭青年科技獎(jiǎng)1人，具有高級(jí)職稱11人，擁有博士學(xué)位4人，獲得國家自然科學(xué)基金資助2人次。團(tuán)隊(duì)成員專業(yè)覆蓋了理論研究、技術(shù)研發(fā)、裝備研制以及工程示范等各個(gè)研究方向，涉及礦井建設(shè)、采礦工程、巖石力學(xué)、巖石破碎學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、工程材料、安全技術(shù)與工程、信息工程等多學(xué)科專業(yè)，形成了在地下工程領(lǐng)域反井鉆井研究方向上、在競爭性關(guān)鍵技術(shù)上，從基礎(chǔ)理論、技術(shù)攻關(guān)到裝備研發(fā)、工程推廣應(yīng)用的全鏈條、一體化的反井鉆機(jī)鉆井關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)能力。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以機(jī)械破巖為基礎(chǔ)，利用正、反向鑿井優(yōu)勢，創(chuàng)新鑿井方法，以反井鉆機(jī)一次導(dǎo)孔鉆進(jìn)和擴(kuò)孔鉆進(jìn)形成井筒，有力的支撐了礦山和地下工程領(lǐng)域反井鉆鑿的快速發(fā)展，在基礎(chǔ)理論、鉆具材料、關(guān)鍵技術(shù)及工程實(shí)踐方面均取得了重大進(jìn)展。反井鉆機(jī)鉆井利用下部巷道的空間和生產(chǎn)系統(tǒng)，擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)巖渣依靠自重下落，實(shí)現(xiàn)了大體積破巖和無重復(fù)破碎的高效鉆進(jìn)。目前，全國煤炭、金屬礦山和水力發(fā)電系統(tǒng)采用團(tuán)隊(duì)研發(fā)反井鉆機(jī)達(dá)到200多臺(tái)，并銷售和應(yīng)用于馬來西亞、巴基斯坦、贊比亞、土耳其、俄羅斯等“一帶一路”國家水力發(fā)電站、煤礦、金屬礦、鉆石礦等工程，提升了我國鉆井技術(shù)與國產(chǎn)高端裝備核心競爭力。

砥礪奮進(jìn) 取得重大技術(shù)與工藝突破

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研發(fā)的反井鉆機(jī)鉆井技術(shù)是煤礦、金屬礦山、水力水電、隧道等地下工程中井孔鉆鑿的根本性變革技術(shù)。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以大型反井鉆機(jī)、鉆桿和鉆頭作為裝備保障，地層改性技術(shù)相關(guān)鉆井工藝作為安全保障，以破巖滾刀作為核心保障，通過創(chuàng)造新工藝、發(fā)明新結(jié)構(gòu)，建立了反井鉆機(jī)技術(shù)、工藝和裝備體系。反井鉆機(jī)鉆井團(tuán)隊(duì)經(jīng)過20多年持續(xù)不斷的科研攻關(guān)與創(chuàng)新實(shí)踐，形成了以機(jī)械破巖理論研究、鉆具材料與性能研發(fā)、鉆進(jìn)導(dǎo)向控制、鉆進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)控制和井筒圍巖穩(wěn)定控制等反井鉆井技術(shù)、裝備及工藝體系，解決了地下軟弱夾層、富水、瓦斯、堅(jiān)硬巖石等復(fù)雜地層條件下反井鉆井中的關(guān)鍵技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了由人工挖掘、爆破破巖到井下無人化、機(jī)械化、自動(dòng)化鉆井的根本性變革，保障了反井鉆井中人員與設(shè)備的安全，并正逐步向信息化、智能化鉆井邁進(jìn)。

團(tuán)隊(duì)繼承原建井研究所機(jī)械鉆井法鑿井研究形成的優(yōu)良文化和創(chuàng)新傳統(tǒng)，得到洪伯潛院士等老同志的指導(dǎo)和幫助，團(tuán)隊(duì)以機(jī)械破巖實(shí)現(xiàn)井筒破巖掘進(jìn)過程中的無人化，并向智能化方向發(fā)展，聚焦鑲齒滾刀擠壓破巖、鉆進(jìn)軌跡控制等理論、技術(shù)和工藝，在大型反井鉆機(jī)、系列高強(qiáng)度鉆桿、大直徑擴(kuò)孔鉆頭等裝備設(shè)計(jì)制造方面取得突破。首創(chuàng)了豎井井筒機(jī)械破巖大直徑反井鉆井鑿井工藝，發(fā)明了局部開挖預(yù)支護(hù)反井鉆井、不穩(wěn)定地層凍結(jié)或注漿改性反井、基于反井鉆井技術(shù)的瓦斯管道井建設(shè)等技術(shù)與工藝，實(shí)現(xiàn)了鉆井井幫穩(wěn)定控制；首創(chuàng)了“長斜井定向反井鉆井技術(shù)與工藝”，突破了超前導(dǎo)孔定向軌跡控制技術(shù)，研發(fā)了防卡防墜錐形擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)，保障了鉆井質(zhì)量和安全；研制了滿足鉆井工藝的系列反井鉆機(jī)裝備，發(fā)明了“L”型和倒“T”型鉆架結(jié)構(gòu)、分體式擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)、大直徑鉆桿輸送裝置、鉆桿鋸齒形螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)、系列鑲齒滾刀等，實(shí)現(xiàn)了反井鉆機(jī)穩(wěn)定、高效、安全鉆井。

踔厲奮發(fā) 不斷提高創(chuàng)新能力

科研平臺(tái)建設(shè)方面，在團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人劉志強(qiáng)研究員帶領(lǐng)下組織、申報(bào)并建設(shè)了國家發(fā)改委批準(zhǔn)設(shè)立的“礦山深井建設(shè)技術(shù)國家工程研究中心”，研制了適合反井鉆機(jī)刀具旋轉(zhuǎn)破巖和直線破巖試驗(yàn)臺(tái)、刀具密封試驗(yàn)臺(tái)，以及其他巖石性能及可鉆性試驗(yàn)裝備，能夠滿足機(jī)械破巖、刀具材料測試、鉆具性能測試等方面理論與技術(shù)的研發(fā)需求，成為技術(shù)領(lǐng)先、獨(dú)具專業(yè)特色的深井建設(shè)技術(shù)研發(fā)與交流平臺(tái)。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以反井鉆機(jī)鉆井技術(shù)與裝備為核心研究方向，團(tuán)隊(duì)成員先后主持、參加國家重大科技專項(xiàng)研究任務(wù)、國家科技攻關(guān)項(xiàng)目、國家科技支撐項(xiàng)目、國家“863”計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家國際科技合作項(xiàng)目等各類縱向項(xiàng)目30余項(xiàng)和橫向科技項(xiàng)目100余項(xiàng)，近10年來，團(tuán)隊(duì)承擔(dān)著大量國家縱向項(xiàng)目，科研經(jīng)費(fèi)屢創(chuàng)新高。其中省部級(jí)及以上項(xiàng)目數(shù)量方面，2011年為3項(xiàng)，截止2020年累計(jì)數(shù)量為12項(xiàng)；科研經(jīng)費(fèi)方面，2011年為115萬元，2020年增加至5440萬元。本創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)近年獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)17項(xiàng)（其中一等獎(jiǎng)9項(xiàng)），出版《反井鉆機(jī)》等專（譯）著5部，授權(quán)發(fā)明專利52項(xiàng)，學(xué)術(shù)論文150余篇。

敦格鐵路當(dāng)金山隧道風(fēng)井推介會(huì)現(xiàn)場

創(chuàng)新推動(dòng)建設(shè)行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)，參與編制與深井建設(shè)相關(guān)的國家及行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，主持制修訂國家、行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，培養(yǎng)高水層人才，服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了國家能源技術(shù)創(chuàng)新《“十四五”規(guī)劃編制和煤炭工業(yè)中長期科技發(fā)展戰(zhàn)略》中礦井建設(shè)部分的編寫，承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金委組織的《礦業(yè)與冶金學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告（2021～2025）》中深井建設(shè)部分的編寫；創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)完成了反井鉆機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)劃建設(shè)，主持制訂“煤礦用反井鉆機(jī)通用技術(shù)條件”、“礦用反井鉆機(jī)鉆桿失效技術(shù)規(guī)范”等國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范20余項(xiàng)。

立足煤炭 科研成果向全國應(yīng)用推廣

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研發(fā)技術(shù)與裝備服務(wù)國家金礦、以及鉛、鋅、鍺等戰(zhàn)略性資源開發(fā)，成果應(yīng)用于中國五礦集團(tuán)、中國黃金集團(tuán)、山東黃金集團(tuán)、河北鋼鐵集團(tuán)、貴州甕福和開磷集團(tuán)、馳宏鋅鍺股份公司等國內(nèi)大型企業(yè)。

在水利水電建設(shè)領(lǐng)域，反井鉆井技術(shù)與裝備的推廣，改變了水電站出線豎井的傳統(tǒng)施工方法，采用反井成井或反井刷大的工藝，工效提高1倍以上，安全風(fēng)險(xiǎn)極大降低，反井鉆井技術(shù)與裝備已全面應(yīng)用于國內(nèi)抽水蓄能電站豎井施工，服務(wù)于國家“十四五”規(guī)劃提出的“加快抽水蓄能電站建設(shè)和新型儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用”戰(zhàn)略任務(wù)。應(yīng)用于三峽、白鶴灘、烏東德、溪洛渡、錦屏為代表的國內(nèi)20余座國家大型水電站和抽水蓄能電站的建設(shè)，保障國家每年水力發(fā)電量超2000億千瓦時(shí)，助力“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略，全力攻堅(jiān)打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，為國家清潔能源產(chǎn)業(yè)做出貢獻(xiàn)。

在公路、鐵路等交通隧道建設(shè)中，反井鉆機(jī)一次成井技術(shù)為極端惡劣環(huán)境下通風(fēng)豎井的施工提供了解決方案，破解了施工組織和安全管控的難題。應(yīng)用大型反井鉆井技術(shù)和裝備，完成了北京冬奧會(huì)配套工程中京張高鐵、崇禮鐵路隧道通風(fēng)井建設(shè)，助力京津冀協(xié)同發(fā)展，為2022年北京冬奧會(huì)提供支持，并完成了敦格鐵路、蒙華鐵路、秦嶺鐘南山秦嶺隧道等近10條鐵路公路隧道風(fēng)井，服務(wù)國家鐵路公路網(wǎng)建設(shè)和國防工程建設(shè)。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)承擔(dān)“一帶一路”沿線國家井筒建設(shè)項(xiàng)目，為共建“一帶一路”高質(zhì)量發(fā)展做出貢獻(xiàn)。在俄羅斯、巴基斯坦、津巴布韋等29個(gè)“一帶一路”沿線國家礦山、電站工程建設(shè)中發(fā)揮重要作用，完成各種工程總長度超過200千米，工程產(chǎn)值超過10億元，增加工程附加產(chǎn)值超過100億元，提高了國產(chǎn)裝備的國際影響力。

篤行不怠 保障持續(xù)發(fā)展與服務(wù)能力

2020年團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了“千米級(jí)7米大直徑反井鉆機(jī)”研制。目前團(tuán)隊(duì)承擔(dān)著國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)，國家自然科學(xué)基金1項(xiàng)，中國煤炭科工集團(tuán)有限公司創(chuàng)新項(xiàng)目6項(xiàng)，國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)各1項(xiàng)。2018—2020年新增銷售額12.24億元，新增利潤2.68億元。

中國煤炭科工集團(tuán)有限公司為公益類企業(yè)，全面實(shí)施“1245”總體發(fā)展思路，以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)為手段，通過科研項(xiàng)目的實(shí)施，加大力度打造創(chuàng)新型科研隊(duì)伍，并給予人財(cái)物上的支持，每年科研創(chuàng)新基金不低于1.5億元；在激勵(lì)政策上也十分完善，股權(quán)激勵(lì)等科技成果轉(zhuǎn)化獎(jiǎng)勵(lì)政策也非常優(yōu)厚。此外，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與相關(guān)研究領(lǐng)域的國際一流企業(yè)、團(tuán)隊(duì)一直保持密切的、長期的、穩(wěn)定的科研合作關(guān)系和良好的學(xué)術(shù)交流。綜上，這些保障和支撐條件為創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的發(fā)展提供了較好的環(huán)境。

機(jī)械化、信息化、智能化的地下工程建設(shè)是必然趨勢，實(shí)現(xiàn)減人提效、高效安全是地下工程建設(shè)技術(shù)與裝備研發(fā)的根本任務(wù)。在未來發(fā)展方向上，團(tuán)隊(duì)將以前期研究成果為基礎(chǔ)，立足現(xiàn)狀梳理短板領(lǐng)域，主動(dòng)關(guān)聯(lián)高相關(guān)度跨行業(yè)成果，實(shí)現(xiàn)反井鉆機(jī)鉆井技術(shù)和裝備能力的提升。重點(diǎn)是從掘進(jìn)裝備的“材料—結(jié)構(gòu)—性能”一體化設(shè)計(jì)、“設(shè)計(jì)—制造—運(yùn)行”全過程協(xié)同攻關(guān)，保證掘進(jìn)裝備關(guān)鍵構(gòu)件和功能單元的可靠性；同步研究破巖鉆進(jìn)巖機(jī)作用感知反饋系統(tǒng)、不良地質(zhì)超前探測、推進(jìn)驅(qū)動(dòng)和支撐系統(tǒng)、掘進(jìn)機(jī)整體機(jī)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及制造和配置方法等，建立智能掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)與功能（運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)）之間的映射關(guān)系，形成面向深大豎井工程掘進(jìn)、排渣和支護(hù)等功能以及可靠、穩(wěn)定、高效、精準(zhǔn)等性能要求的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)建模、性能評價(jià)、運(yùn)行狀態(tài)、智能反饋、系統(tǒng)控制等一體化設(shè)計(jì)理論與方法，實(shí)現(xiàn)反井鉆機(jī)鉆井智能化，為我國地下工程井筒安全高效綠色建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)、裝備支撐，為推動(dòng)我國地下工程開發(fā)利用的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

敦格鐵路當(dāng)金山隧道風(fēng)井施工現(xiàn)場