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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(guó)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)

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(guó)務(wù)院國(guó)資委直接監(jiān)管的中國(guó)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(kāi)創(chuàng)者。作為國(guó)內(nèi)唯一從事地下特殊鑿井技術(shù)與裝備研究的專(zhuān)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(shì)，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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

北京中煤礦山工程有限公司下屬鉆井研究所是我國(guó)唯一也是最早從事反井鉆機(jī)鉆井理論、技術(shù)、裝備、工藝一體化研究的專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)，研發(fā)了BMC100至BMC600型反井鉆機(jī)和國(guó)內(nèi)首臺(tái)移動(dòng)式上向反井鉆機(jī)，市場(chǎng)占有率高達(dá)60%，從服務(wù)于傳統(tǒng)的井工礦產(chǎn)資源開(kāi)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(guó)防等領(lǐng)域的功能井筒建設(shè)，為國(guó)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(lèi)井筒上千條，總長(zhǎng)約500km。廣泛應(yīng)用于地下礦物開(kāi)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，爆破無(wú)法實(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)空間范圍狹小空間，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(duì)普通反井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高和機(jī)械化程度低等問(wèn)題，2000年在科技部科研院所專(zhuān)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(guò)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(qǐng)洪伯潛院士、陳湘生院士擔(dān)任顧問(wèn)，團(tuán)隊(duì)成員中擁有中國(guó)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(guó)煤炭青年科技獎(jiǎng) 1 人，具有高級(jí)職稱(chēng) 11人，擁有博士學(xué)位4人，獲得國(guó)家自然科學(xué)基金資助2人次。團(tuán)隊(duì)成員專(zhuān)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(zhuān)業(yè)，形成了在地下工程領(lǐng)域反井鉆井研究方向上、在競(jìng)爭(zhēng)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(shì)，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(wú)重復(fù)破碎的高效鉆進(jìn)。目前，全國(guó)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(xiāo)售和應(yīng)于馬來(lái)西亞、巴基斯坦、贊比亞、土耳其、俄羅斯等“一帶一路”國(guó)家水力發(fā)電站、煤礦、金屬礦、鉆石礦等工程應(yīng)用，提升我國(guó)鉆井技術(shù)與國(guó)產(chǎn)高端裝備核心競(jìng)爭(zhēng)力。

砥礪奮進(jìn) 取得大技術(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(guò)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(guò)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(wú)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)下和幫助，團(tuán)隊(duì)以機(jī)械破巖實(shí)現(xiàn)井筒破巖掘進(jìn)過(guò)程中的無(wú)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)軌跡控制理論等理論、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(kāi)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(zhǎng)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。

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

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)了發(fā)改委批準(zhǔn)設(shè)立的“礦山深井建設(shè)技術(shù)國(guó)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(cè)試、鉆具性能測(cè)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(zhuān)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(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)課題任務(wù)、國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目、國(guó)家科技支撐項(xiàng)目、國(guó)家“863”計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家國(guó)際科技合作項(xiàng)目等各類(lèi)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(lái)，團(tuán)隊(duì)承擔(dān)著大量國(guó)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(wàn)元，2020年增加至5440萬(wàn)元。本創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)近年獲得國(guó)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(zhuān)(譯)著5部，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利52項(xiàng)，學(xué)術(shù)論文150余篇；

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(guó)家及行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，主持制修訂國(guó)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(guó)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(zhǎng)期科技發(fā)展戰(zhàn)略》中礦井建設(shè)部分的編寫(xiě)，承擔(dān)了國(guó)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(xiě)；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(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范20余項(xiàng)。

立足煤炭 科研成果面向全國(guó)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(guó)家金礦、以及鉛、鋅、鍺等戰(zhàn)略性資源開(kāi)發(fā)，成果應(yīng)用于中國(guó)五礦集團(tuán)、中國(guó)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(kāi)磷集團(tuán)、馳宏鋅鍺股份公司等國(guó)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(guó)內(nèi)抽水蓄能電站豎井施工，服務(wù)于國(guó)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(guó)內(nèi)20余座國(guó)家大型水電站和抽水蓄能電站的建設(shè)，保障國(guó)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(guó)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(guó)家鐵路公路網(wǎng)建設(shè)和國(guó)防工程建設(shè)。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)承擔(dān)“一帶一路”沿線國(guó)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(guó)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(zhǎng)度超過(guò)200km，工程產(chǎn)值超過(guò)10億元，增加工程附加產(chǎn)值超過(guò)100億元，提高了國(guó)產(chǎn)裝備的國(guó)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金1項(xiàng)，中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司創(chuàng)新項(xiàng)目 6項(xiàng)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)各1項(xiàng)。2018-2020年新增銷(xiāo)售額12.24億元，新增利潤(rùn)2.68億元。

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司為公益類(lèi)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(guò)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(guó)際一流企業(yè)、團(tuán)隊(duì)一直保持密切的、長(zhǎng)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(shì)，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(lái)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)和裝備能力的在提升。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(guò)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(cè)、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(píng)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(guó)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(guó)地下工程開(kāi)發(fā)利用的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。