我国煤矿竖井钻机的发展.pdf

文章编号：我国煤矿竖井钻机的发展我国煤矿竖井钻机的发展史基盛（中煤特殊凿井（集团）有限责任公司，安徽 淮北 235044）摘摘要：要：在论述我国煤矿钻井法施工中所用的竖井钻机的发展的基础上，介绍了中煤特殊凿井（集团）有限责任公司正在制造的 AD130/1000 钻机，该钻机采用液压驱动，大油缸提升，动力头结构。该钻机的主要性能：扭矩 600kNm；提升力 8000kN；转速 018rpm；钻井直径13.0m；钻井深度大于 1000m。该钻机具有能力大，扩孔次数少；安装和拆卸简便快捷的特点，必将促进我国钻井水平上一个新台阶；关键词：关键词：钻井法；竖井钻机；新钻机；前景展望中图分类号：中图分类号TD353文献标识码：文献标识码：A1 1前言前言煤矿钻井法凿井技术的研究开始于 50 年代初期。1963 年在煤炭科学研究院进行了钻井法小型试验，1968 年底成功地制造出 ZZS-1 型竖井钻机，1969 年上半年，中煤特殊凿井（集团）公司与北京建井所在淮北朔里南风井合作完成了我国第一台竖井钻机的试验工作，并取得成功。钻井法凿井具有机械化、自动化程度高，凿井不用工人下井，作业条件好，劳动强度低，施工安全，井壁质量好，成井偏斜率低，适应性强，深表土凿井成本低等优点。特别是近几年，钻井法凿井技术在成井垂直度、工序快速转换、壁后充填、抗井筒竖向破坏等方面取得了新的进步，使钻井法凿井得到了越来越多的建设单位的青睐。中煤特殊凿井（集团）公司在山东龙固煤矿的三口井（主井 1、主井 2，净径 5.7m，井深 583m；风井，净径 6.0m，井深 580m）采用钻井法施工的成功，创造了我国钻井法成井的新纪录。截至目前为止，我国共采用钻井法已成井 70 口，累计成井 17268m。目前正开工建设的和在建的钻井井筒达到了 6个，分别为淮南矿业集团张集煤矿西区进、回风井井筒（进风井钻井直径9.7m、净径7.2m，冲积层厚400m，井深 430m；回风井钻井直径10.8m、净径8.3m，井深 430m）；山东里能集团有限公司郓城煤矿风井（钻井直径9.0m、净径6.0m，冲积层厚 400m，井深 580m）；国投新集集团板集煤矿主、副、风井（主井钻井直径9.5m、净径6.2m，冲积层厚 584m，井深 660m；副井钻井直径10.3m、净径7.3m，井深 640m；风井钻井直径9.85m、净径6.5m，井深 656m）。竖井钻机是钻井法凿井的主要设备，也是关键性设备，随着下一步山东、河南、河北、安徽等省的深厚冲积层建井的需求，给超深井、超大井的钻井施工带来了新的机遇，也为钻井法施工带来了新的挑战，促进了新型大钻机的诞生。2 2煤矿竖井钻机的发展历程煤矿竖井钻机的发展历程煤矿竖井钻机从 ZZS-1 型开始，发展到今天，大致可分为三个阶段，分别为煤矿竖井钻机初级阶段、专用钻机使用阶段、专用钻机改进和新型钻机发展阶段。见表一。2.12.12.12.1煤矿竖井钻机初级阶段煤矿竖井钻机初级阶段最初的竖井钻机 ZZS-1 型，是利用石油钻机的转盘、绞车、天车、游车、水龙头、大钩六大件，由北京建井所、淮南蔡家岗煤机厂等单位设计制造钻台、井架、钻头等配套设备。由中煤特殊凿井（集团）有限责任公司与北京建井所在淮北朔里南风井合作完成了我国第一台竖井钻机的试验工作，并取得成功。此后，形成了地面转盘驱动钻杆和钻头；绞车提升和下放；减压钻进；超前孔钻进、分次扩孔；泥浆护壁、压气反循环泥浆洗井、恒钻压、恒钻速或手动进给操作工艺。虽然期间对钻机的结构形式进行了各种探索，如：QZ-3.5 型（潜入式）钻机；红阳大钻（行星轮式钻机）；BZ-1 型（门吊提升）钻机等，均因可靠性、效率低等原因，仅钻一至两口井就被后来的专用的大钻机所淘汰。12006 年全国矿山建设学术会论文收稿日期：2006-02-28作者简介：史基盛（1957-），男，中煤特殊凿井（集团）公司总工程师，从事特殊凿井管理、技术研究工作。表表 1 1煤矿竖井钻机性能和所钻井筒数一览表煤矿竖井钻机性能和所钻井筒数一览表钻机型号主 要 性 能使用时间成井数量备注钻井直径/m钻井深度/m转盘扭矩/kNm提升力/kN初期阶段ZZS-1行星轮式钻机MZ-MZ-YZ-1BZ-1QZ-3.54.36.25.05.05.06.56.22001201501501502502504039.240404012058.4130075013001300130014001300196919781971198019701979197119791972198219781979197819828242411中间试验钻机沈阳红阳大钻常州钻井机天津 704 钻井机太湖钻井机表土钻井机山东潜入式钻机专用钻机ND-1SZ-9/700AS-9/500L40/8007.49.09.08.050070050060026030030042032003000300040001972200119762001198220021982199981096上海大屯钻井机老 9m 钻井机新 9m 钻井机进口原西德钻机现阶段中型钻机SZ-9/700GAS-9/500GL40/1000AS-12/800AD130/10006.510.011.010.012.013.04007008008008001000120400400420500600150030003850400055008000200020052003200620022006200420062004200620061212中小井筒和钻孔桩合计702.22.22.22.2煤矿竖井专用钻机阶段煤矿竖井专用钻机阶段由于初期阶段钻机能力较小，提升力、转盘扭矩、钻井直径和深度也很难满足施工需要，特别是在钻进过程中，故障率高，纯钻率仅 3040；为此，在 1972 年上海重型机器厂专门为上海大屯矿区研制了一台ND-1型钻机；上世纪70年代中后期，洛阳矿山机器厂和中煤特殊凿井（集团）公司研制了一台 SZ-9/700 型钻机、两台 AS-9/500型钻机；中煤特殊凿井（集团）公司还引进了原西德产的L40/800 型钻机两台。这六台钻机为我国的钻井法施工作出了很大的贡献，钻机的性能得到了较大的提高，和初期的钻机相比，钻机能力提高了 1 倍多。纯钻率提升到了 50以上。特别是在 19821997年间，两台 AS-9/500 型钻机和两台 L40/800 型钻机共成井 7 个在 400m 以上的深大型井筒，为钻井法在特殊凿井中的地位立下了大功。2.32.32.32.3煤矿竖井钻机现阶段的特点煤矿竖井钻机现阶段的特点进入本世纪后，由于煤炭事业的较快发展，钻井法凿井也相应地朝两个方向发展，一是小型的浅表土井筒采用普通凿井行不通，采用冻结法施工工人井下空间太小，作业困难，而钻井法施工不存在这些问题，这样崔生了中型钻机；另一个是大型的深厚冲积层井筒大量涌现，当冲积层大于 400m、特别是冲积层大于 500m 后，钻井法成井的综合优势大于冻结法时，给钻井法施工提供了很大的平台。中煤特殊凿井（集团）公司为适应市场的需求自行研究、制造了 4 台中型钻机，在 2000 年至 2005年间共成井了 12 个，同时这 4 台钻机还兼有施工大型钻孔灌注桩的优点，在同一时段内还施工了316 根桩（桩径为1.52.8m；桩深 65115m）。同时为满足深厚冲积层的钻井法施工的需求，中煤特殊凿井（集团）公司对一台 SZ-9/700 型钻机、两台 AS-9/500 型钻机、两台 L40/800 型钻机进行了成功的改造，提高了这 5 台钻机的能力（钻机改进后的性能见表 1）。在20032004 年间，华煤泰安强科矿建公司研制出 AS-12/800 型钻机，并承担了板集煤矿副井的钻井施工任务。随着下一步山东巨野煤田冲积层厚达 760m 的万福矿、河南周口地区近 1000m 冲积层下的煤田开发、河北、安徽等省的深厚冲积层建井需求，给钻井法施工带来了新的机遇，也为钻井法施工带来了新的挑战，促进了新型大钻机的诞生。史基盛：我国煤矿竖井钻机的发展23 3新型钻机的研制新型钻机的研制中煤特殊凿井（集团）公司与洛阳矿山机械工程设计研究院联合设计制造的 AD130/1000 型钻机，已完成了设计工作，现钻机正在加工阶段，在今年 8 月出厂。该钻机见图 1。该钻机的设计思想是，结合中型钻机、AS-9/5000 型钻机、L40/800 型钻机以及 AS-12/800 钻机的优点，参考洛阳矿山机械工程设计研究院 2005年最新制造的全液压动力头形式的 AD60/400型钻机进行设计。AD60/400 型钻机性能：扭矩 300kNm；提升力3000kN钻孔最大直径 6.0m；深度 400m。该机已于 2005 年度，成功地在河北滦县一铁矿钻凿一口深 110m、直径 4.6m 的井筒。如图 1 所示的 AD130/1000 型钻机采用液压驱动，主油泵为 10 台 A7V117 型的柱塞泵，总功率达800kW，工作液压为 25MPa；动力头靠 8 台 A6V250型马达驱动；主提升为两根450/360 的 12m 行程大油缸；钻机扭矩达 600kNm；提升力 8000kN；钻井深度大于 1000m；钻孔直径最大为 13m（分四级钻进：超前孔6.0m；一级扩孔9.0m；二级扩孔11.0m；三级扩孔13.0m；）；动力头转速018rpm；采用牙嵌式和法兰式连接的两种钻杆，管材为50020 的合金（35CrMoA）无缝钢管；专用机械手垂直接、卸，钻杆长度为 5m、10m 两种；钻头最大组装重量 2800kN（配 300t门式起重机，轨距 18m，提升高度 17m）；可采用恒钻压方式钻进；外风管式的压气反循环洗井；可移动式钻架（轨距 16m）；整机重量约为 560 吨（不含钻杆和钻头），1000m 钻杆总重量为 321 吨。4 4 44新型钻机前景展望新型钻机前景展望进入本世纪后，钻井法成井的垂直度有了很大的提高，这主要得益于井壁制作的规范化、井壁内圆采用上大下小结构、下沉井壁测量找正采用误差抵消法和井筒到底后的扶正技术的进步。如山东的龙固矿的三口钻井和陈四楼南风井，有效圆直径的减少都在 100mm 以内。详见表 2。表 2近 2 年钻井成井测量情况近年来，钻井法施工在泥包钻头、掉钻处理、井筒名称龙 固主 1龙 固主 2龙 固风 井陈四楼南风井井深/m583583580377净径/m5.75.76.05.0有效圆/m5.6365.6165.954.95偏值/mm13411525750偏率/0.270.260.440.14成井年月04.0504.0805.0705.081主提升油缸；2动力头；3滑架；4液压站；5钻架；6钻头；7钻台车；8抱卡；9出浆管图 1：AD130/1000 型钻机示意图史基盛：我国煤矿竖井钻机的发展3泥浆处理、钻井井壁结构、壁后充填、改绞转换等方面均取得了较大的进步。此外，由于 AD130/1000 型钻机由于具有可移动性，在进场施工时，可在施工钻井临时锁口的同时，组装 300t 门式起重机和钻机，当锁口钢筋混凝土养护达到强度后，钻机就可就位开钻，这样仅需1 个月的时间就能达到开钻条件，而退场则更加方便，只需将钻机开走。这样，与以前的钻机相比，节省进出场时间 2.5 个月。AD130/1000 型钻机由于能力大，一般中大型井筒只需两级钻进即可，可比原来的 9m 或 8m 钻机少扩钻一至两级，总钻进时间可节省 40左右。若将改绞后的所用井架基础分为两层，第一层的上口平面取 AD130/1000 型钻机的锁口上平面，第二层基础采用钢结构，这样，在 AD130/1000 型钻机撤出后，在第一层基础上快速固定好第二层钢结构的基础（螺栓连接或焊接），则可达到快速改绞转换的目的。展望未来，AD130/1000 型钻机无论在浅表土或深厚冲积层的复杂地质条件下，都将以快速成井、快速进出场、快速改绞转换的特点，成为特殊凿井的新亮点。参考文献：参考文献：参考文献：参考文献：1 张永成，刘志强，钻井法凿井技术的发展与展望J.建井技术，第 24 卷，第 2 期，2003.042 洪伯潜，钻井法凿井技术在我国的发展与应用J.煤炭企业管理，1998.043 沈季良等，建井工程手册M.北京，煤炭工业出版社，1986.10论文作者，史基盛，1957 年 3 月出生，现任中煤特殊凿井（集团）有限责任公司总工程师，中国煤炭学会煤矿建设与岩土工程专业委员会委员，山东科技大学（原山东矿业学院）81 届，本科毕业，长期从事特殊凿井技术、管理工作，在钻井法和市政冻结方面有一定的专长。发表过多篇论文。通讯地址：安徽淮北市东山路 131 号，中煤特殊凿井（集团）公司，邮编：235044联系电话：[phone]手机：[phone]Email：sjs欢迎登陆公司网站：史基盛：我国煤矿竖井钻机的发展4