聚焦鉆井主業 踔厲奮發創新科技驅動 砥礪前行
——記中國煤炭科工集團北京中煤反井鉆機鉆井技術創新團隊

□宋朝陽 荊國業

團隊負責人劉志強研究員

北京中煤礦山工程有限公司隸屬于國務院國資委直接監管的中國煤炭科工集團有限公司，為煤炭科學研究總院建井研究院的轉制院所，是機械破巖鑿井的開創者。作為國內唯一從事地下特殊鑿井技術與裝備研究的專業機構，致力于研發礦山特殊鑿井方面共性技術、前瞻性技術和新興技術，推動礦山建設轉型升級，以需求拉動科技創新和產業發展，在豎井鉆機、反井鉆機、導井式豎井掘進機等鉆井技術、工藝及裝備研發方面具有顯著優勢，全面提升了大直徑井筒鉆井技術與裝備的創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鉆井理論、技術、裝備、工藝一體化研究的專業團隊，研發了BMC100至BMC600型反井鉆機和國內首臺移動式上向反井鉆機，市場占有率高達60%，從服務于傳統的井工礦產資源開采，現已拓展應用到鐵路/公路隧道、城市地下空間、水力發電站、大科學實驗和國防等領域的功能井筒建設，為國家重大戰略和重點工程實施做出了重要貢獻。

求實鼎新 推動井筒建設技術變革

井筒作為進入地下空間的“咽喉”通道，承擔通風、運輸和安全等重要使命，每年需要建設各類井筒上千條，總長約500千米。廣泛應用于地下礦物開采、水力發電、抽水蓄能電站、鐵路與公路隧道、地下儲油、儲氣及核廢料儲存及軍事人防。以鉆眼、爆破為基礎的傳統井筒施工方法，機械化水平低，井筒內人員作業環境惡劣、職業傷害嚴重、安全事故時有發生，爆破法難以實現連續、自動化和智能化。傳統人工蹬渣反井施工和爬罐法反井施工，工作面在作業人員的頭頂上方，頂部爆破新揭露的井筒圍巖容易出現掉石、塌方、片幫、淋水和有害氣體聚集等風險，人工作業空間范圍狹小，存在作業環境惡劣、勞動強度高、職業傷害嚴重等缺點。

針對普通反井作業風險高和機械化程度低等問題，2000年在科技部科研院所專項資金“深井反井鉆機技術及裝備”支持下，劉志強研究員依托北京中煤礦山工程有限公司成立“反井鉆井技術創新團隊”，經過20余年的精心培育，形成了32人的科研團隊。創新團隊聘請洪伯潛院士、陳湘生院士擔任顧問，團隊成員中擁有中國煤炭科工集團有限公司一級首席科學家1名，三級首席科學家2名，孫越崎青年科技獎5人，全國煤炭青年科技獎1人，具有高級職稱11人，擁有博士學位4人，獲得國家自然科學基金資助2人次。團隊成員專業覆蓋了理論研究、技術研發、裝備研制以及工程示范等各個研究方向，涉及礦井建設、采礦工程、巖石力學、巖石破碎學、機械設計與制造、工程材料、安全技術與工程、信息工程等多學科專業，形成了在地下工程領域反井鉆井研究方向上、在競爭性關鍵技術上，從基礎理論、技術攻關到裝備研發、工程推廣應用的全鏈條、一體化的反井鉆機鉆井關鍵技術研發能力。

創新團隊以機械破巖為基礎，利用正、反向鑿井優勢，創新鑿井方法，以反井鉆機一次導孔鉆進和擴孔鉆進形成井筒，有力的支撐了礦山和地下工程領域反井鉆鑿的快速發展，在基礎理論、鉆具材料、關鍵技術及工程實踐方面均取得了重大進展。反井鉆機鉆井利用下部巷道的空間和生產系統，擴孔鉆進時巖渣依靠自重下落，實現了大體積破巖和無重復破碎的高效鉆進。目前，全國煤炭、金屬礦山和水力發電系統采用團隊研發反井鉆機達到200多臺，并銷售和應用于馬來西亞、巴基斯坦、贊比亞、土耳其、俄羅斯等“一帶一路”國家水力發電站、煤礦、金屬礦、鉆石礦等工程，提升了我國鉆井技術與國產高端裝備核心競爭力。

砥礪奮進 取得重大技術與工藝突破

創新團隊研發的反井鉆機鉆井技術是煤礦、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。創新團隊以大型反井鉆機、鉆桿和鉆頭作為裝備保障，地層改性技術相關鉆井工藝作為安全保障，以破巖滾刀作為核心保障，通過創造新工藝、發明新結構，建立了反井鉆機技術、工藝和裝備體系。反井鉆機鉆井團隊經過20多年持續不斷的科研攻關與創新實踐，形成了以機械破巖理論研究、鉆具材料與性能研發、鉆進導向控制、鉆進動力系統控制和井筒圍巖穩定控制等反井鉆井技術、裝備及工藝體系，解決了地下軟弱夾層、富水、瓦斯、堅硬巖石等復雜地層條件下反井鉆井中的關鍵技術難題，實現了由人工挖掘、爆破破巖到井下無人化、機械化、自動化鉆井的根本性變革，保障了反井鉆井中人員與設備的安全，并正逐步向信息化、智能化鉆井邁進。

團隊繼承原建井研究所機械鉆井法鑿井研究形成的優良文化和創新傳統，得到洪伯潛院士等老同志的指導和幫助，團隊以機械破巖實現井筒破巖掘進過程中的無人化，并向智能化方向發展，聚焦鑲齒滾刀擠壓破巖、鉆進軌跡控制等理論、技術和工藝，在大型反井鉆機、系列高強度鉆桿、大直徑擴孔鉆頭等裝備設計制造方面取得突破。首創了豎井井筒機械破巖大直徑反井鉆井鑿井工藝，發明了局部開挖預支護反井鉆井、不穩定地層凍結或注漿改性反井、基于反井鉆井技術的瓦斯管道井建設等技術與工藝，實現了鉆井井幫穩定控制；首創了“長斜井定向反井鉆井技術與工藝”，突破了超前導孔定向軌跡控制技術，研發了防卡防墜錐形擴孔鉆頭結構，保障了鉆井質量和安全；研制了滿足鉆井工藝的系列反井鉆機裝備，發明了“L”型和倒“T”型鉆架結構、分體式擴孔鉆頭結構、大直徑鉆桿輸送裝置、鉆桿鋸齒形螺紋聯接結構、系列鑲齒滾刀等，實現了反井鉆機穩定、高效、安全鉆井。

踔厲奮發 不斷提高創新能力

科研平臺建設方面，在團隊負責人劉志強研究員帶領下組織、申報并建設了國家發改委批準設立的“礦山深井建設技術國家工程研究中心”，研制了適合反井鉆機刀具旋轉破巖和直線破巖試驗臺、刀具密封試驗臺，以及其他巖石性能及可鉆性試驗裝備，能夠滿足機械破巖、刀具材料測試、鉆具性能測試等方面理論與技術的研發需求，成為技術領先、獨具專業特色的深井建設技術研發與交流平臺。

創新團隊以反井鉆機鉆井技術與裝備為核心研究方向，團隊成員先后主持、參加國家重大科技專項研究任務、國家科技攻關項目、國家科技支撐項目、國家“863”計劃、國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、國家國際科技合作項目等各類縱向項目30余項和橫向科技項目100余項，近10年來，團隊承擔著大量國家縱向項目，科研經費屢創新高。其中省部級及以上項目數量方面，2011年為3項，截止2020年累計數量為12項；科研經費方面，2011年為115萬元，2020年增加至5440萬元。本創新團隊近年獲得國家科技進步二等獎1項，省部級科技進步獎17項（其中一等獎9項），出版《反井鉆機》等專（譯）著5部，授權發明專利52項，學術論文150余篇。

敦格鐵路當金山隧道風井推介會現場

創新推動建設行業協同創新平臺，參與編制與深井建設相關的國家及行業發展規劃，主持制修訂國家、行業技術標準規范，培養高水層人才，服務經濟社會發展。創新團隊承擔了國家能源技術創新《“十四五”規劃編制和煤炭工業中長期科技發展戰略》中礦井建設部分的編寫，承擔了國家自然科學基金委組織的《礦業與冶金學科發展戰略研究報告（2021～2025）》中深井建設部分的編寫；創新團隊完成了反井鉆機相關標準體系規劃建設，主持制訂“煤礦用反井鉆機通用技術條件”、“礦用反井鉆機鉆桿失效技術規范”等國家、行業標準和規范20余項。

立足煤炭 科研成果向全國應用推廣

創新團隊研發技術與裝備服務國家金礦、以及鉛、鋅、鍺等戰略性資源開發，成果應用于中國五礦集團、中國黃金集團、山東黃金集團、河北鋼鐵集團、貴州甕福和開磷集團、馳宏鋅鍺股份公司等國內大型企業。

在水利水電建設領域，反井鉆井技術與裝備的推廣，改變了水電站出線豎井的傳統施工方法，采用反井成井或反井刷大的工藝，工效提高1倍以上，安全風險極大降低，反井鉆井技術與裝備已全面應用于國內抽水蓄能電站豎井施工，服務于國家“十四五”規劃提出的“加快抽水蓄能電站建設和新型儲能技術規?；瘧谩睉鹇匀蝿?。應用于三峽、白鶴灘、烏東德、溪洛渡、錦屏為代表的國內20余座國家大型水電站和抽水蓄能電站的建設，保障國家每年水力發電量超2000億千瓦時，助力“碳達峰、碳中和”戰略，全力攻堅打贏藍天保衛戰，為國家清潔能源產業做出貢獻。

在公路、鐵路等交通隧道建設中，反井鉆機一次成井技術為極端惡劣環境下通風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。應用大型反井鉆井技術和裝備，完成了北京冬奧會配套工程中京張高鐵、崇禮鐵路隧道通風井建設，助力京津冀協同發展，為2022年北京冬奧會提供支持，并完成了敦格鐵路、蒙華鐵路、秦嶺鐘南山秦嶺隧道等近10條鐵路公路隧道風井，服務國家鐵路公路網建設和國防工程建設。

創新團隊承擔“一帶一路”沿線國家井筒建設項目，為共建“一帶一路”高質量發展做出貢獻。在俄羅斯、巴基斯坦、津巴布韋等29個“一帶一路”沿線國家礦山、電站工程建設中發揮重要作用，完成各種工程總長度超過200千米，工程產值超過10億元，增加工程附加產值超過100億元，提高了國產裝備的國際影響力。

篤行不怠 保障持續發展與服務能力

2020年團隊啟動了“千米級7米大直徑反井鉆機”研制。目前團隊承擔著國家重點研發計劃項目2項，國家自然科學基金1項，中國煤炭科工集團有限公司創新項目6項，國家標準和行業標準各1項。2018—2020年新增銷售額12.24億元，新增利潤2.68億元。

中國煤炭科工集團有限公司為公益類企業，全面實施“1245”總體發展思路，以創新驅動為手段，通過科研項目的實施，加大力度打造創新型科研隊伍，并給予人財物上的支持，每年科研創新基金不低于1.5億元；在激勵政策上也十分完善，股權激勵等科技成果轉化獎勵政策也非常優厚。此外，創新團隊與相關研究領域的國際一流企業、團隊一直保持密切的、長期的、穩定的科研合作關系和良好的學術交流。綜上，這些保障和支撐條件為創新團隊的發展提供了較好的環境。

機械化、信息化、智能化的地下工程建設是必然趨勢，實現減人提效、高效安全是地下工程建設技術與裝備研發的根本任務。在未來發展方向上，團隊將以前期研究成果為基礎，立足現狀梳理短板領域，主動關聯高相關度跨行業成果，實現反井鉆機鉆井技術和裝備能力的提升。重點是從掘進裝備的“材料—結構—性能”一體化設計、“設計—制造—運行”全過程協同攻關，保證掘進裝備關鍵構件和功能單元的可靠性；同步研究破巖鉆進巖機作用感知反饋系統、不良地質超前探測、推進驅動和支撐系統、掘進機整體機構和功能結構、控制系統的設計以及制造和配置方法等，建立智能掘進機結構與功能（運動學、動力學）之間的映射關系，形成面向深大豎井工程掘進、排渣和支護等功能以及可靠、穩定、高效、精準等性能要求的機構系統建模、性能評價、運行狀態、智能反饋、系統控制等一體化設計理論與方法，實現反井鉆機鉆井智能化，為我國地下工程井筒安全高效綠色建設提供堅實的技術、裝備支撐，為推動我國地下工程開發利用的發展貢獻力量。

敦格鐵路當金山隧道風井施工現場