我国反井钻机钻井技术与装备发展历程及现状.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 刘志强（），河北徐水人，博士，钻井凿井技术及装备专家，研究员，博士生 导师。 年毕业于山东矿业学院（现山东科技大学），获学士学位； 年毕业于 煤炭科学研究总院，获硕士学位； 年毕业于北京科技大学，获博士学位。 现任中 国煤炭科工集团有限公司一级首席科学家，煤矿深井建设技术国家工程实验室主任， 中国煤炭科工集团有限公司技术委员会委员；兼任中国煤炭学会煤矿建设与岩土工 程专业委员会主任委员、中国煤炭工业协会技术委员会委员，煤炭科学技术岩石 力学与工程学报杂志编委。 刘志强研究员长期从事机械破岩、钻井凿井技术研究，为我国反井钻井、钻井法 凿井以及竖井掘进机钻井技术装备研究方面做出了突出贡献。 针对传统钻眼爆破方法在建设大角度、大断面 通道和垂直通道（井筒）施工过程中井下作业人员多、安全性差和职业伤害严重，且倾斜通道（斜井）施工难度 大、风险高等问题，完成了大量攻关克难的研究工作，促进了由爆破破岩向机械破岩的成功变革。 通过深入研 究机械破岩理论和方法，解决了高效低成本机械破碎坚硬岩石、钻机钻井偏斜控制、复杂地层钻井井帮稳定控 制等技术难题，发明了多种钻机钻井工艺，组织研制了新型钻机结构，攻克了大型装备设计制造技术难题，初步 建立了竖井钻机、反井钻机、竖井掘进机等各自适用的机械破岩钻井工艺体系，该研究成果广泛应用于矿物开 采及其他多个领域的地下工程建设，为国民经济发展做出了较大贡献。 刘志强研究员主持国家“ 计划”、“十三五”国家重点研发计划、中国工程院重点咨询等国家重大课题 项；荣获全国优秀科技工作者、全国优秀科技工作者、杰出工程师鼓励奖、煤炭工业科技创新人才、“百千万 人才工程”拔尖人才、科学中国人（）年度人物、孙越崎科技教育基金优秀青年科技奖（ 年）等多项荣 誉；获国务院政府特殊津贴（ 年）；获得国家科技将二等奖 项，省部级科技奖特等奖 项、一等奖 余 项，发表论文 多篇，获得授权发明专利 多项。 移动扫码阅读 刘志强，宋朝阳，程守业，等我国反井钻机钻井技术与装备发展历程及现状煤炭科学技术，，（） ， ， ， ， ， （ ） 我国反井钻机钻井技术与装备发展历程及现状 刘志强，，宋朝阳，，程守业，，洪文浩，荆国业，，李新华，王来所，赵钧羡 （北京中煤矿山工程有限公司，北京 ；煤矿深井建设技术国家工程实验室，北京 ；中国三峡建设管理有限公司， 四川 成都 ；国家能源投资集团包头能源有限责任公司，内蒙古 包头 ；中国水利水电第十四工程局有限公司， 云南 昆明 ；江苏和信石油机械有限公司，江苏 盐城 ） 摘 要反井钻机钻井技术是煤矿、金属矿山、水利水电、隧道等地下工程中井孔钻凿的根本性变革技 术。 介绍了近 来我国反井钻机钻井技术与装备的发展历程、反井钻机钻井理论与技术以及反井 钻进工艺与应用的发展与现状；梳理了反井钻机钻井领域获批科研项目，以及围绕反井钻机钻井发表 的论文和专利、出版的论著与标准；进一步介绍了反井钻机钻井围岩预加固和支护等稳定性控制技 术，反井钻井机械破岩机理与破岩技术，反井钻机钻架稳定控制技术与动力驱动控制技术，反井钻机 导孔钻具、导孔钻进排渣技术、导孔钻进偏斜控制技术以及导孔钻进风险分析与防控技术；反井钻机 扩孔钻进钻头滚刀布置形制、扩孔排渣技术、扩孔钻进偏斜控制技术以及扩孔钻进风险分析与防控技 术；反井钻机钻井降温除尘技术；给出了反井钻机在矿下溜矸孔、深大斜井、立井井筒延伸、双风井井 筒和一次钻成大直径风井等工程中的应用，以及富水冲积层、冻结地层、注浆加固地层和瓦斯地层中 收稿日期；责任编辑赵 瑞 基金项目中国工程院咨询研究资助项目（）；天地科技创新创业资金专项重点资助项目（） 作者简介刘志强（），男，河北徐水人，研究员，博士生导师，博士，中煤科工集团首席科学家， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘志强等我国反井钻机钻井技术与装备发展历程及现状 年第 期 反井钻井的应用。 经过 的研究与实践表明，我国在反井钻机钻井领域已经形成以机械破岩理论 和钻进技术为基础的反井钻机钻井成套技术与装备体系，为地下工程中井筒的安全、高效、绿色钻进 提供技术保障，为我国无人化、机械化和自动化全断面钻井技术与装备的进步做出了重大贡献。 关键词反井钻机；钻井；机械破岩；导孔；扩孔；偏斜率 中图分类号 文献标志码 文章编号（） ，， ，， ，， ， ，， ， ， （ ， ，； ， ，； ， ； ， ，； ， ，； ， ，） ， ， ， ， ， ， ， ， ； ； ， ， ， ； ， ， ， ； ； ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ； ； ； ； ； 引 言 世纪是人类开发利用地下空间的世纪。 机 械化、信息化、智能化地建设开发地下空间工程是必 然趋势，实现减人提效、高效安全是地下工程建设技 术与装备研发的重要核心。 地下矿产开采、城 市地下空间开发、抽水蓄能电站建设、穿山铁路 公 路隧道开挖等均属于地下空间建设的范畴，而从这 些地下工程建设的发展历程来看，均需要建设大量 的连接上下水平的立井或者斜井，例如地下矿山开 采中用于溜放矿物、废石和充填材料的溜井，以及人 员、通风、物料及装备提升的暗井；城市地下空间开 发中的用于排水、供水、供电、供气的管道井，以及用 于通信、监控等线缆布置的井孔；抽水蓄能电站中用 于输水的大直径长斜管道井；穿山铁路 公路的通风 井。 根据地下工程建设的需求和施工条件的限制， 通常会采用由下向上的施工方法，相对于从地面由 上向下的普通凿井方法，这种由下向上的方法称为 反向凿井法（简称反井法），相应的这类的工程也统 称为反井。 科技创新有力支撑了地下工程中反井钻凿的快 速发展，反井凿井在基础理论、钻具材料、关键技术及 工程实践方面均取得了重大进展。 反井钻机钻井利 用下部巷道的空间和生产系统，扩孔钻进时岩渣依靠 自重下落，实现了大体积破岩和无重复破碎的高效钻 进。 反井钻机钻井技术涉及工程地质、水文地质、岩 石力学、岩石破碎学、钻井工程学、机械设计与制造、 工程材料和耐磨材料、电器控制、测量仪器和传感器、 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 模拟试验、安全风险分析以及工程管理学等多学 科。 反井钻机钻井技术经过 持续不断的科研 攻关与创新实践，形成了以机械破岩理论、钻具材料 与性能研发、钻进导向控制、钻进动力系统控制和井 筒围岩稳定控制的反井钻井技术、装备及工艺体系， 解决了地下软弱夹层、富水、瓦斯、坚硬岩石等复杂地 层条件下反井钻井中的关键技术难题，实现了由人工 挖掘、爆破破岩到井下无人化、机械化、自动化钻井的 根本性变革，保障了反井钻井中人员与设备的安全， 并正逐步向信息化、智能化钻井迈进。 反井钻机钻井技术与装备为我国地下工程建设 和发展做出了重要的贡献，在这个过程中离不开国 家政府和企业的资助，凝结了反井钻机钻井方面的 科研工作者、装备制造者和现场施工者的智慧和汗 水，实现了“政用产学研”的创新合作模式。 笔者来 自于北京中煤矿山工程有限公司（原煤炭科学研究 院北京建井研究所），承担和参与了国家和国内外 企业的反井钻机钻井的科研攻关项目。 为此，基于 笔者所在单位以及行业所取得的科研成果，梳理了 国内外反井钻井技术与装备发展历程，介绍了反井 钻井装备体系、反井钻机钻井技术与工艺、反井钻井 破岩理论与钻进控制技术，以及反井钻井技术工艺 的应用等方面的历史进程与取得的成果，并对地下 工程中反井钻机钻井装备与技术的发展进行展望。 机械化反井钻机钻井技术的提出 传统反井施工技术与工艺 传统的反井施工是地下工程建设中施工难度 大、风险高的作业项目，工人从下部巷道空间在不借 助任何辅助手段的情况下，利用手持或气腿式风动 凿岩机直接向上钻炮眼、装药、放炮，通风，再进行反 井井帮危石处理、出碴、材料运输和临时支护等作 业；然后操作人员继续蹬碴作业，进行下一个循环的 钻眼爆破工作。 由于岩渣自由堆积角的存在，以 及施工反井内空气流通差，施工高度受到限制，一般 很难超过 。 传统反井施工爆破钻凿作业示意 如图 所示。 传统反井施工工作面在作业人员的头 顶上方，顶部爆破新揭露的井筒围岩容易出现掉石、 塌方、片帮、淋水和有害气体聚集等危险，伤亡事故 往往难以避免，且作业空间范围一般只有 的狭小空间，存在作业环境恶劣、劳动强度高、 职业伤害严重等缺点。 随着地下采矿和地下工程建设的技术发展，反 向凿井方法也在不断发展进步。 从开始人工直接蹬 渣作业，发展出煤矿中常用的木垛法，而金属矿山以 图 传统反井施工爆破钻凿作业示意 及水力发电站坚硬稳定岩石地层条件中常采用吊罐 法和爬罐法，反井施工速度在一定程度上得到提高， 反井深度逐渐增大。 吊罐反井法首先需要将钻机安 装在井筒中心位置，并沿反井轴线钻进一条将反井 上下之间巷道贯通的钻孔，并在反井上部巷道顶部 安装滑轮，将绞车提升钢丝绳，通过滑轮和钻孔将钢 丝绳下放到下部巷道内，连接专用吊罐，吊罐在绞车 钢丝绳的提升下，将作业人员、钻孔设备和爆破材料 提升到反井工作面后，吊罐支撑在井帮上，展开上部 结构作为作业平台；然后，作业人员在平台上进行钻 孔、装药和连线作业，待到作业人员利用吊罐下落到 安全通道后，进行爆破使反井工作面向上推进，再进 行下一作业循环。 爬罐反向凿井法利用爬罐作 为输送工具和操作平台，将作业人员和材料运输到 工作面，同时将爬罐作为操作平台进行爆破孔的钻 凿、装岩、连线、封孔及必要的临时支护作业。 爬罐 利用固定在斜井上部或垂直井井筒一帮的爬罐轨道 作为运行支撑，爬罐上的齿轮和轨道上的齿条啮合， 依靠电力驱动或者内燃驱动，实现爬罐的上升和下 放。 世纪 年代初开始，在水电工程建设领 域中，渔子溪二级、鲁布哥等水力发电站以及广州、 天荒坪等抽水蓄能电站工程中采用瑞典生产的阿里 马克爬罐进行施工，我国也曾经生产过电动爬罐，并 在十三陵抽水蓄能电站有过应用。 爬罐法开挖斜井 主要工序如图 所示。 从理论上讲爬罐法，在岩层稳定条件下不需要利 用井筒上水平作业空间，施工长度可达上千米，但是 仍然存在以下致命缺点随着掘进井孔长度的增加， 人员或爬罐上下运行导致辅助作业时间较长，掘进速 度明显减慢，施工效率降低；工作面通风条件差，易导 致工作面聚集有害气体，通常用于施工长度不超过 的斜井导井；本质上并没有解决作业人员在五 面围岩和一面为深井的环境中落石、淋水、有害气体 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘志强等我国反井钻机钻井技术与装备发展历程及现状 年第 期 等对人员伤害风险极大的问题，且对作业人员心理产 生不利影响。 因此，从施工安全和职业健康角度， 已经将爬罐法施工反井列为淘汰落后工艺目录。 图 爬罐法开挖斜井主要工序示意 此外，对于一些地层稳定、深度不大的反井工程， 也曾尝试采用深孔爆破方法，这种方法从反井上部完 成全长钻孔、装药和爆破工作，崩落的岩渣靠自重掉 落，虽然，工作人员不需进入反井内作业，作业人员安 全得到保障，但是，存在钻孔偏斜控制困难、爆破效果 差、井帮的稳定无法控制等后续安全问题。 因此，需 要创新研发一种新的反井施工技术与工艺，能够实现 井下无人、高效钻凿以及安全可靠的反井施工方法。 机械化反井施工技术的突破 在地下岩体中破碎岩石并形成安全稳定可靠的 空间结构是地下空间建设的本质要求。 从岩石破碎 方法的角度来分析，井筒施工技术发生了 次重大 技术突破第一次为钻眼爆破技术代替人工錾凿破 岩；第二次便是机械破岩技术代替爆破技术。 机 械破岩钻井相对于普通凿井方法，将不连续且难以 控制的爆破破碎岩石转变为由不同类型的破岩刀具 进行连续可控的破碎岩石，相应的机械破岩装备性 能与技术工艺得到突破性发展，为解决多相、多场耦 合地质环境下地下工程建设的诸多难题提供了有效 技术途径。 机械破岩钻进技术最初应用在小直径钻孔工程 中，如用于开采石油、天然气、盐岩等深部流体或可 溶性矿物资源。 随着滚动挤压破岩方式的出现和耐 磨硬质合金材料性能的提高，石油钻井的三牙轮钻 头由单支点牙轮演化为双支点的滚刀，包括盘形滚 刀和镶齿滚刀，该类型的滚刀能够布置在大直径钻 头上，为大体积破岩创造了条件。 随后，在研究机械 破岩与钻进理论、钻进技术和装备性能基础上，研发 出了隧道掘进机、竖井钻机等大直径旋转钻进装备 及其相适应的钻进工艺。 与此同时，基于地下工程 中反井工程特点与已有的大直径旋转钻进技术与装 备，逐步研发出了反井钻机，并形成了反井钻机钻井 技术、装备与工艺体系。 经过 的研究和发展， 反井钻机作为钻井装备形成了适用可行的反井钻井 工艺，主要有下导上扩式、上导下扩式、上导上扩式、 直接上钻式 种主要反井钻机钻井工艺。 下导上扩式反井钻机钻井工艺 反井钻机机械装备安装在井筒上水平空间，先 从上向下钻进小直径导孔，待钻通至反井下水平空 间后，从反井下水平安装扩孔钻头，再从下向上扩孔 钻进，扩孔钻井过程中形成的破碎岩渣依靠自重下落 至下水平空间，下导上扩式反井钻井工艺如图 所示。 图 下导上扩式反井钻井工艺 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 在反井钻井技术和装备发展的初期，形成的扩 孔直径仅为 ，无法满足工程需求，通常再 采用自上而下爆破刷大井筒直径以达到设计荒径， 同期根据井筒功能需要，进行井帮围岩临时支护或 永久支护。 上导下扩式反井钻机钻井 上导下扩式反井钻机钻井是指首先在反井下部 空间安装钻机并由下向上钻进导孔，待钻通至反井 上水平空间后，在反井上水平安装扩孔钻头，然后从 上向下扩孔钻进，达到井筒设计荒径；扩孔钻进时岩 渣经过导孔和钻杆的环形空间落到下水平空间，可 以采用分级扩孔的方式达到钻进较大直径反井的目 的。 上导下扩式反井钻井如图 所示。 图 上导下扩式反井钻井示意 上导上扩式反井钻机钻井 上导上扩式反井钻机钻井是指首先将反井机械 设备布置在反井下水平空间，并采用钻机由下向上 钻进导孔，待钻通至反井上水平空间后或设计钻井 深度后，全部拆除导孔钻杆并在反井下水平重新连 接扩孔钻头，然后，由下向上扩孔钻进，达到反井设 计荒径；扩孔钻进时岩渣经过导孔和钻杆的环形空 间并依靠自重落到下水平空间。 上导上扩式反井钻 进示意如图 所示。 图 上导上扩式反井钻进示意 直接上钻式反井钻机钻井 反井机械设备（上向反井钻机）布置在反井下 水平空间，没有导孔，直接采用反井钻机钻头由下水 平全断面向上钻进，一次直接钻到井孔的设计荒径， 岩渣依靠自重下落至下水平空间。 直接上钻式反井 钻进如图 所示。 以上 种反井钻机钻进达到井筒设计荒径后， 再根据井筒工程需求进行支护方式的确定与施工， 最终形成井筒。 其中，第一类下导上扩式反井钻机 是应用最广泛、钻机结构样式最多、数量最庞大的一 种钻机，也称为常规钻机，在不加额外说明的情况 下，通常说的反井钻机仅指此种钻机。 第一类下导 上扩式反井钻机钻进与第二类上导下扩式反井钻机 钻进与工艺相反。 第一类下导上扩式反井钻机具备 从上向下钻进小直径导孔和从下向上进行大直径扩 孔钻进 种功能；反井钻机导孔钻进的工作方式和 普通钻机相似，都采用由上向下的钻进方式，不同点 在于反井钻机的导孔需要与下部巷道贯通；其次，反 井钻机还需要由下向上扩孔钻进形成大直径井孔， 导孔和下部巷道贯通后拆掉导孔钻头，更换扩孔钻 头，通过反井钻机产生的拉力在钻具的重力和摩擦 力后施加破岩钻压，同时在钻机旋转驱动的作用下， 刀具破碎岩石并向上扩孔形成大直径反井。 图 直接上钻式反井钻进示意 相对于传统反井施工方法，反井钻机施工反井 工程具有明显优势。 首先将作业人员从劳动强度 高、安全风险高的从作业环境中解放出来，从根本保 证了反井作业人员的安全；其次，实现了反井钻井井 下无人化和机械化施工，并逐渐取代了其他反井施 工方法。 近年来，随着反井钻井技术和装备的发展， 破岩滚刀的材料性能和装备能力的提高，反井钻机 钻头能够破碎从软到坚硬的所有岩石，并取得了在 抗压强度高达 的岩体中较好的钻进效果， 攻克了最大深度 ，钻井直径 的反井钻井 关键技术和装备制造的难题，应用范围从煤矿、金属 矿山到水电、抽水蓄能电站、铁路 公路隧道通风井 工程等地下井筒建设的拓展，从小直径小深度的 立井井筒向大直径大深度立井和大倾角大深度斜井 拓展；并且在一定程度上改变了地下工程井筒类工 程的传统施工思维，反井钻机钻井技术实现了地下 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘志强等我国反井钻机钻井技术与装备发展历程及现状 年第 期 井筒工程建设机械化、自动化施工技术的重大突破。 反井钻井技术与装备发展历程 国外反井钻井技术与装备发展历程简述 反井钻机法最早于 年由德国工程师赫尔 贝德（ ）提出并付诸实践，德国工程 师贝德借鉴了吊罐法的反井施工工艺，并结合隧道 掘进机技术，设计出第 台无钻杆反井钻进设备，如 图 所示。 该反井钻井设备施工工艺主要是将具有 的旋转和推进功能钻头结构替代吊罐，利用提升绞 车的钢丝绳提吊钻头，钻头下部连接电缆提供钻头 旋转所需动力并进行钻进操控；由钻头上布置破岩 滚刀实现钻进，从而代替了人工钻孔爆破破岩；上部 绞车提吊钻头上升，实现变换油缸推进行程目的。 图 第 台无钻杆反井钻机示意 该种设备工艺开创了机械破岩钻进反井先河，将工 作人员从反井工作面解脱出来；该种反井钻井设备 施工工艺的缺点是钻头需具备推进、旋转和支撑功 能，在穿过不稳定地层时，支撑功能失效造成无法 钻进。 年英格索兰阿克（）设计制造了一套 类似贝德和坎农钻机的反井钻进系统，其与贝德 钻机主要区别在于扩孔钻头上部进入导孔的部分可 以支撑在导孔孔帮上，承受钻进破岩产生的反转矩 作用，扩孔钻进时可由上部电缆控制钻头旋转。 年美国罗宾斯公司研制了第 台有钻杆 的反井钻机 型反井钻机（如图 所示），形成 了真正意义上的现代反井钻机，并取得相应的反井 钻机专利。 与贝德无钻杆反井钻机不同的是 钻头由钻杆驱动并传递推力，钻头上不再需要动力 驱动旋转和施加破岩钻压。 型反井钻机从上向 下钻进导孔，导孔直径为 ，导孔钻头采用石 油系统常用的牙轮钻头；导孔和下部巷道贯通后，拆 除导孔钻头并连接扩孔钻头，然后，由下向上扩孔钻 进，形成扩孔直径为 的反井。 扩孔钻头上布 置 把双支点滚刀破岩，初期采用的滚刀刀齿为齿 面硬化的铣齿结构，在破碎岩石钻进过程中耐磨性 差，刀具消耗量大，需要经常更换，且更换滚刀需要 下放钻杆至下水平空间，降低了钻进效率。 后期通 过借鉴镶齿三牙轮钻头结构，研发出了碳化钨硬质 合金镶齿的破岩滚刀，滚刀寿命大幅提升。 型 反井钻机将钻进导孔的钻机设计成具有既能向下钻 进又能向上钻进，并采用油缸直接提升动力头的方 式，动力头直接连接钻杆并驱动钻头旋转破岩，这也 是目前石油和地质钻机所采用的顶驱钻机的雏形。 图 首台 型反井钻机示意 美国罗宾斯公司研制的 型反井钻机在反 井施工的历史上具有里程碑式的意义，极大地促进 了反井钻机和反井钻井技术工艺的发展。 之后 世界上发达国家采矿和机械制造企业，如美国罗宾 斯（）、美国英格索兰（ ）、德国维 尔特（）、芬兰塔姆洛克（）、瑞典阿特拉 斯（）、日本矿研株式会社（）等公司，在此 基础上先后研制生产多种类型的反井钻机，且大多 数反井钻机钻进工艺与 型反井钻机钻进工艺 相同，只是钻机和钻具的具体结构形制有所不同。 世 纪 年 代， 德 国 图 尔 马 克 公 司 （）曾研制 型上导下扩式反井钻 机，采用先由下向上钻进导孔，再分 次由上而下进 行扩孔钻进，扩孔时钻具的自重可增加有效破岩压 力，另外，钻孔和扩孔时都配有钻杆稳定器，以保持 沿既定井筒轴线方向钻进。 该设备在煤系地层的页 岩、砂岩和砂页岩等抗压强度较低的岩石中钻进深 度可达 ，导孔直径 ，钻进扩孔直径为 ；在较为松软地层中扩孔直径可达 。 但由于其排渣方式、钻进能力以及复杂的钻具 和操作工艺的影响，该设备及其工艺的推广应用受 到限制。 此外，瑞典 、美国 、 、德国 、日本 、 等公司也 相继研发了反井钻机及其适用的工艺，其中德国 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 公司的 型反井钻机施工了深度 ，扩孔直径 的反井，目前这依然是反 井钻机钻井的世界纪录。 目前，德国海瑞克（）、加拿大雷 德帕斯（）、澳大利亚特瑞泰克（）一 直在致力于反井钻机和反井技术研发。 其中，德国 海瑞克公司开发的反井钻机（， ） 系列，如图 所示，设计钻井 深度可达 ，扩孔刀盘的直径范围为 ； 能够对扩孔刀盘的钻杆上的载荷进行实时监测，钻 杆上的载荷数据实时传送给钻机操作员，以优化机 器的钻进参数；模块化设计，设备外形紧凑，在施 工场地狭窄的情况下仍能灵活应对，适用于地下工 程领域中的反井钻井。 我国反井钻井技术与装备发展历程 改革开放以来，我国经济发展增速迅猛，矿物 资源和能源的需求与日俱增，地下工程建设大力 发展的需求带动下，促使了我国反井钻井技术的 发展。 图 德国海瑞克公司研发的反井钻机 本节将以时间为轴线，介绍自 年至今我国 反井钻井技术与装备研发及其工程应用情况。 我国 反井钻机钻井技术与装备的发展与典型工程案例对 照如图 所示。 自 世纪 年代初，我国反井 钻机及反井钻井施工技术与装备的发展主要经历 了小型反井钻机钻井研发、反井钻机钻井技术与 装备发展阶段、大型反井钻机钻井技术与装备成 熟和反井钻机钻井技术与装备阶跃 个主要 阶段。 图 我国反井钻机钻井发展与典型工程案例对照 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘志强等我国反井钻机钻井技术与装备发展历程及现状 年第 期 小型反井钻机钻井研发阶段 年，为矿山小型反井钻井研发阶 段。 在“七五”国家科技攻关项目支持下，并借鉴 钻井法和国外经验基础上，针对当时煤矿井下煤 仓、暗井、溜煤眼等反井工程普遍采用木垛反井法 施工导致的事故频发、作业人员伤亡严重的安全 问题，煤炭科学研究总院北京建井所研制了 型反井钻机，并在开滦赵各庄煤矿完成井下工 业性试验，最大钻进深度达到 。 其中“”代 表为溜煤用反井钻机， 为设计钻井深度 ，也可理解为扩孔直径 ；采用整体框架式 主机结构、液压马达驱动、液压油缸推进，将石油 标准钻铤经改进作为反井钻机钻杆，解决了井 下暗井、矿仓和溜煤眼等软岩、小直径和浅孔施工 的难题。 此阶段内反井钻机主要以钻进小直径 （ ），深度小于 井孔，并逐渐形成 了以反井钻机钻进导井，再采用钻爆法扩大井孔 与进行井壁支护的井下大直径反井工程施工工 艺。 同期，煤炭科学研究总院南京煤研所研制了 型反井钻机。 反井钻机钻井技术与装备发展阶段 年，为反井钻机钻井技术与装备的 发展阶段。 通过对反井钻机材料性能和装备性能的 研究，反井钻机的转矩、推力、拉力等钻进技术参数 得以提高，其破岩滚刀适用从软岩到中硬岩体中的 破岩钻进，反井钻机导孔钻进、偏斜控制、地层处理 等技术也相应的提高，反井钻机技术与装备得以迅 速发展，同时应用范围也逐渐扩大。 ）硬岩反井钻机。 年，由煤炭科学研究总 院北京建井所设计，并由江苏省苏南煤矿机械厂制 造了 型反井钻机，钻井深度达 、直径 为 ；以及能够钻进斜井的 型反井钻机， 钻井深度 、直径 。 此阶段主要用于煤矿 井下的反井钻机技术参数，见表 。 反井钻机在初期主要用于钻凿垂直地面的井 孔，为拓展其应用范围， 年开始尝试利用反井 钻机钻凿斜井工程。 在煤矿为减少巷道掘进工作 量，利用大倾角斜井连接 个生产水平，作为高效通 风井的功能，并首先在山西横河煤矿钻成倾角 的通风暗井。 同时，随着我国大规模开展抽水蓄能 电站建设，需要施工大量的压力管道工程，压力管道 多采用斜井方式布置，斜井的倾角一般 。 年在国家重点工程北京十三陵抽水蓄能电站 建设中首次应用了改造后的 型反井钻机施 工竖井和斜井，完成 条长度分别为 和 、直径 的，倾角为 的大倾角长距离的压 力管道斜井，其偏斜率仅为 ，反井钻机钻井被 誉为 “ 水 电 系 统 中 具 有 突 破 性 技 术 变 革 的 施 工” ，这也为反井钻机在斜井施工应用做了开辟 性的工作。 随着定向钻进技术的不断研究和发展， 斜井的偏斜率大大降低，其应用范围逐渐增加，随后 以反井钻机作为钻进压力管道斜井导井的重要装备 和工艺，先后在泰山、宜兴、琅哪山、蒲石河、张河湾、 西龙池、丰宁等多个抽水蓄能电站的竖井 斜井压力 管道施工中成功应用，以及大朝山、龙滩、小湾、达拉 河、芹山、马鹿塘、引子渡、三峡、溪洛渡、向家坝、白 鹤滩、乌东德等几十座国内大型电站建设中应用了 反井钻机钻井工艺。 表 井下反井钻机主要技术参数 技术参数 通俗称号 钻孔深度 钻孔倾角 （） 岩石条件 导孔直径 导孔推力 导孔转速 （ ） 导孔转矩 （） 扩孔直径 扩孔拉力 扩孔转速 （ ） 扩孔转矩 驱动方式液压液压液压 主机功率 主机重量 通俗称号 钻孔深度 年开始将反井钻机技术应用于金属矿山 井筒建设，并首次在云南会泽铅锌矿应用 型反井钻机钻进提升井，钻成深度 ，直径 的井筒延伸。 此后，在河北黑龙山铁矿、迁安 红石崖铁矿、首钢杏山铁矿、山西峨口铁矿等矿山的 坚硬岩石中钻成多条竖井和斜井。 年在马来 西亚巴贡电站应用反井钻机钻井工艺完成了 条竖 井。 之后又在马来西亚沐偌电站、哈萨克斯坦玛依 拉电站、巴基斯坦尼鲁姆杰卢姆电站、赞比亚卡里 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 巴电站、老挝南立电站、厄瓜多尔 电站和索保特 普拉多拉水电站、津巴布韦卡里巴电站等电站应 用反井钻机钻进竖井或斜井，反井钻机钻井技术成 功迈出国门，在国际反井钻井领域占有重要地位。 ）低矮型反井钻机。 低矮型反井钻机是指钻 进施工时钻机钻架的工作高度较低，能够在一般井 下巷道内直接钻进的反井钻机，也是为井下条件设 计的一类反井钻机。 普通钻机的推进油缸伸出到最 大行程位置时是钻机的最大工作高度，因此，采 用降低油缸高度实现钻机高度的降低。 在参考了美 国罗宾斯公司圆柱形内支撑钻架结构的基础上，煤 炭科学研究总院南京研究所和山东矿山机械厂共同 研制了 、 和 低矮型 反井钻机，其中 低矮型反井钻机为当时 国内最大直径的反井钻机，钻井深度可达 ，直 径 ，并于 年在兖州矿务局南屯煤矿的反 井工程中应用。 双伸缩油缸推进低矮型反井钻机如 图 所示。 图 双伸缩油缸推进低矮型反井钻机示意 低矮型反井钻机采用两柱三缸结构形式，以 根导向支撑圆柱作为钻架主体结构，承受钻进过程 中钻头与岩石相互作用产生的反力和反转矩，且 根推进油缸同步推进，。 为了降低钻机的工作 高度，钻机的推进油缸采用伸缩式套筒油缸，适用有 效长度为 的钻杆，钻机的工作高度在 左右。 因此，在一般煤矿巷道内施工反井时，不再 需要对钻机安装位置的巷道进行挑顶开挖便可以直 接进行反井钻进施工，缩短了反井钻机施工准备时 间，提高了反井施工位置的巷道稳定性。 低矮性反 井钻机主要技术参数见表 。 此外，这一阶段内北京建井研究所研制的 系列钻机和 型强力反井钻机、南京煤研 所研制的 系列钻机、长沙矿山研究院研制的 系列钻机，以及从美国引进的 型和 从芬兰引进的 型钻机均为下导上扩式 反井钻机；从德国引进的 型钻机为上导 下扩式反井钻机；煤炭科学研究总院重庆分院研制 的 型和苏联飞箭 为无导孔上扩式 反井钻机。 表 低矮型反井钻机主要技术参数 钻机技术参数 导孔直径 扩孔直径 钻孔深度 钻杆直径 导孔转速 （ ） 扩孔转速 （ ） 额定转矩 （） 最大转矩 （） 导孔推力 扩孔拉力 钻孔倾角 （） 主机质量 工作高度 钻杆长度 钻机功率 驱动方式全液压驱动全液压驱动全液压驱动 反井钻机钻井技术与装备成熟阶段 年，为反井钻机钻井技术与装备成 熟阶段。 随着反井钻机钻井向其他领域拓展，金属 矿山、水力发电站、抽水蓄能电站等工程中竖井和斜 井穿过地层岩石大部分为处于火成岩或变质岩，岩 石坚硬单轴抗压强度高（煤系地层岩石的单轴抗压 强度小于 ，而火成岩的岩石抗压强度大部 分超过 ，最高可达到 ），且石英含 量大磨蚀性强；当时已有的煤矿井下钻机在地下硬 岩条件下钻进施工时，辅助工作量大，钻进效率低。 针对坚硬岩石条件下直接采用煤矿井下用反井钻 机，其支撑结构受力复杂以及钻机装备能力低导致 钻进参数不合理、破岩滚刀寿命低、钻进效率和经济 性差等问题，北京中煤矿山工程公司有针对性地研 发了新型锯齿形钻杆丝扣联结、多油缸推进、多马达 驱动等反井钻机钻进关键技术，研制了能够适合在 更加坚硬岩石中高效率钻进的大直径 系列反 井钻机，使得反井钻机能在不同类型岩石的岩 石中高效钻进，满足了地下工程建设和矿产资源开 发等不同领域中反井钻机钻井的工程需求，达到了 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘志强等我国反井钻机钻井技术与装备发展历程及现状 年第 期 扩孔直径 ，钻井深度 的反 井，钻进抗压强度达到 的极硬岩石的能 力，反井钻机装备性能得到大幅度提高，反井钻机适 用范围得到进一步拓展。 年北京中煤矿山工程有限公司（煤炭科学 研究总院建井分院）在 型反井钻机基础上 研制了 型反井钻机，用能够实现一次 最大扩孔直径 ，最大深度 的反井，并在 四川省溪洛渡水电站管道井的建设中应用，实现 了单条最大钻进深度 ，直径 。 年，将 型反井钻机在河南平煤集团四矿瓦 斯抽放井钻井中应用，钻孔直径 ，深度 ，截至目前这依然是我国反井钻机钻进的钻成的 最深的反井工程。 年在亚洲最长的陕西终南 山公路隧道采用 钻成 条通风竖井导 井，钻井深度分别为 和 ，直径均为 。 随后在湖南邵怀高速公路雪峰山隧道、福建 漳永高速官田隧道等高速公路隧道通风竖井建设中 应用了反井钻机钻井工艺。 北京中煤矿山工程有限 公司随后又研制了 （）电控型反 井钻机，并于 年 月在山西晋煤集团寺河煤矿 完成深度 、直径 和深度 、直径 两个通风井，平均导孔钻进速度为 ， 平均扩孔钻进速度为 ，钻孔综合偏斜率 ，是当时国内已完成的一次性扩孔直径最大 的反井工程。 以水电站压力管道斜井为例，其调压井深 度一般小于 ，直径在 ，通过钻进直径 的反井作为导井，然后，经过 次或 次扩挖达到所需要的井筒断面尺寸。 在大型硬岩 反井钻机技术参数设计和装备研发过程中针对一 些小型反井钻机主要用作深度较小导井，需要再 进行爆破扩挖施工的井筒，其工序复杂和工期长 的问题，攻克了深度 的大直径井筒一次扩 孔成井技术，实现一次扩孔直径达到 ， 可直接用作大断面井筒的一次扩挖或小断面井筒 的反井钻机一次钻进成井。 硬岩反井钻机主要包 括 种类型，一种是全液压驱动反井钻机，另一种 为电控型反井钻机。 为了降低钻机造价并提高钻 机适用性，钻孔直径小于 ，钻井深度小于 的反井，一般采用液压驱动的方式进行反井钻 机钻进，包括 、 和 三种型 号。 此外，用作导井钻进的也多为液压驱动反井 钻机。 年，在国家科技部科研院所技术开发研究 专项资金项目的资助下，煤炭科学研究总院建井研 究分院进行了“大直径煤矿风井反井钻井技术及装 备”研究，研发了 型（）反 井钻机装备（图 ），可施工最大直径 ，最大深 度 反井，在抗压强度达到 的极硬岩 石中具有较好的钻进能力。 型反井钻 机采用了先进的电液自动控制系统、数字化参数监 测系统、事故预防系统等技术。 电液控制一般用作 硬岩反井钻机，由于大型反井钻机液压系统所需的 流量大、压力高，直接操纵难度增加，而采用电液控 制可以实现对系统阀件和油泵流量的精确控制，达 到降低系统能量损失目的。 图 型电液控制硬岩反井钻机钻井示意 年，将 型反井钻机在山西晋煤集 团王台铺煤矿风井钻进中应用，钻井直径 ，钻 进深度 ，截至目前，这依然是目前我国反井 钻机 钻 井 已 完 成 的 最 大 直 径 反 井。 年， 大型反井钻机应用在白鹤滩电站建设 中，在坚硬的玄武岩中一次钻成直径 ，深度 左右的通风井等工程，这是水电系统首次 钻成大直径孔。 年，在贵州开阳磷矿采用 型反井 钻机施工，一次扩孔钻进成井直径 ，钻进深度 为 ，这也是国内第一条井下 大直径反 井。 年，甘肃敦格铁路当金山隧道通风竖井采 用 反井钻机施工反井钻井达深度 ， 直径 ，这是我国铁路领域第一座采用反井法施 工的竖井，也是国内最深的一次扩孔钻进成井的大 直径深竖井工程。 硬岩反井钻机的主要技术参数见 表 。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 表 硬岩用系列反井钻机主要技术参数 技术参数 通俗称号 钻孔深度 钻孔倾角 （） 岩石条件 导孔直径 导孔推力 导孔转速 （ ） 导孔转矩 （） 扩孔直径 扩孔拉力 扩孔转速 扩孔转矩 （） 驱动方式电液电液电液 主机功率 主机质量 截至目前，我国已经形成了具有自主知识产 权的各类反井钻机，例如北京中煤矿山工程有限 公 司 研 制 的、 、 、 、、、 型 系 列 反 井钻机，最大拉力为 ，最大额定转矩 ，最大转矩 ，能够满足岩石抗压 强度 以上的硬岩地层中钻进，可钻进导 孔直径最大 ，扩孔