报2010集团公司科研计划.doc

中煤矿山建设集团有限责任公司研究开发项目立项任务书承担单位： AD130/1000型竖井钻机液压系统改造开发机构： 中煤矿山建设集团钻井工程处起止年月： 2010年1月2010年5月项目负责人： 蔡 鑫一、立项的目的意义及必要性在我国的能源结构中，煤炭资源为我国的主要能源。目前煤炭在一次能源中的比例高达68%；据预测，即使在能源结构多样化的发展趋势下，到2020年我国一次能源结构中，煤炭在能源结构中所占的比例还将在55%以上。国家经济稳定、高速发展对能源的需求与我国浅部矿产资源的不断减少和枯竭之间的矛盾日益严重，按现有和在建矿井的产量计算，预计到2020年煤炭缺口将达到13亿吨。因此，我国不得不开发地球深部的矿产资源，一方面现有矿山的开采不可避免地要向深部拓展，导致矿井开采深度逐年增大；另一方面则必然要在更深、地质环境更复杂的条件下建设规模更大的新矿井。与此同时，我国经济的高速度发展，对能源的开采速度也提出了新的要求。因此，如何在目前相对复杂的环境条件下，高速、高质、安全的完成大规模深部矿井的建设任务，是我们必须面对的技术难题。钻井法作为深部矿井井筒施工的主要方法之一，具有成井质量高、施工风险低、施工成本低、适宜深大井筒等优点，在我国已有40多年的发展历史，对于直径在8m以下、深度600m以内的钻井工程，其设计方法和施工技术方面已经积累了一定的工程经验。但现在的矿井建设情况发生了显著的变化，据统计，我国25个以上的主要矿区开采深度超过800m。其中，开滦、新汶、徐州等矿区的开采深度已经超过1000m。可以预计，在今后1020年内，现有的大部分煤矿和新建矿井都将进入深部开采。在深厚冲积层条件下，进行超大直径井筒钻井法快速凿井，就世界范围而言，也仍然是一个没有完全解决的难题，存在一系列急需解决的技术问题。中煤矿山建设集团公司尽管在钻井法凿井技术居世界先进行列，在国内处于行业内的领先水平，目前的设备、技术也难以确保高速、优质地完成深厚冲积层的特殊凿井任务，主要问题有：设备能力不够、设备陈旧（上世纪70年代末80年代初的产品）、深井井壁结构的强度、稳定性研究不足，泥浆护壁技术和废弃泥浆处理技术不完善，配套设备能力小等。因此，穿越深厚冲积层的超大直径井筒钻井法快速凿井技术研究刻不容缓，已成为大型煤矿的建井瓶颈问题，解决这一问题对于缓解华东地区的能源紧张状况更有着不可替代的作用，尤其对山东巨野矿区、两淮矿区、河南焦作矿区等地煤田的成功开发有重要意义。从长远来说，本项目的成功将提高我国钻井法凿井技术在国际上的领先地位，使我国在大型竖井钻机的设计和制造技术方面向发达国家靠拢，有利于钻井法凿井进入国际市场，同时有利于向大城市污水治理及国防领域发展，以及推动煤矿高效安全生产施工技术的应用。因此，立项开展“AD130/1000型竖井钻机液压系统改造” 对加快矿井建设，提高建井速度具有重要的现实意义。该项目的顺利实施，对于国家能源的可持续发展和国家能源安全都具有极其重要的战略意义。对构建代表国家最高水平的煤矿深井建设基础理论和关键技术研究平台，造就和培育该领域的优秀科学家和优秀创新团队，解决复杂环境下煤矿深井建设中的重大理论与技术难题等产生深远的影响。二、二、课题主要研究技术内容的国内外发展现状与趋势，国内现有技术基础，以及与课题有关的技术领域的国内外专利申请和授权情况（附有关专利查新结论钻井法是采用大型钻井机驱动钻杆带动钻头转动，以钻头刀具破碎岩石，通过泥浆循环实现洗井、护壁和排碴。在钻进作业的同时进行地面井壁预制，在井筒钻至设计直径和深度后，通过下沉井壁和壁厚充填完成井筒支护的一种机械化凿井方法。钻井法是施工深厚不稳定冲积层的主要方法之一，它能够安全地通过不稳定地层（如含水丰富地层、流砂层等），具有机械化程度高、安全可靠、井壁质量好，成井井筒质量高等优点。钻井法凿井技术已有一百多年历史。1850年德国工程师肯特用改造的冲击钻机钻成世界第一个直径4.25m、深98m的井筒，到上世纪中叶，在西欧钻成40余个井筒，最大钻进直径7.53m ，深度422m，代表性的钻机有德国的L-35、L-40型。前苏联从20世纪30年代开始为矿井建设研制大直径钻机，至50年代先后研制了分级扩孔、环形取芯钻机和涡轮钻机。各种钻机先后施工井筒100多个。美国1910年开始研究钻井法凿井技术，在小直径钻井方面处于领先地位，代表性的钻机为休斯公司的CSD-300型钻机，设计最大钻井直径6.096m，最大钻井深度1500m。澳大利亚曾在1981年钻成直径4.267m，深度663m的立井。我国钻井法凿井技术始于上个世纪50年代末，1969年在淮北矿区朔里矿成功钻凿第一个直径4.3m，深度90m的井筒。之后相继研制出了ND-1、SZ9/700、AS9/500、AD130/1000型等煤矿大型钻机。根据煤矿地质条件，我国钻井法采用地面转盘式、液压动力头式驱动钻杆钻头转动、滚刀破碎岩（土）、压气反循环排渣、泥浆作为洗井液、泥皮作为临时支护、地面预制井壁、悬浮下沉法进行井壁安装、壁后充填水泥固定井壁等工艺完成井筒建设，不需工作人员进入井筒内，逐渐形成了具有我国特色的大直径井筒钻井工艺和配套装备。进入21世纪，根据我国经济发展和开发东部深厚冲积层覆盖煤层的需求，完成了“十五”科技攻关课题600m深厚冲积层钻井法凿井技术研究，基本解决了600m深厚冲积层钻井法凿井技术。目前我国钻井法成功施工的井筒已达64个，我国钻井法凿井技术处于国际领先水平。与此同时，我国在钻井法凿井技术方面还存在以下不足之处：1）、钻井法凿井钻进效率低，需要进行新型扩孔钻头、岩石滚刀、岩厚冲积层钻井法凿井技术研究，基本解决了600m深厚冲积层钻井法凿井技术。目前我国钻井法成功施工的井筒已达64个，我国钻井法凿井技术处于国际领先水平。与此同时，我国在钻井法凿井技术方面还存在以下不足之处：1）、钻井法凿井钻进效率低，需要进行新型扩孔钻头、岩石滚刀、岩石破碎机理、泥浆排渣和流动规律理论和实验研究；2）、超大型井筒中钻井机的动力不足；3）、泥浆冲洗不好造成的重复破碎岩石、泥包钻头的动力浪费现象；4）、深厚冲积层钻井泥浆护壁机理研究、废弃泥浆利用和处理技术； 5）、在特殊凿井理论体系、实验研究等方面我国还是比较落后，特别是拥有的自主知识产权较少，配套装备不完善，能源消耗大、利用率低；6）、复杂地质状况煤矿深井井壁受力、破坏规律，新型钻井井壁结构研究；三、主要研究、试验内容、目标、技术关键及主要技术经济指标1、研究内容与预期目标研究内容：AD130/1000型竖井动力头钻机液压系统改造；预期目标：经过改造后，达到液压管路系统装、拆方便、快捷，运输方便，容易保存。机械手使用更安全、可靠的目标。2、关键技术(1)液压系统的布置、设计；(2)机械手的设计、改造；3、主要技术与经济指标本项目的主要技术与经济指标为：通过液压系统及机械手的改造，提高AD130/1000型钻机安装、拆除效率，缩短安装、拆除及维修时间约20%，减少了液压油的损耗，提高起钻、下钻速度，节省安装、拆除、运输费用及液压油等直接费用共5万多元；与此同时，缩短工期所节省的人工费、设备租赁费等间接费用100多万元。四、达到的技术水平，经济、社会效益及推广应用前景1、经济、社会效益及推广应用前景本项目的经济效益主要在于AD130/1000型竖井动力头钻机液压系统和机械手安装、拆除、运输产生的直接经济效益，以及通过管路和机械手改造缩短钻井周期、提高钻井效率产生的间接经济效益。本项目的社会效益主要是液压系统改造减小了液压系统维修时液压油对土壤、水体所产生的污染，机械手的改造提高了施工的安全。本项目的实施将使AD130/1000型竖井动力头钻机的性能更佳，钻井法的综合技术得到更大的提高，大型钻井机制造技术的进步，也将使我国钻井施工打入国际市场。五、采用的研究、试验方法和技术路线（包括工艺流程）本项目的实施主要是自主开发，液压系统管路的设计在选定合理的技术参数后，联合洛阳矿山机械工程研究院进行，在进行理论研究的基础上，进行实验室试验、再进行工业性试验，成功后投入生产。技术路线：由项目组总结、综合我公司液压钻机的管路布置、设计，研究具体的方案，再进行可行性调研、结合目前国内钻井技术、液压、机加工等领域的技术拿出具体的实施办法。六、现有技术基础及条件钻井法凿井技术是原中煤特殊凿井（集团）有限责任公司的主营业务之一，一直保持着行业内的绝对领先优势，同时也处于世界领先地位，我国第一台大型钻机就是在我公司于1969年试验成功的。至今已用钻井法施工了60余个井筒，最大钻井直径为10.8m（安徽省淮南矿业集团张集矿西进风井，2008年成井）。最大钻井深度为660m（安徽省淮南新集集团板集矿中央风井，2007年成井，钻井直径为9.5m）。多年来公司获得了与钻井法凿井技术相关的多项科研奖，主要有：祁南矿井高强钢筋混凝土钻井井壁及施工技术研究（原煤炭部科技进步二等奖）；谢桥西风井大直径薄井壁设计及钻井施工技术（原煤炭部科技进步三等奖）；钻井法凿井废弃泥浆的控制与处理技术及装置（国家发明二等奖）；钻井法凿井内管注浆壁后填充工艺技术（原煤炭部三等奖）；508米深井钻井法凿井技术（建设部全国施工新技术优秀项目）；AD130/1000型型钻井机研制（国家二等奖）。龙固主井（双井筒）近600m钻井法凿井技术研究与应用项目荣获国家科学技术进步二等奖。原中煤特殊凿井（集团）有限责任公司有液压、机械等方面的工程技术人员和专家二十多人，享受国务院政府特殊津贴的高级专家13名，并一直与国内各大学、研究机构的知名专家学者致力于液压钻机的研究与开发，形成了产、学、研紧密结合的发展模式。同时有大型竖井钻机6台套，其中液压钻机3台套，最大钻井直径13米，最大钻井深度可达1000米；自行设计制造的液压驱动的动力头式中型钻机11台套。雄厚的技术力量和协作机构以及丰富的钻井设备为本项目的实施提供了有力的技术支持和实物研发平台。七、地点、试验规模和进度安排本项目在朱集西煤矿矸石井工地实施。计划从2010年1月开始到2010年5月结束。八、承担单位和主要协作单位及分工本项目的实施主要是自主开发，管路的设计在选定合理的技术参数后，联合洛阳矿山机械工程研究院进行。九、项目研究人员名单姓名性别单位（部门）职务、职称承担内容签名负责人蔡 鑫男钻井处机关处总工/高 工组长、方案、技术研究蔡 鑫负责人朱东林男钻井处机关副处长/高 工副组长、方案、技术研究朱东林项目主要参加人员王明思男钻井处机关科长/助工方案、技术研究王明思荣怀宇男项 目 部常务副经理工程师组织、管理、技术研究荣怀宇刘 健男项 目 部技术负责人工程师现场组织管理刘 健付新鹏男项 目 部项目副经理工程师现场组织管理付新鹏周立民男项 目 部项目副经理工程师现场组织管理付新鹏刘 峰男项 目 部技术部副部长助工科研组织管理刘 峰郭厚财 男项 目 部技术部副部长助工科研组织管理郭厚财 汪广恒男项 目 部技术部副部长助工 科研组织管理汪广恒十、项目用到的及需要增添的主要设备、仪器、材料名称型号数量备注油缸最大行程/mm：1650缸径/mm：1001台两级油缸小型液压站1台平移式机械手加工1套钻杆仓加工1件吊具加工1套高压胶管带接头十一、经费总概算序号科 目金额(万元)备 注预算总数至上年末已完成数当年预算数1人员费15152新产品设计费15153新工艺规程制定费05054仪器、设备购置、租赁费35305原材料和半成品试制费15056装备调试费08087仪器、设备折旧费10108材料费65659技术图书资料费020210专利申请、维持费、科技保险费11差旅费351512室内试验费313现场试验费5514其他合 计96十二、经费支出明细预算表费用名称小计金额 (万元)预算总数至上年末已完成数当年预算数1人工费1515152设备仪器折旧3图书资料费0.20.20.24试验检测费8885新产品设计费1515156新工艺规程指定费0.50.50.57仪器、设备购置/租赁费3535358原材料和半成品试制费1.51.51.59装备调试费0.80.80.810差旅费3.51.51.511设备仪器折旧费10101012其他费用合 计969696十三、技术的先进性与技术资料通过改造，AD130/1000型竖井钻机液压系统管路装、拆更方便、快捷，运输方便，容易保存。机械手使用更安全、可靠。十四、技术成果与形式本项目的成果以AD130/1000型竖井动力头钻机液压系统和机械手改造结束试验成功为标志。十五、审批意见1.申报单位意见： 负责人：（签 章） 年 月 日2专家组意见： 专家组组长：（签 章） 年 月 日3技术中心意见： （签 章） 年 月 日（表一）课题研究人员清单序号姓 名工作单位职称职务担当角色累计工时（天）工资标准（元/人月）1蔡 鑫钻井处机关高 工处总工组长、方案、技术研究20021882朱东林钻井处机关高 工副处长副组长、方案、技术研究20023263王明思钻井处机关助工副科长方案、技术研究15014344荣怀宇项 目 部工程师常务副经理组织、管理、技术研究15040005刘 健项 目 部工程师技术负责人现场组织管理15035006付新鹏项 目 部工程师项目副经理现场组织管理15035007周立民项 目 部工程师高级技师现场组织管理15035008刘 峰项 目 部助工技术部副部长科研组织管理15014949郭厚财 项 目 部助工技术部副部长科研组织管理150164410汪广恒项 目 部助工技术部副部长科研组织管理1501648（表二）购置（试制）设备清单单位：元序号名 称型 号单 价数 量金 额备注1油缸最大行程/mm：1650缸径/mm：1001台两级油缸2小型液压站1台3平移式机械手加工1套4钻杆仓加工1件5吊具加工1套6高压胶管带接头（表三）大宗、贵重材料清单单位：元序号名 称型 号单 价数 量金 额备注（表四） 外协测试清单单位：元序号名 称单 价次数金 额测试的必要性中煤矿山建设集团有限责任公司技术开发项目可行性研究报告项目名称： AD130/000型竖井钻井液压系统改造申报单位： 中煤矿山建设集团钻井工程处通讯地址： 安徽省淮北市东山路131号申报日期： 2009年12月10日研究开发项目可行性研究报告（一）项目的背景和意义在我国的能源结构中，煤炭资源为我国的主要能源。目前煤炭在一次能源中的比例高达68%；据预测，即使在能源结构多样化的发展趋势下，到2020年我国一次能源结构中，煤炭在能源结构中所占的比例还将在55%以上。国家经济稳定、高速发展对能源的需求与我国浅部矿产资源的不断减少和枯竭之间的矛盾日益严重，按现有和在建矿井的产量计算，预计到2020年煤炭缺口将达到13亿吨。因此，我国不得不开发地球深部的矿产资源，一方面现有矿山的开采不可避免地要向深部拓展，导致矿井开采深度逐年增大；另一方面则必然要在更深、地质环境更复杂的条件下建设规模更大的新矿井。与此同时，我国经济的高速度发展，对能源的开采速度也提出了新的要求。因此，如何在目前相对复杂的环境条件下，高速、高质、安全的完成大规模深部矿井的建设任务，是我们必须面对的技术难题。钻井法作为深部矿井井筒施工的主要方法之一，具有成井质量高、施工风险低、施工成本低、适宜深大井筒等优点，在我国已有40多年的发展历史，对于直径在8m以下、深度600m以内的钻井工程，其设计方法和施工技术方面已经积累了一定的工程经验。但现在的矿井建设情况发生了显著的变化，据统计，我国25个以上的主要矿区开采深度超过800m。其中，开滦、新汶、徐州等矿区的开采深度已经超过1000m。可以预计，在今后1020年内，现有的大部分煤矿和新建矿井都将进入深部开采。在深厚冲积层条件下，进行超大直径井筒钻井法快速凿井，就世界范围而言，也仍然是一个没有完全解决的难题，存在一系列急需解决的技术问题。中煤矿山建设集团公司尽管在钻井法凿井技术居世界先进行列，在国内处于行业内的领先水平，目前的设备、技术也难以确保高速、优质地完成深厚冲积层的特殊凿井任务，主要问题有：设备能力不够、设备陈旧（上世纪70年代末80年代初的产品）、深井井壁结构的强度、稳定性研究不足，泥浆护壁技术和废弃泥浆处理技术不完善，配套设备能力小等。因此，穿越深厚冲积层的超大直径井筒钻井法快速凿井技术研究刻不容缓，已成为大型煤矿的建井瓶颈问题，解决这一问题对于缓解华东地区的能源紧张状况更有着不可替代的作用，尤其对山东巨野矿区、两淮矿区、河南焦作矿区等地煤田的成功开发有重要意义。从长远来说，本项目的成功将提高我国钻井法凿井技术在国际上的领先地位，使我国在大型竖井钻机的设计和制造技术方面向发达国家靠拢，有利于钻井法凿井进入国际市场，同时有利于向大城市污水治理及国防领域发展，以及推动煤矿高效安全生产施工技术的应用。2005年中煤特殊凿井集团有限责任公司和中信重型矿山机械设计研究院合作研制AD130/1000型竖井钻机。2007年该钻机研制成功并在淮北矿业集团的袁店一矿南风井项目中投入试验。但由于钻机的液压系统设计和布置缺陷，给钻机的安装、拆除、液压系统维修带来了不便。因此，立项开展“AD130/1000型竖井钻机液压系统改造”对加快矿井建设、提高建井速度具有重要的现实意义。该项目的顺利实施，对于国家能源的可持续发展和国家能源安全都具有极其重要的战略意义。对构建代表国家最高水平的煤矿深井建设基础理论和关键技术研究平台，造就和培育该领域的优秀科学家和优秀创新团队，解决复杂环境下煤矿深井建设中的重大理论与技术难题等产生深远的影响（二）国内外研究开发现状和发展趋势钻井法是采用大型钻井机驱动钻杆带动钻头转动，以钻头刀具破碎岩石，利用泥浆循环进行洗井、护壁和排碴，在钻进作业的同时进行地面预制井壁，在井筒钻至设计直径和深度后，再进行井壁下沉和壁后充填固井的一种机械化凿井方法。钻井法是一种劳动强度低、成井质量好、安全可靠的施工方法，是通过深厚不稳定冲积层的主要施工方法之一，它具有能够安全地通过不稳定地层（如含水丰富地层、流砂层等），地面预制井壁质量好，成井井筒滴水不漏等优点。钻井法凿井技术已有一百多年历史。1850年德国工程师肯特用改造的冲击钻机钻成世界第一个直径4.25m、深98m的井筒，到上世纪中叶，在西欧钻成40余个井筒，最大钻进直径7.53m ，深度422m，代表性的钻机有德国的L-35、L-40型。前苏联从20世纪30年代开始为矿井建设研制大直径钻机，至50年代先后研制了分级扩孔、环形取芯钻机和涡轮钻机。各种钻机先后施工井筒100多个。美国1910年开始研究钻井法凿井技术，在小直径钻井方面处于领先地位，代表性的钻机为休斯公司的CSD-300型钻机，设计最大钻井直径6.096m，最大钻井深度1500m。澳大利亚曾在1981年钻成直径4.267m，深度663m的立井。我国钻井法凿井技术始于上个世纪50年代末，1969年在淮北矿区朔里矿成功钻凿第一个直径4.3m，深度90m的井筒。之后相继研制出了ND-1、SZ9/700、AS9/500、AD130/1000型等煤矿大型钻机。根据煤矿地质条件，我国钻井法，采用地面转盘式、液压动力头式驱动钻杆钻头转动、滚刀破碎岩（土）、压气反循环排渣、泥浆作为洗井液、泥皮作为临时支护、地面预制井壁、悬浮下沉法进行井壁安装、壁后充填水泥固定井壁等工艺完成井筒建设，不需工作人员进入井筒内，逐渐形成了具有我国特色的大直径井筒钻井工艺和配套装备。进入21世纪，根据我国经济发展和开发东部深厚冲积层覆盖煤层的需求，完成了“十五”科技攻关课题600m深厚冲积层钻井法凿井技术研究，基本解决了600m深厚冲积层钻井法凿井技术。目前我国钻井法成功施工的井筒已达64个，我国钻井法凿井技术处于国际领先水平。与此同时，我国在钻井法凿井技术方面还存在以下不足之处：1）、钻井法凿井钻进效率低，需要进行新型扩孔钻头、岩石滚刀、岩石破碎机理、泥浆排渣和流动规律理论和实验研究；2）、超大型井筒中钻井机的动力不足；3）、泥浆冲洗不好造成的重复破碎岩石、泥包钻头造成的动力浪费现象。4）、深厚冲积层钻井泥浆护壁机理研究、废弃泥浆利用和处理技术；5）、在特殊凿井理论体系、实验研究等方面我国还是比较落后，特别是拥有的自主知识产权较少，配套装备不完善，能源消耗大、利用率低；6）、复杂地质状况煤矿深井井壁受力、破坏规律，新型钻井井壁结构研究；（三）现有研究基础、特色、拟承担单位的技术优势和条件钻井法凿井技术是原中煤特殊凿井（集团）有限责任公司的主营业务之一，一直保持着行业内的绝对领先优势，同时也处于世界领先地位，我国第一台大型钻机就是在我公司于1969年试验成功的。至今已用钻井法施工了60余个井筒，最大钻井直径为10.8m（安徽省淮南矿业集团张集矿西进风井，2008年成井）。最大钻井深度为660m（安徽省淮南新集集团板集矿中央风井，2007年成井，钻井直径为9.5m）。多年来公司获得了与钻井法凿井技术相关的多项科研奖，主要有：祁南矿井高强钢筋混凝土钻井井壁及施工技术研究（原煤炭部科技进步二等奖）；谢桥西风井大直径薄井壁设计及钻井施工技术（原煤炭部科技进步三等奖）；钻井法凿井废弃泥浆的控制与处理技术及装置（国家发明二等奖）；钻井法凿井内管注浆壁后填充工艺技术（原煤炭部三等奖）；508米深井钻井法凿井技术（建设部全国施工新技术优秀项目）；AD130/1000型型钻井机研制（国家二等奖）。龙固主井（双井筒）近600m钻井法凿井技术研究与应用项目荣获国家科学技术进步二等奖。原中煤特殊凿井（集团）有限责任公司有液压、机械等方面的工程技术人员和专家二十多人，享受国务院政府特殊津贴的高级专家13名，并一直与国内各大学、研究机构的知名专家学者致力于液压钻机的研究与开发，形成了产、学、研紧密结合的发展模式。同时有大型竖井钻机6台套，其中液压钻机3台套，最大钻井直径13米，最大钻井深度可达1000米；自行设计制造的液压驱动的动力头式中型钻机11台套。雄厚的技术力量和协作机构以及丰富的钻井设备为本项目的实施提供了有力的技术支持和实物研发平台。（四）项目总体目标、研究内容、技术关键和创新点，关键技术内容可能取得的专利及知识产权分析、具体考核指标1、研究内容与总体目标研究内容：AD130/1000型竖井动力头钻机液压系统改造；总体目标：经过改造后，液压管路系统装、拆更方便、快捷，运输方便，容易保存；机械手使用更安全、可靠；钻机液压系统性能更好，实现快速、高效钻井施工的总体目标。2、关键技术(1)液压系统的布置、设计；(2)机械手的设计、改造；3、主要技术与经济指标本项目的