9054010煤矿井下大直径超长定向孔优快钻进关键技术与装备

2019年度国家科学技术进步奖提名项目公示材料一项目名称：煤矿井下大直径超长定向孔优快钻进关键技术与装备二提名者及提名意见提名者：中国煤炭工业协会提名意见：由中煤科工集团西安研究院有限公司、山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司、神华神东煤炭集团有限责任公司、淮南矿业（集团）有限责任公司、西安科技大学和北京合康科技发展有限责任公司在国家科技重大专项支持下合作完成的“煤矿井下大直径超长定向孔优快钻进关键技术与装备”项目，是煤矿安全、煤层气（瓦斯）开发利用与矿井地质勘探领域取得的重要成果，对贯彻国家煤炭绿色安全高效开采与洁净利用发展战略具有重要意义。该项目针对现代化矿井工作面超长定向孔、复杂破碎煤岩层定向孔及顶板岩层大直径定向孔优快成孔的新需求，开创了煤矿井下定向钻进装备研发新方向，研制了首台套矿用大功率定向钻机；发明了煤矿井下防爆型无线随钻测量系统，实现了随钻测量信号传输由“有线”到“无线”的跨越；创建了煤矿井下无线随钻测量复合定向钻进技术体系，革新了井下定向钻进工艺；推动了矿井安生产保障技术进步和“以孔代巷”技术发展。该项目成果整体达到国际领先水平，获授权发明专利23项、其他知识产权14项，制定行业标准3项、企业标准18项，发表论文93篇，培养研究生10名。项目成果获2016年度、2018年度中国煤炭工业科学技术一等奖2项。该项目成果已在晋城、神东、淮南等20余个矿区推广应用，多次刷新煤矿井下定向孔深度的世界纪录，最大孔深达到2311m；突破了定向钻进装备在复杂破碎煤岩层中应用的技术瓶颈，大幅提升了煤矿井下定向钻进技术装备能力水平、拓宽了适用地层范围，经济社会效益显著。提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。三项目简介该项目属于矿山安全科学技术领域，主要用于煤矿瓦斯（煤层气）抽采、水害防治和隐蔽致灾因素探查。瓦斯抽采和灾害防治定向钻进技术与装备是复杂条件下煤炭安全高效绿色开采的重要保障，煤矿井下大直径超长定向孔优快钻进关键技术与装备是国内外尚未解决的重大难题。随着煤矿开采工作面倾向和走向长度越来越大，对钻孔长度、钻孔直径、钻进效率、成孔质量提出了更高要求，迫切需要开发适合大直径超长定向孔优快钻进的技术与装备。中煤科工集团西安研究院有限公司联合山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司等5家单位经过近十年联合攻关，取得了以下重大创新成果：1.创建了近水平孔复合定向钻进理论技术体系。揭示了近水平孔轨迹质量对延伸距离影响规律，提出了煤矿井下复合定向钻进轨迹控制理论与方法，开发了中硬煤岩层双动力复合定向优快钻进技术、破碎煤岩层主动防塌钻进技术、顶板岩层一次性多动力分级定向扩孔技术。最大孔长达到2311m、提高了91%，最大终孔直径达到220mm、提高了47%，轨迹垂直偏差小于0.5‰，轨迹平滑度提高60%以上，综合钻进效率提高了40%以上，攻克了超长延伸、大直径成孔、精准定向、优快钻进难题，实现了矿井灾害防治大直径超长定向孔优快钻进。2.发明了煤矿井下防爆型无线随钻测量系统。揭示了近水平孔泥浆脉冲信号传输机理，提出了定向孔群轨迹三维可视化分析评价方法，开发了脉冲信号流量自适应发射技术和低压差脉冲信号滤波、解调技术，研发了小直径一体式信号脉冲发生器，攻克了小排量（1.5L/s）、宽范围（1.5～10L/s）、低压差（0.2MPa）条件下泥浆脉冲信号近水平长距离稳定传输、可靠解调的难题，实现了超长定向孔轨迹由“有线传输”到“无线传输”精确随钻测量的跨越，填补了国内外煤矿井下无线随钻测量技术空白。3.发明了大直径超长定向孔钻进成套装备。提出了井下定向钻进装备的可靠性优化设计方法，发明了可满足多种钻进工艺的井下紧凑型大功率一体化定向钻机，开发了满足螺杆马达超长定向孔高效驱动的高压大流量液驱泥浆泵车，研发了高韧性高强度随钻测量钻杆和无磁钻具，形成了首台套大直径超长定向孔优快钻进成套装备，实现了井下定向钻进能力由1000m到2000m的重大突破，填补了国内外空白。该项目获授权发明专利23项、其他知识产权14项，制定行业标准3项、企业标准18项，发表论文93篇，培养研究生10名。成果多次刷新煤矿井下定向钻孔长度世界纪录，破解了定向钻进技术在复杂条件煤岩层中应用难题，构建了煤矿灾害防治定向钻孔技术新体系，促进了煤炭安全高效绿色开采保障技术的进步。项目成果已在晋城、神东、淮南等矿区的62座煤矿成功推广应用，销售装备101台套，施工瓦斯抽采、水害防治等各类定向孔3.37×106m，累计抽采瓦斯7.01×108m³，近三年创造直接经济效益27.66亿元。项目成果整体达到国际领先水平。四客观评价1.“煤矿井下大功率定向钻进技术与装备”鉴定意见中国煤炭工业协会组织以袁亮院士为组长的专家组对该项目成果进行了鉴定，意见如下：①首次成功研发煤矿井下大功率定向钻进装备，由具有主轴制动功能、主轴通孔直径Φ135mm、额定转矩12000Nm的双马达动力头定向钻车和额定流量390L/min、额定压力12MPa、自行走液驱泥浆泵车组成。装备性能稳定可靠，适应性强，显著提高煤矿井下定向钻进能力和孔内事故处理能力。②成功研制了适合煤矿井下的泥浆脉冲无线随钻测量装置，开发了小尺寸一体式脉冲发生器、隔爆型驱动控制短节、孔口信号接收与解调处理等关键技术。③创新开发了随钻测量复合定向钻进技术；建立了钻杆疲劳试验系统，形成了矿用钻杆设计、生产和检验方法，钻杆具有密封性好、强度和韧性高、通孔直径大等优点，满足井下深孔钻进要求。④开发了煤矿井下定向钻孔事故处理钻具及配套工艺技术，对煤矿井下定向钻进常见钻孔事故进行总结分类，制定了对应的预防和处理工艺技术措施；并根据事故类型研制了Φ102mm和Φ127mm打捞钻杆等6种类型的14套打捞工具，使煤矿井下定向钻孔事故预防和处理有据可依，科学合理。项目成果达到国际领先水平。2.“复杂顶板岩层大直径高位定向钻孔成孔技术与配套机具”鉴定意见中国煤炭工业协会组织以康红普院士和王双明院士为组长的专家组对该项目成果进行了鉴定，意见如下：①研发了双动力驱动高效定向钻进技术，创建了复合轨迹控制模式，研制了高强度无磁钢钻具，形成了顶板大直径高位定向钻孔高效钻进技术，有效提高了综合钻进效率和实钻轨迹控制精度，复杂顶板中实钻顶板高位定向钻孔最大深度达到千米以上。②研发了异形钻杆与水力复合强排渣定向钻进技术、穿层孔段强造斜钻进主动防塌工艺、局部孔段扩孔防堵工艺和孔组联合注浆与分级注浆加固技术，研制了整体式宽翼片螺旋钻杆和随钻扩孔器等配套机具，形成了复杂顶板岩层高位定向钻孔成孔技术。③研发了多动力大直径扩孔技术，研制了高韧性高强度扩孔专用钻杆和小直径扭冲工具，扩孔效率提高30%以上，钻孔直径由Φ153mm增加到Φ220mm。④项目成果在顾桥、寺河和王家岭等多个煤矿进行了应用，经济及社会效益显著。项目成果达到国际领先水平。3.项目成果“中硬煤层1800m定向钻进技术与装备”荣获2016年中国煤炭工业科学技术一等奖。4.项目成果“复杂顶板岩层大直径高位定向钻孔成孔技术与配套机具”荣获2018年中国煤炭工业科学技术一等奖。5.经中国创新设计产业战略联盟评定，项目成果“中硬煤层1800m定向钻进技术与装备”荣获2017年中国好设计银奖。6.“我国煤矿井下定向钻进技术装备突破1881m孔深世界纪录”被评为“2014年度探矿工程十大新闻”。7.“最大定向孔孔深2311m，刷新井下顺煤层定向孔深度世界纪录”被评为“2017年度探矿工程十大新闻”。8.“煤矿井下1500m深孔大功率定向钻进装备”、“顶板高位大直径定向钻孔采动瓦斯抽采技术与高效快速成孔工艺”等项目成果均入选国家安全生产监督管理总局、中华人民共和国科学技术部及工业和信息化部等组织发布的《煤矿安全生产先进适用技术装备推广目录》。9.项目成果“ZDY12000LD型煤矿用履带式全液压坑道钻机”入选2015年陕西省装备制造业国内首台（套）重大装备产品项目投资计划。10.项目成果受邀参加了2017年6月由科技部、国家发展改革委、财政部、军委装备发展部主办的“十二五”科技创新成就展，2017年9~11月由国资委主办的央企创新成就展，获得广泛关注和好评。五应用情况项目成果主要用于施工煤矿井下瓦斯（煤层气）抽采、水害防治和隐蔽致灾因素探查等近水平大直径超长定向孔。截止2018年12月，项目研究成果已在20余个矿区的62个煤矿企业进行了推广应用，生产销售定向钻进装备101台套，取得良好应用效果。主要应用单位情况见表1。表1主要应用单位情况表序号单位名称应用的技术应用对象及规模应用起止时间单位联系人/电话1中煤科工集团西安研究院有限公司整体技术新增产值72148万元2014-2018崔刚029817780312淮南矿业（集团）有限责任公司整体技术新增产值27790万元2016-2018王传兵055476228973北京合康科技发展有限责任公司创新成果2新增产值2717万元2014-2018温榕010886140914神华神东保德煤矿整体技术新增产值36790万元2015-2018罗伙根091282599865山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河煤矿整体技术新增产值48525万元2014-2018冯强138356200236晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿整体技术新增产值29960万元2015-2018徐光亮137005694787山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司整体技术新增产值10099万元2015-2018司瑞江189035620898山西晋煤集团沁水胡底煤业有限公司整体技术新增产值15084万元2015-2018刘发义139946820489淮北矿业股份有限公司工程处钻探分公司整体技术新增产值13898万元2016-2018张传方1306335629110安徽恒源煤电股份有限公司整体技术新增产值3520万元2017-2018周图文0557398187411贵州黔西能源开发有限公司整体技术新增产值4636万元2016-2018徐书荣1508636165812焦作煤业（集团）新乡能源有限公司整体技术新增产值4155万元2016-2018李国栋1513911002913河南神火煤业公司薛湖煤矿整体技术新增产值2400万元2016-2018程子华1350374710014陕西彬长文家坡矿业有限公整体技术新增产值2016-2018刘庆利序号单位名称应用的技术应用对象及规模应用起止时间单位联系人/电话司3095万元1896910206615鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司整体技术新增产值1760万元2015-2018翟恩发18248338199六主要知识产权和标准规范等目录知识产权（标准）类别知识产权（标准）具体名称国家（地区）授权号（标准编号）授权（标准发布）日期证书编号（标准批准发布部门）权利人（标准起草单位）发明人（标准起草人）发明专利（标准）有效状态发明专利煤矿井下防爆型泥浆脉冲无线随钻测量系统及其使用方法中国ZL201210059876.42013年10月16日1286142中煤科工集团西安研究院；北京合康科技发展有限责任公司石智军；薛维；李泉新；温榕；高珺；方俊；祁宏军有效发明专利具有制动功能的煤矿井下定向钻机大通孔动力头中国ZL201310021100.82015年04月08日1628526中煤科工集团西安研究院有限公司姚克；方鹏；邵俊杰；张幼振；李栋；张锐；刘智；邬迪；孙保山；张占强有效发明专利煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法中国ZL201610770283.72018年06月19日2966314中煤科工集团西安研究院有限公司李泉新；方俊；许超；刘建林；曹明；赵建国；王四一；王鲜有效发明专利用于狭窄巷道的履带式全液压定向钻机中国ZL201310042238.62014年11月12日1519299中煤科工集团西安研究院石智军；姚克；方鹏；邵俊杰；李栋；张锐；刘智；邬迪；孙保山；张占强；张幼振有效知识产权（标准）类别知识产权（标准）具体名称国家（地区）授权号（标准编号）授权（标准发布）日期证书编号（标准批准发布部门）权利人（标