竖井钻机是大深度500米的煤矿竖井及其它工程井筒使用的设备。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。

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。中煤矿建集团公司钻井工程处创造了我国钻井最深和最大的纪录,钻井最深井为板集矿主井660m(钻孔直径9. 5m,净径6.2m) ,钻孔直径和钻井净径最大的为张集矿西进风井,分别为Φ10. 8m、Φ8. 3m(井筒深度458) 。

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。

1.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。

2.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30～40 %;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1982～1997 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。

3.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 年至今共成井了15 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426 根桩(桩径为φ1. 5～2. 8m;桩深65～115m) 。同时为满足深厚冲积层的钻井法施工的需求,中煤矿建集团公司对一台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。在2003～2004 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。2006 年华煤开始了AD120/900 型钻机的研制。

2007 年原中煤特殊凿井(集团) 公司与洛阳矿山机械工程设计研究院、南京晨光集团联合设计制造了AD130/ 1000 型钻机,该钻机于2007 年8 月出厂。

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 年制造的全液压动力头形式的AD60/400 型钻机进行设计。

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φ450/φ360 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φ6. 0m; 一级扩孔φ9.0m;二级扩孔φ11. 0m;三级扩孔φ13. 0m;) ;动力头转速0～18rpm;采用牙嵌式和法兰式连接的两种钻杆,管材为φ500 ×20 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。

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。再加上近年来,钻井法施工在泥包钻头、掉钻处理、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,使钻井法施工不再只钻风井,而是能钻主井、副井。

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 型钻机出厂后,受到了业主的青睐,2008 年中煤矿山建设集团钻井工程处在淮北矿业集团的袁店一矿南风井钻凿成功第一口井,深度302m ,钻孔直径7. 1m ,成井净径5. 0m ,综合月成井达到42m ,2010 年2 月,该处又在皖北煤电集团公司的朱集西矿成功地建成了矸石井,井筒深度545m ,钻孔直径7. 7m ,净径5. 2m ,综合月成井达到45m。上述两口井的钻井均为一钻成孔,比原来的9m 或8m 钻机少扩钻一至两级,总钻进时间可节省30 %左右。

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。