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行业动态

大直径钻井技术装备的需求分析
发布时间:2022年06月10日

(一)推动井筒建设技术变革

地下固体矿产资源开采和地下空间工程建设是在深部岩土体内利用破岩技术与装备建设稳定的空间工程结构,进得去、取得出、待得住是地下工程建设的基本任务和要求。在大直径井筒建设技术的发展进程中,钻眼爆破技术代替人工錾凿破岩是第一次技术突破,而机械破岩钻井是建井技术的第二次重大技术变革,将不连续且难以控制的爆破破碎岩石转变为利用全断面刀盘或钻头进行连续可控破岩 [8]。机械破岩钻井技术解决了钻孔爆破凿井存在的井筒狭小空间内作业人员多、职业伤害严重、环境污染重、作业不连续、易发生安全事故、施工效率低等突出问题,攻克了地层预探识、不良地层预改性、大体积破岩、连续排渣、协同掘支、感知与调控、风险防控等科学技术问题,将开创机械化、无人化、智能化井筒建设的新阶段。因此,全面提升大直径井筒钻井技术装备水平,是推动我国地下工程建设的重大需求,也是解决我国深地资源开发重大工程技术问题的关键举措。

(二)支撑国家矿产资源开发

伴随着我国浅部矿产资源的持续开发,千米以深矿产资源开发成为支撑我国矿业发展的必然趋势。据不完全统计,我国煤炭行业已建成 40 余条深度超过 1000 m 的井筒;金属矿井建成近 20 条深度超过 1000 m 的井筒,其中 7 条井筒深度超过 1500 m,正在设计和施工的井筒深度超过 2000 m [9,10]。2019 年第 21 届中国科学技术协会年会发布了 20 个对科学发展具有导向作用、对技术和产业创新具有关键作用的前沿重大科学问题和工程技术难题,其中第 19 项为“千米级深竖井全断面掘进技术”[11]。因此,深化机械破岩大直径钻井技术装备研究,致力解决深部高地温、高地压、高水压等复杂地质条件下普通钻爆法凿井存在的安全和职业伤害等问题,将为我国千米级深井建设与资源保障供给提供重要支撑。

(三)服务国家重大地下工程建设

1. 城市地下空间开发利用

从城市地下空间发展的历程来看,起初我国城市地下空间建设以人防地下工程建设为主体,而目前城市地铁隧道始发井、地下疏排水与排污系统立井、地下竖井式停车场、地下废料储藏 / 垃圾处理等城市深大竖井建设工程日益增加;主要采用小型挖掘设备进行开挖,场地占用面积大,挖掘效率低;城市地下 60~200 m 空间的全要素开发还停留在研发与设计层面。发展大直径井筒钻井技术与装备,将助力解决“城市综合征”,是服务“韧性城市”“海绵城市”建设的重要技术支撑。

2. 水力发电站建设

水电行业的水力发电站和抽水蓄能电站建设多采用地下厂房式结构,需要建设大量的压力管道、出线竖井、通风竖井等井筒工程。目前的井筒深度在 400 m 左右,正在规划的压力管道井筒深度达到 800 m,将明显减少辅助工程量并优化电站建设系统。发展大直径井筒钻井技术与装备,可应用于国家大型水电站建设、抽水蓄能电站建设以及其他重大水利工程建设的井筒工程项目,服务国家清洁能源发展,保障“碳达峰、碳中和”国家战略实施。

3. 深埋铁路、公路隧道建设

深埋铁路、公路隧道建设需要隧道施工措施井和通风井:前者用于开拓和增加作业面、加快主洞建设速度,后者保证隧道安全运行。目前国内最深的铁路竖井为高黎贡山隧道 1 号竖井(主井深 762.59 m、副井深 764.74 m),依然采用普通钻爆法施工。因此,发展大直径井筒钻井技术与装备,可应用于川藏铁路、新疆天山隧道等重大工程的深大通风井建设项目,服务国家交通强国战略、保障交通重点工程。

4. 其他地下工程建设

在国家大型科学试验方面,目前设计规划的试验竖井工程深度近 800 m。国防、引水调水工程隧道、海上风电、地下油 – 气 – 化学物质储存、地下核废物和 CO2 封存等地下工程建设领域的井筒工程数量和井筒直径及深度也在逐年增加。这些地下工程建设对大直径井筒钻井技术与装备提出了重大需求。