反井钻机结构、特点及工作原理

反井钻机结构、特点及工作原理

一、钻机的结构和性能特点

如图1，RBM—200型反井钻机主要由钻机车1、泵车2、操作车3和钻具4(包括钻杆，钻头)以及辅助工具等组成。

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1. 钻机车 2. 操作车 3. 泵车 4. 钻具

图1 RBM—200型反井钻机

1． 钻机车

钻机车（如图2）是钻机的主机，它由钻架9、动力水龙头7、主液压缸5、上（下）支撑6（10）、辅助卸扣装置16和输送钻杆的机械手13等组成。

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5. 主推力缸 6. 上支撑 7. 动力水龙头 8. 滑轨 9. 钻架 10. 下支撑

11. 钻机平车 12. 转盘吊 13. 机械手 14. 后拉杆 15. 前拉杆 16. 辅助卸扣

装置

图2 钻机车结构图

(1)钻架

采用两个槽形架作立柱，上下用盖板通过高强螺栓连成框形机架。架内两侧有导向轨供动力水龙头滑动用，底盘可固定钻杆，还可同扶正套相配。

(2)动力水龙头

它是钻机的核心部件，包括液压马达、齿轮箱和轨衬。动力水龙头机头部位既承受拉力又传递扭矩。

(3)主液压油缸

采用双作用主液压油缸。工作时缸筒运动。活塞杆不动 为避免高压油管经常运动造成磨损，进油口不设在缸筒上，而由活塞杆中心供油。

(4)上、下支撑

上支撑由两个液压油缸和加长杆组成，用以顶住巷道顶板。下支撑根据地面、并在不同使用条件设计了不同结构，前者用固定式下支承板结构，可与基础直接用地脚螺拴连接，并在使用时采用液压油缸支承螺杆承压。上下支撑分别安装在钻架两侧，上下支撑实际上是两个100mm的液压千斤顶，它们都是用螺栓和销轴与钻架相接，他们的作用是调平找正钻架、防止钻架松动和克服来自钻头的反扭矩和反作用。

(5)辅助卸扣装置（卡盘）

钻机拆卸钻杆靠动力水龙头的反扭矩，为满足拆卸钻杆的需要，本机设计一个辅助卸扣装置。它是一个油缸，导向滑道和棘爪组成。该装置的扭矩大于液压马达的扭矩，将钻杆抱死， 使用时液压马达和卸扣装置共同起作用。

(6)转盘吊及机械手

转盘吊是由液压油缸控制起升和下放的小型起重设备，可在360度范围内吊运钻杆。机械手将由转盘吊送来的钻杆送至钻架中间，它由钻杆抱卡、翻转板及液压油缸组成。

其中钻架是钻机的一个重要部件，它不仅支撑动力水龙头，承受数十吨的拉力，还要承受来自钻头的反扭矩，要求它具有足够的强度和刚度，一般情况下不允许自行拆卸钻架。

动力水龙头、滑轨和主推力缸用焊接的方式结合在一起，主推力缸放在滑轨的导向筒里，上端用螺母锁紧，这样三大部件便成为一个整体，主推力缸的活塞头与钻架底座铰接，当主推力缸伸缩时便带动动力水龙头升降，从而产生钻进所需的拉力和推力。动力水龙头是钻机的核心部分，它是动作的执行机构，液压马达将回转运动通过两级齿轮传动传递给中心管和机头，机头由棘轮套、活动套和承载接头等构成。动力水龙头止端有洗井液接头，与洗井液高压软管连接，旋转与固定部分的密封采用石棉盘根。

2． 泵车

泵车由油箱、主液压泵、辅液压泵、驱动电机、冷却器、吸回油过滤器和平车等组成，它将电能转化为液压能(即压力油)，不断的提供给操作台及各执行机构，完成钻进工作，其外形尺寸为291510901715mm。

3．操作车

操作车由操作台、座椅和平车组成，操作台为一框架结构，里面安装了许多控制阀和压力表，除转盘吊在钻机车上外，其他所有机构的动作均在此操作台上控制，其外形尺寸为

228210401461。在该车上装有操作台和液压系统的全部控制元件。

(1)回转系统

该系统由主液压泵提供压力油，通过一组多路换向阀分配给液压马达，由换向阀控制马达正、反转。

(2)给进系统

该系统由辅助液压泵供压力油，通过另一组多路换向阀将压力油分配给主液压油缸。利用背压阀调节钻压(或扩孔时的拉力)以保证恒压钻进。

(3)动力水龙头快速升降系统

利用主液压泵的大流量，通过控制液压马达的多路换向阀将压力油分配给主液压油缸实现快速提升和下放钻具。

(4)辅助系统

包括转盘吊液压油缸，卸扣液压缸、机械手液压缸及上下支撑用的液压缸的控制回路。

(5)滤油装置和油冷却装置

在油箱的回油口与吸油口之间、在主液压泵与辅助液压泵的吸油口上分别装有滤油器。另外，在主液压泵的吸油口还装有高压滤油器。在冷却器进油口设有低压滤油器。

4． 钻具

钻具包括普通钻杆、开孔钻杆、稳定钻杆、导孔钻头和扩孔钻头。 普通钻杆有效长度lm，外径182mm，材质为36CrMoA优质台金结构钢。开孔钻杆的外径加工精度和同心度要求比普

通钻杆高， 以保证开孔时钻孔的垂直度。稳定钻杆的外径略小于导孔钻头直径，其作用是保证导孔钻进的垂直度。

本机具有下列特点：

（1）钻机能力大，钻井工艺简单，能满足煤矿等不同地质条件以及多种孔径的施工要求。

（2）采用全液压驱动，结构紧凑，重量轻，功率省。

（3） 安装运输简单省力，迅速安全，主机的竖立、放躺以及调整不需要辅助设备。

（4）主机液压系统简单可靠，操作容易，大部分液压元件以及密封元件与井下综采设备液压元件通用，便于维修更换。

（5）钻杆丝扣采用API国际通用标准，可靠安全，互换性好，寿命长，钻机还配有多种特制的开孔钻杆和稳定钻杆，能有效的防止井孔偏斜。

（6）钻机工序实现了机械化作业，操作简单安全，辅助时间短，改善了劳动条件，减轻了劳动强度。

（7）钻机适用性强，可在较复杂地媒系岩层，如膨胀性岩层，断层以及涌水量大的地址条件下施工。

（8） 钻机时防爆型的，使用于各种瓦斯矿，扩孔有喷水装置，可以降尘及冷却刀具。

二、反井钻机工作原理

反井钻机采用由上向下钻导孔,由下向上扩孔,需要上下水平都形成生产系统,其中上水平主要是主机和导孔洗井液循环系统、冷却系统等。下水平主要是出渣系统,包括装岩机和运输设备。钻具部分包括钻杆、钻头和破岩滚刀。RBM-200型反井钻机,其工作原理为,液压马达驱动动力水龙头,将扭矩传递给钻具系统,带动钻具旋转,破岩采用镶齿盘形滚刀,滚刀在钻压的作用下沿井底滚动,从而对岩石产生冲击,挤压和剪切作用,使其破碎。导孔时岩屑沿钻杆与孔壁间的环行空间由洗井液提升到上水平,扩孔时岩屑靠自重落到下水平。

改造后的新液压系统为双回路结构，左侧为动力头旋转回路和主推力缸快速运动回路，右侧为辅助系统供油回路和动力头工进供油回路。

动力头在导孔和扩孔时由变量泵2供油，电磁换向阀17用来控制液压马达的正转或反转。电液比例流量阀16是液压马达调速阀，它通过控制液压马达的供油量对液压马达进行调速。主推力缸有两路供油回路，在工进时由辅泵4供油，溢流阀12控制供油压力。辅助系统供油回路上的电磁换向阀19控制主推力缸的运动方向，液压锁21用来对液压缸进行固定，使其停留在一个工作位置。单向顺序阀22使主推力缸保持一定的背压，防止工进结束时发生前冲；主推力缸还可由主泵供油，满足装卸钻杆时快速升降的要求，主泵供油回路上的电磁换向阀19控制供油方向。液压马达和主推力缸的主泵供油回路上都设置了电液比例流量阀，用来对油路上的压力进行实时控制，以确保反井钻机正常运转。其他辅助油缸都由辅泵供油。

三、反井钻机的基本操作

1、接钻杆

（1）导孔钻进时每钻完一根钻杆上提钻具200毫米，冲洗井底2～5分钟，然后停转，将下卡瓦卡住钻杆下方扁。控制按钮使动力头慢转以使下卡瓦外齿对正卡座内齿，然后停止转动。

控制按钮下放动力头，将下卡瓦进入卡座。

（2）控制按钮使辅助卸扣装置的棘爪扣住并推动棘轮，一旦松动则收回辅助卸扣装置。

（3）控制按钮进行卸扣，同时控制按钮向上慢慢提起动力水龙头使动力头活动套指标杆处于中间位置，卸开后将动力头上升至最高位置。

（4）在钻杆公扣上均匀涂抹丝扣油。

（5）操作转盘吊控制阀，将钻杆车上的钻杆吊放到机械手上。控制按钮把钻杆送入钻机中心。

（6）控制按钮下放动力头，使活动套指示杆处于最上位置。控制按钮正转动力头，待上端丝扣接好后立即停转，上升动力头，使指示杆处于最低位置。松开机械手并返回原位，然后接下端丝扣。最后上升动力头，取出卡瓦，使可能转入钻进。

2、卸钻杆

（1）扩孔钻进一根钻杆后，动力头停转。用下卡瓦卡住下一根钻杆的下方扁，下放动力学水龙头，将下卡瓦进入卡座。

（2）操作辅助卸扣装置和马达反转松扣，使钻杆上端丝扣松动。

（3）上升动力水龙头使活动套指示杆处于最低位置，用上卡瓦卡住钻杆上方扁，下放动力头使上卡瓦进入动力头内齿圈，反转马达，并慢慢上升动力头，使上卡瓦始终在内齿圈里直到下端丝扣卸开。

（4）上升动力水龙头，卸下上卡瓦，操作机械手，抱住钻杆，马达反转，卸下上端丝扣。

（5）将动力水龙头上升至最高位置，收回机械手并用转盘吊将钻杆吊放到钻杆车上。

（6）在钻杆公扣上均匀涂抹丝扣油。【注：在执行步骤2时，若首先使下端丝扣松动，则应先将丝扣重新拧紧，取出下卡瓦，下放动力头，用下卡瓦卡住所卸钻杆的下方扁，并使之进入卡座。用步骤2使丝扣松动（注意松开不能超过1/2转），提起动力头，将下卡瓦重新卡住下一根钻杆的下方扁，并放入卡座，执行步骤3，4，5。】

（7）下放动力头，使活动套指示杆处于最高位置，马达正转接扣，上紧丝扣后，提升动力头，取出下卡瓦，进行扩孔钻进。

3、开孔钻进

（1）调整动力水龙头出轴转速为额定值。

（2）将动力水龙头升至最高位置，把事先与异型钻杆相连接的导孔钻头移入钻架底孔并用下卡瓦卡住异型钻杆的下方扁，设法将卡瓦放入卡座。

（3）钻杆放入机械手，卡住钻杆，操作机械手，将开孔钻杆送入钻架。

（4）接开孔钻杆，收回机械手。

（5）上升动力水龙头，取出下卡瓦，将扶正器装在开孔钻杆上，下放动力水龙头，使之进入卡座。

（6）开泵供洗井液和冷却器用水。

（7）控制按钮，使动力水龙头正转，同时控制按钮，使动力水龙头向下推进，同时调节阀<11>、阀<12>使之为所需钻压，开始开孔钻进。

（8）开孔一般为5～8米，开孔结束后，拆去扶正器，换下开孔钻杆，接上正常钻进时的钻具组合，进入正常的导孔钻进。

4、导孔钻进

（1）一般情况下，导孔钻进转速应高于开孔钻进转速，所以应调节动力水龙头出轴转速，可以用Ⅱ档或Ⅲ档。

（2）钻压控制。一般情况下，对于松软地层和过渡地层应采用低钻压，对于硬岩和稳定地层宜采用高钻压。

（3）在钻透下水平左右，应逐渐降低钻压。

5、Φ1.4米扩孔钻进

（1）导孔钻透后,在下巷道用卸扣器将导孔钻头和异型钻杆卸下,接上1.4米扩孔钻头。

（2）调节动力水龙头出轴转速为预定值,可用Ⅱ档或Ⅰ档。

（3）拆去冲洗液软管，用一个三通将冷却水泵的水分出一部分供扩孔钻头以冷却钻头、消尘。

（4）在扩孔钻头全部进入钻孔时，为防止钻头剧烈晃动而损坏刀刀具，应就使用低钻压、低转速，待钻头全部进入后方可加压钻进。

（5）扩孔钻压的大小是根据地层的具体情况而定的。从刀具的使用寿命来看，一般不宜超过300千牛顿，即30吨。

6、Φ2.0米扩孔钻进

（1）1.4米扩到上水平后,将钻头中心与钻杆连接丝扣卸松,并再轻微紧上,然后将钻头下放到下水平,拆下1.4米扩孔钻头,换上2.0米扩孔钻头。

（2）调节动力水龙头出轴转速为Ⅰ档（即最低速）。

（3）同1.4米扩孔一样，用小钻压开孔，待钻头整个进入空内后，方可加压钻进。钻压一般不宜超过300千牛顿，即30吨。

（4）钻进到稳定器露出停钻，将钻头卡在井口位置，钻机拆离井口，采用放小炮松动岩石，用人工方法去掉上部岩石，露出扩孔钻头，以便将钻头提出井孔。

四、本反井钻机研究的特点

本反井钻机在分析研究国外反井钻机基础上，结合我国的实际，在国产反井钻机基础上，作了以下改进：

1、 采用电液比例流量阀、电磁换向阀等对液压控制系统进行了改进，操作灵活、方便；

2、 对扩孔钻头岩石切削工作原理进行了深入研究，对扩孔钻头结构作了改进，使滚刀布局更加科学、高效；

3、 研究了反井钻机钻压、钻进速度与围岩类型、液压系统流量等参数之间的关联关系；开发了一个反井钻机参数选择计算机辅助决策支持原型系统；

4、 对扩孔钻头滚刀滚齿材料作了试验研究，在硬度相近的情况下，采用碳化钨铁铝合金成本将减少约1/3。