反井鉆機(jī)結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及工作原理
 

一、反井鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)

如圖1，RBM—200型反井鉆機(jī)主要由鉆機(jī)車1、泵車2、操作車3和鉆具4(包括鉆桿，鉆頭)以及輔助工具等組成。

1. 鉆機(jī)車      2. 操作車     3. 泵車     4. 鉆具
圖1  RBM—200型反井鉆機(jī) 1． 鉆機(jī)車
鉆機(jī)車（如圖2）是鉆機(jī)的主機(jī)，它由鉆架9、動(dòng)力水龍頭7、主液壓缸5、上（下）支撐6（10）、輔助卸扣裝置16和輸送鉆桿的機(jī)械手13等組成。
5. 主推力缸   6. 上支撐    7. 動(dòng)力水龍頭    8. 滑軌    9. 鉆架    10. 下支撐 
11. 鉆機(jī)平車   12. 轉(zhuǎn)盤吊    13. 機(jī)械手   14. 后拉桿   15. 前拉桿   16. 輔助卸扣裝置

(1)鉆架
采用兩個(gè)槽形架作立柱，上下用蓋板通過高強(qiáng)螺栓連成框形機(jī)架。架內(nèi)兩側(cè)有導(dǎo)向軌供動(dòng)力水龍頭滑動(dòng)用，底盤可固定鉆桿，還可同扶正套相配。
(2)動(dòng)力水龍頭
它是鉆機(jī)的核心部件，包括液壓馬達(dá)、齒輪箱和軌襯。動(dòng)力水龍頭機(jī)頭部位既承受拉力又傳遞扭矩。 
(3)主液壓油缸
采用雙作用主液壓油缸。工作時(shí)缸筒運(yùn)動(dòng)?；钊麠U不動(dòng) 為避免高壓油管經(jīng)常運(yùn)動(dòng)造成磨損，進(jìn)油口不設(shè)在缸筒上，而由活塞桿中心供油。
(4)上、下支撐
上支撐由兩個(gè)液壓油缸和加長(zhǎng)桿組成，用以頂住巷道頂板。下支撐根據(jù)地面、并在不同使用條件設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)，前者用固定式下支承板結(jié)構(gòu)，可與基礎(chǔ)直接用地腳螺拴連接，并在使用時(shí)采用液壓油缸支承螺桿承壓。上下支撐分別安裝在鉆架兩側(cè)，上下支撐實(shí)際上是兩個(gè)的液壓千斤頂，它們都是用螺栓和銷軸與鉆架相接，他們的作用是調(diào)平找正鉆架、防止鉆架松動(dòng)和克服來自鉆頭的反扭矩和反作用。
(5)輔助卸扣裝置（卡盤）
鉆機(jī)拆卸鉆桿靠動(dòng)力水龍頭的反扭矩，為滿足拆卸鉆桿的需要，本機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)輔助卸扣裝置。它是一個(gè)油缸，導(dǎo)向滑道和棘爪組成。該裝置的扭矩大于液壓馬達(dá)的扭矩，將鉆桿抱死， 使用時(shí)液壓馬達(dá)和卸扣裝置共同起作用。
(6)轉(zhuǎn)盤吊及機(jī)械手
轉(zhuǎn)盤吊是由液壓油缸控制起升和下放的小型起重設(shè)備，可在360度范圍內(nèi)吊運(yùn)鉆桿。機(jī)械手將由轉(zhuǎn)盤吊送來的鉆桿送至鉆架中間，它由鉆桿抱卡、翻轉(zhuǎn)板及液壓油缸組成。
其中鉆架是鉆機(jī)的一個(gè)重要部件，它不僅支撐動(dòng)力水龍頭，承受數(shù)十噸的拉力，還要承受來自鉆頭的反扭矩，要求它具有足夠的強(qiáng)度和剛度，一般情況下不允許自行拆卸鉆架。
動(dòng)力水龍頭、滑軌和主推力缸用焊接的方式結(jié)合在一起，主推力缸放在滑軌的導(dǎo)向筒里，上端用螺母鎖緊，這樣三大部件便成為一個(gè)整體，主推力缸的活塞頭與鉆架底座鉸接，當(dāng)主推力缸伸縮時(shí)便帶動(dòng)動(dòng)力水龍頭升降，從而產(chǎn)生鉆進(jìn)所需的拉力和推力。動(dòng)力水龍頭是鉆機(jī)的核心部分，它是動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，液壓馬達(dá)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過兩級(jí)齒輪傳動(dòng)傳遞給中心管和機(jī)頭，機(jī)頭由棘輪套、活動(dòng)套和承載接頭等構(gòu)成。動(dòng)力水龍頭止端有洗井液接頭，與洗井液高壓軟管連接，旋轉(zhuǎn)與固定部分的密封采用石棉盤根。
 
2． 泵車
泵車由油箱、主液壓泵、輔液壓泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、冷卻器、吸回油過濾器和平車等組成，它將電能轉(zhuǎn)化為液壓能(即壓力油)，不斷的提供給操作臺(tái)及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成鉆進(jìn)工作，其外形尺寸為
 
3．操作車
操作車由操作臺(tái)、座椅和平車組成，操作臺(tái)為一框架結(jié)構(gòu)，里面安裝了許多控制閥和壓力表，除轉(zhuǎn)盤吊在鉆機(jī)車上外，其他所有機(jī)構(gòu)的動(dòng)作均在此操作臺(tái)上控制，其外形尺寸為。在該車上裝有操作臺(tái)和液壓系統(tǒng)的全部控制元件。
(1)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)
該系統(tǒng)由主液壓泵提供壓力油，通過一組多路換向閥分配給液壓馬達(dá)，由換向閥控制馬達(dá)正、反轉(zhuǎn)。
(2)給進(jìn)系統(tǒng)
該系統(tǒng)由輔助液壓泵供壓力油，通過另一組多路換向閥將壓力油分配給主液壓油缸。利用背壓閥調(diào)節(jié)鉆壓(或擴(kuò)孔時(shí)的拉力)以保證恒壓鉆進(jìn)。
(3)動(dòng)力水龍頭快速升降系統(tǒng)
利用主液壓泵的大流量，通過控制液壓馬達(dá)的多路換向閥將壓力油分配給主液壓油缸實(shí)現(xiàn)快速提升和下放鉆具。
(4)輔助系統(tǒng)
包括轉(zhuǎn)盤吊液壓油缸，卸扣液壓缸、機(jī)械手液壓缸及上下支撐用的液壓缸的控制回路。
(5)濾油裝置和油冷卻裝置
在油箱的回油口與吸油口之間、在主液壓泵與輔助液壓泵的吸油口上分別裝有濾油器。另外，在主液壓泵的吸油口還裝有高壓濾油器。在冷卻器進(jìn)油口設(shè)有低壓濾油器。
 
4． 鉆具
鉆具包括普通鉆桿、開孔鉆桿、穩(wěn)定鉆桿、導(dǎo)孔鉆頭和擴(kuò)孔鉆頭。 普通鉆桿有效長(zhǎng)度lm，外徑182mm，材質(zhì)為36CrMoA優(yōu)質(zhì)臺(tái)金結(jié)構(gòu)鋼。開孔鉆桿的外徑加工精度和同心度要求比普通鉆桿高， 以保證開孔時(shí)鉆孔的垂直度。穩(wěn)定鉆桿的外徑略小于導(dǎo)孔鉆頭直徑，其作用是保證導(dǎo)孔鉆進(jìn)的垂直度。
本機(jī)具有下列特點(diǎn)：
（1）鉆機(jī)能力大，鉆井工藝簡(jiǎn)單，能滿足煤礦等不同地質(zhì)條件以及多種孔徑的施工要求。
（2）采用全液壓驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率省。
（3） 安裝運(yùn)輸簡(jiǎn)單省力，迅速安全，主機(jī)的豎立、放躺以及調(diào)整不需要輔助設(shè)備。
（4）主機(jī)液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，操作容易，大部分液壓元件以及密封元件與井下綜采設(shè)備液壓元件通用，便于維修更換。
（5）鉆桿絲扣采用API國際通用標(biāo)準(zhǔn)，可靠安全，互換性好，壽命長(zhǎng)，鉆機(jī)還配有多種特制的開孔鉆桿和穩(wěn)定鉆桿，能有效的防止井孔偏斜。
（6）鉆機(jī)工序?qū)崿F(xiàn)了機(jī)械化作業(yè)，操作簡(jiǎn)單安全，輔助時(shí)間短，改善了勞動(dòng)條件，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。
（7）鉆機(jī)適用性強(qiáng)，可在較復(fù)雜地媒系巖層，如膨脹性巖層，斷層以及涌水量大的地址條件下施工。
（8） 鉆機(jī)時(shí)防爆型的，使用于各種瓦斯礦，擴(kuò)孔有噴水裝置，可以降塵及冷卻刀具。

二、反井鉆機(jī)工作原理

反井鉆機(jī)采用由上向下鉆導(dǎo)孔,由下向上擴(kuò)孔,需要上下水平都形成生產(chǎn)系統(tǒng),其中上水平主要是主機(jī)和導(dǎo)孔洗井液循環(huán)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。下水平主要是出渣系統(tǒng),包括裝巖機(jī)和運(yùn)輸設(shè)備。鉆具部分包括鉆桿、鉆頭和破巖滾刀。RBM-200型反井鉆機(jī),其工作原理為,液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力水龍頭,將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng),帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn),破巖采用鑲齒盤形滾刀,滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動(dòng),從而對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊,擠壓和剪切作用,使其破碎。導(dǎo)孔時(shí)巖屑沿鉆桿與孔壁間的環(huán)行空間由洗井液提升到上水平,擴(kuò)孔時(shí)巖屑靠自重落到下水平。
改造后的新液壓系統(tǒng)為雙回路結(jié)構(gòu)，左側(cè)為動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)回路和主推力缸快速運(yùn)動(dòng)回路，右側(cè)為輔助系統(tǒng)供油回路和動(dòng)力頭工進(jìn)供油回路。 
動(dòng)力頭在導(dǎo)孔和擴(kuò)孔時(shí)由變量泵2供油，電磁換向閥17用來控制液壓馬達(dá)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。電液比例流量閥16是液壓馬達(dá)調(diào)速閥，它通過控制液壓馬達(dá)的供油量對(duì)液壓馬達(dá)進(jìn)行調(diào)速。主推力缸有兩路供油回路，在工進(jìn)時(shí)由輔泵4供油，溢流閥12控制供油壓力。輔助系統(tǒng)供油回路上的電磁換向閥19控制主推力缸的運(yùn)動(dòng)方向，液壓鎖21用來對(duì)液壓缸進(jìn)行固定，使其停留在一個(gè)工作位置。單向順序閥22使主推力缸保持一定的背壓，防止工進(jìn)結(jié)束時(shí)發(fā)生前沖；主推力缸還可由主泵供油，滿足裝卸鉆桿時(shí)快速升降的要求，主泵供油回路上的電磁換向閥19控制供油方向。液壓馬達(dá)和主推力缸的主泵供油回路上都設(shè)置了電液比例流量閥，用來對(duì)油路上的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以確保反井鉆機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。其他輔助油缸都由輔泵供油。

三、反井鉆機(jī)的基本操作

1、接鉆桿
（1）導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)每鉆完一根鉆桿上提鉆具200毫米，沖洗井底2～5分鐘，然后停轉(zhuǎn)，將下卡瓦卡住鉆桿下方扁。控制按鈕使動(dòng)力頭慢轉(zhuǎn)以使下卡瓦外齒對(duì)正卡座內(nèi)齒，然后停止轉(zhuǎn)動(dòng)。控制按鈕下放動(dòng)力頭，將下卡瓦進(jìn)入卡座。
（2）控制按鈕使輔助卸扣裝置的棘爪扣住并推動(dòng)棘輪，一旦松動(dòng)則收回輔助卸扣裝置。
（3）控制按鈕進(jìn)行卸扣，同時(shí)控制按鈕向上慢慢提起動(dòng)力水龍頭使動(dòng)力頭活動(dòng)套指標(biāo)桿處于中間位置，卸開后將動(dòng)力頭上升至最高位置。
（4）在鉆桿公扣上均勻涂抹絲扣油。
（5）操作轉(zhuǎn)盤吊控制閥，將鉆桿車上的鉆桿吊放到機(jī)械手上?？刂瓢粹o把鉆桿送入鉆機(jī)中心。
（6）控制按鈕下放動(dòng)力頭，使活動(dòng)套指示桿處于最上位置?？刂瓢粹o正轉(zhuǎn)動(dòng)力頭，待上端絲扣接好后立即停轉(zhuǎn)，上升動(dòng)力頭，使指示桿處于最低位置。松開機(jī)械手并返回原位，然后接下端絲扣。最后上升動(dòng)力頭，取出卡瓦，使可能轉(zhuǎn)入鉆進(jìn)。
2、卸鉆桿
（1）擴(kuò)孔鉆進(jìn)一根鉆桿后，動(dòng)力頭停轉(zhuǎn)。用下卡瓦卡住下一根鉆桿的下方扁，下放動(dòng)力學(xué)水龍頭，將下卡瓦進(jìn)入卡座。
（2）操作輔助卸扣裝置和馬達(dá)反轉(zhuǎn)松扣，使鉆桿上端絲扣松動(dòng)。
（3）上升動(dòng)力水龍頭使活動(dòng)套指示桿處于最低位置，用上卡瓦卡住鉆桿上方扁，下放動(dòng)力頭使上卡瓦進(jìn)入動(dòng)力頭內(nèi)齒圈，反轉(zhuǎn)馬達(dá)，并慢慢上升動(dòng)力頭，使上卡瓦始終在內(nèi)齒圈里直到下端絲扣卸開。
（4）上升動(dòng)力水龍頭，卸下上卡瓦，操作機(jī)械手，抱住鉆桿，馬達(dá)反轉(zhuǎn)，卸下上端絲扣。
（5）將動(dòng)力水龍頭上升至最高位置，收回機(jī)械手并用轉(zhuǎn)盤吊將鉆桿吊放到鉆桿車上。
（6）在鉆桿公扣上均勻涂抹絲扣油?！咀ⅲ涸趫?zhí)行步驟2時(shí)，若首先使下端絲扣松動(dòng)，則應(yīng)先將絲扣重新擰緊，取出下卡瓦，下放動(dòng)力頭，用下卡瓦卡住所卸鉆桿的下方扁，并使之進(jìn)入卡座。用步驟2使絲扣松動(dòng)（注意松開不能超過1/2轉(zhuǎn)），提起動(dòng)力頭，將下卡瓦重新卡住下一根鉆桿的下方扁，并放入卡座，執(zhí)行步驟3，4，5?！?br /> （7）下放動(dòng)力頭，使活動(dòng)套指示桿處于最高位置，馬達(dá)正轉(zhuǎn)接扣，上緊絲扣后，提升動(dòng)力頭，取出下卡瓦，進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)。
3、開孔鉆進(jìn)
（1）調(diào)整動(dòng)力水龍頭出軸轉(zhuǎn)速為額定值。
（2）將動(dòng)力水龍頭升至最高位置，把事先與異型鉆桿相連接的導(dǎo)孔鉆頭移入鉆架底孔并用下卡瓦卡住異型鉆桿的下方扁，設(shè)法將卡瓦放入卡座。
（3）鉆桿放入機(jī)械手，卡住鉆桿，操作機(jī)械手，將開孔鉆桿送入鉆架。
（4）接開孔鉆桿，收回機(jī)械手。
（5）上升動(dòng)力水龍頭，取出下卡瓦，將扶正器裝在開孔鉆桿上，下放動(dòng)力水龍頭，使之進(jìn)入卡座。
（6）開泵供洗井液和冷卻器用水。
（7）控制按鈕，使動(dòng)力水龍頭正轉(zhuǎn)，同時(shí)控制按鈕，使動(dòng)力水龍頭向下推進(jìn)，同時(shí)調(diào)節(jié)閥<11>、閥<12>使之為所需鉆壓，開始開孔鉆進(jìn)。
（8）開孔一般為5～8米，開孔結(jié)束后，拆去扶正器，換下開孔鉆桿，接上正常鉆進(jìn)時(shí)的鉆具組合，進(jìn)入正常的導(dǎo)孔鉆進(jìn)。
4、導(dǎo)孔鉆進(jìn)
（1）一般情況下，導(dǎo)孔鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速應(yīng)高于開孔鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速，所以應(yīng)調(diào)節(jié)動(dòng)力水龍頭出軸轉(zhuǎn)速，可以用Ⅱ檔或Ⅲ檔。
（2）鉆壓控制。一般情況下，對(duì)于松軟地層和過渡地層應(yīng)采用低鉆壓，對(duì)于硬巖和穩(wěn)定地層宜采用高鉆壓。
（3）在鉆透下水平左右，應(yīng)逐漸降低鉆壓。
5、Φ1.4米擴(kuò)孔鉆進(jìn)
（1）導(dǎo)孔鉆透后,在下巷道用卸扣器將導(dǎo)孔鉆頭和異型鉆桿卸下,接上米擴(kuò)孔鉆頭。
（2）調(diào)節(jié)動(dòng)力水龍頭出軸轉(zhuǎn)速為預(yù)定值,可用Ⅱ檔或Ⅰ檔。
（3）拆去沖洗液軟管，用一個(gè)三通將冷卻水泵的水分出一部分供擴(kuò)孔鉆頭以冷卻鉆頭、消塵。
（4）在擴(kuò)孔鉆頭全部進(jìn)入鉆孔時(shí)，為防止鉆頭劇烈晃動(dòng)而損壞刀刀具，應(yīng)就使用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速，待鉆頭全部進(jìn)入后方可加壓鉆進(jìn)。
（5）擴(kuò)孔鉆壓的大小是根據(jù)地層的具體情況而定的。從刀具的使用壽命來看，一般不宜超過300千牛頓，即30噸。
6、Φ2.0米擴(kuò)孔鉆進(jìn)
（1）1.4米擴(kuò)到上水平后,將鉆頭中心與鉆桿連接絲扣卸松,并再輕微緊上,然后將鉆頭下放到下水平,拆下1.4米擴(kuò)孔鉆頭,換上2.0米擴(kuò)孔鉆頭。
（2）調(diào)節(jié)動(dòng)力水龍頭出軸轉(zhuǎn)速為Ⅰ檔（即最低速）。
（3）同1.4米擴(kuò)孔一樣，用小鉆壓開孔，待鉆頭整個(gè)進(jìn)入空內(nèi)后，方可加壓鉆進(jìn)。鉆壓一般不宜超過300千牛頓，即30噸。
（4）鉆進(jìn)到穩(wěn)定器露出停鉆，將鉆頭卡在井口位置，鉆機(jī)拆離井口，采用放小炮松動(dòng)巖石，用人工方法去掉上部巖石，露出擴(kuò)孔鉆頭，以便將鉆頭提出井孔。

四、本反井鉆機(jī)研究的特點(diǎn)

本反井鉆機(jī)在分析研究國外反井鉆機(jī)基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的實(shí)際，在國產(chǎn)反井鉆機(jī)基礎(chǔ)上，作了以下改進(jìn)：
1、 采用電液比例流量閥、電磁換向閥等對(duì)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，操作靈活、方便；
2、 對(duì)擴(kuò)孔鉆頭巖石切削工作原理進(jìn)行了深入研究，對(duì)擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)，使?jié)L刀布局更加科學(xué)、高效；
3、 研究了反井鉆機(jī)鉆壓、鉆進(jìn)速度與圍巖類型、液壓系統(tǒng)流量等參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；開發(fā)了一個(gè)反井鉆機(jī)參數(shù)選擇計(jì)算機(jī)輔助決策支持原型系統(tǒng)；
4、 對(duì)擴(kuò)孔鉆頭滾刀滾齒材料作了試驗(yàn)研究，在硬度相近的情況下，采用碳化鎢鐵鋁合金成本將減少約1/3。

反井鉆機(jī)結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及工作原理