CN109113577A - 一种开挖式自动化辐射井水平钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开挖式自动化辐射井水平钻机，它包括回转工作台及其驱动部件Ⅰ，回转工作台通过转动部件安装在底座上且在驱动部件Ⅰ的驱动下回转工作台可在360度范围内调整方向；矩形框架及其支撑部件Ⅱ，矩形框架通过滑动机构Ⅰ安装在回转工作台上，动力头总成，所述动力头总成通过滑动机构Ⅱ和进给油缸安装在矩形框架上，且所述动力头总成夹持钻杆并驱动钻杆进行转动和直线进给；还包括钻杆供应总成及其驱动部件Ⅱ、钻杆抓取部件，和钻杆夹持部件。本发明结构简单紧凑，可自动换向，且采用模块化的装杆装置，缩短整个换杆周期，可以适用于开挖工作方式的井下工作环境。

Description

一种开挖式自动化辐射井水平钻机

技术领域

本发明涉及一种在辐射井施工过程中铺设水平辐射管的专用工程机械技术领域，具体涉及一种开挖式自动化辐射井水平钻机。

背景技术

浅层地下水易补给、易抽取，是我国优先开发的地下水资源。辐射井相较普通井，可以极大地增加出水量，宜广泛推广。

开挖式自动化辐射井水平钻机应用于在采用开挖方式进行辐射井施工过程中铺设水平辐射管。

目前，开挖式辐射井施工通常是通过大型的旋挖钻机旋挖竖井，并铺设竖井管道，管道直径通常在1.5m至4m之间。在竖井施工完成后再进行水平辐射管施工。水平辐射管的施工设备需要吊装至井下，在井下展开水平钻孔工作。通常方法是，通过在地面处，使用起重设备将一个与竖井直径相当的圆形工作平台悬吊在竖井中，并安装在竖井中需要铺设水平辐射孔的水平高度的位置。

然后，再将辐射井水平钻机放在该工作平台上，通过液压设备支撑住竖井管壁将钻机固定在要铺设水平辐射管的方向。钻杆通过起重设备运送到井下工作平台上，通过井下工作人员手动装夹。钻杆的长度通常在0.9m至1.2m之间，直径通常在100mm至130mm之间，壁厚在6mm至8mm之间。钻杆通常也是集水管，即钻杆在铺设完成后并不抽出而是作为集水管保留在砂石或土壤中。钻杆上有集水孔，孔的直径通常在10mm至15mm。孔的数量根据当地水文状况有所增减。每条连续的辐射管道的长度根据当地的水文状况有所变化，从几米至几十米不等。在铺管时每根钻杆首尾之间通过螺纹连接。在完成一个方向的辐射孔铺管后需要通过起重设备悬吊水平钻机转换方向，多条辐射管道以竖井轴线为基准进行辐射布置，所以也称为辐射井。在完成一个水平高度全部的辐射孔铺管后，需要通过起重设备悬吊圆形工作平台调整水平高度，进行多层次的辐射管道的铺设。

可以看出，目前通常采用的水平钻机以及其工作方式存在诸多不足之处。其一，需要工作人员在井下采用人工方式安装钻杆，也就是是说，需要进行井下作业。其二，在同一水平高度更换钻进方向时，需起重设备悬吊再通过井下工作人员搬动钻机进行换向。这些不足会导致工作人员需要在具有一定危险性的井下长时间工作且工作强度大。通常需要3至4名工作人员在井下配合工作完成铺管工作。另外，纯人工的装杆作业，水平管铺设效率低，工期时间长等结果。

由CN 1556301 A已知一种辐射井水平辐射管全液压施工设备。该设备包括井上与井下两部分，井上部分包括动力站、液压油站与液压泵站，通过高压管道与井下部分相连。井下部分包括机架、液压推进装置、动力头、支撑装置、调平装置等。该钻机应用在竖井井下铺设水平辐射管。工作时，通过调平装置调平钻机并通过支撑装置固定钻机。通过工作人员将钻杆通过螺纹连接安装到动力头主轴上，启动动力头并通过液压推进装置推进动力头，完成一根钻杆的铺设。

由CN 1556301 A可知该钻机缺点在于：该钻机需要工作人员在井下通过人工安装钻杆且在同水平高度换向时需要起重设备配合人工完成操作。存在工作人员井下工作时间长，劳动强度大的不足，导致水平管铺设效率低，工期时间长等结果。

由CN 104358516 A已知一种结构紧凑的微开挖水平钻机，该设备包括液压泵站、液压管道、液压操作台、主机架、可拆卸夹持器、水泥管托架、旋转动力头和顶撑装置。该钻机在开挖井下工作时需要通过顶撑装置固定钻机，通过工作人员人工将钻杆安装在可拆卸夹持器上，通过动力头旋转带动钻杆旋转，通过油缸进给装置推动钻杆，完成一支钻杆钻进。

由CN 104358516 A可知该钻机缺点在于：该钻机同样需要工作人员在井下通过人工安装钻杆且在同水平高度换向时需要起重设备配合人工完成操作。存在工作人员井下工作时间长，劳动强度大的不足，导致水平管铺设效率低，工期时间长等结果。

由CN105863513 A已知一种水平钻机，该钻机包括钻机本体、钻臂、推拉装置、用于存放钻杆的换杆装置、及夹钳机构。由于存在换杆装置，该钻机可以实现无人换杆。该钻机具备自动装杆的功能，但是向钻杆储存装置中预存装杆会消耗很多时间，使得装杆的全周期变长，装杆效率低。同时，该装杆机构的结构复杂，整个钻机体积庞大，不适用于空间狭小的开挖式井下工作方式。并且该钻机并不具有在同水平高度，自动转向的功能。

由CN105863513 A可知该钻机缺点在于：该钻机结构复杂，体积庞大，适用于非开挖水平管铺设工作，并不适用于在开挖井下工作，同时预存钻杆消耗时间较长，装杆全周期变长，装杆效率低，且无法在同水平高度换向。

由CN 20673786 U已知一种新型旋转式自动装杆器，该装杆器包括大梁支架、顶杆机构、齿轮箱动力头、虎钳、取杆机构与转臂。该装杆器可以实现钻杆的安装。该装杆器的结构为装杆器与钻机在同水平平行布局，不适用于井下水平方向空间狭小的工作环境。同时，该钻机需要关停钻机再向蓄杆装置中预存钻杆，使得装杆的全周期变长，装杆效率降低。

由CN 20673786 U可知该钻机缺点在于：该钻机结构复杂，且在同水平平行布局装杆器与钻机。适用于非开挖水平管铺设工作，并不适用于在开挖井下工作，且无法在同水平高度换向。

由以上水平钻机存在的缺点可以看出：目前存在的适用于开挖工作方式的水平钻机不具备自动装杆能力且也不具备自动转向能力。而具有自动装杆装置的水平钻机因其结构复杂、体积庞大而只能在非开挖工作方式下使用。在工作状况限制的情况下，只能采用开挖工作方式工作就会造成工作人员在井下长时间高强度工作，导致工作效率低，工期时间长等。

因此，需要一种可以采用开挖工作方式在井下工作的结构简单、体积小的水平钻机。要求既可以适应井下相对较小的空间，又可以实现钻杆的自动安装，钻机自动换向。

发明内容

现有钻机存在诸多不足之处：开挖式辐射井水平钻机需要人工井下操作，人工装杆、人工换向等，不具备装杆、换向装置；非开挖水平钻机目前实现了自动装杆但是钻机结构复杂，钻机体积庞大，并不适用于开挖方式的井下工作环境，且需人工手动向钻杆储存装置中预存钻杆，导致整个装杆周期内效率低。同时，非开挖水平钻机并不具备转向功能，无法改变铺管方向。本发明的目的是提供一种开挖式自动化辐射井水平钻机，结构简单紧凑，可自动换向，且采用模块化的装杆装置，缩短整个换杆周期，可以适用于开挖工作方式的井下工作环境，解决以上问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型开挖式自动化辐射井水平钻机，包括底座，底座上部通过回转支承轴承与回转工作台连接。底座上部安装回转支承轴承、水平支撑油缸、支腿油缸、齿轮，下部安装有底座伺服液压马达系统。底座伺服液压马达系统由减速器、法兰以及伺服液压马达组成。其中，水平支撑油缸均布在底座的周向，其主要作用是对底座进行固定，将底座固定在竖井的合适深度处，也就是说，在井下工作时底座通过起重设备悬吊在竖井中，通过水平支撑油缸支撑井壁固定。伺服液压马达则通过齿轮传动和回转支承轴承控制回转工作台。也就是说，底座固定到位后，通过伺服液压马达系统带动回转支承轴承旋转从而驱动回转工作台旋转实现钻机转向，实现转向功能。其主要目的是调整回转工作台的方位，以便针对不同方向进行钻孔作业。

目前，采用开挖工作方式的井下辐射管铺设施工过程中，需要在井下通过起重设备悬吊一个与竖井直径相当的圆形工作平台用来承载钻机、钻杆以及工作人员。且不论小型开挖式的水平钻机，还是大型的非开挖水平钻机以及装杆装置等都不具备转向功能。本发明通过底座、回转工作台组成的智能伺服回转控制系统取代原有的固定式圆形工作平台。新型的可回转工作台，在保留原功能的基础上增加了回转功能，使得钻机可在同一水高度按照指定的方位进行定向回转。

上述底座及其支撑部件Ⅰ，用于底座吊装至竖井内并依靠支撑部件Ⅰ被固定在竖井合适深度

回转工作台上安装有矩形框架、龙门支架及对其矩形框架进行辅助支撑、固定的控制支撑部件Ⅱ。回转工作台整体为一个圆形，与竖井具有类似的断面，以便于回转，龙门支架部分是由两n形的龙门构造组成，龙门支架的横梁中部设置有轴承窝，且在两个龙门支架上安装钻杆供应总成及其驱动部件Ⅱ，其中驱动部件Ⅱ采用液压驱动，与钻杆供应总成的主轴之间的传动为摩擦传动，更具体的，钻杆供应总成包括钻杆存储支架、弹性夹和主轴，所述钻杆存储支架均匀的固定在主轴的外围，形成滚筒样式，且在每一钻杆存储支架上设置对钻杆进行装夹的弹性夹，所述主轴通过快速装夹机构可转动的安装在龙门支架横梁上，其中驱动部件Ⅱ通过摩擦传动驱动主轴转动。上述钻杆存储支架采用模块化设计，每套钻杆供应总成中可以预装十支钻杆，即，每个供应模块中包含十支钻杆。主轴两端的封闭轴承可以安装在龙门支架横梁上的轴承窝中，通过伺服液压马达系统驱动主轴及其所在的钻杆供应总成转动。其中，主轴上的摩擦轮和伺服液压马达系统的橡胶摩擦轮进行接触配合，通过摩擦轮，伺服液压马达就可带动主轴旋转。

所述弹性夹包括拉簧和舌板，其中舌板在拉簧的预紧作用下对钻杆进行固定，且在每个舌板上设置有挡块，对应的，在所述龙门支架上设置有作用于挡块的弹性夹拨动装置。当钻杆供应总成上的两侧钻杆存储支架转到弹性夹拨动装置时，所对应的弹性夹被同时拨开，钻杆掉落，进行一根钻杆的释放，释放后拉簧复位。

进一步地，根据需要，为提高作业效率，每个钻机配备两套或者多套钻杆供应总成，在地面处将完成装杆预装工作，当完成十支钻杆装杆后，进行整体吊装，直接更换钻杆供应总成。

整体吊装更换钻杆供应总成的优势在于：目前，具备装杆功能的大型非开挖水平钻机的结构复杂，体积较大，无法适应井下狭小工作环境，并且需要人工预装杆。这样即使在可以使用该种钻机的非开挖环境中，在蓄杆装置中钻杆全部装完后的情况下，仍然需要关闭钻机，然后人工向蓄杆装置中预存钻杆。使得在装杆的全周期变长，装杆效率降低。同样的，目前存在的一些装杆装置中叶存在机构复杂，体积庞大的不足，且该装杆装置与钻机为水平平行并列布置，无法适用于井下工作环境。同时，预存钻杆也需关闭装置，人工预存，导致装杆周期变长，装杆效率降低。本发明采用结构紧凑、体积小巧的模块化的装杆机构，每个钻机配备多套钻杆供应总成，井上预存钻杆，直接更换钻杆供应总成，将预装钻杆的时间变为零，大大缩短了装杆的全周期，提高了装杆效率。因为井下工作环境拥有水平空间狭小，竖直空间相对充足的特点，所以采用体积较小可转动滚筒的方式储存钻杆，其水平长度与钻杆相当。同时，将装杆安装在钻机上方，采用掉落的形式进行装杆。当钻杆供应总成上的钻杆存储支架转过拨动装置时，弹性片自动打开，释放一根钻杆。采用这种方式可以减少水平空间的使用，提高自动化水平，同时减少动力损耗。

动力头总成，所述动力头总成通过滑动机构Ⅱ和进给油缸安装在矩形框架上，其中滑动机构Ⅱ提供滑动方向，进给油缸提供动力头总成的前进和后退，所述矩形框架通过滑动机构Ⅰ安装在回转工作台上，且在所述矩形框架上安装有支撑部件Ⅱ，也就是说，所述矩形框架上的支撑部件Ⅱ可抵在所述竖井壁上辅助矩形框架的固定。

所述动力头总成自带液压动力，完成夹持钻杆并驱动钻杆进行钻孔作业。

钻杆供应总成及其驱动部件Ⅱ，所述钻杆供应总成上存储有至少三根钻杆，例如可以为十根钻杆，也可以为五根钻杆，也可为十二根根钻杆，太少降低了工作效率，太多会增加安装空间，且所述钻杆供应总成在驱动部件Ⅱ的驱动下每次释放一根钻杆。

钻杆抓取部件，用于抓取钻杆供应总成释放的钻杆，并将钻杆置于动力头总成和钻杆夹持部Ⅰ、夹持部Ⅱ之间。

钻杆夹持部件，对钻杆进行夹持，用于辅助钻杆的装夹过程。

其中，钻杆夹持部件，包括夹持部Ⅰ和夹持部Ⅱ，其中夹持部Ⅰ包括U形槽、夹板Ⅰ以及驱动部件Ⅵ，其中驱动部件Ⅵ，驱动夹板Ⅰ对U形槽中的钻杆前端进行夹持，所述夹持部Ⅱ包括钻杆套、夹持板Ⅱ以及驱动部件Ⅳ，所述夹持板Ⅱ安装在钻杆套上且在驱动部件Ⅳ的驱动下作用于钻杆套内的钻杆。

动力头总成通过螺纹连接与钻杆进行连接。

水平支撑油缸可以将矩形框架固定在井壁上，并在钻机钻进时为钻机提供支撑。进给油缸带动动力头进给从而完成钻杆的钻进。钻杆抓取部件是为了接收上部钻杆供应总成中释放的钻杆。夹持部件的存在是为了固定钻杆，配合完成钻杆与动力头的螺纹连接、脱开，以及钻杆与钻杆之间的螺纹连接。

自动装夹钻杆的目的：面对目前开挖式的水平钻机存在着无法自动装杆，无法自动换向的不足，非开挖式水平钻机与一些装杆装置存在着装杆机构复杂庞大，预装钻杆时间长，装杆全周期效率低，并且无法适用于开挖工作方式的井下工作环境的不足。本发明旨在提供一种既可以适用于开挖工作方式的井下工作环境的，结构简单、体积小巧的可以自动装杆，自动转向的水平钻机，且减少钻杆预存时间，提高装杆全周期效率。从而大大缩短工人井下的工作时间，降低工人井下的工作强度，降低安全风险，提高工作效率，降低工程人工成本。

所述快速装夹机构包括轴承夹和液压缸，所述液压缸驱动轴承夹对主轴进行限位。

所述驱动部件Ⅰ为伺服液压马达，所述转动部件为安装在回转工作平台和底座之前的回转支承轴承，且所述伺服液压马达通过齿轮传动驱动回转支承轴承转动。

所述滑动机构Ⅰ和滑动机构Ⅱ同向、平行设置。

所述滑动机构Ⅰ和滑动机构Ⅱ皆为直线滑动机构。

钻杆抓取部件包括钻杆托举支架和驱动部件Ⅲ，所述钻杆托举支架竖向安装在底座上且在驱动部件Ⅲ的驱动下上升或下降。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明：

图1为本发明开挖式自动化辐射井水平钻机的工作状态1示意图。

图2为本发明开挖式自动化辐射井水平钻机的工作状态2示意图。

图3为本发明开挖式自动化辐射井水平钻机的工作状态3示意图。

图4为本发明开挖式自动化辐射井水平钻机的工作状态4示意图。

图5为本发明开挖式自动化辐射井水平钻机的工作状态5示意图。

图6为本发明开挖式自动化辐射井水平钻机的钻杆供应总成结构示意图。

图7为本发明开挖式自动化辐射井水平钻机的底座系统结构示意图。

图8为矩形框架及其上安装的零部件局部示意图。

图9为龙门支架结构示意图。

图10为龙门支架结构示意图。

图11为龙门支架轴承窝局部处的结构示意图。

图12为龙门支架轴承窝局部处的结构示意图。

图13为钻杆供应总成与弹性夹拨动装置结构示意图。

图14为钻杆供应总成与龙门支架的装配关系结构示意图。

图15为弹性夹局部的结构示意图。

图16为钻杆夹持部件结构示意图。

图17为钻杆抓取部件结构示意图。

图18为摩擦轮及其服液压马达的结构示意图。

图19为本发明开挖式自动化辐射井水平钻机的底座伺服液压马达系统结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明中描述中，需要理解的是术语“上部”、“下部”、“外侧”、“内侧”“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位来构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介连接，可以是两个元件内部的连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本实施例的具体实施方式：在竖井井上完成准备工作。将两个或多个钻杆供应总成4装满钻杆401，每套预装十支。

下面结合附图1至附图19中的有关结构，对本钻机的具体构造进行详细的阐述，以便对本发明的发明本质进行充分的理解。但是具体的结构说明仅仅用于理解，并不对本发明的保护范围进行限定，本发明的保护范围以权利要求书为准。

所述钻杆供应总成4及其驱动部件Ⅱ包括钻杆存储支架402、弹性夹403和主轴404，主轴的两端安装有封闭轴承405，且在主轴的前端设置有橡胶摩擦轮406，所述钻杆存储支架402均匀的固定在主轴的外围，多个钻杆存储支架呈辐射状布置，进行模块化设计，且钻杆存储支架通过焊接或者螺栓连接固定在主轴上，也就是说多个钻杆存储支架402之间是相同的结构，且在每一钻杆存储支架上设置对钻杆进行装夹的弹性夹403，所述主轴两端位于轴承窝内且通过快速装夹机构可转动的安装在龙门支架上，所述快速装夹机构包括轴承夹和液压缸，所述液压缸驱动轴承夹对主轴进行限位。

所述钻杆存储支架与主轴是一体的，可以共同转动或者静止，其中伺服液压马达6(也就是驱动部件Ⅱ)通过摩擦传动驱动主轴转动。

所述弹性夹403包括拉簧4031和舌板4032，其中舌板在拉簧的预紧作用下对钻杆进行固定，且在每个舌板上设置有挡块，对应的，在所述龙门支架上设置有作用于挡块的弹性夹拨动装置。该弹性夹拨动装置用来拨动弹性夹动作，继而打开弹性夹释放钻杆。

上述的钻杆供应总成可以方便的进行整体吊装、更换，是一个独立的模块。通常准备多套，备用。

钻杆的装夹过程具体操作是，同时打开钻杆供应总成中同一根钻杆两端的钻杆储存支架402处的弹性夹403，然后，舌板4032打开进行钻杆401安装，然后舌板在拉簧4031作用下复位，完成一支钻杆401的安装，以此顺序重复该动作，直至钻杆供应总成4装满十根钻杆401。采用多个钻杆供应总成4的目的是将钻杆供应总成4与钻杆401进行模块化组合，在井上完成钻杆401的预装工作，减少在井下向装杆装置中预装钻杆的时间。井下钻杆用完(例如，钻杆供应总成4中十支钻杆铺设完成)之后，直接更换装满钻杆的钻杆供应总成4。也就是说钻杆供应总成4是一个独立的模块，可以进行整体的取装。

钻杆的释放过程正好相反，伺服液压马达6(驱动部件Ⅱ)通过摩擦传动驱动钻杆供应总成转动，当舌板4032上的挡块与龙门支架上的弹性夹拨动装置303、503碰撞后，进行钻杆的释放。

主轴在龙门支架上的锁定是通过主轴轴承夹304、504及控制其动作的收缩液油缸305、505控制的，其中，伺服液压马达6安装在靠近轴承窝306、506的龙门支架上，其中，只有一个伺服液压马达系统6，也就是说液压马达只安装在506端，为钻杆供应总成的转动提供动力，尤其是钻杆供应总成为可拆装的结构，通过摩擦传动驱动主轴的转动，且可方便的进行拆卸。

观察主轴轴承夹304、504状态，若是夹紧状态就收缩液压缸305、505，打开主轴轴承夹304、504。钻杆供应总成的吊装方法：利用地面处的起重设备悬吊钻杆供应总成4，将钻杆供应总成4安放在龙门支架3、5上。其中，钻杆供应总成4上的主轴两端的封闭轴承405分别安放在龙门支架3、5的轴承窝306、506中，应保证钻杆供应总成4的安装方向正确，主轴一端处设置有橡胶摩擦轮406，启动液压缸305、505，夹紧主轴轴承夹304、504，实现钻杆供应总成4的整体安装到位。

在进行井下水平辐射管铺管施工时，利用起重设备悬吊底座7，将钻机吊入竖井中，停留在需要钻孔的水平面上。启动底座7上的4个水平支撑油缸Ⅰ702支撑井壁，其中水平支撑油缸Ⅰ702水平布置，并垂直于竖井井壁，通过多组水平支撑油缸Ⅰ将底座7固定在该水平面的井壁上。

启动伺服液压马达1203，通过减速器1201带动齿轮703旋转，通过齿轮703带动回转支承轴承11旋转，回转支承旋转11带动回转工作台8旋转，将钻机调整到辐射管铺管所需的方向。

其中，回转平台是由伺服液压马达1203控制回转的，在回转平台上通过导向槽安装有矩形框架1，矩形框架1和回转平台之间通过直线导向结构和液压油缸进行过渡连接，也就是说，矩形框架1相对于回转平台具有一定的前后调整空间和能力，其主要作用是用于调整矩形框架的相对位置。

启动矩形框架1两端的水平支撑油缸Ⅱ103，水平支撑油缸Ⅱ103共四组，对称设置，两端的水平支撑油缸Ⅱ103分别支撑住竖井井壁，通过四组水平支撑油缸Ⅱ实现龙门支架1相对竖井井壁的初步定位、固定，并使矩形框架1在回转工作台上的凹槽中小幅度调整，达到起始位置，如图1所示。动力头总成通过直线滑动机构安装在矩形框架内部，且启动进给油缸102将液压式动力头总成2调整到起始位置，即矩形框架的最后端，如图1所示。钻杆抓取部件，用于抓取钻杆供应总成释放的钻杆，并将钻杆置于动力头总成和钻杆夹持部Ⅰ之间，钻杆抓取部件包括钻杆托举支架9及控制其升降的油缸，使其到达钻杆供应总成4下方30mm处，如图2所示，其中钻杆托举支架9是由竖向设置的油缸控制伸缩的，在该钻杆托举支架9的顶端为U形托槽，用于托住钻杆。

所述钻杆夹持部件，包括夹持部Ⅰ和夹持部Ⅱ，其中的夹持部Ⅰ包括夹持部Ⅰ液压缸1002、U形槽1005、夹板Ⅰ1006，其中夹持部液压缸Ⅰ1002驱动夹板Ⅰ1006对U形槽1005中的钻杆前端进行夹持，包括压紧和松开两个动作，其作用是，在压紧状态下完成与动力头总成的旋转连接，在松开状态下配合动力头的旋转完成与已钻钻杆的螺纹连接。在松开状态下，钻杆在动力头的驱动下进行钻孔动作。

所述夹持部Ⅱ包括钻杆套1003、夹持板Ⅱ1004以及夹持部液压缸Ⅱ1001(驱动部件Ⅳ)，所述夹持板Ⅱ1004安装在钻杆套上且在驱动部件Ⅳ的驱动下作用于钻杆套内的钻杆。其作用是，在压紧状态下完成对已钻钻杆的锁定，用于辅助动力头完成钻杆与已钻钻杆的连接，最后松开即可。

启动伺服液压马达6，通过橡胶摩擦轮601带动橡胶摩擦轮405旋转，使钻杆供应总成4转过36°，也就是说，伺服液压马达6和钻杆供应总成4主轴之间是通过摩擦进行传动的。钻杆供应总成4圆周上均布十个钻杆存储支架，每一个钻杆存储支架夹持一根钻杆401，该夹持动作是通过两端的弹性夹进行的，所谓的弹性夹403包括拉簧4031以及被作用的舌板4032，舌板呈钩状结构，且铰接在钻杆存储支架上，其中舌板在拉簧的预紧作用下对钻杆进行固定。在每个舌板上设置有挡块4033，每根钻杆401之间有36°夹角。因此，在转过36°的过程中，势必会有同一根钻杆401两端的弹性夹403同时被弹性夹拨动装置303、503阻挡而打开，钻杆401掉落到钻杆托举支架9上，同时弹性夹403在拉簧的作用下复位。通过液压缸控制并降低钻杆托举支架9的高度，使掉落在其上的钻杆401达到动力头2主轴的水平高度，如图3所示，钻杆一端被所述夹持部Ⅰ夹持和固定。也就是说，伸长夹持部液压缸Ⅰ1002，使夹板Ⅰ1006夹紧钻杆401，此时钻杆401被夹紧而固定，无法转动。

启动动力头总成2，并启动进给油缸102配合动力头动作。动力头总成的主轴上有用于连接的外螺纹，钻杆401接口处有内螺纹，使主轴与钻杆401完成螺纹连接，便于动力头总成驱动，如图4所示，此处的连接包括两个连接动作，首先是动力头总成主轴前端与钻杆401的连接，第二个是钻杆401与已经钻入的钻杆连接，其中已经钻入的钻杆被夹持部Ⅱ10固定，关闭动力头总成2，关闭进给油缸102。然后，收缩夹持部液压缸Ⅰ1002，使其夹板Ⅰ1006处于打开状态。完成一根钻杆的安装和装夹。

动力头总成2通过直线滑动结构和进给油缸安装在矩形框架内，在进给油缸的驱动下，动力头总成沿着直线滑动方向具有进给或退回的的动作。启动动力头总成2，启动进给油缸102，进行水平钻孔。完成一支钻杆钻进后，关闭动力头总成2并关闭进给油缸102。伸长夹持部液压缸Ⅱ1001，使夹持板Ⅱ1004夹紧钻杆401，此时钻杆401被固定，无法转动。启动动力头总成2反转，并启动进给油缸102配合动力头，使钻杆401与动力头总成2所在的主轴螺纹连接脱离，如图5所示。动力头总成2返回矩形框架1另一端。钻机回到起始状态，如图1所示。

钻杆托举支架9，使其到达钻杆供应总成4下方30mm处，如图2所示。第一根钻杆已经钻入,第二根钻杆与之连接时,第一根钻杆必须被夹持部Ⅱ固定住,这样才能在一条直线上,因此,不能松开夹持部Ⅱ。

启动滚筒伺服液压马达6，通过橡胶摩擦轮601带动橡胶摩擦轮405旋转，使钻杆供应总成4转过36°。钻杆供应总成4圆周上均布十根钻杆401，每根钻杆401之间有36°夹角。因此，在转过36°的过程中，势必会有同一根钻杆401两端的弹性夹403被弹性夹拨动装置303、503阻挡而同时打开，钻杆401掉落到钻杆托举支架9上，同时弹性夹403在拉伸弹簧的作用下复位。降落钻杆托举支架9，使掉落在其上的钻杆达到动力头总成2的主轴的水平高度，如图3所示。伸长夹持部液压缸Ⅰ1002，使夹板Ⅰ1006夹紧钻杆401，此时钻杆401被固定，无法转动。

启动动力头总成2，并启动进给油缸102配合动力头总成2动作。动力头主轴上有外螺纹，钻杆401接口处有内螺纹，使主轴与钻杆401完成螺纹连接，如图4所示。关闭动力头总成2，关闭进给液压缸102。收缩夹持部液压缸Ⅰ1002，使其夹板Ⅰ1006处于打开状态，此时第二根钻杆可以转动。钻杆两端分别有内螺纹与外螺纹，因此钻杆之间可以首尾螺纹连接。启动动力头总成2并启动进给油缸缸102配合动力头2，完成第二根钻杆401与第一根钻杆401的螺纹连接。收缩夹持部液压缸Ⅱ1001，打开夹持板Ⅱ1004使钻杆401处于自由状态，此时钻杆401没有被固定，可以转动，进而完成第二根钻杆钻进。

以此顺序往复实现自动装杆过程，直至钻杆供应总成4中的10根钻杆401全部装填完成。在此期间，在一个方向完成钻孔需要进行调向时，启动伺服液压马达1203，通过减速器1201带动齿轮703旋转，通过齿轮703带动回转支承轴承11旋转，回转支承旋转11带动回转工作台8旋转，将钻机调整到钻孔所需的方向。

当钻杆供应总成4完成10根钻杆的装填时，启动液压缸305、505，打开主轴轴承夹304、504，利用起重装置更换钻杆供应总成4，重复上述过程，实现连续自动装杆。

为便于理解，下面简述其工作过程：

第一步，将除钻杆供应总成以外的钻机其他部分整体吊装至竖井内，并下降至合理高度，然后通过水平支撑油缸Ⅰ702作用于竖井井壁上，完成定位；

第二步，将钻杆供应总成整体吊装至龙门支架上并完成对钻杆供应总成的锁定，

第三步，调整回转工作台的至初始位置，同时利用矩形框架上的四个水平支撑油缸Ⅱ103对矩形框架进行固定，其中，水平支撑油缸Ⅱ103的外端抵靠在竖井井壁上，

第四步，驱动钻杆供应总成转动，并释放一根钻杆，通过钻杆夹持部件完成钻杆与动力头总成的连接，动力头总成进给完成钻杆钻孔。

第五步，夹持部Ⅱ对已钻钻杆后端进行锁紧，然后动力头反向旋转和已钻钻杆分离，动力头总成返回，

第六步，驱动钻杆供应总成转动一定角度，并释放一根钻杆，通过钻杆夹持部件完成钻杆与动力头总成的连接，以及钻杆与已钻钻杆的连接，然后，动力头总成进给完成钻杆钻孔。

第七步，循环重复第五步和第六步的动作，直至完成一条钻孔的作业，钻孔完成后，由多根钻杆组成的集水通道保留，形成地下水汇流通道。

第八步，水平支撑油缸Ⅱ103缩回，回转工作台旋转一定角度后，利用矩形框架上的四个水平支撑油缸Ⅱ103对矩形框架进行固定，其中，水平支撑油缸Ⅱ103的外端抵靠在竖井井壁上，然后重复步骤四至步骤七中的动作，完成第二条集水通道的铺设。

最后，重复第八步的动作，直至完成所有的钻孔动作，并将设备撤出。在钻孔进行的过程中，可以根据需要对钻杆供应总成进行吊装和更换。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神与原则之内，所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开挖式自动化辐射井水平钻机，其特征在于，包括：

底座及其支撑部件Ⅰ，底座吊装至竖井内并依靠支撑部件Ⅰ被固定在竖井合适深度；

回转工作台及其驱动部件Ⅰ，回转工作台通过转动部件安装在底座上且在驱动部件Ⅰ的驱动下回转工作台可在360度范围内调整方向；

矩形框架及其支撑部件Ⅱ，矩形框架通过滑动机构Ⅰ安装在回转工作台上，所述矩形框架上的支撑部件Ⅱ可抵在所述竖井壁上辅助矩形框架的固定；

动力头总成，所述动力头总成通过滑动机构Ⅱ和进给油缸安装在矩形框架上，且所述动力头总成夹持钻杆并驱动钻杆进行转动和直线进给；

钻杆供应总成及其驱动部件Ⅱ，安装于所述龙门支架上，所述钻杆供应总成上存储有至少三根钻杆，且所述钻杆供应总成在驱动部件Ⅱ的驱动下每次释放一根钻杆；

钻杆抓取部件，安装于所述回转平台上，用于抓取钻杆供应总成释放的钻杆，并将钻杆置于动力头总成和钻杆夹持与导向部件之间，

钻杆夹持部件，在装杆过程中对钻杆进行辅助夹持。

2.根据权利要求1所述的一种开挖式自动化辐射井水平钻机，其特征在于，所述钻杆供应总成包括钻杆存储支架、弹性夹和主轴，所述钻杆存储支架均匀的分布于主轴的外围，且在每一钻杆存储支架上设置对钻杆进行装夹的弹性夹，所述主轴通过快速装夹机构可转动的安装在龙门支架上，所述驱动部件Ⅱ安装在龙门支架上且通过摩擦传动驱动主轴转动。

3.根据权利要求2所述的一种开挖式自动化辐射井水平钻机，其特征在于，所述弹性夹包括拉簧和舌板，其中舌板在拉簧的预紧作用下对钻杆进行固定，且在每个舌板上设置有挡块，对应的，在两个所述龙门支架上设置有作用于挡块的弹性夹拨动装置。

4.根据权利要求2所述的一种开挖式自动化辐射井水平钻机，其特征在于，所述快速装夹机构包括轴承夹和液压缸，所述液压缸驱动轴承夹对所述主轴进行限位。

5.根据权利要求1所述的一种开挖式自动化辐射井水平钻机，其特征在于，所述驱动部件Ⅰ为伺服液压马达，所述转动部件为安装在回转工作平台和底座之间的回转支承轴承，且所述伺服液压马达通过齿轮传动驱动回转支承轴承转动。

6.根据权利要求1所述的一种开挖式自动化辐射井水平钻机，其特征在于，所述滑动机构Ⅰ和滑动机构Ⅱ同向、平行设置。

7.根据权利要求6所述的一种开挖式自动化辐射井水平钻机，其特征在于，所述滑动机构Ⅰ和滑动机构Ⅱ皆为直线滑动机构。

8.根据权利要求1所述的一种开挖式自动化辐射井水平钻机，其特征在于，钻杆抓取部件包括钻杆托举支架和驱动部件Ⅲ，所述钻杆托举支架竖向安装在底座上且在驱动部件Ⅲ的驱动下上升或下降。

9.根据权利要求1所述的一种开挖式自动化辐射井水平钻机，其特征在于，所述钻杆夹持部件，包括夹持部Ⅰ和夹持部Ⅱ，其中夹持部Ⅰ包括U形槽、夹板Ⅰ以及驱动部件Ⅵ，其中驱动部件Ⅵ驱动夹板Ⅰ对U形槽中的钻杆前端进行夹持，所述夹持部Ⅱ包括钻杆套、夹持板Ⅱ以及驱动部件Ⅳ，所述夹持板Ⅱ安装在钻杆套上且在驱动部件Ⅳ的驱动下作用于钻杆套内的钻杆。

10.根据权利要求1所述的一种开挖式自动化辐射井水平钻机，其特征在于，所述动力头总成通过螺纹连接与钻杆进行连接。