CN114575854A - 顶升式反井钻机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种顶升式反井钻机及方法，包括钻头系统、支撑环和顶升油缸；钻头系统包括钻头，钻头由驱动装置驱动旋转，钻头系统还设有用于纠偏的纠偏装置；支撑环，支撑环与钻头系统连接，支撑环设有可增减的顶升节钢管，用于调节支撑环的长度；顶推油缸用于顶推支撑环，并将顶推力传递到钻头系统。通过采用从底部连续顶升的方式，配合钻头系统的结构，实现操作人员在井外通过信号及电源控制液压泵站实现钻进。钻进产生的石渣能够通过集渣斗、溜渣通道和支撑环排出，完成一个顶升进尺后，通过添加新的顶升节钢管，即可持续进行顶升，通过循环作业，实现不断向上钻进。纠偏油缸配合倾角传感器能够实时纠正钻进偏斜。纠偏油缸还用于提供反向扭矩。

Description

顶升式反井钻机及方法

技术领域

本发明涉及隧洞斜井施工领域，特别是一种顶升式反井钻机及方法。

背景技术

水电工程发电引水洞，一些长距离交通隧洞的通风洞设计均为斜井结构。特别是抽水蓄能电站都是选择在高差较大的山区，为缩短输水管洞的长度，一般都是设置大倾角的地下输水隧洞。对于大倾角的长输水隧洞，行业内一般都是在斜洞的上下台阶处设置施工平洞，再采用反钻机从上平洞往下正向钻设一个小导孔，小导孔钻进过程中采用泥浆排渣，目前的反井钻机一般钻孔深度为 300~400m。导孔形成后利用其穿设钻杆，在下平洞安装钻头进行反拉扩孔，形成溜渣斜井。反井钻机在导孔钻进中由于岩层构造及钻杆直径较小容易偏离超出斜洞范围。为避免上述问题，现行业内对长斜洞基本上是采取将隧洞分成若干个台阶，每段长度控制在300-400米左右，然后在各台阶上打设平洞，逐段进行斜井施工，这增加了大量的临时工程量。由于每段斜洞长度不大，考虑经济因素现阶段长斜洞扩挖都是采用人工钻爆的方法，作业环境恶劣，安全隐患大，效率不高。中国专利文献一种隧道斜井施工系统及施工方法 - CN112412478A记载了以斜井TBM进行施工的方案，但是该方案设备结构较为复杂，实施成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种顶升式反井钻机及方法，能够解决现有技术中反拉式反井钻机先导孔容易偏离的问题，且结构简单，控制难度较低。优选的方案中，能够方便的监测反井钻机是否偏离，并能够在线纠偏，确保斜井掘进长度不受施工偏离的影响。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种顶升式反井钻机，包括钻头系统、支撑环和顶升油缸；

钻头系统包括钻头，钻头由驱动装置驱动旋转，钻头系统还设有用于纠偏的纠偏装置；

支撑环，支撑环与钻头系统连接，支撑环设有可增减的顶升节钢管，用于调节支撑环的长度；

顶推油缸用于顶推支撑环，并将顶推力传递到钻头系统。

优选的方案中，钻头系统的结构为：钻头与支撑环之间密封连接，钻头尾部设有缩径的管体，管体与液压马达固定连接，液压马达与支撑环固定连接。

优选的方案中，钻头系统的结构为：钻头与支撑环之间滑动密封连接，钻头尾部设有缩径的管体，管体与液压马达以可传递扭矩且相对滑动的方式连接；

在支撑环上设有内支座，在钻头与内支座之间设有进给油缸，进给油缸与钻头之间设有推力轴承，进给油缸的进给方向为钻头的轴向。

优选的方案中，纠偏装置的结构为：在支撑环设有至少3个纠偏油缸，纠偏油缸一端穿过支撑环的外壁，纠偏油缸另一端通过轴承与钻头的尾部管体连接，纠偏油缸的运动方向为钻头的径向，各个纠偏油缸沿圆周布置。

优选的方案中，在支撑环的内壁设有倾角传感器，用于反馈支撑环的倾角。

优选的方案中，在钻头中间设有集渣斗和溜渣通道，溜渣通道与支撑环的内腔连通；

在支撑环内还设有泵站，用于为各个液压缸和驱动装置提供液压油。

优选的方案中，在支撑环的尾部设有多节可拆卸的顶升节钢管。

优选的方案中，顶推油缸与支撑环连接；

在顶推油缸的底部设有球头，球头与球座活动连接，球座与底座固定连接；

在顶推油缸的一侧设有倾角调节机构，倾角调节机构包括与顶推油缸或支撑环连接的倾角调节座，还包括与倾角调节座连接的倾角调节杆，倾角调节机构用于调节支撑环的倾角。

优选的方案中，在顶升节钢管的外壁设有多个突起的键，键用于防止顶升节钢管转动。

在钻井孔口的位置还固设有锁口装置，锁口装置用于锁定支撑环。

一种采用上述的顶升式反井钻机的施工方法，包括以下步骤：

S1、布置钻头系统、支撑环和顶推油缸；

S2、驱动装置驱动钻头旋转，进给油缸进给钻进，钻渣从集渣斗、支撑环排出；

S3、钻进一个进尺，进给油缸缩回，顶推油缸继续顶升，就位后将支撑环锁定；

S4、顶推油缸缩回，在支撑环尾部安装新的顶升节钢管，然后顶推油缸继续顶升；

S5、重复步骤S2~S5，完成井孔施工。

优选的方案中，在钻进过程中与预设轴线偏斜，控制相应的纠偏油缸伸出，顶推孔井壁，实现纠偏。

本发明提供了一种顶升式反井钻机及方法，通过采用从底部连续顶升的方式，配合钻头系统的结构，实现操作人员在井外通过信号及电源控制液压泵站实现钻进。钻进产生的石渣能够通过集渣斗、溜渣通道和支撑环排出，完成一个顶升进尺后，通过添加新的顶升节钢管，即可持续进行顶升，通过循环作业，实现不断向上钻进。设置的纠偏油缸配合倾角传感器能够实时纠正钻进偏斜。纠偏油缸还用于提供反向扭矩。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明整体结构的剖视示意图。

图2为本发明斜向顶升钻进时的剖视示意图。

图3为本发明的顶升节钢管的主视图。

图4为本发明的顶升节钢管的俯视图。

图5为图1的A-A剖视示意图。

图6为图1的B-B剖视示意图。

图7为钻头系统的局部放大示意图。

图中：钻头1，集渣斗2，密封件3，支撑环4，内支座5，溜渣通道6，泵站7，锁口装置8，顶升节钢管9，推力轴承10，进给油缸11，纠偏油缸12，轴承13，过渡节钢管14，顶推油缸15，球头16，球座17，底座18，倾角调节座19，倾角调节杆20，工作站21，钻渣22，液压马达23，键24，锁紧座25，倾角传感器26。

具体实施方式

如图1~2中，一种顶升式反井钻机，包括钻头系统、支撑环4和顶升油缸15；

钻头系统包括钻头1，钻头1由驱动装置驱动旋转，钻头系统还设有用于纠偏的纠偏装置；钻头1上设有中空的通道，其中靠近钻头1顶部的位置构成漏斗状的集渣斗2，远离钻头1顶部的位置为缩径的中空管体结构，中空管体结构构成溜渣通道6。优选的，钻头结构为纺锤形，其前部布置有滚刀钻头，下部为“漏斗型”结构，钻进切削的石渣通过“漏斗”中部大直径空心钻杆排出。

支撑环4，支撑环4与钻头系统连接，支撑环4设有可增减的顶升节钢管9，用于调节支撑环4的长度；顶升节钢管9与支撑环4之间通过法兰和螺栓连接。钻头1的外径大于支撑环4的外径。优选的，钻头1的外径大于支撑环4的连接法兰外径约2CM~4CM。

顶推油缸15用于顶推支撑环4，并将顶推力传递到钻头系统。

优选的方案如图1、7中，钻头系统的结构为：钻头1与支撑环4之间密封连接，钻头1尾部设有缩径的管体，管体与液压马达23固定连接，液压马达23与支撑环4固定连接。

进一步优选的方案如图1、7中，钻头系统的结构为：钻头1与支撑环4之间滑动密封连接，在连接的位置设有密封件3，以避免钻屑进入到支撑环4内，钻头1尾部设有缩径的管体，管体与液压马达23以可传递扭矩且相对滑动的方式连接；例如钻头1尾部的管体通过花键结构与液压马达23滑动连接，液压马达23为穿心马达。

在支撑环4上设有内支座5，在钻头1与内支座5之间设有进给油缸11，进给油缸11与钻头1之间设有推力轴承10，进给油缸11的进给方向为钻头1的轴向。通过进给油缸11的活塞杆伸出，驱动钻头1沿着轴向进给，所述的进给油缸11为穿心油缸，钻头1尾部的中空管体穿过进给油缸11后再与液压马达23连接。

优选的，钻头1的直径大于1m，支撑环4、顶升节钢管9和过渡节钢管14的内径不小于90cm。以满足人员进入测量及检修需要。

优选的方案如图1、7中，纠偏装置的结构为：在支撑环4设有至少3个纠偏油缸12，本例中的纠偏油缸12为4个，纠偏油缸12一端穿过支撑环4的外壁，纠偏油缸12另一端通过轴承13与钻头1的尾部管体连接，由此结构，钻头1的转动不会影响到纠偏油缸12，纠偏油缸12的推力则能够通过轴承13传递到钻头1的尾部管体，以便于实现纠偏操作。纠偏油缸12的运动方向为钻头1的径向，各个纠偏油缸12沿圆周布置。内支座5一直包覆在纠偏油缸12的周围，以用于固定纠偏油缸12的缸体。当纠偏油缸12伸出与孔壁接触时，也能够将支撑环4固定在井孔内，避免反井钻机滑落，也用于承受扭矩。

优选的方案如图1中，在支撑环4的内壁设有倾角传感器26，用于反馈支撑环4的倾角。本例中的倾角传感器26优选采用陀螺仪，由此获得三个向量的角度偏移，进一步优选的，倾角传感器26采用陀螺仪和磁惯导传感器的组合，经过联合解算，获得角度和位移偏移参数，以指导钻进和纠偏操作。由于本发明的反井钻机一直处于运动工况下，采用加速度传感器很难获得较为准确的检测数据，因此，不采用加速度传感器。进一步优选的，在纠偏油缸12设有行程传感器，由此结构，以便于根据倾角传感器26的检测参数控制纠偏油缸12的活塞杆行程。优选的，纠偏油缸12设有行程传感器采用磁致伸缩行程传感器。

优选的方案如图1、2中，在钻头1中间设有集渣斗2和溜渣通道6，溜渣通道6与支撑环4的内腔连通；优选的，在支撑环4的尾部，顶推油缸15通过过渡节钢管14与支撑环4连接，此处的支撑环4包括顶升节钢管9，顶推油缸15为穿心油缸。支撑环4、过渡节钢管14和顶推油缸15的中空部分都构成溜渣通道6。

在支撑环4内还设有泵站7，用于为各个液压缸和驱动装置提供液压油。

优选的方案如图1、2中，在支撑环4的尾部设有多节可拆卸的顶升节钢管9。

优选的方案如图1、2中，顶推油缸15与支撑环4连接；优选的，顶推油缸15通过过渡节钢管14与支撑环4底部的顶升节钢管9连接。

在顶推油缸15的底部设有球头16，球头16与球座17活动连接，球座17与底座18固定连接；优选的，球头16、球座17和底座18都留有中空通道，从而便于排出钻渣22。

在顶推油缸15的一侧设有倾角调节机构，倾角调节机构包括与顶推油缸15或支撑环4连接的倾角调节座19，还包括与倾角调节座19连接的倾角调节杆20，倾角调节机构用于调节支撑环4的倾角。优选的，倾角调节座19的结构能够将反井钻机的轴线与水平线的夹角控制在不小于50°。

优选的方案如图3、4中，在顶升节钢管9的外壁设有多个突起的键24，所述的键24沿着顶升节钢管9的轴向布置，多个突起的键24沿着圆周设置，键24用于防止顶升节钢管9转动。优选的键24采用槽钢，以作为钻机的供水、供风、供电管槽，同时也是钻进过程中作为与井孔口锁口装置8的咬合抗扭键。

如图1、2中，在孔口的位置还固设有锁口装置8，锁口装置8用于锁定支撑环4。锁口装置8被浇筑固定在井孔孔口的位置。锁口装置8为可松开和锁紧的抱箍结构，用于将支撑环4上的顶升节钢管9抱紧。

实施例2：

一种采用上述的顶升式反井钻机的施工方法，包括以下步骤：

施工前，先将下平洞施工到斜井连接处。在平洞顶部与斜井的轴线交汇处开挖一个满足钻孔始发要求的短导井。

S1、如图1、2中，布置钻头系统、支撑环4和顶推油缸15；在导井孔口安装好锁口装置8并进行浇筑固定。在平洞底板与斜井的交汇处施工底座18，底座18顶部设开口，在开口位置安装球座17、球头16和顶推油缸15，在顶推油缸15上依次安装过渡节钢管、包括顶升节钢管9的支撑环4、钻头系统等。

S2、启动顶推油缸15和反井钻机进行钻进，直到完成一个顶升行程。驱动装置即液压马达23驱动钻头1旋转，进给油缸11进给钻进，钻渣从集渣斗2、支撑环4排出；

S3、钻进一个进尺，进给油缸11缩回，顶推油缸15继续顶升，就位后利用锁口装置8和/或纠偏油缸12将支撑环4锁定；

S4、顶推油缸15缩回，在支撑环4尾部安装新的顶升节钢管9，然后顶推油缸15继续顶升；

S5、重复步骤S2~S5，完成井孔施工。

优选的方案中，在钻进过程中，定期检测反井钻机的钻进轴线，如果与预设轴线偏斜，控制相应的纠偏油缸12伸出，顶推孔井壁，实现纠偏。优选的，根据倾角传感器26的反馈参数，在线控制各个纠偏油缸12的活塞杆伸出距离。实现自动纠偏控制。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种顶升式反井钻机，其特征是：包括钻头系统、支撑环（4）和顶升油缸（15）；

钻头系统包括钻头（1），钻头（1）由驱动装置驱动旋转，钻头系统还设有用于纠偏的纠偏装置；

支撑环（4），支撑环（4）与钻头系统连接，支撑环（4）设有可增减的顶升节钢管（9），用于调节支撑环（4）的长度；

顶推油缸（15）用于顶推支撑环（4），并将顶推力传递到钻头系统。

2.根据权利要求1所述的一种顶升式反井钻机，其特征是钻头系统的结构为：钻头（1）与支撑环（4）之间密封连接，钻头（1）尾部设有缩径的管体，管体与液压马达（23）固定连接，液压马达（23）与支撑环（4）固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种顶升式反井钻机，其特征是钻头系统的结构为：钻头（1）与支撑环（4）之间滑动密封连接，钻头（1）尾部设有缩径的管体，管体与液压马达（23）以可传递扭矩且相对滑动的方式连接；

在支撑环（4）上设有内支座（5），在钻头（1）与内支座（5）之间设有进给油缸（11），进给油缸（11）与钻头（1）之间设有推力轴承（10），进给油缸（11）的进给方向为钻头（1）的轴向。

4.根据权利要求1~3任一项所述的一种顶升式反井钻机，其特征是纠偏装置的结构为：在支撑环（4）设有至少3个纠偏油缸（12），纠偏油缸（12）一端穿过支撑环（4）的外壁，纠偏油缸（12）另一端通过轴承（13）与钻头（1）的尾部管体连接，纠偏油缸（12）的运动方向为钻头（1）的径向，各个纠偏油缸（12）沿圆周布置。

5.根据权利要求4所述的一种顶升式反井钻机，其特征是：在支撑环（4）的内壁设有倾角传感器（26），用于反馈支撑环（4）的倾角。

6.根据权利要求1所述的一种顶升式反井钻机，其特征是：在钻头（1）中间设有集渣斗（2）和溜渣通道（6），溜渣通道（6）与支撑环（4）的内腔连通；

在支撑环（4）内还设有泵站（7），用于为各个液压缸和驱动装置提供液压油。

7.根据权利要求1所述的一种顶升式反井钻机，其特征是：在支撑环（4）的尾部设有多节可拆卸的顶升节钢管（9）；

顶推油缸（15）与支撑环（4）连接；

在顶推油缸（15）的底部设有球头（16），球头（16）与球座（17）活动连接，球座（17）与底座（18）固定连接；

在顶推油缸（15）的一侧设有倾角调节机构，倾角调节机构包括与顶推油缸（15）或支撑环（4）连接的倾角调节座（19），还包括与倾角调节座（19）连接的倾角调节杆（20），倾角调节机构用于调节支撑环（4）的倾角。

8.根据权利要求6所述的一种顶升式反井钻机，其特征是：在顶升节钢管（9）的外壁设有多个突起的键（24），键（24）用于防止顶升节钢管（9）转动；

在钻井孔口的位置还固设有锁口装置（8），锁口装置（8）用于锁定支撑环（4）。

9.一种采用权利要求4~8任一项所述的顶升式反井钻机的施工方法，其特征是包括以下步骤：

S1、布置钻头系统、支撑环（4）和顶推油缸（15）；

S2、驱动装置驱动钻头（1）旋转，进给油缸（11）进给钻进，钻渣从集渣斗（2）、支撑环（4）排出；

S3、钻进一个进尺，进给油缸（11）缩回，顶推油缸（15）继续顶升，就位后将支撑环（4）锁定；

S4、顶推油缸（15）缩回，在支撑环（4）尾部安装新的顶升节钢管（9），然后顶推油缸（15）继续顶升；

S5、重复步骤S2~S5，完成井孔施工。

10.根据权利要求9所述的一种顶升式反井钻机的施工方法，其特征是：在钻进过程中与预设轴线偏斜，控制相应的纠偏油缸（12）伸出，顶推孔井壁，实现纠偏。

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