CN1227445C - 水射流连续推进的定向钻机 - Google Patents
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Abstract
水射流连续推进的定向钻机，属于采矿钻进领域。现有技术的钻机是采用钻杆旋转，驱动钻头切削破岩的原理制成的。它的最大缺点是破岩效率低，钻孔速度慢，定向困难，钻孔大小完全取决于钻头的尺寸。因此，这种钻机无法满足矿业及岩土工程的特殊作业。本发明提供一种适用于地下作业的水射流连续推进的定向钻机，它由缠绕机构、连续钢管、钢管推进机构、钢管校直机构、水射流钻头、随钻测斜仪、方向控制系统、高压水泵、油泵等组成。不仅解决了高压水射流钻长孔的连续推进、钻进方向可控的技术难题，而且具有施工效率高、钻孔质量高、设备安全可靠的优点，从而满足了地下工程特殊作业的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻进用的钻机，特别涉及一种定向钻机。
背景技术
在矿业工程、岩土工程、建筑工程等领域，经常需要施工水平孔或定向深孔，以实现特殊目的。例如：用于井下回采工作面顺槽掘进中瓦斯超前抽放，利用顺槽进行工作面瓦斯抽放；用于煤层冲击地压防治及其它岩土工程施工水平钻孔和卸压破岩。现有技术的钻机是采用钻杆旋转，驱动钻头切削破岩的原理制成的。它的最大缺点是破岩效率低，钻孔速度慢，定向困难，钻孔大小完全取决于钻头的尺寸。因此，这种钻机无法满足矿业及岩土工程的特殊作业。
高压水射流技术是近代发展起来的一门新技术，其特点是通过高压水射流的能量高度集中，射击物体的巨大冲击力，会对被击物进行加工作业，如对材料的破碎、切割等。到了上世纪八十年代，国内外进行过高压水射流冲孔(钻孔)的工业性试验，已被应用于煤层的开采。同时在石油地面钻井中，国外有采用水射流由垂直钻孔实施超短半径水平连续钻孔的研究，并取得了成果。对于地下工程、采矿工程的地下坑道，由于空间限制，要实施水射流钻孔则极为困难。现有技术采用短钻杆、短钢管逐级加长，输送高压水来破岩钻孔，由于效率低、劳动强度大、接头密封困难、压力损失严重，致使高压水射流定向钻孔难以实现。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种适用于地下作业的水射流连续推进的定向钻机，不仅解决了高压水射流钻长孔的连续推进、钻进方向可控的技术难题，而且具有施工效率高、钻孔质量高、设备安全可靠的优点，从而满足了地下工程特殊作业的要求。
本发明是通过以下技术方案来实现其目的的。一种高压水射流连续推进的定向钻机，它由缠绕机构、连续钢管、钢管推进机构、钢管校直机构、水射流钻头、随钻测斜探管、方向控制器、高压水泵、油泵、远控纠偏和钻孔与割缝切换系统以及测斜仪组成。
具体构造：缠绕机构安装在机座上，连续钢管缠绕在缠绕滚筒上，钢管推进机构由电机通过齿轮组传动，校直机构设置在钢管推进机构前方可对连续钢管矫正，水射流钻头安装在连续钢管前端，随钻测斜探管与水射流钻头连接，方向控制器与随钻测斜探管连接，高压水泵、油泵分别通过缠绕机构的中心轴与连续钢管、水射流钻头连通。
所述的缠绕机构是由通过轴承、中心轴固定在底座上的缠绕滚筒，与底座连接、沿缠绕滚筒圆周方向布设的排管机构，传动缠绕滚筒与排管机构的驱动机构，与底座固定且平行于缠绕滚筒中心轴的限位辊，与缠绕滚筒中心轴的输水孔和导油孔密封连接的配油、配水装置组成。
所述的钢管推进机构是由安装在底座上传动箱的上下箱体，通过轴承分别安装在上下箱体上的钢管对滚摩擦轮，对接上下箱体的导杆和复位弹簧，通过传动齿轮组驱动钢管对滚摩擦轮的电动机、减速器组成。
所述的校直机构是由固定在底座上的箱体，置于箱体内沿连续钢管交替设置的垂直固定导向轮和水平固定导向轮，位于箱体中部沿连续钢管上下左右设置的调节导向轮组成。
所述的缠绕滚筒的驱动机构，是通过主传动轴，带动主链轮、经离合器和多级变速器，传给缠绕滚筒中心轴。
所述的排管机构是由导向杆、丝杠、排管滑块组成，导向杆与丝杠平行设置，排管滑块由丝杠带动并与导向杆滑动配合，导向杆顺缠绕滚筒中心轴方向固定在滚筒架上，丝杠由缠绕滚筒中心轴通过链轮驱动。
所述的钢管推进机构的钢管对滚摩擦轮可以是数对(4、6、8、10对)，其外圆面为沿圆周方向的凹面，凹面经粗糙处理，凹面的曲率半径与连续钢管的直径相符。
所述的缠绕滚筒中心轴，沿轴向有一个输水孔和一个导油孔，输水孔与高压水泵连通，导油孔与油泵连通，输水孔和导油孔一端连接到轴端配油、
配水装置的接口，另一端位于中心轴的中间，其接口由输水管连接到连续钢管的后端接口，由输油管连接到连续钢管中的细油管。
所述的位于中心轴上的输水孔与输油孔用两根软管连接到缠绕滚筒外圆，通过油水混合三通将细油管穿入连续钢管中。油水混合三通采用塑性密封方式封闭高压水与高压油路。
所述的钻孔方向控制器是由包含手动三位四通阀、监视器组成的开环控制系统。
所述的钻孔方向控制器还可以是由包含电磁换向阀、可编程序控制器、信号处理器组成的闭环控制系统。
所述的随钻测斜仪、高压水泵、油泵是现有技术，可按照要求选购。
所述的连续钢管是一种由普通碳素钢的无缝钢管经焊接工艺制成的、可经受反复缠绕的大长度钢管。
所述的水射流钻头，是一种具有钻孔、割缝，纠偏功能的钻头总成。
所述的纠偏动作由测斜探管经侧斜仪通过方向控制器远程控制；由前进钻孔动作切换到后退割缝动作是通过远程控制切换系统远程施行的。
本发明由于将水射流技术和连续钢管技术结合在一起，合理地设计了：包括缠绕滚筒和排管装置的钢管缠绕机构、包括设置若干对滚摩擦轮的钢管推进机构、包括交替设置导向轮、调节轮的钢管校直机构等；采用了先进的随钻测斜仪和开环、闭环控制系统，实现了水射流钻头的远程控制及纠偏功能。从而解决了地下工程实施高压水射流连续推进的定向、钻孔与割缝的切换等技术关键。与现有技术采用短钻杆、短钢管逐级加长，输送高压水来破岩钻孔的钻机相比，具有施工效率高、钻孔质量高、设备安全可靠的优点，从而满足了地下工程特殊作业的要求。
下面将通过实施例、结合附图，对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图；
图2是一种水射流连续推进的定向钻机的结构示意图(主视图)；
图3是图2的侧视图；
图4是图2的俯视图；
图5是钢管推进机构的结构示意图；
图6是校直机构的结构示意图。
具体实施方式
如图1、2、3、4所示，一种水射流连续推进的定向钻机，它由安装在机座1上的缠绕机构2、缠绕在缠绕滚筒3上的连续钢管4、由电机22通过齿轮组、链轮链条传动的钢管推进机构5、设置在钢管推进机构前方可对连续钢管矫正的校直机构6、安装在连续钢管4前端的水射流钻头7、以及与水射流钻头连接的测斜探管8、与测斜探管连接的方向控制器9、与连续钢管连通的高压水泵10、油泵11、远控纠偏和钻孔与割缝切换系统以及测斜仪组成。
所述的缠绕机构2是由通过中心轴12固定在底座1上的缠绕滚筒3，与底座1连接、沿缠绕滚筒3圆周方向布设的排管机构13，传动缠绕滚筒3与排管机构13的驱动机构14，与底座1固定且平行于缠绕滚筒中心轴12的限位辊15，与缠绕滚筒中心轴12的输水孔16和导油孔17密封连接的配油、配水装置30组成。
参看图5，所述的钢管推进机构5是由安装在底座上传动箱的上下箱体18，通过轴承分别安装在上下箱体18上的钢管对滚摩擦轮19，对接上下箱体的导杆20和复位弹簧21，通过传动齿轮组驱动钢管对滚摩擦轮19的电动机22、减速器23组成。
参看图6，所述的校直机构6是由固定在底座上的箱体24，置于箱体内沿连续钢管4交替设置的垂直固定导向轮25和水平固定导向轮26，位于箱体中部沿连续钢管4上下左右设置的调节导向轮27组成。
所述的缠绕滚筒3的驱动机构14，是通过主传动轴28，带动主链轮、链条29传动缠绕滚筒中心轴12。
所述的排管机构13是由导向杆31、丝杠32、排管滑块33组成，导向杆31与丝杠32平行设置，排管滑块33由丝杠32带动并与导向杆31滑动配合，导向杆31顺缠绕滚筒中心轴方向固定在滚筒架上，丝杠32由缠绕滚筒中心轴12通过链轮、链条34传动。
所述的钢管推进机构的钢管对滚摩擦轮19有4对(根据需要还可以是6对、8对、10对)，其外圆面为沿圆周方向的凹面，凹面经粗糙处理，凹面的曲率半径与连续钢管的直径相符。
所述的缠绕滚筒中心轴12，沿轴向有一个输水孔16和一个导油孔17，输水孔16与高压水泵10连通，导油孔17与油泵11连通，输水孔16和导油孔17的一端连接到轴端配油、配水装置30的接口，另一端位于中心轴的中间，其接口由输水管连接到连续钢管4的后端口，由输油管连接到连续钢管中的细油管。位于中心轴12上的输水孔16与输油孔17用两根软管连接到缠绕滚筒外圆，通过油水混合三通39将细油管穿入连续钢管中。
所述的钻孔方向控制器9是由油泵11、手动三位四通阀35、监视器40组成的开环控制系统。
所述的钻孔方向控制器9还可以是由油泵11、电磁换向阀37、可编程序控制器38、信号处理器36组成的闭环控制系统。
所述的纠偏动作由测斜探管经侧斜仪通过方向控制器远程控制；由前进钻孔动作切换到后退割缝动作是通过远程控制切换系统远程施行的。
所述的连续钢管，是一种由普通碳素钢的无缝钢管经焊接工艺制成的、可经受反复缠绕的大长度钢管。
所述的水射流钻头，是一种具有钻孔、割缝、纠偏功能的钻头总成。
为了适应地下作业的工况，钻机的底座1下方安装两对行走轮41；钻机的底座设置高度调节装置42，以调整钻孔高度和钻孔方向。
本发明的工作过程如下：
首先调整机架升降调节装置42，使钻孔达到设计工作高度和倾角；调整校直机构6的调节导向轮27，使连续钢管4校直；启动高压水泵10，并进入正常工作状态，高压水泵10将高压水，经高压软管，注入钻机中心轴12的输水孔16，再经油水混合三通39、连续钢管4，注入高压水射流钻头7，经切削喷嘴射流切削岩矿体。启动连续钢管驱动机构5，调整推进速度，使正常钻进；同时，随钻测斜仪正常工作，测试钻孔偏斜状态；根据随钻测斜仪指示的钻孔偏斜状态，高压油泵11远程驱动钻头纠偏机构调整钻孔方向；如此持续钻进至设计深度。钻头后退时，远程控制使钻孔状态切换到割缝状态，连续钢管驱动机构5转换为回收状态工作，缓慢收回连续钢管4，高压水同上述路径，进入割缝喷嘴实施割缝，至完成设计割缝长度。
Claims (12)
1、一种水射流连续推进的定向钻机，其特征在于：它由安装在机座(1)上的缠绕机构(2)、缠绕在缠绕滚筒(3)上的连续钢管(4)、由电机通过齿轮组、链轮链条传动的钢管推进机构(5)、设置在钢管推进机构前方可对连续钢管矫正的校直机构(6)、安装在连续钢管前端的水射流钻头(7)、以及与水射流钻头连接的测斜探管(8)、与测斜探管连接的方向控制器(9)、与连续钢管连通的高压水泵(10)、油泵(11)、远控纠偏和钻孔与割缝切换系统以及测斜仪组成。
2、按照权利要求1所述的水射流连续推进的定向钻机，其特征在于：所述的缠绕机构(2)是由通过中心轴(12)固定在底座(1)上的缠绕滚筒(3)，与底座(1)连接、沿缠绕滚筒(3)圆周方向布设的排管机构(13)，传动缠绕滚筒(3)与排管机构(13)的驱动机构(14)，与底座(1)固定且平行于缠绕滚筒中心轴(12)的限位辊(15)，与缠绕滚筒中心轴(12)的输水孔(16)和导油孔(17)密封连接的配油、配水装置(30)组成。
3、按照权利要求1所述的水射流连续推进的定向钻机，其特征在于：所述的钢管推进机构(5)是由安装在底座上传动箱的上下箱体(18)，通过轴承分别安装在上下箱体(18)上的钢管对滚摩擦轮(19)，对接上下箱体的导杆(20)和复位弹簧(21)，通过传动齿轮组驱动钢管对滚摩擦轮(19)的电动机(22)、减速器(23)组成。
4、按照权利要求1所述的水射流连续推进的定向钻机，其特征在于：所述的校直机构(6)是由固定在底座上的箱体(24)，置于箱体内沿连续钢管(4)交替设置的垂直固定导向轮(25)和水平固定导向轮(26)，位于箱体中部沿连续钢管(4)上下左右设置的调节导向轮(27)组成。
5、按照权利要求2所述的高压水射流连续推进的定向钻机，其特征在于：所述的缠绕滚筒(3)的驱动机构(14)，是通过主传动轴(28)，带动主链轮、链条(29)传动缠绕滚筒中心轴(12)。
6、按照权利要求2所述的水射流连续推进的定向钻机，其特征在于：所述的排管机构(13)是由导向杆(31)、丝杠(32)、排管滑块(33)组成，导向杆(31)与丝杠(32)平行设置，排管滑块(33)由丝杠(32)带动并与导向杆(31)滑动配合，导向杆(31)顺缠绕滚筒中心轴方向固定在滚筒架上，丝杠(32)由缠绕滚筒中心轴(12)通过链轮、链条(34)传动。
7、按照权利要求3所述的高压水射流连续推进的定向钻机，其特征在于：所述的钢管推进机构的钢管对滚摩擦轮(19)至少有4对，其外圆面为沿圆周方向的凹面，凹面经粗糙处理，凹面的曲率半径与连续钢管的直径相符。
8、按照权利要求2所述的水射流连续推进的定向钻机，其特征在于：所述的缠绕滚筒中心轴(12)，沿轴向有一个输水孔(16)和一个导油孔(17)，输水孔(16)与高压水泵(10)连通，导油孔(17)与油泵(11)连通，输水孔(16)和导油孔(17)的一端连接到轴端配油、配水装置(30)的接口，另一端位于中心轴的中间，其接口由输水管连接到连续钢管(4)的后端口，由输油管连接到连续钢管中的细油管。
9、按照权利要求1所述的水射流连续推进的定向钻机，其特征在于：所述的钻孔方向控制器(9)是由包含手动三位四通阀(35)、监视器(40)组成的开环控制系统。
10、按照权利要求1所述的水射流连续推进的定向钻机，其特征在于：所述的钻孔方向控制器(9)是由包含电磁换向阀(37)、可编程序控制器(38)、信号处理器(36)组成的闭环控制系统。
11、按照权利要求8所述的水射流连续推进的水平钻机，其特征在于：所述的位于中心轴(12)上的输水孔(16)与输油孔(17)用两根软管连接到缠绕滚筒外圆，通过油水混合三通(39)将细油管穿入连续钢管中。
12、按照权利要求1所述的水射流连续推进的水平钻机，其特征在于：所述的纠偏和钻孔与割缝切换是通过远程的控制系统施行。
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