反井鉆機結構、特點及工作原理
 

一、反井鉆機的結構和性能特點

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

(1)鉆架
采用兩個槽形架作立柱，上下用蓋板通過高強螺栓連成框形機架。架內兩側有導向軌供動力水龍頭滑動用，底盤可固定鉆桿，還可同扶正套相配。
(2)動力水龍頭
它是鉆機的核心部件，包括液壓馬達、齒輪箱和軌襯。動力水龍頭機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。工作時缸筒運動。活塞桿不動 為避免高壓油管經常運動造成磨損，進油口不設在缸筒上，而由活塞桿中心供油。
(4)上、下支撐
上支撐由兩個液壓油缸和加長桿組成，用以頂住巷道頂板。下支撐根據地面、并在不同使用條件設計了不同結構，前者用固定式下支承板結構，可與基礎直接用地腳螺拴連接，并在使用時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，上下支撐實際上是兩個的液壓千斤頂，它們都是用螺栓和銷軸與鉆架相接，他們的作用是調平找正鉆架、防止鉆架松動和克服來自鉆頭的反扭矩和反作用。
(5)輔助卸扣裝置（卡盤）
鉆機拆卸鉆桿靠動力水龍頭的反扭矩，為滿足拆卸鉆桿的需要，本機設計一個輔助卸扣裝置。它是一個油缸，導向滑道和棘爪組成。該裝置的扭矩大于液壓馬達的扭矩，將鉆桿抱死， 使用時液壓馬達和卸扣裝置共同起作用。
(6)轉盤吊及機械手
轉盤吊是由液壓油缸控制起升和下放的小型起重設備，可在360度范圍內吊運鉆桿。機械手將由轉盤吊送來的鉆桿送至鉆架中間，它由鉆桿抱卡、翻轉板及液壓油缸組成。
其中鉆架是鉆機的一個重要部件，它不僅支撐動力水龍頭，承受數十噸的拉力，還要承受來自鉆頭的反扭矩，要求它具有足夠的強度和剛度，一般情況下不允許自行拆卸鉆架。
動力水龍頭、滑軌和主推力缸用焊接的方式結合在一起，主推力缸放在滑軌的導向筒里，上端用螺母鎖緊，這樣三大部件便成為一個整體，主推力缸的活塞頭與鉆架底座鉸接，當主推力缸伸縮時便帶動動力水龍頭升降，從而產生鉆進所需的拉力和推力。動力水龍頭是鉆機的核心部分，它是動作的執行機構，液壓馬達將回轉運動通過兩級齒輪傳動傳遞給中心管和機頭，機頭由棘輪套、活動套和承載接頭等構成。動力水龍頭止端有洗井液接頭，與洗井液高壓軟管連接，旋轉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、驅動電機、冷卻器、吸回油過濾器和平車等組成，它將電能轉化為液壓能(即壓力油)，不斷的提供給操作臺及各執行機構，完成鉆進工作，其外形尺寸為
 
3．操作車
操作車由操作臺、座椅和平車組成，操作臺為一框架結構，里面安裝了許多控制閥和壓力表，除轉盤吊在鉆機車上外，其他所有機構的動作均在此操作臺上控制，其外形尺寸為。在該車上裝有操作臺和液壓系統的全部控制元件。
(1)回轉系統
該系統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，由換向閥控制馬達正、反轉。
(2)給進系統
該系統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。利用背壓閥調節鉆壓(或擴孔時的拉力)以保證恒壓鉆進。
(3)動力水龍頭快速升降系統
利用主液壓泵的大流量，通過控制液壓馬達的多路換向閥將壓力油分配給主液壓油缸實現快速提升和下放鉆具。
(4)輔助系統
包括轉盤吊液壓油缸，卸扣液壓缸、機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。在冷卻器進油口設有低壓濾油器。
 
4． 鉆具
鉆具包括普通鉆桿、開孔鉆桿、穩定鉆桿、導孔鉆頭和擴孔鉆頭。 普通鉆桿有效長度lm，外徑182mm，材質為36CrMoA優質臺金結構鋼。開孔鉆桿的外徑加工精度和同心度要求比普通鉆桿高， 以保證開孔時鉆孔的垂直度。穩定鉆桿的外徑略小于導孔鉆頭直徑，其作用是保證導孔鉆進的垂直度。
本機具有下列特點：
（1）鉆機能力大，鉆井工藝簡單，能滿足煤礦等不同地質條件以及多種孔徑的施工要求。
（2）采用全液壓驅動，結構緊湊，重量輕，功率省。
（3） 安裝運輸簡單省力，迅速安全，主機的豎立、放躺以及調整不需要輔助設備。
（4）主機液壓系統簡單可靠，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國際通用標準，可靠安全，互換性好，壽命長，鉆機還配有多種特制的開孔鉆桿和穩定鉆桿，能有效的防止井孔偏斜。
（6）鉆機工序實現了機械化作業，操作簡單安全，輔助時間短，改善了勞動條件，減輕了勞動強度。
（7）鉆機適用性強，可在較復雜地媒系巖層，如膨脹性巖層，斷層以及涌水量大的地址條件下施工。
（8） 鉆機時防爆型的，使用于各種瓦斯礦，擴孔有噴水裝置，可以降塵及冷卻刀具。

二、反井鉆機工作原理

反井鉆機采用由上向下鉆導孔,由下向上擴孔,需要上下水平都形成生產系統,其中上水平主要是主機和導孔洗井液循環系統、冷卻系統等。下水平主要是出渣系統,包括裝巖機和運輸設備。鉆具部分包括鉆桿、鉆頭和破巖滾刀。RBM-200型反井鉆機,其工作原理為,液壓馬達驅動動力水龍頭,將扭矩傳遞給鉆具系統,帶動鉆具旋轉,破巖采用鑲齒盤形滾刀,滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動,從而對巖石產生沖擊,擠壓和剪切作用,使其破碎。導孔時巖屑沿鉆桿與孔壁間的環行空間由洗井液提升到上水平,擴孔時巖屑靠自重落到下水平。
改造后的新液壓系統為雙回路結構，左側為動力頭旋轉回路和主推力缸快速運動回路，右側為輔助系統供油回路和動力頭工進供油回路。 
動力頭在導孔和擴孔時由變量泵2供油，電磁換向閥17用來控制液壓馬達的正轉或反轉。電液比例流量閥16是液壓馬達調速閥，它通過控制液壓馬達的供油量對液壓馬達進行調速。主推力缸有兩路供油回路，在工進時由輔泵4供油，溢流閥12控制供油壓力。輔助系統供油回路上的電磁換向閥19控制主推力缸的運動方向，液壓鎖21用來對液壓缸進行固定，使其停留在一個工作位置。單向順序閥22使主推力缸保持一定的背壓，防止工進結束時發生前沖；主推力缸還可由主泵供油，滿足裝卸鉆桿時快速升降的要求，主泵供油回路上的電磁換向閥19控制供油方向。液壓馬達和主推力缸的主泵供油回路上都設置了電液比例流量閥，用來對油路上的壓力進行實時控制，以確保反井鉆機正常運轉。其他輔助油缸都由輔泵供油。

三、反井鉆機的基本操作

1、接鉆桿
（1）導孔鉆進時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，將下卡瓦卡住鉆桿下方扁。控制按鈕使動力頭慢轉以使下卡瓦外齒對正卡座內齒，然后停止轉動。控制按鈕下放動力頭，將下卡瓦進入卡座。
（2）控制按鈕使輔助卸扣裝置的棘爪扣住并推動棘輪，一旦松動則收回輔助卸扣裝置。
（3）控制按鈕進行卸扣，同時控制按鈕向上慢慢提起動力水龍頭使動力頭活動套指標桿處于中間位置，卸開后將動力頭上升至最高位置。
（4）在鉆桿公扣上均勻涂抹絲扣油。
（5）操作轉盤吊控制閥，將鉆桿車上的鉆桿吊放到機械手上。控制按鈕把鉆桿送入鉆機中心。
（6）控制按鈕下放動力頭，使活動套指示桿處于最上位置。控制按鈕正轉動力頭，待上端絲扣接好后立即停轉，上升動力頭，使指示桿處于最低位置。松開機械手并返回原位，然后接下端絲扣。最后上升動力頭，取出卡瓦，使可能轉入鉆進。
2、卸鉆桿
（1）擴孔鉆進一根鉆桿后，動力頭停轉。用下卡瓦卡住下一根鉆桿的下方扁，下放動力學水龍頭，將下卡瓦進入卡座。
（2）操作輔助卸扣裝置和馬達反轉松扣，使鉆桿上端絲扣松動。
（3）上升動力水龍頭使活動套指示桿處于最低位置，用上卡瓦卡住鉆桿上方扁，下放動力頭使上卡瓦進入動力頭內齒圈，反轉馬達，并慢慢上升動力頭，使上卡瓦始終在內齒圈里直到下端絲扣卸開。
（4）上升動力水龍頭，卸下上卡瓦，操作機械手，抱住鉆桿，馬達反轉，卸下上端絲扣。
（5）將動力水龍頭上升至最高位置，收回機械手并用轉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。【注：在執行步驟2時，若首先使下端絲扣松動，則應先將絲扣重新擰緊，取出下卡瓦，下放動力頭，用下卡瓦卡住所卸鉆桿的下方扁，并使之進入卡座。用步驟2使絲扣松動（注意松開不能超過1/2轉），提起動力頭，將下卡瓦重新卡住下一根鉆桿的下方扁，并放入卡座，執行步驟3，4，5。】
（7）下放動力頭，使活動套指示桿處于最高位置，馬達正轉接扣，上緊絲扣后，提升動力頭，取出下卡瓦，進行擴孔鉆進。
3、開孔鉆進
（1）調整動力水龍頭出軸轉速為額定值。
（2）將動力水龍頭升至最高位置，把事先與異型鉆桿相連接的導孔鉆頭移入鉆架底孔并用下卡瓦卡住異型鉆桿的下方扁，設法將卡瓦放入卡座。
（3）鉆桿放入機械手，卡住鉆桿，操作機械手，將開孔鉆桿送入鉆架。
（4）接開孔鉆桿，收回機械手。
（5）上升動力水龍頭，取出下卡瓦，將扶正器裝在開孔鉆桿上，下放動力水龍頭，使之進入卡座。
（6）開泵供洗井液和冷卻器用水。
（7）控制按鈕，使動力水龍頭正轉，同時控制按鈕，使動力水龍頭向下推進，同時調節閥<11>、閥<12>使之為所需鉆壓，開始開孔鉆進。
（8）開孔一般為5～8米，開孔結束后，拆去扶正器，換下開孔鉆桿，接上正常鉆進時的鉆具組合，進入正常的導孔鉆進。
4、導孔鉆進
（1）一般情況下，導孔鉆進轉速應高于開孔鉆進轉速，所以應調節動力水龍頭出軸轉速，可以用Ⅱ檔或Ⅲ檔。
（2）鉆壓控制。一般情況下，對于松軟地層和過渡地層應采用低鉆壓，對于硬巖和穩定地層宜采用高鉆壓。
（3）在鉆透下水平左右，應逐漸降低鉆壓。
5、Φ1.4米擴孔鉆進
（1）導孔鉆透后,在下巷道用卸扣器將導孔鉆頭和異型鉆桿卸下,接上米擴孔鉆頭。
（2）調節動力水龍頭出軸轉速為預定值,可用Ⅱ檔或Ⅰ檔。
（3）拆去沖洗液軟管，用一個三通將冷卻水泵的水分出一部分供擴孔鉆頭以冷卻鉆頭、消塵。
（4）在擴孔鉆頭全部進入鉆孔時，為防止鉆頭劇烈晃動而損壞刀刀具，應就使用低鉆壓、低轉速，待鉆頭全部進入后方可加壓鉆進。
（5）擴孔鉆壓的大小是根據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米擴孔鉆進
（1）1.4米擴到上水平后,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米擴孔鉆頭,換上2.0米擴孔鉆頭。
（2）調節動力水龍頭出軸轉速為Ⅰ檔（即最低速）。
（3）同1.4米擴孔一樣，用小鉆壓開孔，待鉆頭整個進入空內后，方可加壓鉆進。鉆壓一般不宜超過300千牛頓，即30噸。
（4）鉆進到穩定器露出停鉆，將鉆頭卡在井口位置，鉆機拆離井口，采用放小炮松動巖石，用人工方法去掉上部巖石，露出擴孔鉆頭，以便將鉆頭提出井孔。

四、本反井鉆機研究的特點

本反井鉆機在分析研究國外反井鉆機基礎上，結合我國的實際，在國產反井鉆機基礎上，作了以下改進：
1、 采用電液比例流量閥、電磁換向閥等對液壓控制系統進行了改進，操作靈活、方便；
2、 對擴孔鉆頭巖石切削工作原理進行了深入研究，對擴孔鉆頭結構作了改進，使滾刀布局更加科學、高效；
3、 研究了反井鉆機鉆壓、鉆進速度與圍巖類型、液壓系統流量等參數之間的關聯關系；開發了一個反井鉆機參數選擇計算機輔助決策支持原型系統；
4、 對擴孔鉆頭滾刀滾齒材料作了試驗研究，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。

反井鉆機結構、特點及工作原理