反井钻机技术装备及发展

反井钻机技术装备及发展
摘要：对反井钻机技术应用装备及发展状况、反井钻机的分类进行了论述。

提出今后应采用新材料、新工艺促进反井钻机发展。

关键词：反井钻机: 发展: 技术装备
在矿业开发、水电和其他地下建设工程中，进，出口联络通道、通风井等多采用竖井或斜井。

反井钻机成为施工竖井和斜井的可靠装备。

其它施工方法，如木垛法、吊罐法和爬罐法，都需由人员进入工作面完成打眼、装药、放炮、危石处理和临时支护作业。

工作环境非常差，事故经常发生，施工速度和工效都很低。

特别是在煤矿，由于有害气体在工作面的积聚，对人身和施工安全构成很大威胁。

而反井钻机施工竖井或斜井不需要操作人员进入工作面作业，也就避免了事故发生。

反井钻机钻出溜矸孔（导井）后，再用爆破法或井筒掘进机刷大成井。

反井钻机也可施工水平孔，解决特定条件下（如不能爆破的位置、施工出口）施工难题，来满足不同工程的需要。

1、反井钻机发展回顾
普通竖井钻井法早在1896年就开始应用，而反井钻井法出现较晚，采矿工作者将潜孔式钻机和平巷掘进机的原理，应用在反井掘进中，创造出反
井钻机雏形。

1960年德国将如图1所示的装备用于施工反井。

这种设备主要包括绞车、钢丝绳、钻头和电缆等。

’言的施工工艺和吊罐法有些相似，先
用小直径钻机钻1-2个孔，沿钻孔下放钢丝绳和电缆，在下部和钻头连接。

钻头的结构类似于平巷掘进机，具备支撑、推进和旋转功能。

在钻头入孔
之前，先施工一段导向孔，或安设一段和钻孔直径相同的钢管。

钻头入内后，径向油缸支撑在井帮或钢管上，钻头的推进和旋转机构同时作用于破岩刀具，将岩石破碎下来。

当一个推进行程完成后，先把推进油缸缩回，上部绞
车捉住钻头，缩回径向支撑，上提钻头，再将径向油缸支撑好，进行下一循环钻进。

这种施工设备由于在上下两水平，操作控制困难，地质条件对钻进影响很大，使用起来问题较多。

这种无钻杆钻机虽已不再使用，但它开辟了机械施工反井的新途径。

图1 第一台无钻杆反井钻机
1962年美国罗宾斯公司研制成第一台有钻杆的反井钻机。

这台钻机驱动控制系统都在上部，由上向下钻进导孔，钻导孔同时将钻杆放到下部，在
下部和扩孔钻头相连，再由下向上扩孔，壤后形成反井。

目前大多数反井钻机是这种类型，只是具体结构有所不同。

图2是反井钻机施工反井示意图。

德国、芬兰、日本、前苏联等国，相继研制出多种类型反井钻机，目前反井钻进施工深度已达千米，最大直径6m。

图2反井钻机施工工艺示意
1一主机；2 -钻杆；3导孔钻头；4-扩孔钻头
2、反井钻机的分类
虽然反井钻机种类很多，但根据钻机安装位置、导孔和扩孔钻进方向等
主要钻进工艺的不同，可将反井钻机划分为3类：
第1类，反井钻机安装在上水平，由上水平向下钻进导孔，在下水平拆导孔钻头，接扩孔钻头，由下向上扩孔。

第2类，钻机安装在下水平，由F水平向上钻进导孔，在上水平拆导孔钻头，接扩孔钻头，由上向下扩孔。

第3类，钻安装在下水平，由下水平全断面向上水平钻进，一次成孔，没有导孔。

表1为这3种类型反井钻机的比较，可以进一步看出它们的区别和优缺点。

目前，我国这3类反井钻机都有使用，如北京建井研究所研制的LM系列、南京煤研所研制的AF系列、长沙矿山研究院研制的ATY系列，以及从美国引进的83RM - HE型和从芬兰引进的RHIN01000型为第1类；从德国引进的P/EH1200型为第2类；煤炭科学研究总院重庆分院研制的zoq100/100型和苏联飞箭- 77为第3类，由于这些反井钻机各有特点，所以必须充分利用各自优点，为矿山建设服务。

3、反井钻机技术装备发展
采用反井钻机施工竖井和斜井，钻孔精度和钻进速度是衡量钻机的重要依据。

反井钻机一般包括3大部分：主机、钻具和辅助设备。

主机将电能转化成驱动钻头破碎岩石的能量，靠对钻具的推、拉力和扭转实现；钻具部分实现能量的传递和破碎岩石；辅助设备用于排除破碎岩石和冷却等。

3.1 反井钻机技术参数
反井钻机的主要技术参数：推力、拉力、扭矩、转速等，应满足钻进工艺要求。

(1)推力是钻机能够对钻具施加的作用力，方向由钻机指向钻具。

其作用是导孔钻进破碎岩石，钻具下放和事故处理等。

(2)拉力也是钻机能够对钻具施加的作用为，方向由钻具指向钻机。

其作用是扩孔钻进破碎岩石，钻具提升和事故处理等，拉力应超过钻具总重力与扩孔破碎岩石所需钻压、摩擦阻力的总和，还应留有30%- 50%的事故处理能力。

拉力一般由液压油缸产生，少部分钻机为链条。

(3)扭矩是钻机对钻具所能施加的旋转力矩，是钻头破碎岩石的主要能量来源，也作为衡量钻机能力的重要参数。

(4)转速是钻机输出的单位时间转数，根据导孔和扩孔工艺不同，转速应
有一定的调节范围。

为提高导孔钻速和钻孔精度，转速要高一些；扩孔时，由于边刀自转速度限制，转速要低一些，大小主要根据扩孔直径确定。

(5)钻速是指单位时间内的钻孔长度，包括导孔钻速和扩孔钻速。

它和钻机推进和提拉速度不同，与地层条件、排渣等有关。

3 .2反井钻机主要构成及辅助系统
反井钻机技术参数及配套辅助设备要满足钻进工艺要求，才能达到较好的钻孔精度和较高的钻进效率。

3.2. 1 反井钻机驱动系统
反井钻机驱动系统是指驱动钻具旋转，产生所需的转速和扭矩，将能量传递到钻头，破碎岩石部分。

根据其所在位置可分为潜孔式（如ZDQlOO/ 100型）和非潜孔式，常用的反井钻机多数为非潜孔式。

潜孔式的优点：钻具只承受静扭矩，可简化钻具结构，降低成本。

就驱动方式而言，主要有电动、液压2种。

前者包括直流电机和变频电机驱动，液压驱动方式靠变速马达、变量液压泵和减速机构实现变速。

液压驱动简单可靠，但能量利用率较低，电动结构复杂，适合子小型反井钻机采用。

3 .2. 2推进系统
反井钻机主要采用油缸作为推进，根据所需推拉力的大小，由2-4个油缸组成，活塞杆腔产生向下推力，活塞腔产生拉力。

也有少部分反井钻机，采用链条，如土尔马克的P/EH1200型。

3.2.3钻具系统
钻具包括普通钻杆、稳定钻杆、过渡接头、导孔钻头和扩孔钻头，形成能量传递和破碎岩石。

根据钻孔深度反井钻机需要大量的普通钻杆，应具有较大承载能力（拉、压、扭转、弯曲）、疲劳强度、较好的刚性和互换性，特
别是连接丝扣，小型钻机（如国内设计的钻机）采用石油系统的API型丝扣。

国外设计的大型反井钻机多采用DI型丝扣，可减轻钻杆自重，增加抗疲劳能力。

稳定钻杆外径和导孔直径接近，用于保证钻孔精度，有直条型、蝶旋型和滚轮扩孔型，按设计要求布置在不同位置。

导孔钻头一般用石油系统的自洁式镶齿三牙轮钻头。

扩孔钻头可布置成平底式、锥形和球形。

3.2.4 破岩滚刀
破岩滚刀安装在扩孔钻头，扩孔时大量破碎岩石。

反井钻机所采用的滚刀有盘形滚刀和镶齿滚刀，根据不同岩石条件，选用不同类型滚刀，盘形滚刀主要用在硬度较低、脆性好的岩石中；镶齿滚刀可采用不同的布齿方式、不同的齿形结构，用于不同类型的岩石。

3.2.5反井钻机辅助系统
反井钻机辅助系统包括导孔钻进洗井循环系统、冷却系统、钻具吊运系统和扩孔清渣系统。

其中，导孔钻进洗井循环泵的选择非常重要，可用柱塞泵、离心泵；对于钻进深孔，多采用柱塞式泥浆泵。

4、反井钻机发展技术方向
4.1 偏斜测控技术
钻孔精度是反井钻机施工反井所需解决的重要问题。

提高精度可减少钻进成本，应利用航天、石油和其它先进测控和纠偏技术，为反井钻机服务。

同时对反井钻机的钻具系统进行深入的研究，提高钻机本身的防偏能力。

4.2高效低能耗的破岩刀具
破岩滚刀是反井钻机施工主要消耗材料，其破岩能耗远高于爆破等常规的破岩方法，应从滚刀刀体结构、刀齿结构以及利用新材料方面入手，研制高效低能耗的破岩刀具，降低反井钻机施工成本，提高施工效率。

5、结语
反井钻机己成为地下工程建设的重要设备，应充分利用相关学科的技术发展，通过研究新工艺新装备使其更加完善，扩展其应用范围，满足不同工程建设的需要。