CN103061675A - 超深孔双管钻进定向钻机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿坑道钻机，具体为一种可以在非软煤层中进行超深孔定向钻进及在软煤层中进行深孔双管定向钻进的钻机。该钻机解决了现有钻机不能在非软煤层进行超深孔定向钻进和在软煤层中进行深孔定向钻进的问题。本发明钻机采用两个动力头与卸扣机构、夹持器相互协作的方式；本发明钻机采用复合钻进方式既孔底动力定向钻进+套管回转钻进和孔内排渣技术，能够克服软煤层塌孔问题提高钻进效率；本发明钻机采用分体自走式结构，整机分成两块能单独行走，使整机尺寸得到控制，提高了对巷道的适应性；本发明钻机给进机构用液压马达驱动螺旋副提供给进力，使两个动力头在同一个轴线上实现大行程单独动作和协同动作；本发明钻机机体强度高，带有支护油缸和地锚缸，设备工作稳定性高。

Description

超深孔双管钻进定向钻机

技术领域

本发明涉及一种煤矿坑道钻机，特别是一种超深孔双管钻进定向钻机。

背景技术

我国煤矿地质条件及其复杂，并且煤中伴生有大量瓦斯，严重的制约了煤矿的生产效率。而治理瓦斯的有效途径是对煤或岩钻孔进行抽采（放）。实行大面积钻孔进行预抽采是提高煤矿生产率的有效途径。目前煤矿用于瓦斯抽采钻孔的坑道钻机有两种，一种是孔底动力定向钻机；一种是孔口回转动力钻机。它们都无法进行超深孔（1500m以上）定向钻进及软煤层深孔（600m以上）的定向钻进，致使大面积钻孔抽采（放）无法实现。现有钻机无法实现超深孔钻进的根本原因是钻机的扭矩及给进起拔力不足，在1500m以上的孔底遇到抱钻卡钻工况时无法处理。现有的坑道钻机在松软煤层中根本无法突破200m的孔深，主要是因为在松软煤层中钻进易发生塌孔埋钻事故，致使无法继续钻进。

发明内容

本发明的目的是针对上述中存在的不足，提供一种超深孔双管钻进定向钻机。采用两个动力头协同工作来提高输出扭矩及给进力起拔力。使用复合钻进的方法来突破软煤层无法深孔钻进的难题。可实现非软煤层的超深孔（1500m以上）定向钻进及软煤层深孔（600m以上）两种钻杆φ70、φ114的复合定向钻进。如果克服上述钻机的缺点和不足，使钻机能够在非软煤层中进行超深孔双管定向钻进和在软煤层中进行深孔定向钻进，实现大面积的预抽采（放），对提高煤矿生产率意义重大。

本发明的目的是这样实现的，整机分成两个部分，一是前车，一是后车，两车均能单独行走。前车组成有两组动力头、给进机构、卸扣机构、前夹持器、前车液压装置、前车水装置、前车电气装置、随钻测斜装置、前车行走装置和支护装置；后车组成有后车电气装置、后车行走装置和后车液压装置。其特征是：动力头均由夹持器、减速机、滑车、双马达组成，动力头通过滑车与给进机构的光杠、丝杠连接；给进机构由光杠、丝杠、轴承、端板法兰及丝杠驱动马达组成，光杠通过轴承、端板法兰、连接件与支撑座连接；丝杠通过联轴器与丝杠驱动马达连接再通过轴承、端板法兰、连接件与支撑座连接固定；卸扣机构由卸扣、卸扣油缸组成，卸扣通过连接件与支架连接固定，卸扣油缸通过连接件分别与卸扣、前车架固定；前夹持器通过连接件与支架连接固定；前车液压装置由液压泵组、多流阀、控制阀及液压管线等组成。液压泵组通过联轴器与前车电机连接。多流阀、控制阀通过连接件直接与前车架固定；前车电气装置由电机、电磁启动器、温度传感器、流量传感器、甲烷传感器、馈电断电器组成，其中温度传感器、流量传感器、甲烷传感器、馈电断电器通过控制电缆分别与电磁启动器相连，电机、电磁启动器通过连接件与前车架固定；随钻测斜装置、前车行走装置和支护装置分别通过连接件与前车架固定。后车电气装置由电机、电磁启动器、温度传感器组成，温度传感器通过控制电缆与电磁启动器相连，电机、电磁启动器通过连接件与后车架固定；后车行走装置和后车液压装置分别通过连接件与后车架固定。所述的两个动力头采用全液压控制常开式结构，可以同时进行两种不同规格的钻杆/套管的同步/异步定向钻进，即双管复合钻进方式。该钻机具有较大的输出扭矩可达12000Nm和较大给进起拔力可达800kN。两个动力头可单独动作也可协同工作，能够实现两种钻杆同时钻进的复合钻进方式。针对软煤层易塌孔问题提供了全新的解决方案。所述的动力头采用全液压常开式结构，夹持力正常工况600kN。所述的给进机构为液压马达驱动螺旋副进行给进，构成往复式自锁驱动装置。给进机构由光杠、丝杠、轴承、端板法兰及丝杠驱动马达组成。光杠通过轴承、端板法兰、连接件与支撑座连接；丝杠通过联轴器与丝杠驱动马达连接再通过轴承、端板法兰、连接件与支撑座连接固定。驱动马达分别驱动两个螺旋副给两个动力头提供给进起拔力，构成往复式自锁驱动装置。两个动力头即可单独动作，也可同时协同工作，为双管复合钻进提供多种钻进方式。采用螺旋副传动既能大行程给进又使结构更加紧凑。同时将给进机构独立设计，使得强度增加的同时，又便于安装和维修。所述的卸扣机构、前夹持器及托架。卸扣机构由卸扣和卸扣油缸组成，卸扣通过连接件与支架连接固定，卸扣油缸通过连接件分别与卸扣、前车架固定；前夹持器通过连接件与支架连接固，通过卸扣、前夹持器与双动力头组合操作，可实现两组不同规格的钻杆/套管的上卸。托架可为上卸钻杆提供方便和节省人力。所述的前车液压装置由液压泵组、多流阀、控制阀及液压管线等组成。液压泵组通过联轴器与前车电机连接。多流阀、控制阀通过连接件直接与前车架固定。由于采用具有恒功率控制，负载敏感控制和压力切断功能的两联串泵和具有负载敏感功能并带有二次溢流的液压主阀组成液压主体部分，实现了液压装置在外负载剧烈波动的情况下，髙效稳定的工作。为动力头、给进装置、前车行走装置、水装置和支护装置提供强大稳定的动力。后车液压装置由泵组，控制阀和油箱组成，分别用连接件与后车架固定。泵组，控制阀用于为后车行走提供动力，油箱通过管线、快换连接板与前车油路相连，实现前/后车工作状态多油量、大动力的提供。所述的操作装置由各装置压力表、操作手柄等组成，用于实际钻进操作及查看。所述的前车电气装置由电机、电磁启动器、温度传感器、流量传感器、甲烷传感器、馈电断电器组成。其中温度传感器通过连接件与前车油箱固定，流量传感器通过螺纹直接与水路连接，甲烷传感器、馈电断电器通过连接件与前车架固定。温度传感器、流量传感器、甲烷传感器、馈电断电器分别通过控制电缆与电磁启动器相连，对电动机进行保护的同时，有对整个液压装置进行保护。使设备运转状态得到监控。前车电机为75KW为前车液压装置提供动力。后车电气装置由电机、电磁启动器、温度传感器组成。电机、电磁启动器通过连接件与后车架固定。温度传感器通过连接件与后车油箱连接，通过控制电缆与电磁启动器相连，可做到监控状态及液压油路的保护。后车电机为200KW为后车行走及钻机打钻提供动力。所述的随钻测斜装置采用计算机和测量探管组成，信号通过钻杆中的电缆传输。计算机接收电缆传回的信号，对钻孔轨迹进行监测，提高探放准确率。所述的前/后车行走装置由履带、驱动轮、导向轮、支撑轮、托链轮、液压马达、行走减速机和履带架组成，行走减速机带有机械式离合装置及常闭式驻车制动装置，行走减速机两个法兰分别与驱动链轮和履带架联接在一起。整体通过连接件将履带架与前/后车架固定，实现前/后车独立自由行走。所述的支护装置由8个支撑油缸、2个地锚缸组成，分别通过连接件与前车架固定。其中支撑油缸分别是下支撑4个二级油缸，上支撑2个，每个油缸可提供350kN的支撑力；前支撑2个，每个提供400KN支撑力。地锚缸2个，每个油缸可提供200kN的拉紧力。提供稳定工作状态的同时，为钻进提供支护保证，对施钻人员给予保护。

本发明的有益效果是：

1、整体强度高，工作稳定，整机功率大。能提供强劲的给进起拔力和输出扭矩。对孔底事故的处理能力极强。还可用于其它钻机孔底事故的救援处理；

2、能够适应松软煤层的定向钻进，可有效的解决孔底事故造成的危害，实现松软煤层的大面积预抽采，有效的提高了软煤层的采煤效率；

3、能够实现超深孔双管定向钻进，不仅用于非软煤层的大面积预抽采，还可用于矿难受困人员的救助；

4、能够通过测斜装置将整个施钻过程数据采集处理，并形成图像，使得钻手能够形象的看到钻进轨迹的变化，为钻手调整施钻参数提供依据，使得钻进精度得到极大提高；

5、采用两个动力头，实现了钻机在保证转速的情况下输出足够的扭矩。并且由于可单独动作故而能够实现复杂的钻进工艺，大大提高了工作效率；

6、采用液压马达驱动螺旋副对动力头进行给进，由于螺旋副具有自锁功能，可有效的阻止外力将钻具退出，为施钻人员提供更大的安全保护；

7、行走部采用大输出扭矩的液压马达和独立的履带结构，降低了故障率，同时加大了行走驱动力，提高了爬坡能力；

8、采用的大行程，大支撑力的支护装置，对巷道的顶、底板适应能力强，不再另需支护，减少了工人劳动强度，同时也提高钻机超深孔钻进时稳定性。

附图说明

图1是本发明的前车结构示意图

图2是图1的左视图

图3是图1的俯视图

图4是本发明的后车结构示意图

图5是图4的左视图

图6是图5的俯视图

具体实施方式

下面结合附图对本实施例做进一步说明   

由图1-2可知，前车以前车架32为基础，将各机构组成部分用连接件固定在上面。其中两侧安装有行走装置21及地锚缸28；其前后各两个下支撑油缸19，左前方、左后方各一个上支撑油缸2，前方2个前支撑油缸35，分别用于稳定钻机，为钻进提供支护保证。前车架32右侧由前向后依次排列前夹持器3、封堵装置4、卸扣5、夹持器6、减速机7、滑车8、双马达36和托杆机构12。其中夹持器3用连接件固定于前车架32上的支架16上；封堵装置4通过用连接件固定于卸扣5上。卸扣5由卸扣油缸17提供动力进行卸扣操做。两组夹持器6、减速机7、滑车8、双马达36组成两组动力头。动力头用通过滑车8上的螺纹副、光孔与给进机构上的丝杠7、光杠8连接。前端动力头用于夹套管13、后端动力头用于夹钻杆14，两组动力头均通过双马达36带动夹持器6旋转运动，通过丝杠7转动实现进给运动。丝杠7、光杠8、丝杠驱动马达15、端板法内含轴承1组成给进机构，整体固定于前车架32上的支撑座20及支撑座11上。由液压驱动丝杠驱动马达15带动丝杠7转动，从而实现动力头的给进。最后由托杆机构12辅助钻杆14的上卸。双动力头减速机7为双马达36，为输出提供大扭矩，既可单独工作也可组合工作，增倍提高转矩及起拔力。支护油缸8个、地锚缸2个分别与前车架连接。其中支撑油缸8个：分别是下支撑4个，上支撑2个，每个油缸可提供350kN的支撑力；前支撑2个，每个提供400KN支撑力。地锚缸2个，每个油缸可提供200kN的拉紧力。

前/后车行走装置配有液压马达、行走减速机、驱动轮，行走减速机带有机械式离合装置及常闭式驻车制动装置，行走减速机两个法兰分别与驱动链轮和履带架联接在一起。前车架32左侧由前向后依次排列为操纵机构22、测斜装置用电脑箱 24、电磁启动器27和水装置30。操纵机构22包括压力表及各种操纵手柄，从而实现打钻过程中对各液压元件所需的控制及执行。电磁启动器27分别与液压油箱中的温度传感器23、水装置中的流量传感器25和馈电断电器33、甲烷传感器34相连，实现实时监控和保护。前车架32中部安装有前车电机31和液压泵组29。液压泵组29用联轴器37与电机31相连。为整个前车的水装置及行走提供动力。

由图3可知，后车以后车架42为基础，将各机构组成部分用连接件固定在上面。其中后车架42两侧安装有行走机构41；后车架42右侧依次排列为电磁启动器39、后车油箱40。左侧依次排列为后车操纵机构43、后车油箱40，操纵机构主要用于后车行走的操纵。中部依次排列为后车电机44、液压泵组46和冷却器47。后车电机44通过联轴器45和液压泵组46相连，为后车行走及钻进提供动力。前车和后车通过快换连接板18和快换连接板38用管线将油路相连，实现前/后车工作状态多油量、大动力的提供。

Claims (11)

1.一种超深孔双管钻进定向钻机，包括前车和后车两部分，前车组成有两组动力头、给进机构、卸扣机构、前夹持器、前车液压装置、前车水装置、前车电气装置、随钻测斜装置、前车行走装置和支护装置；后车组成有后车电气装置、后车行走装置和后车液压装置，整机分成前车和后车两部分，都能单独行走，其特征是，前车两组动力头均由夹持器、减速机、滑车、双马达组成，动力头通过滑车与给进机构的光杠、丝杠连接；由于有前、后两组动力头，可以同时进行两种不同规格的钻杆/套管的定向钻进，即双管复合钻进方式。

2.根据权利要求1所述的超深孔双管钻进定向钻机，其特征是，所述的动力头采用全液压常开式结构，夹持力正常工况600kN。

3.根据权利要求1所述的超深孔双管钻进定向钻机，其特征是，所述的给进机构由光杠、丝杠、轴承、端板法兰及丝杠驱动马达组成，光杠通过轴承、端板法兰、连接件与支撑座连接；丝杠通过联轴器与丝杠驱动马达连接再通过轴承、端板法兰、连接件与支撑座连接固定，驱动马达分别驱动两个螺旋副给两个动力头提供给进起拔力，构成往复式自锁驱动装置。

4.根据权利要求1所述的超深孔双管钻进定向钻机，其特征是，所述的卸扣机构由卸扣和卸扣油缸组成，卸扣通过连接件与支架连接固定，卸扣油缸通过连接件分别与卸扣、前车架固定；前夹持器通过连接件与支架连接固，通过卸扣、前夹持器与双动力头组合操作，可实现两组不同规格的钻杆/套管的上卸。

5.根据权利要求1所述的超深孔双管钻进定向钻机，其特征是，所述的前车液压装置由液压泵组、多流阀、控制阀及液压管线等组成；液压泵组通过联轴器与前车电机连接，多流阀、控制阀通过连接件直接与前车架固定。

6.根据权利要求1所述的超深孔双管钻进定向钻机，其特征是，所述的后车液压装置由泵组，控制阀和油箱组成，分别用连接件与后车架固定；泵组，控制阀用于为后车行走提供动力，油箱通过管线、快换连接板与前车油路相连，实现前/后车工作状态多油量、大动力的提供。

7.根据权利要求1所述的超深孔双管钻进定向钻机，其特征是，所述的操作装置由各装置压力表、操作手柄等组成，压力表通过压力表线与相应管线连接可用于钻进查看；操作手柄通过液压油路控制执行元件（油缸/马达）的操作。

8.根据权利要求1所述的超深孔双管钻进定向钻机，其特征是，所述的前车电气装置由电机、电磁启动器、温度传感器、流量传感器、甲烷传感器、馈电断电器组成；其中温度传感器通过连接件与前车油箱固定，流量传感器通过螺纹直接与水路连接，甲烷传感器、馈电断电器通过连接件与前车架固定；温度传感器、流量传感器、甲烷传感器、馈电断电器分别通过控制电缆与电磁启动器相连，对电动机进行保护的同时，有对整个液压装置进行保护；使设备运转状态得到监控；前车电机为75KW为前车液压装置提供动力；后车电气装置由电机、电磁启动器、温度传感器组成；电机、电磁启动器通过连接件与后车架固定；温度传感器通过连接件与后车油箱连接，通过控制电缆与电磁启动器相连，可做到监控状态及液压油路的保护；后车电机为200KW为后车行走及钻机打钻提供动力。

9.根据权利要求1所述的超深孔双管钻进定向钻机，其特征是，所述的随钻测斜装置采用计算机和测量探管组成，信号通过钻杆中的电缆传输；计算机接收电缆传回的信号，对钻孔轨迹进行监测，提高探放准确率。

10.根据权利要求1所述的超深孔双管钻进定向钻机，其特征是，所述的前/后车行走装置由履带、驱动轮、导向轮、支撑轮、托链轮、液压马达、行走减速机和履带架组成，行走减速机带有机械式离合装置及常闭式驻车制动装置，行走减速机两个法兰分别与驱动链轮和履带架联接在一起；整体通过连接件将履带架与前/后车架固定，实现前/后车独立自由行走。

11.根据权利要求1所述的超深孔双管钻进定向钻机，其特征是，所述的支护装置由8个支撑油缸、2个地锚缸组成，分别通过连接件与前车架固定，其中支撑油缸分别是下支撑4个二级油缸，上支撑2个，每个油缸可提供350kN的支撑力；前支撑2个，每个提供400KN支撑力，地锚缸2个，每个油缸可提供200kN的拉紧力。

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