不旋转潜孔锤钻机

568 编辑：中冶有色技术网来源：武汉通途鑫路桥工程有限公司

2023-12-15 15:04:20

权利要求书： 1.一种不旋转潜孔锤钻机，其特征在于：包括集束潜孔锤(1)、导向架(2)、摆动驱动装置(3)、钢丝绳(4)、进气管(5)、液压油管(6)、排渣管(7)、排气管(8)、主吊机(9)、空压机(10)、泥浆净化器(11)、销轴(12)、单体潜孔锤(13)、钻头(14)、进渣口(15)、纠偏板(16)、井壁(17)；

所述集束潜孔锤(1)为两个，在井孔底面一个方向上直线对称分开布置，相互之间留出所述集束潜孔锤(1)的摆动空间；所述集束潜孔锤(1)通过所述销轴(12)活动安装在所述导向架(2)底部，所述摆动驱动装置(3)铰接联结所述集束潜孔锤(1)和所述导向架(2)，所述摆动驱动装置(3)上的液压油缸伸缩驱动所述集束潜孔锤(1)同步对称往复摆动，所述集束潜孔锤(1)摆动在导向架(2)的引导下，外侧到达所述井壁(17)，内侧摆动到互相完全靠近；

所述集束潜孔锤(1)上的所述钻头(14)在所述集束潜孔锤(1)摆动方向的横向连续排列，所述钻头(14)的钻齿横向间距为20毫米左右，保证钻齿横向之间岩石完全凿碎；

所述主吊机(9)通过所述钢丝绳(4)悬吊所述导向架(2)顶端；所述导向架(2)与所述井壁(17)尺寸匹配四周保持紧贴可以在钻进方向滑动，不会旋转，所述导向架(2)的上下两端四周安装了所述纠偏板(16)；

所述钢丝绳(4)、所述进气管(5)、所述液压油管(6)、所述排渣管(7)、所述排气管(8)在井孔内悬空平行排列，通过钻机自动控制同步升降；

所述进气管(5)上端连接所述空压机(10)，下端进入井孔、所述导向架(2)与所述集束潜孔锤(1)上的所述单体潜孔锤(13)的进气口连接；

所述液压油管(6)上端连接所述主吊机(9)上的液压管路，下端进入井孔穿过所述导向架(2)与所述摆动驱动装置(3)上的液压油缸连接；

所述排渣管(7)上端连接所述泥浆净化器(11)，下端进入井孔穿过所述导向架(2)、所述集束潜孔锤(1)内部与所述进渣口(15)连通；

所述排气管(8)上端与大气环境开放，下端进入井孔穿过所述导向架(2)，进入所述集束潜孔锤(1)，与所述单体潜孔锤(13)的排气孔连通。

2.根据权利要求1中权利要求所述的一种不旋转潜孔锤钻机，其特征在于：所述集束潜孔锤(1)底部形状为矩形或半圆形，或者半圆环形。

3.根据权利要求1或2所述的一种不旋转潜孔锤钻机，其特征在于：所述集束潜孔锤(1)上的每个所述单体潜孔锤(13)的所述钻头(14)底部无排气孔，排气孔设置在所述单体潜孔锤(13)的冲击器的外侧面，每个所述单体潜孔锤(13)的排气孔与所述排气管(8)连通，排气通过所述排气管(8)排入到井孔以外大气环境，保持所述集束潜孔锤(1)排气不会排入井孔内。

4.根据权利要求1所述的一种不旋转潜孔锤钻机，其特征在于：所述导向架(2)上安装了测斜仪和方位仪，实时测量所述导向架(2)空间姿态参数，指导所述纠偏板(16)伸缩改变钻机钻进方向，实时进行钻进方向导向或纠偏，实现钻机定向钻进功能。

说明书：一种不旋转潜孔锤钻机技术领域[0001] 本实用新型涉及地基钻进钻机技术领域，更具体地说它是一种不旋转潜孔锤钻机。背景技术[0002] 现有潜水钻机、地下连续墙双轮铣槽机、竖井钻机、竖井掘进机和矿山救援钻机均为钻头旋转钻进方案，旋转动力通过马达、减速机传输到钻头，当钻进井孔尺寸较大时，结构复杂笨重，传递旋转力矩太小，减速机水下不易密封，钻头冲击力导致减速机容易磨损，挤压破碎的钻进方式导致硬岩钻进速度很慢，不能适应超大直径大尺寸、超深水下钻进。到目前为止，全球仍处于“上天容易下地难”的常态，一些特殊工程需要超大直径大尺寸、千米级深度，需要应对地下涌水严重、坍塌、岩石坚硬的问题，钻进施工非常困难。例如，潜水钻机扭矩小，密封容易损坏，钻进深度小、直径小；地下连续墙双轮铣槽机水下减速机密封困难，输出扭矩很小，减速机磨损很快，维修费用高，耐受水压限于百米级米深度，遇到硬岩时钻进困难；竖井掘进机井内设备密封止水困难，耐受水压不大于100米深，需要花费大量时间、巨大成本超前注浆止水，井筒支护速度慢，不能做到井下无人施工，安全风险大成本高昂；竖井钻机钻杆笨重，下钻起钻耗时费力，钻头牙轮磨损很快，容易发生断钻杆、掉钻头事故，钻进效率极低；风动潜孔锤矿难紧急救援钻机钻孔直径不大于1米，尺寸很难保证救援需要，旋转的钻杆和钻头无法实现定向钻进，救援井钻进之前必须先钻进导向孔，花费很长时间，损失宝贵的黄金救援时间。当前经济建设迫切需要解决上述技术难题，提高大直径大尺寸、超深井孔、高强度岩石地层的钻进装备技术，以满足日益增加的深基础、地下空间开发、钻探、采矿、竖井建设、地下储能、国防、矿难紧急救援钻井等各种建设需求。[0003] 因此，现亟需开发一种设备结构简单耐用、制造费用小、钻孔直径或尺寸超大、钻进速度快、能定向钻进，适应超深水下及复杂环境中钻进的岩土钻进设备技术方案。发明内容[0004] 本实用新型的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，而提供一种不旋转潜孔锤钻机。[0005] 为了实现上述本实用新型的目的，本实用新型的技术方案为：一种不旋转潜孔锤钻机，包括集束潜孔锤、导向架、摆动驱动装置、钢丝绳、进气管、液压油管、排渣管、排气管、主吊机、空压机、泥浆净化器、销轴、单体潜孔锤、钻头、进渣口、纠偏板、井壁；[0006] 所述集束潜孔锤为成对，在井孔底面一个方向上直线对称分开布置，相互之间留出所述集束潜孔锤的摆动空间；所述集束潜孔锤通过所述销轴活动安装在所述导向架底部，所述摆动驱动装置铰接方式联结所述集束潜孔锤和所述导向架，所述摆动驱动装置上的液压油缸伸缩驱动所述集束潜孔锤成对同步对称往复摆动，所述集束潜孔锤摆动范围受所述导向架的控制，外侧摆动到达所述井壁，内侧摆动到两个所述集束潜孔锤互相完全靠近；[0007] 所述集束潜孔锤上的所述钻头在所述集束潜孔锤摆动方向的横向连续排列，所述钻头的钻齿横向间距为20毫米左右，保证之间岩石完全凿碎；[0008] 所述主吊机通过所述钢丝绳悬吊所述导向架顶端；所述导向架与所述井壁尺寸匹配四周保持紧贴可以滑动，所述导向架的上下两端四周安装了所述纠偏板；[0009] 所述钢丝绳、所述进气管、所述液压油管、所述排渣管、所述排气管在井孔内悬空平行排列，通过钻机自动控制同步升降；[0010] 所述进气管上端连接所述空压机，下端进入井孔、所述导向架与所述集束潜孔锤上的所述单体潜孔锤的进气口连接；[0011] 所述液压油管上端连接所述主吊机上的液压管路，下端进入井孔、所述导向架与所述摆动驱动装置上的液压油缸连接；[0012] 所述排渣管上端连接所述泥浆净化器，下端进入井孔穿过所述导向架、所述集束潜孔锤内部与所述进渣口连通；[0013] 所述排气管上端与大气环境开放，下端进入井孔穿过所述导向架，进入所述集束潜孔锤，与所述单体潜孔锤的排气孔连接。[0014] 上述方案中，所述集束潜孔锤底部形状为矩形或半圆形，或者半圆环形。[0015] 上述方案中，所述集束潜孔锤上的每个所述单体潜孔锤的所述钻头底部无排气孔，排气孔设置在所述单体潜孔锤的冲击器的外侧面，每个所述单体潜孔锤的排气孔与所述排气管连通，排气通过所述排气管排入到井孔以外大气环境，保持所述集束潜孔锤排气不会排入井孔内。[0016] 上述方案中，所述导向架上安装了测斜仪和方位仪，实时测量所述导向架空间姿态参数，钻机指令所述纠偏板伸缩改变钻机钻进方向，实时进行钻进方向导向或纠偏，实现钻机定向钻进功能。[0017] 本实用新型具有如下优点：[0018] (1)本实用新型的钻机结构简单耐用，造价低，维修周期长；[0019] (2)本实用新型的钻机摆动驱动力超大，可以钻进10米以上超大直径大尺寸井孔；[0020] (3)本实用新型钻机摆动驱动装置可以为液压油缸，能耐受千米级水深的水压力，避免了旋转驱动装置密封困难、不耐水压问题，钻机可以在千米级以上深水或粉尘潮湿高温环境下工作；[0021] (4)本实用新型钻机具有定向钻进功能；[0022] (5)本实用新型钻具不旋转，潜孔锤动力管线和排渣管道与潜孔锤的钻杆或钢丝绳不会扭绞，方便设置管道进行泥浆反循环方式或空气反循环方式排渣，拓宽了潜孔锤的应用范围。[0023] 综合以上内容，本实用新型提供的一种不旋转潜孔锤钻机对比现有潜水钻机、地下连续墙双轮铣槽机、竖井钻机、竖井掘进机和矿山救援钻机技术，克服了不耐水压，容易磨损，钻进速度慢，钻进直径小，不能钻进矩形截面的缺点，具有结构简单造价低，能钻进10米以上超大直径大尺寸、千米级深度水下井孔，可以在复杂环境下工作，可以钻进矩形、圆形井孔或环形取芯钻进，钻进速度超快，可以应用于潜水钻机、地下连续墙铣槽机、竖井钻机、竖井掘进机和矿难紧急救援钻机的优点。附图说明[0024] 图1为本实用新型钻机结构示意图；[0025] 图2为本实用新型集束潜孔锤摆动到井壁位置的立面示意图；[0026] 图3为本实用新型集束潜孔锤摆动到互相靠拢位置的立面示意图；[0027] 图4为本实用新型矩形集束潜孔锤摆动到井壁位置的平面示意图；[0028] 图5为本实用新型矩形集束潜孔锤摆动到靠拢位置的平面示意图；[0029] 图6为本实用新型半圆形集束潜孔锤摆动钻进平面示意图；[0030] 图7为本实用新型半圆形集束潜孔锤摆动到井壁位置的平面示意图；[0031] 图8为本实用新型半圆形集束潜孔锤摆动到靠拢位置平面示意图；[0032] 图9为本实用新型半圆形集束潜孔锤钻进完成井孔形状的与标准圆形对比示意图；[0033] 图10为本实用新型半圆环形集束潜孔锤摆动钻进平面示意图；[0034] 图11为本实用新型半圆环形集束潜孔锤摆动到靠拢平面示意图；[0035] 图12为本实用新型半圆形集束潜孔锤摆动到井壁位置平面示意图；[0036] 图13为本实用新型半圆形集束潜孔锤钻进完成井壁截面的平面示意图[0037] 图中，1?集束潜孔锤，2?导向架，3?摆动驱动装置，4?钢丝绳5?进气管，6?液压油管，7?排渣管，8?排气管，9?主吊机，10?空压机，11?泥浆净化器，12?销轴，13?单体潜孔锤，14?钻头，15?进渣口，16?纠偏板，17?井壁；A?钻进完成井孔的井壁，B?标准圆形线，C?外侧井壁，D?内测井壁，E?岩芯；

具体实施方式[0038] 下面结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们并不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本实用新型的优点将变得更加清楚和容易理解。[0039] 参阅附图可知：一种不旋转潜孔锤钻机及其使用方法，包括1?集束潜孔锤、2?导向架、3?摆动驱动装置、4?钢丝绳、5?进气管、6?液压油管、7?排渣管、8?排气管、9?主吊机、10?空压机、11?泥浆净化器、12?销轴、13?单体潜孔锤、14?钻头、15?进渣口、16?纠偏板、

17?井壁；

[0040] 所述集束潜孔锤1为成对，在井孔底面一个方向上呈直线对称分开布置，互相之间留出摆动空间。摆动驱动装置3一端铰接在导向架2上，另一端铰接在驱动集束潜孔锤1上，摆动驱动装置3上的液压油缸在钻机控制下伸缩，向集束潜孔锤1施加推力或拉力，提供集束潜孔锤1对岩土钻进需要的切向力，集束潜孔锤1围绕销轴12往复旋转摆动。集束潜孔锤1的钻头14在集束潜孔锤1摆动方向的横向连续排列，钻头14的钻齿横向间距为20毫米左右，保证钻齿之间岩石全部凿碎。摆动驱动装置3使成对的集束潜孔锤1同步对称往复摆动，集束潜孔锤1外侧摆动到达井壁17，内侧摆动到互相靠拢，实现井孔底面岩土全部受到钻头14的冲击钻进。集束潜孔锤1钻进冲击动力由进气管5输送的高压空气提供，集束潜孔锤1的钻压由集束潜孔锤1和导向架2的自重提供，钻压大小通过钢丝绳4施加在导向架2顶端提吊力的大小来控制，以集束潜孔锤1和岩土钻进参数需要，由钢丝绳4的拉力进行调整。[0041] 所述导向架2和集束潜孔锤1在钻进和升降过程中，在钻进轴线方向上始终不旋转，钢丝绳4、进气管5、液压油管6、排渣管7、排气管8在井孔内悬空平行布置，钻机控制同步升降，互相之间相对静止，不会扭绞摩擦损坏。[0042] 集束潜孔锤1上的每个单体潜孔锤13的钻头14底部无排气孔，排气孔在单体潜孔锤13的冲击器的外侧面，每个所述单体潜孔锤13的排气孔与所述排气管8连通，排气通过所述排气管8排入到井孔以外大气环境，保持所述集束潜孔锤1排气不会排入井孔内。[0043] 所述的排渣管7上端连接所浆净化器11，下端进入井孔穿过导向架2、集束潜孔锤1内部与进渣口15连通，钻渣由泥浆或空气介质，采用反循环方式通过排渣管7排出井孔外。当钻孔为有水湿孔时，将高压空气输入集束潜孔锤1底部的进渣口15管内，形成泥浆气举反循环排渣。在钻孔为无水干孔时，在集束潜孔锤1底部的进渣口15管内安装向内喷射的空气射流喷嘴，输入高压空气，产生空气射吸效应将钻渣吸入排渣管7，形成空气反循环排渣。在钻孔为开钻浅孔时，在集束潜孔锤1底部的渣口15管内安装向内喷射的空气射流喷嘴，输入高压空气，产生空气射吸效应将泥浆和钻渣吸入排渣管7，形成空气射吸泥浆反循环排渣。

[0044] 在松散覆盖层地层中，钻进采用泥浆反循环排渣，经过净化后的泥浆返回井孔，因为集束潜孔锤1的全部排气不会排入井孔中，泥浆护壁不会受到排气影响，采用泥浆护壁保持井孔不塌孔，避免采用全护筒跟进延长工期耗费巨大的护筒跟进成本。[0045] 所述的导向架2具有一定长度，尺寸与井壁17尺寸匹配四周相互紧贴可以滑动，导向架2上安装了测斜仪和方位仪，导向架2的上下两端四周安装了多个纠偏板16，导向架2姿态通过在井壁17夹持下，引导集束潜孔锤1的钻进方向沿导向架延伸线向前的趋势，实现引导钻进方向功能。定向钻进或钻进方向纠偏方法是：钻机根据测斜仪和方位仪测量导向架2空间姿态参数，指令纠偏板16伸缩，使导向架2上的不同的纠偏板16向井壁施加推力，调整导向架2的引导方向改变当前钻进方向，实现定向钻进或纠偏功能。[0046] 集束潜孔锤1的形状为矩形或半圆形，或者为半圆环形。根据附图4、5所示，集束潜孔锤1的形状为矩形时，钻进完成的井孔截面形状为矩形。根据附图6、7、8、9所示，集束潜孔锤1的形状为半圆形时，钻进完成的井孔截面形状为近似的标准圆形。根据附图10、11、12、13所示，集束潜孔锤1的形状为半圆环形时，钻进完成的井孔截面形状为近似标准圆形的圆环形，形成圆形岩芯，实现分段取芯钻进工艺，减少破碎岩石的体积节约成本。

[0047] 集束潜孔锤1由摆动驱动装置3驱动摆动钻进，井孔内机械机构简单，摆动驱动装置3为伸缩式液压油缸，摆动驱动装置3的液压油缸可以为多组，尺寸小结构简单耐用，可提供巨大摆动力，能钻进10米以上直径尺寸的超大井孔。摆动驱动装置3伸缩油缸安装内外双向密封圈，可以达到很高内外密封压力，达到30?50兆帕密封压力。单体潜孔锤13内部安装了止回阀防止泥沙进入潜孔锤，工程实践记录的钻进深度达到4000多米。潜孔锤可以搭载功率很大的空气动力，冲击能量大，冲击频率很高，钻进速度超快。潜孔锤采用高压气体为冲击动力传输介质，能够从井孔外的地面上通过大流量管道向井底潜孔锤超长距离输送，输送的环节少，功率超大损耗小，适合千米级深度水下钻井工作，可以应用于超深竖井施工机械。集束潜孔锤1中的单体潜孔锤13排气孔设置在冲击器外表面，通过排气管8与大气环境连通，集束潜孔锤1形成闭气反循环，使集束潜孔锤1排气压力降到最低，冲击能效保持最高，适应千米级深井钻进。[0048] 单体潜孔锤13的空气动力由进气管5直接输送到单体潜孔锤13进行冲击钻进，空气动力输送路径直接，输送功率大小不受机械结构限制，可以很大，单体潜孔锤13数量多高频冲击承载功率巨大，坚硬岩石的钻进速度非常快，能效高，本实用新型钻机钻进速度超快。[0049] 本实用新型一种不旋转潜孔锤钻机的使用方法，包括如下步骤，步骤一[0050] 同步下放导向架2、钢丝绳4、进气管5、液压油管6、排渣管7、排气管8，使集束潜孔锤1与井孔底面接触，导向架2引导集束潜孔锤1的钻进方向或进行方向纠偏；纠偏方法是：钻机根据测斜仪和方位仪测量导向架2空间姿态参数，指令纠偏板16通过伸缩进行纠偏；

[0051] 步骤二[0052] 启动摆动驱动装置3驱动集束潜孔锤1沿井底一个方向直线对称往复摆动，在井孔范围内靠近或分开，向集束潜孔锤1输入高压空气，钻头14冲击凿碎岩土，钻渣由泥浆或空气介质，采用反循环方式通过排渣管7排出井孔外，在松散覆盖层地层中，钻进采用泥浆反循环排渣，经过净化后的泥浆返回井孔，泥浆护壁保护井孔不塌孔；[0053] 步骤三[0054] 随着钻进同步下放导向架2、钻杆4、进气管5、液压油管6、排渣管7和排气管8，直至钻孔完成。[0055] 上述方案中在步骤三中，当钻孔为有水湿孔时，将高压空气输入集束潜孔锤1底部的进渣口15管内空气喷嘴，输入高压空气，形成泥浆气举反循环排渣；[0056] 在钻孔为无水干孔时，在集束潜孔锤1底部的进渣口15管内安装向内喷射的空气射流喷嘴，输入高压空气，产生空气射吸效应将钻渣吸入排渣管7排出钻渣，形成空气反循环排渣；[0057] 在钻孔为开钻浅孔时，在集束潜孔锤1底部的进渣口15管内安装内喷射的空气射流喷嘴，输入高压空气，产生空气射吸效应将泥浆和钻渣吸入排渣管7排出泥浆和钻渣，形成空气射吸泥浆反循环排渣。[0058] 为了能够更加清楚说明本实用新型所述的一种不旋转潜孔锤钻机与现有技术相比所具有的优点，将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：[0059][0060] 由上表可知，本实用新型所述的一种不旋转潜孔锤钻机与现有技术相比，密封性好、设备结构简单耐用、钻进效率高、适应超大直径、超深水下及复杂地质环境中工作。[0061] 其它未说明的部分均属于现有技术。