反井钻井是井工矿物开采和地下工程重要施工方法,用于暗斜井、暗立井以及其他具有下部巷道的井筒工程,实现了煤炭、金属、非金属矿物开采,水利发电和抽水蓄能电站建设,公路、铁路隧道工程中一些井筒的非爆破机械破岩钻进。工作人员不再需要下井作业,保障了施工人员的安全。从上个世纪八十年代开始至今,我国在反井钻机、钻具破岩刀具方面研究取得长足的发展,但对滚刀破岩机理和钻井工艺参数等影响钻进效率的重要技术问题,还是多停留在实际生产经验总结,缺乏理论、实验室和现场深入研究和总结。本论文在破岩机理理论分析和数值模拟基础上,以山东沂蒙抽水蓄能电站为背景进行现场实验实测,采用动态测试分析系统对反井钻机钻进参数钻压、转速、扭矩和钻速等参数进行测试,得到了钻速与钻压、钻速与转速、扭矩与转速之间的相互关系,对反井钻机设计和反井钻井工程参数选择有一定指导价值。本论文主要开展了以下内容的研究:一、以北京中煤研制的镶齿滚刀为基础,通过分析反井钻机镶齿滚刀的运动状态,得到了滚刀的运动轨迹为圆柱螺旋线,得到了滚刀的运动距离和转速、钻速之间的关系。分析了刀齿的受力情况,依据能量守恒原理,得出了反井钻机扩孔状态下总钻压、总扭矩、转速和钻速的关系。二、利用有限元软件ANSYS,模拟了2种(球齿、锥齿)齿形的单齿压入岩石过程。通过单齿压入岩石模拟,发现锥形齿的破岩比能比球齿小,也即锥形齿更节约能量。利用单齿压入模拟实验的结论,模拟了3种排间距(3、4、5cm)的锥形镶齿滚刀在3种转速(3、4、5r/min)下滚压破岩动态过程,并得到这几种工况下的最优排间距和转速。三、以沂蒙抽水蓄能电站高压管道竖井为研究背景,在直径为2.5m,距离地面深度为-24m深,岩体为花岗岩处试验,通过调节钻杆拉力、转速,并采用动态信号采集与分析系统和智能数字转速表,得到了钻杆的钻压和转速,通过数据处理和分析得到了反井钻机钻速和钻压、钻速和转速之间的关系。试验表明:1)在一定范围内,钻速随钻压增大而增加,并成幂函数关系;2)在其他条件一致时,钻速与转速呈线性相关;3)扭矩与转速无明显关系,基本上不随转速的变化而变化。通过收集反井钻机扩孔状态下的岩渣,发现岩渣粒径比较符合RosinRammler分布函数,并得到井筒底部不同位置岩渣的特征粒径。