CN103556947B - 一种煤矿井下自吸式磨料射流钻头及钻孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种煤矿井下自吸式磨料射流钻头，涉及在煤矿井下钻孔作业时，利用磨料射流先导破碎与机械破碎相结合，提高钻进速度。所涉及的自吸式磨料射流钻头包括磨料射流喷嘴、自吸装置和主体破碎齿结构。自吸装置由腔体、过滤网、位于腔体内的支撑环与位于腔体后端的进口喷嘴组成。本发明可使钻进过程中产生的煤岩屑经过滤网筛选，进入自吸装置腔体内部，与水射流充分混合后形成磨料射流，从磨料射流喷嘴喷出，对煤岩体进行先导破碎。所述钻头主体破碎结构由三枚切割片和三个主体破碎齿组成，在其机械破碎作用下形成终孔。本发明还涉及利用所述钻头在煤矿井下钻孔的方法，所述钻头钻进速度快、磨损小，可广泛用于煤矿井下钻孔作业。

Description

一种煤矿井下自吸式磨料射流钻头及钻孔方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下钻孔的钻头及钻孔的方法，具体涉及自吸式磨料射流发生技术。

背景技术

我国煤矿灾害事故十分严重，其中煤与瓦斯突出是最主要事故。瓦斯抽采是治理煤矿瓦斯灾害最有效的方法之一，而煤矿井下瓦斯抽采主要依靠钻孔来实现，即煤矿在石门揭煤、井巷掘进时都需要钻孔预先抽放瓦斯。但是目前我国煤矿井下钻孔施工主要选用硬质合金钻头与PDC钻头，现场施工表明，采用这类钻头钻进时速度较慢，尤其在岩层中钻进时钻头磨损严重，大大降低了钻进效率，又由于煤矿井下所需钻孔量巨大，严重制约了矿井采掘生产工作。

目前针对如何提高煤矿井下钻孔效率这一难题，广大学者对钻孔时用到的钻头进行了大量的研究。如中国专利CN202249785U公告的《一种内凸四翼不取芯钻头》、CN203188914U公告的《硬岩金刚石逐级扩孔组合钻头》与CN2033850U公告的《多翼刮刀聚晶孕镶钻头》等都对煤矿井下钻孔作业进行了有益的改进。但是以上公开专利中对钻头的加工工艺提出了更高的要求，大幅增加了钻头的制造成本；并且钻头对煤岩体的破碎均为硬切削，即刚性接触切削，由机械切削原理可知，旋转钻头钻削过程中，始终会在加工表面的中央区域形成空白带，钻进阻力大，钻头磨损严重，如此大大降低钻头的钻进效率与工作寿命。因此还有学者提出在煤矿井下钻进过程中引入高压磨料水射流对煤岩体进行柔性先导破碎，如中国专利CN202194571U公告的《一种破碎硬岩钻头》能实现在硬岩层中的高效钻进，但是由于采用磨料水射流与传统方式的联合钻进，导致装备复杂，施工工艺繁琐，在煤矿井下的适用范围较小，尤其是填加磨料困难，无法实现磨料的连续添加，导致影响施工进度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术的缺点，提供一种煤矿井下自吸式磨料射流钻头及钻孔方法，解决现有钻头磨损严重，钻孔效率低的问题。同时改进磨料加入方式，实现磨料的连续添加，且装备简单，操作简便。

本发明通过以下技术方案实现其发明目的：

一种煤矿井下自吸式磨料射流钻头，其钻头体具有前后贯通的中心腔体，钻头体前部并在中心腔体外分布有2-3瓣破碎齿，每瓣破碎齿前端上焊接有一枚切割片，钻头体后端为钻杆连接端，钻杆连接端有带内螺纹的接口。

在中心腔体内的前部装有磨料射流喷嘴，磨料射流喷嘴前端管径小，为加速腔，后端管径呈喇叭形放大，为吸入腔；

在中心腔体内的后部装有进口喷嘴，进口喷嘴前端管径小于后端管径，进口喷嘴前端出口正对磨料射流喷嘴的后端中心，且其前端出口直径小于磨料射流喷嘴后端的喇叭口的口径。

中心腔体的后端为射流入口，其口径大于或等于进口喷嘴后端的口径。

在磨料射流喷嘴与进口喷嘴之间设置有支撑环。

在中心腔体的壁上径向设有至少两个自吸入口，自吸入口分布在破碎齿之间的位置，自吸入口上安装有过滤网，所述自吸入口正对于中心腔体内的支撑环的位置，支撑环上对应布置有自吸孔。自吸入口的轴向宽度略大于支撑环的自吸孔的轴向宽度，周向长度约为支撑环的自吸孔的两倍。支撑环上沿周向均匀地布置有12~16个自吸孔，自吸孔的轴向宽度约为支撑环轴向厚度的60%~80%。

采用以上自吸式磨料射流钻头在煤矿井下进行钻孔的步骤如下：

1、开启高压泵，高压水射流经磨料射流喷嘴喷出，对钻头中央位置的煤岩体进行破碎，破碎过程中产生的煤岩粒，成为本发明使用磨料的来源；

2、利用进口喷嘴形成的高压水射流的卷吸作用，在磨料射流喷嘴后端吸入腔的中心两侧区域形成低压区，在该低压区的作用下，粒径较小的煤岩粒通过滤网的筛选的筛选经自吸入口和自吸孔被吸入装置内部，煤岩粒与主射流充分混合，形成磨料射流，磨料射流通过磨料射流喷嘴前端加速腔喷出，对煤岩体进行先导破碎，形成先导孔；

3、再用液压钻进系统驱动钻头钻进，由所述自吸式磨料射流钻头体上破碎齿和切割片对先导孔周围岩石进行机械破碎，形成终孔。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、由于增加了由自吸入口、自吸孔、磨料射流喷嘴及进口喷嘴组成的自吸结构，可使钻进过程中产生的煤岩屑经过滤网筛选，进入自吸装置腔体内部，与水射流充分混合后形成磨料射流，从磨料射流喷嘴喷出，钻孔过程中磨料射流对煤岩体进行先导破碎时，直接使用钻进中产生的煤岩粒作为磨料，实现了磨料的连续添加，自吸装置结构简单，设计合理，阻力损失小，钻进工艺简便，可以广泛地用于煤矿井下钻孔作业。

2、可根据实际钻进中煤岩体的性质，选用不同直径的磨料射流喷嘴及进口喷嘴，达到自吸结构的最适工况，使钻孔效果最佳。

本发明的钻头及钻孔方法特别适用于硬质煤岩体条件下，煤矿开采中石门揭煤穿层钻孔作业和采用钻孔抽放瓦斯作业中在顶底板钻取瓦斯抽采孔，钻头钻进速度快、磨损小，并可广泛用于煤矿井下钻孔作业。

附图说明

图1和图2是本发明的自吸式磨料射流钻头的立体图与俯视图；

图3是图2中A-A剖面图（钻头总体的轴向剖面图）；

图4是图2中B-B剖面图（自吸装置的轴向剖面图）；

图5是图4中C-C剖面图（支撑环的剖面图）。

在图1至图5中：1—切割片；2—磨料射流喷嘴；3—中心腔体；4—破碎齿；5—自吸入口；6—支撑环；7—进口喷嘴；8—钻头体；9—钻杆连接端；10—过滤网；11—自吸孔；12—加速腔；13—吸入腔；14—射流入口。

具体实施方式

以下结合图1至图5对本发明的实施方式进行说明：

结合图1可见，该钻头的钻头体8的前端为主体破碎结构，由三枚切割片1和三瓣破碎齿4组成，三瓣破碎齿4围绕中心腔体3布置，三枚切割片1通过铜焊固定在三瓣破碎齿4前端。

结合图2可见，自吸式磨料射流钻头的钻头体8为前后贯通结构，具有中心腔体3，钻头体8的后端是钻杆连接端9，具有带内螺纹的接口。

磨料射流喷嘴2装在中心腔体3内的前部，前端管径小，为加速腔12，后端管径呈喇叭形放大，为吸入腔13。进口喷嘴7装在中心腔体3内的后部，其前端管径小后端管径大，其前端出口正对磨料射流喷嘴2的后端中心，且其前端直径小于磨料射流喷嘴2后端的喇叭口的口径。支撑环6装在磨料射流喷嘴2与进口喷嘴7之间。

结合图3可见，中心腔体3的壁上径向设有三个自吸入口5，分别在三瓣破碎齿之间，所述自吸入口5正对于中心腔体3内支撑环6的位置，自吸入口5内安装有过滤网10。

结合图4可见，支撑环6上沿周向均匀地布置有大约12~16个自吸孔11，自吸孔11的的轴向宽度约为支撑环6轴向厚度的60%~80%。自吸入口5的轴向宽度略大于支撑环6的自吸孔11的轴向宽度，周向长度约为支撑环6的自吸孔11的两倍。，即自吸孔11的周向长度约为自吸入口5的50%。由于安装支撑环时自吸孔11需要对准自吸入口5，方向控制比较困难，均匀地布置多个自吸孔11使得支撑环在安装时无需考虑方向，自吸孔11周向长度的设计保证了会有自吸孔11对准自吸入口5，安装容易便利。

本装置采用的磨料射流喷嘴与进口喷嘴一般可以配备不同直径的多个，可更换，以根据使用需要调节磨料吸入量。

采用本发明在煤矿井下进行钻孔的工作过程：

实施钻孔作业时，将自吸式磨料射流钻头连接钻杆，开启高压泵，高压水射流经磨料射流喷嘴2喷出，对钻头中央位置的煤岩体进行破碎，破碎过程中产生的煤岩粒，成为本发明使用磨料的来源；

利用进口喷嘴7形成的高压水射流的卷吸作用，在磨料射流喷嘴2后端吸入腔13的中心两侧区域形成低压区，在该低压区的作用下，粒径较小的煤岩粒通过滤网10的筛选被吸入装置内部，煤岩粒与主射流充分混合，形成磨料射流，磨料射流通过磨料射流喷嘴2前端加速腔12喷出，对煤岩体进行先导破碎，形成先导孔；

再用液压钻进系统驱动钻头钻进，由所述自吸式磨料射流钻头的三瓣破碎齿4的三个切割片1对先导孔周围岩石进行机械破碎，形成终孔。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种煤矿井下自吸式磨料射流钻头，其钻头体（8）具有前后贯通的中心腔体（3），钻头体前部并在中心腔体外分布有2-3瓣破碎齿（4），每瓣破碎齿（4）前端上焊接有一枚切割片（1），钻头体后端为钻杆连接端（9），钻杆连接端（9）有带内螺纹的接口；

其特征在于：在中心腔体（3）内的前部装有磨料射流喷嘴（2），磨料射流喷嘴（2）前端管径小，为加速腔（12），后端管径呈喇叭形放大，为吸入腔（13）；

在中心腔体（3）内的后部装有进口喷嘴（7），进口喷嘴前端管径小于后端管径，进口喷嘴前端出口正对磨料射流喷嘴（2）的后端中心，且其前端出口直径小于磨料射流喷嘴（2）后端的喇叭口的口径；

中心腔体（3）的后端为射流入口（14），其口径大于或等于进口喷嘴（7）后端的口径；

在磨料射流喷嘴（2）与进口喷嘴（7）之间设置有支撑环（6）；

在中心腔体（3）的壁上径向设有至少两个自吸入口（5），自吸入口（5）分布在破碎齿（4）之间的位置，自吸入口（5）上安装有过滤网（10），所述自吸入口（5）正对于中心腔体（3）内的支撑环（6）的位置，支撑环（6）上对应布置有自吸孔（11）；

所述自吸入口（5）的轴向宽度略大于支撑环（6）的自吸孔（11）的轴向宽度，自吸孔（11）的轴向宽度为支撑环（6）轴向厚度的60%~80%。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下自吸式磨料射流钻头，其特征在于：所述支撑环（6）上沿周向均匀地布置有12~16个自吸孔（11）。

3.根据权利要求1或2所述的煤矿井下自吸式磨料射流钻头，其特征在于：所述自吸孔（11）的周向长度为自吸入口（5）的50%。

4.根据权利要求3所述的煤矿井下自吸式磨料射流钻头，其特征在于：所述磨料射流喷嘴（2）与进口喷嘴（7）配备有不同直径的多个，根据实际需要可以更换。

5.根据权利要求3所述的煤矿井下自吸式磨料射流钻头，其特征在于：所述磨料射流喷嘴（2）、进口喷嘴（7）和切割片（1）采用硬质合金或PDC材料制作，所述钻头体（8）和三个主体破碎齿（4）采用普通钢材料制作，所述支撑环（6）采用普通硅橡胶材料制作。