CN104747072B - 一种水动力钻进割缝系统 - Google Patents
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Abstract
一种水动力钻进割缝系统，适用于煤矿井下坑道钻进及煤层水力割缝中使用。利用带压水产生装置、水压控制器、水力推进系统、高压密封钻杆，带压水产生装置的出水口通过高压胶管与的水压控制器相连接，带压水通过调压装置将水压调整到需要的水压后，使带压水通过泄压保护装置入水口上的三通流到达水力推进系统中，带压水通过高压密封钻杆进入自旋转振动割缝装置，给其供高压水，自旋转振动割缝装置在高压水的带东西进行钻进割缝工作。其结构简单，使用带压水为动力源，钻进割缝效果好，安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种水动力钻进割缝系统，尤其适用于煤矿井下坑道钻进及煤层水力割缝中使用。
背景技术
目前使用的水动力钻进割缝系统，基本上是以液压油为液压媒体进行能量的传递，其存在以下不足：（1）现在矿井中的泵站基本上依靠人力或步履式运输，会造成人的劳动强度过大或者步履底盘过大，不宜在巷道内使用；（2）以液压油为媒介的液压系统，在使用和维护过程中，会对周边环境造成污染；（3）相对于以水为压力媒介，液压油具有来源不方便，价格高昂，且需要新增一套液压泵站等缺点；（4）此外，钻头需要通过钻杆施加推力次啊能够实现钻进，现在煤矿所使用的液压坑道钻机，在钻进过程中钻杆与钻孔壁的摩擦做功消耗了钻机的绝大部分功率。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种结构简单，使用带压水为动力源，钻进割缝效果好，安全可靠的水动力钻进割缝系统
为实现上述目的，水动力钻进割缝系统，包括带压水产生装置、水压控制器、水力推进系统、高压密封钻杆，所述的带压水产生装置的出水口通过高压胶管与的水压控制器相连接，水压控制器通过高压胶管水与力推进系统连接，水力推进系统通过高压密封钻杆连接有自旋转振动割缝装置；所述水压控制器包括相互连接的调压装置和泄压保护装置，所述调压装置与带压水产生装置的出水口连接，泄压保护装置与调压装置通过高压胶管相连接；泄压保护装置包含先导控制阀、泄压阀和过滤器，泄压阀上设有进水口和回水口，泄压阀的进水口通过三通用高压胶管与设在水利推进系统上的高压密封钻杆连接，泄压阀内开有沟通进水口和回水口的管道，进水口管道处开与过滤器进水口相通的管道和测压口，测压口上设有水压表，进水口和回水口之间的管道中设有将管道封堵住的泄压阀芯，所述泄压阀芯包括设在进水口管道处的堵头，堵头上设有通过固定螺帽抵住堵头的泄压弹簧，所述固定螺母上开有与泄压弹簧相通的孔洞；所述先导控制阀包括先导控制阀阀体和先导控制阀阀芯，先导控制阀阀体上设有与泄压阀芯截面相匹配的平衡腔，平衡腔上设有与平衡腔连通的阀槽和与过滤器出水口相连的管道，阀槽上设有十字管状的阀门套筒，阀门套筒内设有与阀槽相匹配的控制阀芯，阀门套管上设有与泄压阀回水口相连的管道，所述控制阀芯包括纵向设置在十字管状的阀门套筒的压力滑竿和分别横向设置在压力滑竿两侧的滑竿定位推头，所述压力滑竿头部与阀槽之间设有起跳针阀，压力滑竿两侧设有滑道卡槽，滑竿定位推头头部分别与压力滑竿两侧的滑道卡槽相接触，压力滑竿尾部设有压力弹簧，阀门套筒顶端设有压紧螺母，通过压力弹簧将压力滑竿连带起跳针阀抵在阀槽中，所述滑竿定位推头尾部设有定位弹簧，通过压紧螺母固定在阀门套筒两侧，通过定位弹簧将滑竿定位推头抵在压力滑竿两侧的滑道卡槽中；所述水力推进系统包括连接架体，连接架体上安装有滑板，滑板上设有双作用水缸和水力旋转马达，双作用水压缸和水力旋转马达通过高压胶管分别连接有控制阀组，所述高压密封钻杆为中空结构，高压密封钻杆公头上设有密封圈。
所述的自旋转振动割缝装置包括冲击活塞套和设置在活塞缸套内的冲击活塞杆，冲击活塞杆上设有大活塞和小活塞，大活塞和小活塞与冲击活塞套形成大活塞腔和小活塞腔，冲击活塞杆的尾部设有螺旋花键，头部设有花键，内部设有带压水通道，所述冲击活塞杆的小活塞前端开有与带压水通道连接的通水孔，大活塞内部设有与带压水通道相通的大活塞带压水管道，带压水管道出口处设有换向阀，换向阀上装有密封圈及两头用来开关带压水管道的针阀，冲击活塞杆头部通过花键与水压旋转头相连接，冲击活塞套的前端固定有穿过水压旋转头的定位螺母，水压旋转头上设有带侧面射流孔的钻头，冲击活塞套连接有定位连接体，定位连接体内部设有与冲击活塞杆尾部螺旋花键相匹配的超越离合器，定位连接体尾部设有方便螺纹连接冲击活塞杆的连接头；所述水压控制器包括的调压装置和泄压保护装置之间相互串联，或者通过三通相互并联，再通过三通连接到水利推进系统上；所述带压水产生装置为压水发生器、乳化液泵站或自然落差带压水装置，带压水产生装置产生的压力水压力范围为0-150Mpa，最佳工作压力值为2-100Mpa；所述调压装置型号为BO-TK01；所述钻头上设有金刚石切割刀片和小截齿，钻头周边设有切割射流水孔，实现带压水射流切割，所述钻头与水压旋转头为一体式或者分体均可。
有益效果：本发明设有带压水产生装置，通过带压水推动设备工作，不使用液压油，成本低，环保效果好，带压水产生装置连接调压装置和泄压保护装置，可以根据不同的情况使用不同的带压水驱动整个设备，实现自旋转振动割缝装置的震动和钻进切割动作，同时在压力过高时还能降压力泄出，从而保护人员安全，当异常高压问题排除后，复位泄压保护装置从而使整个系统能个马上继续正常工作；
通过水利推进系统的双作用水缸和水力旋转马达，给高压密封杆提供震动和冲击力，在震动和钻进切割动作同时提供冲击动力，有效破碎岩石，提高切割岩石钻进的效率；
通过高压密封钻杆设有自旋转振动割封装置，通过高压水使其振动旋转，带动设在上面的钻头实现旋转与切割煤层，其结构简单，使用方便，只是用带压水即可完成对煤层的钻进和切割，成本低，效果好。
附图说明
图1是本发明的连接框图；
图2是本发明的自旋转振动割缝装置结构图；
图3是本发明的冲击活塞杆示意图；
图4是本发明的活塞缸套与冲击活塞杆放大示意图；
图5是本发明的泄压保护装置结构图；
图6是本发明的先导控制阀结构图；
图中：1-连接头，2-超越离合器，3-定位连接体，4-冲击活塞杆，5-活塞缸套，6-定位销钉，7-固定螺母，8-水压旋转头，9-换向阀,10-大活塞，11-小活塞，12-螺旋花键，13-花键，14-排水孔，15-小活塞腔，16-通水孔，17-大活塞腔，18-带压水管道，19-先导控制阀，20-泄压阀，21-过滤器，22-回水口，23-进水口，24-测压口，25-堵头，26-泄压阀芯，27-泄压弹簧，28-平衡强，29-起跳针阀，30-压力滑竿，31-滑竿定位推头，32-定位弹簧，33-压力弹簧，34-压紧螺母。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的说明：
如图1所示，本发明的水动力钻进割缝系统，包括带压水产生装置、水压控制器、水力推进系统、高压密封钻杆，所述的带压水产生装置的出水口通过高压胶管与的水压控制器相连接，水压控制器通过高压胶管水与力推进系统连接，水力推进系统通过高压密封钻杆连接有自旋转振动割缝装置；所述水压控制器包括相互连接的调压装置和泄压保护装置，所述调压装置与带压水产生装置的出水口连接，泄压保护装置与调压装置通过高压胶管相连接；如图5所示，泄压保护装置包含先导控制阀19、泄压阀20和过滤器21，泄压阀上设有进水口23和回水口22，泄压阀的进水口23通过三通用高压胶管与设在水利推进系统上的高压密封钻杆连接，泄压阀20内开有沟通进水口和回水口的管道，进水口管道处开与过滤器21进水口相通的管道和测压口24，测压口24上设有水压表，进水口23和回水口22之间的管道中设有将管道封堵住的泄压阀芯26，所述泄压阀芯26包括设在泄压阀进水口管道处的堵头25，堵头25上设有通过固定螺帽抵住堵头的泄压弹簧27，所述固定螺母上开有与泄压弹簧27相通的孔洞；如图6所示，所述先导控制阀19包括先导控制阀阀体和先导控制阀阀芯，先导控制阀阀体上设有与泄压阀芯26截面相匹配的平衡腔28，平衡腔28上设有与平衡腔28连通的阀槽和与过滤器21出水口相连的管道，阀槽上设有十字管状的阀门套筒，阀门套筒内设有与阀槽相匹配的控制阀芯，阀门套管上设有与泄压阀20回水口相连的管道，所述控制阀芯包括纵向设置在十字管状的阀门套筒的压力滑竿30和分别横向设置在压力滑竿30两侧的滑竿定位推头31，所述压力滑竿30头部与阀槽之间设有起跳针阀29，压力滑竿30两侧设有滑道卡槽，滑竿定位推头31头部分别与压力滑竿30两侧的滑道卡槽相接触，压力滑竿30尾部设有压力弹簧33，阀门套筒顶端设有压紧螺母34，通过压力弹簧33将压力滑竿30连带起跳针阀29抵在阀槽中，所述滑竿定位推头31尾部设有定位弹簧32，通过压紧螺母34固定在阀门套筒两侧，通过定位弹簧32将滑竿定位推头31抵在压力滑竿30两侧的滑道卡槽中；所述水力推进系统包括连接架体，连接架体上安装有滑板，滑板上设有双作用水缸和水力旋转马达，双作用水压缸和水力旋转马达通过高压胶管分别连接有控制阀组，所述高压密封钻杆为中空结构，高压密封钻杆公头上设有密封圈。
所述的调压装置和泄压保护装置之间相互串联，或者通过三通相互并联，再通过三通连接到水利推进系统上；所述带压水产生装置为压水发生器、乳化液泵站或自然落差带压水装置，带压水产生装置产生的压力水压力范围为0-150Mpa，最佳工作压力值为2-100Mpa；所述调压装置型号为BO-TK01所述钻头上设有金刚石切割刀片和小截齿，钻头周边设有切割射流水孔，实现带压水射流切割，所述钻头与水压旋转头为一体式或者分体均可。
如图2、图3和图4所示，所述的自旋转振动割缝装置包括冲击活塞套5和设置在活塞缸套5内的冲击活塞杆4，冲击活塞杆4上设有大活塞10和小活塞11，大活塞10和小活塞11与冲击活塞套5形成大活塞腔17和小活塞腔15，冲击活塞杆4的尾部设有螺旋花键12，头部设有花键13，内部设有带压水通道，所述冲击活塞杆4的小活塞11前端开有与带压水通道连接的通水孔14，大活塞10内部设有与带压水通道相通的大活塞带压水管道18，带压水管道18出口处设有换向阀9，换向阀9上装有密封圈及两头用来开关带压水管道的针阀，冲击活塞杆4头部通过花键13与水压旋转头8相连接，冲击活塞套5的前端固定有穿过水压旋转头8的定位螺母7，水压旋转头8上设有带侧面射流孔的钻头，定位螺母7与冲击活塞套5头部之间设有定位销钉6紧固，冲击活塞套5尾部通过定位销钉6连接有定位连接体3，定位连接体3内部设有与冲击活塞杆4尾部螺旋花键相匹配的超越离合器2，定位连接体3尾部设有方便螺纹连接冲击活塞杆4的连接头1。水压旋转头8与冲击活塞杆4之间设有密封圈。
所述钻头上设有金刚石切割刀片和小截齿，钻头周边设有切割射流水孔，实现带压水射流切割，所述钻头与水压旋转头8为一体式或者分体均可。
一种水动力钻进割缝步骤如下：
a. 将钻头安装在自旋转振动割缝装置上，将自旋转振动割缝装置置于需要钻孔处，开启带压水产生装置，带压水通过调压装置将水压调整到需要的水压后，使带压水通过泄压保护装置入水口上的三通流到达水力推进系统中，带压水通过高压密封钻杆进入自旋转振动割缝装置；
b．带压水带动自旋转振动割缝装置带动钻头在钻孔处钻进：带压水从连接头进入冲击活塞杆4内部的带压水通道，部分带压水顺带压水通道到达水压旋转头8，部分带压水从设置在冲击活塞杆4上小活塞11前端处的通水孔16喷出，随着喷出水的增加，向活塞缸套5的小活塞腔15内的小活塞11产生向后的推力，从而带动冲击活塞杆4通过螺旋花键12在超越离合器2的作用下向后旋转收缩；
当冲击活塞杆4带动大活塞10在活塞缸套5的大活塞腔17内收缩到底时，大活塞10上的换向阀9被定位连接体3顶开，从而使大活塞10上与带压水通道相通的大活塞带压水通道导通，使带压水喷入大活塞腔17；
当喷入的带压水压力大于小活塞腔15的压力时，带压水向前推动大活塞10，带动冲击活塞杆4通过螺旋花键12在超越离合器3的作用下向前旋转伸展；
当大活塞10移动到大活塞腔18的冲程尽头时，大活塞10的换向阀9关闭，大活塞带压水管道被换向阀9封堵住，大活塞腔18内的水通过设在冲程尽头的排水孔14排出活塞缸套5，重复上述步骤使冲击活塞杆4带动水压旋转头8旋转，水压旋转头8带动钻头钻孔；
c. 当通往自旋转振动割缝装置的带压水压力超出预设定的压力值时，过压水通过三通分别流入高压胶管和泄压保护装置中，过压水进入泄压保护装置的进水口23后从泄压阀内的管路流入过滤器21中，过滤掉泥石后的过压水从过滤器21流出后进入先到控制阀的平衡腔28，平衡腔28内的过压水克服控制阀新中压力弹簧33向下的压力，将阀槽内的起跳针阀29带动压力滑竿30向上起跳，同时压力滑竿30两侧滑竿定位推头31在定位弹簧32的作用下对起跳后的压力滑竿30上的滑道卡槽进行定位，使先导控制阀的出水口管道导通，降低平衡腔28内的压力，当平衡腔28内的压力降低后，泄压阀进水口管道流入的过压水克服泄压阀芯26中泄压弹簧27给堵头25的压力，将堵头25顶起，使泄压阀的进水口23与回水口22导通，将过压水通过回水口22排出实现泄压保护；故障排除后，向外拉动滑竿定位推头31，压力滑竿29在压力弹簧33的作用下带动起跳针阀29回位，实现复位工作；
d．在钻进过程中，当露在钻孔外侧的高压密封钻杆前后振动和旋转振动停止的时候，则判断自旋转振动割缝装置出现卡钻的情况，此时，打开水力推进系统，利用水力推进系统的双作用水压缸对高压密封钻杆进行拉拔运动，使自旋转振动割缝装置连带钻头摆脱卡钻情况，所述当切割岩石或硬质煤层时，需要开启水力推进系统给自旋转振动割缝装置额外增加冲击力。
针对不同状况可以提供如下钻进功能组合：
1）针对硬质煤层进行钻进或钻进切割同时进行时，除通过带压水驱动自旋转振动割缝装置进行振动旋转切割外，通过水力推进系统提供进给的预压力，实现振动和自旋转切割；2）针对煤层进行单一的射流切割时，通过带压水驱动自旋转振动割缝装置进行旋转切割，水力推进系统不提供任何动力；
3）针对对硬质岩石层进行切割时，由于岩石坚硬，同时需要切割排粉，需要大扭矩、大进给压力和振动破碎，自旋转振动割缝装置和水力推进系统需要全部开启工作。；
4）针对卡钻或钻头周边阻力过大时，单靠钻头单一旋转无法完成旋转切割，需要要水力推进系统提供旋转扭矩，实现旋转切割。
Claims (6)
1.一种水动力钻进割缝系统，包括带压水产生装置、水压控制器、水力推进系统、高压密封钻杆，其特征在于：所述的带压水产生装置的出水口通过高压胶管与水压控制器相连接，水压控制器通过高压胶管与水力推进系统连接，水力推进系统通过高压密封钻杆连接有自旋转振动割缝装置；所述水压控制器包括调压装置和泄压保护装置，所述调压装置与带压水产生装置的出水口连接，泄压保护装置与调压装置通过高压胶管相连接；泄压保护装置包含先导控制阀、泄压阀和过滤器，泄压阀上设有进水口和回水口，泄压阀的进水口通过三通用高压胶管与设在水力推进系统上的高压密封钻杆连接，泄压阀内开有沟通进水口和回水口的管道，进水口管道处开与过滤器进水口相通的管道和测压口，测压口上设有水压表，进水口和回水口之间的管道中设有将管道封堵住的泄压阀芯，所述泄压阀芯包括设在进水口管道处的堵头，堵头上设有通过固定螺帽抵住堵头的泄压弹簧，所述固定螺帽上开有与泄压弹簧相通的孔洞；所述先导控制阀包括先导控制阀阀体和先导控制阀阀芯，先导控制阀阀体上设有与泄压阀芯截面相匹配的平衡腔，平衡腔上设有与平衡腔连通的阀槽和与过滤器出水口相连的管道，阀槽上设有十字管状的阀门套筒，阀门套筒内设有与阀槽相匹配的控制阀芯，阀门套筒上设有与泄压阀回水口相连的管道，所述控制阀芯包括纵向设置在十字管状的阀门套筒的压力滑竿和分别横向设置在压力滑竿两侧的滑竿定位推头，所述压力滑竿头部与阀槽之间设有起跳针阀，压力滑竿两侧设有滑道卡槽，滑竿定位推头头部分别与压力滑竿两侧的滑道卡槽相接触，压力滑竿尾部设有压力弹簧，阀门套筒顶端设有压紧螺母，通过压力弹簧将压力滑竿连带起跳针阀抵在阀槽中，所述滑竿定位推头尾部设有定位弹簧，通过压紧螺母固定在阀门套筒两侧，通过定位弹簧将滑竿定位推头抵在压力滑竿两侧的滑道卡槽中；所述水力推进系统包括连接架体，连接架体上安装有滑板，滑板上设有双作用水压缸和水力旋转马达，双作用水压缸和水力旋转马达通过高压胶管分别连接有控制阀组，所述高压密封钻杆为中空结构，高压密封钻杆公头上设有密封圈。
2.根据权利要求1所述的水动力钻进割缝系统，其特征在于：所述的自旋转振动割缝装置包括冲击活塞套和设置在活塞缸套内的冲击活塞杆，冲击活塞杆上设有大活塞和小活塞，大活塞和小活塞与冲击活塞套形成大活塞腔和小活塞腔，冲击活塞杆的尾部设有螺旋花键，头部设有花键，内部设有带压水通道，所述冲击活塞杆的小活塞前端开有与带压水通道连接的通水孔，大活塞内部设有与带压水通道相通的大活塞带压水管道，带压水管道出口处设有换向阀，换向阀上装有密封圈及两头用来开关带压水管道的针阀，冲击活塞杆头部通过花键与水压旋转头相连接，冲击活塞套的前端固定有穿过水压旋转头的定位螺母，水压旋转头上设有带侧面射流孔的钻头，冲击活塞套连接有定位连接体，定位连接体内部设有与冲击活塞杆尾部螺旋花键相匹配的超越离合器，定位连接体尾部设有方便螺纹连接冲击活塞杆的连接头。
3.根据权利要求1所述的水动力钻进割缝系统，其特征在于：所述的调压装置和泄压保护装置之间相互串联，或者通过三通相互并联，再通过三通连接到水力推进系统上。
4.根据权利要求1所述的水动力钻进割缝系统，其特征在于：所述带压水产生装置为压水发生器、乳化液泵站或自然落差带压水装置，带压水产生装置产生的压力水压力范围为0-150Mpa，最佳工作压力值为2-100Mpa。
5.根据权利要求1所述的水动力钻进割缝系统，其特征在于：所述调压装置型号为BO-TK01。
6.根据权利要求2所述的水动力钻进割缝系统，其特征在于：所述带侧面射流孔的钻头上设有金刚石切割刀片和小截齿，带侧面射流孔的钻头周边设有切割射流水孔，实现带压水射流切割，所述带侧面射流孔的钻头与水压旋转头为一体式或者分体均可。
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