CN106223861B - 超高压水力钻、扩、割一体化钻头 - Google Patents

超高压水力钻、扩、割一体化钻头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高压水力钻、扩、割一体化钻头，包括主轴、喷嘴和切换机构；所述主轴前端固定有刀头；所述刀头为多个并且沿主轴圆周方向排列，主轴内部设有用于安装切换机构的容腔，主轴前端对应每个刀头设有连通至所述容腔的打钻出水通道；所述喷嘴为多个并且沿径向安装于主轴侧壁；本发明的超高压水力钻、扩、割一体化钻头，将低压打钻、中压扩孔、高压割缝相结合，实现钻进、扩孔、割缝于一体，增大了煤体暴露面，煤体内部裂隙增加，煤体得到充分卸压、增透，改善了瓦斯释放难易程度，提高了钻孔有效影响范围，瓦斯抽采率显著提高，大大减少了抽采钻孔施工量。本发明操作简便、效率高，使用效果显著，具有广泛推广运用价值。

Description

超高压水力钻、扩、割一体化钻头
技术领域
本发明涉及矿井顺层或穿层钻孔打钻后煤层卸压增透技术领域，特别涉及一种超高压水力钻、扩、割一体化钻头。
背景技术
目前，煤炭在我国能源结构中仍占有重要比重，国民经济的发展对煤炭的需求量依然很大，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井面临增产压力。随着开采深度的不断增加，越来越多的矿井转变为高瓦斯、突出矿井，钻孔瓦斯抽采作为防治突出和治理瓦斯的基本措施被广泛应用于高瓦斯、突出矿井，但对煤层进行打钻预抽，抽采率大多低于30％，为满足抽采达标，大部分矿井存在预抽时间长、抽采钻孔施工量大的问题。
钻孔预抽煤层瓦斯主要依靠煤层内固有裂隙，通过钻孔将瓦斯抽出，该方法存在钻孔影响范围小、瓦斯抽采率普遍较低等问题，因此需对钻孔煤孔段煤层进行增透，增大影响范围，降低煤层应力、提高瓦斯抽采效率。水力扩孔、高压水力割缝作为一种卸压增透措施被广泛应用，但现有水力扩孔及割缝装置工作压力普遍为30-50MPa，对于坚固性系数在1.0以上的硬煤层缺乏有效的增透手段，且已有的设备不能实现钻进-扩孔-割缝一体化的功能，一般需要钻孔施工完成，退出钻杆在进行扩孔或割缝作业，操作繁琐，割缝增透效果差。
因此，就需要一种经过改进的煤层快速卸压增透装置，在钻孔施工完成后，不需退出钻杆，调节高压水的压力，控制钻-扩-割一体化钻头内活塞的闭与合，并根据不同煤层类型，采用中压扩孔、高压割缝的方式，实现煤层快速卸压增透的目标。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种超高压水力钻、扩、割一体化钻头，该装置不仅可以实现正常钻进，而且在退钻的过程中利用超高压水射流对煤层可进行扩孔及割缝。
本发明的超高压水力钻、扩、割一体化钻头，包括主轴、喷嘴和切换机构；所述主轴前端固定有刀头；所述刀头为多个并且沿主轴圆周方向排列，主轴内部设有用于安装切换机构的容腔，主轴前端对应每个刀头设有连通至所述容腔的打钻出水通道；所述喷嘴为多个并且沿径向安装于主轴侧壁；各喷嘴由切换机构控制实现各喷嘴的打开和关闭。
进一步，所述切换机构包括活塞、弹簧和滑套，通过调整水泵压力控制主轴内的弹簧及滑套，进而控制钻头侧面喷嘴的闭与开来实现低压钻进、中压扩孔和高压割缝的功能。
进一步，所述滑套设于主轴的内部并沿轴向滑动配合，滑套的外侧壁以及主轴的内壁均为台阶面结构，所述弹簧轴向支撑于主轴内孔的台肩与滑套外壁的台肩之间，所述主轴内孔对应滑套后侧设有用于沿轴向对滑套进行限位的限位卡簧，滑套前端设有供水流向主轴前端的径向孔；所述活塞固定于滑套的前端面并且活塞的横断面轮廓与主轴前端内孔横断面轮廓一致。
进一步，所述喷嘴固定于钻头的侧壁并且布置于滑套的径向外侧；喷嘴包括扩孔喷嘴和割缝喷嘴；所述扩孔喷嘴和割缝喷嘴由前到后排列并且扩孔喷嘴与割缝喷嘴之间沿钻头轴向的距离与滑套外壁与钻头内孔滑动配合的部分的轴向长度相等。
进一步，所述扩孔喷嘴和割缝喷嘴均为硬质合金材料，扩孔喷嘴和割缝喷嘴均采用内嵌型设计，扩孔喷嘴为2-3个并且沿钻头圆周方向均匀排列，割缝喷嘴为1-2个，扩孔喷嘴的孔径均大于割缝喷嘴的孔径，各个扩孔喷嘴的孔径互不相同，当设置2个割缝喷嘴时将2个割缝喷嘴沿钻头圆周方向均匀排列并且2个割缝喷嘴的孔径互不相同。
本发明的有益效果是：本发明的超高压水力钻、扩、割一体化钻头，将低压打钻、中压扩孔、高压割缝相结合，实现钻进、扩孔、割缝于一体，超高压水经超高压胶管、超高压钻杆由钻、扩、割一体化钻头不同喷嘴射出，形成超高压水射流对煤体进行冲刷、切割、剥离，在煤体内部形成扁平缝槽，增大了煤体暴露面，煤体内部裂隙增加，煤体得到充分卸压、增透，改善了瓦斯释放难易程度，提高了钻孔有效影响范围，瓦斯抽采率显著提高，大大减少了抽采钻孔施工量。本发明操作简便、效率高，使用效果显著，具有广泛推广运用价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明应用于煤层快速卸压增透装置的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图；图2为本发明应用于煤层快速卸压增透装置的结构示意图；如图所示：本实施例的超高压水力钻、扩、割一体化钻头，包括主轴、喷嘴和切换机构；所述主轴前端31固定有刀头；所述刀头为多个并且沿主轴圆周方向排列，主轴内部设有用于安装切换机构的容腔，主轴前端31对应每个刀头设有连通至所述容腔的打钻出水通道；所述喷嘴为多个并且沿径向安装于主轴侧壁；各喷嘴由切换机构控制实现各喷嘴的打开和关闭，如图2所示，本实施例的超高压水力钻、扩、割一体化钻头3应用于煤层快速卸压增透装置之后，钻杆2安装于钻机1并由转机驱动转动，主轴固定于钻杆2前端；胶管5通过旋转水尾4连接于钻杆2后端；水泵6连接于水箱7和胶管5之间用于通过胶管5向钻杆2和钻头3内供水；钻杆2为内、外双密封；主轴和钻杆2均为中空结构，主轴侧壁不同位置设计有不同型号的喷嘴，通过水泵6压力的调整，控制主轴内的切换机构，实现主轴不同位置、不同型号喷嘴的闭与开，具有低压(0-10MPa)钻进、中压(10-30MPa)扩孔、高压(30-100MPa)割缝的功能，高压水通过喷嘴射出，对煤层进行冲刷、剥离、切割，钻杆2及主轴在钻机1带动下旋转，钻孔施工时不退出钻杆2即可实现煤孔段松软煤层扩孔、硬煤层割缝卸压增透的目标。
本实施例中，所述切换机构包括活塞32、弹簧和滑套35，通过调整水泵6压力控制主轴内的弹簧及滑套35，进而控制钻头3侧面喷嘴的闭与开来实现低压钻进、中压扩孔和高压割缝的功能；所述滑套35设于主轴的内部并沿轴向滑动配合，滑套35的外侧壁以及主轴的内壁均为台阶面结构，所述弹簧轴向支撑于主轴内孔的台肩与滑套35外壁的台肩之间，所述主轴内孔对应滑套35后侧设有用于沿轴向对滑套35进行限位的限位卡簧，滑套35前端设有供水流向主轴前端31的径向孔；所述活塞32固定于滑套35的前端面并且活塞32的横断面轮廓与主轴前端31内孔横断面轮廓一致；主轴不同位置设计有扩孔喷嘴33及割缝喷嘴34，可实现高、中、低压水自由切换，即水压低于10MPa时，滑套35在弹簧的压力下贴紧限位卡簧，其前端活塞32呈开放状态，水通过主轴前端31的径向孔流出至主轴前端31的刃口处，可实现钻孔的正常钻进功能；当水压为10-30MPa之间时，滑套35在水压作用下将弹簧压缩并向前移动一定的距离，使滑套35前端的活塞32伸进主轴前端31内孔内，进而将流向主轴前端31的水路关闭，但割缝喷嘴34仍被滑套35封闭，此时水通过扩孔喷嘴33径向射出，开始扩孔工作；当水压继续增大至30-100MPa时，在高压水的作用下，滑套35移动至扩孔喷嘴33处，将扩孔喷嘴33堵住，此时超高压水直接由割缝喷嘴34径向喷射出，开始割缝工作。
本实施例中，所述喷嘴固定于钻头3的侧壁并且布置于滑套35的径向外侧；喷嘴包括扩孔喷嘴33和割缝喷嘴34；所述扩孔喷嘴33和割缝喷嘴34由前到后排列并且扩孔喷嘴33与割缝喷嘴34之间沿钻头3轴向的距离与滑套35外壁与钻头3内孔滑动配合的部分的轴向长度相等。
本实施例中，所述扩孔喷嘴33和割缝喷嘴34均为硬质合金材料，扩孔喷嘴33和割缝喷嘴34均采用内嵌型设计，扩孔喷嘴33为2-3个并且沿钻头3圆周方向均匀排列，割缝喷嘴34为1-2个，扩孔喷嘴33的孔径均大于割缝喷嘴34的孔径，各个扩孔喷嘴33的孔径互不相同，当设置2个割缝喷嘴34时将2个割缝喷嘴34沿钻头3圆周方向均匀排列并且2个割缝喷嘴34的孔径互不相同；即扩孔喷嘴33和割缝喷嘴34均嵌入固定于钻头3的侧壁，扩孔喷嘴33为2-3个，分别为2.5mm、3.0mm、3.5mm三种不同规格，割缝喷嘴3434为1-2个，分别为1.5mm、2.0mm两种不同规格，可根据煤的坚固性系数选择相应规格的喷嘴，达到最优的扩孔或割缝效果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种超高压水力钻、扩、割一体化钻头，其特征在于：包括主轴、喷嘴和切换机构；所述主轴前端固定有刀头；所述刀头为多个并且沿主轴圆周方向排列，主轴内部设有用于安装切换机构的容腔，主轴前端对应每个刀头设有连通至所述容腔的打钻出水通道；所述喷嘴为多个并且沿径向安装于主轴侧壁；各喷嘴由切换机构控制实现各喷嘴的打开和关闭；所述切换机构包括活塞、弹簧和滑套，通过调整水泵压力控制主轴内的弹簧及滑套，进而控制钻头侧面喷嘴的闭与开来实现低压钻进、中压扩孔和高压割缝的功能；所述滑套设于主轴的内部并沿轴向滑动配合，滑套的外侧壁以及主轴的内壁均为台阶面结构，所述弹簧轴向支撑于主轴内孔的台肩与滑套外壁的台肩之间，所述主轴内孔对应滑套后侧设有用于沿轴向对滑套进行限位的限位卡簧，滑套前端设有供水流向主轴前端的径向孔；所述活塞固定于滑套的前端面并且活塞的横断面轮廓与主轴前端内孔横断面轮廓一致；所述喷嘴固定于钻头的侧壁并且布置于滑套的径向外侧；喷嘴包括扩孔喷嘴和割缝喷嘴；所述扩孔喷嘴和割缝喷嘴由前到后排列并且扩孔喷嘴与割缝喷嘴之间沿钻头轴向的距离与滑套外壁与钻头内孔滑动配合的部分的轴向长度相等。
2.根据权利要求1所述的超高压水力钻、扩、割一体化钻头，其特征在于：所述扩孔喷嘴和割缝喷嘴均为硬质合金材料，扩孔喷嘴和割缝喷嘴均采用内嵌型设计，扩孔喷嘴为2-3个并且沿钻头圆周方向均匀排列，割缝喷嘴为1-2个，扩孔喷嘴的孔径均大于割缝喷嘴的孔径，各个扩孔喷嘴的孔径互不相同，当设置2个割缝喷嘴时将2个割缝喷嘴沿钻头圆周方向均匀排列并且2个割缝喷嘴的孔径互不相同。
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