CN106640049B - 一种保持钻孔壁原态的自动缩径钻孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保持钻孔壁原态的自动缩径钻孔装置，包括动力钻头部件，还包括缩径控制部件和缩径钻头部件，动力钻头部件包括筒状的次动力头和弹性压紧部连接，缩径控制部件包括限位弹簧、离合爪、传力筒和缩径杆，缩径钻头部件包括钻头筒体，钻头筒体上设置有定位台、上定位孔和下定位孔，钻头筒体上位于上定位孔和下定位孔之间的部分套设有第一环部，钻头筒体侧壁设置有防落台，本发明实现钻孔结束后自动缩进过程；解决了高地应力区提钻时的钻头“抱死”问题，为地应力测量提供了更加真实的测试钻孔，大大提高了成孔质量，显著提高了地应力的测量精度，具有广泛的适应能力。

Description

一种保持钻孔壁原态的自动缩径钻孔装置

技术领域

本发明涉及钻测领域，具体涉及一种保持钻孔壁原态的自动缩径钻孔装置，适用于地应力测量孔的成孔。

背景技术

地应力广泛存在，但难以获取和揭示，同时它对深部工程的规划、设计和决策又起着重要的作用。随着人类向深部地壳的不断探索，地应力的重要性日益显现。目前，针对地应力测量原理、技术和方法的研究正不断地深入，相应的测量仪器和设备也不断地涌现，为实现地应力测试技术的突破创造了条件。

人类对地应力的认识最早出现于20世纪初，而地应力的实测工作则开始于20世纪30年代。随着实测工作的开展，各种测量原理和测试装置不断涌现。其中，最具代表性的测试装置是于20世纪50年代由美国矿务局研制出来的USBM钻孔变形计，实现了对岩体进行应力解除的地应力测试方法。至今，应力解除法依然是主要的地应力测量方法。

应力解除法是建立在弹性理论基础之上，即假设岩块是均匀连续的，并认为加载和卸载时应力与应变之间具有相同的函数关系。同时，切割出来的岩石单元体，其自重与所受载荷相比，小到可略去不计。应力解除法的测试装置多采用压磁和应变式传感器，通过测量应力解除前后钻孔孔径的变化来计算地应力的大小和方向。常规的操作步骤为：首先在需要测量地应力的地方，打一个较大的钻孔，钻孔至一定深度后，更换钻头将孔底磨平，再换一个楔形钻头，打出一个喇叭孔(起导正作用)，再更换小钻头和钻杆，在大孔中心钻一个小的测量孔，然后提起钻杆，在测量孔中安装测量传感器，传感器引线穿过所有钻杆，然后大钻头继续钻孔，完成应力解除的钻进；从操作步骤中可以看出，需要进行应力测量的测量孔在成孔结束后，会进行提钻杆过程，然而由于在地层深部或者高地应力区，成孔后的瞬间，钻孔壁会因地应力的作用而产生缩径现象，此刻即为需要测量的钻孔壁原态，而在提钻杆的过程中，由于常规钻杆钻头的尺寸未发生变化，在提升过程中，钻头部分会破坏钻孔壁因地应力而形成的孔壁原态，导致最终测量的钻孔壁为钻头破坏后的钻孔形态，产生较大地应力测量误差，此外，在高地应力区，受地应力挤压，钻杆提升过程中可能会抱死，如果采用强硬措施提升钻杆，可能会导致测量孔被破坏，从而无法进行地应力测量，将带来一定的经济损失。

此外，孔形法直接测量地应力的方法也逐渐普遍，孔形法即通过钻孔的孔壁形态(椭圆)来计算出地应力方向和地应力大小，孔形法对成孔的质量要求较高，如果采用常规的钻孔设备进行成孔，在提钻过程中，钻头对钻孔壁产生的破坏，将对孔形法的精度产生较大影响，甚至导致误判地应力方向，测量孔的钻孔壁原态成孔质量决定了孔形法测量地应力的成败。

因此，如何突破长期以来困扰着地应力测量中测量孔孔壁原态被破坏的问题，实现深部和高地应力区的地应力测试，是地应力测试技术发展的重要方向。

鉴于目前测量孔成孔质量存在的问题，本发明提出一种保持钻孔壁原态的自动缩径钻孔装置，利用缩径控制部件协调缩径钻头和动力钻头之间的相互配合来实现成孔结束后的钻头缩径，在移出钻头后，保证钻孔壁保持无破坏的原状。自动缩径钻孔装置代替传统的常规钻孔装置，能够保证钻孔壁原态不被破坏，能够从根本上提高地应力测量的精度，使地应力测试技术和装置得到了突破性和实质性的进展。该装置采用机械构件来连接动力钻头部件和缩径钻头部件，动力钻头部件中的主动力头通过主动力齿带动次动力头旋转，次动力头上的次动力齿通过离合爪将动力传递给缩径钻头部件，缩径钻头部件中的钻孔片处于伸开状态，在离合爪传递的动力作用下，开始进行地应力测量孔的成孔，当钻孔到达指定深度后，缩径控制部件中的传力筒将接触到岩石表面，在反作用力下，传力筒将推动离合爪的一级台阶上移，在旋转力和动力钻头部件中弹簧推力的作用下，次动力齿将会进入二级限位台上表面，在继续钻进的同时，传力筒将推动二级台阶上移退出限位槽，在动力驱动和动力钻头部件中弹簧推力的作用下，次动力齿快速进入限位槽然后快速退出限位槽，实现动力钻头部件与缩径钻头部件发生分离，同时，在次动力齿进入二级限位台上表面后，缩径杆的上部压力消失，即不存在向下的压力，在传力筒推动二级台阶上移的过程中，传力筒上的传力台将推动缩径杆向上移动，当二级台阶刚好退出限位槽时，缩径杆下部的阔径环在缩径弹簧的推力作用下刚好进入缩径槽，即在实现动力钻头部件与缩径钻头部件发生分离的同时也实现了缩径钻头部件的缩径过程，在圆柱阔径环的设计下，缩径钻头部件将始终保持缩径状态，当提升动力钻头部件时，在提升台的作用下，整个装置将被顺利提取，实现整套装置的回收过程，而实现保持钻孔壁原态的提升过程，然后可以通过各种方式来测量钻孔壁原态，实现准确的地应力数据获取。该装置的优点在于：1)结构简单。由简单机械构件组成的缩径控制部件来控制动力钻头和缩径钻头的工作状态，实现自动缩径过程，并能够实现整套装置的同时回收；2)操作方便。操作方便，容易实现，能够更好的保留钻孔壁原态；3)可靠性高。采用结构简易的机械部件更容易在环境复杂的钻孔中实现，操作过程可靠；4)对环境要求低。利用传力筒底部的锯齿搅动碎屑，保证测量系统能够完全进入岩石层，克服了环境的影响，可用于各种岩石和大小各异的高地应力区钻孔。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种保持钻孔壁原态的自动缩径钻孔装置，构思新颖、设计巧妙、结构合理、可靠度高、易于实现，突破了地应力测量成孔装置以往固定钻头尺寸的局限性，减少甚至避免了提钻过程对钻孔壁原态的破坏，消除了高地应力区产生的钻杆抱死现象，提升了地应力测量的探测深度和精确度，使保持钻孔壁原态的自动缩径钻孔装置能够成为新一代的地应力测试成孔装置，具有广阔的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种保持钻孔壁原态的自动缩径钻孔装置，包括动力钻头部件，还包括缩径控制部件和缩径钻头部件，

动力钻头部件包括筒状的次动力头，次动力头的顶部与弹性压紧部连接，次动力头的内壁从上至下设置有提升台和次动力齿，

缩径控制部件包括限位弹簧、离合爪、传力筒和缩径杆，

离合爪包括面盘、一级台阶、二级台阶和定位杆，一级台阶和二级台阶均设置在面盘底面，一级台阶和二级台阶形成连续台阶，定位杆设置在面盘底面，

传力筒的顶部设置有圆弧槽，定位杆底端设置在圆弧槽内，传力筒的内侧设置有传力台，

缩径杆包括杆体连接部、设置在杆体连接部上端的传力爪、设置在杆体连接部中部的限位爪和设置在杆体连接部底部的传力杆，限位爪的外侧设置有一级限位台，限位爪上设置有一级限位孔，

缩径钻头部件包括钻头筒体，钻头筒体上部设置有定位台，钻头筒体的侧壁设置有上定位孔和下定位孔，上定位孔位于下定位孔上方，钻头筒体上位于上定位孔和下定位孔之间的部分套设有第一环部，第一环部的外侧设置有二级限位台和限位槽，第一环部上设置有二级限位孔，钻头筒体侧壁设置有防落台，

定位台放置于提升台上，传力爪穿过上定位孔，

定位杆依次穿过一级限位孔和二级限位孔，限位弹簧将面盘、传力爪、第一环部依次压紧，一级台阶位于二级限位台上方，二级台阶插入到限位槽中，传力台压紧在防落台上，定位杆的底端压在圆弧槽上，面盘将次动力齿压设在一级限位台上，一级台阶限制次动力齿的周向转动；当面盘带动一级台阶提升且二级台阶未完全脱离限位槽时，次动力齿能周向转动落入到二级限位台上并由二级台阶限制次动力齿的周向转动；当面盘进一步带动一级台阶提升且二级台阶完全脱离限位槽时，次动力齿能周向转动滑入限位槽并从限位槽脱落；限位爪穿出下定位孔，传力台位于限位爪下方。

如上所述的钻头筒体的下部的侧壁开设有压力孔，钻头筒体的底部设置有钻头底座，钻头底座的底部开设有矩形缺口，钻头筒体内设置有钻孔片，

钻孔片一侧开设有伸缩槽，钻孔片另一侧开设有缩径槽，钻孔片一侧底部插入到矩形缺口且延伸至钻头底座外，钻孔片延伸至钻头底座外的部分设置有钻齿，

伸缩槽包括槽顶台阶和槽底台阶，

压力孔通过丝扣与压力柱连接部连接，压力柱连接部与台阶部连接，台阶部包括台阶一部以及与台阶一部连接的台阶二部，台阶一部的外形与槽顶台阶的适配，台阶二部与槽底台阶适配，台阶二部套设有缩径弹簧，缩径弹簧两端分别与台阶一部和槽底台阶的底部相抵，

传力杆上套设有与缩径槽适配的阔径环。

如上所述的弹性压紧部包括动力杆、动力滑槽和动力座，动力滑槽设置在动力杆和动力座之间，次动力头的顶部设置有主动力齿，主动力齿嵌入到动力滑槽中且能沿动力滑槽往复运动，动力座与动力杆之间设置有弹簧。

如上所述的传力杆的底端面以及钻孔片的底端面均为圆弧面。

本发明相对于现有技术具有以下优势：

1、本发明利用机械构件之间的相互配合，实现自动缩径过程；

2、本发明机械结构简便，操作方便，容易实现；

3、本发明提高了测量地应力的精度，以及解决了高地应力区卡钻的技术问题，使测试精度得到了显著提高，对测试环境的要求显著下降；

4、本发明的构思严密、设计巧妙、尺寸合理；

5、本发明的结构体系和总体布局简单，易于实施。

总之，本发明提供了一种利用机械构件相互配合的方法来实现缩径钻头自动缩径的钻孔装置，实现了保持钻孔壁原态的的钻孔过程，提高了测试的精度和应用范围。该方法设计巧妙，构思严密，结构体系简单，易于实施。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为动力钻头部件结构示意图；

图3为缩径控制部件结构示意图；

图4为缩径钻头部件结构示意图；

图5为主动力头结构示意图；

图6为次动力头结构示意图；

图7为次动力齿结构示意图；

图8为离合爪结构示意图；

图9为离合爪部件分布图；

图10为传力筒结构示意图；

图11为缩径杆结构示意图；

图12为缩径杆结构俯视图；

图13为限位爪结构示意图；

图14为钻头筒结构示意图；

图15为上定位孔结构示意图；

图16为二级限位台、限位槽、二级限位孔分布示意图；

图17为下定位孔分布示意图；

图18为钻头底座结构示意图；

图19为钻头筒主视图；

图20为钻孔片的结构示意图；

图21为压力柱的结构示意图；

图22为缩径钻头处于张开状态示意图；

图23为缩径钻头处于收缩状态示意图；

图24为次动力头、离合爪、缩径杆、钻头筒的装配示意图；

图25为次动力头与缩径杆、钻头筒脱离前状态示意图；

图26为次动力头与缩径杆脱离过程状态示意图；

图27为次动力头与缩径杆脱离后状态示意图；

图28为次动力头与钻头筒脱离过程中状态示意图；

图29为次动力头与钻头筒脱离后状态示意图；

图30为整套装置接触岩石前的装配示意图；

图31为整套装置接触岩石后钻进状态示意图；

图32为整套装置成孔结束后即将开始缩径状态示意图；

图33为缩径杆解除向下压力状态示意图；

图34为整套装置完成缩径状态示意图；

图35为整套装置回收状态示意图；

图中：1-动力钻头部件；2-缩径控制部件；3-缩径钻头部件；11-主动力头；12-弹簧；13-次动力头；21-限位弹簧；22-离合爪；23-传力筒；24-缩径杆；31-钻头筒；32-钻孔片；33-压力柱；34-缩径弹簧；111-动力杆；112-动力滑槽；113-动力座；131-主动力齿；132-提升台；133-次动力齿；134-次动力末端(平滑端面/解除钻头)；221-面盘；222-一级台阶；223-二级台阶；224-定位杆；231-圆弧槽；232- 传力台；241-一级限位台；242-一级限位孔；243-传力爪；244-限位爪；245-传力杆；246-阔径环；247-金刚石头；248-杆体连接部；311-定位台；312-上定位孔；313-二级限位台；314-限位槽；315-二级限位孔；316-下定位孔；317-防落台；318-压力孔；319-钻头底座；3110-次动力齿放置槽；3111-第一环部；3112-钻头筒体；321-伸缩槽；322-缩径槽；323-钻齿。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明：

实施例1：

一种保持钻孔壁原态的自动缩径钻孔装置，包括动力钻头部件1，还包括缩径控制部件2和缩径钻头部件3，

动力钻头部件1包括筒状的次动力头13，次动力头13的顶部与弹性压紧部连接，次动力头13的内壁从上至下设置有提升台132和次动力齿133，

缩径控制部件2包括限位弹簧21、离合爪22、传力筒23和缩径杆24，

离合爪22包括面盘221、一级台阶222、二级台阶223和定位杆224，一级台阶222和二级台阶223均设置在面盘221底面，一级台阶222和二级台阶223形成连续台阶，定位杆224设置在面盘221底面，

传力筒23的顶部设置有圆弧槽231，定位杆224底端设置在圆弧槽231内，传力筒23的内侧设置有传力台232，

缩径杆24包括杆体连接部248、设置在杆体连接部248上端的传力爪243、设置在杆体连接部248中部的限位爪244和设置在杆体连接部248底部的传力杆245，限位爪244的外侧设置有一级限位台241，限位爪244上设置有一级限位孔242，

缩径钻头部件3包括钻头筒体3112，钻头筒体3112上部设置有定位台311，钻头筒体3112的侧壁设置有上定位孔312和下定位孔316，上定位孔312位于下定位孔316上方，钻头筒体3112上位于上定位孔312和下定位孔316之间的部分套设有第一环部3111，第一环部3111的外侧设置有二级限位台313和限位槽314，第一环部3111上设置有二级限位孔315，钻头筒体3112侧壁设置有防落台317，

定位台311放置于提升台132上，传力爪243穿过上定位孔312，

定位杆224依次穿过一级限位孔242和二级限位孔315，限位弹簧21将面盘221、传力爪243、第一环部3111依次压紧，一级台阶222位于二级限位台313上方，二级台阶223插入到限位槽314中，传力台232压紧在防落台317上，定位杆224的底端压在圆弧槽231上，面盘221将次动力齿133压设在一级限位台241上，一级台阶222限制次动力齿133的周向转动；当面盘221带动一级台阶222提升且二级台阶223未完全脱离限位槽314时，次动力齿133能周向转动落入到二级限位台313上并由二级台阶223限制次动力齿133的周向转动；当面盘221进一步带动一级台阶222提升且二级台阶223完全脱离限位槽314时，次动力齿133能周向转动滑入限位槽314并从限位槽314脱落；限位爪244穿出下定位孔316，传力台232位于限位爪244下方。

钻头筒体3112的下部的侧壁开设有压力孔318，钻头筒体3112的底部设置有钻头底座319，钻头底座319的底部开设有矩形缺口，钻头筒体3112内设置有钻孔片32，

钻孔片32一侧开设有伸缩槽321，钻孔片32另一侧开设有缩径槽322，钻孔片32一侧底部插入到矩形缺口且延伸至钻头底座319外，钻孔片32延伸至钻头底座319外的部分设置有钻齿323，

伸缩槽321包括槽顶台阶和槽底台阶，

压力孔318通过丝扣与压力柱连接部连接，压力柱连接部与台阶部连接，台阶部包括台阶一部以及与台阶一部连接的台阶二部，台阶一部的外形与槽顶台阶的适配，台阶二部与槽底台阶适配，台阶二部套设有缩径弹簧34，缩径弹簧34两端分别与台阶一部和槽底台阶的底部相抵，

传力杆245上套设有与缩径槽322适配的阔径环246。

弹性压紧部包括动力杆111、动力滑槽112和动力座113，动力滑槽112设置在动力杆111和动力座113之间，次动力头13的顶部设置有主动力齿131，主动力齿131嵌入到动力滑槽112中且能沿动力滑槽112往复运动，动力座113与动力杆111之间设置有弹簧12。

传力杆245的底端面以及钻孔片32的底端面均为圆弧面。

实施例2：

一种保持钻孔壁原态的自动缩径钻孔装置，包括筒状的动力钻头部件1，还包括缩径控制部件2和缩径钻头部件3，

动力钻头部件1包括筒状的主动力头11、弹簧12和筒状的次动力头13,主动力头11上端为筒状动力杆111，它与动力钻机或钻杆相连接，主动力头11下端设有三个动力滑槽112，最低端设有动力座113，次动力头13顶部设有三个主动力齿131，它与动力滑槽112相匹配，在外力作用下主动力齿131能在对应的动力滑槽112内顺畅滑动，次动力头13上部设有提升台132，用于成孔结束后提升缩径钻头部件3，次动力头13中下部设有三个次动力齿133，它为缩径钻头部件3提供动力，在次动力头13底部设有次动力末端134，当应用于应力解除法成孔时为解除钻头，应用于非应力解除法成孔时为平滑端面，弹簧12一端与筒状动力杆111相抵，另一端与主动力齿131相抵。

缩径控制部件2包括限位弹簧21、离合爪22、传力筒23和喇叭状的缩径杆24，离合爪22顶部设有平面的环形的面盘221，面盘221底部外侧周向均匀设置有三个一级台阶222，三个一级台阶222的底部均设置有二级台阶223且三个一级台阶222所在圆周和三个二级台阶223所在圆周内外径一致，一级台阶222和二级台阶223错开设定圆心角分布，面盘221底部均匀分布有三个定位杆224，定位杆224与一级台阶222错开设定圆心角分布，且定位杆224底部为圆弧面，传力筒23的顶部设有圆弧槽231，与定位杆224的底部相配合，传力筒23在外力作用下，能够与定位杆224之间发生相对转动，传力筒23的中下部设有传力台232，用于提升缩径杆24，缩径杆24的顶部有三个传力爪243，传力爪243外沿设有一级限位台241，传力爪243在中部位置设有一级限位孔242，缩径杆24的中部设有三个限位爪244，缩径杆24的下部设有传力杆245，在传力杆245下部设有阔径环246，阔径环246下部的传力杆245底端设有金刚石头247，

缩径钻头部件3包括钻头筒31、钻孔片32、压力柱33和缩径弹簧34，钻头筒31顶部设有定位台311，钻头筒31中上部的筒壁上开设有三个上定位孔312，钻头筒31上位于定位孔312的下方套设有第一环部，第一环部的外侧周向设有三个二级限位台313和三个二级限位槽314，第一环部的外侧还开设有次动力齿放置槽3110，次动力齿放置槽3110贯穿第一环部的上表面，第一环部上位于次动力齿放置槽3110下方的部分构成二级限位台313，次动力齿放置槽3110与二级限位槽314的侧部连通，二级限位槽314贯穿第一环部的上下表面，第一环部上开设有三个贯穿第一环部上环面和下环面的二级限位孔315，钻头筒31中部的筒壁设有三个下定位孔316，钻头筒31上位于下定位孔316的下方设有防落台317，钻头筒31上位于防落台317下方的筒壁上沿轴向设置有两组压力孔318，每组压力孔318中的各个压力孔318沿钻头筒31周向均匀分布，上下两组压力孔318的个数相同且压力孔318的上下位置对应，钻头筒31底部设有钻头底座，钻孔片32一侧上部和下部分别设置有伸缩槽321且该侧底部的最外端设置有钻齿323，钻孔片32另一侧的中部设有缩径槽322。

如图1～4所示，传力爪243穿出上定位孔312，限位爪244穿出下定位孔316，缩径钻头部件3通过上定位孔312和下定位孔316为缩径杆24提供旋转动力，以保证底部的金刚石头247具有旋转切削力，如图25～29，次动力齿133放置于一级限位台241上，面盘221和一级限位台241限制次动力齿133纵向位移，一级台阶222限制次动力齿133的周向位移，一级台阶222和一级限位台241将次动力齿133固定，在二级台阶223以及传力爪243和限位爪244的共同作用下，缩径钻头部件3和缩径控制部件2的底部能够形成圆弧切削面，进行岩石钻进，同时，次动力齿133给一级限位台241向下的作用力，保证底部的金刚石头247具有向下的切削力，此刻，传力爪243处于上定位孔312底部，限位爪244处于下定位孔316底部，阔径环246未处于缩径槽322内，即整个钻进过程保持钻进片32处于张开状态，从而形成所需尺寸钻孔，

动力钻头部件1包括主动力头11，弹簧12，次动力头13；主动力头11和次动力头13均为筒状，主动力头11、弹簧12和次动力头13三者的中心轴线重合；次动力头13顶部的主动力齿131最外沿所形成圆的直径不大于主动力头11的外直径。弹簧12的外径小于动力滑槽112的内径，弹簧12的内径大于主动力头11的内径，且弹簧12的内径大于次动力头13的顶部内径。主动力齿131处于动力滑槽112底部时，弹簧12处于压缩状态，且具有压缩潜能。次动力齿133的内径小于提升台132的内径。

缩径控制部件2包括限位弹簧21，离合爪22，传力筒23，喇叭状的缩径杆24；四者中心轴线重合；限位弹簧21的内径不小于离合爪22的最小内径(即不小于面盘221的内径)；限位弹簧21的外径不大于离合爪22的最大外径(即不小于面盘221的外径)；离合爪22的定位杆224和缩径杆24的一级限位孔242相对，定位杆224能够穿过一级限位孔242，且只能发生轴向运动，而不允许发生较大的相对转动，一级限位孔242与定位杆224配合使用；传力筒23的圆弧槽231，与定位杆224的底部相配合，传力筒23在外力作用下，能够与定位杆224之间发生相对转动；传力台232的内径小于限位爪244的外径；限位爪244的外径小于传力筒23的上部内径。

如图5所示，主动力头11上设有三个动力滑槽112，圆周均匀分布；动力座113的内径小于动力滑槽112所在圆周的内径。

如图6～7所示，次动力头13顶部设有三个主动力齿131，圆周均匀分布；次动力头13中下部设有圆周均匀分布的三个次动力齿133，，次动力齿133为扇环状；主动力齿131能够与动力滑槽112相配，且主动力齿131的宽度略小于动力滑槽112的宽度，以保证主动力齿131在外力作用下能够在动力滑槽112内顺畅滑动。

如图8～9所示，面盘221、一级台阶222和二级台阶223所在圆的外径一致，面盘221、沿圆周分布的一级台阶222、沿圆周分布的二级台阶223和沿圆周分布的定位杆224四者的中心轴线共线；一级台阶222位于面盘221下部；二级台阶223位于一级台阶222的下部，二级台阶223的高度大于一级台阶222，一级台阶222和二级台阶223构成连续台阶；定位杆224的高度大于二级台阶223和一级台阶222的高度和；一级台阶222和二级台阶223相连，且内外径一致，所在圆周均匀分布，一级台阶222和二级台阶223以设定圆心角错开设置；三个定位杆224沿圆周均匀分布，定位杆224分别与一级台阶222和二级台阶223错开设置；

如图10所示，传力筒23包括顶部表面光滑的圆弧槽231和内侧设置的传力台232；传力筒23底部呈锯齿状，用于增大与岩石表面的摩擦力。

如图11～13所示，三个传力爪243呈圆周均匀分布；传力爪243的外侧设置有一级限位台241，传力爪243上设置有贯穿传力爪243上下表面的一级限位孔242，三个一级限位台241为圆周均匀分布的扇环状，一级限位台241和一级限位孔242之间错开分布，传力爪243所在的圆周的中心轴线和限位爪244所在的圆周的中心轴线重合。

如图14～19所示，定位台311、防落台317和钻头底座319三者中心轴线共线；三个上定位孔312的位置与缩径杆24顶部的三个传力爪243的位置对应适配，且上定位孔312的宽度略大于传力爪243的宽度；钻头筒31上位于定位孔312的下方套设有第一环部；二级限位台313和限位槽314的内外径分别一致，二级限位台313所在圆周、限位槽314所在圆周和二级限位孔315所在的圆周中心轴线共线；二级限位台313和限位槽314均为沿圆周均匀分布的扇环状；三个二级限位孔315沿圆周均匀分布；限位槽314与二级限位孔315以设定圆心角错开分布；三个下定位孔316的位置与三个限位爪244的位置对应适配，且下定位孔316的宽度略大于限位爪244扇叶的宽度；钻头底座319呈封顶的圆筒状，钻头底座319顶部中心设置有一个圆形缺口，钻头底座319侧壁上有三个圆周均匀分布的矩形缺口，圆形缺口用于固定金刚石头247，钻头底座319顶部的圆形缺口直径略大于金刚石头247的外径，矩形缺口用于固定钻孔片32；上定位孔312所在圆、下定位孔316所在圆的、压力孔318所在圆的和钻头底座319的矩形缺口所在圆的中心线重合，压力孔318内壁上设有丝扣。

如图20～21所示，钻头底座319上的矩形缺口宽度与钻孔片32的厚度一致，或者略大于钻孔片32的厚度，钻孔片32的底部插入到钻头底座319上的矩形缺口并延伸至钻头底座319外；钻孔片32一侧的上部和下部均设有伸缩槽321，钻孔片32另一侧的中部设有矩形的缩径槽322，伸缩槽321由槽顶至槽底呈台阶状，槽顶台阶的尺寸大于槽底台阶的尺寸；压力柱33包括压力柱连接部以及设置在压力柱连接部上的台阶部，压力柱连接部的侧部设置有与压力孔318连接的丝扣；台阶部包括台阶一部以及与台阶一部连接的台阶二部，台阶一部的外形与槽顶台阶的适配，台阶一部嵌入到槽顶台阶，台阶二部与槽底台阶适配，台阶二部嵌入到槽顶台阶，台阶二部的尺寸小于槽底台阶的尺寸，台阶二部套设有缩径弹簧34，缩径弹簧34两端分别与台阶一部和槽底台阶的底部相抵；钻孔片32底端面呈弧面。

如图22～23所示，当进行成孔时，阔径环246未处于缩径槽322里，缩径钻头部件3处于钻齿323张开状态，三个钻孔片的底端面和中间的金刚石头247的底端面位于同一个圆弧面；当成孔结束后，钻头在继续钻进的过程中，阔径环246会完全进入缩径槽322中，同时，金刚石头247也将被提升，实现钻头缩径，从而保证钻头提升过程不会破坏钻孔壁。

如图24～29所示，装配好的状态为，次动力齿133位于一级限位台241上，面盘221限制次动力齿133的纵向位移，一级台阶222限制次动力齿的周向位移；二级台阶223处于限位槽314内；定位杆224依次穿过一级限位孔242和二级限位孔315；当成孔到指定深度后，传力筒23在岩石的反作用力下向上移动，从而推动定位杆224，当一级台阶222上移高度大于次动力齿133的高度时，次动力齿133在旋转动力作用下，滑离一级限位台241上表面，次动力齿133完全脱离一级限位台241上表面后，弹簧12会提供一个向下的动力，使次动力齿133快速向下移动，瞬间落入到二级限位台313的上表面上，此刻次动力齿133解除了对缩径杆24的向下作用力，钻头筒31通过上部的上定位孔312和下定位孔316将周向旋转力传递给传力爪243和限位爪244，实现缩径杆24的继续旋转，在继续钻进的过程中，缩径杆24底部会受到岩石的反作用力，缩径杆24会慢慢提升，同时，传力台232会马上接触到限位爪244，传力筒23提升限位爪244与岩石的对缩径杆24底部的反作用力同步，共同实现缩径杆24的提升；当成孔继续钻到一定深度后，二级台阶223完全滑出限位槽314，次动力齿133在旋转动力作用下，次动力齿133滑离二级限位台313上表面，弹簧12会提供一个向下的动力，使次动力齿133快速向下移动，实现动力钻头部件1与缩径钻头部件3的完全脱离，在二级台阶223完全滑出限位槽314的同时，传力筒23提升限位爪244的高度刚好满足阔径环246能够完全进入缩径槽322中，在六个缩径弹簧34的推力作用下，阔径环246能够完全进入缩径槽322中，钻孔片32的底部缩进钻头底座319内，从而实现在动力钻头部件1与缩径钻头部件3的完全脱离的同时也实现缩径钻头部件3的自动缩径，并始终保持缩径状态。

如图30～35所示，整套装置装配结束后，在成孔前，弹簧12处于初级压缩状态，在缩径钻头部件3遇到岩石并开始成孔时，弹簧12处于极限压缩状态，钻孔达到指定深度后，传力筒23底部会接触到孔底岩石表面，在岩石的反作用力下，传力筒23会上推离合爪22，当传力台232上表面刚刚接触到限位爪244时，限位弹簧21被压缩，处于次极限压缩状态，一级台阶222刚刚上移到次动力齿133能够脱离一级限位台241的位置，次动力齿133在旋转动力作用下脱离一级限位台241，同时在弹簧12的作用下，次动力齿133快速落入到二级限位台313上，此刻，弹簧12处于次极限压缩状态，当传力筒23上移到一定高度后，限位弹簧21进一步被压缩，处于极限压缩状态，二级台阶223完全滑出限位槽314，次动力齿133滑离二级限位台313上表面，在弹簧12的向下作用力下，次动力齿133快速与缩径钻头部件3脱离，弹簧12处于初级压缩状态，同时，传力筒23提升限位爪244，在六个缩径弹簧34的推力作用下，阔径环246完全进入缩径槽322中，实现缩径钻头部件3的自动缩径，如果所成孔采用非应力解除法进行测试，那么此刻根据钻孔进尺，可以进行提钻操作，在提钻过程中，缩径钻头部件3始终保持缩径状态，动力钻头部件1上的提升台133将会接触定位台311，通过定位台311提升缩径钻头部件3，从而实现整套装置的回收过程，如果所成孔采用应力解除法进行测试，计算好钻孔进尺，继续进行接触孔的成孔过程，达到成孔深度后，直接提升动力钻头部件1，即可实现整套装置的回收。

部件材料及加工要求：

主动力齿131、次动力齿133需要硬化处理来提高强度和刚度，一级台阶222和二级台阶223内侧表面需要打磨处理，减小与次动力齿133和限位槽314侧面的摩擦力，定位杆224表面需要打磨处理，减小与一级限位孔242和二级限位孔315侧面的摩擦力。

定位杆224底部为圆弧面，与圆弧槽231相配，保证在外力作用下，能够相对滑动，要对圆弧槽231的内表面进行打磨处理，减小圆弧槽231与定位杆224底部圆弧面之间的摩擦力；传力筒23底部加工成锯齿状，用于增大与岩石表面的摩擦力。

离合爪22需要进行硬化处理来提高强度和刚度，并严格保证一级台阶222所在圆、二级台阶223所在圆、定位杆224所在圆中心轴线严格共线。

弹簧12、限位弹簧21和缩径弹簧34可采用弹簧钢丝加工形成螺旋状弹簧，弹簧12内侧所在圆的直径要略大于主动力头11的最小内径，弹簧12外侧所在圆的直径要小于动力滑槽112所在圆周的内侧直径；限位弹簧21内侧所在圆的直径要略大于钻头筒31相应位置的外径，限位弹簧21外侧所在圆的直径要小于面盘221的最大直径；缩径弹簧34的外径要略小于伸缩槽321的槽底台阶的内径，缩径弹簧34的内径要略大于台阶二部的直径。

需要对一级限位孔242、二级限位孔315、一级限位台241、二级限位台313的表面进行打磨处理，减小与定位杆224、一级台阶222、二级台阶223、次动力齿133之间的摩擦力，保证一级限位孔242、二级限位孔315的大小尺寸完全一致。

钻孔片32底部需要进行镀金刚石处理；钻齿323采用有镶嵌复合片；钻头底座319底部和内侧需要进行镀金刚石处理。

其他与实施例1相同。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改、补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种保持钻孔壁原态的自动缩径钻孔装置，包括动力钻头部件（1），其特征在于，还包括缩径控制部件（2）和缩径钻头部件（3），

动力钻头部件（1）包括筒状的次动力头（13），次动力头（13）的顶部与弹性压紧部连接，次动力头（13）的内壁从上至下设置有提升台（132）和次动力齿（133），

缩径控制部件（2）包括限位弹簧（21）、离合爪（22）、传力筒（23）和缩径杆（24），

离合爪（22）包括面盘（221）、一级台阶（222）、二级台阶（223）和定位杆（224），一级台阶（222）和二级台阶（223）均设置在面盘（221）底面，一级台阶（222）和二级台阶（223）形成连续台阶，定位杆（224）设置在面盘（221）底面，

传力筒（23）的顶部设置有圆弧槽（231），定位杆（224）底端设置在圆弧槽（231）内，传力筒（23）的内侧设置有传力台（232），

缩径杆（24）包括杆体连接部（248）、设置在杆体连接部（248）上端的传力爪（243）、设置在杆体连接部（248）中部的限位爪（244）和设置在杆体连接部（248）底部的传力杆（245），限位爪（244）的外侧设置有一级限位台（241），限位爪（244）上设置有一级限位孔（242），

缩径钻头部件（3）包括钻头筒体（3112），钻头筒体（3112）上部设置有定位台（311），钻头筒体（3112）的侧壁设置有上定位孔（312）和下定位孔（316），上定位孔（312）位于下定位孔（316）上方，钻头筒体（3112）上位于上定位孔（312）和下定位孔（316）之间的部分套设有第一环部（3111），第一环部（3111）的外侧设置有二级限位台（313）和限位槽（314），第一环部（3111）上设置有二级限位孔（315），钻头筒体（3112）侧壁设置有防落台（317），

定位台（311）放置于提升台（132）上，传力爪（243）穿过上定位孔（312），

定位杆（224）依次穿过一级限位孔（242）和二级限位孔（315），限位弹簧（21）将面盘（221）、传力爪（243）、第一环部（3111）依次压紧，一级台阶（222）位于二级限位台（313）上方，二级台阶（223）插入到限位槽（314）中，传力台（232）压紧在防落台（317）上，定位杆（224）的底端压在圆弧槽（231）上，面盘（221）将次动力齿（133）压设在一级限位台（241）上，一级台阶（222）限制次动力齿（133）的周向转动；当面盘（221）带动一级台阶（222）提升且二级台阶（223）未完全脱离限位槽（314）时，次动力齿（133）能周向转动落入到二级限位台（313）上并由二级台阶（223）限制次动力齿（133）的周向转动；当面盘（221）进一步带动一级台阶（222）提升且二级台阶（223）完全脱离限位槽（314）时，次动力齿（133）能周向转动滑入限位槽（314）并从限位槽（314）脱落；限位爪（244）穿出下定位孔（316），传力台（232）位于限位爪（244）下方。

2.根据权利要求1所述的一种保持钻孔壁原态的自动缩径钻孔装置，其特征在于，所述的钻头筒体（3112）的下部的侧壁开设有压力孔（318），钻头筒体（3112）的底部设置有钻头底座（319），钻头底座（319）的底部开设有矩形缺口，钻头筒体（3112）内设置有钻孔片（32），

钻孔片（32）一侧开设有伸缩槽（321），钻孔片（32）另一侧开设有缩径槽（322），钻孔片（32）一侧底部插入到矩形缺口且延伸至钻头底座（319）外，钻孔片（32）延伸至钻头底座（319）外的部分设置有钻齿（323），

伸缩槽（321）包括槽顶台阶和槽底台阶，

压力孔（318）通过丝扣与压力柱连接部连接，压力柱连接部与台阶部连接，台阶部包括台阶一部以及与台阶一部连接的台阶二部，台阶一部的外形与槽顶台阶适配，台阶二部与槽底台阶适配，台阶二部套设有缩径弹簧（34），缩径弹簧（34）两端分别与台阶一部和槽底台阶的底部相抵，

传力杆（245）上套设有与缩径槽（322）适配的阔径环（246）。

3.根据权利要求2所述的一种保持钻孔壁原态的自动缩径钻孔装置，其特征在于，所述的弹性压紧部包括动力杆（111）、动力滑槽（112）和动力座（113），动力滑槽（112）设置在动力杆（111）和动力座（113）之间，次动力头（13）的顶部设置有主动力齿（131），主动力齿（131）嵌入到动力滑槽（112）中且能沿动力滑槽（112）往复运动，动力座（113）与动力杆（111）之间设置有弹簧（12）。

4.根据权利要求2所述的一种保持钻孔壁原态的自动缩径钻孔装置，其特征在于，所述的传力杆（245）的底端面以及钻孔片（32）的底端面均为圆弧面。