CN107217982B - 煤矿井下钻进用多级排渣空气螺杆马达 - Google Patents

Abstract

一种煤矿井下钻进用多级排渣空气螺杆马达，由接头、马达总成、万向轴总成、传动轴总成组成，马达总成输入压缩气体驱动回转，万向轴总成和传动轴总成对动力进行传递，万向轴总成的单弯外管能够实现定向钻进，马达总成设置连续右旋螺旋槽，当螺杆马达回转时能够对沉积钻渣起到搅动作用，有助于空气将孔内钻屑排出孔外；增设两组反向旁通孔实现多级排渣，确保孔底钻头堵塞或钻渣堆积时马达仍正常回转排粉；设置单向阀避免高压气体携带钻渣反向进入马达内部对马达造成损坏，本发明与井下随钻测量系统配合用于煤矿井下碎软煤层顺层长钻孔施工，能够提高排渣效果，减小孔内阻力，确保施工安全，提高煤矿井下碎软煤层顺层钻孔施工深度与煤层钻遇率。

Description

煤矿井下钻进用多级排渣空气螺杆马达

技术领域

本发明涉及矿山钻探、石油钻井、煤矿钻探的技术领域，尤其涉及一种与煤矿井下随钻测量系统配合使用，用于煤矿井下顺碎软煤层长钻孔施工的煤矿井下钻进用多级排渣空气螺杆马达。

背景技术

在松软破碎煤层中施工瓦斯抽采钻孔容易出现塌孔、卡钻，存在成孔难度大的问题；而采用回转钻进则出现钻孔轨迹控制难，易钻进至煤层顶(底)板岩石，难以实现煤层顺层长钻孔施工，导致瓦斯抽采不均匀，产生抽采盲区，造成安全隐患。因此，目前在松软破碎煤层瓦斯抽采钻孔施工的关键问题是以深度和精度为主的成孔问题。

目前煤矿井下定向钻进技术是以液动螺杆马达作为孔底动力，驱动钻头回转碎岩的钻进技术方法；对于松软煤层、破碎的、泥岩水敏性地层，为保证钻孔稳定性，则主要采用空气钻进和螺旋钻进作为成孔方法，无法采用水力作为冲洗介质。因此，为实现松软煤层定向钻进的目的，只能采用空气螺杆马达进行钻进施工。对于松软煤层，采用空气钻进工艺就必须考虑排渣问题，确保孔内顺畅，而一般螺杆马达外部为外平结构，在钻进过程中类似于采用外平光钻杆进行钻进施工，十分不利于排渣。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下钻进用多级排渣空气螺杆马达，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下钻进用多级排渣空气螺杆马达，其结构简单，操作方便，与煤矿井下随钻测量系统配合使用，大大提高煤矿井下碎软煤层顺层长钻孔施工成孔率。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下钻进用多级排渣空气螺杆马达，包含接头、马达总成、万向轴总成和传动轴总成，所述马达总成的两端分别连接于接头和万向轴总成，所述传动轴总成设置于万向轴总成的另一端，其特征在于：

所述万向轴总成设有一定角度的单弯外管，所述马达总成由马达转子、马达定子和定子外管体组成，所述定子外管体从接头至万向轴总成的单弯外管处设置连续右旋螺旋槽，所述万向轴总成和传动轴总成分别设置两级反向旁通孔，从而既能实现定向钻孔，还能实现多级排渣功能，提高马达排渣效果。

其中：所述马达转子的前端与一万向轴连接，所述万向轴的前端再与一传动轴连接，所述传动轴与传动轴外管之间设有轴承组，从而通过轴承组实现传动轴转动时外部壳体不回转。

其中：所述马达转子为中通结构，其上部通过丝扣连接不同通孔大小的调节堵头，下部则设置旁通孔，以调节驱动马达工作的风量的大小，从而改变马达转子转动速度。

其中：所述定子外管体的外缘设置有1～3头连续右旋的螺旋槽，各螺旋槽通过整体式铣槽制成，所述螺旋槽的宽度大于螺旋翼片的宽度。

其中：所述螺旋槽的宽度为螺旋翼片宽度的3倍，所述螺旋槽的螺旋升角为至少20°，所述螺旋槽的深度为6mm±2mm，从而提高了钻孔轨迹的有效控制性能，增加松软煤层复合钻进排渣效果。

其中：所述单弯外管弯头角度为0.8-2度，所述单弯外管的外缘设有镶焊复合片的衬垫，以有效提高耐磨性能，提高使用寿命。

其中：所述万向轴总成的壳体设置一级反向旁通孔，所述传动轴总成的下部连接钻头处设置比一级反向旁通孔直径大的二级反向旁通孔，通过马达内部的压缩气体分别沿着一级旁通孔、二级旁通孔和钻头风眼流出，钻孔风眼孔径远比二级反向旁通孔级大；通过马达内部的压缩气体可分别沿着一级旁通孔、二级旁通孔和钻头风眼流出；当钻头风眼堵塞或附近钻渣堆积时，通过旁通孔出风能够确保马达正常回转和排粉。

其中：所述传动轴总成的下部设置单向阀，马达内部压缩空气可经过单向阀从二级旁通孔和钻头风眼流出，从而当孔底瓦斯压力高或卸压时单向阀关闭，阻止高压气体携带钻渣进入马达内部，防止反向驱动马达造成马达工作失效。

通过上述结构可知，本发明的煤矿井下钻进用多级排渣空气螺杆马达具有如下效果：

1.能够用于煤矿井下松软煤层顺层钻孔空气定向钻进，定向钻进时，通过改变弯头方向，调整钻头切削方向从而改变钻孔轨迹，实现顺层长钻孔施工，通过对钻孔轨迹有效控制，能够提高钻孔深度，增加煤层钻遇率；

2.采用旋转复合钻进时，在回转时，螺杆马达外部螺旋槽对孔内钻渣起到搅动作用，旋转搅动钻渣通过压缩空气排出孔外，避免了钻渣的沉积，有利于孔内钻渣的排出，减少孔内事故发生的可能。

3.空气螺杆马达正常回转要求输入气体压力小，能够满足煤矿井下钻进使用条件；且马达转子中通结构，能够调节驱动马达工作的风量的大小，从而改变回转速度；万向轴总成外部管体和传动轴总成下部设置两级反向旁通孔，确保孔底钻头堵塞或钻渣堆积时马达正常回转和排粉，有利于碎软煤层钻进排渣与成孔。

4.空气螺杆马达设置单向阀，避免孔底压力高或钻杆内卸压时高压气体携带钻渣反向进入马达内部，对马达造成损坏。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的煤矿井下钻进用多级排渣空气螺杆马达的总体结构示意图。

图1A显示了图1中A-A的剖视图。

图1B显示了图1中B-B的剖视图。

图2显示了本发明的内部结构示意图。

附图标记：

1-接头；2-马达总成；3-螺旋槽；4-螺旋翼片；5-一级反向旁通孔；6-万向轴总成；7-衬垫；8-传动轴总成；9-二级反向旁通孔；10-调节堵头；11-马达转子；12-马达定子；13-定子外管体；14-定子旁通孔；15-万向轴；16-轴承组；17-传动轴；18-单向阀。

具体实施方式

参见图1、1A、1B和2，显示了本发明的煤矿井下钻进用多级排渣空气螺杆马达。

所述煤矿井下钻进用多级排渣空气螺杆马达包括接头1、马达总成2、万向轴总成6和传动轴总成8，所述马达总成的两端分别连接于接头1和万向轴总成6，所述传动轴总成8设置于万向轴总成6的另一端。

其中，参见图2，所述马达总成2由马达转子11、马达定子12和定子外管体13组成，所述定子外管体13内为中空状，所述马达转子11和马达定子12均设置于定子外管体13内，所述马达转子11的后端与接头1可通过丝扣进行连接，所述马达转子11的前端可通过丝扣与万向轴15连接，所述万向轴15的前端再与传动轴17通过丝扣连接，其中，所述传动轴17与传动轴外管之间设有轴承组16，从而通过轴承组实现传动轴17转动时外部壳体不回转。

所述马达转子11为中通结构，其上部通过丝扣可连接不同通孔大小的调节堵头10，下部则设置旁通孔14，可以调节驱动马达工作的风量的大小，从而改变回转速度。

其中，参见图1和图1A，所述定子外管体13的外缘设置有1～3头连续右旋的螺旋槽3，各螺旋槽通过整体式铣槽制成，所述螺旋槽3的宽度大于螺旋翼片4的宽度，优选的是，所述螺旋槽3的宽度为螺旋翼片4宽度的3倍，所述螺旋槽3的螺旋升角为至少20°，所述螺旋槽3深度6mm±2mm，通过该些形状和具体参数设置，提高了钻孔轨迹的有效控制性能，增加松软煤层复合钻进排渣效果。

其中，参见图1和图1B，所述万向轴总成6的外部设有弯折一定角度的单弯外管，所述一定角度优选为0.8-2度，所述单弯外管的外缘设有镶焊复合片的衬垫7，以有效提高耐磨性能，提高使用寿命。

所述万向轴总成6的壳体设置一级反向旁通孔5，所述传动轴总成8的下部连接钻头处设置比一级反向旁通孔5直径大的二级反向旁通孔9，通过马达内部的压缩气体可分别沿着一级旁通孔5、二级旁通孔9和钻头风眼流出，钻孔风眼孔径远比二级反向旁通孔级大；通过马达内部的压缩气体可分别沿着一级旁通孔、二级旁通孔和钻头风眼流出；当钻头风眼堵塞或附近钻渣堆积时，通过旁通孔出风能够确保马达正常回转和排粉。

所述传动轴总成6的下部设置单向阀18，马达内部压缩空气可经过开通单向阀18从二级旁通孔9和钻头风眼流出。当孔底瓦斯压力高或孔底气体压力高时单向阀18关闭，阻止高压气体携带钻渣进入马达内部，防止反向驱动马达造成马达工作失效。

本发明的煤矿井下钻进用多级排渣空气螺杆马达可在实现两种控制轨迹，分别为定向钻进时轨迹控制和复合钻进时辅助排渣。

其中，在定向钻进进行轨迹控制时，当压缩空气通过接头1到达马达转子11时，驱动转子11回转，从而带动万向轴15、传动轴17回转，由于轴承组16的存在，定向钻进时，内部马达转子11、万向轴15和传动轴17回转，而外部管体不回转。

所述多级排渣空气螺杆马达与随钻测量系统配合使用进行定向钻进，通过改变万向轴总成6单弯外管的弯头方向，调整钻头切削方向从而改变钻孔轨迹。由于衬垫7的存在，既能作为支点利于改变钻头切削方向，同时保护外管接头处螺纹，避免受到损坏。

压缩空气通过转子11后经过万向轴15外部后，一部分气体从一级反向旁通孔5流出到达马达外部；另一部分气体从万向轴15下部旁通孔流入传动轴17中心，再通过传动轴13中心到达底部，有一部分气体从二级反向旁通孔9流出，剩余气体则从孔底钻头风眼处流出。由于钻孔风眼远大于两级旁通孔径，正常排渣时绝大部分风量从钻头风眼中排出。当钻头风眼堵塞或附近钻渣堆积时，通过一级反向旁通孔5和二级反向旁通孔9出风能够确保马达正常回转和排粉。通过更换不同通孔调节堵头10，一部分风量直接从马达转子11中心通过从下部转子旁通孔14流出，从而改变驱动马达转子11工作风量，能够实现输出参数调节。

复合钻进时辅助排渣时，开始旋转复合钻进施工时，上部钻具回转带动多级排渣空气螺杆马达整体回转，而同时中心输送的压缩空气带动马达转子11、万向轴15和传动轴17回转。由于空气螺杆马达的万向轴总成6处的单弯外管方向随着钻杆回转不断变换，不起造斜作用，整个钻具实现常规回转钻进的类似效果。

压缩空气通过转子11后经过万向轴15外部后，一部分气体从一级反向旁通孔5流出到达马达外部；另一部分气体从万向轴15下部旁通孔流入传动轴17中心，再通过传动轴13中心到达底部，有一部分气体从二级反向旁通孔流出，剩余气体则从孔底钻头风眼处流出。当钻头风眼堵塞或附近钻渣堆积时，通过一级反向旁通孔5和二级反向旁通孔9出风能够确保马达正常回转和排粉。

由于多级排渣空气螺杆马达的外壳体回转，外部设置的螺旋翼片4将孔内沉积钻渣不断搅起，而被螺旋翼片不断旋转搅起的钻渣通过压缩空气排出孔外，起到辅助排渣的效果，避免了钻渣的沉积，有利于孔内钻渣的排出。

其中，所述接头1内设有内螺纹以与上部钻具连接，接头1与定子外管体13之间采用丝扣连接；马达转子11与万向轴15通过丝扣连接，再与传动轴17之间采用丝扣连接，传动轴17底部设计成内螺纹，用于连接钻头；传动轴17与外部壳体之间通过轴承组16配合，当马达转子回转时，内部万向轴和传动轴回转而外部壳体不回转。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (5)

1.一种煤矿井下钻进用多级排渣空气螺杆马达，包含接头、马达总成、万向轴总成和传动轴总成，所述马达总成的两端分别连接于接头和万向轴总成，所述传动轴总成设置于万向轴总成的另一端，其特征在于：

所述万向轴总成设有一定角度的单弯外管，所述马达总成至少由马达转子、马达定子和定子外管体组成，所述定子外管体从接头至万向轴总成的单弯外管处设置连续右旋螺旋槽，所述万向轴总成和传动轴总成分别设置两级反向旁通孔，从而即能实现定向钻孔，还能实现多级排渣功能，提高马达排渣效果；

所述定子外管体的外缘设置有1～3头连续右旋的螺旋槽，各螺旋槽通过整体式铣槽制成，所述螺旋槽的宽度大于螺旋翼片的宽度，所述螺旋槽的宽度为螺旋翼片宽度的3倍，所述螺旋槽的螺旋升角为至少20°，所述螺旋槽的深度为6mm±2mm，从而提高了钻孔轨迹的有效控制性能，增加松软煤层复合钻进排渣效果，所述一定角度为0.8～2度，所述单弯外管的外缘设有镶焊复合片的衬垫，以有效提高耐磨性能，提高使用寿命。

2.根据权利要求1所述的多级排渣空气螺杆马达，其特征在于：所述马达转子的前端与万向轴连接，所述万向轴的前端再与传动轴连接，所述传动轴与传动轴外管之间设有高效长寿命的轴承组，从而通过轴承组实现传动轴转动时外部壳体不回转。

3.根据权利要求1所述的多级排渣空气螺杆马达，其特征在于：所述马达转子为中通结构，其上部通过丝扣连接不同通孔大小的调节堵头，下部则设置旁通孔，以调节驱动马达工作的风量的大小，从而改变马达转子转动速度。

4.根据权利要求1所述的多级排渣空气螺杆马达，其特征在于：所述万向轴总成的壳体设置一级反向旁通孔，所述传动轴总成的下部连接钻头处设置比一级反向旁通孔直径大的二级反向旁通孔，通过马达内部的压缩气体分别沿着一级旁通孔、二级旁通孔和钻头风眼流出，钻孔风眼孔径远比二级反向旁通孔级大；通过马达内部的压缩气体可分别沿着一级旁通孔、二级旁通孔和钻头风眼流出；当钻头风眼堵塞或附近钻渣堆积时，通过两级旁通孔出风能够确保马达正常回转和排粉。

5.根据权利要求1所述的多级排渣空气螺杆马达，其特征在于：所述传动轴总成的下部设置单向阀，马达内部压缩空气可经过单向阀从二级旁通孔和钻头风眼流出，从而当孔底瓦斯压力高或卸压时单向阀关闭，阻止高压气体携带钻渣进入马达内部，防止反向驱动马达造成马达工作失效。