CN107620572A - 一种大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头 - Google Patents
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Abstract
一种大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，包括内钻头、外钻头、结构块、卡销及复位弹簧、限位销及复位弹簧、斜销、顶丝、横销、密封圈、斜销复位弹簧、内管、柱塞销及复位弹簧、限位接头、外管；其中：钻头整体结构分内切削传动和外护套管两部分，卡销及复位弹簧、限位销及复位弹簧、斜销、横销、密封圈和斜销复位弹簧安装在结构块内；柱塞销及复位弹簧安装在限位接头内。本发明的优点：克服了以前钻进设备遇到软地质层、软煤层、断层褶皱地带等复杂地质情况钻具易抱死、成孔后易塌孔等问题，增加钻孔直径至300mm以上，钻孔深度增加至200m以上，有效的增加了煤层渗透率，增快了瓦斯抽采的效率，且钻头可回收。
Description
技术领域
本发明涉及新型人造金刚石复合片钻头，特别提供一种大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，以下简称PDC钻头。
背景技术
随着采煤范围的扩大和深度的增加，一些原来的低瓦斯矿井也变成了高瓦斯矿井，一些瓦斯事故时有发生，因此，防治瓦斯灾害，保障煤矿安全生产和保障矿工的生命安全是迫切需要解决的问题。钻孔预抽采瓦斯，是治理瓦斯突出事故的有效解决方法。
但是，煤矿井下地质条件复杂，软煤层、构造煤和断层褶皱发育的地带打钻存在以下几个问题：钻进过程中，孔内壁出现垮塌，岩煤抱住钻具，使钻具无法继续钻进；钻孔形成后，抽出钻具，钻孔垮塌形成废孔；钻孔孔径过小，导致所下筛管较小，抽采效率低；普通金刚石复合片钻头强度、抗磨性差，磨损后更换费时、费力等缺点。遇到塌孔，钻头钻具易被埋入孔内，无法取出。
上述问题的发生，使煤矿井下瓦斯抽采钻孔成孔率低于30％，成孔深度低于100m，成孔直径小于130mm。钻孔直径小，导致抽采作用半径小；钻孔深度短，导致抽采衰减周期快。煤层渗透率低，影响抽采效率降低。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，特提供了一种大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头。
本发明提供了一种大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，其特征在于：所述的大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，包括内钻头1、外钻头2、结构块3、卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、顶丝7、横销8、密封圈9、斜销复位弹簧10、内管11、柱塞销及复位弹簧12、限位接头13、外管14；
其中：内钻头1采用五翼内凹胎体式PDC钻头，内凹部分在钻进过程中会环抱住部分岩柱，从而对钻具有一定导向作用，有利于直线钻进。
其中，外钻头2采用人造金刚石复合片镶焊，切削刃采用35°角斜面设计，与内钻头配合，过渡扩孔，不会因为孔径急剧增大而影响整体切削效率。
其中，限位销、斜销及柱塞销采用抗剪切较高的材料加工。
钻头整体结构分内切削传动和外护套管两部分，其中内钻头1、外钻头2、结构块3、卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、顶丝7、横销8、密封圈9、斜销复位弹簧10和内管11为内切削传动部分、柱塞销及复位弹簧12、限位接头13和外管14为外管护套部分；
卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、横销8、密封圈9和斜销复位弹簧10安装在结构块3内；柱塞销及复位弹簧12安装在限位接头13内。
旋转和推进时，内钻头1和外钻头2间采用花键连接传递扭矩和给进动作，保持两个钻头同步打孔、扩孔；内钻头1和外钻头2间采用限位销及复位弹簧5连接，传递起拔动作；工作时，动力源通过内管11带动内切削传动部分完成钻进切削工作。内钻头1切削开孔，外钻头2扩孔，护套部分通过外管14护孔跟进。
当完成钻孔，需要下筛管时，执行远程操作，内切削传动部分和外护套管部分脱离开，抽出内切削传动部分，下入筛管后，最后拔出外护套管部分即可。
其具体操作步骤为：
起拔内管11，带动内钻头1、外钻头2、结构块3、卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、顶丝7、横销8、密封圈9、斜销复位弹簧10和内管11，使内切削传动部分整体起拔，向后起拔至柱塞销及复位弹簧12，卡到外钻头2的外侧环形槽，且三个斜销6完全被限位接头13的内支口压进结构块3内，受到的起拔轴向力因斜面变为径向力；
使斜销6中部沉孔的中心径向移动至与卡销及复位弹簧4在同一中心线上时，卡销受弹簧压力轴向移动，卡销端部卡进斜销6中部沉孔内，使被卡销及复位弹簧4限位的两个限位销及复位弹簧5在弹簧力的作用下收缩，内、外两部分脱开，且外钻头2与外护套管部分连接在一起。
当旋转和推进时，内钻头1和外钻头2间采用花键连接传递扭矩和给进力，保持两个钻头同步打孔、扩孔；工作时，动力设备通过内管11带动内切削传动部分完成钻进切削工作。内钻头1主要作用为切削开孔，外钻头2主要作用为扩孔，护套部分通过外管14护孔跟进，防止软煤坍塌，抱住钻具。
当完成钻孔，需要下筛管时，对内管11操作起拔动作，内钻头1与外钻头2之间采用限位销5连接传递起拔力，当内切削传动部分整体移动至柱塞销12卡到外钻头2外侧环形槽，且三个斜销6完全被限位接头13的内支口压进结构块内，受到的起拔轴向力因斜面变为径向力，使斜销6中部沉孔的中心径向移动至与卡销及复位弹簧4在同一中心线上时，卡销受弹簧压力轴向移动，卡销端部卡进斜销中部沉孔内，使被卡销4限位的两个限位销5在弹簧力的作用下收缩，内钻头1与外钻头2脱开，且外钻头2与外护套管部分通过柱塞销12连接在一起。当需要再次使用时，通过旋转顶丝7，顶推力使卡销及复位弹簧4轴向移动出斜销6中部的沉孔，斜销6在斜销复位弹簧10的弹簧力作用下弹起复位。
完全抽出内切削传动部分，然后通过外护管套部分的中空内腔，下入相应直径的筛管。本发明配合孔底液压马达钻进的方式，可以有效解决软煤层下入筛管困难的问题。
本发明的优点：
本发明所述的大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，应用在煤矿或者工程用钻机的配套产品上，克服了以前钻进设备遇到软地质层、软煤层、断层褶皱地带等复杂地质情况钻具易抱死、成孔后易塌孔等问题，增加钻孔直径至300mm以上，钻孔深度增加至200m以上，有效的增加了煤层渗透率，增快了瓦斯抽采的效率，且钻头可回收的特点。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为整体结构示意图；
图2为限位销局部结构示意图；
图3为外钻头外部结构示意图；
图4为外钻头剖开结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，其特征在于：所述的大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，包括内钻头1、外钻头2、结构块3、卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、顶丝7、横销8、密封圈9、斜销复位弹簧10、内管11、柱塞销及复位弹簧12、限位接头13、外管14；
其中：内钻头1采用五翼内凹胎体式PDC钻头，内凹部分在钻进过程中会环抱住部分岩柱，从而对钻具有一定导向作用，有利于直线钻进。
其中，外钻头2采用人造金刚石复合片镶焊，切削刃采用35°角斜面设计，与内钻头配合，过渡扩孔，不会因为孔径急剧增大而影响整体切削效率。
其中，限位销、斜销及柱塞销采用抗剪切较高的材料加工。
钻头整体结构分内切削传动和外护套管两部分，其中内钻头1、外钻头2、结构块3、卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、顶丝7、横销8、密封圈9、斜销复位弹簧10和内管11为内切削传动部分、柱塞销及复位弹簧12、限位接头13和外管14为外管护套部分；
卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、横销8、密封圈9和斜销复位弹簧10安装在结构块3内；柱塞销及复位弹簧12安装在限位接头13内。
旋转和推进时，内钻头1和外钻头2间采用花键连接传递扭矩和给进动作，保持两个钻头同步打孔、扩孔；内钻头1和外钻头2间采用限位销及复位弹簧5连接，传递起拔动作；工作时，动力源通过内管11带动内切削传动部分完成钻进切削工作。内钻头1切削开孔，外钻头2扩孔，护套部分通过外管14护孔跟进。
当完成钻孔，需要下筛管时，执行远程操作，内切削传动部分和外护套管部分脱离开，抽出内切削传动部分，下入筛管后，最后拔出外护套管部分即可。
其具体操作步骤为：
起拔内管11，带动内钻头1、外钻头2、结构块3、卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、顶丝7、横销8、密封圈9、斜销复位弹簧10和内管11，使内切削传动部分整体起拔，向后起拔至柱塞销及复位弹簧12，卡到外钻头2的外侧环形槽，且三个斜销6完全被限位接头13的内支口压进结构块3内，受到的起拔轴向力因斜面变为径向力；
使斜销6中部沉孔的中心径向移动至与卡销及复位弹簧4在同一中心线上时，卡销受弹簧压力轴向移动，卡销端部卡进斜销6中部沉孔内，使被卡销及复位弹簧4限位的两个限位销及复位弹簧5在弹簧力的作用下收缩，内、外两部分脱开，且外钻头2与外护套管部分连接在一起。
当旋转和推进时，内钻头1和外钻头2间采用花键连接传递扭矩和给进力，保持两个钻头同步打孔、扩孔；工作时，动力设备通过内管11带动内切削传动部分完成钻进切削工作。内钻头1主要作用为切削开孔，外钻头2主要作用为扩孔，护套部分通过外管14护孔跟进，防止软煤坍塌，抱住钻具。
当完成钻孔，需要下筛管时，对内管11操作起拔动作，内钻头1与外钻头2之间采用限位销5连接传递起拔力，当内切削传动部分整体移动至柱塞销12卡到外钻头2外侧环形槽，且三个斜销6完全被限位接头13的内支口压进结构块内，受到的起拔轴向力因斜面变为径向力，使斜销6中部沉孔的中心径向移动至与卡销及复位弹簧4在同一中心线上时，卡销受弹簧压力轴向移动，卡销端部卡进斜销中部沉孔内，使被卡销4限位的两个限位销5在弹簧力的作用下收缩，内钻头1与外钻头2脱开，且外钻头2与外护套管部分通过柱塞销12连接在一起。
完全抽出内切削传动部分，然后通过外护管套部分的中空内腔，下入相应直径的筛管。本发明配合孔底液压马达钻进的方式，可以有效解决软煤层下入筛管困难的问题。
实施例2
本实施例提供了一种大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，其特征在于：所述的大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，包括内钻头1、外钻头2、结构块3、卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、顶丝7、横销8、密封圈9、斜销复位弹簧10、内管11、柱塞销及复位弹簧12、限位接头13、外管14；
其中：内钻头1采用五翼内凹胎体式PDC钻头，内凹部分在钻进过程中会环抱住部分岩柱，从而对钻具有一定导向作用，有利于直线钻进。
钻头整体结构分内切削传动和外护套管两部分，其中内钻头1、外钻头2、结构块3、卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、顶丝7、横销8、密封圈9、斜销复位弹簧10和内管11为内切削传动部分、柱塞销及复位弹簧12、限位接头13和外管14为外管护套部分；
卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、横销8、密封圈9和斜销复位弹簧10安装在结构块3内；柱塞销及复位弹簧12安装在限位接头13内。
旋转和推进时，内钻头1和外钻头2间采用花键连接传递扭矩和给进动作，保持两个钻头同步打孔、扩孔；内钻头1和外钻头2间采用限位销及复位弹簧5连接，传递起拔动作；工作时，动力源通过内管11带动内切削传动部分完成钻进切削工作。内钻头1切削开孔，外钻头2扩孔，护套部分通过外管14护孔跟进。
当完成钻孔，需要下筛管时，执行远程操作，内切削传动部分和外护套管部分脱离开，抽出内切削传动部分，下入筛管后，最后拔出外护套管部分即可。
其具体操作步骤为：
起拔内管11，带动内钻头1、外钻头2、结构块3、卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、顶丝7、横销8、密封圈9、斜销复位弹簧10和内管11，使内切削传动部分整体起拔，向后起拔至柱塞销及复位弹簧12，卡到外钻头2的外侧环形槽，且三个斜销6完全被限位接头13的内支口压进结构块3内，受到的起拔轴向力因斜面变为径向力；
使斜销6中部沉孔的中心径向移动至与卡销及复位弹簧4在同一中心线上时，卡销受弹簧压力轴向移动，卡销端部卡进斜销6中部沉孔内，使被卡销及复位弹簧4限位的两个限位销及复位弹簧5在弹簧力的作用下收缩，内、外两部分脱开，且外钻头2与外护套管部分连接在一起。
当旋转和推进时，内钻头1和外钻头2间采用花键连接传递扭矩和给进力，保持两个钻头同步打孔、扩孔；工作时，动力设备通过内管11带动内切削传动部分完成钻进切削工作。内钻头1主要作用为切削开孔，外钻头2主要作用为扩孔，护套部分通过外管14护孔跟进，防止软煤坍塌，抱住钻具。
当完成钻孔，需要下筛管时，对内管11操作起拔动作，内钻头1与外钻头2之间采用限位销5连接传递起拔力，当内切削传动部分整体移动至柱塞销12卡到外钻头2外侧环形槽，且三个斜销6完全被限位接头13的内支口压进结构块内，受到的起拔轴向力因斜面变为径向力，使斜销6中部沉孔的中心径向移动至与卡销及复位弹簧4在同一中心线上时，卡销受弹簧压力轴向移动，卡销端部卡进斜销中部沉孔内，使被卡销4限位的两个限位销5在弹簧力的作用下收缩，内钻头1与外钻头2脱开，且外钻头2与外护套管部分通过柱塞销12连接在一起。
完全抽出内切削传动部分，然后通过外护管套部分的中空内腔，下入相应直径的筛管。本发明配合孔底液压马达钻进的方式，可以有效解决软煤层下入筛管困难的问题。
实施例3
本实施例提供了一种大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，其特征在于：所述的大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，包括内钻头1、外钻头2、结构块3、卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、顶丝7、横销8、密封圈9、斜销复位弹簧10、内管11、柱塞销及复位弹簧12、限位接头13、外管14；
其中：钻头整体结构分内切削传动和外护套管两部分，其中内钻头1、外钻头2、结构块3、卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、顶丝7、横销8、密封圈9、斜销复位弹簧10和内管11为内切削传动部分、柱塞销及复位弹簧12、限位接头13和外管14为外管护套部分；
卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、横销8、密封圈9和斜销复位弹簧10安装在结构块3内；柱塞销及复位弹簧12安装在限位接头13内。
旋转和推进时，内钻头1和外钻头2间采用花键连接传递扭矩和给进动作，保持两个钻头同步打孔、扩孔；内钻头1和外钻头2间采用限位销及复位弹簧5连接，传递起拔动作；工作时，动力源通过内管11带动内切削传动部分完成钻进切削工作。内钻头1切削开孔，外钻头2扩孔，护套部分通过外管14护孔跟进。
当完成钻孔，需要下筛管时，执行远程操作，内切削传动部分和外护套管部分脱离开，抽出内切削传动部分，下入筛管后，最后拔出外护套管部分即可。
其具体操作步骤为：
起拔内管11，带动内钻头1、外钻头2、结构块3、卡销及复位弹簧4、限位销及复位弹簧5、斜销6、顶丝7、横销8、密封圈9、斜销复位弹簧10和内管11，使内切削传动部分整体起拔，向后起拔至柱塞销及复位弹簧12，卡到外钻头2的外侧环形槽，且三个斜销6完全被限位接头13的内支口压进结构块3内，受到的起拔轴向力因斜面变为径向力；
使斜销6中部沉孔的中心径向移动至与卡销及复位弹簧4在同一中心线上时，卡销受弹簧压力轴向移动，卡销端部卡进斜销6中部沉孔内，使被卡销及复位弹簧4限位的两个限位销及复位弹簧5在弹簧力的作用下收缩，内、外两部分脱开，且外钻头2与外护套管部分连接在一起。
当旋转和推进时，内钻头1和外钻头2间采用花键连接传递扭矩和给进力，保持两个钻头同步打孔、扩孔；工作时，动力设备通过内管11带动内切削传动部分完成钻进切削工作。内钻头1主要作用为切削开孔，外钻头2主要作用为扩孔，护套部分通过外管14护孔跟进，防止软煤坍塌，抱住钻具。
当完成钻孔，需要下筛管时，对内管11操作起拔动作，内钻头1与外钻头2之间采用限位销5连接传递起拔力，当内切削传动部分整体移动至柱塞销12卡到外钻头2外侧环形槽，且三个斜销6完全被限位接头13的内支口压进结构块内，受到的起拔轴向力因斜面变为径向力，使斜销6中部沉孔的中心径向移动至与卡销及复位弹簧4在同一中心线上时，卡销受弹簧压力轴向移动，卡销端部卡进斜销中部沉孔内，使被卡销4限位的两个限位销5在弹簧力的作用下收缩，内钻头1与外钻头2脱开，且外钻头2与外护套管部分通过柱塞销12连接在一起。
完全抽出内切削传动部分，然后通过外护管套部分的中空内腔，下入相应直径的筛管。本发明配合孔底液压马达钻进的方式，可以有效解决软煤层下入筛管困难的问题。
Claims (4)
1.一种大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，其特征在于：所述的大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，包括内钻头(1)、外钻头(2)、结构块(3)、卡销及复位弹簧(4)、限位销及复位弹簧(5)、斜销(6)、顶丝(7)、横销(8)、密封圈(9)、斜销复位弹簧(10)、内管(11)、柱塞销及复位弹簧(12)、限位接头(13)、外管(14)；
其中：钻头整体结构分内切削传动和外护套管两部分，其中内钻头(1)、外钻头(2)、结构块(3)、卡销及复位弹簧(4)、限位销及复位弹簧(5)、斜销(6)、顶丝(7)、横销(8)、密封圈(9)、斜销复位弹簧(10)和内管(11)为内切削传动部分、柱塞销及复位弹簧(12)、限位接头(13)和外管(14)为外管护套部分；卡销及复位弹簧(4)、限位销及复位弹簧(5)、斜销(6)、横销(8)、密封圈(9)和斜销复位弹簧(10)安装在结构块(3)内；外钻头(2)套在内钻头(1)外，两者之间通过键联接；卡销及复位弹簧(4)安装在结构块(3)内部的横向孔内；限位销及复位弹簧(5)安装在结构块(3)两侧的孔槽内，用背帽固定；三个结构块(3)用螺钉固定在内钻头(1)上均匀分布的方形槽内；斜销(6)及斜销复位弹簧(10)安装在结构块(3)的径向孔槽内，由同时穿过结构块(3)和斜销(6)的横销(8)限制斜销(6)的径向移动；密封圈(9)安装在结构块(3)的径向孔的沟槽上，防止渣屑进入孔底；顶丝(7)安装在斜销(6)斜面上的螺纹孔内；内管(11)通过螺纹联接在内钻头(1)的尾部；柱塞销及复位弹簧(12)安装在限位接头(13)内；限位接头(13)与外管(14)通过螺纹连接。
2.按照权利要求1所述的大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，其特征在于：所述的内钻头(1)采用五翼内凹胎体式PDC钻头，内凹部分在钻进过程中会环抱住部分岩柱，从而对钻具有导向作用，有利于直线钻进。
3.按照权利要求1所述的大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，其特征在于：所述的外钻头(2)采用人造金刚石复合片镶焊，切削刃采用35°角斜面设计，与内钻头配合，过渡扩孔，不会因为孔径急剧增大而影响整体切削效率。
4.按照权利要求1所述的大直径两级组合式人造金刚石复合片钻头，其特征在于：所述的旋转和推进时，内钻头(1)和外钻头(2)间采用花键连接传递扭矩和给进动作，保持两个钻头同步打孔、扩孔；内钻头(1)和外钻头(2)间采用限位销及复位弹簧(5)连接。
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