CN108316907B - 一种自携磨料式水力割缝钻头 - Google Patents
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Abstract
一种自携磨料式水力割缝钻头，包括钻头和安装在钻头顶部四周的切割头，钻头由钻头外壁和钻头腔体构成，在所述钻头腔体内设有低压冷却水流系统和高压切割水流系统、高压水砂混合液产生与添加磨料系统、高低压水分流控制系统三大系统。本发明能够大大提高水射流的切割能力，切割能力显著提高，同时切割速度也大大提高，高压水射流获得的能量更多，割缝的范围加大，钻孔的定向致裂效果更好，从而使工作面布置的钻孔数目减少，费用降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种水力割缝钻头，尤其是一种自携磨料式水力割缝钻头，属于采矿工程技术领域。
背景技术
水力致裂技术最早应用于石油工程来提高贫油井的产量。目前水力致裂技术在煤矿坚硬顶板控制方面、海底隧道工程、坚硬顶煤弱化、岩石压裂、煤层气开采等方面开始推广应用。一般水力致裂裂缝的起裂扩展受控于钻孔围岩的地应力场，裂缝的起裂和扩展平面平行于最大主应力方向。但很多工程中需要的裂缝扩展方向与地应力场控制的裂缝方向并不吻合，需要通过人工措施去控制裂缝的定向起裂，引导裂缝的扩展方向，即定向水力致裂。
定向水力致裂最常用的是在钻孔壁上用高压水射流切割特定方向的裂缝，诱导水压裂缝沿切割的方向扩展，达到定向致裂的效果。在地面上，高压水射流应用广泛，其中水刀是一种常见的应用高压水射流的切割技术。水刀是以水为刀的切割工具，这项技术最早起源于美国，用于航空航天军事工业。以其冷切割不会改变材料的物理化学性质而备受青睐。后经技术不断改进，在高压水中混入石榴砂，极大的提高了水刀的切割速度和切割厚度。
目前，地面上水刀携砂切割应用非常广泛，但是其需要的空间比较大，然而在矿井中，虽然水力致裂已应用很长时间，但由于钻孔内部空间受制于钻孔直径，在钻孔内部进行水力割缝时，几乎都是不携砂的，只利用高压水的高能量冲击破碎煤岩，其效率低，冲击产生的裂缝深度不足，定向水力致裂的定向效果较差；其次，传统的水力割缝钻头的喷嘴均布置在一个同心圆上，导致其喷嘴较短，高压水在喷嘴内不能蓄积足够的能量，致使高压水从钻头喷出时能量不足，其对煤岩体的破坏程度有限，导致其割缝深度不足，定向致裂效果较差，定向切断坚硬顶板等工程问题不能得到充分解决。
公知的，携砂的水射流的切割速度和切割半径较无砂的水射流高很多。携砂的高压水射流的产生有两种方式，第一种是前混式，即将高压水和磨料(砂子)混合后，水砂混合液经过高压管路到喷嘴，经喷嘴直接喷出，切割需要切割的材料；第二种是后混式，利用高压水在喷嘴处产生的虹吸现象，将沙箱里的砂子吸入到喷嘴中与高压水混合后，经喷嘴喷出，切割相应的材料。因前混式产生的水砂混合液对沿程的高压管路磨损巨大，且喷嘴处容易产生沙堵，因而传统的水力割缝钻头很少采用；又因为后混式需要较大的空间才能完成，因而传统的水力割缝钻头不具备这样的条件，无法实现这样的功能。
发明内容
为了克服现有的上述不足，本发明提供一种自携磨料式水力割缝钻头，该钻头能够大大提高水射流的切割能力，切割能力显著提高，同时切割速度也大大提高，高压水射流获得的能量更多，割缝的范围加大，钻孔的定向致裂效果更好，从而使工作面布置的钻孔数目减少，费用降低。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括钻头和安装在钻头顶部四周的切割头，钻头由钻头外壁和钻头腔体构成，在所述钻头腔体内设有低压冷却水流系统和高压切割水流系统、高压水砂混合液产生与添加磨料系统、高低压水分流控制系统三大系统；在钻头的底部中心开设一个水流通道；两条由水流通道向钻头顶部连通的低压水道构成低压冷却水流系统，两个低压水道以水流通道的中心线为对称轴对称排布；高压水进入通道和高压水缓冲道依次连接构成偏心高压水管，在高压水缓冲道上设有通道喷嘴，两条由水流通道向钻头外壁连通的偏心高压水管构成高压切割水流系统，两个偏心高压水管的偏心方向相反，两个高压水进水口的高度一致，两个高压水出口一高一低；高压水进水口位于低压水进水口的上方，低压冷却水流系统所在的平面垂直于高压切割水流系统所在的平面；高压水砂混合液产生与添加磨料系统包括高压水吸砂通道和储砂箱，在水流通道的上方设有储砂箱，高压水缓冲道和储砂箱之间通过高压水吸砂通道连接；高低压水分流控制系统包括封孔挡板、控压钢球、内控壁和控压弹簧，内控壁与水流通道的钻孔内壁接触，内控壁上有与高压水进口、低压水进口形状相同位置对应的孔口，封孔挡板设置于低压水进水口下方的内控壁上，控压钢球位于封孔挡板上方，控压弹簧连接在控压钢球与水流通道顶端的内控壁上。
相比现有技术，本发明的一种自携磨料式水力割缝钻头，其高压切割水流系统两条由水流通道向钻头外壁连通的偏心高压水管构成，提供了更长的水射流通道，增加高压水到达出水口的能量，提高割缝效果，并且偏心高压水管上下错位、左右偏心设计，为钻头提供周向力，可以加速环向切槽；通过添加储砂箱，提供储砂空间，从而通过高压水射流中携砂提高水射流的切割范围和切割速度，吸砂通道使砂子通过高压水产生的负压吸入高压水中，达到自动吸砂的效果；设置高低压水分流控制系统，其中的控压部件(控压钢球和内控壁)，部件可以整体移动，通过其移动控制高压水和低压水的转换，其中的控压钢球，可以降低高压水进入高压水入口时的应力集中，提高其使用寿命，控压弹簧通过与控压部件的连接，控制压力与控压部件位移之间的关系，从而控制高压水和低压水的转换；高压水水道、低压水水道在空间上的联合布置，提高装置的整体效率，对钻头腔体空间的合理利用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一个实施例的俯视透视图。
图2是图1中Ⅰ-Ⅰ处的剖视图。
图3是图1中Ⅱ-Ⅱ处的剖视图。
图中，1、钻头外壁，2、砂料补给通道，3、砂料补给孔，41、上高压水吸砂通道，42、下高压水吸砂通道，51、上高压水进入通道，52、下高压水进入通道，61、上高压水缓冲道，62、下高压水缓冲道，71、上高压水出口，72、下高压水出口，81、上通道喷嘴，82、下通道喷嘴，9、储砂箱，10、低压水道，11、控压弹簧，12、内控壁，13、控压钢球，14、水流通道，15、封孔挡板，16、总进水口，17、低压水进水口，18、低压水出水口，191、上高压水进水口，192、下高压水进水口，20、切割头。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1至图3示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图中的一种自携磨料式水力割缝钻头，包括钻头和安装在钻头顶部四周的切割头20，切割头20是切割煤体或者岩体的装置，钻头由钻头外壁1和钻头腔体构成，钻头外壁1作为钻头的整体形状支撑，钻头腔体为内部各个系统提供工作空间，在所述钻头腔体内设有低压冷却水流系统和高压切割水流系统、高压水砂混合液产生与添加磨料系统、高低压水分流控制系统三大系统；
其中，在钻头的底部中心开设一个水流通道14，水流通道14由作为总水流进入钻头的位置的总进水口16向钻头内延伸一段距离形成；两条由水流通道14向钻头顶部连通的低压水道10构成低压冷却水流系统，低压水道10是低压水从钻头内部到外界的通道，两个低压水道10以水流通道14的中心线为对称轴对称排布；高压水进入通道和高压水缓冲道依次连接构成偏心高压水管，在高压水缓冲道上设有通道喷嘴，高压水缓冲道是高压水积聚能量的通道，通道喷嘴是喷出高压水的装置，两条由水流通道14向钻头外壁1连通的偏心高压水管构成高压切割水流系统，两个偏心高压水管的偏心方向相反，高压水进水口是高压水进入高压水进入通道的位置，高压水出口是高压水从钻头喷射出的位置，两个高压水进水口的高度一致，两个高压水出口一高一低，即上高压水出口71的高度大于下高压水出口72的高度；低压水进水口17是低压水进入低压水通道的位置，低压水出水口18是低压水通过低压水道10与外界接触的位置，高压水进水口位于低压水进水口17的上方，低压冷却水流系统所在的平面垂直于高压切割水流系统所在的平面；具体地，构成高压切割水流系统的两个偏心高压水管分别为上偏心高压水管和下偏心高压水管，上高压水进入通道51、上高压水缓冲道61和上通道喷嘴81依次连接构成上偏心高压水管，下高压水进入通道52、下高压水缓冲道62和下通道喷嘴82依次连接构成下偏心高压水管，上高压水进水口191和下高压水进水口192的高度一致，上高压水进水口191高于下高压水进水口192，这样上偏心高压水管与下偏心高压水管相对呈上下错位、左右偏心，提高了高压水射流的缓冲长度，提高了水射流到达出口位置时的速度，提高了其穿透力和破坏力；
其中，高压水砂混合液产生与添加磨料系统包括高压水吸砂通道和储砂箱9，在水流通道14的上方设有储砂箱9，储砂箱9为砂子提供储存空间，高压水缓冲道和储砂箱9之间通过高压水吸砂通道连接，具体是，上高压水缓冲道61和储砂箱9之间通过上高压水吸砂通道41连接，下高压水缓冲道62和储砂箱9之间通过下高压水吸砂通道42连接；高压水吸砂通道连接了高压水缓冲道和储砂箱9的通道，当高压水通过高压水吸砂通道与高压水缓冲道连接部位时，产生的负压将砂子通过此通道吸入高压水中，使高压水射流在喷嘴处与磨料(砂子)混合形成水砂混合液，提高了高压水的穿透力和破坏力，提高了水射流的切割能力。
其中，高低压水分流控制系统包括封孔挡板15、控压钢球13、内控壁12和控压弹簧11，控压弹簧11是控制水压，使低水压与高水压协调运行的部件，内控壁12与水流通道14的钻孔内壁接触，内控壁12上有与高压水进口、低压水进口形状相同位置对应的孔口，当压力达到一定程度，这些孔口分别与其对应的通道进口相连，使不同压力的水流经过内控壁12进入各自的通道；控压钢球13能控制高压水的流向，减小应力集中，增加装置的使用寿命；封孔挡板15设置于低压水进水口17下方的内控壁12上，控压钢球13位于封孔挡板15上方，控压弹簧11连接在控压钢球13与水流通道14顶端的内控壁12上，当压力达到一定程度时，控压钢球13、内控壁12及控压弹簧11上升，挡板堵住部分水流通道14，控制水进入的通道位置，通过水压的不同，对水流的入口进行调整，从而达到对高压水和低压水流向起到控制作用。
本实施例中，所述的低压冷却水流系统由水平段和垂直段连接构成，水平段的另一端连接低压水进水口17，垂直段的另一端连接低压水出水口18。所述的高压水进入通道为弯曲偏心管道，高压水缓冲道为管径小于高压水进入通道和通道喷嘴的水平收缩管道。
作为本实施例的进一步优化设计是，所述高压水砂混合液产生与添加磨料系统还包括砂料补给通道2，在储砂箱9的上端面开设有砂料补给孔3，砂料补给通道2由砂料补给孔3向钻头顶端。砂料补给孔3作为砂子进入装置的位置，砂料补给通道2是补给砂子的通道，因为砂料补给通道2的存在，可以多次添加磨料(砂子)，使钻头可以多次重复利用。
本发明实施例三大系统的工作过程如下：
1)低压冷却水流系统和高压切割水流系统：由于水压是逐渐增加的，起初注入的水压是低压水并且由于初始阶段是钻孔阶段，多以低压水道10和高压水进入通道都会通过部分水对钻头进行降温，这时由于压力低控压部件不上升和控压弹簧11不压缩；当钻孔钻到一定位置时，这时需要用高压水进行水力割缝，因此，这时水压不断升高，控压部件随着控压弹簧11受到的压力增加而不断上升，当达到一定压力后，高压水冲击控压钢球13使水向两个高压水进入通道进行分流。
2)高低压水分流控制系统：在降温过程中，以低压水水道通过水为主，高压水进入通道辅助降温，水通过总进水口16到达钻头内部，由于水压较低无法使控压部件上升和控压弹簧11压缩，所以水从低压水进水口17到低压通道，再到达钻头位置对其进行降温，同时低压水也从高压水入口到达高压水进入通道，经过通道喷嘴；高压水从高压水入口到达高压水进入通道，经过高压水缓冲道，再经过通道喷嘴，到达钻头外壁1，对其进行降温，更重要的是在钻头钻进的过程中，始终有压力水从高压水的通道喷嘴流出，防止钻进过程中产生的钻屑将两个通道喷嘴堵塞；当水压为高压水时，高压水从总进水口16到高压水入口，之后到达高压水进入通道，经过高压水缓冲道缓冲后，再经过通道喷嘴，将高能量的水射流从高压水出口射出，进行水力割缝。
3)高压水砂混合液产生与添加磨料系统：初始时，将砂子通过砂料补给孔3进行注砂，砂子通过砂料补给通道2进入储砂箱9，当高压水经过时，由于高压水产生的负压将砂子吸入高压水中，使砂子随着高压水一起切割煤(岩)体；当储砂箱9中的砂子使用完毕之后，通过砂料补给孔3进行砂子补给，使装置可以多次利用。
本发明的有益效果如下：
1.本装置设计偏心的喷射管(即偏心高压水管)，提供更长的水射流通道，高压水射流获得的能量更多，割缝的范围加大，钻孔的定向致裂效果更好，单个钻孔的定向致裂范围更大，从而使工作面布置的钻孔数目减少，费用降低，同时坚硬顶板的定向致裂效果更好，确保坚硬顶板定向致裂时，顶板的断裂位置沿设计的断裂线断开，从而能够达到更好的工程效果，如临空巷道的定向切顶卸压等。
2.本钻头中设计有储砂箱9，通过高压水射流喷嘴产生的负压吸取砂进入水射流，使水射流的切割能力和切割速度增加，单纯的高压水射流(不添加砂子等磨料的情况下)在钻孔的有限空间内是很难将坚硬岩石切开的，只能在小范围内切割一些松软的岩层和煤层，切割能力十分有限，而且切割速度缓慢。但是在钻头中集成了储砂箱9后，高压水中能够添加磨料(砂子)，能够大大提高水射流的切割能力，能够切开坚硬的岩石甚至钢板，切割能力显著提高，同时切割速度也大大提高。
3.储砂箱9的砂子通过专用补给孔进行砂子补给，储砂箱9的容量足够一个钻孔的水力割缝使用，当一个钻孔钻进到预定位置，进行水力割缝后，将钻头退出，通过专用的砂子补给通道向钻头内部加满砂子，以备下一个钻孔水力割缝使用。设计专用的砂子补给通道后，水力割缝钻头可以重复多次使用，提高了割缝钻头的实用价值。
4.通过一个控压系统进行压力控制，当低压时，只进行降温工作；高压时，由于压力提高，致使控压部件(内控壁12和控压钢球13)压缩控压弹簧11，致使控制部件上升，下部低压水进水口17被控制部件的内控壁12堵住，使水只从高压水进水口进入高压水通道，到达高压水喷嘴处，使高压水通过缓冲道从高压水出口喷射出，其中控压钢球13可以改变水的流向减小应力集中。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种自携磨料式水力割缝钻头，包括钻头和安装在钻头顶部四周的切割头(20)，钻头由钻头外壁(1)和钻头腔体构成，其特征是：在所述钻头腔体内设有低压冷却水流系统和高压切割水流系统、高压水砂混合液产生与添加磨料系统、高低压水分流控制系统四大系统；
在钻头的底部中心开设一个水流通道(14)；两条由水流通道(14)向钻头顶部连通的低压水道(10)构成低压冷却水流系统，两条低压水道(10)以水流通道(14)的中心线为对称轴对称排布；高压水进入通道和高压水缓冲道依次连接构成偏心高压水管，在高压水缓冲道上设有通道喷嘴，两条由水流通道(14)向钻头外壁(1)连通的偏心高压水管构成高压切割水流系统，两条偏心高压水管的偏心方向相反，两个高压水进水口的高度一致，两个高压水出口一高一低；高压水进水口位于低压水进水口(17)的上方，低压冷却水流系统所在的平面垂直于高压切割水流系统所在的平面；
高压水砂混合液产生与添加磨料系统包括高压水吸砂通道和储砂箱(9)，在水流通道(14)的上方设有储砂箱(9)，两条偏心高压水管的高压水缓冲道和储砂箱(9)之间分别通过上高压水吸砂通道(41)、下高压水吸砂通道(42)连接；
高低压水分流控制系统包括封孔挡板(15)、控压钢球(13)、内控壁(12)和控压弹簧(11)，内控壁(12)与水流通道(14)的钻孔内壁接触，内控壁(12)上有与高压水进口、低压水进口形状相同位置对应的孔口，封孔挡板(15)设置于低压水进水口(17)下方的内控壁(12)上，控压钢球(13)位于封孔挡板(15)上方，控压弹簧(11)连接在控压钢球(13)与水流通道(14)顶端的内控壁(12)上。
2.根据权利要求1所述的一种自携磨料式水力割缝钻头，其特征是：所述高压水砂混合液产生与添加磨料系统还包括砂料补给通道(2)，在储砂箱(9)的上端面开设有砂料补给孔(3)，砂料补给通道(2)由砂料补给孔(3)向钻头顶端。
3.根据权利要求1或2所述的一种自携磨料式水力割缝钻头，其特征是：所述的低压冷却水流系统由水平段和垂直段连接构成，水平段的另一端连接低压水进水口(17)，垂直段的另一端连接低压水出水口(18)。
4.根据权利要求1或2所述的一种自携磨料式水力割缝钻头，其特征是：所述的高压水进入通道为弯曲偏心管道，高压水缓冲道为管径小于高压水进入通道和通道喷嘴的水平收缩管道。
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