CN109458138B - 一种花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构及射流方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构及射流方法，包括第一钻杆体、花键式连接机构、第二钻杆体和可闭锁空化射流钻头体，第二钻杆体的后端部通过花键式连接机构插接在第一钻杆体前端部内，可闭锁空化射流钻头体设置在第二钻杆体前端部的腔体内，可闭锁空化射流钻头体，包括从前到后依次安装在第二钻杆体前端部腔体的射流钻头、可闭锁控制单元、射流空化单元，射流空化单元通过可闭锁控制单元与射流钻头相连通，射流空化单元通过射流入口和出口的面积差，使第二钻杆体前端部腔体内部的水实现空化，射流钻头在可闭锁控制单元的控制下可对射流钻头前端及水平方向上的煤层进行射流。本发明结构新颖，构思巧妙，具有良好的应用前景。

Description

一种花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构及射流方法

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构及射流方法。

背景技术

由于国内95%的煤矿开采是井下作业，煤层赋存条件复杂，大部分矿井进入了深部开采时期。煤层埋深的增加使煤层中的地应力增大、瓦斯含量与瓦斯压力也在不断增大以及煤层及围岩的透气性减小，从而增加了煤层的煤与瓦斯突出的隐患。据统计，全国95%以上的高瓦斯和突出矿井开采的煤层属于低透气性煤层，导致瓦斯抽采影响范围小、衰减速度快、抽采难度大，而且，大多数矿井区域内不具备保护层开采条件，常规瓦斯抽采技术无法有效解决增大煤储层渗透性的难题，直接造成矿井瓦斯抽采率低下，“钻、抽、采、掘”比例失衡，存在安全隐患。

因此，需要采取一定的卸压增透措施，增加煤层透气性，提高瓦斯抽放效果，能够有效地减少采掘工作面突出事故的发生。针对上述问题，国内外煤炭科研人员进行了广泛的试验与研究，当前，主要采取煤层内卸压增透方法，该煤层内卸压增透方法有超前排放钻孔、深浅孔控制爆破、煤层注水、水力压裂、水力挤出、水力割缝、水力冲孔等.

但是，现有的钻杆，在钻孔施工工程量大、磨损程度高，施工工序复杂、有效影响范围小、抽采时间长效率低下等问题，无法满足卸压增透措施实施。而且，现有的钻杆为了增加长度，两段钻杆在连接固定过程中，固定和密封效果不佳，不能实现耐高压水的目的，容易出现泄漏现象。因此，需要设计一款用于钻杆，以便扩大钻孔的有效影响范围，达到提高煤层瓦斯抽采效果，施工工程量小，使用寿命长，连接固定可靠，密封效果好的目的，是当前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中煤层内卸压增透方法中，存在钻孔施工工程量大、施工工序复杂和工程投入高、有效影响范围小、抽采时间长、密封连接部可靠等存在的问题。本发明的花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构及射流方法，能够分别对钻头前端及水平方向上对煤层进行射流空化，施工工程量小，有效降低钻头的磨损、施工程序简单，对煤矿瓦斯抽采的有效影响范围大，抽采效率高，提高煤矿瓦斯抽采工作效率，而且，两段钻杆体之间通过花键式连接机构固定连接，固定密封可靠，可耐高压水，结构新颖，构思巧妙，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构，包括第一钻杆体、花键式连接机构、第二钻杆体和可闭锁空化射流钻头体，

所述第二钻杆体的后端部通过花键式连接机构插接在第一钻杆体前端部内，所述可闭锁空化射流钻头体设置在第二钻杆体前端部的腔体内，

所述可闭锁空化射流钻头体，包括从前到后依次安装在第二钻杆体前端部腔体的射流钻头、可闭锁控制单元、射流空化单元，所述射流空化单元通过可闭锁控制单元与射流钻头相连通，

所述射流空化单元通过射流入口和出口的面积差，使第二钻杆体前端部腔体内部的水实现空化，所述射流钻头在可闭锁控制单元的控制下可对射流钻头前端及水平方向上的煤层进行射流。

前述的一种花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构，所述花键式连接机构包括螺纹螺母和密封圈，所述第二钻杆体后端部的外壁与第一钻杆体前端部的内壁之间为花键连接，所述螺纹螺母拧接在花键连接处的外壁，所述第二钻杆体的外壁设置有螺纹螺母锁止槽，所述螺纹螺母上与螺纹螺母锁止槽位置相对应处设置有楔形锁止块。

前述的一种花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构，所述楔形锁止块的外壁套设有锁止弹簧，并在锁止弹簧的控制下插入对应的螺纹螺母锁止槽内。

前述的一种花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构，所述可闭锁控制单元，包括前端喷嘴密封压盖、侧向喷嘴密封滑块和复位弹簧，所述前端喷嘴密封压盖与射流钻头相连接，用于实现关闭或开启射流钻头前端的前空化射流口；所述侧向喷嘴密封滑块通过复位弹簧与射流空化单元相联通，所述侧向喷嘴密封滑块用于实现关闭或开启水平射流空化口，所述复位弹簧在射流空化单元控制下，用于前端喷嘴密封压盖、侧向喷嘴密封滑块的位置复位。

前述的一种花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构，所述射流空化单元为液流空化器，用于实现对煤层的射流。

前述的一种花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构，所述前端喷嘴密封压盖、侧向喷嘴密封滑块之间设置有间距。

前述的一种花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构，所述水平射流空化口一侧的第二钻杆体外壁上设置有磁钉。

一种花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构的射流方法，包括以下步骤，

步骤（A），可闭锁空化射流钻头体的射流钻头在对煤层钻孔过程中，通过射流钻头前端的前空化射流口对射流钻头的前端进行空化射流；

步骤（B），当射流钻头钻到煤层后，通过射流空化单元加大射流压力对射流钻头前端的煤层进行空化射流；

步骤（C），完成对射流钻头前端空化射流后，继续通过射流空化单元加大水流压力，使前端喷嘴密封压盖移动且关闭射流钻头与射流空化单元的联通，从而关闭射流钻头前端的前空化射流口；

步骤（D），继续通过射流空化单元加大水流压力，使关闭水平射流口的侧向喷嘴密封滑块向后位移，压缩复位弹簧，实现开启位于两侧的水平射流口，对煤层水平方向上进行空化射流；

步骤（E），完成对射流钻头的水平空化射流后，通过射流空化单元减小水流压力，通过弹簧的回复力，使侧向喷嘴密封滑块复位关闭水平射流口，前端喷嘴密封压盖复位，开启射流钻头前端的前空化射流口。

本发明的有益效果是：本发明的花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构及射流方法，能够分别对钻头前端及水平方向上对煤层进行射流空化，施工工程量小，有效降低钻头的磨损、施工程序简单，对煤矿瓦斯抽采的有效影响范围大，抽采效率高，提高煤矿瓦斯抽采工作效率，而且，两段钻杆体之间通过花键式连接机构固定连接，固定密封可靠，可耐高压水，结构新颖，构思巧妙，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构的示意图；

图2是本发明的可闭锁空化射流钻头体的示意图；

图3是本发明的花键式连接机构的结构示意图；

图4是本发明的花键式连接机构的侧视图；

图5是本发明的第一钻杆体前端部的示意图；

图6是本发明的螺纹螺母的示意图；

图7是本发明的楔形锁止块的示意图；

图8是本发明的第二钻杆体的侧视图。

附图中标记的含义如下：

1：第一钻杆体；2：花键式连接机构；201：螺纹螺母；202：密封圈；203：楔形锁止块；204：锁止弹簧；205：螺纹螺母锁止槽；3：第二钻杆体；4：可闭锁空化射流钻头体；401：射流钻头；402：可闭锁控制单元；403：射流空化单元；404：前端喷嘴密封压盖；405：侧向喷嘴密封滑块；406：复位弹簧；407：前空化射流口；408：水平射流空化口；409：磁钉。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明的花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构，包括第一钻杆体1、花键式连接机构2、第二钻杆体3和可闭锁空化射流钻头体4，

如图1所示，所述第二钻杆体3的后端部通过花键式连接机构2插接在第一钻杆体1前端部内，所述可闭锁空化射流钻头体4设置在第二钻杆体3前端部的腔体内，

如图2所示，所述可闭锁空化射流钻头体4，包括从前到后依次安装在第二钻杆体3前端部腔体的射流钻头401、可闭锁控制单元402、射流空化单元403，所述射流空化单元403通过可闭锁控制单元与射流钻头401相连通，

所述射流空化单元403通过射流入口和出口的面积差，使第二钻杆体3前端部腔体内部的水实现空化，所述射流钻头401在可闭锁控制单元402的控制下可对射流钻头401前端及水平方向上的煤层进行射流，达到施工工程量小，有效降低钻头的磨损、施工程序简单的目的，

如图3及图4所示，所述花键式连接机构2包括螺纹螺母201和密封圈202，所述第二钻杆体3后端部的外壁与第一钻杆体1前端部的内壁之间为花键连接，所述螺纹螺母201拧接在花键连接处的外壁，如图5所示，第二钻杆体3端部的外壁设置有螺纹螺母锁止槽205，如图6、图7及图8所示，所述螺纹螺母201上与螺纹螺母锁止槽205位置相对应处设置有楔形锁止块203，该楔形锁止块203能够保证第一钻杆体1前端部与螺纹螺母201的可靠固定，所述楔形锁止块203的外壁套设有锁止弹簧204，并在锁止弹簧204的控制下插入对应的螺纹螺母锁止槽205内，锁止弹簧204能够提高楔形锁止块203与螺纹螺母锁止槽205的固定连接效果，也便于拆装，通过花键式连接机构2能够实现第一钻杆体1和第二钻杆体3的密封可靠的固定，满足对长度较长钻杆区域的要求。

本发明的花键式连接机构工作方式为，第一钻杆体1、第二钻杆体3通过花键插入的方式对接，然后旋转螺纹螺母201，花键随着螺纹螺母201的旋进确保第一钻杆体1、第二钻杆体3紧密结合，同时，密封圈202与第一钻杆体1的内壁形成密封，楔形锁止块203和螺纹螺母锁止槽205的配合，还能实现第一钻杆体1、第二钻杆体3两根钻杆分离时，螺纹螺母201被留在第二钻杆体3上，防止螺母丢失，传统的钻杆连接为钻杆公头和母头直接螺纹啮合，杆腔内所能承受水的压力小于30MPA，大于30MPA时会出现泄漏，采用本发明的花键式连接机构2时，钻杆连接处可承受的水的压力大大提升，有效解决了高压水力压裂、抽采过程中出现的漏水的问题。

所述可闭锁控制单元402，包括前端喷嘴密封压盖404、侧向喷嘴密封滑块405和复位弹簧406，所述前端喷嘴密封压盖404与射流钻头401相连接，用于实现关闭或开启射流钻头401前端的前空化射流口407；所述侧向喷嘴密封滑块405通过复位弹簧406与射流空化单元403相联通，所述侧向喷嘴密封滑块405用于实现关闭或开启水平射流空化口408，所述复位弹簧406在射流空化单元403控制下，用于前端喷嘴密封压盖404、侧向喷嘴密封滑块405的位置复位。

优选的，所述射流空化单元403为液流空化器，用于实现对煤层的射流，是通过通过射流入口和出口的面积差，实现高压射流功能的。

优选的，所述前端喷嘴密封压盖404、侧向喷嘴密封滑块405之间设置有间距，便于高压压力的传动。

优选的，所述水平射流空化口408一侧的第二钻杆体3外壁上设置有磁钉409，该磁钉409能够钻到需要空化的煤层后，便于工作人员知道水平射流空化口408的位置方向，通过磁钉409的反馈用于水平射流空化口408的定位。

根据本发明的花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构的射流方法，包括以下步骤，

步骤（A），可闭锁空化射流钻头体4的射流钻头401在对煤层钻孔过程中，通过射流钻头401前端的前空化射流口407对射流钻头401的前端进行空化射流；

步骤（B），当射流钻头401钻到煤层后，通过射流空化单元403加大射流压力对射流钻头401前端的煤层进行空化射流；

步骤（C），完成对射流钻头401前端空化射流后，继续通过射流空化单元403加大水流压力，使前端喷嘴密封压盖404移动且关闭射流钻头401与射流空化单元403的联通，从而关闭射流钻头401前端的前空化射流口407；

步骤（D），继续通过射流空化单元403加大水流压力，使关闭水平射流口408的侧向喷嘴密封滑块405向后位移，压缩复位弹簧406，实现开启位于两侧的水平射流口408，对煤层水平方向上进行空化射流；

步骤（E），完成对射流钻头401的水平空化射流后，通过射流空化单元403减小水流压力，通过弹簧406的回复力，使侧向喷嘴密封滑块405复位关闭水平射流口408，前端喷嘴密封压盖404复位，开启射流钻头401前端的前空化射流口407。

综上所述，本发明的花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构及射流方法，能够分别对钻头前端及水平方向上对煤层进行射流空化，施工工程量小，有效降低钻头的磨损、施工程序简单，对煤矿瓦斯抽采的有效影响范围大，抽采效率高，提高煤矿瓦斯抽采工作效率，而且，两段钻杆体之间通过花键式连接机构固定连接，固定密封可靠，可耐高压水，结构新颖，构思巧妙，具有良好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构，其特征在于：包括第一钻杆体（1）、花键式连接机构（2）、第二钻杆体（3）和可闭锁空化射流钻头体（4），

所述第二钻杆体（3）的后端部通过花键式连接机构（2）插接在第一钻杆体（1）前端部内，所述可闭锁空化射流钻头体（4）设置在第二钻杆体（3）前端部的腔体内，

所述可闭锁空化射流钻头体（4），包括从前到后依次安装在第二钻杆体（3）前端部腔体的射流钻头（401）、可闭锁控制单元（402）、射流空化单元（403），所述射流空化单元（403）通过可闭锁控制单元与射流钻头（401）相连通，

所述射流空化单元（403）通过射流入口和出口的面积差，使第二钻杆体（3）前端部腔体内部的水实现空化，所述射流钻头（401）在可闭锁控制单元（402）的控制下可对射流钻头（401）前端及水平方向上的煤层进行射流，所述花键式连接机构（2）包括螺纹螺母（201）和密封圈（202），所述第二钻杆体（3）后端部的外壁与第一钻杆体（1）前端部的内壁之间为花键连接，所述螺纹螺母（201）拧接在花键连接处的外壁，所述第二钻杆体（3）端部的外壁设置有螺纹螺母锁止槽（205），所述螺纹螺母（201）上与螺纹螺母锁止槽（205）位置相对应处设置有楔形锁止块（203），所述楔形锁止块（203）的外壁套设有锁止弹簧（204），并在锁止弹簧（204）的控制下插入对应的螺纹螺母锁止槽（205）内，所述可闭锁控制单元（402），包括前端喷嘴密封压盖（404）、侧向喷嘴密封滑块（405）和复位弹簧（406），所述前端喷嘴密封压盖（404）与射流钻头（401）相连接，用于实现关闭或开启射流钻头（401）前端的前空化射流口（407）；所述侧向喷嘴密封滑块（405）通过复位弹簧（406）与射流空化单元（403）相联通，所述侧向喷嘴密封滑块（405）用于实现关闭或开启水平射流空化口（408），所述复位弹簧（406）在射流空化单元（403）控制下，用于前端喷嘴密封压盖（404）、侧向喷嘴密封滑块（405）的位置复位，所述射流空化单元（403）为液流空化器，用于实现对煤层的射流，所述前端喷嘴密封压盖（404）、侧向喷嘴密封滑块（405）之间设置有间距。

2.根据权利要求1所述的一种花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构，其特征在于：所述水平射流空化口（408）一侧的第二钻杆体（3）外壁上设置有磁钉（409）。

3.基于权利要求2所述的花键插入式可闭锁空化射流钻杆钻头结构的射流方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤（A），可闭锁空化射流钻头体（4）的射流钻头（401）在对煤层钻孔过程中，通过射流钻头（401）前端的前空化射流口（407）对射流钻头（401）的前端进行空化射流；

步骤（B），当射流钻头（401）钻到煤层后，通过射流空化单元（403）加大射流压力对射流钻头（401）前端的煤层进行空化射流；

步骤（C），完成对射流钻头（401）前端空化射流后，继续通过射流空化单元（403）加大水流压力，使前端喷嘴密封压盖（404）移动且关闭射流钻头（401）与射流空化单元（403）的联通，从而关闭射流钻头（401）前端的前空化射流口（407）；

步骤（D），继续通过射流空化单元（403）加大水流压力，使关闭水平射流空化口（408）的侧向喷嘴密封滑块（405）向后位移，压缩复位弹簧（406），实现开启位于两侧的水水平射流空化口（408），对煤层水平方向上进行空化射流；

步骤（E），完成对射流钻头（401）的水平空化射流后，通过射流空化单元（403）减小水流压力，通过复位弹簧（406）的回复力，使侧向喷嘴密封滑块（405）复位关闭水平射流空化口（408），前端喷嘴密封压盖（404）复位，开启射流钻头（401）前端的前空化射流口（407）。