CN109779527B - 一种碎煤装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碎煤装置，其钻杆连接头内设置有第一轴向通孔，阀体内设置有第二轴向通孔，钻头连接头内设置有第三轴向通孔，第二轴向通孔内壁上并列设置有第一环形槽和第二环形槽，第二环形槽通过径向通孔与阀体外连通，径向通孔通过第四轴向通孔与第一轴向通孔连通，第一环形槽通过射流喷嘴与阀体外部连通；阀芯设置有中心腔体和节流孔；阀芯在第一工作位置时，其周向封闭第一环形槽，且通过节流孔实现第一轴向通孔、第四轴向通孔、径向通孔与中心腔体、第二轴向通和第三轴向通孔的导通；在第二个工作位置时，其周向封闭第二环形槽，使得第一轴向通孔与射流喷嘴导通。通过本发明可实现煤层的柔性强力冲击，且冲孔效率高，可靠性强。

Description

一种碎煤装置

技术领域

本发明涉及一种碎煤装置。

背景技术

煤与瓦斯穿孔是煤矿生产过程中时常发生的严重自然灾害之一。在严重突出煤层进行巷道掘进，瓦斯涌出量大，巷道内瓦斯超标严重，极大地影响了巷道的掘进速度，全国严重突出煤层的掘进速度平均为35米/月左右，缓慢的掘进速度又影响了正常的采掘接替，造成煤体瓦斯抽放时间短，抽放率低，给煤矿生产带来了新的安全隐患。

为了有效地预防煤巷掘进突出，提高瓦斯抽放效率与效果，目前研究出新的瓦斯防治工艺方法，即水力冲孔。水力冲孔是指利用钻机打钻时从钻头喷射的高压水射流在突出的煤层内冲出煤炭，使煤层内部形成空洞，进而诱导可控制的小型突出，以获得造成煤体卸压，排放瓦斯，消除采掘突出危险的方法。适用于松软且有严重突出危险的自喷煤层。水力冲孔工艺技术在实施过程中，需要有专用的密封钻杆和冲孔装置才能保证冲孔完成。

现阶段冲孔装置有两种，一种在钻头上钻小孔，利用大流量高压水在小孔处形成高速水柱冲击煤体，此种方法简单，但是冲孔效果差，不能连续作业，极大的影响工作效率；另一种是专用的水流转换阀，可以实现钻孔与冲孔连续作业，但是水流转换阀的转换功能不可靠，当钻孔完毕需要冲孔时，水流转换阀不能转换，现场工人需要花费很长的时间将所有钻杆取出更换新的转换阀才能继续作业，造成时间浪费，工人重复劳动且花费大量的劳动力，不能满足目前煤矿瓦斯治理的需要。

综上所述，以上所述的冲孔装置冲孔效率差，可靠性差，对于硬度大的煤层难以实现冲孔增强瓦斯抽放效果的目的，且冲孔时消耗大量人力物力，使得巷道掘进缓慢，不利于煤矿高效开采要求，且难以全面推广。

鉴于上述问题，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种碎煤装置，使其更具有实用性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种碎煤装置，可实现煤层的柔性强力冲击，且冲孔效率高，可靠性强。

本发明解决技术问题的技术方案如下：

一种碎煤装置，包括依次连接的钻杆连接头、阀体和钻头连接头；

所述钻杆连接头内设置有第一轴向通孔，所述阀体内设置有第二轴向通孔，所述钻头连接头内设置有第三轴向通孔，所述第二轴向通孔内壁上平行并列设置有第一环形槽和第二环形槽，且所述第二环形槽通过径向通孔与所述阀体外部连通，所述径向通孔通过第四轴向通孔与所述第一轴向通孔连通，所述第一环形槽通过射流喷嘴与所述阀体周向外部连通；

其中，所述阀体内设置阀芯，所述阀芯设置有中心腔体，以及联通所述中心腔体与所述阀芯周向外部的节流孔；

所述阀芯具有两个工作位置，在第一工作位置时，其周向封闭所述第一环形槽，且通过所述节流孔实现所述第一轴向通孔、第四轴向通孔、径向通孔与中心腔体、第二轴向通孔和第三轴向通孔的导通而形成第一流道；在第二个工作位置时，其周向封闭所述第二环形槽的同时解除对所述第一环形槽的封闭，使得所述第一轴向通孔与射流喷嘴导通而形成第二流道。

进一步地，所述阀芯在轴向一侧设置有第一受力面，用于在承受来自所述第一轴向通孔的第一水流压力时，使得所述阀芯到达第一工作位置令第一流道导通；并在承受来自所述第一轴向通孔的第二水流压力时，使得所述阀芯到达第二工作位置令第二流道导通。

进一步地，所述阀芯在轴向另一侧设置有第二受力面，与设置于所述第二轴向通孔内的弹簧的活动端相抵，所述弹簧的另一端固定设置，所述弹簧用于在第二水流压力向第一水流压力切换的过程中，为所述阀芯提供回复力。

进一步地，所述阀芯的第一工作位置和第二工作位置通过位于所述第二轴向通孔内的两平行设置的径向平面定位。

进一步地，至少一个径向平面通过卡设于所述第二轴向通孔内壁凹槽内的卡簧提供。

进一步地，所述阀芯与所述弹簧之间设置有顶套，所述顶套在轴向一端设置有凸沿，所述凸沿一侧与所述弹簧贴合，所述凸沿另一侧通过与位于所述第二轴向通孔内的径向平面相抵而限制所述弹簧的回复距离；所述顶套在轴向的另一端用于对所述阀芯施力。

进一步地，当所述弹簧回复至极限位置时，所述阀芯在其一端定位的径向平面和另一端所述顶套的施力面之间存在轴向活动空间。

进一步地，所述阀芯周向设置有若干环状槽体，用于密封和容纳异物。

进一步地，所述第三轴向通孔内设置有防逆流装置。

进一步地，所述弹簧的一端固定设置具体为，所述第二轴向通孔内设置有用于对所述弹簧进行固定的空心堵头，所述空心堵头通过外螺纹与所述第二轴向通孔内壁的内螺纹旋紧固定。

本发明的有益效果：

1、通过改变液体流量实现液体路径的转换，进而实现钻孔与冲孔的连续作业，减小重复劳动，提高工作效率。

2、通过在高压射流喷嘴内部镶嵌陶瓷环，有效地提高喷射水流的聚焦性，提高了水流的打击能力，可破碎中硬煤层。

3、阀体及阀体结构简单，加工工期短，成本低，易实现大批量生产。

4、利用高压流体强力冲击能力进行碎煤，使煤体内形成大孔洞，有利于孔洞周边煤体形成裂隙，增强煤层透气性，能够有效提高瓦斯抽采效果及效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 为碎煤装置在阀芯处于第一工作位置时的结构示意图；

图2为钻杆连接头的结构示意图；

图3为阀体的结构示意图；

图4为钻头连接头的结构示意图；

图5为碎煤装置的外形结构图（射流喷嘴处剖视）；

图6为图5中B处的局部放大图；

图7为图1中A处的局部放大图；

图8为碎煤装置在阀芯处于第二工作位置时的结构示意图；

图9为阀芯的结构示意图；

图10为顶套的结构示意图；

图11为图1中C处的局部放大图；

图12为空心堵头的结构示意图；

附图标记：

1-钻杆连接头，11-第一轴向通孔，2-阀体，21-第二轴向通孔，22-第一环形槽，23-第二环形槽，24-径向通孔，25-第四轴向通孔，3-钻头连接头，31-第三轴向通孔，32-防逆流装置，4-射流喷嘴，5-阀芯，51-中心腔体，52-节流孔，53-第一受力面，54-第二受力面，55-环状槽体，6-弹簧，7-顶套，71-凸沿，8-空心堵头。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的具体实施例采用递进的方式撰写。

如图1所示，一种碎煤装置，包括依次连接的钻杆连接头1、阀体2和钻头连接头3；钻杆连接头1内设置有第一轴向通孔11，如图2所示；阀体2内设置有第二轴向通孔21，如图3所示；钻头连接头3内设置有第三轴向通孔31，如图4所示；第二轴向通孔21内壁上平行并列设置有第一环形槽22和第二环形槽23，且第二环形槽23通过径向通孔24与阀体2周向外部连通，径向通孔24通过第四轴向通孔25与第一轴向通孔11连通，第一环形槽22通过射流喷嘴4与阀体2周向外部连通；其中，阀体2内设置阀芯5，阀芯5设置有中心腔体51，以及联通中心腔体51与阀芯5周向外部的节流孔52；阀芯5具有两个工作位置，在第一工作位置时，其周向封闭第一环形槽22，且通过节流孔52实现第一轴向通孔11、第四轴向通孔25、径向通孔24与中心腔体51、第二轴向通孔21和第三轴向通孔31的导通而形成第一流道；在第二个工作位置时，其周向封闭第二环形槽23的同时解除对第一环形槽22的封闭，使得第一轴向通孔11与射流喷嘴4导通而形成第二流道，如图5和6所示。在本实施例中，射流喷嘴4内部镶嵌有耐磨陶瓷环，也可为其它耐磨材料，用于对液体进行聚焦，同时提高使用寿命。

在本实施例中，当碎煤装置工作时，钻杆连接头1用于连接钻杆，钻头连接头3用于连接钻头，包括钻孔和扩孔两种工作方式：

一、当进行钻孔时，如图7所示，阀芯5位于第一工作位置，低压小流量流体通过钻杆进入第一轴向通孔11，并依次经过第四轴向通孔25、径向通孔24、节流孔52、中心腔体51、第二轴向通孔21和第三轴向通孔31而到达钻头，进行冷却钻头和排渣；

二、当进行扩孔时，阀芯5位于第二工作位置，高压流体通过钻杆内孔进入第一轴向通孔11，并经过第四轴向通孔25和径向通孔24而到达节流孔52，高压流体在节流孔52入口与出口处产生节流，形成压差，造成阀芯5两端流体压力失衡，在高压流体产生的压力作用下，如图8所示，阀芯5右移，节流孔52关闭，第一环形槽22与射流喷嘴4相连通，此时，高压流体从射流喷嘴4射出，产生强大的打击力，进而使煤体破碎脱落形成孔洞。

作为上述实施例的优选，如图9所示，阀芯5在轴向一侧设置有第一受力面53，用于在承受来自第一轴向通孔11的第一水流压力（即低压）时，使得阀芯5到达第一工作位置令第一流道导通；并在承受来自第一轴向通孔11的第二水流压力（即高压）时，使得阀芯5到达第二工作位置令第二流道导通。本优选方案中，通过第一受力面53来感知来自第一轴向通孔11的水流压力，从而作为阀芯5工作位置转换的动力，可降低阀芯5的控制难度，实现自动化的工作模式切换，降低了钻头更换所带来的人力成本。

作为上述实施例的优选，为了保证阀芯5在工作位置转换的过程中，获得回复力，阀芯5在轴向另一侧设置有第二受力面54，与设置于第二轴向通孔21内的弹簧6的活动端相抵，弹簧6的另一端固定设置，弹簧6用于在第二水流压力向第一水流压力切换的过程中，为阀芯5提供回复力。弹簧6的设置，一方面简单易行，另一方面可较为稳定的实现阀芯5的复位，并在其工作过程中，通过预压缩为其提供一定的预紧力，保证阀芯5对压力感知的灵敏性和可靠性，在具体使用时，弹簧6内部为空腔结构，并不影响水流的传送。

因为在具体工作的过程中，仅通过水流压力和弹簧6的弹性力对阀芯5的位置进行调节，其控制精度难以把握，作为上述实施例的优选，如图1和8所示，阀芯5的第一工作位置和第二工作位置通过位于第二轴向通孔21内的两平行设置的径向平面定位。具体的，至少一个径向平面通过卡设于第二轴向通孔21内壁凹槽内的卡簧提供，通过此方式可保证阀芯5的顺利安装，而其他的径向平面的设置方式可包括车床加工的一体化台阶面结构等。

为了使得阀芯5与弹簧6更好的连接，如图10所示，阀芯5与弹簧6之间设置有顶套7，顶套7在轴向一端设置有凸沿71，凸沿71一侧与弹簧6贴合，凸沿71另一侧通过与位于第二轴向通孔21内的径向平面相抵而限制弹簧6的回复距离；顶套7在轴向的另一端用于对阀芯5施力。通过凸沿71进一步保证了整个碎煤装置的控制精度，通过对弹簧6回复距离的限制，也避免了因弹簧6的弹性波动而对阀芯5的位置精度造成的影响。作为上述实施例的进一步优化，当弹簧6回复至极限位置时，阀芯5在其一端定位的径向平面和另一端顶套7的施力面之间存在轴向活动空间，通过上述空间的设置，使得整个阀芯5获得缓冲空间，在该空间内不受水流压力或者弹簧6弹性力的影响，降低了因二者的波动而造成的无效动作，在一定程度上也缓解了各个零部件之间的缓冲。

因为整个碎煤装置在使用的过程中，采用普通水作为工作介质进行钻孔冷却和高压扩孔，因此不可避免的会在水中夹带杂质，而造成各部件间的卡滞现象，为了降低因上述情况而造成的故障问题，如图9所示，在阀芯5周向设置有若干环状槽体55，用于密封和容纳异物。

作为上述实施例的优选，如图1所示，第三轴向通孔31内设置有防逆流装置32，避免在水流压力变化的过程中，因压力突变所形成负压而使得钻头处杂质随水流回吸而影响碎煤装置工作，具体的，防逆流装置32可选择单向阀结构，并通过螺纹连接的方式与第三轴向通孔31连接。

在对弹簧6进行安装的过程中，弹簧6的一端固定设置具体为，如图11和12所示，第二轴向通孔21内设置有用于对弹簧6进行固定的空心堵头8，空心堵头8通过外螺纹与第二轴向通孔21内壁的内螺纹旋紧固定，空心的设置易于水流的流通。在空心堵头8的位置进行具体设置时，也可将其设置于阀体2和钻头连接头3的中间位置，其上可通过设置凸沿结构而限制旋入第二轴向通孔21内的深度，从而保证弹簧6的预紧力稳定。

钻杆连接头1、阀体2和钻头连接头3均可通过螺纹形式连接，但为了保证整个装置的密封性，需在连接处相应位置设置密封圈结构。

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 (6)

1.一种碎煤装置，其特征在于，包括依次连接的钻杆连接头（1）、阀体（2）和钻头连接头（3）；

所述钻杆连接头（1）内设置有第一轴向通孔（11），所述阀体（2）内设置有第二轴向通孔（21），所述钻头连接头（3）内设置有第三轴向通孔（31），所述第二轴向通孔（21）内壁上平行并列设置有第一环形槽（22）和第二环形槽（23），且所述第二环形槽（23）通过径向通孔（24）与所述阀体（2）周向外部连通，所述径向通孔（24）通过第四轴向通孔（25）与所述第一轴向通孔（11）连通，所述第一环形槽（22）通过射流喷嘴（4）与所述阀体（2）周向外部连通；

其中，所述阀体（2）内设置阀芯（5），所述阀芯（5）设置有中心腔体（51），以及连通 所述中心腔体（51）与所述阀芯（5）周向外部的节流孔（52）；

所述阀芯（5）具有两个工作位置，在第一工作位置时，其周向封闭所述第一环形槽（22），且通过所述节流孔（52）实现所述第一轴向通孔（11）、第四轴向通孔（25）、径向通孔（24）与中心腔体（51）、第二轴向通孔（21）和第三轴向通孔（31）的导通而形成第一流道为钻头处供水；在第二个工作位置时，其周向封闭所述第二环形槽（23）的同时解除对所述第一环形槽（22）的封闭，使得所述第一轴向通孔（11）与射流喷嘴（4）导通而形成第二流道而用于扩孔；

所述阀芯（5）在轴向一侧设置有第一受力面（53），用于在承受来自所述第一轴向通孔（11）的第一水流压力时，使得所述阀芯（5）到达第一工作位置令第一流道导通；并在承受来自所述第一轴向通孔（11）的第二水流压力时，使得所述阀芯（5）到达第二工作位置令第二流道导通；

所述阀芯（5）在轴向另一侧设置有第二受力面（54），与设置于所述第二轴向通孔（21）内的弹簧（6）的活动端相抵，所述弹簧（6）的另一端固定设置，所述弹簧（6）用于在第二水流压力向第一水流压力切换的过程中，为所述阀芯（5）提供回复力；

所述阀芯（5）与所述弹簧（6）之间设置有顶套（7），所述顶套（7）在轴向一端设置有凸沿（71），所述凸沿（71）一侧与所述弹簧（6）贴合，所述凸沿（71）另一侧通过与位于所述第二轴向通孔（21）内的径向平面相抵而限制所述弹簧（6）的回复距离；所述顶套（7）在轴向的另一端用于对所述阀芯（5）施力；

当所述弹簧（6）回复至极限位置时，所述阀芯（5）在其一端定位的径向平面和另一端所述顶套（7）的施力面之间存在轴向活动空间。

2.根据权利要求1所述的碎煤装置，其特征在于，所述阀芯（5）的第一工作位置和第二工作位置通过位于所述第二轴向通孔（21）内的两平行设置的径向平面定位。

3.根据权利要求2所述的碎煤装置，其特征在于，至少一个径向平面通过卡设于所述第二轴向通孔（21）内壁凹槽内的卡簧提供。

4.根据权利要求1所述的碎煤装置，其特征在于，所述阀芯（5）周向设置有若干环状槽体（55），用于密封和容纳异物。

5.根据权利要求1所述的碎煤装置，其特征在于，所述第三轴向通孔（31）内设置有防逆流装置（32）。

6.根据权利要求1所述的碎煤装置，其特征在于，所述弹簧（6）的一端固定设置具体为，所述第二轴向通孔（21）内设置有用于对所述弹簧（6）进行固定的空心堵头（8），所述空心堵头（8）通过外螺纹与所述第二轴向通孔（21）内壁的内螺纹旋紧固定。