CN110094167A - 一种新型机械旋转扩孔装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型机械旋转扩孔装置,包括开孔钻杆和扩孔钻杆以及护孔钻杆，开孔钻杆为水平横向的杆状零件且开孔钻杆内部沿长设有贯通开孔钻杆的通水孔，开孔钻杆最右端为圆台状出水口，出水口左部从右到左依次设有三层钻杆突起，开孔钻杆通水孔左端设有内螺纹，开孔钻杆左部设有扩孔钻杆，扩孔钻杆最右端设有外螺纹，扩孔钻杆外螺纹左部从右到左依次设有三层沿扩孔钻杆周向布置的扩孔突起，扩孔钻杆通水孔左端设有内螺纹，扩孔钻杆左部设有护孔钻杆，护孔钻杆为水平横向布置且内部沿长设有通水孔的圆形管道。本发明的有益效果为：不仅有护孔功能，而且能够有效降低钻杆的旋转阻力，降低钻机损耗。

Description

一种新型机械旋转扩孔装置
技术领域
本发明属于软煤岩钻孔的技术领域，具体涉及一种新型机械旋转扩孔装置。
背景技术
目前，软煤岩钻孔施工是公认的世界性难题，钻孔施工过程中，由于软煤岩体强度低，孔壁变形量大，孔壁局部易失稳破坏，钻孔内易形成钻屑堆积并导致钻孔堵塞，导致钻孔施工难以进行，近些年，我国煤矿企业和钻进装备生产单位投入了大量的人力和财力，钻进装备实力不断提高，钻进装备趋于大功率、高扭矩、机械化，但并没有解决软煤层钻孔问题，许多煤炭企业为解决松软煤层钻进问题，消耗大量资金，引入国外千米钻机，但并未达到预期使用效果。
解决软煤岩钻进难题，不应只注重“孔外装备”的发展，同时也应注重钻杆、钻头等“孔内装备”的研究，目前有一种双套管钻具用于软煤层钻孔，但该钻具存在两方面问题：一方面，该钻机配套设备庞大，需要较大钻场，难以适应井下条件，钻进工艺相对复杂，钻进效率偏低，另一方面，在软煤岩区域施工钻孔时，钻孔变形量大，作为起护孔作用的外管与钻孔壁完全接触，其摩擦阻力大，钻进过程中，卡钻、断钻现象频繁，致使钻孔深度浅、钻进效率低。
因此，常规的双套管钻具并不适用于地质条件复杂的软煤岩区域，急需开发一种新型钻具。
发明内容
本发明提供一种新型机械旋转扩孔装置，不仅有护孔功能，而且能够有效降低钻杆的旋转阻力，降低钻机损耗。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种新型机械旋转扩孔装置，包括开孔钻杆、扩孔钻杆和护孔钻杆，开孔钻杆为水平横向的杆状零件且开孔钻杆内部沿长设有贯通开孔钻杆的通水孔，开孔钻杆最右端为圆台状出水口且出水口左部直径大于右部直径，出水口左部从右到左依次设有三层钻杆突起，每层钻杆突起结构形状相似，三层钻杆突起从右到左每层突起最外圈直径依次增加，每层钻杆突起沿开孔钻杆周向均匀分布有4个突起，突起从开孔钻杆表面为起点逆时针向外螺旋凸起，突起根部尺寸大且尺寸向上逐渐缩小直到突起顶部缩小为一个尖点，开孔钻杆通水孔左端设有内螺纹；开孔钻杆左部设有扩孔钻杆，扩孔钻杆为水平横向布置的杆状零件且内部沿长设有贯通扩孔钻杆的通水孔，扩孔钻杆最右端设有外螺纹，扩孔钻杆右端外螺纹与开孔钻杆内螺纹配合固定连接，扩孔钻杆外螺纹左部从右到左依次设有三层沿扩孔钻杆周向布置的扩孔突起，扩孔突起结构与钻杆突起结构形状相似，三层扩孔突起从右到左每层突起高度依次增加，扩孔钻杆通水孔左端设有内螺纹；扩孔钻杆左部设有护孔钻杆，护孔钻杆为水平横向布置且内部沿长设有通水孔的圆形管道，护孔钻杆右端设有向右的圆柱凸起且圆柱凸起上设有外螺纹，护孔钻杆外螺纹和扩孔钻杆内螺纹相互配合固定连接，护孔钻杆通水孔左端设有内螺纹，护孔钻杆内螺纹与护孔钻杆外螺纹相适配；最左端扩孔突起外圈直径略大于护孔钻杆直径。
进一步的，突起右侧为向后倾斜的前面，突起左侧为向前倾斜的后面，第一层钻杆突起后面与第二层钻杆突起前面所成角度为X4=100°以此类推，每层突起的后面与下一层突起的前面所成角度依次为X3=100°、X2=70°、X1=70°，每层突起的后面与下一层突起的前面连接处为连接弧，连接弧自然过渡；突起顶端为切削弧，每层突起的4个切削弧弧度相等，最左层钻杆突起的切削弧弧度R1=8，以此类推每层切削弧弧度依次为R2=8、R3=8、R4=3、R5=3、R6=3；突起下部为直面，直面垂直于相应钻杆的法向，突起上部为弧面，以相应钻杆中心线分别向左、右、上、下偏移一定量为圆心，再通过这四个圆心以一定半径画圆，四个圆被四个直面所截取的部分即为突起的弧面，开孔钻杆最左层钻杆突起的圆心偏移量为LI=3.3mm，圆直径为RI=21mm,所成钻杆突起最外圈直径为ΦI=40mm，以此类推每层突起的圆心偏移量依次为LH=4.1mm、LG=8mm、LE=8mm、LF=12.4mm、LD=17.7mm, 每层突起的画圆直径依次为RH=26mm、RG=34mm、RE=34mm、RF=43mm、RD=53mm, 钻杆突起最外圈直径依次为ΦH=50mm、ΦG=60mm、ΦE=60mm、ΦF=70mm、ΦD=80mm；护孔钻杆直径为60mm，通水孔直径为20mm。
进一步的，开孔钻杆、扩孔钻杆和护孔钻杆的中心线都位于同一直线，开孔钻杆的通水孔、扩孔钻杆的通水孔和护孔钻杆的通水孔直径都相同且位置相对应。
进一步的，钻杆突起最左层外圈直径与扩孔突起最右层外圈直径相同，开孔钻杆和扩孔钻杆固定连接后整体外径左端大右端小，呈锥形。
进一步的，开孔钻杆上每层钻杆突起的位置相互对应且每层钻杆突起之间都圆滑过渡连接，钻杆突起的顶点与软煤岩接触，其他部分不与软煤岩接触。
进一步的，多个结构相同的护孔钻杆可以通过护孔钻杆内螺纹与护孔钻杆外螺纹依次拼接，加长整体钻杆长度。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明中，出水口左部从右到左依次设有三层钻杆突起，每层钻杆突起结构形状相似，三层钻杆突起从右到左每层突起最外圈直径依次增加，每层钻杆突起沿开孔钻杆周向均匀分布有4个突起，突起从开孔钻杆表面为起点逆时针向外螺旋凸起，突起根部尺寸大且尺寸向上逐渐缩小直到突起顶部缩小为一个尖点，扩孔钻杆外螺纹左部从右到左依次设有三层沿扩孔钻杆周向布置的扩孔突起，扩孔突起结构与钻杆突起结构形状相似，三层扩孔突起从右到左每层突起高度依次增加，普通钻杆是尖端刀刃全部与软煤岩接触，对刀刃的磨损极大，同时受到的阻力也大，对钻孔机的负荷大，现在将钻杆改为多个突起的点与软煤岩接触，降低了钻杆的阻力，对钻孔机提供了一种保护，增加了钻杆的使用时间，每一层突起的外圈直径逐渐增加，开孔钻杆和扩孔钻杆固定连接后整体外径左端大右端小，呈锥形，锥形钻杆能逐渐扩宽孔的直径，将进一步减小钻孔的阻力，同时，多个突起增加了钻杆的表面积，表面积越大，对钻进过程中的散热越有力；
本发明中，扩孔钻杆通水孔左端设有内螺纹，扩孔钻杆左部设有护孔钻杆，护孔钻杆为水平横向布置且内部沿长设有通水孔的圆形管道，护孔钻杆右端设有向右的圆柱凸起且圆柱凸起上设有外螺纹，护孔钻杆外螺纹和扩孔钻杆内螺纹相互配合固定连接，护孔钻杆通水孔左端设有内螺纹，护孔钻杆内螺纹与护孔钻杆外螺纹相适配；最左端扩孔突起外圈直径略大于护孔钻杆直径，护孔钻杆的直径比扩孔钻杆略小，不对深孔壁造成伤害同时推动钻杆其他部分旋转和前进，当孔壁发生失稳破坏时，护孔钻杆能够支撑起整个深孔内部空间，不会让深孔大面积坍塌导致钻杆全部掩埋无法工作，有护孔功能，当钻杆的长度不足时，将多个护孔钻杆依次拼接，即可加长钻杆整体长度,操作简单。
附图说明
图1为本发明的爆炸图；
图2为图1中开孔钻杆和扩孔钻杆和护孔钻杆装配完成的结构示意图；
图3为图1中开孔钻杆和扩孔钻杆和护孔钻杆的整体剖视图；
图4为图1中发明的局部剖视图；
图5为图4中I-I视角的剖视图；
图6为图4中H-H视角的剖视图；
图7为图4中G-G视角的剖视图；
图8为图4中E-E视角的剖视图；
图9为图4中F-F视角的剖视图；
图10为图4中D-D视角的剖视图。
图中，1.开孔钻杆，2.扩孔钻杆，3.护孔钻杆，4.出水口，5.钻杆突起，6.扩孔突起，7.通水孔，8.突起，9.弧面，10.直面，11.前面，12.后面，13.切削弧，14.连接弧。
具体实施方式
实施例：如图1、图2、图3所示，包括开孔钻杆1、扩孔钻杆2和护孔钻杆3，开孔钻杆1为水平横向的杆状零件且开孔钻杆1内部沿长设有贯通开孔钻杆1的通水孔7，开孔钻杆1最右端为圆台状出水口4且出水口4左部直径大于右部直径，出水口4左部从右到左依次设有三层钻杆突起5，每层钻杆突起5结构形状相似，三层钻杆突起5从右到左每层突起8最外圈直径依次增加，每层钻杆突起5沿开孔钻杆1周向均匀分布有4个突起8，突起8从开孔钻杆1表面为起点逆时针向外螺旋凸起，突起8根部尺寸大且尺寸向上逐渐缩小直到突起8顶部缩小为一个尖点，开孔钻杆1通水孔7左端设有内螺纹；开孔钻杆1左部设有扩孔钻杆2，扩孔钻杆2为水平横向布置的杆状零件且内部沿长设有贯通扩孔钻杆2的通水孔7，扩孔钻杆2最右端设有外螺纹，扩孔钻杆2右端外螺纹与开孔钻杆1内螺纹配合固定连接，扩孔钻杆2外螺纹左部从右到左依次设有三层沿扩孔钻杆2周向布置的扩孔突起6，扩孔突起6结构与钻杆突起5结构形状相似，三层扩孔突起6从右到左每层突起8高度依次增加，扩孔钻杆2通水孔7左端设有内螺纹；扩孔钻杆2左部设有护孔钻杆3，护孔钻杆3为水平横向布置且内部沿长设有通水孔7的圆形管道，护孔钻杆3右端设有向右的圆柱凸起且圆柱凸起上设有外螺纹，护孔钻杆3外螺纹和扩孔钻杆2内螺纹相互配合固定连接，护孔钻杆3通水孔7左端设有内螺纹，护孔钻杆3内螺纹与护孔钻杆3外螺纹相适配；最左端扩孔突起6外圈直径略大于护孔钻杆3直径。
突起8右侧为向后倾斜的前面11，突起8左侧为向前倾斜的后面12，第一层钻杆突起5后面12与第二层钻杆突起5前面11所成角度为X4=100°以此类推，每层突起8的后面12与下一层突起8的前面11所成角度依次为X3=100°、X2=70°、X1=70°，每层突起8的后面12与下一层突起8的前面11连接处为连接弧14，连接弧14自然过渡；突起8顶端为切削弧13，每层突起8的4个切削弧13弧度相等，最左层钻杆突起5的切削弧13弧度R1=8，以此类推每层切削弧13弧度依次为R2=8、R3=8、R4=3、R5=3、R6=3；突起8下部为直面10，直面10垂直于相应钻杆的法向，突起8上部为弧面9，以相应钻杆中心线分别向左、右、上、下偏移一定量为圆心，再通过这四个圆心以一定半径画圆，四个圆被四个直面10所截取的部分即为突起8的弧面9，开孔钻杆1最左层钻杆突起5的圆心偏移量为LI=3.3mm，圆直径为RI=21mm,所成钻杆突起5最外圈直径为ΦI=40mm，以此类推每层突起8的圆心偏移量依次为LH=4.1mm、LG=8mm、LE=8mm、LF=12.4mm、LD=17.7mm, 每层突起8的画圆直径依次为RH=26mm、RG=34mm、RE=34mm、RF=43mm、RD=53mm, 钻杆突起5最外圈直径依次为ΦH=50mm、ΦG=60mm、ΦE=60mm、ΦF=70mm、ΦD=80mm；护孔钻杆3直径为60mm，通水孔7直径为20mm。
开孔钻杆1、扩孔钻杆2和护孔钻杆3的中心线都位于同一直线，开孔钻杆1的通水孔7、扩孔钻杆2的通水孔7和护孔钻杆3的通水孔7直径都相同且位置相对应，钻杆突起5最左层外圈直径与扩孔突起6最右层外圈直径相同，开孔钻杆1和扩孔钻杆2固定连接后整体外径左端大右端小，呈锥形，开孔钻杆1上每层钻杆突起5的位置相互对应且每层钻杆突起5之间都圆滑过渡连接，钻杆突起5的顶点与软煤岩接触，其他部分不与软煤岩接触，多个结构相同的护孔钻杆3可以通过护孔钻杆3内螺纹与护孔钻杆3外螺纹依次拼接，加长整体钻杆长度。
工作过程：将开孔钻杆1、扩孔钻杆2、护孔钻杆3依次通过螺纹连接，将护孔钻杆3与相应钻孔机通过护孔钻杆3的内螺纹固定连接，启动钻孔机，钻孔机向通水孔7中注水，同时带动护孔钻杆3转动，将软煤岩提前用普通钻头钻出一个浅孔，将开孔钻杆1前端与浅孔接触，开孔钻杆1锥形的结构自动对准浅孔，软煤岩被旋转的钻杆突起5搅碎，逐渐形成深孔，出水口4右端不断喷出水将搅碎的软煤岩从突起8与突起8之间的空隙从孔内运送到孔外，同时喷出的水还能给不断旋转的钻杆降温，开孔钻杆1继续向软煤岩深处钻孔，扩孔钻杆2进入深孔中，将深孔直径进一步扩大，同时搅碎更多软煤岩，护孔钻杆3也进入深孔中，护孔钻杆3的直径比扩孔钻杆2略小，不对深孔壁造成伤害同时推动钻杆其他部分旋转和前进，当孔壁发生失稳破坏时，护孔钻杆3能够支撑起整个深孔内部空间，不会让深孔大面积坍塌导致钻杆全部掩埋无法工作，当钻杆的长度不足时，将多个护孔钻杆3依次拼接，即可加长钻杆整体长度。

Claims (6)

1.一种新型机械旋转扩孔装置，其特征在于：包括开孔钻杆(1)、扩孔钻杆(2)和护孔钻杆(3)，开孔钻杆(1)为水平横向的杆状零件且开孔钻杆(1)内部沿长设有贯通开孔钻杆(1)的通水孔(7)，开孔钻杆(1)最右端为圆台状出水口(4)且出水口(4)左部直径大于右部直径，出水口(4)左部从右到左依次设有三层钻杆突起(5)，每层钻杆突起(5)结构形状相似，三层钻杆突起(5)从右到左每层突起(8)最外圈直径依次增加，每层钻杆突起(5)沿开孔钻杆(1)周向均匀分布有4个突起(8)，突起(8)从开孔钻杆(1)表面为起点逆时针向外螺旋凸起，突起(8)根部尺寸大且尺寸向上逐渐缩小直到突起(8)顶部缩小为一个尖点，开孔钻杆(1)通水孔(7)左端设有内螺纹；开孔钻杆(1)左部设有扩孔钻杆(2)，扩孔钻杆(2)为水平横向布置的杆状零件且内部沿长设有贯通扩孔钻杆(2)的通水孔(7)，扩孔钻杆(2)最右端设有外螺纹，扩孔钻杆(2)右端外螺纹与开孔钻杆(1)内螺纹配合固定连接，扩孔钻杆(2)外螺纹左部从右到左依次设有三层沿扩孔钻杆(2)周向布置的扩孔突起(6)，扩孔突起(6)结构与钻杆突起(5)结构形状相似，三层扩孔突起(6)从右到左每层突起(8)高度依次增加，扩孔钻杆(2)通水孔(7)左端设有内螺纹；扩孔钻杆(2)左部设有护孔钻杆(3)，护孔钻杆(3)为水平横向布置且内部沿长设有通水孔(7)的圆形管道，护孔钻杆(3)右端设有向右的圆柱凸起且圆柱凸起上设有外螺纹，护孔钻杆(3)外螺纹和扩孔钻杆(2)内螺纹相互配合固定连接，护孔钻杆(3)通水孔(7)左端设有内螺纹，护孔钻杆(3)内螺纹与护孔钻杆(3)外螺纹相适配；最左端扩孔突起(6)外圈直径略大于护孔钻杆(3)直径。
2.根据权利要求1所述的一种新型机械旋转扩孔装置，其特征在于：突起（8）右侧为向后倾斜的前面(11)，突起（8）左侧为向前倾斜的后面(12)，第一层钻杆突起（5）后面(12)与第二层钻杆突起（5）前面(11)所成角度为X4=100°以此类推，每层突起（8）的后面(12)与下一层突起（8）的前面(11)所成角度依次为X3=100°、X2=70°、X1=70°，每层突起（8）的后面(12)与下一层突起（8）的前面(11)连接处为连接弧(14)，连接弧(14)自然过渡；突起（8）顶端为切削弧(13)，每层突起（8）的4个切削弧(13)弧度相等，最左层钻杆突起（5）的切削弧(13)弧度R1=8，以此类推每层切削弧(13)弧度依次为R2=8、R3=8、R4=3、R5=3、R6=3；突起（8）下部为直面(10)，直面(10)垂直于相应钻杆的法向，突起（8）上部为弧面（9），以相应钻杆中心线分别向左、右、上、下偏移一定量为圆心，再通过这四个圆心以一定半径画圆，四个圆被四个直面(10)所截取的部分即为突起（8）的弧面（9），开孔钻杆（1）最左层钻杆突起（5）的圆心偏移量为LI=3.3mm，圆直径为RI=21mm,所成钻杆突起（5）最外圈直径为ΦI=40mm，以此类推每层突起（8）的圆心偏移量依次为LH=4.1mm、LG=8mm、LE=8mm、LF=12.4mm、LD=17.7mm, 每层突起（8）的画圆直径依次为RH=26mm、RG=34mm、RE=34mm、RF=43mm、RD=53mm, 钻杆突起（5）最外圈直径依次为ΦH=50mm、ΦG=60mm、ΦE=60mm、ΦF=70mm、ΦD=80mm；护孔钻杆（3）直径为60mm，通水孔（7）直径为20mm。
3.根据权利要求1所述的一种新型机械旋转扩孔装置，其特征在于：开孔钻杆(1)、扩孔钻杆(2)和护孔钻杆(3)的中心线都位于同一直线，开孔钻杆(1)的通水孔(7)、扩孔钻杆(2)的通水孔(7)和护孔钻杆(3)的通水孔(7)直径都相同且位置相对应。
4.根据权利要求1所述的一种新型机械旋转扩孔装置，其特征在于：钻杆突起(5)最左层外圈直径与扩孔突起(6)最右层外圈直径相同，开孔钻杆(1)和扩孔钻杆(2)固定连接后整体外径左端大右端小，呈锥形。
5.根据权利要求1所述的一种新型机械旋转扩孔装置，其特征在于：开孔钻杆(1)上每层钻杆突起(5)的位置相互对应且每层钻杆突起(5)之间都圆滑过渡连接，钻杆突起(5)的顶点与软煤岩接触，其他部分不与软煤岩接触。
6.根据权利要求1所述的一种新型机械旋转扩孔装置，其特征在于：多个结构相同的护孔钻杆(3)可以通过护孔钻杆(3)内螺纹与护孔钻杆(3)外螺纹依次拼接，加长整体钻杆长度。
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