CN110513141B - 自旋转式磁力限速水力割缝器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自旋转式磁力限速水力割缝器，包括割缝器接头、旋转体以及磁力限速装置，所述旋转体经开口端以可单自由度转动的方式套于割缝器接头外圆，所述旋转体上周向分布有若干个喷液孔，所述喷液孔轴线相对旋转体某一径向方向沿周向旋转偏置设置，所述割缝器接头轴向开有与旋转体内腔贯通的进液通道，所述磁力限速装置内嵌于旋转体内圆与割缝器接头非接触设置并为旋转体提供阻尼力；本发明通过高压液体配合旋转体的偏置喷液孔形成割缝器旋转发生装置，高压流体通过喷液孔喷出使得旋转体产生旋转，通过喷液孔以及磁力限速装置的共同作用使得旋转体与钻杆为非同步旋转，可保证割缝器的割缝效率，也兼顾了钻杆的排渣速率。

Description

自旋转式磁力限速水力割缝器

技术领域

本发明涉及煤矿井下瓦斯治理技术领域，特别涉及一种自旋转式磁力限速水力割缝器。

背景技术

我国煤炭资源赋存条件复杂，普遍存在“高地应力、高瓦斯含量、低渗透性”的特点；煤矿井下瓦斯灾害严重威胁矿井安全生产以及井下人员生命安全。消除煤与瓦斯突出隐患的关键技术是对高瓦斯煤层进行瓦斯预抽，降低煤层瓦斯含量，消除煤体内能，因而寻找有效的煤层增透技术显得格外重要。

煤层增透技术中高压水射流技术是改善煤层透气性和治理煤与瓦斯突出的有效技术途径，高压水射流技术在割缝、压裂以及煤层冲孔等方面应用广泛；在割缝应用中，高压水射流技术利用高压旋转水射流对预先打好的钻孔周围的煤体进行切割，增加煤体暴露面积，使得缝槽周围煤体在一定范围上得到了较好的卸压效果，增加了煤层渗透性；

在高压水射流割缝过程中，割缝器的割缝速度和钻杆旋转排渣是最关键的工艺参数；目前，高压水射流割缝领域中主要采用割缝器与钻杆一体化的割缝工艺，主要通过钻机输出旋转力矩和推进力，通过钻杆推动割缝器并带动割器旋转切割，该过程中割缝器与钻杆同步旋转，实现对煤层及岩石的切割以及排渣；然而由于割缝器与钻杆是同步旋转，难以兼顾割缝器最优的割缝转速以及钻杆的最优排渣转速，实际工作过程中，在满足了割缝最优速度的前提下，由于钻杆排渣转速不匹配导致排渣缓慢，若孔内瓦斯含量大、解吸速度过快，孔内煤渣量大，无法及时排出煤渣，容易导致割缝效率差且易造成卡钻等问题；

公开号为CN2018113233794的专利公开了一种自旋转射流自进割缝钻头，利用射流反冲力因偏心而产生的反冲力矩带动旋转体和旋转喷头旋转割缝，其结构复杂，零部件较多导致零部件结合处较多，密封性较差宜发生泄漏(例如前端外壳以及后端接头结合处)，该结构采用阻尼滚轮实现限速，阻尼滚轮的阻力较小，使得旋转喷头的起始启动力矩较小，在钻头启动初期喷射压力较小切割性能较差，影响切割效率，而且阻尼滚轮与旋转轴以及前端外壳采用接触式装配，该装配方式磨损较大，尤其在转速差较大的工况下，阻尼滚轮磨损尤其严重，随着切割过程中由于磨损阻尼滚轮阻力发生变化，影响切割以及排渣的转速差，导致割缝以及排渣不稳定；阻尼滚轮难以适应钻孔内复杂的环境，当前端外壳以及后端接头结合处发生泄漏时，水流进入至阻尼滚轮处，宜导致阻尼滚轮生锈，若水流中含有固体颗粒则会加剧阻尼滚轮的磨损，容易导致阻尼滚轮失效，而且高压水流的高压容易导致前端外壳与旋转轴之间用于安装阻尼滚轮的腔体变大，影响阻尼滚轮与前端外壳与旋转轴配合方式，宜导致阻尼滚轮空转而失效。

针对上述问题提出自旋转式磁力限速水力割缝器，该装置的旋转体通过高压水流作为动力驱动旋转体相对接头转动，实现旋转体与钻杆的转速差，可兼顾最优割缝转速以及排渣最优转速，使得割缝与排渣达到高度匹配，提高割缝效率，降低排渣慢引起的故障率，而且通过非接触式的磁力限速装置为旋转体提供阻力，磁力限速装置受环境因素影响较小，其性能稳定，使得割缝器的运行工况稳定。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种自旋转式磁力限速水力割缝器，该装置的旋转体通过高压水流作为动力驱动旋转体相对接头转动，实现旋转体与钻杆的转速差，可兼顾最优割缝转速以及排渣最优转速，使得割缝与排渣达到高度匹配，提高割缝效率，降低排渣慢引起的故障率，而且通过非接触式的磁力限速装置为旋转体提供阻力，磁力限速装置受环境因素影响较小，其性能稳定，使得割缝器的运行工况稳定。

本发明的自旋转式磁力限速水力割缝器，包括割缝器接头、旋转体以及磁力限速装置，所述旋转体轴向一端开口，所述旋转体经开口端以可单自由度转动的方式套于割缝器接头外圆，所述旋转体周向分布有若干个贯通于其内腔的喷液孔，所述喷液孔轴线相对旋转体某一径向方向沿周向旋转偏置设置，所述割缝器接头轴向开有与旋转体内腔贯通的进液通道，所述磁力限速装置内嵌于旋转体内圆与割缝器接头非接触设置，所述磁力限速装置通过磁力为旋转体提供阻尼力用于限制旋转体与割缝器接头的相对转动。

进一步，所述磁力限速装置为若干对内嵌于旋转体内圆的磁体，每对所述磁体位于割缝器接头径向两侧且同性磁极径向相对。

进一步，所述割缝器接头呈沿轴向方向外径依次变大的阶梯轴状结构，所述旋转体套于割缝器接头的小径段，所述旋转体开口端抵在割缝器接头对应于小径段的轴肩处。

进一步，所述割缝器接头为两级阶梯轴结构，所述割缝器接头的中径段螺纹外旋有套壳，所述套壳局部外罩于旋转体。

进一步，所述旋转体呈沿轴向方向外径变大的阶梯轴状结构，所述旋转体开口端位于大径端，所述喷液孔开设于小径段外圆，所述套壳罩于旋转体大径段，所述套壳靠近旋转体小径段的一端内圆呈内径外小内大的内阶梯结构，所述套壳的内轴肩抵在旋转体的外轴肩处。

进一步，所述旋转体大径段外圆与套壳内圆之间、割缝器接头小径段外圆与旋转体内圆之间、旋转体开口端和与其相对应的割缝器轴肩之间以及套壳的内轴肩与旋转体的轴肩之间采用油膜密封方式。

进一步，喷液孔以旋转体轴线为中心对称分布。

进一步，所述旋转体的轴向封闭端为球面结构。

进一步，所述割缝器接头轴向远离旋转体一端开有用于与钻杆连接的螺纹孔，该螺纹孔贯通于进液通道。

进一步，所述喷液孔偏置角度为10°～30°。

本发明的有益效果：

本发明通过高压液体配合旋转体的偏置喷液孔形成割缝器旋转发生装置，高压流体通过喷液孔喷出使得旋转体产生旋转，通过喷液孔以及磁力限速装置的共同作用使得旋转体与钻杆为非同步旋转，可保证割缝器的割缝效率，也兼顾了钻杆的排渣速率；

本发明的割缝器结构简单，零部件较少，拆卸方便，成本较低，各个零部件结合处较少，使得密封性较好不宜发生泄漏，该结构采用磁力限速装置实现限速，可通过调节磁力限速装置的磁力大小调节旋转体的阻尼力，磁力限速装置可为旋转体提供较大的阻力，使得触发旋转体的起始启动力矩较大，即保证触发旋转体转动时水压较高，在钻头启动初期切割性能较好，提高切割效率，而且磁力限速装置与割缝器接头采用非接触式装配，该装配方式无磨损，在旋转体与割缝器接头转速差较大的工况下磁力限速装置提供的阻力依然稳定，该阻力不随着切割过程中发生变化，使得割缝以及排渣工况稳定；磁力限速装置采用磁力提供相应的阻力，该结构受钻孔内潮湿等复杂环境的影响较小，即使发生泄漏，水流进入至磁力限速装置处，对磁力限速装置的影响也较小，而且发生泄漏使得高压水流的高压导致安装磁力限速装置处的腔体变大时，由于磁力限速装置的非接触设置，也不会导致磁力限速装置的失效，磁力限速装置的稳定性以及可靠性好。

本发明在旋转体内圆周向布置有磁体，每对磁体使得旋转体在旋转过程中产生一定的阻尼，保证旋转体不会因为旋转过快而产生射流雾化现象；通过磁体与喷液孔共同作用，控制旋转体转速，保证旋转体转速低于钻杆转速使得二者非同步旋转，即可满足旋转体的转速以保证割缝器的割缝效率，也兼顾了钻杆的转速保证排渣速率；该磁力限速装置体积较小，可通过较小的体积实现较大的阻尼作用力，使得割缝器结构紧凑，整体一致性好，且磁体布置方式简单，磁体对复杂环境的适应性强，受潮湿环境以及水流的影响较小。

本发明的割缝器延长了密封路径长，密封性能好；割缝器接头、旋转体以及套壳的三大部件之间采用间隙式动密封结构，通过油膜密封方式满足高压状态下的动密封，满足自旋转条件，解决在高压状态下割缝器泄漏问题，使得旋转体、套壳与割缝器接头之间的不会因为长期遭受水质浸泡而产生腐蚀，保证割缝器在高压作用下不产生泄露，从而提高了高压射流利用率；

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为割缝装置结构示意图；

图2为割缝器结构示意图；

图3为旋转体径向剖视结构示意图Ⅰ；

图4为旋转体径向剖视结构示意图Ⅱ；

具体实施方式

图1为割缝装置结构示意图；图2为割缝器结构示意图；图3为旋转体径向剖视结构示意图Ⅰ；图4为旋转体径向剖视结构示意图Ⅱ；

如图所示，本实施例提供了一种自旋转式磁力限速水力割缝器，包括割缝器接头81、旋转体82以及磁力限速装置，所述旋转体轴向一端开口，所述旋转体经开口端以可单自由度转动的方式套于割缝器接头外圆，所述旋转体周向分布有若干个贯通于其内腔的喷液孔83，所述喷液孔轴线相对旋转体某一径向方向沿周向旋转偏置设置，所述割缝器接头轴向开有与旋转体内腔贯通的进液通道81a，所述磁力限速装置内嵌于旋转体82内圆与割缝器接头非接触设置，所述磁力限速装置通过磁力为旋转体提供阻尼力用于限制旋转体与割缝器接头的相对转动；所述喷液孔偏置角度为10°～30°。

结合附图3所示，喷液孔轴线沿周向方向偏置设置含义为该喷液孔轴线沿着旋转体某一径向方向周向转动使得喷液孔轴线与该径向方向保持一定偏置角，且喷液孔的轴线不与任意旋转体径向方向重合，偏置角为在旋转体径向截面中的参考角度，具体为喷液孔轴线与旋转体过喷液孔外端中心处的半径方向所在直线之间的夹角α，偏置角α为10°～30°，本实施例中偏置角为20°，该范围内的偏置角使得高压流体在径向以及切向方向的射流速度达到平衡，提高切缝效率；

如图1所示，割缝装置包括储水箱1、高压泵2、高压软管3、钻机5，其中高压泵的进液端连通于储水箱的出液端，储水箱为高压泵提供割缝用的液体，高压泵通过高压软管与钻机进液端连通，高压泵为钻机提供高压液体，高压软管通过高压旋转水尾4与钻机进液端连通，其中钻机以及高压旋转水尾采用现有设备，具体不在赘述，钻机上安装有螺旋式钻杆6，该钻杆为中空结构，该钻杆自由端安装有本发明所述的自旋转式磁力限速水利割缝器，其中割缝器接头安装于螺旋式钻杆端部且进液通道与钻杆内腔贯通，高压液体经过钻机进入至螺旋式钻杆内并经过割缝器接头输送至旋转体内驱动旋转体旋转切割形成环形割缝9，在实际操作过程中，前期通过煤体条件与钻孔施工确定好最优割缝速度与排渣速度，割缝过程中只需高压泵到指定压力，此时割缝器已经产生旋转割缝，同时提高钻机速度，使得钻杆在最优速度范围内进行排渣，该方式克服了普通割缝过程中钻杆与割缝器为同步旋转的缺陷，可同时兼顾割缝效率和排渣速率。

本发明的割缝器结构简单，零部件较少，拆卸方便，成本较低，各个零部件结合处较少，使得密封性较好不宜发生泄漏，该结构采用磁力限速装置实现限速，可通过调节磁力限速装置的磁力大小调节旋转体的阻尼力，磁力限速装置可为旋转体提供较大的阻力，使得触发旋转体的起始启动力矩较大，高压水通过偏置喷液孔喷出使得旋转体产生扭矩，当扭矩达到足够大克服磁力限速装置提供的阻尼力时，割缝器旋转体开始旋转，旋转射流产生足够大的切线速度与径向速度对钻孔周围煤体产生环向切割造缝，即保证触发旋转体转动时水压较高，提高钻头启动初期切割性能，提高切割效率，而且磁力限速装置与割缝器接头采用非接触式装配，该装配方式无磨损，在旋转体与割缝器接头转速差较大的工况下磁力限速装置提供的阻力依然稳定，该阻力不随着切割过程中发生变化，使得割缝以及排渣工况稳定；磁力限速装置采用磁力提供相应的阻力，该结构受钻孔内潮湿等复杂环境的影响较小，即使发生泄漏，水流进入至磁力限速装置处，对磁力限速装置的影响也较小，而且发生泄漏时高压水流的高压导致安装磁力限速装置处的腔体变大时，由于磁力限速装置的非接触设置，也不会导致磁力限速装置的失效，磁力限速装置的稳定性以及可靠性好。

本实施例中，所述磁力限速装置为若干对内嵌于旋转体82内圆的磁体84，每对所述磁体位于割缝器接头径向两侧且同性磁极径向相对；本实施例中设置有两对磁体，共四个磁体，四个磁体以旋转体轴线为中心对称设置，每对磁体间隔设置，两对磁体也可轴向分布于旋转体内壁，每对磁体的同性磁极径向相对设置，当然，磁体的对数可依据实际进行相应的调整，具体不在赘述；在旋转体内圆周向布置有永久磁体，每对磁体使得旋转体在旋转过程中产生一定的阻尼，保证旋转体不会因为旋转过快而产生射流雾化现象；通过磁体与喷液孔共同作用，控制旋转体转速，使得旋转体能达到合适的旋转速度，并保证旋转体转速低于钻杆转速，二者非同步旋转，即可满足旋转体的转速以保证割缝器的割缝效率，也兼顾了钻杆的转速保证排渣速率；割缝器接头此采用磁性金属制成，每对磁体通过同性相斥的作用力作用于割缝器接头，使得旋转体与割缝器接头之间具有限制二者相对转动的阻尼作用力；磁体可内凹于旋转体82内圆使得磁体与割缝器接头实现非接触装配，或者磁体可与旋转体内圆平齐，旋转体内圆与割缝器接头外圆通过油膜密封，通过油膜使得旋转体与割缝器接头为非接触结构，从而实现磁体与割缝器接头的非接触结构，本实施例中采用磁体与旋转体内圆平齐的方案；该结构的磁力限速装置体积较小，可通过较小的体积实现较大的阻尼作用力，使得割缝器结构紧凑，整体一致性好，且磁体布置方式简单，磁体对复杂环境的适应性强，受潮湿环境以及水流的影响较小；

本实施例中，所述割缝器接头呈沿轴向方向外径依次变大的阶梯轴状结构，所述旋转体82套于割缝器接头的小径段，所述旋转体开口端抵在割缝器接头对应于小径段的轴肩处；割缝器接头的小径段作为转轴，旋转体套于该转轴上转动，通过割缝器外圆对应于小径段的轴肩便于对旋转体的轴向定位，而且该结构使得旋转体与割缝器接头的密封路径加长，提高了二者的密封性能。

本实施例中，所述割缝器接头为两级阶梯轴结构，所述割缝器接头的中径段螺纹外旋有套壳85，所述套壳局部外罩于旋转体；套壳通过螺纹连接密封连接于割缝器接头，套壳对旋转头形成保护，割缝器接头的中径段与大径端形成的轴肩抵在套壳端部对套壳形成轴向定位，该结构形成的密封路径为割缝器接头小径段外圆与旋转体内圆之间的间隙→旋转体开口端与割缝器接头小径段轴肩处形成的间隙→旋转体外圆与套壳内圆之间的间隙，该结构进一步延长了密封路径，提高密封性能。

本实施例中，所述旋转体呈沿轴向方向外径变大的阶梯轴状结构，所述旋转体开口端位于大径端，所述喷液孔83开设于小径段外圆，所述套壳罩于旋转体大径段，所述套壳靠近旋转体小径段的一端内圆呈内径外小内大的内阶梯结构，所述套壳的内轴肩抵在旋转体的外轴肩处；如图2所示，套壳的内轴肩抵在旋转体的外轴肩处，该结构可形成对旋转体的轴向限位，且套壳的内轴肩与旋转体的外轴肩之间的间隙为密封间隙，进一步延长了密封路径；

本实施例中，所述旋转体大径段外圆与套壳内圆之间、割缝器接头小径段外圆与旋转体内圆之间、旋转体开口端和与其相对应的割缝器轴肩之间以及套壳的内轴肩与旋转体的轴肩之间采用油膜密封方式；通过油膜密封方式满足高压状态下的动密封，并且为割缝器接头81、旋转体82以及套壳85的三大部件之间提供非直接接触空间，满足自旋转条件。

本实施例中，喷液孔83以旋转体轴线为中心对称分布；本实施例中割缝器开有两个喷液孔，具体喷液孔的数量可依据实际工况进行相应的调整，通过中心对称分布的喷液孔改善旋转体的受力，提高旋转体转动的稳定性，保证旋转体旋转过程中动态平衡，双喷嘴割缝能加大射流对煤体的切割速度，提高割缝效率。

本实施例中，所述旋转体的轴向封闭端为球面结构；当旋转体转动时，通过该球面结构降低与钻孔内岩土的摩擦。

本实施例中，所述割缝器接头轴向远离旋转体一端开有用于与钻杆连接的螺纹孔，该螺纹孔贯通于进液通道；通过设置螺纹孔便于与钻杆的连接。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种自旋转式磁力限速水力割缝器，其特征在于：包括割缝器接头、旋转体以及磁力限速装置，所述旋转体轴向一端开口，所述旋转体经开口端以可单自由度转动的方式套于割缝器接头外圆，所述旋转体周向分布有若干个贯通于其内腔的喷液孔，所述喷液孔轴线相对旋转体某一径向方向沿周向旋转偏置设置，所述割缝器接头轴向开有与旋转体内腔贯通的进液通道，所述磁力限速装置内嵌于旋转体内圆与割缝器接头非接触设置，所述磁力限速装置通过磁力为旋转体提供阻尼力用于限制旋转体与割缝器接头的相对转动；

所述磁力限速装置为若干对内嵌于旋转体内圆的磁体，每对所述磁体位于割缝器接头径向两侧且同性磁极径向相对。

2.根据权利要求1所述的自旋转式磁力限速水力割缝器，其特征在于：所述割缝器接头呈沿轴向方向外径依次变大的阶梯轴状结构，所述旋转体套于割缝器接头的小径段，所述旋转体开口端抵在割缝器接头对应于小径段的轴肩处。

3.根据权利要求2所述的自旋转式磁力限速水力割缝器，其特征在于：所述割缝器接头为两级阶梯轴结构，所述割缝器接头的中径段螺纹外旋有套壳，所述套壳局部外罩于旋转体。

4.根据权利要求3所述的自旋转式磁力限速水力割缝器，其特征在于：所述旋转体呈沿轴向方向外径变大的阶梯轴状结构，所述旋转体开口端位于大径端，所述喷液孔开设于小径段外圆，所述套壳罩于旋转体大径段，所述套壳靠近旋转体小径段的一端内圆呈内径外小内大的内阶梯结构，所述套壳的内轴肩抵在旋转体的外轴肩处。

5.根据权利要求4所述的自旋转式磁力限速水力割缝器，其特征在于：所述旋转体大径段外圆与套壳内圆之间、割缝器接头小径段外圆与旋转体内圆之间、旋转体开口端和与其相对应的割缝器轴肩之间以及套壳的内轴肩与旋转体的轴肩之间采用油膜密封方式。

6.根据权利要求1所述的自旋转式磁力限速水力割缝器，其特征在于：喷液孔以旋转体轴线为中心对称分布。

7.根据权利要求1所述的自旋转式磁力限速水力割缝器，其特征在于：所述旋转体的轴向封闭端为球面结构。

8.根据权利要求1所述的自旋转式磁力限速水力割缝器，其特征在于：所述割缝器接头轴向远离旋转体一端开有用于与钻杆连接的螺纹孔，该螺纹孔贯通于进液通道。

9.根据权利要求1所述的自旋转式磁力限速水力割缝器，其特征在于：所述喷液孔偏置角度为10°～30°。

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