CN111577142A - 一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具及其扩孔方法 - Google Patents

一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具及其扩孔方法 Download PDF

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Abstract

一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具及其扩孔方法，扩孔刀可旋转地安装在中空圆柱轴的前侧，以中空圆柱轴的横向中心线为界，扩孔刀后端外壁的一侧设置弧形卡齿，扩孔刀后端外壁的另一侧设置卡槽，卡头的顶端贯穿卡位装置后与卡槽相适配；在钻具主体后部的管道中设置液压缸和供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅰ，设置在液压缸上的齿轮与弧形卡齿咬合；气水分支通道Ⅲ的一端连通气水通道Ⅰ，另一端与卡位装置的底端连通，通过齿轮与弧形卡齿的咬合，液压缸工作，齿轮转动，带动弧形卡齿转动，扩孔刀打开角度，本发明结构简单，操作方便，可以适应不同扩孔直径的需求且不需要改变扩孔刀的长度，提高扩孔效率，降低工作量的同时缩短工作周期。

Description

一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具及其扩孔方法
技术领域
本发明涉及一种扩孔钻具，具体是一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具及其扩孔方法，属于煤矿瓦斯抽采技术领域。
背景技术
我国的煤矿开采业历史悠久，煤矿开采业也带来了大量的煤炭资源，而煤炭资源属于不可再生资源，随着煤炭的开发和利用，我国煤炭资源储存量已大幅削减，随着煤炭资源的大幅消减，煤矿开采逐渐向深部延伸，深部煤层地质构造更加复杂，煤层瓦斯含量和瓦斯压力显著增加，随之带来的是安全事故的频发。为此开采的首要任务变成了瓦斯抽采，但我国煤炭资源多为低透气性煤层，这使得瓦斯抽采时间大大增加，抽采效率大幅降低，从而影响了矿井生产的接替。
对于不具备开采保护层条件的单一高瓦斯低透性煤层，为有效地解决低透气性煤层瓦斯抽采难题，需借助层内卸压增透的方法，提高煤层的渗透性，为此可采用机械钻孔的瓦斯抽采方法，该方法可扩大抽放孔的内表面积，从而增加煤层的透气性，但相继带来的就是扩孔效率低，工作量较大以及工作周期过长等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具及其扩孔方法，结构简单，操作方便，可以适应不同扩孔直径的需求且不需要改变扩孔刀的长度，提高扩孔效率，降低工作量的同时缩短工作周期。
为了实现上述目的，本发明提供一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具，包括接头、钻具主体、PDC钻头，钻具主体的前端安装PDC钻头，钻具主体的后端连接接头，钻具主体为中空结构，在钻具主体中安装有中空圆柱轴且中空圆柱轴与钻具主体的中心线垂直，扩孔刀可旋转地安装在中空圆柱轴的前侧，在钻具主体前部的管道侧壁上开设有可供扩孔刀旋进旋出的通孔，在扩孔刀内部开设有供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅱ；以中空圆柱轴的横向中心线为界，在扩孔刀后端外壁的一侧设置弧形卡齿，扩孔刀后端外壁的另一侧设置卡槽，在卡槽一侧的钻具主体上安装卡位装置，挡板的一端固定在卡位装置的侧壁上，另一端悬空，弹簧的底端固定在挡板上，弹簧的顶端与卡头的底端之间通过可上下移动的连接板连接，卡头的顶端贯穿卡位装置的顶壁后与卡槽相适配；在钻具主体后部的管道中设置液压缸和供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅰ，液压缸的两个工作端口分别连接液压通道Ⅰ、液压通道Ⅱ，设置在液压缸上的齿轮与弧形卡齿咬合；气水通道Ⅰ经钻具主体通向PDC钻头；气水通道Ⅰ与中空圆柱轴之间通过气水分支通道Ⅰ连通，中空圆柱轴经气水分支通道Ⅱ后与气水通道Ⅱ连通并通向煤层；气水分支通道Ⅲ的一端连通气水通道Ⅰ，另一端与卡位装置的底端连通。
为了满足扩孔直径的需求，将本发明扩孔刀的旋转范围设置在0～90°之间，通过扩孔刀的旋转角度来满足扩孔直径的变化。
为了满足扩孔直径的需求，本发明的卡槽为多个，多个卡槽依次设置在扩孔刀的外壁上。
本发明的卡槽设为三个，三个卡槽之间的角度与弧形卡齿的角度相等，以中空圆柱轴的横向中心为基准，三个卡槽依次设置在扩孔刀的外壁0°、45°以及90°，当卡头与处于0°的卡槽先配合时，扩孔刀作为普通钻头使用，当卡头与处于45°的卡槽先配合时，扩孔刀旋转角度为45°，当卡头与处于90°的卡槽先配合时，扩孔刀旋转角度为90°，处于全部打开状态。
扩孔刀是用来扩孔的钻具，可以用来破碎井下煤层，由于煤层中煤的硬度不一致以及煤层中夹带有矸石，需要耐磨度高、使用寿命长的扩孔刀，为了满足要求在扩孔刀以及PDC 钻头的硬度要求，本发明选择在扩孔刀以及PDC钻头上均安装金刚石复合片。
由于中空圆柱轴与扩孔刀末端的连接处采用的是可旋转连接，为了防止该连接处漏水，本发明在扩孔刀与中空圆柱轴连接处设置密封圈，为了提高密封圈的密封性能，本发明的密封圈为唇形密封圈。
为了达到有效可靠的功能，本发明的液压缸为摆动液压缸，摆动液压缸制造精度高，且液压缸内部被完好的保护起来可以完全防尘防污防潮。
一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具的扩孔方法，包括以下步骤：
①在钻杆尾部安装高压水尾提供高压水流，高压水流的第一路经过气水通道Ⅰ流向 PDC钻头；高压水流的第二路经过气水通道Ⅰ依次流向气水分支通道Ⅰ、中空圆柱轴、气水分支通道Ⅱ至气水通道Ⅱ为扩孔刀提供高压水；高压水流的第三路经过气水通道Ⅰ流向气水分支通道Ⅲ至卡位装置内部，连接板在高压水流压力的作用下向上移动，带动弹簧拉伸，使卡头与卡槽配合，来限制扩孔刀的打开，此时钻具用作普通钻头正常进行钻孔作业；
②钻杆钻进至需要扩孔段时，停止高压水流的供给，在挡板、弹簧的复位力和卡头、连接板的重力作用下，连接板向下移动使卡头不与卡槽接触，此时液压液通过液压通道Ⅰ进入液压缸，液压缸工作，设置在液压缸上的齿轮正向转动，与齿轮咬合的弧形卡齿转动，带动扩孔刀打开角度；当打开一定角度后，开始供给高压水流的同时停止液压液供给，连接板在高压水流压力的作用下向上移动，使卡头与卡槽配合，来限制扩孔刀的继续打开，此时液压缸不工作，扩孔刀保持与卡槽对应的角度进行扩孔作业；当需要减小扩孔刀的角度时，停止高压水流供给，连接板向下移动使卡头不与卡槽接触，液压液通过液压通道Ⅱ进入液压缸，液压缸工作，设置在液压缸上的齿轮反向转动，与齿轮咬合的弧形卡齿转动，带动扩孔刀角度减小，当减小一定角度后，开始供给高压水流同时停止液压液供给，卡位装置工作，液压缸不工作；
③扩孔结束后，停止高压水流供给，卡头在弹簧的拉力作用下恢复原位，使液压液通过液压通道Ⅱ进入液压缸，液压缸工作，设置在液压缸上的齿轮继续反向转动，与齿轮咬合的弧形卡齿转动，带动扩孔刀角度减小至0°时，卡位装置工作，此时该钻具可作为普通钻头继续钻进或退钻。
本发明所供卡头在受力最小且能够工作时高压水流的最小压力P0满足公式(1)
Figure RE-GDA0002541671590000031
式中：a为卡头的长度；
b卡头的宽度；
α为修正系数；
K为弹簧的弹性系数；
L0为卡头在未受力情况下与卡槽之间的距离。
本发明所供高压水流的压力P应满足如下公式：
当扩孔刀实际工作时的高压水流的压力为P时，卡头受到的高压水流的压力F压满足公式(2)
F压＝αPab (2)
式中：a为卡头的长度；
b卡头的宽度；
α为修正系数；
此时卡头受到的卡槽施加的支持力F支满足公式(3)
F支＝F压-F拉＝F压-K×L0 (3)
式中：K为弹簧的弹性系数；
L0为卡头在未受力情况下与卡槽之间的距离；
则当高压水流的压力为P时，卡头受到卡槽的摩擦力f满足公式(4)
f＝F支×μ (4)
式中：μ为卡头与卡槽之间的摩擦系数；
该扩孔刀在实际钻孔过程中所能承受的最大工作压力F满足公式(5)
Figure RE-GDA0002541671590000041
式中：r为卡槽至中空圆柱轴中心的距离；
β为扩孔刀的打开角度；
L1为扩孔刀前端至中空圆柱轴中心的距离；
F切为卡头所能承受的最大剪切力；
综合以上，所供高压水流的压力值P满足公式(6)
Figure RE-GDA0002541671590000042
与现有技术相比，本发明通过在钻具主体中安装可旋进旋出的扩孔刀，在扩孔刀后端安装弧形卡齿，通过液压缸自带齿轮与该弧形卡齿的咬合作用，随着液压缸工作，齿轮转动，就会带动弧形卡齿转动，进而带动扩孔刀打开角度，扩孔刀打开以及减小角度的大小可以通过高压水流与液压缸的交替作业完成，当需要打开角度时，停止高压水流的供给并为液压缸提供液压液，卡头在弹簧拉力的作用下向下移动至不与卡槽接触，同时齿轮转动，带动扩孔刀旋转，当旋转到指定角度后，开始高压水流的供给并停止液压缸工作，此时，高压水流的压力使连接板向上移动从而带动弹簧上移至与该角度的卡槽来限制扩孔刀继续旋转，扩孔刀打开角度的不同可以按照实际工作需要进行设置，本发明通过高压水流与液压缸配合使用，来控制扩孔刀的打开程度进而控制扩孔尺寸的大小，结构简单，操作方便，可以适应不同扩孔直径的需求且不需要改变扩孔刀的长度，提高扩孔效率，降低工作量的同时缩短工作周期。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的扩孔刀打开时的第一状态图；
图3是本发明的扩孔刀打开时的第二状态图；
图4是本发明的气水通道的结构示意图；
图5是本发明卡位装置的结构示意图。
图中：1、接头，2、钻具主体，3、PDC钻头，4、中空圆柱轴，5、扩孔刀，6、气水通道Ⅱ，7、弧形卡齿，8、卡槽，9、卡位装置，9.1、挡板，9.2、弹簧，9.3、卡头，9.4、连接板，10、液压缸，10.1、液压通道Ⅰ，10.2、液压通道Ⅱ，11、气水通道Ⅰ，12、气水分支通道Ⅰ，13、气水分支通道Ⅱ，14、气水分支通道Ⅲ，15、金刚石复合片，16、密封圈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2和图3所示，一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具，包括接头1、钻具主体2、PDC钻头3，钻具主体2的前端安装PDC钻头3，钻具主体2的后端连接接头1，钻具主体2为中空结构，在钻具主体2中安装有中空圆柱轴4且中空圆柱轴4与钻具主体2 的中心线垂直，扩孔刀5可旋转地安装在中空圆柱轴4的前侧，在钻具主体2前部的管道侧壁上开设有可供扩孔刀5旋进旋出的通孔，在扩孔刀5内部开设有供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅱ6，气水通道Ⅱ6的设置可以为扩孔刀5在扩孔作业的时候提供水至煤层中，方便对煤层开孔；以中空圆柱轴4的横向中心线为界，在扩孔刀5后端外壁的一侧设置弧形卡齿7，扩孔刀5后端外壁的另一侧设置卡槽8，在卡槽8一侧的钻具主体2上安装卡位装置9，如图5所示，挡板9.1的一端固定在卡位装置9的侧壁上，另一端悬空，挡板9.1悬空的一端不与卡位装置9的侧壁连接，且会留有一段距离，使高压水流进入卡位装置9中，弹簧9.2的底端固定在挡板9.1上，弹簧9.2的顶端与卡头9.3的底端之间通过可上下移动的连接板9.4连接，当供给高压水流的时候，挡板9.1的悬空端受到高压水的压力以及连接板9.4受到水流的压力会向上移动，从而带动弹簧9.2拉伸，贯穿卡位装置9顶壁设置的卡头9.3会在弹簧9.2的作用下向上移动至与卡槽8相适配；当停止高压水流供给的时候，由于弹簧9.2的复位力作用弹簧变为压缩状态(这个地方还会有连接板自身重力的原因压着弹簧压缩，还有挡板悬空端也会复位)，卡头9.3会在弹簧9.2的作用下向下移动至不与卡槽8接触；在钻具主体2后部的管道中设置液压缸10和供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅰ11，液压缸10的两个工作端口分别连接液压通道Ⅰ10.1、液压通道Ⅱ10.2，设置在液压缸10上的齿轮与弧形卡齿7咬合；如图4所示，气水通道Ⅰ11经钻具主体(2) 通向PDC钻头3；气水通道Ⅰ11与中空圆柱轴4之间通过气水分支通道Ⅰ12连通，中空圆柱轴4经气水分支通道Ⅱ13后与气水通道Ⅱ6连通并通向煤层；气水分支通道Ⅲ14的一端连通气水通道Ⅰ11，另一端与卡位装置9的底端连通。
扩孔刀5的旋转范围在0～90°。
卡槽8为多个，多个卡槽8依次设置在扩孔刀的外壁上。
卡槽8设为三个，三个卡槽8之间的角度与弧形卡齿7的角度相等，且三个卡槽两两之间所成的夹角为45°。
在扩孔刀5以及PDC钻头3上均安装有金刚石复合片15。
在扩孔刀5与中空圆柱轴4连接处设置密封圈16，所述密封圈16为唇形密封圈。
液压缸10为摆动液压缸。
一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具的扩孔方法，包括以下步骤：
①在钻杆尾部安装高压水尾提供高压水流，高压水流的第一路经过气水通道Ⅰ11流向 PDC钻头3，一方面是可以借助高压水流出的势能，切割煤体，另一方面高压水也可以起到降尘的作用；高压水流的第二路经过气水通道Ⅰ11依次流向气水分支通道Ⅰ12、中空圆柱轴4、气水分支通道Ⅱ13至气水通道Ⅱ6为扩孔刀5提供高压水，在扩孔段，可以借助高压水流出的势能，切割煤体，且高压水也可以起到降尘的作用，在非扩孔段，通过气水通道Ⅱ6流出的高压水仅起到降尘作用；高压水流的第三路经过气水通道Ⅰ11流向气水分支通道Ⅲ14至卡位装置9内部，连接板9.4在高压水流压力的作用下向上移动，带动弹簧9.2 拉伸，使卡头9.3与卡槽8配合，来限制扩孔刀5的打开，此时钻具用作普通钻头正常进行钻孔作业；
②钻杆钻进至需要扩孔段时，停止高压水流供给，由于无高压水流压力的作用，在挡板9.1、弹簧9.2的复位力和卡头9.3、连接板9.4的重力作用下，连接板9.4向下移动使卡头9.3不与卡槽8接触，此时液压液通过液压通道Ⅰ10.1进入液压缸10，液压缸10工作，设置在液压缸10上的齿轮正向转动，与齿轮咬合的弧形卡齿7转动，带动扩孔刀5打开角度；当打开一定角度后，开始供给高压水流的同时停止液压液供给，连接板9.4在高压水流压力的作用下向上移动，使卡头9.3与卡槽8配合，来限制扩孔刀5的继续打开，此时液压缸10不工作，扩孔刀5保持与卡槽8对应的角度进行扩孔作业；当需要减小扩孔刀5 的角度时，停止高压水流供给，带动连接板9.4向下移动使卡头9.3不与卡槽8接触，液压液通过液压通道Ⅱ10.2进入液压缸10，液压缸10工作，设置在液压缸10上的齿轮反向转动，与齿轮咬合的弧形卡齿7转动，带动扩孔刀5角度减小，当减小一定角度后，开始供给高压水流同时停止液压液供给，卡位装置9工作，液压缸10不工作；
③扩孔结束后，停止高压水流供给，卡头9.3在弹簧9.2的拉力作用下恢复原位，使液压液通过液压通道Ⅱ10.2进入液压缸10，液压缸10工作，设置在液压缸10上的齿轮继续反向转动，与齿轮咬合的弧形卡齿7转动，带动扩孔刀5角度减小至0°时，卡位装置9 工作，此时该钻具可作为普通钻头继续钻进或退钻。
所供卡头9.3在受力最小且能够工作时高压水流的最小压力P0满足公式(1)
Figure RE-GDA0002541671590000071
式中：a为卡头的长度；
b卡头的宽度；
α为修正系数；
K为弹簧的弹性系数；
L0为卡头在未受力情况下与卡槽之间的距离。
所供高压水流的压力P应满足如下公式：
当扩孔刀实际工作时的高压水流的压力为P时，卡头9.3受到的高压水流的压力F压满足公式(2)
F压＝αPab (2)
式中：a为卡头的长度；
b卡头的宽度；
α为修正系数；
此时卡头9.3受到的卡槽8施加的支持力F支满足公式(3)
F支＝F压-F拉＝F压-K×L0 (3)
式中：K为弹簧的弹性系数；
L0为卡头在未受力情况下与卡槽之间的距离；
则当高压水流的压力为P时，卡头(9.3)受到卡槽的摩擦力f满足公式(4)
f＝F支×μ (4)
式中：μ为卡头与卡槽之间的摩擦系数；
该扩孔刀5在实际钻孔过程中所能承受的最大工作压力F满足公式(5)
Figure RE-GDA0002541671590000081
式中：r为卡槽至中空圆柱轴中心的距离；
β为扩孔刀的打开角度；
L1为扩孔刀前端至中空圆柱轴中心的距离；
F切为卡头所能承受的最大剪切力；
综合以上，所供高压水流的压力值P满足公式(6)
Figure RE-GDA0002541671590000082
给出本发明的一个实施例
卡头9.3与卡槽8之间的摩擦系数μ为0.6；卡头9.3的长度a与宽度b均为0.01m；弹簧9.2的弹性系数K为1000N/m；卡头9.3在未受力情况下与卡槽8之间的距离L0为0.05m；修正系数α为0.8，卡头9.3能够承受的最大剪切力F切为100000N，卡槽8至中空圆柱轴4 中心的距离r为0.05m，扩孔刀5前端至中空圆柱轴4中心的距离L1为0.5m；
①保证扩孔刀5打开角度为0°，在钻杆尾部安装高压水尾提供高压水流，在外接高压水流1.5MPa的作用下，卡头9.3受高压水流压力P0为120N，此时卡头9.3进入卡槽8，限制扩孔刀5的打开，该钻具作为普通钻进进行钻进工作，此时卡头9.3对于卡槽8的支持力 F支为70N，卡头9.3受到卡槽8的摩擦力f为42N，扩孔刀5在钻进工作中可承受的最大作用力F为10004.2N；
②将此钻具送至距钻孔20m处，此时停止高压水的供给，卡头9.3在弹簧拉力的作用下离开卡槽8，卡位装置9停止工作，同时为液压缸10提供液压液，使扩孔刀5的打开角度为45°，开始供给压力为1.5MPa的高压水流，此时连接板9.4在高压水流的作用下向上移动，带动弹簧9.2处于拉伸状态，从而卡头9.3向上移动至进入卡槽8，保持扩孔刀5打开角度为45°进行半径为0.35m的扩孔作业；
③对于需要大直径扩孔的位置，类似步骤②，只需供给液压缸10液压液，使扩孔刀5 打开角度为90°进行半径为0.5m的扩孔作业；
④扩孔至68m后停止高压水流的供给，同时为液压缸10提供液压液，缩小扩孔刀5的打开角度直至0°，钻机回拉，钻具退出后，冲洗钻具，以备下次使用。

Claims (10)

1.一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具，包括接头(1)、钻具主体(2)、PDC钻头(3)，钻具主体(2)的前端安装PDC钻头(3)，钻具主体(2)的后端连接接头(1)，其特征在于，钻具主体(2)为中空结构，在钻具主体(2)中安装有中空圆柱轴(4)且中空圆柱轴(4)与钻具主体(2)的中心线垂直，扩孔刀(5)可旋转地安装在中空圆柱轴(4)的前侧，在钻具主体(2)前部的管道侧壁上开设有可供扩孔刀(5)旋进旋出的通孔，在扩孔刀(5)内部开设有供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅱ(6)；以中空圆柱轴(4)的横向中心线为界，在扩孔刀(5)后端外壁的一侧设置弧形卡齿(7)，扩孔刀(5)后端外壁的另一侧设置卡槽(8)，在卡槽(8)一侧的钻具主体(2)上安装卡位装置(9)，挡板(9.1)的一端固定在卡位装置(9)的侧壁上，另一端悬空，弹簧(9.2)的底端固定在挡板(9.1)上，弹簧(9.2)的顶端与卡头(9.3)的底端之间通过可上下移动的连接板(9.4)连接，卡头(9.3)的顶端贯穿卡位装置(9)的顶壁后与卡槽(8)相适配；在钻具主体(2)后部的管道中设置液压缸(10)和供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅰ(11)，液压缸(10)的两个工作端口分别连接液压通道Ⅰ(10.1)、液压通道Ⅱ(10.2)，设置在液压缸(10)上的齿轮与弧形卡齿(7)咬合；气水通道Ⅰ(11)经钻具主体(2)通向PDC钻头(3)；气水通道Ⅰ(11)与中空圆柱轴(4)之间通过气水分支通道Ⅰ(12)连通，中空圆柱轴(4)经气水分支通道Ⅱ(13)后与气水通道Ⅱ(6)连通并通向煤层；气水分支通道Ⅲ(14)的一端连通气水通道Ⅰ(11)，另一端与卡位装置(9)的底端连通。
2.根据权利要求1所述的一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具，其特征在于，扩孔刀(5)的旋转范围在0～90°。
3.根据权利要求1或2所述的一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具，其特征在于，卡槽(8)为多个，多个卡槽(8)依次设置在扩孔刀(5)的外壁上。
4.根据权利要求3所述的一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具，其特征在于，卡槽(8)设为三个，三个卡槽(8)之间的角度与弧形卡齿(7)的角度相等，且三个卡槽两两之间所成的夹角为45°。
5.根据权利要求4所述的一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具，其特征在于，在扩孔刀(5)以及PDC钻头(3)上均安装有金刚石复合片(15)。
6.根据权利要求4所述的一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具，其特征在于，在扩孔刀(5)与中空圆柱轴(4)连接处设置密封圈(16)，所述密封圈(16)为唇形密封圈。
7.根据权利要求4所述的一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具，其特征在于，液压缸(10)为摆动液压缸。
8.根据权利要求1所述的一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具的扩孔方法，其特征在于，包括以下步骤：
①在钻杆尾部安装高压水尾提供高压水流，高压水流的第一路经过气水通道Ⅰ(11)流向PDC钻头(3)；高压水流的第二路经过气水通道Ⅰ(11)依次流向气水分支通道Ⅰ(12)、中空圆柱轴(4)、气水分支通道Ⅱ(13)至气水通道Ⅱ(6)为扩孔刀(5)提供高压水；高压水流的第三路经过气水通道Ⅰ(11)流向气水分支通道Ⅲ(14)至卡位装置(9)内部，连接板(9.4)在高压水流压力的作用下向上移动，带动弹簧(9.2)拉伸，使卡头(9.3)与卡槽(8)配合，来限制扩孔刀(5)的打开，此时钻具用作普通钻头正常进行钻孔作业；
②钻杆钻进至需要扩孔段时，停止高压水流的供给，在挡板(9.1)、弹簧(9.2)的复位力和卡头(9.3)、连接板(9.4)的重力作用下，连接板(9.4)向下移动使卡头(9.3)不与卡槽(8)接触，此时液压液通过液压通道Ⅰ(10.1)进入液压缸(10)，液压缸(10)工作，设置在液压缸(10)上的齿轮正向转动，与齿轮咬合的弧形卡齿(7)转动，带动扩孔刀(5)打开角度；当打开一定角度后，开始供给高压水流的同时停止液压液供给，连接板(9.4)在高压水流压力的作用下向上移动，使卡头(9.3)与卡槽(8)配合，来限制扩孔刀(5)的继续打开，此时液压缸(10)不工作，扩孔刀(5)保持与卡槽(8)对应的角度进行扩孔作业；当需要减小扩孔刀(5)的角度时，停止高压水流供给，连接板(9.4)向下移动使卡头(9.3)不与卡槽(8)接触，液压液通过液压通道Ⅱ(10.2)进入液压缸(10)，液压缸(10)工作，设置在液压缸(10)上的齿轮反向转动，与齿轮咬合的弧形卡齿(7)转动，带动扩孔刀(5)角度减小，当减小一定角度后，开始供给高压水流同时停止液压液供给，卡位装置(9)工作，液压缸(10)不工作；
③扩孔结束后，停止高压水流供给，卡头(9.3)在弹簧(9.2)的拉力作用下恢复原位，使液压液通过液压通道Ⅱ(10.2)进入液压缸(10)，液压缸(10)工作，设置在液压缸(10)上的齿轮继续反向转动，与齿轮咬合的弧形卡齿(7)转动，带动扩孔刀(5)角度减小至0°时，卡位装置(9)工作，此时该钻具可作为普通钻头继续钻进或退钻。
9.根据权利要求8所述的一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具的扩孔方法，其特征在于，所供卡头(9.3)在受力最小且能够工作时高压水流的最小压力P0满足公式(1)
Figure RE-FDA0002541671580000021
式中：a为卡头的长度；
b卡头的宽度；
α为修正系数；
K为弹簧的弹性系数；
L0为卡头在未受力情况下与卡槽之间的距离。
10.根据权利要求8所述的一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具的扩孔方法，其特征在于，所供高压水流的压力P应满足如下公式：
当扩孔刀实际工作时的高压水流的压力为P时，卡头(9.3)受到的高压水流的压力F压满足公式(2)
F压＝αPab (2)
式中：a为卡头的长度；
b卡头的宽度；
α为修正系数；
此时卡头(9.3)受到的卡槽(8)施加的支持力F支满足公式(3)
F支＝F压-F拉＝F压-K×L0 (3)
式中：K为弹簧的弹性系数；
L0为卡头在未受力情况下与卡槽之间的距离；
则当高压水流的压力为P时，卡头(9.3)受到卡槽的摩擦力f满足公式(4)
f＝F支×μ (4)
式中：μ为卡头与卡槽之间的摩擦系数；
该扩孔刀(5)在实际钻孔过程中所能承受的最大工作压力F满足公式(5)
Figure RE-FDA0002541671580000031
式中：r为卡槽至中空圆柱轴中心的距离；
β为扩孔刀的打开角度；
L1为扩孔刀前端至中空圆柱轴中心的距离；
F切为卡头所能承受的最大剪切力；
综合以上，所供高压水流的压力值P满足公式(6)
Figure RE-FDA0002541671580000041
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