CN112343513A - 煤层机械水力一体扩孔钻头及扩孔工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及煤层扩孔钻头及扩孔工艺，煤层机械水力一体扩孔钻头，其中钻具支撑结构体前端具有两侧对开的切割臂槽，切割臂根部铰接在切割臂槽内，切割臂根部外表面为环形且具有齿状结构，钻具支撑结构体内部具有活塞缸，液压缸活塞体置于活塞缸内，液压缸活塞体的前段通过液压缸推拉连杆连接双面齿条，液压缸活塞体内部具有进水管路，所述钻具支撑结构体内部具有切割臂过水通道，进水管路与切割臂末端水力喷嘴连通。本煤层机械水力一体扩孔钻头，在机械扩孔的基础上增加水力割缝、水力造穴的半径，增大煤层的卸压范围，提高煤层的透气性，扩大钻孔的瓦斯抽采效果和范围。另外，本发明还提出煤层机械水力一体扩孔工艺。

Description

煤层机械水力一体扩孔钻头及扩孔工艺
技术领域
本发明涉及煤层扩孔钻头及扩孔工艺，特别涉及一种煤层机械水力为一体的扩孔钻头及扩孔工艺。
背景技术
我国绝大数煤矿属于低透气性煤层，本煤层瓦斯抽采效果非常差。为解决这种现状，我国的煤矿科技工作者做了大量的努力，试验研究了煤矿井下水力割缝、水力扩孔、水力造穴等水利化技术，及机械式扩孔技术。但水力化技术由于受钻孔内淹没射流等的影响，有效射程比较小，扩孔割缝半径较小；同样机械扩孔由于受钻杆强度和钻机功率影响，扩孔半径也不是很大。因此造成的煤体卸压范围相对较小，瓦斯抽采效果不理想。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出的煤层机械水力一体扩孔钻头，克服现有技术缺陷，对半径小于500mm孔内煤体利用机械方法扩孔，对于半径大于500mm的孔内煤体，在机械扩孔的基础上采用水射流喷射切割方法扩大扩孔造穴半径，有效地提高和扩大水射流的有效射程和切割范围，增加水力割缝、水力造穴的半径，增大煤层的卸压范围，提高煤层的透气性，扩大钻孔的瓦斯抽采效果和范围。另外，本发明还提出煤层机械水力一体扩孔工艺。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
在第一个技术方案中，煤层机械水力一体扩孔钻头，包括切割臂、切割臂轴、水力喷嘴、钻具支撑结构体、双面齿条、液压缸活塞体、液压缸推拉连杆、液压缸复位弹簧，其中钻具支撑结构体前端具有两侧对开的切割臂槽，所述切割臂有两个，且两个切割臂根部通过切割臂轴铰接在切割臂槽内，切割臂根部外表面为环形且具有齿状结构，所述钻具支撑结构体内部具有活塞缸，所述液压缸活塞体置于活塞缸内，液压缸活塞体的前段通过液压缸推拉连杆连接双面齿条，双面齿条两侧的齿排分别与两个切割臂尾部的齿状结构啮合，所述液压缸活塞体内部具有进水管路，所述钻具支撑结构体内部具有切割臂过水通道，所述切割臂内部具有过水管，水力喷嘴设置在切割臂上，进水管路通过切割臂过水通道和过水管与水力喷嘴连通；液压缸复位弹簧的第一端抵接在液压缸活塞体，液压缸复位弹簧的第二端抵接在钻具支撑结构体；
在进水管路输入压力液体时，液压缸活塞体前顶并通过液压缸推拉连杆、以及双面齿条将切割臂从切割臂槽内转出，使切割臂形成张开状态，并使压力液体通过进水管路、切割臂过水通道和过水管从水力喷嘴射出；在进水管路停止输入压力液体后，液压缸复位弹簧推动液压缸活塞体后退，并联动切割臂退回到切割臂槽内。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述切割臂上具有硬质合金截齿，在切割臂为张开状态时，硬质合金截齿朝向钻具支撑结构体前端。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述切割臂上背向硬质合金截齿一侧为平面，所述切割臂槽的槽底为平面，在切割臂为张开状态时，切割臂上的平面贴靠在切割臂槽的槽底。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述液压缸活塞体的尾部伸出活塞缸，液压缸活塞体尾部的外环面上设有环形凸起结构，所述液压缸复位弹簧套装在液压缸活塞体尾部，液压缸活塞体尾部的两端分别抵接在活塞缸缸体外壁和环形凸起结构的端面。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述切割臂过水通道的进水口设置在活塞缸内壁，且位于液压缸活塞体位移行程的中部位置。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述切割臂进水轴外表面与钻具支撑结构体的相应位置设有密封圈。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述过水管靠近出水端的内壁为螺纹结构，所述水力喷嘴通过螺纹结构可拆卸的安装在过水管的出水端；所述水力喷嘴位于切割臂自由末端的端面上。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述钻具支撑结构体前端为圆锥体；切割臂上带有硬质合金截齿的面与钻具支撑结构体轴向前方的夹角大于90°；硬质合金截齿为双排错位齿。
在第二个技术方案中，煤层机械水力一体扩孔工艺，使用如在第一个技术方案中所述的煤层机械水力一体扩孔钻头，
步骤1、在煤层中用常规钻头打一待扩孔钻孔后，将常规钻头从钻杆卸下，将煤层机械水力一体扩孔钻头固定在钻杆上，将煤层机械水力一体扩孔钻头送入待扩孔钻孔的开始扩孔位置，控制钻机缓慢钻进同时，高压水逐渐注入中空液压缸内，高压水通过液压缸活塞体推动液压缸推拉连杆、双面齿条前移，切割臂逐渐打开，硬质合金截齿对待扩钻孔进行机械扩孔，同时压力液体由过水孔、切割臂过水通道注入过水孔，通过水力喷嘴喷出时，实现在机械扩孔基础上的水力扩孔；
步骤2、待扩孔钻孔全部实现机械扩孔和水力扩孔后，停止高压水注入，在液压缸复位弹簧作用下，中空液压缸活塞体后退，直至中空液压缸活塞体拉动液压缸推拉连杆、双面齿条后退，并使齿轮驱动切割臂进入切割臂槽内，控制钻机缓慢将钻杆退出，完成待扩孔钻孔的机械水力扩孔。
在第二个技术方案中，作为优选的，待扩孔钻孔需还再扩大卸压钻孔半径时，将水力喷嘴卸下，将带有水力喷嘴的弹性喷水管接上，重复步骤1、步骤2过程，完成待扩孔钻孔的水力再扩孔。
使用本发明的有益效果是：
本煤层机械水力扩孔钻头，机械水力驱动结构，结合扩孔工艺，能有效完成待扩孔钻孔的机械水力扩孔，扩孔范围大，提高煤层增透效果，单独待扩孔钻孔的水力再扩孔工艺简单，操作简便，扩孔效果更好，煤层泄压范围更大，更加扩大钻孔的瓦斯抽采效果和范围。
附图说明
图1为本发明煤层机械水力一体扩孔钻头切割臂张开状态主视示意图；
图2为图1中A-A剖面示意图；
图3为图2中B-B剖面示意图。
图中：21.切割臂，22.切割臂进水轴，23.切割臂轴，24.密封圈，60.水力喷嘴，70.钻具支撑结构体，90.双面齿条，100.钻杆连接螺纹，110.液压缸活塞体，111.液压缸推拉连杆，201.硬质合金截齿，202.过水孔，203.切割臂过水通道，204.活塞缸，205.切割臂槽，206.过水管，301.液压缸复位弹簧。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
实施例1
如图1-图3所示，本实施例提出的煤层机械水力一体扩孔钻头，包括切割臂21、切割臂轴23、水力喷嘴60、钻具支撑结构体70、双面齿条90、液压缸活塞体110、液压缸推拉连杆111、液压缸复位弹簧301，其中钻具支撑结构体70前端具有两侧对开的切割臂槽205，切割臂21有两个，且两个切割臂21根部通过切割臂轴23和切割臂进水轴22铰接在切割臂槽205内，切割臂21根部外表面为环形且具有齿状结构，钻具支撑结构体70内部具有活塞缸204，液压缸活塞体110置于活塞缸204内，液压缸活塞体110的前段通过液压缸推拉连杆111连接双面齿条90，双面齿条90两侧的齿排分别与两个切割臂21尾部的齿状结构啮合，液压缸活塞体110内部具有进水管路，钻具支撑结构体70内部具有切割臂过水通道203，切割臂21内部具有过水管206，水力喷嘴60设置在切割臂21末端的端面上，进水管路通过切割臂过水通道203和过水管206与水力喷嘴60连通；液压缸复位弹簧301的第一端抵接在液压缸活塞体110，液压缸复位弹簧301的第二端抵接在钻具支撑结构体70；在进水管路输入压力液体时，液压缸活塞体110前顶并通过液压缸推拉连杆111、以及双面齿条90将切割臂21从切割臂槽205内转出，使切割臂21形成张开状态，并使压力液体通过进水管路、切割臂过水通道203和过水管206从水力喷嘴60射出；在进水管路停止输入压力液体后，液压缸复位弹簧301推动液压缸活塞体110后退，并联动切割臂21退回到切割臂槽205内。
具体的，本实施例中，钻具支撑结构体70前端外环面为圆锥结构，钻具支撑结构体70前端的两侧开切割臂槽205，割臂槽向前一直延伸到钻具支撑结构体70前端锥形面，切割臂21尾部通过切割臂轴23和切割臂进水轴22铰接在切割臂槽205内且远离钻具支撑结构体70前端的位置。切割臂进水轴22位于切割臂轴23的同轴对应位置，切割臂进水轴22的作用是，在切割臂21张开的状态时，切割臂进水轴22连通过水管206和切割臂过水通道203。
活塞缸204位于钻具支撑结构体70内部中段，活塞缸204临近切割臂槽205，活塞缸204前面开孔，液压缸活塞体110前端面通过液压缸推拉连杆111连接双面齿条90，双面齿条90左右两侧具有齿排，左右两侧齿排与切割臂21尾部的齿状结构啮合，如液压缸活塞体110直线移动，双面齿条90可通过齿啮合带动切割臂21从钻具支撑结构体70内张开，或者使切割臂21旋转收回到切割臂槽205内。
液压缸活塞体110的前后移动是通过外接的钻杆提供的压力液体提供的，本实施例中压力液体为压力水。具体的，钻具支撑结构体70通过尾部的钻杆连接螺纹100连接到外接钻杆上的。压力液体可直接进入到液压缸活塞体110内部空腔中，液压缸活塞体110上开设过水孔202，过水孔202使液压缸活塞体110内部空腔与活塞缸204内部连通。如图3所示，压力水进入到液压缸活塞体110内部空腔中后，推动液压缸活塞体110前移，直至液压缸活塞体110的活塞头移动到越过切割臂过水通道203进水口的位置，压力水进入到切割臂过水通道203内，然后经过切割臂进水轴22进入到过水管206，最终从水力喷嘴60射出。在此过程中，因液压缸活塞体110前移，推动液压缸推拉连杆111和双面齿条90前移，使得切割臂21从钻具支撑结构体70内张开，并且保持在张开状态，即图2、图3所示状态。
作为优选的，切割臂21上具有硬质合金截齿201，在切割臂21为张开状态时，硬质合金截齿201朝向钻具支撑结构体70前端，硬质合金截齿201有利于扩孔。
切割臂21上背向硬质合金截齿201一侧为平面，切割臂槽205的槽底为平面，在切割臂21为张开状态时，切割臂21上的平面贴靠在切割臂槽205的槽底，其实现的效果有两个，其一是定位切割臂21的张开角度，第二是分担切割臂21的受力。
液压缸活塞体110的尾部伸出活塞缸204，液压缸活塞体110尾部的外环面上设有环形凸起结构，液压缸复位弹簧301套装在液压缸活塞体110尾部，液压缸活塞体110尾部的两端分别抵接在活塞缸204缸体外壁和环形凸起结构的端面，在压力水停止供应后，液压缸复位弹簧301推动液压缸活塞体110后移，完成切割臂21收回。
切割臂过水通道203的进水口设置在活塞缸204内壁，且位于液压缸活塞体110位移行程的中部位置，切割臂21张开过程中，活塞缸204密闭，保证活塞体110的推力最大；切割臂21完全张开后，活塞体110把切割臂过水通道203的进水孔完全打开。
切割臂进水轴22外表面与钻具支撑结构体70的相应位置设有密封圈24，避免漏水。
过水管206靠近出水端的内壁为螺纹结构，水力喷嘴60通过螺纹结构可拆卸的安装在过水管206的出水端，方便更换水力喷嘴60；水力喷嘴60位于切割臂21自由末端的端面上。
钻具支撑结构体70前端为圆锥体；切割臂21上带有硬质合金截齿201的面与钻具支撑结构体70轴向前方的夹角大于90°；硬质合金截齿201为双排错位齿。
实施例2
本实施例提出的煤层机械水力一体扩孔工艺，使用如实施例1中的煤层机械水力一体扩孔钻头，包括如下步骤：
步骤1、在煤层中用常规钻头打一待扩孔钻孔后，将常规钻头从钻杆卸下，将煤层机械水力一体扩孔钻头固定在钻杆上，将煤层机械水力一体扩孔钻头送入待扩孔钻孔的开始扩孔位置，控制钻机缓慢钻进同时，高压水逐渐注入中空液压缸内，高压水通过液压缸活塞体110推动液压缸推拉连杆111、双面齿条90前移，切割臂21逐渐打开，硬质合金截齿201对待扩钻孔进行机械扩孔，同时压力液体由过水孔202、切割臂过水通道203注入过水孔202，通过水力喷嘴60喷出时，实现在机械扩孔基础上的水力扩孔；
步骤2、待扩孔钻孔全部实现机械扩孔和水力扩孔后，停止高压水注入，在液压缸复位弹簧301作用下，中空液压缸活塞体110后退，直至中空液压缸活塞体110拉动液压缸推拉连杆111、双面齿条90后退，并使齿轮驱动切割臂21进入切割臂槽205内，控制钻机缓慢将钻杆退出，完成待扩孔钻孔的机械水力扩孔。
作为优选的，待扩孔钻孔需还再扩大卸压钻孔半径时，将水力喷嘴60卸下，将带有水力喷嘴60的弹性喷水管接上，重复步骤1、步骤2过程，完成待扩孔钻孔的水力再扩孔。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

Claims (10)

1.煤层机械水力一体扩孔钻头，其特征在于：包括切割臂、切割臂轴、水力喷嘴、钻具支撑结构体、双面齿条、液压缸活塞体、液压缸推拉连杆、液压缸复位弹簧，其中钻具支撑结构体前端具有两侧对开的切割臂槽，所述切割臂有两个，且两个切割臂根部通过切割臂轴铰接在切割臂槽内，切割臂根部外表面为环形且具有齿状结构，所述钻具支撑结构体内部具有活塞缸，所述液压缸活塞体置于活塞缸内，液压缸活塞体的前段通过液压缸推拉连杆连接双面齿条，双面齿条两侧的齿排分别与两个切割臂尾部的齿状结构啮合，所述液压缸活塞体内部具有进水管路，所述钻具支撑结构体内部具有切割臂过水通道，所述切割臂内部具有过水管，水力喷嘴设置在切割臂上，进水管路通过切割臂过水通道和过水管与水力喷嘴连通；液压缸复位弹簧的第一端抵接在液压缸活塞体，液压缸复位弹簧的第二端抵接在钻具支撑结构体；
在进水管路输入压力液体时，液压缸活塞体前顶并通过液压缸推拉连杆、以及双面齿条将切割臂从切割臂槽内转出，使切割臂形成张开状态，并使压力液体通过进水管路、切割臂过水通道和过水管从水力喷嘴射出；在进水管路停止输入压力液体后，液压缸复位弹簧推动液压缸活塞体后退，并联动切割臂退回到切割臂槽内。
2.根据权利要求1所述的煤层机械水力一体扩孔钻头，其特征在于：所述切割臂上具有硬质合金截齿，在切割臂为张开状态时，硬质合金截齿朝向钻具支撑结构体前端。
3.根据权利要求2所述的煤层机械水力一体扩孔钻头，其特征在于：所述切割臂上背向硬质合金截齿一侧为平面，所述切割臂槽的槽底为平面，在切割臂为张开状态时，切割臂上的平面贴靠在切割臂槽的槽底。
4.根据权利要求1所述的煤层机械水力一体扩孔钻头，其特征在于：所述液压缸活塞体的尾部伸出活塞缸，液压缸活塞体尾部的外环面上设有环形凸起结构，所述液压缸复位弹簧套装在液压缸活塞体尾部，液压缸活塞体尾部的两端分别抵接在活塞缸缸体外壁和环形凸起结构的端面。
5.根据权利要求1所述的煤层机械水力一体扩孔钻头，其特征在于：所述切割臂过水通道的进水口设置在活塞缸内壁，且位于液压缸活塞体位移行程的中部位置。
6.根据权利要求1所述的煤层机械水力一体扩孔钻头，其特征在于：所述切割臂进水轴外表面与钻具支撑结构体的相应位置设有密封圈。
7.根据权利要求1所述的煤层机械水力一体扩孔钻头，其特征在于：所述过水管靠近出水端的内壁为螺纹结构，所述水力喷嘴通过螺纹结构可拆卸的安装在过水管的出水端；所述水力喷嘴位于切割臂自由末端的端面上。
8.根据权利要求1所述的煤层机械水力一体扩孔钻头，其特征在于：所述钻具支撑结构体前端为圆锥体；切割臂上带有硬质合金截齿的面与钻具支撑结构体轴向前方的夹角大于90°；硬质合金截齿为双排错位齿。
9.煤层机械水力一体扩孔工艺，使用如权利要求1-8任一项所述的煤层机械水力一体扩孔钻头，其特征在于：
步骤1、在煤层中用常规钻头打一待扩孔钻孔后，将常规钻头从钻杆卸下，将煤层机械水力一体扩孔钻头固定在钻杆上，将煤层机械水力一体扩孔钻头送入待扩孔钻孔的开始扩孔位置，控制钻机缓慢钻进同时，高压水逐渐注入中空液压缸内，高压水通过液压缸活塞体推动液压缸推拉连杆、双面齿条前移，切割臂逐渐打开，硬质合金截齿对待扩钻孔进行机械扩孔，同时压力液体由过水孔、切割臂过水通道注入过水孔，通过水力喷嘴喷出时，实现在机械扩孔基础上的水力扩孔；
步骤2、待扩孔钻孔全部实现机械扩孔和水力扩孔后，停止高压水注入，在液压缸复位弹簧作用下，中空液压缸活塞体后退，直至中空液压缸活塞体拉动液压缸推拉连杆、双面齿条后退，并使齿轮驱动切割臂进入切割臂槽内，控制钻机缓慢将钻杆退出，完成待扩孔钻孔的机械水力扩孔。
10.根据权利要求9所述的煤层机械水力一体扩孔工艺，其特征在于：待扩孔钻孔需还再扩大卸压钻孔半径时，将水力喷嘴卸下，将带有水力喷嘴的弹性喷水管接上，重复步骤1、步骤2过程，完成待扩孔钻孔的水力再扩孔。
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