CN113107364B - 煤矿井下定向钻扩一体化钻具及定向钻进随钻扩孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下定向钻扩一体化钻具及定向钻进随钻扩孔方法，定向钻扩一体化钻具包括滑动定向钻具、钻进状态切换装置、旋转扩孔钻具，定向钻进随钻扩孔时，钻进状态切换装置调整滑动定向钻具工作状态和造斜钻进方向；滑动定向钻具在钻机提供的给进动力和单弯螺杆马达提供的回转动力作用下，进行定向造斜钻进，形成定向先导孔；旋转扩孔钻具在钻机提供的给进动力和回转动力作用下，沿定向先导孔进行扩孔，实现随钻大直径扩孔。该方法解决了当前煤矿井下定向钻孔一次成孔直径小、二次大直径扩孔效率低、复杂破碎地层成孔难的问题，实现了大直径一次成孔，拓宽了定向钻进适用地层范围，提高了瓦斯抽采效果，确保工作面安全高效开采。

Description

煤矿井下定向钻扩一体化钻具及定向钻进随钻扩孔方法

技术领域

本发明属于煤矿井下坑道钻探领域，涉及一种煤矿井下定向钻扩一体化钻具及定向钻进随钻扩孔方法。

背景技术

高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井煤炭产量约占全国煤炭产量的三分之一，瓦斯灾害严重制约着煤炭行业的安全可持续发展。煤矿井下定向孔可实现超前、区域、精准瓦斯抽采，是瓦斯灾害治理的重要技术手段，对提升矿井安全保障水平具有重要意义。自本世纪初随钻测量定向钻进技术引入我国煤矿井下钻探工程领域以来，我国自主开发了随钻测控千米定向钻进技术装备和大功率定向钻进技术装备，建立了本煤层集束型定向钻孔预抽采瓦斯、松软煤层梳状定向钻孔远距离卸压抽采瓦斯、顶板高位定向长钻孔采空区抽采瓦斯及井上、井下联合抽采瓦斯等煤与瓦斯共采体系，在山西、安徽、贵州等地区进行了广泛应用，取得了良好应用效果，对减少煤矿瓦斯事故的发生、促进煤矿井下安全生产、保障煤矿从业人员人身安全发挥了重要作用。

钻孔直径是影响瓦斯抽采效果的重要因素，在钻孔深度和抽采压力相同的情况下，随钻孔直径增大瓦斯抽采流量也将显著增大。为提高定向钻孔瓦斯抽采效果，应尽量增大钻孔直径。然而，目前煤矿井下定向孔主要采用小直径一次成孔、大直径二次扩孔的方法提高钻孔直径，存在一次钻孔直径小、二次大直径扩孔效率低、复杂破碎地层成孔困难等不足，具体体现如下：

首先，煤矿井下施工巷道条件受限，制约了钻探装备能力和定向钻具规格提升，定向孔一次成孔直径较小，一般小于φ120mm。

其次，虽然开发了正向多级大直径扩孔技术，在定向孔成孔后，通过扩孔钻具多次扩孔的方式，可将钻孔孔径扩大至φ200mm以上，但受扩孔作业影响，成孔效率低。

再次，我国高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井约60％的煤层属于碎软、低渗煤层，具有地质构造发育、煤体结构破碎等特点，定向孔钻进施工时，钻孔轨迹调整过程中需要连续滑动钻进，孔内所有定向钻具均不能回转，排渣效果差，易发安全事故。

因此，本发明结合煤矿井下高效瓦斯抽采需要，针对目前煤矿井下定向钻进技术装备存在的不足，研究设计了一种煤矿井下定向钻扩一体化钻具及定向钻进随钻扩孔方法，克服了上述缺陷。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种煤矿井下定向钻扩一体化钻具及定向钻进随钻扩孔方法，以解决目前煤矿井下瓦斯抽采定向钻孔一次成孔直径小、二次大直径扩孔效率低、复杂破碎地层成孔困难等问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种钻进状态切换装置，包括传动轴、套在传动轴外壁且依次同轴相连的轴承组A和轴承组B、安装在传动轴端部并能随传动轴转动的传扭盘、与传扭盘同轴配合安装并能轴向移动的活塞、套在活塞外且能随活塞同步转动的活塞壳体且活塞壳体两端分别连接所述轴承组B和翼片壳体；所述传动轴、传扭盘、活塞和翼片壳体均中心贯通；

所述活塞包括一体式且沿轴向依次设置的活塞端部、活塞连接部和锥形的活塞尖部以及活塞中心通道I和活塞中心通道II；活塞端部设有定位凸键以与传扭盘上的定位凹槽配合，活塞连接部外套有弹簧A且弹簧A两端通过活塞端部和活塞壳体内壁环形台阶限位，活塞尖部伸至翼片壳体内；

所述翼片壳体外壁设有周向布设的多个安装孔，每个安装孔上安装有限位端盖且限位端盖中心设有通孔；在翼片壳体内设有多个与所述通孔一一对应的翼片，翼片和限位端盖之间设有径向的弹簧B，各翼片围绕所述活塞尖部布设。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述活塞中心通道I的直径大于活塞中心通道II的直径以使冲洗液从活塞中心通道I流向活塞中心通道II时能对活塞施加轴向力至使活塞和传扭盘分离，进而活塞尖部能对各翼片施加径向推力使各翼片伸出通孔；

所述弹簧A能对活塞端部施加轴向力以使活塞复位至与传扭盘配合，进而各翼片在弹簧B作用下收回至通孔内。

具体的，所述传动轴包括传动轴安装端、传动轴第一外壁、传动轴第二外壁、传动轴端部和传动轴中心通道；传动轴第一外壁直径大于传动轴第二外壁直径，在传动轴第一外壁和传动轴第二外壁间为传动轴环形台阶；所述传扭盘内壁设有与传动轴端部连接的内螺纹，传扭盘端部设有所述定位凹槽。

具体的，所述轴承组A包括套在传动轴第一外壁上的径向轴承A以及套在径向轴承A外的轴承壳体A；所述轴承组B包括依次套在传动轴第二外壁上的推力轴承组和径向轴承B以及套在推力轴承组和径向轴承B外的轴承壳体B；所述轴承壳体A和轴承壳体B连接；在推力轴承组和传动轴环形台阶之间的传动轴第二外壁上套有环形的密封体，在径向轴承B和传扭盘之间的传动轴第二外壁上安装有锁紧螺母，锁紧螺母与传动轴环形台阶配合能对密封体、推力轴承组和径向轴承B轴向限位；所述推力轴承组两侧轴向限位在轴承壳体A端部与轴承壳体B内壁环形限位凸台之间；通过传动轴、锁紧螺母、轴承壳体A、轴承壳体B和推力轴承组能传递给进力和起拔力。

具体的，所述活塞端部侧壁为六棱柱结构；

所述活塞壳体内壁包括沿轴向依次设置的内螺纹连接面以与轴承组B连接、圆筒形内壁以对应传扭盘、六棱柱形内壁和所述环形台阶；

所述所述活塞端部与六棱柱形内壁配合安装以使活塞壳体能随活塞转动。

具体的，所述翼片包括伸出端、限位台、配合端；伸出端的顶面为圆弧面，在伸出端的顶面上镶嵌有保径合金，限位台和限位端盖之间安装所述弹簧B，配合端的底面为斜面以与活塞尖部配合；

所述限位端盖通过螺栓固定在翼片壳体上。

具体的，所述翼片与翼片壳体的安装孔内壁间设有密封圈；密封圈和所述密封体配合使钻进状态切换装置密封。

一种煤矿井下定向钻扩一体化钻具，包括所述的钻进状态切换装置，还包括滑动定向钻具和旋转扩孔钻具，且滑动定向钻具、钻进状态切换装置和旋转扩孔钻具依次连接；

所述滑动定向钻具包括依次相连的随钻测量探管、单弯螺杆马达和定向钻头，且随钻测量探管连接翼片壳体；

所述旋转扩孔钻具包括异形钻杆和扩孔钻头，所述异形钻杆外壁设有双曲面螺旋槽，所述扩孔钻头为环状结构且其内径小于定向钻头外径；所述异形钻杆连接传动轴安装端，扩孔钻头套装在传动轴安装端外。

具体的，所述随钻测量探管能测量钻孔轨迹空间参数和单弯螺杆马达的工具面方向以根据钻孔实钻轨迹与设计轨迹的偏差确定定向造斜方向；

回转动力能依次通过异形钻杆、传动轴、传扭盘、活塞、活塞壳体和翼片壳体传递至滑动定向钻具以带动滑动定向钻具转动至使单弯螺杆马达的工具面方向调整至定向造斜方向；

高压冲洗液能依次通过异形钻杆、传动轴、传扭盘至活塞时，能驱动活塞与传扭盘分离致使各翼片伸出支撑在钻孔壁上，以限制滑动定向钻具转动实现定向钻进和随钻扩孔同时进行。

一种煤矿井下定向钻进随钻扩孔方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：连接钻具：依次安装定向钻头、单弯螺杆马达、随钻测量探管、钻进状态切换装置、扩孔钻头和异形钻杆，利用钻机将连接好的定向钻扩一体化钻具下入至距离孔底0.5m处；

步骤二：调整定向钻进方向：保持孔口泥浆泵处于关闭状态，活塞在弹簧A作用下与传扭盘接触并啮合，翼片在弹簧B推动下缩回；利用随钻测量探管测量钻孔轨迹空间参数和单弯螺杆马达的工具面方向，根据钻孔实钻轨迹与设计轨迹的偏差确定定向造斜方向；利用钻机转动旋转扩孔钻具，回转动力依次通过钻进状态切换装置的传动轴、传扭盘、活塞、活塞壳体传递至滑动定向钻具，带动滑动定向钻具转动，将单弯螺杆马达的工具面方向调整至设定定向造斜方向；

步骤三：锁定定向钻进方向：开启泥浆泵，通过异形钻杆向钻孔内提供高压冲洗液；在高压冲洗液推动下，钻进状态切换装置的活塞沿活塞壳体向下运动，与传扭盘脱离；同时活塞推动翼片伸出，翼片支撑在孔壁上，通过摩擦力限制滑动定向钻具转动；

步骤四：定向钻进和随钻扩孔：利用孔口钻机向定向钻扩一体化钻具施加给进动力和回转动力，其中一部分给进动力通过传动轴和推力轴承组传递至滑动定向钻具最前端的定向钻头，单弯螺杆马达在泥浆泵提供的高压冲洗液作用下，带动孔底定向钻头回转破碎地层，钻进过程中，随钻测量探管和单弯螺杆马达不旋转，向预定方向造斜钻进，形成定向先导孔；另外一部分给进动力和全部回转动力经由异形钻杆传递给扩孔钻头，带动扩孔钻头沿定向先导孔回转扩孔；

步骤五：解除锁定：单根异形钻杆施工完后，关闭泥浆泵，定向钻扩一体化钻具内冲洗液压力释放，钻进状态切换装置的活塞在弹簧A作用下复位，与传扭盘接触并啮合；翼片在弹簧B推动下缩回，与孔壁脱离；

步骤六：钻孔完孔：添加异形钻杆后，重复步骤二至步骤五，继续进行钻孔施工，直至钻孔施工至设计深度后，退出孔内定向钻扩一体化钻具，完成钻孔施工。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明采用定向钻进随钻扩孔的方式，实现了大直径一次成孔，与常规大直径一次成孔技术相比，减小了单级碎岩需要的扭矩、定向钻具尺寸和钻进装备负荷，保障了钻进施工安全，利于实现大直径钻孔施工。

本发明综合利用了孔口钻机动力和孔底螺杆马达动力，定向钻进和扩孔施工分级进行，可形成多个卸荷自由面，提高了钻进碎岩效率；同时不需要二次扩孔即可大直径成孔，避免了频繁起下钻和回转扩孔作业，提高了施工效率。

本发明钻扩施工过程中，仅前部滑动定向钻具不回转，后部扩孔钻具全程回转高效排渣，提升了钻进安全性，拓宽了适用地层范围。

附图说明

图1是定向钻扩一体化钻具示意图。

图2是钻进状态切换装置示意图。

图3是活塞壳体示意图。

图4是传扭盘示意图。

图5是活塞示意图。

图6是翼片结构示意图。

图7是翼片壳体结构示意图。

图8是定向钻进随钻扩孔方法原理示意图。

附图标记含义：

1.异形钻杆，2.扩孔钻头，3.钻进状态切换装置，4.随钻测量探管，5.单弯螺杆马达，6.定向钻头，7.地层，8.钻孔；

31.传动轴，311.密封体，312.锁紧螺母，321.径向轴承A，322.轴承壳体A，331.推力轴承组，332.径向轴承B，333.轴承壳体B，34.传扭盘，341.定位凹槽，35.活塞，351.活塞端部，352.活塞连接部，353.活塞尖部，354.活塞中心通道I，355.活塞中心通道II，356.定位凸键，357.弹簧A，36.活塞壳体，37.翼片壳体，371.限位端盖，372.翼片，3721.伸出端，3722.限位台，3723.配合端，3724.密封圈槽，373.弹簧B，374.密封圈，375.安装孔，376.紧固螺钉孔。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

本实施例提供一种钻进状态切换装置，如图2至图7所示，包括传动轴31、套在传动轴31外壁且依次同轴相连的轴承组A和轴承组B、安装在传动轴31端部并能随传动轴31转动的传扭盘34、与传扭盘34同轴配合安装并能轴向移动的活塞35、套在活塞35外且能随活塞35同步转动的活塞壳体36且活塞壳体36两端分别连接所述轴承组B和翼片壳体37；传动轴31、传扭盘34、活塞35和翼片壳体37均中心贯通。

活塞35包括一体式且沿轴向依次设置的活塞端部351、活塞连接部352和锥形的活塞尖部353以及活塞中心通道I354和活塞中心通道II355；活塞端部351设有定位凸键356以与传扭盘34上的定位凹槽341配合，活塞连接部352外套有弹簧A357且弹簧A357两端通过活塞端部351和活塞壳体36内壁环形台阶限位，活塞尖部353伸至翼片壳体37内。

翼片壳体37外壁设有周向布设的多个安装孔375，每个安装孔375上安装有限位端盖371且限位端盖371中心设有通孔；在翼片壳体37内设有多个与通孔一一对应的翼片372，翼片372和限位端盖371之间设有径向的弹簧B373，各翼片372围绕活塞尖部353布设。

活塞中心通道I354的直径大于活塞中心通道II355的直径以使冲洗液从活塞中心通道I354流向活塞中心通道II355时能对活塞35施加轴向力至使活塞35和传扭盘34分离，进而活塞尖部353能对各翼片372施加径向推力使各翼片372伸出通孔。

弹簧A357能对活塞端部351施加轴向力以使活塞35复位至与传扭盘34配合，进而各翼片372在弹簧B373作用下收回至通孔内。

传动轴31包括传动轴安装端、传动轴第一外壁、传动轴第二外壁、传动轴端部和传动轴中心通道；传动轴第一外壁直径大于传动轴第二外壁直径，在传动轴第一外壁和传动轴第二外壁间为传动轴环形台阶；传扭盘34内壁设有与传动轴端部连接的内螺纹，传扭盘端部设有定位凹槽341。

轴承组A包括套在传动轴第一外壁上的径向轴承A321以及套在径向轴承A321外的轴承壳体A322；轴承组B包括依次套在传动轴第二外壁上的推力轴承组331和径向轴承B332以及套在推力轴承组331和径向轴承B332外的轴承壳体B333；轴承壳体A322和轴承壳体B333连接；在推力轴承组331和传动轴环形台阶之间的传动轴第二外壁上套有环形的密封体311，在径向轴承B332和传扭盘34之间的传动轴第二外壁上安装有锁紧螺母312，锁紧螺母312与传动轴环形台阶配合能对密封体311、推力轴承组331和径向轴承B332轴向限位；推力轴承组331两侧轴向限位在轴承壳体A322端部与轴承壳体B333内壁环形限位凸台之间；通过传动轴31、锁紧螺母312、轴承壳体A322、轴承壳体B333和推力轴承组331能传递给进力和起拔力。

更具体的，轴承壳体A322内壁沿轴向依次为：轴承壳体A第一内壁以套在径向轴承A321外壁、轴承壳体A第二内壁以套在传动轴第一外壁以及轴承壳体A第三内壁以套在密封体311外壁；轴承壳体B333内壁沿轴向依次为：轴承壳体B第一内壁以与轴承壳体A322连接、轴承壳体B第二内壁以套在推力轴承组331外以及轴承壳体B第三内壁以套在径向轴承B332外；轴承壳体A第三内壁直径小于轴承壳体B第二内壁直径以形成轴承壳体A端部环凸，轴承壳体B第二内壁直径大于轴承壳体B第三内壁直径从而在二者间形成环形限位凸台，轴承壳体A端部环凸和轴承壳体B环形限位凸台配合对推力轴承组331轴向限位。

活塞端部351侧壁为六棱柱结构；活塞壳体36内壁包括沿轴向依次设置的内螺纹连接面以与轴承组B连接、圆筒形内壁以对应传扭盘34、六棱柱形内壁和环形台阶；

活塞端部351与六棱柱形内壁配合安装以使活塞壳体36能随活塞35转动。

翼片372包括伸出端3721、限位台3722、配合端3723；伸出端3721的顶面为圆弧面，在伸出端3721的顶面上镶嵌有保径合金3725，限位台3722和限位端盖371之间安装弹簧B373，配合端3723的底面为斜面以与活塞尖部353配合；限位端盖371通过螺栓固定在翼片壳体37上，在翼片壳体37上设有径向的紧固螺钉孔376以安装螺栓；在本实施例中，翼片372、安装孔、通孔和端盖均为四个，且四个翼片372沿翼片壳体37周向均布。

翼片372与翼片壳体37的安装孔内壁间设有密封圈374；密封圈374和密封体311配合使钻进状态切换装置密封。更具体的，在配合端侧壁设有密封圈槽3724用以安装密封圈374。

实施例2：

本实施例提供一种煤矿井下定向钻扩一体化钻具，如图1所示，包括实施例1中的钻进状态切换装置3，还包括滑动定向钻具和旋转扩孔钻具，且滑动定向钻具、钻进状态切换装置3和旋转扩孔钻具依次连接。

滑动定向钻具包括依次相连的随钻测量探管4、单弯螺杆马达5和定向钻头6，且随钻测量探管4连接翼片壳体37。

旋转扩孔钻具包括异形钻杆1和扩孔钻头2，异形钻杆1外壁设有双曲面螺旋槽，扩孔钻头2为环状结构且其内径小于定向钻头6外径；异形钻杆1连接传动轴安装端，扩孔钻头2套装在传动轴安装端外。

随钻测量探管4能测量钻孔轨迹空间参数和单弯螺杆马达5的工具面方向以根据钻孔实钻轨迹与设计轨迹的偏差确定定向造斜方向。

回转动力能依次通过异形钻杆1、传动轴31、传扭盘34、活塞35、活塞壳体36和翼片壳体37传递至滑动定向钻具以带动滑动定向钻具转动至使单弯螺杆马达5的工具面方向调整至定向造斜方向。

高压冲洗液能依次通过异形钻杆1、传动轴31、传扭盘34至活塞35时，能驱动活塞35与传扭盘34分离致使各翼片372伸出支撑在钻孔壁上，以限制滑动定向钻具转动实现定向钻进和随钻扩孔同时进行。

实施例3：

本实施例提供一种煤矿井下定向钻进随钻扩孔方法，如图8所示，该方法包括以下步骤：

步骤一：连接钻具：完成孔口套管段施工后，依次安装定向钻头、单弯螺杆马达、随钻测量探管、钻进状态切换装置、扩孔钻头和异形钻杆，利用钻机将连接好的定向钻扩一体化钻具下入至距离孔底0.5m处；

步骤二：调整定向钻进方向：保持孔口泥浆泵处于关闭状态，活塞在弹簧A作用下与传扭盘接触并啮合，翼片在弹簧B推动下缩回；利用随钻测量探管测量钻孔轨迹空间参数和单弯螺杆马达的工具面方向，根据钻孔实钻轨迹与设计轨迹的偏差确定定向造斜方向；利用钻机转动旋转扩孔钻具，回转动力依次通过钻进状态切换装置的传动轴、传扭盘、活塞、活塞壳体传递至滑动定向钻具，带动滑动定向钻具转动，将单弯螺杆马达的工具面方向调整至设定定向造斜方向；

步骤三：锁定定向钻进方向：开启泥浆泵，通过异形钻杆向钻孔内提供高压冲洗液；在高压冲洗液推动下，钻进状态切换装置的活塞沿活塞壳体向下运动，与传扭盘脱离；同时活塞推动翼片伸出，翼片支撑在孔壁上，通过摩擦力限制滑动定向钻具转动；

步骤四：定向钻进和随钻扩孔：利用孔口钻机向定向钻扩一体化钻具施加给进动力和回转动力，其中一部分给进动力通过传动轴和推力轴承组传递至滑动定向钻具最前端的定向钻头，单弯螺杆马达在泥浆泵提供的高压冲洗液作用下，带动孔底定向钻头回转破碎地层，钻进过程中，随钻测量探管和单弯螺杆马达不旋转，向预定方向造斜钻进，形成定向先导孔；另外一部分给进动力和全部回转动力经由异形钻杆传递给扩孔钻头，带动扩孔钻头沿定向先导孔回转扩孔；

步骤五：解除锁定：单根异形钻杆施工完后，关闭泥浆泵，定向钻扩一体化钻具内冲洗液压力释放，钻进状态切换装置的活塞在弹簧A作用下复位，与传扭盘接触并啮合；翼片在弹簧B推动下缩回，与孔壁脱离；

步骤六：钻孔完孔：添加异形钻杆后，重复步骤二至步骤五，继续进行钻孔施工，直至钻孔施工至设计深度后，退出孔内定向钻扩一体化钻具，完成钻孔施工。

Claims (8)

1.一种钻进状态切换装置，其特征在于，包括传动轴（31）、套在传动轴（31）外壁且依次同轴相连的轴承组A和轴承组B、安装在传动轴（31）端部并能随传动轴（31）转动的传扭盘（34）、与传扭盘（34）同轴配合安装并能轴向移动的活塞（35）、套在活塞（35）外且能随活塞（35）同步转动的活塞壳体（36）且活塞壳体（36）两端分别连接所述轴承组B和翼片壳体（37）；所述传动轴（31）、传扭盘（34）、活塞（35）和翼片壳体（37）均中心贯通；

所述活塞（35）包括一体式且沿轴向依次设置的活塞端部（351）、活塞连接部（352）和锥形的活塞尖部（353）以及活塞中心通道I（354）和活塞中心通道II（355）；活塞端部（351）设有定位凸键（356）以与传扭盘（34）上的定位凹槽（341）配合，活塞连接部（352）外套有弹簧A（357）且弹簧A（357）两端通过活塞端部（351）和活塞壳体（36）内壁环形台阶限位，活塞尖部（353）伸至翼片壳体（37）内；

所述翼片壳体（37）外壁设有周向布设的多个安装孔（375），每个安装孔（375）上安装有限位端盖（371）且限位端盖（371）中心设有通孔；在翼片壳体（37）内设有多个与所述通孔一一对应的翼片（372），翼片（372）和限位端盖（371）之间设有径向的弹簧B（373），各翼片（372）围绕所述活塞尖部（353）布设；

所述活塞中心通道I（354）的直径大于活塞中心通道II（355）的直径以使冲洗液从活塞中心通道I（354）流向活塞中心通道II（355）时能对活塞（35）施加轴向力至使活塞（35）和传扭盘（34）分离，进而活塞尖部（353）能对各翼片（372）施加径向推力使各翼片（372）伸出通孔；

所述弹簧A（357）能对活塞端部（351）施加轴向力以使活塞（35）复位至与传扭盘（34）配合，进而各翼片（372）在弹簧B（373）作用下收回至通孔内；

所述活塞端部（351）侧壁为六棱柱结构；

所述活塞壳体（36）内壁包括沿轴向依次设置的内螺纹连接面以与轴承组B连接、圆筒形内壁以对应传扭盘（34）、六棱柱形内壁和所述环形台阶；

所述活塞端部（351）与六棱柱形内壁配合安装以使活塞壳体（36）能随活塞（35）转动。

2.如权利要求1所述的钻进状态切换装置，其特征在于，所述传动轴（31）包括传动轴安装端、传动轴第一外壁、传动轴第二外壁、传动轴端部和传动轴中心通道；传动轴第一外壁直径大于传动轴第二外壁直径，在传动轴第一外壁和传动轴第二外壁间为传动轴环形台阶；所述传扭盘（34）内壁设有与传动轴端部连接的内螺纹，传扭盘端部设有所述定位凹槽（341）。

3.如权利要求2所述的钻进状态切换装置，其特征在于，所述轴承组A包括套在传动轴第一外壁上的径向轴承A（321）以及套在径向轴承A（321）外的轴承壳体A（322）；所述轴承组B包括依次套在传动轴第二外壁上的推力轴承组（331）和径向轴承B（332）以及套在推力轴承组（331）和径向轴承B（332）外的轴承壳体B（333）；所述轴承壳体A（322）和轴承壳体B（333）连接；在推力轴承组（331）和传动轴环形台阶之间的传动轴第二外壁上套有环形的密封体（311），在径向轴承B（332）和传扭盘（34）之间的传动轴第二外壁上安装有锁紧螺母（312），锁紧螺母（312）与传动轴环形台阶配合能对密封体（311）、推力轴承组（331）和径向轴承B（332）轴向限位；所述推力轴承组（331）两侧轴向限位在轴承壳体A（322）端部与轴承壳体B（333）内壁环形限位凸台之间；通过传动轴（31）、锁紧螺母（312）、轴承壳体A（322）、轴承壳体B（333）和推力轴承组（331）能传递给进力和起拔力。

4.如权利要求1所述的钻进状态切换装置，其特征在于，所述翼片（372）包括伸出端（3721）、限位台（3722）、配合端（3723）；伸出端（3721）的顶面为圆弧面，在伸出端（3721）的顶面上镶嵌有保径合金（3725），限位台（3722）和限位端盖（371）之间安装所述弹簧B（373），配合端（3723）的底面为斜面以与活塞尖部（353）配合；

所述限位端盖（371）通过螺栓固定在翼片壳体（37）上。

5.如权利要求3所述的钻进状态切换装置，其特征在于，所述翼片（372）与翼片壳体（37）的安装孔内壁间设有密封圈（374）；密封圈（374）和所述密封体（311）配合使钻进状态切换装置密封。

6.一种煤矿井下定向钻扩一体化钻具，其特征在于，包括权利要求2至5任一权利要求所述的钻进状态切换装置（3），还包括滑动定向钻具和旋转扩孔钻具，且滑动定向钻具、钻进状态切换装置（3）和旋转扩孔钻具依次连接；

所述滑动定向钻具包括依次相连的随钻测量探管（4）、单弯螺杆马达（5）和定向钻头（6），且随钻测量探管（4）连接翼片壳体（37）；

所述旋转扩孔钻具包括异形钻杆（1）和扩孔钻头（2），所述异形钻杆（1）外壁设有双曲面螺旋槽，所述扩孔钻头（2）为环状结构且其内径小于定向钻头（6）外径；所述异形钻杆（1）连接传动轴安装端，扩孔钻头（2）套装在传动轴安装端外。

7.如权利要求6所述的煤矿井下定向钻扩一体化钻具，其特征在于，所述随钻测量探管（4）能测量钻孔轨迹空间参数和单弯螺杆马达（5）的工具面方向以根据钻孔实钻轨迹与设计轨迹的偏差确定定向造斜方向；

回转动力能依次通过异形钻杆（1）、传动轴（31）、传扭盘（34）、活塞（35）、活塞壳体（36）和翼片壳体（37）传递至滑动定向钻具以带动滑动定向钻具转动至使单弯螺杆马达（5）的工具面方向调整至定向造斜方向；

高压冲洗液能依次通过异形钻杆（1）、传动轴（31）、传扭盘（34）至活塞（35）时，能驱动活塞（35）与传扭盘（34）分离致使各翼片（372）伸出支撑在钻孔壁上，以限制滑动定向钻具转动实现定向钻进和随钻扩孔同时进行。

8.一种煤矿井下定向钻进随钻扩孔方法，其特征在于，该方法通过权利要求7所述的煤矿井下定向钻扩一体化钻具实现，包括以下步骤：

步骤一：连接钻具：依次安装定向钻头、单弯螺杆马达、随钻测量探管、钻进状态切换装置、扩孔钻头和异形钻杆，利用钻机将连接好的定向钻扩一体化钻具下入至距离孔底0.5m处；

步骤二：调整定向钻进方向：保持孔口泥浆泵处于关闭状态，活塞在弹簧A作用下与传扭盘接触并啮合，翼片在弹簧B推动下缩回；利用随钻测量探管测量钻孔轨迹空间参数和单弯螺杆马达的工具面方向，根据钻孔实钻轨迹与设计轨迹的偏差确定定向造斜方向；利用钻机转动旋转扩孔钻具，回转动力依次通过钻进状态切换装置的传动轴、传扭盘、活塞、活塞壳体传递至滑动定向钻具，带动滑动定向钻具转动，将单弯螺杆马达的工具面方向调整至设定定向造斜方向；

步骤三：锁定定向钻进方向：开启泥浆泵，通过异形钻杆向钻孔内提供高压冲洗液；在高压冲洗液推动下，钻进状态切换装置的活塞沿活塞壳体向下运动，与传扭盘脱离；同时活塞推动翼片伸出，翼片支撑在孔壁上，通过摩擦力限制滑动定向钻具转动；

步骤四：定向钻进和随钻扩孔：利用孔口钻机向定向钻扩一体化钻具施加给进动力和回转动力，其中一部分给进动力通过传动轴和推力轴承组传递至滑动定向钻具最前端的定向钻头，单弯螺杆马达在泥浆泵提供的高压冲洗液作用下，带动孔底定向钻头回转破碎地层，钻进过程中，随钻测量探管和单弯螺杆马达不旋转，向预定方向造斜钻进，形成定向先导孔；另外一部分给进动力和全部回转动力经由异形钻杆传递给扩孔钻头，带动扩孔钻头沿定向先导孔回转扩孔；

步骤五：解除锁定：单根异形钻杆施工完后，关闭泥浆泵，定向钻扩一体化钻具内冲洗液压力释放，钻进状态切换装置的活塞在弹簧A作用下复位，与传扭盘接触并啮合；翼片在弹簧B推动下缩回，与孔壁脱离；

步骤六：钻孔完孔：添加异形钻杆后，重复步骤二至步骤五，继续进行钻孔施工，直至钻孔施工至设计深度后，退出孔内定向钻扩一体化钻具，完成钻孔施工。

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