CN115126417A - 一种水力冲孔装置及水力冲孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力冲孔装置及水力冲孔方法，包括与钻机相连的钻杆，钻杆与高压水冲孔钻头相连，所述钻杆与高压水冲孔钻头之间、相邻的钻杆之间均通过中空的连接杆相连，所述连接杆与高压水冲孔钻头之间、连接杆与钻杆之间均通过螺纹副连接，连接杆与高压水冲孔钻头之间、连接杆与钻杆之间的螺纹副旋紧方向均与钻机正向旋转方向相反，所述连接杆的内孔中设置有旋流板，所述旋流板使高压水的旋流方向与螺纹副旋紧方向相反。本发明通过设置带有旋流板的连接杆，借助高压水的反向作用力抵消了钻杆反转产生的惯性力，避免了钻杆的脱落，实现钻杆正反转，可充分破坏煤渣堆积的力学状态，克服了反转时钻杆脱落的技术问题。

Description

一种水力冲孔装置及水力冲孔方法

技术领域

本发明涉及水力冲孔技术领域，特别是指一种水力冲孔装置及水力冲孔方法。

背景技术

水力冲孔是指利用钻机打钻时喷射的水射流在突出的煤层内冲出煤炭和瓦斯或诱导可控制的小型突出，以造成煤体卸压，排放瓦斯，消除采掘突出危险的方法。

水力冲孔过程中返水排渣经常堵塞钻孔，虽然钻杆的旋转转动能够对破碎煤渣进行二次破坏，并破坏煤渣在钻孔内堆积时的力学稳定性，但是由于钻杆只能朝同一个方向旋转，钻杆的旋转单一性对煤渣堆积的力学状态破坏并不充分。因此，传统的钻杆无法解决返水排渣经常堵塞钻孔的技术问题。

经检索，现有申请公布日为2019.04.02、申请公布号为CN 109555481 A的中国发明专利申请公开了一种水力冲孔钻孔三级破煤防堵孔装置及方法，包括依序相连的一级破煤器、二级破煤器和三级破煤器，每一级破煤器由钻杆和环绕固定在钻杆柱面的破煤钉组成，一级破煤器、二级破煤器和三级破煤器上的破煤钉的数量依序增加，该装置在高速旋转时，一级破煤器将大块煤体破碎为中块煤体，再由二级破煤器将煤体破碎为小块，最后由三级破煤器把煤体破碎为能够顺利排出钻孔的小煤粒。

上述发明专利申请的技术方案虽然能够在一定程度上解决阻塞问题，但是仍然只能朝一个方向旋转，无法充分可靠地地解决堵塞问题；另外，上述发明专利申请的技术方案采用的是多级破煤器等机械结构，多级破煤器和高压水冲孔钻头均需要通过钻杆驱动来旋转破碎煤块，即使能够顺利将各种煤块破碎，也会导致阻力增大而发生过载，严重影响钻机的使用寿命，而且还会发生无法破碎煤块而卡滞的风险。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种水力冲孔装置及水力冲孔方法，解决了使用现有水力冲孔装置时会产生返水排渣堵塞钻孔的技术问题。

本申请的技术方案为：

一种水力冲孔装置，包括与钻机相连的钻杆，钻杆与高压水冲孔钻头相连，所述钻杆与高压水冲孔钻头之间、相邻的钻杆之间均通过中空的连接杆相连，所述连接杆与高压水冲孔钻头之间、连接杆与钻杆之间均通过螺纹副连接，连接杆与高压水冲孔钻头之间、连接杆与钻杆之间的螺纹副旋紧方向均与钻机正向旋转方向相反，所述连接杆的内孔中设置有旋流板，所述旋流板使高压水的旋流方向与螺纹副旋紧方向相反。

进一步地，所述钻杆的内径、高压水冲孔钻头的内径、连接杆的内径均相同，所述旋流板位于连接杆的流通截面内。

进一步地，所述连接杆的上下两端均设置有沉孔，沉孔的内壁上设置有内螺纹，所述钻杆的上下两端、高压水冲孔钻头的连接端均设置有凸出的小径段，小径段的外壁设置有与所述内螺纹匹配的外螺纹。

进一步地，所述钻杆的外径、高压水冲孔钻头的外径、连接杆的外径均相同，所述小径段的长度与沉孔的深度相等。

进一步地，所述高压水冲孔钻头包括与连接杆连通的轴向段，轴向段背离连接杆的一端连接有中空的径向段，径向段与轴向段同轴设置且相互连通，径向段上设置有径向射流孔和轴向射流孔。

进一步地，所述径向段的直径大于轴向段的直径，轴向段与径向段穿插配合，轴向段的顶部与径向段的顶板的底面密封连接，径向段的底板与轴向段的外壁密封连接，轴向段位于所述顶板和底板之间的部位设置有连通轴向段内孔与径向段内腔的连通孔。

进一步地，所述径向射流孔设置在径向段的周向壁上，所述周向壁与轴向段外壁之间的顶板上设置所述轴向射流孔，所述径向射流孔和轴向射流孔均设置有两个，两个径向射流孔关于轴向段对称设置，两个轴向射流孔关于轴向段对称设置。

进一步地，所述周向壁的内壁与轴向段的外壁之间设置有两个固定块，两个固定块关于轴向段对称设置且将径向段的内腔分割为第一腔体和第二腔体，所述连通孔设置有两个且分别与第一腔体和第二腔体连通，第一腔体内设置有第一滑块，第二腔体内设置有第二滑块，一个径向射流孔、一个轴向射流孔与第一腔体连通，另一个径向射流孔、另一个轴向射流孔与第二腔体连通；当钻机正向旋转时，第一滑块、第二滑块均封堵在连通孔与轴向射流孔之间且连通孔与径向射流孔连通；当钻机反向旋转时，第一滑块、第二滑块均封堵在连通孔与径向射流孔之间且连通孔与轴向射流孔连通。

进一步地，所述第一滑块的顶面与所述顶板滑动密封、底面与所述底板滑动密封、外周面与所述周向壁滑动密封、内周面与轴向段的外壁之间滑动密封，第一滑块的左端部和右端部均设置有凸出的弧形轮廓面，所述固定块的左端面和右端面均为平面形轮廓面，所述第二滑块的结构与第一滑块的结构相同。

一种水力冲孔方法，使用所述水力冲孔装置，控制所述钻机正向旋转，钻机带动钻杆、连接杆和高压水冲孔钻头同步正向旋转，在惯性作用力的作用下，所述螺纹副具有旋紧的趋势，同时高压水通过钻杆、连接杆向高压水冲孔钻头输送，高压水作用于旋流板具有周向旋转的分力和轴向的分力，在周向旋转分力的作用下，所述螺纹副具有旋紧的趋势，第一滑块、第二滑块均封堵在连通孔与轴向射流孔之间且连通孔与径向射流孔连通，高压水通过径向射流孔朝周向方向冲击；

控制所述钻机反向旋转，钻机带动钻杆、连接杆和高压水冲孔钻头同步反向旋转，在惯性作用力的作用下，所述螺纹副具有旋松的趋势，同时高压水通过钻杆、连接杆向高压水冲孔钻头输送，高压水作用于旋流板具有周向旋转的分力和轴向的分力，在周向旋转分力的作用下，所述螺纹副具有旋紧的趋势且与螺纹副旋松的趋势相互抵消，第一滑块、第二滑块均封堵在连通孔与径向射流孔之间且连通孔与轴向射流孔连通，高压水通过轴向射流孔朝轴向方向冲击；

在钻孔成孔过程中，控制钻机反转，高压水通过轴向射流孔射出，钻孔垂直射流钻进，钻进一段距离后，控制钻机正转，高压水通过径向射流孔射出，对钻进一段距离后的钻孔进行冲击扩孔；或者当钻孔成孔后，控制钻机正转和反转交替进行，径向射流孔喷出高压水扩孔且喷出渣土，轴向射流孔喷出的高压水增加钻孔返水提高渣土的运移能力，确保渣土顺利排出孔洞。

本发明提供了一种水力冲孔装置和水力冲孔方法，通过控制钻杆的正转和反转，能够对破碎煤渣进行二次破坏，并充分破坏煤渣在钻孔内堆积时的力学稳定性，通过设置带有旋流板的连接杆，借助高压水的反向作用力抵消了钻杆反转产生的惯性力，避免了钻杆的脱落，实现钻杆正反转，可充分破坏煤渣堆积的力学状态，克服了反转时钻杆脱落的技术问题。另外，通过设置滑块，在钻杆正转和反转时会自动开启不同方向的高压水射流，进一步提高钻孔、扩孔和排渣的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明的钻杆、连接杆与高压水冲孔钻头装配后的主视图；

图2：图1的俯视图；

图3：图1的局部剖视图；

图4：图1中A-A面的剖视图；

图5：钻机正向旋转时高压水冲孔钻头的内部状态图；

图6：钻机反向旋转时高压水冲孔钻头的内部状态图；

1：钻杆；11：小径段；

2：高压水冲孔钻头；21：轴向段；22：径向段；221：顶板；222：底板；223：周向壁；23：径向射流孔；24：轴向射流孔；25：连通孔；26：固定块；261：平面形轮廓面；

3：连接杆；31：旋流板；32：沉孔；

4：第一腔体；41：第一滑块；411：弧形轮廓面；

5：第二腔体；51：第二滑块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种水力冲孔装置，如图1和图2所示，包括与钻机相连的钻杆1，钻杆1与高压水冲孔钻头2相连，钻机能够带动钻杆1和高压水冲孔钻头2同步旋转，同时通过钻杆1向高压水冲孔钻头2提供持续的高压水。钻机为现有技术，图中未示出。

具体地，所述钻杆1与高压水冲孔钻头2之间、相邻的钻杆1之间均通过中空的连接杆3相连。即通过钻杆1和连接杆3实现延长，在钻机带动钻杆1同步旋转时，连接杆3随之同步旋转。

所述连接杆3与高压水冲孔钻头2之间、连接杆3与钻杆1之间均通过螺纹副连接，连接杆3与高压水冲孔钻头2之间、连接杆3与钻杆1之间的螺纹副旋紧方向均与钻机正向旋转方向相反。则在准基正向旋转时，由于惯性力的存在，所述螺纹副具有旋紧的动力，避免钻杆1脱落，该部分结构为电钻、钻机、电锯、风扇等领域的现有技术。但是，只有上述结构钻机无法反向旋转，若钻机反向旋转，则惯性力和摩擦阻力很容易致使钻杆脱落。

如图3所示，本技术方案的连接杆3的内孔中设置有旋流板31，所述旋流板31使高压水的旋流方向与螺纹副旋紧方向相反。则在高压水通过连接杆3时，相反旋向的高压水会向旋流板施加一个反方向的周向分力，该周向分力会与所述惯性力和摩擦阻力相互抵消，进而避免钻杆1脱落。因此，在钻杆的正向旋转和反向旋转的过程中，钻杆都不会发生脱落，能够利用钻杆1的正转和反转，充分破坏煤渣堆积的力学状态，进而避免堵塞。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，所述钻杆1的内径、高压水冲孔钻头2的内径、连接杆3的内径均相同，不仅能保证高压水供应的可靠性，而且高压水在钻杆1和连接杆3及高压水冲孔钻头2内无压力波动，避免因为震动而导致所述螺纹副处松脱。所述旋流板31位于连接杆3的流通截面内，能够保证高压水通过连接杆3时提供足够的周向旋转分力。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，所述连接杆3的上下两端均设置有沉孔32，沉孔32的内壁上设置有内螺纹，所述钻杆1的上下两端、高压水冲孔钻头2的连接端均设置有凸出的小径段11，小径段11的外壁设置有与所述内螺纹匹配的外螺纹。

进一步地，所述钻杆1的外径、高压水冲孔钻头2的外径、连接杆3的外径均相同，所述小径段11的长度与沉孔32的深度相等。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，所述高压水冲孔钻头2包括与连接杆3连通的轴向段21，轴向段21背离连接杆3的一端连接有中空的径向段22，结构简单而便于加工和维护。所述径向段22与轴向段21同轴设置且相互连通，同轴设置保证旋转时各向受力平衡。所述径向段22上设置有径向射流孔23和轴向射流孔24，高压水通过径向射流孔23向外射出实现扩孔，高压水通过轴向射流孔向外射出实现钻孔。

具体地，所述径向段22的直径大于轴向段21的直径，轴向段21与径向段22穿插配合，轴向段21的顶部与径向段22的顶板221的底面密封连接，径向段22的底板222与轴向段21的外壁密封连接。轴向段21位于所述顶板221和底板222之间的部位设置有连通轴向段21内孔与径向段22内腔的连通孔25，轴向段21内孔中的高压水通过连通孔25进入径向段22的内腔中，然后通过径向射流孔23和轴向射流孔24射出。

进一步地，所述径向射流孔23设置在径向段22的周向壁223上，所述周向壁223与轴向段21外壁之间的顶板221上设置所述轴向射流孔24。所述径向射流孔23和轴向射流孔24均设置有两个，两个径向射流孔23关于轴向段21对称设置，两个轴向射流孔24关于轴向段21对称设置，保证高压水射流时各向受力平衡。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，所述周向壁223的内壁与轴向段21的外壁之间设置有两个固定块26，两个固定块26可焊接在周向壁223的内壁与轴向段21的外壁之间，且固定块26的顶部与顶板221焊接、底部与底板222焊接。即两个固定块26关于轴向段21对称设置且将径向段22的内腔分割为第一腔体4和第二腔体5，第一腔体4和第二腔体5互不连通。所述连通孔25设置有两个且分别与第一腔体4和第二腔体5连通。

所述第一腔体4内设置有第一滑块41，第二腔体5内设置有第二滑块51，一个径向射流孔23、一个轴向射流孔24与第一腔体4连通，另一个径向射流孔23、另一个轴向射流孔24与第二腔体5连通。通过改变第一滑块41、第二滑块51在第一腔体4和第二腔体5中的位置，可以实现径向射流孔23和轴向射流孔24的通断。

当钻机正向旋转时，在离心力的作用下，第一滑块41、第二滑块51均封堵在连通孔25与轴向射流孔24之间且连通孔25与径向射流孔23连通；与之相反地，当钻机反向旋转时，在离心力的作用下，第一滑块41、第二滑块51均封堵在连通孔25与径向射流孔23之间且连通孔25与轴向射流孔24连通。

进一步地，所述第一滑块41的顶面与所述顶板221滑动密封、底面与所述底板222滑动密封、外周面与所述周向壁223滑动密封、内周面与轴向段21的外壁之间滑动密封，第一滑块41的左端部和右端部均设置有凸出的弧形轮廓面411，所述固定块26的左端面和右端面均为平面形轮廓面261。所述第二滑块51的结构与第一滑块41的结构相同，即第二滑块51的左端部和右端部均设置有凸出的弧形轮廓面411。无论钻机正转还是反转，在离心力的作用下，两个滑块的左端部或右端部与固定块26顶接时，两个相互顶接的面只存在点接触，避免了面接触，防止因水的张力或环境压力而导致无法快速分离。

一种水力冲孔方法，使用所述水力冲孔装置，控制所述钻机正向旋转，钻机带动钻杆1、连接杆3和高压水冲孔钻头2同步正向旋转，在惯性作用力的作用下，所述螺纹副具有旋紧的趋势，同时高压水通过钻杆1、连接杆3向高压水冲孔钻头2输送，高压水作用于旋流板31具有周向旋转的分力和轴向的分力，在周向旋转分力的作用下，所述螺纹副具有旋紧的趋势，第一滑块41、第二滑块51均封堵在连通孔25与轴向射流孔24之间且连通孔25与径向射流孔23连通，高压水通过径向射流孔23朝周向方向冲击。

控制所述钻机反向旋转，钻机带动钻杆1、连接杆3和高压水冲孔钻头2同步反向旋转，在惯性作用力的作用下，所述螺纹副具有旋松的趋势，同时高压水通过钻杆1、连接杆3向高压水冲孔钻头2输送，高压水作用于旋流板31具有周向旋转的分力和轴向的分力，在周向旋转分力的作用下，所述螺纹副具有旋紧的趋势且与螺纹副旋松的趋势相互抵消，第一滑块41、第二滑块51均封堵在连通孔25与径向射流孔23之间且连通孔25与轴向射流孔24连通，高压水通过轴向射流孔24朝轴向方向冲击。

在钻孔成孔过程中，控制钻机反转，高压水通过轴向射流孔24射出，钻孔垂直射流钻进，钻进一段距离后，控制钻机正转，高压水通过径向射流孔23射出，对钻进一段距离后的钻孔进行冲击扩孔；或者当钻孔成孔后，控制钻机正转和反转交替进行，径向射流孔23喷出高压水扩孔且喷出渣土，轴向射流孔24喷出的高压水增加钻孔返水提高渣土的运移能力，确保渣土顺利排出孔洞。

本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。

以上内容显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的有益效果。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水力冲孔装置，包括与钻机相连的钻杆（1），钻杆（1）与高压水冲孔钻头（2）相连，其特征在于：所述钻杆（1）与高压水冲孔钻头（2）之间、相邻的钻杆（1）之间均通过中空的连接杆（3）相连，所述连接杆（3）与高压水冲孔钻头（2）之间、连接杆（3）与钻杆（1）之间均通过螺纹副连接，连接杆（3）与高压水冲孔钻头（2）之间、连接杆（3）与钻杆（1）之间的螺纹副旋紧方向均与钻机正向旋转方向相反，所述连接杆（3）的内孔中设置有旋流板（31），所述旋流板（31）使高压水的旋流方向与螺纹副旋紧方向相反。

2.根据权利要求1所述的水力冲孔装置，其特征在于：所述钻杆（1）的内径、高压水冲孔钻头（2）的内径、连接杆（3）的内径均相同，所述旋流板（31）位于连接杆（3）的流通截面内。

3.根据权利要求1或2所述的水力冲孔装置，其特征在于：所述连接杆（3）的上下两端均设置有沉孔（32），沉孔（32）的内壁上设置有内螺纹，所述钻杆（1）的上下两端、高压水冲孔钻头（2）的连接端均设置有凸出的小径段（11），小径段（11）的外壁设置有与所述内螺纹匹配的外螺纹。

4.根据权利要求3所述的水力冲孔装置，其特征在于：所述钻杆（1）的外径、高压水冲孔钻头（2）的外径、连接杆（3）的外径均相同，所述小径段（11）的长度与沉孔（32）的深度相等。

5.根据权利要求1、2、4任一项所述的水力冲孔装置，其特征在于：所述高压水冲孔钻头（2）包括与连接杆（3）连通的轴向段（21），轴向段（21）背离连接杆（3）的一端连接有中空的径向段（22），径向段（22）与轴向段（21）同轴设置且相互连通，径向段（22）上设置有径向射流孔（23）和轴向射流孔（24）。

6.根据权利要求5所述的水力冲孔装置，其特征在于：所述径向段（22）的直径大于轴向段（21）的直径，轴向段（21）与径向段（22）穿插配合，轴向段（21）的顶部与径向段（22）的顶板（221）的底面密封连接，径向段（22）的底板（222）与轴向段（21）的外壁密封连接，轴向段（21）位于所述顶板（221）和底板（222）之间的部位设置有连通轴向段（21）内孔与径向段（22）内腔的连通孔（25）。

7.根据权利要求6所述的水力冲孔装置，其特征在于：所述径向射流孔（23）设置在径向段（22）的周向壁（223）上，所述周向壁（223）与轴向段（21）外壁之间的顶板（221）上设置所述轴向射流孔（24），所述径向射流孔（23）和轴向射流孔（24）均设置有两个，两个径向射流孔（23）关于轴向段（21）对称设置，两个轴向射流孔（24）关于轴向段（21）对称设置。

8.根据权利要求7所述的水力冲孔装置，其特征在于：所述周向壁（223）的内壁与轴向段（21）的外壁之间设置有两个固定块（26），两个固定块（26）关于轴向段（21）对称设置且将径向段（22）的内腔分割为第一腔体（4）和第二腔体（5），所述连通孔（25）设置有两个且分别与第一腔体（4）和第二腔体（5）连通，第一腔体（4）内设置有第一滑块（41），第二腔体（5）内设置有第二滑块（51），一个径向射流孔（23）、一个轴向射流孔（24）与第一腔体（4）连通，另一个径向射流孔（23）、另一个轴向射流孔（24）与第二腔体（5）连通；当钻机正向旋转时，第一滑块（41）、第二滑块（51）均封堵在连通孔（25）与轴向射流孔（24）之间且连通孔（25）与径向射流孔（23）连通；当钻机反向旋转时，第一滑块（41）、第二滑块（51）均封堵在连通孔（25）与径向射流孔（23）之间且连通孔（25）与轴向射流孔（24）连通。

9.根据权利要求8所述的水力冲孔装置，其特征在于：所述第一滑块（41）的顶面与所述顶板（221）滑动密封、底面与所述底板（222）滑动密封、外周面与所述周向壁（223）滑动密封、内周面与轴向段（21）的外壁之间滑动密封，第一滑块（41）的左端部和右端部均设置有凸出的弧形轮廓面（411），所述固定块（26）的左端面和右端面均为平面形轮廓面（261），所述第二滑块（51）的结构与第一滑块（41）的结构相同。

10.一种水力冲孔方法，其特征在于：使用如权利要求9所述的水力冲孔装置，控制所述钻机正向旋转，钻机带动钻杆（1）、连接杆（3）和高压水冲孔钻头（2）同步正向旋转，在惯性作用力的作用下，所述螺纹副具有旋紧的趋势，同时高压水通过钻杆（1）、连接杆（3）向高压水冲孔钻头（2）输送，高压水作用于旋流板（31）具有周向旋转的分力和轴向的分力，在周向旋转分力的作用下，所述螺纹副具有旋紧的趋势，第一滑块（41）、第二滑块（51）均封堵在连通孔（25）与轴向射流孔（24）之间且连通孔（25）与径向射流孔（23）连通，高压水通过径向射流孔（23）朝周向方向冲击；

控制所述钻机反向旋转，钻机带动钻杆（1）、连接杆（3）和高压水冲孔钻头（2）同步反向旋转，在惯性作用力的作用下，所述螺纹副具有旋松的趋势，同时高压水通过钻杆（1）、连接杆（3）向高压水冲孔钻头（2）输送，高压水作用于旋流板（31）具有周向旋转的分力和轴向的分力，在周向旋转分力的作用下，所述螺纹副具有旋紧的趋势且与螺纹副旋松的趋势相互抵消，第一滑块（41）、第二滑块（51）均封堵在连通孔（25）与径向射流孔（23）之间且连通孔（25）与轴向射流孔（24）连通，高压水通过轴向射流孔（24）朝轴向方向冲击；

在钻孔成孔过程中，控制钻机反转，高压水通过轴向射流孔（24）射出，钻孔垂直射流钻进，钻进一段距离后，控制钻机正转，高压水通过径向射流孔（23）射出，对钻进一段距离后的钻孔进行冲击扩孔；或者当钻孔成孔后，控制钻机正转和反转交替进行，径向射流孔（23）喷出高压水扩孔且喷出渣土，轴向射流孔（24）喷出的高压水增加钻孔返水提高渣土的运移能力，确保渣土顺利排出孔洞。

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