CN211974882U - 投球式高压水力钻割一体化钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及煤矿卸压增透装备技术领域，投球式高压水力钻割一体化钻头，其中钻头冠部连接在钻头柄部的前端，钻头冠部和钻头柄部具有由钻头冠部内部到钻头柄部内部连续贯通的通道，该通道的前端开口位置位于钻头冠部内并形成出水口，通道的内部设有密封座，密封座和钻头柄部后端之间段设有若干个水射流喷嘴；在第一状态时，出水口和水射流喷嘴均与通道后端连通；密封球投放到通道内后抵接在密封座上并封闭通道的中部并形成第二状态，在第二状态时，出水口与所述通道后端相对封闭，仅使水射流喷嘴与通道后端连通。本钻头可实现钻孔钻进与水射流割缝的一体化作业，有效减少作业程序。

Description

投球式高压水力钻割一体化钻头

技术领域

本实用新型涉及煤矿卸压增透装备技术领域，特别涉及一种投球式高压水力钻割一体化钻头。

背景技术

目前，高瓦斯矿井和突出矿井的矿井瓦斯治理主要是通过施工钻孔预抽煤层中的瓦斯，降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，减少工作面瓦斯涌出量来避免煤矿开采过程中的瓦斯事故。在不采取强化抽采措施的前提下，钻孔直径是影响单一钻孔预抽瓦斯抽采效果的关键因素：孔径小，所形成的塑性圈直径小，钻孔的表面积小，影响瓦斯的排放速度，抽采时间增长，影响矿井的高效开采；钻孔的孔径过大，增加打钻施工和封孔的时间成本和财物成本，钻孔在地应力等综合作用下成孔和稳定性差，容易塌孔，影响钻孔的正常抽采。

针对上述情况，需要一种技术及装备能够实现煤层钻孔的局部扩大直径，增大塑性区，提高瓦斯抽采效果而又不影响钻孔的成形。目前常规采用的方法是高压水力割缝、水力扩孔、水力冲孔等措施。其主要流程是钻孔施工结束后退出钻具，利用钻机将高压水力作业系统的喷头、喷嘴等送至钻孔内预定位置，利用高压水对煤体进行切割或者扩孔等措施，但该技术应用时增加了施工工序，加大了煤矿工人的劳动强度。目前，有关科研院所也研制了基于高压水节流密闭增压原理的高压钻割一体化钻头，各喷嘴的打开和关闭由在直径为94mm的钻头内装设包括活塞、弹簧和滑套组成的切换结构调整水泵压力来实现，在有限空间内安装大量机械装置，影响了装备的适用性和稳定性，限制了该技术的发展。

因此，就需要一种经过改进的投球式高压水力钻割一体化钻头，在钻孔施工完成后，不需要退出钻杆，通过钻杆内径投入憋压密封球与密封球座合作，密闭钻头低压钻进出水口实现憋压产生超高压水射流对煤体进行扩孔及割缝，实现煤层快速卸压增透的目的。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提出的投球式高压水力钻割一体化钻头，实现钻孔钻进与水射流割缝的一体化作业，有效减少作业程序。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

投球式高压水力钻割一体化钻头，包括钻头和密封球，所述钻头包括钻头冠部和钻头柄部，所述钻头冠部连接在钻头柄部的前端，所述钻头冠部和钻头柄部具有由钻头冠部内部到钻头柄部内部连续贯通的通道，该通道的前端开口位置位于钻头冠部内并形成出水口，所述通道的内部设有密封座，所述密封座和钻头柄部后端之间段设有若干个水射流喷嘴；

在第一状态时，所述出水口和所述水射流喷嘴均与通道后端连通；

所述密封球投放到通道内后抵接在密封座上并封闭通道的中部并形成第二状态，在第二状态时，所述出水口与所述通道后端相对封闭，仅使水射流喷嘴与通道后端连通，并使水射流喷嘴增压。

作为优选的，所述通道直径略大于所述密封球的直径。

作为优选的，所述密封座朝向通道尾端的端面为球形凹槽，该球形凹槽与所述密封球表面曲率相匹配。

作为优选的，所述的密封座为软质密封材料制成的座。

作为优选的，所述密封球采用聚苯并咪唑和聚醚醚酮为主体材料制成的球体，密封球的密度为1.5～2.0g/cm³，耐压70MPa。

作为优选的，所述水射流喷嘴采用丝扣方式内嵌在钻头柄部。

作为优选的，所述水射流喷嘴为旋转射流喷嘴、圆射流喷嘴、直旋混合射流喷嘴的一种或者几种的组合，水射流喷嘴数量不少于2个。

作为优选的，所述水射流喷嘴的径向对称安装是错位对称或同位对称。

作为优选的，所述钻头冠部装有多个沿主轴方向排列的刀头，且若干刀头成爪状结构，所述出水口开设在爪状结构的中心位置。

使用本实用新型的有益效果是：

本实用新型的投球式高压水力钻割一体化钻头，将低压水打钻、高压水扩孔及割缝功能结合在一起，实现了低压常规钻进、高压扩孔及割缝一体化的功能。通过钻头内部中空位置安装密封球座，钻头柄部对称安装水射流喷嘴，结合密封球实现钻头的一头两用，结合密封球耐压强度和高压水射流钻杆耐压强度可以实现压力可调(压力最高为70MPa)的钻割一体化作业，形成的高压水射流对煤体进行扩孔、切割、冲刷，在煤体内部形成径向扁平缝槽，增大煤体暴露体积，煤体内部裂隙增加，煤体得到充分增加卸压、增透，将煤层瓦斯抽采难易程度由较难抽放提升至容易抽放，扩大钻孔有限影响半径，提高钻孔间距，减少抽采钻孔数量。同时由于密封球采用聚苯并咪唑、聚醚醚酮为主体材料，耐磨性好，可以实现一个密封球多次重复利用。本实用新型具有适应性强、结构简单、钻割一体化、加工容易、操作简便等优点，具有广泛运用价值。

附图说明

图1为本实用新型投球式高压水力钻割一体化钻头钻进时的结构示意图。

图2为本实用新型投球式高压水力钻割一体化钻头割缝时的结构示意图。

图3为本实用新型投球式高压水力钻割一体化钻头错位安装喷嘴示意图。

图4为本实用新型投球式高压水力钻割一体化钻头安装不同类型喷嘴示意图；

图5为本实用新型投球式高压水力钻割一体化钻头搭配增渗装置的结构示意图。

附图标记包括：

1-钻头，11-钻头柄部，12-钻头冠部，13-水射流喷嘴，14-密封球，15-密封球座，16-出水口，17-钻头尾部，18-直射流喷嘴，19-旋转射流喷嘴，2-高压密封钻杆，3-液压钻机，4-高压旋转接头，5-高压管汇，6-高压水力泵站。

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。

如图1-图4所示，本实施例提出的投球式高压水力钻割一体化钻头，包括钻头1和密封球14，钻头1包括钻头冠部12和钻头柄部11，钻头冠部12连接在钻头柄部11的前端，钻头冠部12和钻头柄部11具有由钻头冠部12内部到钻头柄部11内部连续贯通的通道，该通道的前端开口位置位于钻头冠部12内并形成出水口16，通道的内部设有密封座，密封座和钻头柄部11后端之间段设有若干个水射流喷嘴13；在第一状态时，出水口16和水射流喷嘴13均与通道后端连通；密封球14投放到通道内后抵接在密封座上并封闭通道的中部并形成第二状态，在第二状态时，出水口16与通道后端相对封闭，仅使水射流喷嘴13与通道后端连通。

作为优选的，通道直径略大于密封球14的直径，是密封球14可进入到通道内。

密封座朝向通道尾端的端面为球形凹槽，该球形凹槽与密封球14表面曲率相匹配，球形凹槽表面与密封球14接触，形成与密封球14的密封配合，在此状态下密封座为密封球座15。

密封球座15为软质密封材料制成的座，使密封效果更佳。密封球14采用聚苯并咪唑和聚醚醚酮为主体材料制成的球体，密封球14的密度为1.5～2.0g/cm³，耐压70MPa。

水射流喷嘴13采用丝扣方式内嵌在钻头柄部11。可以理解的水射流喷嘴13可以有多种形式，水射流喷嘴13类型可以为直射流喷嘴18、旋转射流喷嘴19、直旋混合射流喷嘴等的一种或者几种的组合，水射流喷嘴13数量不少于2个。水射流喷嘴13的径向对称安装是错位对称或同位对称。

钻头冠部12装有多个沿主轴方向排列的刀头，且若干刀头成爪状结构，出水口16开设在爪状结构的中心位置。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例的投球式高压水力钻割一体化钻头，由钻头冠部12、钻头柄部11、水射流喷嘴13、密封球14、密封球座15、钻头出水口16、钻头尾部17组成；钻头冠部12装有多个沿主轴方向排列的刀头，钻头冠部12设有钻头出水口16；钻头出水口16能够伸入专用工具将密封球14与密封球座15分开；钻头柄部11内部设能够安装密封球14、密封球座15的容腔，容腔为圆柱形且其直径略大于密封球14；钻头柄部11沿径向对称安装多个水射流喷嘴13，水射流喷嘴13的出口压力由密封球14来控制；钻头尾部17最小通径大于密封球14直径，采用高压密封方式与高压密封钻杆2连接。如图5所示，本实施例的钻头1应用于投球式高压水力钻割一体化增渗装置之后，高压密封钻杆2安装于液压钻机3并由动力轴驱动转动，钻头1固定在高压密封钻杆2前端，高压管汇5通过高压旋转接头4连接高压密封钻杆2后端；高压水泵6通过高压管汇5和高压旋转接头4向高压密封钻杆2和钻头1提供高压水；高压密封钻杆2为等通径螺旋高压密封钻杆，其内部通径不变，通径比密封球14直径大2-10mm；密封球座15为软质密封材料，其内径与密封球14直径相同，可以通过高压水流；密封球14采用聚苯并咪唑、聚醚醚酮为主体材料，密度在1.5～2.0g/cm³，耐压70MPa，耐磨性好；水射流喷嘴13类型可以为直射流喷嘴18、旋转射流喷嘴19、直旋混合射流喷嘴等的一种或者几种的组合，数量不少于2个，通过是否投放密封球14控制水射流喷嘴13出口压力，具有低压钻进(0-10MPa)、中压(10-35MPa)扩孔、高压(35-70MPa)割缝的功能，高压水通过水射流喷嘴13喷出对煤体进行扩孔、冲割、剥离，高压密封钻杆2在液压钻机3的带动下旋转，实现在钻孔施工时不退出钻杆对钻孔煤层段扩孔、割缝卸压增透的目标。

本实施例中，钻头1通过是否投放密封球14来调整水射流喷嘴13出口压力及流速来实现低压打钻、中压扩孔、高压割缝的功能。低压钻进过程中钻头1呈图1状态，水通过钻头出水口16和水射流喷嘴13至钻头冠部12的合金刀头处，实现钻孔的正常钻进功能；当钻孔钻进到设计位置后停钻，打开高压旋转接头4通过高压密封钻杆3尾部投放密封球14，然后安装上高压旋转接头4后开启高压水力泵站6，密封球14在水压作用下通过高压密封钻杆3的通径进入钻头1后作用在密封球座15上将流向钻头出水口16的通路封闭，此时高压水(10～35MPa)通过水射流喷嘴13径向喷出，开始扩孔工作；进而提高水压至(35-70MPa)时，高压水仍通过水射流喷嘴13径向喷出，开始割缝工作；在退钻割缝作业结束后，可以通过出水口16能够伸入专用工具将密封球14与密封球座15分开，进而开展下一钻孔的钻进割缝工作。

本实施例中，水射流喷嘴13为硬质合金材料，采用丝扣方式内嵌在钻头柄部11，为旋转射流喷嘴19、直射流喷嘴18、直旋混合射流喷嘴等的一种或者几种的组合，水射流喷嘴数量不少于2个；水射流喷嘴13的径向对称安装在钻头柄部11可以是错位对称，也可以是同位对称；水射流喷嘴13的孔径为1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm四种不同规格，可根据钻孔成形情况和钻孔深度来选择不同规格的喷嘴，达到最优的扩孔或割缝效果。

以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，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实用新型的构思，均属于本专利的保护范围。

Claims (9)

1.投球式高压水力钻割一体化钻头，其特征在于：包括钻头和密封球，所述钻头包括钻头冠部和钻头柄部，所述钻头冠部连接在钻头柄部的前端，所述钻头冠部和钻头柄部具有由钻头冠部内部到钻头柄部内部连续贯通的通道，该通道的前端开口位置位于钻头冠部内并形成出水口，所述通道的内部设有密封座，所述密封座和钻头柄部后端之间段设有若干个水射流喷嘴；

在第一状态时，所述出水口和所述水射流喷嘴均与通道后端连通；

所述密封球投放到通道内后抵接在密封座上并封闭通道的中部并形成第二状态，在第二状态时，所述出水口与所述通道后端相对封闭，仅使水射流喷嘴与通道后端连通，并使水射流喷嘴增压。

2.根据权利要求1所述的投球式高压水力钻割一体化钻头，其特征在于：所述通道直径略大于所述密封球的直径。

3.根据权利要求1所述的投球式高压水力钻割一体化钻头，其特征在于：所述密封座朝向通道尾端的端面为球形凹槽，该球形凹槽与所述密封球表面曲率相匹配。

4.根据权利要求3所述的投球式高压水力钻割一体化钻头，其特征在于：所述的密封座为软质密封材料制成的座。

5.根据权利要求4所述的投球式高压水力钻割一体化钻头，其特征在于：所述密封球采用聚苯并咪唑和聚醚醚酮为主体材料制成的球体，密封球的密度为1.5～2.0g/cm³，耐压70MPa。

6.根据权利要求1所述的投球式高压水力钻割一体化钻头，其特征在于：所述水射流喷嘴采用丝扣方式内嵌在钻头柄部。

7.根据权利要求6所述的投球式高压水力钻割一体化钻头，其特征在于：所述水射流喷嘴为旋转射流喷嘴、圆射流喷嘴、直旋混合射流喷嘴的一种或者几种的组合，水射流喷嘴数量不少于2个。

8.根据权利要求6所述的投球式高压水力钻割一体化钻头，其特征在于：所述水射流喷嘴的径向对称安装是错位对称或同位对称。

9.根据权利要求1所述的投球式高压水力钻割一体化钻头，其特征在于：所述钻头冠部装有多个沿主轴方向排列的刀头，且若干刀头成爪状结构，所述出水口开设在爪状结构的中心位置。

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