一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头及其造穴方法

摘要

一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头及其造穴方法，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。

说明书

技术领域

本发明涉及一种造穴钻具，具体是一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头及其造穴方法，属于煤矿瓦斯抽采技术领域。

背景技术

随着矿井开采深度的增加，煤层的透气性降低，抽采难度增加，瓦斯防治问题成为制约矿井安全生产的关键因素。我国瓦斯预抽主要采用施工抽采钻孔的方法，部分矿井由于煤层透气性差且坚固性系数较大，导致抽采半径较小、抽采钻孔密度大、施工工期长，瓦斯衰减快、抽采达标周期长，卸压增透是提高钻孔预抽瓦斯效率的关键方法，寻求有效提高钻孔卸压增透影响范围的技术途径对瓦斯灾害治理极为重要。

为了提高煤层透气性，已提出了众多的技术方案，如水力冲孔、CO

发明内容

本发明的目的是提供一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头及其造穴方法，结构简单，操作方便，只需要调节水流压力值，就能够改变扩孔刀的打开角度，从而满足对不同扩孔直径的需求，提高扩孔效率，缩短工作周期，同时可以增加煤层渗透性，提高瓦斯抽采效率。

为了实现上述目的，本发明提供一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头，包括螺纹母接头、钻具主体、螺纹公接头，钻具主体的前端安装螺纹公接头，钻具主体的后端安装螺纹母接头，钻具主体为中空结构，在钻具主体中安装有中空圆柱销且中空圆柱销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销的前侧，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长条形通孔；

以中空圆柱销的中心线为基准，沿中心线在扩孔刀的后端部以及钻具主体的后端部设置有供水气流流通的水气通道Ⅰ，沿中心线向前在扩孔刀的前侧设置有水气通道Ⅱ，在钻具主体的前侧设置有水气通道Ⅲ，螺纹公接头内设置有水气孔，所述水气通道Ⅰ、中空圆柱销、水气通道Ⅱ、水气通道Ⅲ以及水气孔依次连通，在水气通道Ⅱ的一侧设置有与水气通道Ⅱ连通的水气支路；水气流经螺纹母接头流入，依次流经水气通道Ⅰ、中空圆柱销和水气通道Ⅱ，第一路经水气支路流出，第二路经水气通道Ⅲ和水气孔，由水气孔流出，其中经水气支路流出的水流压力能够调节；

在扩孔刀的反面靠近中空圆柱销位置处设置有凹槽，凹槽内设置有弹簧，弹簧的一端固定在凹槽底部，另一端与半球形卡扣相连接；

在靠近半球形卡扣一侧的钻具主体的内壁上设置有三个半球形卡槽，所述半球形卡扣凸出于扩孔刀反面平面，且随着扩孔刀的旋转半球形卡扣能够与每个半球形卡槽相适配。

所述半球形卡槽包括半球形卡槽Ⅰ、半球形卡槽Ⅱ和半球形卡槽Ⅲ；在钻具主体的内壁上，以中空圆柱销中心点为圆心，半球形卡槽Ⅰ中心投影点至中空圆柱销中心点的直线距离为半径做圆，半球形卡槽Ⅰ、半球形卡槽Ⅱ和半球形卡槽Ⅲ进行圆周阵列分布，半球形卡槽Ⅰ与半球形卡槽Ⅱ之间的夹角为30°，半球形卡槽Ⅲ与半球形卡槽Ⅱ之间的夹角为30°。

未扩孔时，为使扩孔刀打开角度为零，本发明设计在钻具主体的内壁上，半球形卡槽Ⅰ在该平面的中心投影点至中空圆柱销中心点的连线为水平直线。

由于扩孔刀是在压力水流的反作用力下分级打开的，在不同级水流压力作用下，反作用力大小不同，因此要求半球形卡槽与半球形卡扣的适配程度不同，可通过控制半球形卡槽的半径实现，本发明设计半球形卡槽Ⅲ的半径和半球形卡扣的半径大小相等，半球形卡槽Ⅰ的半径大小是半球形卡槽Ⅲ半径大小的1/3倍，半球形卡槽Ⅱ的半径大小是半球形卡槽Ⅲ半径大小的2/3倍。

由于半球形卡槽与半球形卡扣的适配程度由浅至深变化，适配越深，两者受力挤压弹开时需要的水流压力值越大，本发明根据水流压力值的大小，将水气支路的水流压力分为一级水压、二级水压、三级水压和四级水压，其中压力值大小关系为：四级水压＞三级水压＞二级水压＞一级水压。

为实现扩孔刀打开角度的多级调节，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为0°、30°、60°、90°，通过扩孔刀的旋转角度来满足扩孔直径的变化。

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的硬度要求，本发明选择在扩孔刀正面端部安装有金刚石复合片。

一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头的造穴方法，包括以下步骤：

①在螺纹母接头处接入高压力水流，调节水气支路的水流压力为一级水压，此时，半球形卡扣和半球形卡槽Ⅰ配合，扩孔刀不旋转，水流经水气通道Ⅰ、中空圆柱销和水气通道Ⅱ后，分别由水气支路和水气孔流出，此时，钻具作为普通钻具进行正常钻孔作业；

②钻具钻进至需要扩孔段时，提高水气支路的水流压力为二级水压，在压力水流的作用下，半球形卡扣与半球形卡槽Ⅰ发生挤压，弹簧压缩变形带动半球形卡扣向下移动，扩孔刀反向旋出长条形通孔，当半球形卡扣旋至与半球形卡槽Ⅱ发生配合时，扩孔刀停止继续打开，此时钻具以30°的角度进行一级扩孔；

③当扩孔直径需要继续增大时，提高水气支路的水流压力为三级水压，半球形卡扣与半球形卡槽Ⅱ发生挤压，弹簧压缩变形带动半球形卡扣向下移动，扩孔刀由于不受限制继续打开，当半球形卡扣与半球形卡槽Ⅲ发生配合时，扩孔刀停止继续打开，此时钻具以60°的角度进行二级扩孔；

④当扩孔直径需要再次增大时，提高水气支路的水流压力为四级水压，半球形卡扣与半球形卡槽Ⅲ发生挤压，弹簧压缩变形带动半球形卡扣向下移动，扩孔刀由于不受限制继续打开，当扩孔刀打开角度为90°时停止，此时钻具以90°的角度进行三级扩孔；

⑤当扩孔完成后，停止供应水流，钻机拉回，扩孔刀在普通钻孔壁的阻力作用下进行闭合。

如步骤①所述的钻具未进行扩孔和步骤②、步骤③、步骤④所述的钻具分别进行一级扩孔、二级扩孔和三级扩孔时，扩孔刀的打开角度α与水气支路的水流压力值P满足如下关系：

钻具未进行扩孔时，扩孔刀打开角度α

α

此时水气支路的水流压力为一级水压，其值范围为0≤P＜P

式中：k为弹簧的弹性系数，单位为N/m；

r为半球形卡扣的半径；

钻具进行一级扩孔时，扩孔刀的打开角度α

0＜α

此时水气支路的水流压力为二级水压，其值范围为P

钻具进行二级扩孔时，扩孔刀的打开角度α

30＜α

此时水气支路的水流压力为三级水压，其值范围为P

F2≈3/2kr (6)

钻具进行三级扩孔时，扩孔刀的打开角度α

60＜α

此时水气支路的水流压力为四级水压，其值范围为P

与现有技术相比，本发明在钻具主体中安装可旋转的扩孔刀，在扩孔刀反面靠中空圆柱销位置处设置有一个凹槽，凹槽内设置有弹簧，弹簧一侧固定在凹槽底部，另一侧与半球形卡扣相连接，在半球形卡扣一侧的钻具主体的内壁上设置有三个按圆周阵列的半球形卡槽，凸出于扩孔刀反面平面的半球形卡扣与每个半球形卡槽相适配；高压水气流通过扩孔刀内的水气支路射后与扩孔段煤壁产生反作用力使半球形卡槽与半球形卡扣产生挤压，弹簧压缩变形带动半球形卡扣向下移动，扩孔刀反向旋出长条形通孔；水流压力值大小分为四级，水流压力值逐级增大时，半球形卡扣与不同半球形卡槽配合，扩孔刀打开角度也逐级增大；当扩孔完成后，停止供应水流，钻机拉回，扩孔刀在普通钻孔壁的阻力作用下进行闭合。本发明通过改变水流压力值控制半球形卡槽与半球形卡扣的配合，达到改变扩孔刀的打开角度目的，满足对不同扩孔直径的需求，增加煤层渗透性，提高瓦斯抽采效率。

附图说明

图1是本发明的扩孔刀未打开时的示意图；

图2是本发明的钻具一级扩孔时的示意图；

图3是本发明的钻具二级扩孔时的示意图；

图4是本发明的钻具三级扩孔时的示意图；

图5是本发明未扩孔时钻具结构的侧视图；

图6是本发明扩孔时钻具结构的侧视图；

图7是本发明的半球形卡槽的剖面俯视图；

图8是本发明的半球形卡扣的结构示意图。

图中：1、螺纹母接头，2、钻具主体，3、扩孔刀，4、螺纹公接头，5、中空圆柱销，6、气水通道Ⅰ，7、气水通道Ⅱ，8、气水通道Ⅲ，9、金刚石复合片，10、凹槽，11、弹簧，12、半球形卡扣，13、水气支路，14、水气孔，15、半球形卡槽，15.1、半球形卡槽Ⅰ，15.2、半球形卡槽Ⅱ、15.3、半球形卡槽Ⅲ。

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4所示，一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头，包括螺纹母接头1、钻具主体2、螺纹公接头4，钻具主体2的前端安装螺纹公接头4，钻具主体2的后端安装螺纹母接头1，钻具主体2为中空结构，在钻具主体2中安装有中空圆柱销5且中空圆柱销5与钻具主体2的中心线垂直，扩孔刀3可旋转地安装在中空圆柱销5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3旋进旋出的长条形通孔；

以中空圆柱销5的中心线为基准，沿中心线在扩孔刀3的后端部以及钻具主体2的后端部设置有供水气流流通的水气通道Ⅰ6，沿中心线向前在扩孔刀3的前侧设置有水气通道Ⅱ7，在钻具主体2的前侧设置有水气通道Ⅲ8，螺纹公接头4内设置有水气孔14，所述水气通道Ⅰ6、中空圆柱销5、水气通道Ⅱ7、水气通道Ⅲ8以及水气孔14依次连通，在水气通道Ⅱ7的一侧设置有与水气通道Ⅱ7连通的水气支路13；水气流经螺纹母接头1流入，依次流经水气通道Ⅰ6、中空圆柱销5和水气通道Ⅱ7，第一路经水气支路13流出，第二路经水气通道Ⅲ8和水气孔14，由水气孔14流出，其中经水气支路13流出的水流压力能够调节；

在扩孔刀3的反面靠近中空圆柱销5位置处设置有凹槽10，凹槽10内设置有弹簧11，弹簧11的一端固定在凹槽10底部，另一端与半球形卡扣12相连接；

在靠近半球形卡扣12一侧的钻具主体2的内壁上设置有三个半球形卡槽15，所述半球形卡扣12凸出于扩孔刀3反面平面，且随着扩孔刀3的旋转半球形卡扣12能够与每个半球形卡槽15相适配。

如图5-图8所示，所述半球形卡槽15包括半球形卡槽Ⅰ15.1、半球形卡槽Ⅱ15.2和半球形卡槽Ⅲ15.3；在钻具主体2的内壁上，以中空圆柱销5中心点为圆心，半球形卡槽Ⅰ15.1中心投影点至中空圆柱销5中心点的直线距离为半径做圆，半球形卡槽Ⅰ15.1、半球形卡槽Ⅱ15.2和半球形卡槽Ⅲ15.3进行圆周阵列分布，半球形卡槽Ⅰ15.1与半球形卡槽Ⅱ15.2之间的夹角为30°，半球形卡槽Ⅲ15.3与半球形卡槽Ⅱ15.2之间的夹角为30°。

在钻具主体2的内壁上，半球形卡槽Ⅰ15.1在该平面的中心投影点至中空圆柱销5中心点的连线为水平直线。

半球形卡槽Ⅲ15.3的半径和半球形卡扣12的半径大小相等，半球形卡槽Ⅰ15.1的半径大小是半球形卡槽Ⅲ15.3半径大小的1/3倍，半球形卡槽Ⅱ15.2的半径大小是半球形卡槽Ⅲ15.3半径大小的2/3倍。

经水气支路13流出的水流压力分为一级水压、二级水压、三级水压和四级水压，其中水流压力值大小关系为：四级水压>三级水压>二级水压>一级水压。

扩孔刀3的旋转角度为0°、30°、60°、90°。

在扩孔刀3正面端部安装有金刚石复合片9。

一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头的造穴方法，包括以下步骤：

①在螺纹母接头1处接入高压力水流，调节水气支路13的水流压力为一级水压，水流经水气通道Ⅰ6、中空圆柱销5和水气通道Ⅱ7后，分别由水气支路13和水气孔14流出，经过水气孔14流出的水流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；在扩孔段作业时，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，在非扩孔段作业时，经过水气支路13流出的水流仅起到降尘作用，此时，半球形卡扣12和半球形卡槽Ⅰ15.1配合，扩孔刀3不旋转，钻具作为普通钻具进行正常钻孔作业；

②钻具钻进至需要扩孔段时，提高水气支路13的水流压力为二级水压，在该压力水流的作用下，水流由水气支路13流出并与该侧的煤壁发生作用力，使扩孔刀3向相反方向打开，同时半球形卡扣12与半球形卡槽Ⅰ15.1发生挤压，弹簧11压缩变形带动半球形卡扣12向下移动，扩孔刀3反向旋出长条形通孔5，当半球形卡扣12旋至与半球形卡槽Ⅱ15.2发生配合时，扩孔刀3停止继续打开，此时钻具以30°的角度进行一级扩孔；

③当扩孔直径需要继续增大时，提高水气支路13的水流压力为三级水压，在该压力水流的作用下，水流由水气支路13流出并与该侧的煤壁发生作用力，使扩孔刀3向相反方向继续打开，半球形卡扣12与半球形卡槽Ⅱ15.2发生挤压，弹簧11压缩变形带动半球形卡扣12向下移动，扩孔刀3由于不受限制继续打开，当半球形卡扣12与半球形卡槽Ⅲ15.3发生配合时，扩孔刀3停止继续打开，此时钻具以60°的角度进行二级扩孔；

④当扩孔直径需要再次增大时，提高水气支路13的水流压力为四级水压，在该压力水流的作用下，水流由水气支路13流出并与该侧的煤壁发生作用力，使扩孔刀3向相反方向再次打开，半球形卡扣12与半球形卡槽Ⅲ15.3发生挤压，弹簧11压缩变形带动半球形卡扣12向下移动，扩孔刀3由于不受限制继续打开，当扩孔刀3打开角度为90°时停止，此时钻具以90°的角度进行三级扩孔；

⑤当扩孔完成后，停止供应水流，钻机拉回，扩孔刀3在普通钻孔壁的阻力作用下进行闭合。

如步骤①所述的钻具未进行扩孔和步骤②、步骤③、步骤④所述的钻具分别进行一级扩孔、二级扩孔和三级扩孔时，扩孔刀3的打开角度α与水气支路13的水流压力值P满足如下关系：

钻具未进行扩孔时，扩孔刀3的打开角度α

α

此时水气支路13的水流压力为一级水压，其值范围为0≤P＜P

式中：k为弹簧的弹性系数，单位为N/m；

r为半球形卡扣的半径；

钻具进行一级扩孔时，扩孔刀3的打开角度α

0＜α

此时水气支路13的水流压力为二级水压，其值范围为P

钻具进行二级扩孔时，扩孔刀3的打开角度α

30＜α

此时水气支路13的水流压力为三级水压，其值范围为P

F

钻具进行三级扩孔时，扩孔刀3的打开角度α

60＜α

此时水气支路13的水流压力为四级水压，其值范围为P

给出本发明的一个实施例

通过在钻具主体2尾端的螺纹母接头1处接入高压水尾，压力水流依次流经气水通道Ⅰ6、中空圆柱销5及气水通道Ⅱ7，一部分压力水流经水气孔14流出，一部分流至水气支路13；扩孔刀3长度为300mm，弹簧11的弹性系数k为5000N/m，半球形卡扣12的半径r为0.015m，半球形卡槽15.1的半径为0.005m，半球形卡扣12与半球形卡槽15.1配合时，半球形卡扣12嵌入半球形卡槽15.1的深度约为8.17×10

正常钻进时，调节水气支路13的水流压力P满足0≤P