前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置及其使用方法，涉及煤矿开采或金属矿山开采大直径钻孔卸压领域。其包括钻进钻头、卸压连杆、连杆端头，卸压连杆包括卸压连杆主体、扩径切割头、固定刀头、支撑扩径杆、滑动连接楔、触发活塞、弹簧、滑动固定板、限位器；扩径切割头、固定刀头和支撑扩径杆之间相互连接，通过触发活塞实现在水压/气压作用下各部件在轨道内的往复运动，进而实现扩径切割头的扩展和缩回。本发明专利技术有效的实现钻进过程中的全自动变径、可控扩孔直径、全过程排粉，该装置及其使用方法在满足卸压效果的同时，既能减小卸压钻孔对巷道表面一定深度围岩的损伤，又能提高施工效率。

Forward type fully automatic controllable variable diameter and pressure relief connecting rod bit device and its application method

【技术实现步骤摘要】
前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置及其使用方法
本专利技术涉及煤矿开采或者金属矿山开采大直径钻孔卸压领域，具体涉及一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置及其使用方法。
技术介绍
我国是采煤大国，据国家能源局统计，截至2015年底，全国煤矿总规模为57亿吨，煤炭消费量占能源消费总量的64.0％。随着开采强度和开采深度的增加，加之煤田地质条件的复杂性，我国煤矿受冲击地压等动力灾害的威胁日益加剧。针对该问题，众多学者在冲击地压监测预警和综合防治当前的研究取得了长足的进展，为煤炭的安全开采提供保障。钻孔卸压技术针对煤矿冲击地压防治的一种有效的局部性主动解危措施可以避免高应力集中和改善煤岩体介质性质以减弱积聚弹性能的能力。在煤体或岩体中的钻孔卸压法因具有效率高、成本低、卸压效果好等优点受到煤矿企业的青睐。影响钻孔卸压效果的因素主要包括地质因素和技术因素，其中地质因素在特定区域的对卸压性能的影响甚微，技术因素占据主要。在现场实践中，可调节的关键参数主要包括钻孔深度、孔径、钻孔排间距等技术因素，其中钻孔深度、孔径与卸压效果成正比，钻孔间排距与卸压效果成反比。工程实践表明，卸压钻孔的深度在实际打设时很难增加，因此，工程实际中往往通过增加钻孔直径或减小钻孔间排距来提高卸压效果。然而，通过增加卸压钻孔直径或减小钻孔间排距在满足卸压效果的同时往往会破坏巷道或采场表面一定深度围岩的完整性，使得靠近煤壁或岩壁区域的岩石破碎严重，进而导致巷道支护失效，引发巷道或采场围岩大面积变形，容易造成人员伤亡或财产损失。因此，研发一种既能保证巷道或采场表面一定深度围岩的完整性防止支护系统失效，又能满足卸压效果的钻孔形式成为现阶段亟需解决的问题。为了解决上述技术问题，相关学者做了研究，但是传统的扩孔装置及相关方法还存在以下不足之处：(1)一般采用后退式扩孔方法，即采用小孔径钻孔钻进至钻孔末端，使用高压水激发装置进行扩孔，该方式工作量较大造成施工成本升高；(2)扩孔时的施工参数难以定量，部分装置依靠钻杆转速影响扩孔，造成无法选择定量的参数进行扩径；(3)无法精确控制底部开出的扩孔的直径，或者部分装置扩孔的直径是固定的，无法实现可控直径扩孔；(4)仅实现部分钻进过程排粉，不能满足全钻进过程的排粉，如高压水激发扩孔装置在钻进过程中无法进行通水或通气，使得钻孔碎屑难以排除钻孔引发堵塞，降低施工效率。现有技术相关研究报道主要有：CN207212272U公开了一种扩孔装置，主要是采用连杆实现扩径，该装置无法无法精确控制底部开出的扩孔的直径，钻杆转速影响扩孔的直径；无法进行钻孔过程的扩孔，也无法排粉。CN108915686A公开了一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法，主要是扩孔钻头端头两侧采用能够展开的刀翼实现扩孔，该装置无法实现钻进式钻孔，无法实现钻进全过程的排粉，同时扩孔直径是固定的，无法实现可控直径扩孔。CN107503688A公开了一种巷道卸压结构、制作方法及其扩孔装置，其中扩孔装置为油控扩孔截割刀进行钻孔扩径，该方法需要增加额外的液压油控制系统，增加成本和工作量，而且该装置无法实现前进式扩孔、可控直径扩孔，同时，由于采用油控装置，造成孔内粉尘无法排出引发堵塞，降低施工效率。CN107882510A公开了一种可变径钻孔用钻头装置及施工方法，其通过控制油缸伸缩控制活动刀排叶片打开的大小从而达到变径效果。其同样存在孔内粉尘无法排出的缺陷。综上所述，现有技术中的试验装置还没有解决卸压钻孔钻进过程中在目标区域能够实现全自动变径、可控扩孔直径、全过程排粉等技术问题。因此，本领域相关研究人员致力于开发一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置及其使用方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置及其使用方法，该卸压连杆钻头装置能够在在高压气体或高压水作用下，钻进过程中在目标区域能够实现全自动变径、可控扩孔直径、全过程排粉，即在设定的水压或气压作用下扩径连杆自动打开，扩孔的直径实现定量化控制，在前进扩孔期间实现全阶段排粉。其采用了以下技术方案：一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置，其包括钻进钻头、卸压连杆及连杆端头，所述的钻进钻头位于装置的前端，所述的钻进钻头与所述的连杆端头通过所述的泄压连杆连接在一起，所述的连杆端头的另一端用于与钻孔过程中所需的钻杆连接，其特征在于：所述的卸压连杆，包括卸压连杆主体、扩径切割头、固定刀头、支撑扩径杆、滑动连接楔、触发活塞、弹簧、滑动固定板及限位器；所述的卸压连杆主体整体呈圆柱形，在所述的卸压连杆主体上设置两个凹槽分别作为连接楔轨道和固定板轨道，所述的滑动固定板位于所述的固定板轨道内，所述的滑动连接楔位于所述的连接楔轨道内，二者均可在各自的轨道内相对滑动；所述的的卸压连杆主体内部设置有水/气连通管和活塞腔，所述的活塞腔位于所述卸压连杆主体的中央，所述的水/气连通管位于卸压连杆主体的两侧，在所述的固定板轨道的上方间隔均匀的布置有若干限位孔，所述的连接楔轨道与所述的活塞腔连通；在所述卸压连杆主体的两侧对称设置一组所述的扩径切割头、一组所述的支撑扩径杆及一组所述的固定杆，其中，每个扩径切割头的前端活动连接在所述的滑动固定板上，后端活动连接在与其同侧的固定刀头的前端，与其同侧的固定刀头的尾端活动连接在所述的卸压连杆主体上；每个支撑扩径杆的前端活动连接在与其同侧的固定刀头上，其后端均活动连接在所述的滑动连接楔上，所述的滑动连接楔紧贴于所述触发活塞的一侧，所述的触发活塞位于所述的活塞腔内，并与所述的弹簧连接，所述的限位器布置在所述的限位孔内；通过调节水压/气压的高低，所述的触发活塞可在所述的活塞腔内往复运动，所述的触发活塞向前运动时挤压所述的弹簧向前运动，从而带动所述的支撑扩径杆向前运动，所述的支撑扩径杆带动所述的扩径切割头和所述的固定刀头沿轴向运动，通过滑动固定板在所述固定板轨道内移动，来实现所述扩径切割头的定向运动；随着钻头的推进和旋转所述的扩径切割头来切割煤体，实现钻孔的扩径。作为本专利技术的一个优选方案，所述的扩径切割头的表面交叉排布有扩径切割尺，所述的扩径切割尺呈三棱柱形态，所述扩径切割尺的材质为硬质合金。作为本专利技术的另一个优选方案，所述的固定刀头的表面两侧设置有呈三棱柱形态排布的反向切割尺，所述反向切割尺的材质为硬质合金。进一步的，所述的钻进钻头最大直径为90mm，所述的卸压连杆主体的最大直径为80mm，所述的连杆端头的最大直径为80mm，所述的扩径切割头的长度为115mm，所述的固定刀头的长度为125mm，所述的限位孔间距为25mm，限位孔的最大扩孔直径为180mm，最小扩孔直径为90mm，压缩弹簧的圆柱直径为15mm，长度为120mm，所述的触发活塞启动的水压或气压压力为0.8MPa，达到最大卸压直径180mm需要的最小水压为2.8MPa，达到卸压直径130mm需要的最小水压为1.7MPa。进一步的，当钻进过程水压或气压大于0.8MPa时，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置，其包括钻进钻头、卸压连杆及连杆端头，所述的钻进钻头位于装置的前端，所述的钻进钻头与所述的连杆端头通过所述的泄压连杆连接在一起，所述的连杆端头的另一端用于与钻孔过程中所需的钻杆连接，其特征在于：/n所述的卸压连杆，包括卸压连杆主体、扩径切割头、固定刀头、支撑扩径杆、滑动连接楔、触发活塞、弹簧、滑动固定板及限位器；/n所述的卸压连杆主体整体呈圆柱形，在所述的卸压连杆主体上设置两个凹槽分别作为连接楔轨道和固定板轨道，所述的滑动固定板位于所述的固定板轨道内，所述的滑动连接楔位于所述的连接楔轨道内，二者均可在各自的轨道内相对滑动；所述的的卸压连杆主体内部设置有水/气连通管和活塞腔，所述的活塞腔位于所述卸压连杆主体的中央，所述的水/气连通管位于卸压连杆主体的两侧，在所述的固定板轨道的上方间隔均匀的布置有若干限位孔，所述的连接楔轨道与所述的活塞腔连通；/n在所述卸压连杆主体的两侧对称设置一组所述的扩径切割头、一组所述的支撑扩径杆及一组所述的固定杆，其中，每个扩径切割头的前端活动连接在所述的滑动固定板上，后端活动连接在与其同侧的固定刀头的前端，与其同侧的固定刀头的尾端活动连接在所述的卸压连杆主体上；/n每个支撑扩径杆的前端活动连接在与其同侧的固定刀头上，其后端均活动连接在所述的滑动连接楔上，所述的滑动连接楔紧贴于所述触发活塞的一侧，所述的触发活塞位于所述的活塞腔内，并与所述的弹簧连接，所述的限位器布置在所述的限位孔内；/n通过调节水压/气压的高低，所述的触发活塞可在所述的活塞腔内往复运动，所述的触发活塞向前运动时挤压所述的弹簧向前运动，从而带动所述的支撑扩径杆向前运动，所述的支撑扩径杆带动所述的扩径切割头和所述的固定刀头沿轴向运动，通过滑动固定板在所述固定板轨道内移动，来实现所述扩径切割头的定向运动；随着钻头的推进和旋转所述的扩径切割头来切割煤体，实现钻孔的扩径。/n...

【技术特征摘要】
1.一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置，其包括钻进钻头、卸压连杆及连杆端头，所述的钻进钻头位于装置的前端，所述的钻进钻头与所述的连杆端头通过所述的泄压连杆连接在一起，所述的连杆端头的另一端用于与钻孔过程中所需的钻杆连接，其特征在于：
所述的卸压连杆，包括卸压连杆主体、扩径切割头、固定刀头、支撑扩径杆、滑动连接楔、触发活塞、弹簧、滑动固定板及限位器；
所述的卸压连杆主体整体呈圆柱形，在所述的卸压连杆主体上设置两个凹槽分别作为连接楔轨道和固定板轨道，所述的滑动固定板位于所述的固定板轨道内，所述的滑动连接楔位于所述的连接楔轨道内，二者均可在各自的轨道内相对滑动；所述的的卸压连杆主体内部设置有水/气连通管和活塞腔，所述的活塞腔位于所述卸压连杆主体的中央，所述的水/气连通管位于卸压连杆主体的两侧，在所述的固定板轨道的上方间隔均匀的布置有若干限位孔，所述的连接楔轨道与所述的活塞腔连通；
在所述卸压连杆主体的两侧对称设置一组所述的扩径切割头、一组所述的支撑扩径杆及一组所述的固定杆，其中，每个扩径切割头的前端活动连接在所述的滑动固定板上，后端活动连接在与其同侧的固定刀头的前端，与其同侧的固定刀头的尾端活动连接在所述的卸压连杆主体上；
每个支撑扩径杆的前端活动连接在与其同侧的固定刀头上，其后端均活动连接在所述的滑动连接楔上，所述的滑动连接楔紧贴于所述触发活塞的一侧，所述的触发活塞位于所述的活塞腔内，并与所述的弹簧连接，所述的限位器布置在所述的限位孔内；
通过调节水压/气压的高低，所述的触发活塞可在所述的活塞腔内往复运动，所述的触发活塞向前运动时挤压所述的弹簧向前运动，从而带动所述的支撑扩径杆向前运动，所述的支撑扩径杆带动所述的扩径切割头和所述的固定刀头沿轴向运动，通过滑动固定板在所述固定板轨道内移动，来实现所述扩径切割头的定向运动；随着钻头的推进和旋转所述的扩径切割头来切割煤体，实现钻孔的扩径。


2.根据权利要求1所述的一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置，其特征在于：所述的扩径切割头的表面交叉排布有扩径切割尺，所述的扩径切割尺呈三棱柱形态，所述扩径切割尺的材质为硬质合金。


3.根据权利要求2所述的一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置，其特征在于：所述的固定刀头的表面两侧设置有呈三棱柱形态排布的反向切割尺，所述反向切割尺的材质为硬质合金。


4.根据权利要求3所述的一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置，其特征在于：所述的钻进钻头最大直径为90mm，所述的卸压连杆主体的最大直径为80mm，所述的连杆端头的最大直径为80mm，所述的扩径切割头的长度为115mm，所述的固定刀头的长度为125mm，所述的限位孔间距为25mm，限位孔的最大扩孔直径为180mm，最小扩孔直径为90mm，压缩弹簧的圆柱直径为15mm，长度为120mm，所述的触发活塞启动的水压或气压压力为0.8MPa，达到最大卸压直径180mm需要的最小水压为2.8MPa，达到卸压直径130mm需要的最小水压为1.7MPa。


5.根据权利要求4所述的一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头装置，其特征在于：当钻进过程水压或气...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杨杨，张士川，刘辉，杨维弘，许亚栋，孙光灿，杜国斌，樊敬，苏鹭，刘玉越，韩希才，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37