一种气力控制型单翼煤层机械造穴装置及其造穴方法制造方法及图纸

一种气力控制型单翼煤层机械造穴装置及其造穴方法，在钻具主体中安装有环形中空圆柱销，扩孔刀可旋转地安装在环形中空圆柱销的前侧，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；在环形中空圆柱销内设置气水软管，扩孔刀上设置供水气流流通的水气通道Ⅱ，沿中心线向后设置水气通道Ⅰ，水气通道Ⅰ向前依次与气水软管、水气通道Ⅱ连通；在扩孔刀尾端中心轴线处焊接有连接杆，连接杆可移动地安装在转动调节装置内部；在J形主体上靠近连接杆的端部设置有水气孔，水气孔与水气分支通道连通；水气分支通道与水气通道Ⅰ相连通，经水气分支通道流出的水流压力能够调节。本发明专利技术通过控制扩孔刀的打开角度，适应不同扩孔直径的要求。孔直径的要求。孔直径的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种气力控制型单翼煤层机械造穴装置及其造穴方法


[0001]本专利技术涉及一种造穴钻具，具体是一种气力控制型单翼煤层机械造穴装置及其造穴方法，属于煤矿瓦斯抽采


技术介绍

[0002]随着煤炭开采深度的不断增加，深部煤体的瓦斯压力、含量均较高，导致瓦斯灾害的发生频率和强度不断加大。我国含松软煤层矿井数量多，据不完全统计约89.3％的国有重点煤矿含有煤体坚固性系数f值小于1的松软煤层。由于透气性系数低(10
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m2)，这些松软煤层瓦斯抽采非常困难，成为了煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯窒息等事故易发、频发的“温床”。因此，针对低透气性的松软煤层，采取有效的卸压增透措施，提高煤层的渗透率，是解决松软煤层瓦斯抽采难、瓦斯事故频发等问题的重要方法。
[0003]目前提高煤层透气性的方法有很多，如水力压裂、水力割缝、松动爆破及机械扩孔等方法，其中，机械扩孔增透方法凭借其不需要高压水，增透动力强以及增透效果好等优势逐渐在煤矿上普及开来。近年来，针对松软煤层机械扩孔增透工具的研制及方法，许多学者开展了一系列的研究，中国专利技术专利2020年8月25日公开的一种公开号为CN111577142A的“一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具及其扩孔方法”，通过在钻具主体内部设置液压缸，由液压缸提供动力，控制齿轮转动，扩孔刀轴端设置弧形卡尺与齿轮啮合转动，进而实现调节扩孔刀旋转的角度达到不同程度的煤层增透的目的，然而，在钻具内部增设液压缸，对液压杠的尺寸设计精度较高，设计成本较大；中国专利技术专利2019年12月13日公开的一种公开号为CN110566127A的“一种用于钻探的扩孔钻具及其扩孔方法”，其在钻具内部设置用来限制扩孔刀旋转角度的限位结构，在扩孔刀内部开始水气通道，利用水气通道提供压力水将扩孔刀旋开，通过限位结构控制扩孔刀打开的角度，然而，该技术对于扩孔刀开闭角度的调节设置存在缺陷，不能精确的调节扩孔刀打开角度，增透效果较差。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种气力控制型单翼煤层机械造穴装置及其造穴方法，结构简单，操作方便，通过控制扩孔刀的打开角度，适应不同扩孔直径的要求，提高松软煤层地渗透性，降低瓦斯抽采时间，调高瓦斯抽采效率，保障煤矿开采安全。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供一种气力控制型单翼煤层机械造穴装置，包括钻具主体、主钻头、螺纹接头，钻具主体的前端安装主钻头，钻具主体的后端安装螺纹接头，钻具主体为中空结构，在钻具主体中安装有环形中空圆柱销且环形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环形中空圆柱销的前侧，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；
[0006]在环形中空圆柱销内设置有气水软管，以环形中空圆柱销的中心线为基准，沿中心线向前在扩孔刀上设置有供水气流流通的水气通道Ⅱ，沿中心线向后设置有水气通道Ⅰ，水气通道Ⅰ向后与螺纹接头相连通，水气通道Ⅰ向前依次与气水软管、水气通道Ⅱ连通；
[0007]在扩孔刀尾端中心轴线处焊接有连接杆，所述连接杆可移动地安装在转动调节装置内部；所述转动调节装置包括J形主体，J形主体内部为中空结构，J形主体上表面中心处设置有J形槽，J形槽内设置有J形弹簧，J形弹簧的一端与J形槽内腔相连接，J形弹簧的另一端与连接杆固定，在J形主体上靠近连接杆的端部设置有水气孔，水气孔与水气分支通道连通；所述水气分支通道与水气通道Ⅰ相连通，其中经水气分支通道流出的水流压力能够调节。
[0008]为了满足连接杆能够在J形凹槽内滑动，且在滑动过程中可实现J形凹槽及时密封，本专利技术的连接杆包括连接杆主体，连接杆主体两侧设置有U形凹槽，连接杆主体尾端设置有J形尾翼，J形尾翼和J形凹槽相适配，且J形尾翼截面呈T形，连接杆包括连接杆主体，连接杆主体两侧设置有U形凹槽，连接杆主体尾端设置有J形尾翼，J形尾翼截面呈T形。
[0009]J形尾翼与在J形槽相适配，由于连接杆受到下部水流压力的作用，带动J形弹簧移动，J形尾翼能够随着连接杆整体移动，并可严密的覆盖在J形槽上，保证J形槽的密封性。
[0010]一种气力控制型单翼煤层机械造穴装置的造穴方法，包括以下步骤：
[0011]①
在钻具主体的尾部安装水尾提供高压水流，高压水流的第一路经过水气通道Ⅰ依次流向气水软管和水气通道Ⅱ，经扩孔刀顶端流出，为扩孔刀提供高压水流；高压水流的第二路经过水气通道Ⅰ依次流经水气分支通道和水气孔，最后流至转动调节装置内部，此时水气分支通道的水流压力使J形弹簧产生少量的压缩变形，扩孔刀张开一定的角度α，由于J形弹簧的压缩变形量较小，不能够使扩孔刀旋出钻具主体，此时钻具用作普通钻头正常进行的钻孔作业；
[0012]②
当钻具主体钻至扩孔阶段时，增大水气分支通道的高压水流压力，连接杆在高压水流的作用下沿着J形槽滑动，带动J形弹簧压缩，J形弹簧压缩形变量增大，扩孔刀张开的角度α增大；调节水气分支通道的高压水流压力值，改变J形弹簧压缩变形量，控制扩孔刀的开闭角度α，当扩孔刀张开至所需角度α时，保持水流压力不变，进行该角度α下的扩孔作业；
[0013]③
扩孔作业结束后，减小水气分支通道的高压水流压力，连接杆在J形弹簧的弹力作用下恢复原位，此时钻具可用作普通钻头继续钻进或退钻。
[0014]扩孔刀的开闭角度α是由水气分支通道的水流压力P控制的，水流压力P和角度α满足的关系如下：
[0015]扩孔刀的旋转角度为α1时，扩孔刀顶端中点旋转弧长l1满足公式(1)
[0016][0017]式中：d1为环形中空圆柱销中心点至扩孔刀顶端中点的直线距离，单位为m；
[0018]d2为J形弹簧与连接杆主体连接点至环形中空圆柱销中心点的直线距离，单位为m；
[0019]考虑到J形弹簧的尺寸关系，d2值与J形弹簧中心轴线点至中空圆柱销中心点直线的值会存在偏差，因此，在公式(1)中引入弧长修正系数a；
[0020]扩孔刀旋转角度为α1时，J形弹簧的压缩变形量L1满足公式(2)
[0021][0022]扩孔刀旋转角度为α1时，J形弹簧因压缩变形产生的弹力F1满足公式(3)
[0023]F1＝K
×
L1×
b
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(3)
[0024]式中：K为J形弹簧的弹性系数，单位为N/m；
[0025]考虑到连接杆在J形槽内滑动时会产生摩擦阻力，因此，在公式(3)中引入弹力修正系数b；
[0026]扩孔刀旋转角度为α1时，水气分支通道的水流压力P1满足公式(4)
[0027][0028]式中：S
截
为连接杆主体在J形槽内的截面面积，单位为m2；
[0029]考虑到水流从水气分支通道通过水气孔流至J形槽内会产生沿程阻力损失，因此，在公式(4)中引入水流压力修正系数c；
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气力控制型单翼煤层机械造穴装置，包括钻具主体(1)、主钻头(2)、螺纹接头(11)，钻具主体(1)的前端安装主钻头(2)，钻具主体(1)的后端安装螺纹接头(11)，钻具主体(1)为中空结构，在钻具主体(1)中安装有环形中空圆柱销(7)且环形中空圆柱销(7)与钻具主体(1)的中心线垂直，扩孔刀(3)可旋转地安装在环形中空圆柱销(7)的前侧，在钻具主体(1)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；其特征在于，在环形中空圆柱销(7)内设置有气水软管(8)，以环形中空圆柱销(7)的中心线为基准，沿中心线向前在扩孔刀(3)上设置有供水气流流通的水气通道Ⅱ(6)，沿中心线向后设置有水气通道Ⅰ(5)，水气通道Ⅰ(5)向后与螺纹接头(11)相连通，水气通道Ⅰ(5)向前依次与气水软管(8)、水气通道Ⅱ(6)连通；在扩孔刀(3)尾端中心轴线处焊接有连接杆(10)，所述连接杆(10)可移动地安装在转动调节装置(4)内部；所述转动调节装置(4)包括J形主体(4.1)，J形主体(4.1)内部为中空结构，J形主体(4.1)上表面中心处设置有J形槽(4.4)，J形槽(4.4)内设置有J形弹簧(4.2)，J形弹簧(4.2)的一端与J形槽(4.4)内腔相连接，J形弹簧(4.2)的另一端与连接杆(10)固定，在J形主体(4.1)上靠近连接杆(10)的端部设置有水气孔(4.3)，水气孔(4.3)与水气分支通道(9)连通；所述水气分支通道(9)与水气通道Ⅰ(5)相连通，其中经水气分支通道(9)流出的水流压力能够调节。2.根据权利要求1所述的一种气力控制型单翼煤层机械造穴装置，其特征在于，连接杆(10)包括连接杆主体(10.1)，连接杆主体(10.1)两侧设置有U形凹槽(10.2)，连接杆主体(10.1)尾端设置有J形尾翼(10.3)，J形尾翼(10.3)截面呈T形。3.根据权利要求2所述的一种气力控制型单翼煤层机械造穴装置，其特征在于，J形尾翼(10.3)与在J形槽(4.4)相适配。4.一种气力控制型单翼煤层机械造穴装置的造穴方法，其特征在于，包括以下步骤：
①
在钻具主体(1)的尾部安装水尾提供高压水流，高压水流的第一路经过水气通道Ⅰ(5)依次流向气水软管(8)和水气通道Ⅱ(6)，经扩孔刀(3)顶端流出，为扩孔刀(3)提供高压水流；高压水流的第二路经过水气通道Ⅰ(5)依次流经水气分支通道(9)和水气孔(4.3)，最后流至转动调节装置(4)内部，此时水气分支通道(9)的水流压力使J形弹簧(4.2)产生少量的压缩变形，扩孔刀(3)张开一定的角度α，由于J形弹簧(4.2)的压缩变形量较小，不能够使扩孔刀(3)旋出钻具主体(1)，此时钻具用作普通钻头正常进行的钻孔作业；
②
当钻具主体(1)钻至扩孔阶段时，增大水气分支通道(9)的高压水流压力，连接杆(10)在高压水流的作用下沿着J形槽(4.4)滑动，带动J形弹簧(4.2)压缩，J形弹簧(4.2)压缩...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘春，刘垒，周福宝，刘光义，徐洋，
申请(专利权)人：山西潞安环保能源开发股份有限公司山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司李村煤矿，
类型：发明
国别省市：