一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头及其造穴方法技术

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，本发明专利技术操作方便，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。周期。周期。

【技术实现步骤摘要】
一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头及其造穴方法


[0001]本专利技术涉及一种造穴钻具，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


技术介绍

[0002]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。
[0003]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、CO2深孔预裂爆破、开采保护层、大直径卸压钻孔等，这些技术在矿井瓦斯治理中都产生了一定的效果，但也都存在不同局限性。如开采保护层措施需要大面积开采保护和足够的泄压时间效果才能体现，需要时间周期长；CO2深孔预裂爆破的设备比较昂贵，操作工艺比较复杂，且容易诱发突出，危险性较高；大直径卸压长钻孔对钻机性能要求较高，易出现卡钻、脱钻杆等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术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；
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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。
[0009]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
°
。
[0010]未扩孔时，为使扩孔刀打开角度为零，本专利技术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。
[0011]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，本专利技术设计半球形卡槽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。
[0012]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，本专利技术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。
[0013]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，将本专利技术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。
[0014]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，本专利技术选择在扩孔刀正面端部安装有金刚石复合片。
[0015]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：
[0016]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；
[0017]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；
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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。
[0021]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：
[0022]钻具未进行扩孔时，扩孔刀打开角度α0满足公式(1)
[0023]α0＝0
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(1)
[0024]此时水气支路的水流压力为一级本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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；其特征在于，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Ⅰ(6)，沿中心线向前在扩孔刀(3)的前侧设置有水气通道Ⅱ(7)，在钻具主体(2)的前侧设置有水气通道Ⅲ(8)，螺纹公接头(4)内设置有水气孔(14)，所述水气通道Ⅰ(6)、中空圆柱销(5)、水气通道Ⅱ(7)、水气通道Ⅲ(8)以及水气孔(14)依次连通，在水气通道Ⅱ(7)的一侧设置有与水气通道Ⅱ(7)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Ⅰ(6)、中空圆柱销(5)和水气通道Ⅱ(7)，第一路经水气支路(13)流出，第二路经水气通道Ⅲ(8)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。2.根据权利要求1所述的一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头，其特征在于，所述半球形卡槽(15)包括半球形卡槽Ⅰ(15.1)、半球形卡槽Ⅱ(15.2)和半球形卡槽Ⅲ(15.3)；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Ⅰ(15.1)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Ⅰ(15.1)、半球形卡槽Ⅱ(15.2)和半球形卡槽Ⅲ(15.3)进行圆周阵列分布，半球形卡槽Ⅰ(15.1)与半球形卡槽Ⅱ(15.2)之间的夹角为30
°
，半球形卡槽Ⅲ(15.3)与半球形卡槽Ⅱ(15.2)之间的夹角为30
°
。3.根据权利要求2所述的一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头，其特征在于，在钻具主体(2)的内壁上，半球形卡槽Ⅰ(15.1)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。4.根据权利要求3所述的一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头，其特征在于，半球形卡槽Ⅲ(15.3)的半径和半球形卡扣(12)的半径大小相等，半球形卡槽Ⅰ(15.1)的半径大小是半球形卡槽Ⅲ(15.3)半径大小的1/3倍，半球形卡槽Ⅱ(15.2)的半径大小是半球形卡槽Ⅲ(15.3)半径大小的2/3倍。5.根据权利要求4所述的一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头，其特征在于，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。6.根据权利要求4所述的一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头，其特征在于，扩孔刀(3)的旋转角度为0
°
、30
°
、60
°
、90
°
。7.根据权利要求4所述的一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头，其特征在于，在扩孔刀(3)正面端部安装有金刚石复合片(9)。8.一种弹簧销柱分级控制型机械造穴钻头的造穴方法，其特征在于，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...

【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：