钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头

摘要

本发明公开了一种钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，包括钻头体，贯穿整个钻头体设有轴向延伸的通孔，通孔包括位于前段的喷嘴孔部分和位于中段的阀体孔部分，喷嘴孔部分后端设计为锥面，阀体孔部分内设换向阀，换向阀包括凸型块和弹簧，凸型块设有轴向延伸的连接孔和与连接孔连通的侧孔，连接孔前端未钻透，凸型块前端设计为锥面，和喷嘴孔部分后端锥面形成配合密封；钻头体还设有侧喷嘴孔，侧喷嘴孔的里侧端口通向阀体孔部分的大孔、外侧端口通向钻头体的外圈表面。本发明提供一种钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，通过自动换向阀实现钻进、冲孔一体化；通过合理布置二次破碎刀具，实现大渣块的二次破碎，防止因大渣块的掉落形成排渣通道的堵塞。

权利要求

1.一种钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，包括钻头体，其特征在于：贯穿整个钻头体设有轴向延伸的通孔，通孔包括位于前段的喷嘴孔部分和位于中段的阀体孔部分，喷嘴孔部分的后端口为锥形口，阀体孔部分为小孔位于前侧、大孔位于后侧的阶梯孔，阀体孔部分内设换向阀，换向阀包括凸型块和弹簧，凸型块为由顶块、凸起和底块从前至后同心设置而成，顶块、凸起和底块均为圆柱体，并且顶块前端外圈表面为与喷嘴孔部分后端口相适配的锥形面，顶块直径小于凸起直径且顶块直径小于小孔直径，凸起直径小于底块直径，底块的外圈表面与阀体孔部分的大孔壁相贴合，凸起的外圈表面与阀体孔部分的小孔壁相贴合，凸型块设有轴向延伸的连接孔和与连接孔连通的径向延伸的侧孔，连接孔为前端封堵、后端开口的盲孔，侧孔开设在顶块上，侧孔端口位于顶块的外圈表面，所述弹簧环绕在凸型块的凸起外圈，并且弹簧夹设在阀体孔部分的阶梯面与凸型块的底块之间；钻头体还设有侧喷嘴孔，侧喷嘴孔的里侧端口通向阀体孔部分的大孔、外侧端口通向钻头体的外圈表面；钻头体设有挡在凸型块后侧的定位挡环；当换向阀位于初始状态时，凸型块的前端与喷嘴孔部分的后端口之间设有间隙，凸型块底块的外圈表面封堵侧喷嘴孔的里侧端口；当换向阀位于换向状态时，凸型块前移，弹簧处于压缩状态，上述顶块前端的锥形面封堵喷嘴孔部分的锥形口，侧喷嘴孔的里侧端口与阀体孔部分的大孔连通。

2.如权利要求1述的钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，其特征在于：通孔还包括位于后段的扩孔部分，扩孔部分为后侧外扩的锥形螺纹孔。

3.如权利要求1或2所述的钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，其特征在于：侧喷嘴孔为斜线形延伸，侧喷嘴孔的里侧端口位于其外侧端口的后侧。

4.如权利要求3所述的钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，其特征在于：钻头体的前端对应喷嘴孔部分轴向安装有中心喷嘴，钻头体外表面上对应侧喷嘴孔的外侧端口设有侧向喷嘴。

5.如权利要求4所述的钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，其特征在于：侧喷嘴孔在钻头体上周圈均布设置，每个侧喷嘴后侧的钻头体外圈表面上均设有侧刀片。

6.如权利要求5所述的钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，其特征在于：所述通孔位于钻头体的中心轴线上。

说明书

钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头

技术领域

[0001] 本发明涉及一种能实现钻进、冲孔一体化并有效防止堵孔的钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，适用于煤矿井下瓦斯高效抽采。

背景技术

[0002] 随着开采深度的增加，煤矿瓦斯灾害日趋严重。瓦斯抽采是防治瓦斯灾害、实现瓦斯综合利用的重要手段。其中水力冲孔技术是高效、安全抽采瓦斯的措施之一，它是以岩柱或者煤柱作为安全屏障，冲孔时，随着钻孔的前进，煤、水、瓦斯经过孔道向孔外排出，孔道周围煤体剧烈向孔道方向移动，同时发生煤体的膨胀变形和顶底板的相向位移，引起在冲孔一定影响范围内的地应力降低，煤层卸压，裂隙增加，使煤层透气性增高，促进瓦斯的解吸和排放，煤的强度增高和湿度增加，既消除了突出动力，又改变了突出煤层的性质，在采掘作业时起到了防治煤与瓦斯突出的作用。但为有效了提高冲力冲孔的效率和瓦斯抽放效果，水力冲孔装置还存在一些的问题。

[0003] 国内已公开的专利文献CN201513195U、CN101532391分别公开了一种钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，但存在以下几点缺陷：①结构较为复杂，水力损失严重；②在煤水混合的环境中易出现堵塞现象，现场运用存在一定问题；③无二次破碎能力，冲孔形成的大渣块（例如硫铁矿结核）易造成排渣通道堵塞，甚至出现的憋孔、夹钻、喷孔、出煤不均匀等问题。已公开的专利文献CN102678048A公开了一种多级水力冲孔钻，具备二次破碎能力，一定程度上减小了憋孔、夹钻的几率，但依然存在更换冲孔喷头、耗费工时的问题。

发明内容

[0004] 本发明为了克服现有水力冲孔装置存在的不足，提供一种钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，通过自动换向阀实现钻进、冲孔一体化；通过合理布置二次破碎刀具，实现大渣块的二次破碎，防止因大渣块的掉落形成排渣通道的堵塞。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，包括钻头体，贯穿整个钻头体设有轴向延伸的通孔，通孔包括位于前段的喷嘴孔部分和位于中段的阀体孔部分，喷嘴孔部分的后端口为锥形口，阀体孔部分为小孔位于前侧、大孔位于后侧的阶梯孔，阀体孔部分内设换向阀，换向阀包括凸型块和弹簧，凸型块为由顶块、凸起和底块从前至后同心设置而成，顶块、凸起和底块均为圆柱体，并且顶块前端外圈表面为与喷嘴孔部分后端口相适配的锥形面，顶块直径小于凸起直径且顶块直径小于小孔直径，凸起直径小于底块直径，底块的外圈表面与阀体孔部分的大孔壁相贴合，凸起的外圈表面与阀体孔部分的小孔壁相贴合，凸型块设有轴向延伸的连接孔和与连接孔连通的径向延伸的侧孔，连接孔为前端封堵、后端开口的盲孔，侧孔开设在顶块上，侧孔端口位于顶块的外圈表面，所述弹簧环绕在凸型块的凸起外圈，并且弹簧夹设在阀体孔部分的阶梯面与凸型块的底块之间；钻头体还设有侧喷嘴孔，侧喷嘴孔的里侧端口通向阀体孔部分的大孔、外侧端口通向钻头体的外圈表面；钻头体设有挡在凸型块后侧的定位挡环；当换向阀位于初始状态时，凸型块的前端与喷嘴孔部分的后端口之间设有间隙，凸型块底块的外圈表面封堵侧喷嘴孔的里侧端口；当换向阀位于换向状态时，凸型块前移，弹簧处于压缩状态，上述顶块前端的锥形面封堵喷嘴孔部分的锥形口，侧喷嘴孔的里侧端口与阀体孔部分的大孔连通。

[0006] 通孔还包括位于后段的扩孔部分，扩孔部分为后侧外扩的锥形螺纹孔。

[0007] 侧喷嘴孔为斜线形延伸，侧喷嘴孔的里侧端口位于其外侧端口的后侧。

[0008] 钻头体的前端对应喷嘴孔部分轴向安装有中心喷嘴，钻头体外表面上对应侧喷嘴孔的外侧端口设有侧向喷嘴。

[0009] 侧喷嘴孔在钻头体上周圈均布设置，每个侧喷嘴后侧的钻头体外圈表面上均设有侧刀片。

[0010] 所述通孔位于钻头体的中心轴线上。

[0011] 本发明所述的钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，实现在泵压不同时自动换向阀芯动作，改变钻头内部流道，实现水力冲孔的钻进、冲孔一体化，使得水力冲孔施工时间缩短20%以上。本发明通过改变自动换向阀芯的断面积和弹簧的参数，能改变自动换向阀芯动作时需要的泵压，实现不同工况下的运用。本发明结构简单，钻头内流道合理，水力损失较小。
本发明结构简单，故障率低，易于在现场使用。本发明在侧向喷嘴后方布置侧向刀片，有效防止大煤块堵塞排渣通道导致的憋孔、夹钻、出煤不均匀等问题。

附图说明

[0012] 图1是本发明钻进过程的结构示意图；

[0013] 图2是图1的俯视图；

[0014] 图3是本发明冲孔过程的结构示意图。

具体实施方式

[0015] 由图1-图3所示的一种钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，包括前后延伸的钻头体3，钻头体3前端设有刀翼2，刀翼2环绕钻头体3的中心轴线均布间隔设置，刀翼2上设有硬质合金刀片。贯穿整个钻头体3设有轴向延伸的通孔，所述通孔轴线为钻头体3的中心轴线，通孔也为前后延伸。通孔包括位于前段的喷嘴孔部分14、位于中段的阀体孔部分和位于后段的扩孔部分9，扩孔部分9为后侧外扩的锥形螺纹孔。所述喷嘴孔部分14为圆柱形孔，喷嘴孔部分14的后端口为锥形口16B，扩孔部分9的锥形螺纹孔用于连接空心钻杆。
钻头体3的前端对应喷嘴孔部分14轴向安装有中心喷嘴1，中心喷嘴1与钻头体3为螺纹连接，所以刀翼2也为环绕中心喷嘴1均布设置。

[0016] 所述阀体孔部分为小孔位于前侧、大孔位于后侧的阶梯孔，所述构成阀体孔部分的小孔和大孔均为圆孔，阀体孔部分内设换向阀，换向阀包括凸型块和弹簧5，凸型块为由顶块13、凸起12和底块11从前至后一体式同心设置而成，顶块13、凸起12和底块11均为圆柱体，并且顶块13前端外圈表面为与喷嘴孔部分14后端口相适配的锥形面16A，顶块13直径小于凸起12直径且顶块13直径小于小孔直径，凸起12直径小于底块11直径，顶块13与两侧小孔壁之间均设有间隙。所述凸型块底块11的外圈表面与阀体孔部分的大孔壁相贴合，凸起12的外圈表面与阀体孔部分的小孔壁相贴合，凸型块滑动连接在阶梯孔部分内，凸型块可在阶梯孔部分内前后移动；凸型块设有前后轴向延伸的连接孔10和与连接孔
10连通的侧孔4，侧孔4为径向延伸孔，连接孔10为前端封堵、后端开口的盲孔，即连接孔
10未穿透凸型块前端面，侧孔4开设在顶块13上，侧孔4端口位于顶块13的外圈表面，连接孔10后端开口，即连接孔10为在凸型块上加工的盲孔。顶块13前端锥形面16A与喷嘴孔部分14后端锥形口16B的锥面配合时形成密封。

[0017] 所述弹簧5环绕在凸型块的凸起12外圈，并且弹簧5夹设在阀体孔部分的阶梯面与凸型块的底块11之间。钻头体3上周圈均布设有侧喷嘴孔15，侧喷嘴孔15的里侧端口通向阀体孔部分的大孔、外侧端口通向钻头体3的外圈表面，侧喷嘴孔15为斜线形延伸，侧喷嘴孔15的里侧端口位于其外侧端口的后侧，本例中，侧喷嘴孔15环绕钻头体3中心轴线共设置三个，钻头体3外表面上对应每个侧喷嘴孔15的外侧端口均设有侧向喷嘴6，侧向喷嘴6与钻头体3为螺纹连接。每个侧喷嘴后侧的钻头体3外圈表面上均设有侧刀片8，侧刀片8为硬质合金刀片。

[0018] 钻头体3设有挡在凸型块底块11后侧的圆环形的定位挡环7，定位挡环7位于侧喷嘴孔15里侧端口的下侧。所述的扩孔部分9位于定位挡环7的后侧。

[0019] 当换向阀处于初始状态时，弹簧5受力但未达到压缩的临界状态，弹簧5处于正常状态，凸型块的前端与喷嘴孔部分14的后端口之间设有间隙，凸型块的前端即凸型块顶块13的前端，凸型块底块11的外圈表面封堵侧喷嘴孔15的里侧端口，凸型块的底块11与定位挡环7相接触，凸型块的前端与喷嘴孔部分14的后端口之间的距离与凸型块后端至侧喷嘴孔15的里侧端口的距离相适配；当换向阀处于换向状态时，凸型块前移且弹簧5处于向前压缩状态，上述顶块13前端的锥形面封堵喷嘴孔部分14后端的锥形口，凸型块后端位于侧喷嘴孔15里侧端口的前侧，侧喷嘴孔15的里侧端口与阀体孔部分的大孔连通。

[0020] 本发明所述的钻进-冲孔一体化水力冲孔钻头，是以矿用三翼钻头为例，刀翼2共设置三个，当然，本发明不拘泥于上述形式，刀翼2以及侧喷嘴和侧刀片8均可根据情况设置多个。本发明中所述的中心喷嘴1，起到钻机钻进时预破煤岩、冷却刀具、快速排渣的作用。在矿用三翼钻头侧面布置三个侧向喷嘴，为用于水力冲孔时的冲孔喷嘴。工作时，通过泵压的改变，控制换向阀的动作，实现了钻进、冲孔一体化,换向阀初始位置通过弹簧5来控制，换向阀动作的临界压力通过弹簧5的弹性参数和换向阀的尺寸来改变。换向阀通过弹簧5进行定位和复位，换向阀后端通过定位挡环7进行限位。

[0021] 如图1所示，在钻进过程中，泵压较低，换向阀处于初始位置状态且弹簧5未被压缩，此时，侧向喷嘴的流道处于封闭状态，中心喷嘴1的流道处于连通状态，高压水从中心喷嘴1喷出形成射流，高压水起到预破钻头正前方煤岩、冷却刀具、快速排渣的作用，形成快速钻进。

[0022] 如图2所示，在冲孔过程中，换向阀处于换向状态,将泵压升高并超过换向阀切换的临界压力，换向阀前移且弹簧5被压缩，顶块13前端锥形面16A封堵中心喷嘴孔部分14后端锥形口16B，中心喷嘴1的流道处于封闭状态，侧向喷嘴的流道处于连通状态，高压水从侧向喷嘴喷出形成射流，高压水将钻孔周围的煤体冲落并随水流排出孔外，实现水力冲孔。为防止水力冲孔过程中垮塌的大块煤渣堵塞排渣通道，在侧向喷嘴的后方布置三个侧刀片8——三个硬质合金刀具，对冲落的大煤块进行二次破碎，防止大煤块堵塞排渣通道，有效避免憋孔、夹钻、出煤不均匀等问题。