[發(fā)明專利]一種水力擴(kuò)孔鉆具及擴(kuò)孔方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110589037.2
• 申請(qǐng)日: 2021-05-26
• 公開（公告）號(hào): CN113137181A
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊程濤;何志龍;劉雨濤;郭歡;張健;王義民;柴錫軍;張楠;連洪全;張國雷;蔣志剛;熊俊杰;楊正宇;王峰;馮立杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河南能源化工集團(tuán)研究總院有限公司;永貴能源開發(fā)有限責(zé)任公司西秀分公司
• 主分類號(hào): E21B7/28
• 分類號(hào): E21B7/28;E21B10/32;E21B10/46;E21B10/60
• 代理公司: 鄭州浩德知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 41130
• 代理人: 柏瓊瓊

本發(fā)明提出了一種水力擴(kuò)孔鉆具及擴(kuò)孔方法，鉆具主體為圓柱空腔結(jié)構(gòu)，在其中部設(shè)有擴(kuò)孔槽，擴(kuò)孔齒安裝在鉆具主體的擴(kuò)孔槽內(nèi)，堵頭安裝在鉆具主體內(nèi)部，當(dāng)鉆桿內(nèi)水壓逐漸增大后，作用在堵頭末端的壓力增大，在克服密封圈摩擦力以及卡簧壓力作用下堵頭向前運(yùn)動(dòng)，直至堵頭前端與鉆具主體空腔接觸實(shí)現(xiàn)密封，此時(shí)卡簧處于壓縮狀態(tài)；由于鉆具主體向前運(yùn)動(dòng)，其上面的傳動(dòng)齒條帶動(dòng)擴(kuò)孔齒一端的半齒輪旋轉(zhuǎn)，擴(kuò)孔齒展開，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔；擴(kuò)孔齒一端采用半齒輪目的是防止擴(kuò)孔齒張開角度不大于度，這樣既能保證擴(kuò)孔直徑最大，又便于擴(kuò)孔齒的收回。在水壓降低后，堵頭的主體在卡簧回復(fù)力作用下向后運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)到卡簧的限位位置，此時(shí)通過傳動(dòng)齒條傳動(dòng)，擴(kuò)孔齒收回。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及礦井瓦斯防治領(lǐng)域，特別是指一種水力擴(kuò)孔鉆具及擴(kuò)孔方法。

背景技術(shù)

中國構(gòu)造煤具有富氣、低滲、松軟、破碎等突出特征，對(duì)于這些煤體的煤層擴(kuò)孔鉆進(jìn)，經(jīng)常出現(xiàn)鉆孔發(fā)生變形，造成鉆孔堵塞，致使瓦斯抽采受限，大大降低了瓦斯抽放的效率。為改善煤層滲透性，提高煤層氣解吸速率和效率，水力鉆孔技術(shù)自上世紀(jì)80年代被發(fā)現(xiàn)以后直到現(xiàn)在逐漸被應(yīng)用到煤層開采中去。

為有效地解決低透氣性煤層瓦斯抽采難題，已相繼研究出了一系列強(qiáng)化增透技術(shù)，如深孔預(yù)裂爆破、水力沖孔、壓裂、割縫技術(shù)等，但是這些水力化措施在作業(yè)時(shí)需要將鉆孔鉆桿拔出，換成相應(yīng)設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)水力化作業(yè)，造成水力化措施效率低，用時(shí)長，工人勞動(dòng)強(qiáng)度增大，井下生產(chǎn)效率等各方面的不良影響。

為了保證礦井的安全需要以及提高瓦斯抽采率，常常采用增大鉆孔直徑的方法，但是傳統(tǒng)的擴(kuò)孔裝置需要人工更換刀具，效率低，工人在礦井下施工勞動(dòng)強(qiáng)度過大。對(duì)于高壓水射流切割煤壁擴(kuò)孔的技術(shù)在特殊狀況依然存在優(yōu)化的空間，特別的在煤層硬度較大的時(shí)候，水力沖孔造穴設(shè)備就顯得有些乏力。因此需要一種新型擴(kuò)孔裝備，來解決遇到的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種水力擴(kuò)孔鉆具及擴(kuò)孔方法，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，在不需要改變擴(kuò)孔刀長度的情況下，可以適應(yīng)不同擴(kuò)孔直徑的需求，能夠降低瓦斯抽采時(shí)間，提高瓦斯抽采效率。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種水力擴(kuò)孔鉆具，包括：鉆具主體、擴(kuò)孔齒、堵頭，鉆具主體為圓柱空腔結(jié)構(gòu)，在其中部設(shè)有擴(kuò)孔槽，擴(kuò)孔齒安裝在鉆具主體的擴(kuò)孔槽內(nèi)，堵頭安裝在鉆具主體內(nèi)部。

進(jìn)一步，鉆具主體的外徑尺寸與配套鉆桿一致，鉆具主體的前端為鉆頭接頭，采用圓錐外螺紋與常規(guī)鉆頭配合，其后端為鉆桿接頭，采用圓錐內(nèi)螺紋與鉆桿外螺紋端配合。

進(jìn)一步，擴(kuò)孔齒為錐形結(jié)構(gòu)，呈對(duì)稱分布，通過旋轉(zhuǎn)銷軸固定安裝，擴(kuò)孔齒可繞銷軸中心旋轉(zhuǎn)，擴(kuò)孔齒錐面一側(cè)安裝有合金片，在鉆具旋轉(zhuǎn)過程中起到切割煤體的作用，擴(kuò)孔齒的旋轉(zhuǎn)固定端為半齒輪結(jié)構(gòu)，與堵頭中傳動(dòng)齒條相配合。

進(jìn)一步，堵頭包括彈簧、密封圈、傳動(dòng)齒條、卡簧、封孔螺釘，彈簧套在堵頭小直徑一端，密封圈安裝在堵頭的主體密封槽內(nèi)，傳動(dòng)齒條對(duì)稱分布在堵頭中部的外側(cè)壁上，封孔螺釘安裝在堵頭的后端面螺紋孔內(nèi)，堵頭依靠卡簧進(jìn)行定位，卡簧安裝在鉆具主體的卡槽內(nèi)。

進(jìn)一步，堵頭為圓柱空腔結(jié)構(gòu)，前端有出水孔，后端有進(jìn)水孔和可密封進(jìn)水孔，堵頭側(cè)壁的中部設(shè)有擴(kuò)孔齒出水孔；在堵頭外側(cè)對(duì)稱分布傳動(dòng)齒條(33)，與擴(kuò)孔齒一端的半齒輪配合運(yùn)動(dòng)；可密封進(jìn)水孔對(duì)稱圓周分布，根據(jù)擴(kuò)孔水壓以及整體機(jī)構(gòu)需要，可通過安裝密封螺釘數(shù)目來調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)行程。

如權(quán)利要求1到5任一項(xiàng)所述的水力擴(kuò)孔的擴(kuò)孔方法，擴(kuò)孔水壓P與擴(kuò)孔直徑D的關(guān)系為：

堵頭末端橫截面積S為：

其中，D₁為堵頭末端直徑，d₁為末端中心孔直徑，d₂為密封進(jìn)水孔直徑，n為密封進(jìn)水孔通水?dāng)?shù)；

作用在堵頭上的作用力F為：