一種煤礦井下自吸式磨料射流鉆頭及鉆孔方法
【專利摘要】本發(fā)明公布一種煤礦井下自吸式磨料射流鉆頭，涉及在煤礦井下鉆孔作業(yè)時(shí)，利用磨料射流先導(dǎo)破碎與機(jī)械破碎相結(jié)合，提高鉆進(jìn)速度。所涉及的自吸式磨料射流鉆頭包括磨料射流噴嘴、自吸裝置和主體破碎齒結(jié)構(gòu)。自吸裝置由腔體、過濾網(wǎng)、位于腔體內(nèi)的支撐環(huán)與位于腔體后端的進(jìn)口噴嘴組成。本發(fā)明可使鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的煤巖屑經(jīng)過濾網(wǎng)篩選，進(jìn)入自吸裝置腔體內(nèi)部，與水射流充分混合后形成磨料射流，從磨料射流噴嘴噴出，對(duì)煤巖體進(jìn)行先導(dǎo)破碎。所述鉆頭主體破碎結(jié)構(gòu)由三枚切割片和三個(gè)主體破碎齒組成，在其機(jī)械破碎作用下形成終孔。本發(fā)明還涉及利用所述鉆頭在煤礦井下鉆孔的方法，所述鉆頭鉆進(jìn)速度快、磨損小，可廣泛用于煤礦井下鉆孔作業(yè)。
【專利說明】一種煤礦井下自吸式磨料射流鉆頭及鉆孔方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤礦井下鉆孔的鉆頭及鉆孔的方法，具體涉及自吸式磨料射流發(fā)生技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)煤礦災(zāi)害事故十分嚴(yán)重，其中煤與瓦斯突出是最主要事故。瓦斯抽采是治理煤礦瓦斯災(zāi)害最有效的方法之一，而煤礦井下瓦斯抽采主要依靠鉆孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，即煤礦在石門揭煤、井巷掘進(jìn)時(shí)都需要鉆孔預(yù)先抽放瓦斯。但是目前我國(guó)煤礦井下鉆孔施工主要選用硬質(zhì)合金鉆頭與PDC鉆頭，現(xiàn)場(chǎng)施工表明，采用這類鉆頭鉆進(jìn)時(shí)速度較慢，尤其在巖層中鉆進(jìn)時(shí)鉆頭磨損嚴(yán)重，大大降低了鉆進(jìn)效率，又由于煤礦井下所需鉆孔量巨大，嚴(yán)重制約了礦井采掘生產(chǎn)工作。
[0003]目前針對(duì)如何提高煤礦井下鉆孔效率這一難題，廣大學(xué)者對(duì)鉆孔時(shí)用到的鉆頭進(jìn)行了大量的研究。如中國(guó)專利CN202249785U公告的《一種內(nèi)凸四翼不取芯鉆頭》、CN203188914U公告的《硬巖金剛石逐級(jí)擴(kuò)孔組合鉆頭》與CN 2033850U公告的《多翼刮刀聚晶孕鑲鉆頭》等都對(duì)煤礦井下鉆孔作業(yè)進(jìn)行了有益的改進(jìn)。但是以上公開專利中對(duì)鉆頭的加工工藝提出了更高的要求，大幅增加了鉆頭的制造成本；并且鉆頭對(duì)煤巖體的破碎均為硬切削，即剛性接觸切削，由機(jī)械切削原理可知，旋轉(zhuǎn)鉆頭鉆削過程中，始終會(huì)在加工表面的中央?yún)^(qū)域形成空白帶，鉆進(jìn)阻力大，鉆頭磨損嚴(yán)重，如此大大降低鉆頭的鉆進(jìn)效率與工作壽命。因此還有學(xué)者提出在煤礦井下鉆進(jìn)過程中引入高壓磨料水射流對(duì)煤巖體進(jìn)行柔性先導(dǎo)破碎，如中國(guó)專利CN202194571U公告的《一種破碎硬巖鉆頭》能實(shí)現(xiàn)在硬巖層中的高效鉆進(jìn)，但是由于采用磨料水射流與傳統(tǒng)方式的聯(lián)合鉆進(jìn)，導(dǎo)致裝備復(fù)雜，施工工藝繁瑣，在煤礦井下的適用范圍較小，尤其是填加磨料困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)磨料的連續(xù)添加，導(dǎo)致影響施工進(jìn)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種煤礦井下自吸式磨料射流鉆頭及鉆孔方法，解決現(xiàn)有鉆頭磨損嚴(yán)重，鉆孔效率低的問題。同時(shí)改進(jìn)磨料加入方式，實(shí)現(xiàn)磨料的連續(xù)添加，且裝備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便。
[0005]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的:
一種煤礦井下自吸式磨料射流鉆頭，其鉆頭體具有前后貫通的中心腔體，鉆頭體前部并在中心腔體外分布有2-3瓣破碎齒，每瓣破碎齒前端上焊接有一枚切割片，鉆頭體后端為鉆桿連接端，鉆桿連接端有帶內(nèi)螺紋的接口。
[0006]在中心腔體內(nèi)的前部裝有磨料射流噴嘴，磨料射流噴嘴前端管徑小，為加速腔，后端管徑呈喇叭形放大，為吸入腔；
在中心腔體內(nèi)的后部裝有進(jìn)口噴嘴，進(jìn)口噴嘴前端管徑小于后端管徑，進(jìn)口噴嘴前端出口正對(duì)磨料射流噴嘴的后端中心，且其前端出口直徑小于磨料射流噴嘴后端的喇叭口的口徑。
[0007]中心腔體的后端為射流入口，其口徑大于或等于進(jìn)口噴嘴后端的口徑。
[0008]在磨料射流噴嘴與進(jìn)口噴嘴之間設(shè)置有支撐環(huán)。
[0009]在中心腔體的壁上徑向設(shè)有至少兩個(gè)自吸入口，自吸入口分布在破碎齒之間的位置，自吸入口上安裝有過濾網(wǎng)，所述自吸入口正對(duì)于中心腔體內(nèi)的支撐環(huán)的位置，支撐環(huán)上對(duì)應(yīng)布置有自吸孔。自吸入口的軸向?qū)挾嚷源笥谥苇h(huán)的自吸孔的軸向?qū)挾?，周向長(zhǎng)度約為支撐環(huán)的自吸孔的兩倍。支撐環(huán)上沿周向均勻地布置有12~16個(gè)自吸孔，自吸孔的軸向?qū)挾燃s為支撐環(huán)軸向厚度的60%~80%。
[0010]采用以上自吸式磨料射流鉆頭在煤礦井下進(jìn)行鉆孔的步驟如下:
1、開啟高壓泵，高壓水射流經(jīng)磨料射流噴嘴噴出，對(duì)鉆頭中央位置的煤巖體進(jìn)行破碎，破碎過程中產(chǎn)生的煤巖粒，成為本發(fā)明使用磨料的來(lái)源；
2、利用進(jìn)口噴嘴形成的高壓水射流的卷吸作用，在磨料射流噴嘴后端吸入腔的中心兩側(cè)區(qū)域形成低壓區(qū)，在該低壓區(qū)的作用下，粒徑較小的煤巖粒通過濾網(wǎng)的篩選的篩選經(jīng)自吸入口和自吸孔被吸入裝置內(nèi)部，煤巖粒與主射流充分混合，形成磨料射流，磨料射流通過磨料射流噴嘴前端加速腔噴出，對(duì)煤巖體進(jìn)行先導(dǎo)破碎，形成先導(dǎo)孔；
3、再用液壓鉆進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆頭鉆進(jìn)，由所述自吸式磨料射流鉆頭體上破碎齒和切割片對(duì)先導(dǎo)孔周圍巖石進(jìn)行機(jī)械破碎，形成終孔。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
1、由于增加了由自吸入口、自吸孔、磨料射流噴嘴及進(jìn)口噴嘴組成的自吸結(jié)構(gòu)，可使鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的煤巖屑經(jīng)過濾網(wǎng)篩選，進(jìn)入自吸裝置腔體內(nèi)部，與水射流充分混合后形成磨料射流，從磨料射流噴嘴噴出`，鉆孔過程中磨料射流對(duì)煤巖體進(jìn)行先導(dǎo)破碎時(shí)，直接使用鉆進(jìn)中產(chǎn)生的煤巖粒作為磨料，實(shí)現(xiàn)了磨料的連續(xù)添加，自吸裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，阻力損失小，鉆進(jìn)工藝簡(jiǎn)便，可以廣泛地用于煤礦井下鉆孔作業(yè)。
[0012]2、可根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)中煤巖體的性質(zhì)，選用不同直徑的磨料射流噴嘴及進(jìn)口噴嘴，達(dá)到自吸結(jié)構(gòu)的最適工況，使鉆孔效果最佳。
[0013]本發(fā)明的鉆頭及鉆孔方法特別適用于硬質(zhì)煤巖體條件下，煤礦開采中石門揭煤穿層鉆孔作業(yè)和采用鉆孔抽放瓦斯作業(yè)中在頂?shù)装邈@取瓦斯抽采孔，鉆頭鉆進(jìn)速度快、磨損小，并可廣泛用于煤礦井下鉆孔作業(yè)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1和圖2是本發(fā)明的自吸式磨料射流鉆頭的立體圖與俯視圖；
圖3是圖2中A-A剖面圖(鉆頭總體的軸向剖面圖)；
圖4是圖2中B-B剖面圖(自吸裝置的軸向剖面圖)；
圖5是圖4中C-C剖面圖(支撐環(huán)的剖面圖)。
[0015]在圖1至圖5中:1 一切割片；2—磨料射流噴嘴；3—中心腔體；4一破碎齒；5—自吸入口 ；6—支撐環(huán)；7—進(jìn)口噴嘴；8—鉆頭體；9一鉆桿連接端；10—過濾網(wǎng)；11一自吸孔；12一加速腔；13—吸入腔；14一射流入口。
【具體實(shí)施方式】[0016]以下結(jié)合圖1至圖5對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明:
結(jié)合圖1可見，該鉆頭的鉆頭體8的前端為主體破碎結(jié)構(gòu)，由三枚切割片I和三瓣破碎齒4組成，三瓣破碎齒4圍繞中心腔體3布置，三枚切割片I通過銅焊固定在三瓣破碎齒4前端。
[0017]結(jié)合圖2可見，自吸式磨料射流鉆頭的鉆頭體8為前后貫通結(jié)構(gòu)，具有中心腔體3，鉆頭體8的后端是鉆桿連接端9，具有帶內(nèi)螺紋的接口。
[0018]磨料射流噴嘴2裝在中心腔體3內(nèi)的前部，前端管徑小，為加速腔12，后端管徑呈喇叭形放大，為吸入腔13。進(jìn)口噴嘴7裝在中心腔體3內(nèi)的后部，其前端管徑小后端管徑大，其前端出口正對(duì)磨料射流噴嘴2的后端中心，且其前端直徑小于磨料射流噴嘴2后端的喇叭口的口徑。支撐環(huán)6裝在磨料射流噴嘴2與進(jìn)口噴嘴7之間。
[0019]結(jié)合圖3可見，中心腔體3的壁上徑向設(shè)有三個(gè)自吸入口 5，分別在三瓣破碎齒之間，所述自吸入口 5正對(duì)于中心腔體3內(nèi)支撐環(huán)6的位置，自吸入口 5內(nèi)安裝有過濾網(wǎng)10。
[0020]結(jié)合圖4可見，支撐環(huán)6上沿周向均勻地布置有大約12~16個(gè)自吸孔11，自吸孔11的的軸向?qū)挾燃s為支撐環(huán)6軸向厚度的60%~80%。自吸入口 5的軸向?qū)挾嚷源笥谥苇h(huán)6的自吸孔11的軸向?qū)挾?，周向長(zhǎng)度約為支撐環(huán)6的自吸孔11的兩倍。，即自吸孔11的周向長(zhǎng)度約為自吸入口 5的50%。由于安裝支撐環(huán)時(shí)自吸孔11需要對(duì)準(zhǔn)自吸入口 5，方向控制比較困難，均勻地布置多個(gè)自吸孔11使得支撐環(huán)在安裝時(shí)無(wú)需考慮方向，自吸孔11周向長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)保證了會(huì)有自吸孔11對(duì)準(zhǔn)自吸入口 5，安裝容易便利。
[0021]本裝置采用的磨料射流噴嘴與進(jìn)口噴嘴一般可以配備不同直徑的多個(gè)，可更換，以根據(jù)使用需要調(diào)節(jié)磨料吸入量。
[0022]采用本發(fā)明在煤礦井下進(jìn)行鉆孔的工作過程:
實(shí)施鉆孔作業(yè)時(shí)，將自吸式磨料射流鉆頭連接鉆桿，開啟高壓泵，高壓水射流經(jīng)磨料射流噴嘴2噴出，對(duì)鉆頭中央位置的煤巖體進(jìn)行破碎，破碎過程中產(chǎn)生的煤巖粒，成為本發(fā)明使用磨料的來(lái)源；
利用進(jìn)口噴嘴7形成的高壓水射流的卷吸作用，在磨料射流噴嘴2后端吸入腔13的中心兩側(cè)區(qū)域形成低壓區(qū)，在該低壓區(qū)的作用下，粒徑較小的煤巖粒通過濾網(wǎng)10的篩選被吸入裝置內(nèi)部，煤巖粒與主射流充分混合，形成磨料射流，磨料`射流通過磨料射流噴嘴2前端加速腔12噴出，對(duì)煤巖體進(jìn)行先導(dǎo)破碎，形成先導(dǎo)孔；
再用液壓鉆進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆頭鉆進(jìn)，由所述自吸式磨料射流鉆頭的三瓣破碎齒4的三個(gè)切割片I對(duì)先導(dǎo)孔周圍巖石進(jìn)行機(jī)械破碎，形成終孔。
[0023]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明。所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種煤礦井下自吸式磨料射流鉆頭，其鉆頭體(8)具有前后貫通的中心腔體(3)，鉆頭體前部并在中心腔體外分布有2-3瓣破碎齒(4)，每瓣破碎齒(4)前端上焊接有一枚切割片(I )，鉆頭體后端為鉆桿連接端(9)，鉆桿連接端(9)有帶內(nèi)螺紋的接口 ； 其特征在于:在中心腔體(3)內(nèi)的前部裝有磨料射流噴嘴(2)，磨料射流噴嘴(2)前端管徑小，為加速腔(12)，后端管徑呈喇叭形放大，為吸入腔(13); 在中心腔體(3)內(nèi)的后部裝有進(jìn)口噴嘴(7)，進(jìn)口噴嘴前端管徑小于后端管徑，進(jìn)口噴嘴前端出口正對(duì)磨料射流噴嘴(2)的后端中心，且其前端出口直徑小于磨料射流噴嘴(2)后端的喇叭口的口徑； 中心腔體(3)的后端為射流入口(14)，其口徑大于或等于進(jìn)口噴嘴(7)后端的口徑； 在磨料射流噴嘴(2)與進(jìn)口噴嘴(7)之間設(shè)置有支撐環(huán)(6)； 在中心腔體(3)的壁上徑向設(shè)有至少兩個(gè)自吸入口(5)，自吸入口(5)分布在破碎齒(4 )之間的位置，自吸入口( 5 )上安裝有過濾網(wǎng)(10 )，所述自吸入口( 5 )正對(duì)于中心腔體(3 )內(nèi)的支撐環(huán)(6 )的位置，支撐環(huán)(6 )上對(duì)應(yīng)布置有自吸孔(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下自吸式磨料射流鉆頭，其特征在于:所述自吸入口(5 )的軸向?qū)挾嚷源笥谥苇h(huán)(6 )的自吸孔(11)的軸向?qū)挾?，自吸?11)的軸向?qū)挾燃s為支撐環(huán)(6)軸向厚度的60%~80%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的煤礦井下自吸式磨料射流鉆頭，其特征在于:所述支撐環(huán)(6)上沿周向均勻地布置有12~16個(gè)自吸孔(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤礦井下自吸式磨料射流鉆頭，其特征在于:所述自吸孔`(11)的周向長(zhǎng)度約為自吸入口(5)的50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的煤礦井下自吸式磨料射流鉆頭，其特征在于:所述磨料射流噴嘴(2)與進(jìn)口噴嘴(7)配備有不同直徑的多個(gè)，根據(jù)實(shí)際需要可以更換。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的煤礦井下自吸式磨料射流鉆頭，其特征在于:所述磨料射流噴嘴(2 )、進(jìn)口噴嘴(7 )和切割片(I)采用硬質(zhì)合金或PDC材料制作，所述鉆頭體(8 )和三個(gè)主體破碎齒(4)采用普通鋼材料制作，所述支撐環(huán)(6)采用普通硅橡膠材料制作。
7.使用權(quán)利要求1-6之任一項(xiàng)所述的自吸式磨料射流鉆頭在煤礦井下進(jìn)行鉆孔的方法，其特征在于步驟如下: 1)開啟高壓泵，高壓水射流經(jīng)磨料射流噴嘴(2)噴出，對(duì)鉆頭中央位置的煤巖體進(jìn)行破碎，破碎過程中產(chǎn)生的煤巖粒，成為磨料的來(lái)源； 2)利用進(jìn)口噴嘴(7)形成的高壓水射流的卷吸作用，在磨料射流噴嘴(2)后端吸入腔(13)的中心兩側(cè)區(qū)域形成低壓區(qū)，在該低壓區(qū)的作用下，粒徑較小的煤巖粒通過濾網(wǎng)(10)的篩選經(jīng)自吸入口( 5 )和自吸孔(11)被吸入裝置內(nèi)部，煤巖粒與主射流水充分混合，形成磨料射流，磨料射流通過磨料射流噴嘴(2)前端加速腔(12)噴出，對(duì)煤巖體進(jìn)行先導(dǎo)破碎，形成先導(dǎo)孔； 3)再用液壓鉆進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆頭鉆進(jìn)，由鉆頭體上的破碎齒(4)和切割片(I)對(duì)先導(dǎo)孔周圍巖石進(jìn)行機(jī)械破碎，形成終孔。
【文檔編號(hào)】E21B7/18GK103556947SQ201310568516
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】盧義玉, 葛兆龍, 張欣瑋, 周哲, 孫大發(fā), 陳久福 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)