[发明专利]一种煤矿井下自吸式磨料射流钻头及钻孔方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿井下钻孔的钻头及钻孔的方法，具体涉及自吸式磨料射流发生技术。

背景技术

我国煤矿灾害事故十分严重，其中煤与瓦斯突出是最主要事故。瓦斯抽采是治理煤矿瓦斯灾害最有效的方法之一，而煤矿井下瓦斯抽采主要依靠钻孔来实现，即煤矿在石门揭煤、井巷掘进时都需要钻孔预先抽放瓦斯。但是目前我国煤矿井下钻孔施工主要选用硬质合金钻头与PDC钻头，现场施工表明，采用这类钻头钻进时速度较慢，尤其在岩层中钻进时钻头磨损严重，大大降低了钻进效率，又由于煤矿井下所需钻孔量巨大，严重制约了矿井采掘生产工作。

目前针对如何提高煤矿井下钻孔效率这一难题，广大学者对钻孔时用到的钻头进行了大量的研究。如中国专利CN202249785U公告的《一种内凸四翼不取芯钻头》、CN203188914U公告的《硬岩金刚石逐级扩孔组合钻头》与CN 2033850U公告的《多翼刮刀聚晶孕镶钻头》等都对煤矿井下钻孔作业进行了有益的改进。但是以上公开专利中对钻头的加工工艺提出了更高的要求，大幅增加了钻头的制造成本；并且钻头对煤岩体的破碎均为硬切削，即刚性接触切削，由机械切削原理可知，旋转钻头钻削过程中，始终会在加工表面的中央区域形成空白带，钻进阻力大，钻头磨损严重，如此大大降低钻头的钻进效率与工作寿命。因此还有学者提出在煤矿井下钻进过程中引入高压磨料水射流对煤岩体进行柔性先导破碎，如中国专利CN202194571U公告的《一种破碎硬岩钻头》能实现在硬岩层中的高效钻进，但是由于采用磨料水射流与传统方式的联合钻进，导致装备复杂，施工工艺繁琐，在煤矿井下的适用范围较小，尤其是填加磨料困难，无法实现磨料的连续添加，导致影响施工进度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术的缺点，提供一种煤矿井下自吸式磨料射流钻头及钻孔方法，解决现有钻头磨损严重，钻孔效率低的问题。同时改进磨料加入方式，实现磨料的连续添加，且装备简单，操作简便。

本发明通过以下技术方案实现其发明目的：

一种煤矿井下自吸式磨料射流钻头，其钻头体具有前后贯通的中心腔体，钻头体前部并在中心腔体外分布有2-3瓣破碎齿，每瓣破碎齿前端上焊接有一枚切割片，钻头体后端为钻杆连接端，钻杆连接端有带内螺纹的接口。

在中心腔体内的前部装有磨料射流喷嘴，磨料射流喷嘴前端管径小，为加速腔，后端管径呈喇叭形放大，为吸入腔；

在中心腔体内的后部装有进口喷嘴，进口喷嘴前端管径小于后端管径，进口喷嘴前端出口正对磨料射流喷嘴的后端中心，且其前端出口直径小于磨料射流喷嘴后端的喇叭口的口径。

中心腔体的后端为射流入口，其口径大于或等于进口喷嘴后端的口径。

在磨料射流喷嘴与进口喷嘴之间设置有支撑环。

在中心腔体的壁上径向设有至少两个自吸入口，自吸入口分布在破碎齿之间的位置，自吸入口上安装有过滤网，所述自吸入口正对于中心腔体内的支撑环的位置，支撑环上对应布置有自吸孔。自吸入口的轴向宽度略大于支撑环的自吸孔的轴向宽度，周向长度约为支撑环的自吸孔的两倍。支撑环上沿周向均匀地布置有12~16个自吸孔，自吸孔的轴向宽度约为支撑环轴向厚度的60%~80%。

采用以上自吸式磨料射流钻头在煤矿井下进行钻孔的步骤如下：

1、开启高压泵，高压水射流经磨料射流喷嘴喷出，对钻头中央位置的煤岩体进行破碎，破碎过程中产生的煤岩粒，成为本发明使用磨料的来源；

2、利用进口喷嘴形成的高压水射流的卷吸作用，在磨料射流喷嘴后端吸入腔的中心两侧区域形成低压区，在该低压区的作用下，粒径较小的煤岩粒通过滤网的筛选的筛选经自吸入口和自吸孔被吸入装置内部，煤岩粒与主射流充分混合，形成磨料射流，磨料射流通过磨料射流喷嘴前端加速腔喷出，对煤岩体进行先导破碎，形成先导孔；

3、再用液压钻进系统驱动钻头钻进，由所述自吸式磨料射流钻头体上破碎齿和切割片对先导孔周围岩石进行机械破碎，形成终孔。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、由于增加了由自吸入口、自吸孔、磨料射流喷嘴及进口喷嘴组成的自吸结构，可使钻进过程中产生的煤岩屑经过滤网筛选，进入自吸装置腔体内部，与水射流充分混合后形成磨料射流，从磨料射流喷嘴喷出，钻孔过程中磨料射流对煤岩体进行先导破碎时，直接使用钻进中产生的煤岩粒作为磨料，实现了磨料的连续添加，自吸装置结构简单，设计合理，阻力损失小，钻进工艺简便，可以广泛地用于煤矿井下钻孔作业。