[发明专利]一种水力扩孔钻具及扩孔方法

说明书

本发明提出了一种水力扩孔钻具及扩孔方法，钻具主体为圆柱空腔结构，在其中部设有扩孔槽，扩孔齿安装在钻具主体的扩孔槽内，堵头安装在钻具主体内部，当钻杆内水压逐渐增大后，作用在堵头末端的压力增大，在克服密封圈摩擦力以及卡簧压力作用下堵头向前运动，直至堵头前端与钻具主体空腔接触实现密封，此时卡簧处于压缩状态；由于钻具主体向前运动，其上面的传动齿条带动扩孔齿一端的半齿轮旋转，扩孔齿展开，实现扩孔；扩孔齿一端采用半齿轮目的是防止扩孔齿张开角度不大于度，这样既能保证扩孔直径最大，又便于扩孔齿的收回。在水压降低后，堵头的主体在卡簧回复力作用下向后运动，恢复到卡簧的限位位置，此时通过传动齿条传动，扩孔齿收回。

技术领域

本发明涉及矿井瓦斯防治领域，特别是指一种水力扩孔钻具及扩孔方法。

背景技术

中国构造煤具有富气、低渗、松软、破碎等突出特征，对于这些煤体的煤层扩孔钻进，经常出现钻孔发生变形，造成钻孔堵塞，致使瓦斯抽采受限，大大降低了瓦斯抽放的效率。为改善煤层渗透性，提高煤层气解吸速率和效率，水力钻孔技术自上世纪80年代被发现以后直到现在逐渐被应用到煤层开采中去。

为有效地解决低透气性煤层瓦斯抽采难题，已相继研究出了一系列强化增透技术，如深孔预裂爆破、水力冲孔、压裂、割缝技术等，但是这些水力化措施在作业时需要将钻孔钻杆拔出，换成相应设备，才能实现水力化作业，造成水力化措施效率低，用时长，工人劳动强度增大，井下生产效率等各方面的不良影响。

为了保证矿井的安全需要以及提高瓦斯抽采率，常常采用增大钻孔直径的方法，但是传统的扩孔装置需要人工更换刀具，效率低，工人在矿井下施工劳动强度过大。对于高压水射流切割煤壁扩孔的技术在特殊状况依然存在优化的空间，特别的在煤层硬度较大的时候，水力冲孔造穴设备就显得有些乏力。因此需要一种新型扩孔装备，来解决遇到的问题。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种水力扩孔钻具及扩孔方法，其结构简单，操作方便，在不需要改变扩孔刀长度的情况下，可以适应不同扩孔直径的需求，能够降低瓦斯抽采时间，提高瓦斯抽采效率。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种水力扩孔钻具，包括：钻具主体、扩孔齿、堵头，钻具主体为圆柱空腔结构，在其中部设有扩孔槽，扩孔齿安装在钻具主体的扩孔槽内，堵头安装在钻具主体内部。

进一步，钻具主体的外径尺寸与配套钻杆一致，钻具主体的前端为钻头接头，采用圆锥外螺纹与常规钻头配合，其后端为钻杆接头，采用圆锥内螺纹与钻杆外螺纹端配合。

进一步，扩孔齿为锥形结构，呈对称分布，通过旋转销轴固定安装，扩孔齿可绕销轴中心旋转，扩孔齿锥面一侧安装有合金片，在钻具旋转过程中起到切割煤体的作用，扩孔齿的旋转固定端为半齿轮结构，与堵头中传动齿条相配合。

进一步，堵头包括弹簧、密封圈、传动齿条、卡簧、封孔螺钉，弹簧套在堵头小直径一端，密封圈安装在堵头的主体密封槽内，传动齿条对称分布在堵头中部的外侧壁上，封孔螺钉安装在堵头的后端面螺纹孔内，堵头依靠卡簧进行定位，卡簧安装在钻具主体的卡槽内。

进一步，堵头为圆柱空腔结构，前端有出水孔，后端有进水孔和可密封进水孔，堵头侧壁的中部设有扩孔齿出水孔；在堵头外侧对称分布传动齿条(33)，与扩孔齿一端的半齿轮配合运动；可密封进水孔对称圆周分布，根据扩孔水压以及整体机构需要，可通过安装密封螺钉数目来调节运动行程。

如权利要求1到5任一项所述的水力扩孔的扩孔方法，扩孔水压P与扩孔直径D的关系为：

堵头末端横截面积S为：

其中，D₁为堵头末端直径，d₁为末端中心孔直径，d₂为密封进水孔直径，n为密封进水孔通水数；

作用在堵头上的作用力F为：