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時，利用磨料射流先導破碎與機械破碎相結合，提高鉆進速度。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構。自吸裝置由腔體、過濾網、位于腔體內的支撐環與位于腔體后端的進口噴嘴組成。本發明可使鉆進過程中產生的煤巖屑經過濾網篩選，進入自吸裝置腔體內部，與水射流充分混合后形成磨料射流，從磨料射流噴嘴噴出，對煤巖體進行先導破碎。所述鉆頭主體破碎結構由三枚切割片和三個主體破碎齒組成，在其機械破碎作用下形成終孔。本發明還涉及利用所述鉆頭在煤礦井下鉆孔的方法，所述鉆頭鉆進速度快、磨損小，可廣泛用于煤礦井下鉆孔作業。
【專利說明】一種煤礦井下自吸式磨料射流鉆頭及鉆孔方法
【技術領域】
[0001]本發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生技術。
【背景技術】
[0002]我國煤礦災害事故十分嚴重，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實現，即煤礦在石門揭煤、井巷掘進時都需要鉆孔預先抽放瓦斯。但是目前我國煤礦井下鉆孔施工主要選用硬質合金鉆頭與PDC鉆頭，現場施工表明，采用這類鉆頭鉆進時速度較慢，尤其在巖層中鉆進時鉆頭磨損嚴重，大大降低了鉆進效率，又由于煤礦井下所需鉆孔量巨大，嚴重制約了礦井采掘生產工作。
[0003]目前針對如何提高煤礦井下鉆孔效率這一難題，廣大學者對鉆孔時用到的鉆頭進行了大量的研究。如中國專利CN202249785U公告的《一種內凸四翼不取芯鉆頭》、CN203188914U公告的《硬巖金剛石逐級擴孔組合鉆頭》與CN 2033850U公告的《多翼刮刀聚晶孕鑲鉆頭》等都對煤礦井下鉆孔作業進行了有益的改進。但是以上公開專利中對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；并且鉆頭對煤巖體的破碎均為硬切削，即剛性接觸切削，由機械切削原理可知，旋轉鉆頭鉆削過程中，始終會在加工表面的中央區域形成空白帶，鉆進阻力大，鉆頭磨損嚴重，如此大大降低鉆頭的鉆進效率與工作壽命。因此還有學者提出在煤礦井下鉆進過程中引入高壓磨料水射流對煤巖體進行柔性先導破碎，如中國專利CN202194571U公告的《一種破碎硬巖鉆頭》能實現在硬巖層中的高效鉆進，但是由于采用磨料水射流與傳統方式的聯合鉆進，導致裝備復雜，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，無法實現磨料的連續添加，導致影響施工進度。
【發明內容】
[0004]本發明的目的就是為了克服現有技術的缺點，提供一種煤礦井下自吸式磨料射流鉆頭及鉆孔方法，解決現有鉆頭磨損嚴重，鉆孔效率低的問題。同時改進磨料加入方式，實現磨料的連續添加，且裝備簡單，操作簡便。
[0005]本發明通過以下技術方案實現其發明目的:
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，鉆桿連接端有帶內螺紋的接口。
[0006]在中心腔體內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；
在中心腔體內的后部裝有進口噴嘴，進口噴嘴前端管徑小于后端管徑，進口噴嘴前端出口正對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口噴嘴后端的口徑。
[0008]在磨料射流噴嘴與進口噴嘴之間設置有支撐環。
[0009]在中心腔體的壁上徑向設有至少兩個自吸入口，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，所述自吸入口正對于中心腔體內的支撐環的位置，支撐環上對應布置有自吸孔。自吸入口的軸向寬度略大于支撐環的自吸孔的軸向寬度，周向長度約為支撐環的自吸孔的兩倍。支撐環上沿周向均勻地布置有12~16個自吸孔，自吸孔的軸向寬度約為支撐環軸向厚度的60%~80%。
[0010]采用以上自吸式磨料射流鉆頭在煤礦井下進行鉆孔的步驟如下:
1、開啟高壓泵，高壓水射流經磨料射流噴嘴噴出，對鉆頭中央位置的煤巖體進行破碎，破碎過程中產生的煤巖粒，成為本發明使用磨料的來源；
2、利用進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區域形成低壓區，在該低壓區的作用下，粒徑較小的煤巖粒通過濾網的篩選的篩選經自吸入口和自吸孔被吸入裝置內部，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，對煤巖體進行先導破碎，形成先導孔；
3、再用液壓鉆進系統驅動鉆頭鉆進，由所述自吸式磨料射流鉆頭體上破碎齒和切割片對先導孔周圍巖石進行機械破碎，形成終孔。
[0011]本發明與現有技術相比，具有以下優點和有益效果:
1、由于增加了由自吸入口、自吸孔、磨料射流噴嘴及進口噴嘴組成的自吸結構，可使鉆進過程中產生的煤巖屑經過濾網篩選，進入自吸裝置腔體內部，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煤巖體進行先導破碎時，直接使用鉆進中產生的煤巖粒作為磨料，實現了磨料的連續添加，自吸裝置結構簡單，設計合理，阻力損失小，鉆進工藝簡便，可以廣泛地用于煤礦井下鉆孔作業。
[0012]2、可根據實際鉆進中煤巖體的性質，選用不同直徑的磨料射流噴嘴及進口噴嘴，達到自吸結構的最適工況，使鉆孔效果最佳。
[0013]本發明的鉆頭及鉆孔方法特別適用于硬質煤巖體條件下，煤礦開采中石門揭煤穿層鉆孔作業和采用鉆孔抽放瓦斯作業中在頂底板鉆取瓦斯抽采孔，鉆頭鉆進速度快、磨損小，并可廣泛用于煤礦井下鉆孔作業。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1和圖2是本發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；7—進口噴嘴；8—鉆頭體；9一鉆桿連接端；10—過濾網；11一自吸孔；12一加速腔；13—吸入腔；14一射流入口。
【具體實施方式】[0016]以下結合圖1至圖5對本發明的實施方式進行說明:
結合圖1可見，該鉆頭的鉆頭體8的前端為主體破碎結構，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為前后貫通結構，具有中心腔體3，鉆頭體8的后端是鉆桿連接端9，具有帶內螺紋的接口。
[0018]磨料射流噴嘴2裝在中心腔體3內的前部，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。進口噴嘴7裝在中心腔體3內的后部，其前端管徑小后端管徑大，其前端出口正對磨料射流噴嘴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6裝在磨料射流噴嘴2與進口噴嘴7之間。
[0019]結合圖3可見，中心腔體3的壁上徑向設有三個自吸入口 5，分別在三瓣破碎齒之間，所述自吸入口 5正對于中心腔體3內支撐環6的位置，自吸入口 5內安裝有過濾網10。
[0020]結合圖4可見，支撐環6上沿周向均勻地布置有大約12~16個自吸孔11，自吸孔11的的軸向寬度約為支撐環6軸向厚度的60%~80%。自吸入口 5的軸向寬度略大于支撐環6的自吸孔11的軸向寬度，周向長度約為支撐環6的自吸孔11的兩倍。，即自吸孔11的周向長度約為自吸入口 5的50%。由于安裝支撐環時自吸孔11需要對準自吸入口 5，方向控制比較困難，均勻地布置多個自吸孔11使得支撐環在安裝時無需考慮方向，自吸孔11周向長度的設計保證了會有自吸孔11對準自吸入口 5，安裝容易便利。
[0021]本裝置采用的磨料射流噴嘴與進口噴嘴一般可以配備不同直徑的多個，可更換，以根據使用需要調節磨料吸入量。
[0022]采用本發明在煤礦井下進行鉆孔的工作過程:
實施鉆孔作業時，將自吸式磨料射流鉆頭連接鉆桿，開啟高壓泵，高壓水射流經磨料射流噴嘴2噴出，對鉆頭中央位置的煤巖體進行破碎，破碎過程中產生的煤巖粒，成為本發明使用磨料的來源；
利用進口噴嘴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的中心兩側區域形成低壓區，在該低壓區的作用下，粒徑較小的煤巖粒通過濾網10的篩選被吸入裝置內部，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，對煤巖體進行先導破碎，形成先導孔；
再用液壓鉆進系統驅動鉆頭鉆進，由所述自吸式磨料射流鉆頭的三瓣破碎齒4的三個切割片I對先導孔周圍巖石進行機械破碎，形成終孔。
[0023]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明。所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
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)有帶內螺紋的接口 ； 其特征在于:在中心腔體(3)內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)內的后部裝有進口噴嘴(7)，進口噴嘴前端管徑小于后端管徑，進口噴嘴前端出口正對磨料射流噴嘴(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口噴嘴(7)后端的口徑； 在磨料射流噴嘴(2)與進口噴嘴(7)之間設置有支撐環(6)； 在中心腔體(3)的壁上徑向設有至少兩個自吸入口(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(10 )，所述自吸入口( 5 )正對于中心腔體(3 )內的支撐環(6 )的位置，支撐環(6 )上對應布置有自吸孔(11)。
2.根據權利要求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 )的軸向寬度略大于支撐環(6 )的自吸孔(11)的軸向寬度，自吸孔(11)的軸向寬度約為支撐環(6)軸向厚度的60%~80%。
3.根據權利要求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(6)上沿周向均勻地布置有12~16個自吸孔(11)。
4.根據權利要求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)的周向長度約為自吸入口(5)的50%。
5.根據權利要求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)與進口噴嘴(7)配備有不同直徑的多個，根據實際需要可以更換。
6.根據權利要求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 )、進口噴嘴(7 )和切割片(I)采用硬質合金或PDC材料制作，所述鉆頭體(8 )和三個主體破碎齒(4)采用普通鋼材料制作，所述支撐環(6)采用普通硅橡膠材料制作。
7.使用權利要求1-6之任一項所述的自吸式磨料射流鉆頭在煤礦井下進行鉆孔的方法，其特征在于步驟如下: 1)開啟高壓泵，高壓水射流經磨料射流噴嘴(2)噴出，對鉆頭中央位置的煤巖體進行破碎，破碎過程中產生的煤巖粒，成為磨料的來源； 2)利用進口噴嘴(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)的中心兩側區域形成低壓區，在該低壓區的作用下，粒徑較小的煤巖粒通過濾網(10)的篩選經自吸入口( 5 )和自吸孔(11)被吸入裝置內部，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，對煤巖體進行先導破碎，形成先導孔； 3)再用液壓鉆進系統驅動鉆頭鉆進，由鉆頭體上的破碎齒(4)和切割片(I)對先導孔周圍巖石進行機械破碎，形成終孔。
【文檔編號】E21B7/18GK103556947SQ201310568516
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2013年11月15日
【發明者】盧義玉, 葛兆龍, 張欣瑋, 周哲, 孫大發, 陳久福 申請人:重慶大學