CN111622675A - 一种煤矿井下螺旋式水力机械扩孔装置 - Google Patents

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Abstract

本发明专利涉及一种煤矿井下螺旋式水力机械扩孔装置，该装置包括钻头腔体、刀臂腔体和水阀腔体，刀臂腔体中内置动力驱动装置，水阀腔体中内置高低压冷却水切换装置、螺旋式刀臂装置。刀臂腔体外侧设置有一对螺旋式刀臂，螺旋式刀臂根部装有加工斜齿的刀臂齿轮体，刀臂齿轮体依靠斜齿与侧面同样加工斜齿的活塞滑套紧密啮合；高压水管路提供高压水推动活塞运动与齿轮传动，螺旋式刀臂可在斜齿传递动力与高压水共同作用下展开；高低压冷却水切换装置可改变装置内水压大小与管路开闭状态。本发明专利将刀臂结构由传统的直角式改变为螺旋式，改善了动力提供方式，可在钻扩工程中提高开刀效率与扩孔效率，缩短扩孔施工周期，改善瓦斯抽采效果。

Description

一种煤矿井下螺旋式水力机械扩孔装置
技术领域
本发明专利涉及煤矿井下低透气性煤层水力机械扩孔领域，具体涉及一种煤矿井下螺旋式水力机械扩孔装置。
背景技术
煤炭在我国能源结构中一直占据主导地位，随着国内煤矿浅部煤层的资源逐渐枯竭，深部煤层开采成为了日后煤矿生产的主要形式。我国深部煤层大多具有地应力高、煤层瓦斯压力大、煤层透气性低、煤层顶板压力情况复杂、煤与瓦斯突出灾害严重等特征，严重威胁着煤矿的安全高效生产，这决定了本领域采用煤层卸压增透、瓦斯预抽等为主要预防措施的发展趋势。目前增加煤层透气性的常用方法，一是设法采用机械设备等在煤层中形成空洞，使得周伟裂隙进一步发育形成更多的空间裂隙，例如水力割缝、机械扩孔等；二是注入高压液体先进行压裂再注入支撑剂来固定裂隙空间；三是煤体***、气相压裂等，裂隙容积扩展得以延伸。
针对煤层增透，目前使用较为广泛的方法是机械钻孔后进行水力机械扩孔，在机械扩孔时，主要以井下高压冷却水为动力，使用扩展刀臂进行扩孔，目前使用较多的扩展刀臂有直角式、杠杆式以及液压刀臂。但现存的扩孔装置仍存在一些问题：刀臂结构多为直角式刀臂而导致在初始阶段扩刀不成功或者效率低下，高压水喷射方式多为垂直钻轴导致切削煤岩体动力不足，水压动力多为直接喷出使得动力分配方面造成刀臂开启动力不足。因此，现存的扩孔装置在实际使用时表现出费时费力、扩孔效果差、甚至卡钻、塌孔等不良后果，进而影响煤层的增透效果。
发明内容
本发明专利的目的是为解决现存技术中刀臂结构不合理、刀臂展开效果不佳、高压水喷射方式适应性不强、水压动力分配不均等问题，提供一种煤矿井下螺旋式水力机械扩孔装置。
为解决上述技术问题，本发明专利采用如下技术方案：
一种煤矿井下螺旋式水力机械扩孔装置，包括钻头腔体、刀臂腔体和水阀腔体三个空间腔体，刀臂腔体中内置动力驱动装置，水阀腔体中内置高低压冷却水切换装置、螺旋式刀臂装置；钻头腔体中心设有低压水管路，低压水管路一直贯穿至装置尾部的低压水进水口，水流旁侧支路连接钻头腔体与刀臂腔体；所述的装置体侧安装一对用于扩孔的螺旋式刀臂，螺旋式刀臂根部为加工有斜齿的刀臂齿轮体，两侧刀臂依靠齿轮体斜齿与侧平面同样加工有斜齿的活塞滑套紧密啮合，活塞滑套可在滑套导轨沿固定轨迹运动；活塞滑套、第二弹簧、刀臂齿轮体及两部分的加工斜齿组合成为驱动装置；刀臂腔体开设刀臂储槽，螺旋式刀臂处于闭合状态时收纳于刀臂储槽内，使得该装置形成一个整体方便打钻收钻，高压水管路提供的高压水作用下推动活塞滑套运动至出水端限位体，期间依靠刀臂储槽喷出的高压水与斜齿传递动力共同展开螺旋式刀臂；高压水与低压水依靠水阀腔体的高低压冷却水切换装置改变水压的供给和各个管路的开闭，高低压冷却水切换装置在给定预设水压后推动活塞滑套配合刀臂储槽出水控制螺旋式刀臂伸展，预设水压指能使螺旋式刀臂打开至最大扩孔角度的最低水压。
所述高低压冷却水切换装置包括装置水阀腔体里的阀芯底座、阀芯及以尾端的可活动阀槽，阀芯底座进水口连接低压水进水口，与刀臂腔体连通，阀芯上设置有一号弹簧，一号弹簧连接阀芯底座与阀槽钻头端，阀槽钻头端中心设置有阀槽进水口，当尾部连接杆喷出的低压水作用于阀槽时，由于一号弹簧的反作用力导致阀槽运动受限，水流流经阀槽进水口并通过阀芯底座进水口进入低压水管路，当阀槽承受水压较高时，一号弹簧收缩使得阀芯堵住阀槽进水口，阀槽向钻头端运动开启高压水管路。
所述驱动装置包括刀臂腔体与钻头腔体连接的刀臂腔体出水口，低压水流经低压水进水口通入低压水管路，高压水管路与刀臂腔体连接，活塞滑套与出水端限位体由二号弹簧连接并安装在滑套导轨上以便沿固定轨迹活动，活塞滑套两侧平面在活塞滑套斜齿的啮合下作用于螺旋式刀臂根部刀臂齿轮体的斜齿，高压水推动活塞滑套并配合刀臂齿轮体旋转控制螺旋式刀臂的展开与闭合。
本发明专利的有益效果：本发明专利将刀臂结构由传统的直角式改变为螺旋式，并依靠刀臂储槽喷出的高压水与斜齿传递动力共同作用展开螺旋式刀臂，在钻扩一体工程应用中提高了开刀效率与扩孔效率，缩短了扩孔施工周期，有助于增大煤层透气性，改善瓦斯抽采效果。
附图说明
图1为本发明专利剖面图的结构示意图。
图2为本发明专利轴向剖面图的结构示意图。
图3为本发明专利闭合状态和展开状态轴向透视图的结构示意图。
图示标记：1、钻头出水口；2、钻头腔体；3、低压水管路；4、水流旁侧支路；5、出水端限位体；6、刀臂腔体出水口；7、二号弹簧；8、刀臂腔体；9、活塞滑套；901、活塞滑套斜齿；10、刀臂齿轮体；1001、刀臂齿轮体斜齿；11、刀臂储槽；12、螺旋式刀臂；13、滑套导轨；14、进水端限位体；15、低压水进水口；16、阀芯底座进水口；17、阀芯底座；1701、阀芯；18、高压水管路；19、水阀腔体；20、一号弹簧；21、阀槽进水口；22、阀槽；23、钻杆连接头。
具体实施方式
下面结合附图1和图3对本发明专利的实施作进一步分析描述：
一种煤矿井下螺旋式水力机械扩孔装置，包括钻头腔体2、刀臂腔体8和水阀腔体19三个空间腔体，刀臂腔体8中内置动力驱动装置，水阀腔体19中内置高低压冷却水切换装置、螺旋式刀臂装置；钻头腔体2中心设有低压水管路3，低压水管路3一直贯穿至装置尾端的低压水进水口15，水流旁侧支路4连接钻头腔体2与刀臂腔体8；所述的装置体侧安装一对用于扩孔的螺旋式刀臂12，螺旋式刀臂12根部为加工有斜齿的刀臂齿轮体10；两侧刀臂齿轮体10依靠斜齿与侧平面同样加工有斜齿的活塞滑套9紧密啮合，活塞滑套9可在滑套导轨13沿固定轨迹运动；活塞滑套9、二号弹簧7、刀臂齿轮体10及两部分的加工斜齿组合成为驱动装置；刀臂腔体8开设刀臂储槽11，螺旋式刀臂12处于闭合状态时收纳于刀臂储槽11内，使得该装置形成一个整体方便打钻收钻，在高压水管路18提供的高压水作用下推动活塞滑套9至出水端限位体5，期间依靠刀臂储槽11喷出的高压水与斜齿传递动力共同展开螺旋式刀臂12；高压水与低压水依靠水阀腔体19的高低压冷却水切换装置改变水压的供给和各个管路的开闭，高低压冷却水切换装置在给定预设水压后推动活塞滑套9配合刀臂储槽11出水控制螺旋式刀臂12伸展，预设水压指能使螺旋式刀臂12打开至最大扩孔角度的最低水压。
所述高低压冷却水切换装置包括装置水阀腔体里的阀芯底座17、阀芯1701及以下端的可活动阀槽22，阀芯底座进水口16连接低压水进水口15，与刀臂腔体连通，阀芯1701上设置有一号弹簧20，一号弹簧20连接阀芯底座17与阀槽22钻头端，阀槽22钻头端中心设置有阀槽进水口21，当尾部连接杆喷出的低压水作用于阀槽22上时，由于一号弹簧20的反作用力导致阀槽22运动受限，水流流经阀槽进水口21并通过阀芯底座进水口16进入低压水管路3，当阀槽22承受水压较高时，一号弹簧20收缩使得阀芯1701堵住阀槽进水口21，阀槽22向钻头端运动并开启高压水管路18。
所述低压水路流程，即水压未达到预设扩孔水压只满足钻孔排渣需要；低压水由钻杆连接头23处喷入装置尾部，低压水作用于阀槽22，因一号弹簧20的反作用力阀槽运动受限，低压水流经阀槽进水口21进入水阀腔体19，再经阀芯底座17的阀芯底座进水口16流至低压水进水口15，低压水沿低压水管路3输送至钻头端钻杆，供给钻进所需冷却水。
所述高压水路流程，即水压达到预设扩孔水压满足开刀扩孔需要并继续提供钻头端钻杆所需冷却水；高压水由钻杆连接头23处喷入装置尾部，并作用于阀槽22，此时一号弹簧20反作用力不足以抵抗高压水流，阀槽22运动至阀芯底座17，同时阀芯1701封堵阀槽进水口；由于阀槽22运动，使得原本被阀槽22外壁封堵的高压水通路18尾端进水口打开形成通路，高压水流流经高压水通路18充满整个刀臂腔体8，绝大部分高压水流在完成扩刀的同时由刀臂储槽11冲出装置外；另外少部分水的水压降低成为低压水流，通过刀臂腔体出水口6流经水流旁侧支路4进入低压水管路3，继续供给钻进所需冷却水。
所述驱动装置包括刀臂腔体8与钻头腔体2连接的刀臂腔体出水口6，低压水流经低压水进水口15通入低压水管路3，高压水管路18与刀臂腔体8连接，活塞滑套9与出水端限位体5由二号弹簧7连接并安装在滑套导轨13上以便沿固定轨迹活动，活塞滑套9两侧平面在活塞滑套斜齿901的啮合下作用于螺旋式刀臂12根部刀臂齿轮体10的斜齿1001，高压水推动活塞滑套9并配合刀臂齿轮体10旋转控制螺旋式刀臂12的展开与闭合。

Claims (3)

1.一种煤矿井下螺旋式水力机械扩孔装置，包括钻头腔体、刀臂腔体、水阀腔体三个空间腔体，刀臂腔体中内置动力驱动装置，水阀腔体中内置高低压冷却水切换装置、螺旋式刀臂装置；钻头腔体中心设有低压水管路，低压水管路一直贯穿至装置尾端的低压水进水口，高低压水连接管路连接钻头腔体与刀臂腔体；所述的装置体侧安装一对用于扩孔的螺旋式刀臂，螺旋式刀臂根部为加工有斜齿的刀臂齿轮体，两侧刀臂依靠齿轮体斜齿与侧平面同样加工有斜齿的活塞滑套紧密啮合，活塞滑套可在滑套导轨上下运动，活塞滑套、第二弹簧、刀臂齿轮体及两部分的加工斜齿组合成为驱动装置；刀臂腔体开设刀臂储槽，螺旋式刀臂处于闭合状态时收纳于刀臂储槽内，使得该装置形成一个整体方便打钻收钻，在高压水管路提供的高压水作用下推动活塞滑套至出水端限位体，期间依靠刀臂储槽喷出的高压水与斜齿传递动力共同展开螺旋式刀臂；高压水与低压水依靠水阀腔体的高低压冷却水切换装置改变水压的供给和各个管路的开闭，高低压冷却水切换装置在给定预设水压后推动活塞滑套配合刀臂储槽出水控制螺旋式刀臂伸展，预设水压指能使螺旋式刀臂打开至最大扩孔角度的最低水压。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下螺旋式水力机械扩孔装置，其特征在于：所述高低压冷却水切换装置包括装置水阀腔体里的阀芯底座、阀芯及以下端的可活动阀槽，阀芯底座进水口连接低压水进水口，与刀臂腔体连通，阀芯上设置有一号弹簧，一号弹簧连接阀芯底座与阀槽钻头端，阀槽钻头端中心设置有阀槽进水口，当尾部连接杆喷出的低压水作用于阀槽上时，由于一号弹簧的反作用力导致阀槽运动受限，水流流经阀槽进水口并通过阀芯底座进水口进入低压水管路，当阀槽承受水压较高时，一号弹簧收缩使得阀芯堵住阀槽进水口，阀槽向钻头端运动开启高压水管路。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下螺旋式水力机械扩孔装置，其特征在于：所述驱动装置包括刀臂腔体与钻头腔体连接的水流旁侧支路，低压水流经低压水进水口通入低压水管路，高压水管路与刀臂腔体连接，活塞滑套与出水端限位体由二号弹簧连接并安装在滑套导轨上以便沿固定轨迹活动，活塞滑套两侧平面在活塞滑套斜齿的啮合下作用于螺旋式刀臂根部刀臂齿轮体的斜齿，高压水推动活塞滑套并配合刀臂齿轮体旋转控制螺旋式刀臂的展开与闭合。
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