CN206785307U - 一种钻孔装置及钻机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种钻孔装置，包括钻杆，所述钻杆前端设置有钻头，所述钻杆侧壁设置有安装腔，所述安装腔内活动连接有转臂，所述转臂上设置有切槽机构，所述转臂与所述钻杆之间设置有收拢张开机构。本实用新型还提供了一种钻机。本实用新型提供的该钻孔装置前进时可以进行孔道的钻掘，后退时可以在孔道内壁挖设槽道。根据切槽机构的形式与钻杆的运动轨迹可以开挖不同形式的槽道，在水力压裂下，槽道区域由于应力集中而更易形成裂纹，从而能够有效确保钻出的孔道在水力压裂下形成规则性裂纹，方便后期的钻掘作业；同时由于槽道区域承受应力大，能有效增加裂纹的深度，减小钻孔密度，提高钻掘作业的效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及工程机械领域，更具体地说，特别涉及一种钻孔装置及钻机。
背景技术
工程施工中，常常需要在岩石地层进行钻掘作业，由于岩石的硬度比较大，因此钻孔的难度极高，尤其是在单轴抗压强度(单向受压条件下岩石试件破坏时的极限压应力值)较大的致密硬岩。早期作业中，钻掘作业一般是通过钻爆法，即在巷道断面按一定方向和间距钻出炮孔，再充填***进行***，将预定长度的岩体碎裂成小块再运出，从而实现巷道的掘进，但是该种方法很难对***量进行精准掌控，且***冲击波很容易影响周边地层。为减少超挖欠挖情况，减少***冲击波对周边地层的扰动，工程人员后来又实用新型了预裂***工法，其关键是在掘进断面周边孔时，减量装药***以产生沿孔壁连线贯通的裂缝，然后再配合其他掘进机械作业。但是，采用该种方法时，为了按预定方向形成裂缝，要求周边孔间距较小，钻孔数量较多，影响了施工经济性。
尽管***破岩研究已非常充分，但其在安全环保方面的先天缺陷无法根除，在对冲击影响较敏感的地方适用性差。随着安全施工要求的提升，我国对非***破岩方面进行了极大研究，尤其是水力压裂技术得到了极大发展，实践表面，在致密石灰岩地层中，35MPa的水压便可实现15～20m裂纹的产生与扩展，因此，水力压裂技术得到了广泛应用。例如，油气开采中可以利用水压涨裂岩层释放其中的油气资源来进行开采；煤矿开采中采用水力压裂技术加快瓦斯的释放。实际操作中，由于常规钻孔装置钻出的孔道内壁比较光滑，因此，水压往往是均匀分布在孔道内壁，孔道内裂缝最先出现的位置往往是在周边结构和强度最薄弱的方向，裂纹的出现位置非常无规律，极大影响了后期的钻掘作业；同时，该种方法造成的裂纹深度往往较浅，一般需要以较小的间距设置钻孔，极大增加了工程的施工量，极大降低了钻掘作业的效率。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题为提供一种钻孔装置，该钻孔装置通过其结构设计，能够有效确保钻出的孔道在水力压裂下形成规则性裂纹，方便后期的钻掘作业；同时能增加裂纹的深度，减小钻孔密度，提高钻掘作业的效率。
一种钻孔装置，包括钻杆，所述钻杆前端设置有钻头，所述钻杆侧壁设置有安装腔，所述安装腔内活动连接有转臂，所述转臂上设置有切槽机构，所述转臂与所述钻杆之间设置有收拢张开机构。
优选地，所述切槽机构为硬质合金刀具或金刚石刀具或工具钢刀具或高速钢刀具。
优选地，所述收拢张开机构为弹簧。
优选地，所述安装腔内设置有限位机构，所述限位机构用于所述转臂相对所述钻杆俯仰时的角度限制。
优选地，所述限位机构包括上限位机构与下限位机构，所述上限位机构用于所述转臂远离所述钻杆时的角度限制，所述下限位机构用于所述转臂靠拢所述钻杆时的角度限制。
优选地，所述钻杆的轴向上等距布置有至少2个切槽机构，所述切槽机构的切削深度从所述钻杆后端往前端依次增加。
优选地，所述安装腔内设置有第一阶梯部，所述转臂上设置有第二阶梯部，所述收拢张开机构的两端分别安装在所述第一阶梯部与所述第二阶梯部上。
优选地，所述钻杆尾端设置有定位槽，所述定位槽与所述切槽机构布置在同一直线上。
优选地，所述钻杆的尾端设置有定位夹具，所述定位夹具包括底座，所述底座上活动安装有平行布置的左夹爪与右夹爪。
优选地，所述切槽机构上设置有沿所述钻杆径向布置的三角形刀具面。
优选地，所述三角形刀具面与孔壁相接触的刀尖的夹角不大于60度。
本实用新型还提供了一种钻机，该钻机上安装有上述任意一项所述的钻孔装置。
本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的该钻孔装置前进时可以进行孔道的钻掘，后退时可以在孔道内壁挖设槽道。前进时，收拢张开机构牵引转臂向钻杆靠拢，进而使切槽机构隐藏在安装腔内部，从而实现钻头对孔道的顺利钻掘；当该钻孔装置后退时，收拢张开机构控制转臂外仰直至切槽机构延伸至钻杆的圆周区域外，切槽机构在孔道内壁摩擦力作用下继续深入孔壁直至达到规定的深度，切槽机构随着钻杆的后退同步在孔道内壁开设槽道，根据切槽机构的形式与钻杆的运动轨迹可以开挖不同形式的槽道，在水力压裂下，槽道区域由于应力集中而更易形成裂纹，从而能够有效确保钻出的孔道在水力压裂下形成规则性裂纹，方便后期的钻掘作业；同时由于槽道区域承受应力大，能有效增加裂纹的深度，减小钻孔密度，提高钻掘作业的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例1所公开的钻孔装置前进钻孔时的结构示意图；
图2为本实用新型实施例1所公开的钻孔装置后退挖槽时的结构示意图；
图3为本实用新型实施例2所公开的定位夹具的结构示意图；
图4为本实用新型实施例3所公开的钻孔装置的径向剖视图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1：
参见图1和图2，图1至图2公开了本实用新型一种钻孔装置的具体实施例，其中，图1为本实用新型实施例1所公开的钻孔装置前进钻孔时的结构示意图；图2为本实用新型实施例1所公开的钻孔装置后退挖槽时的结构示意图。
如图1和图2所示，本实用新型实施例公开了一种钻孔装置，可以用于隧道施工、油气开采等工程施工中孔道的钻掘，该钻孔装置包括钻杆1，钻头2，安装腔3，转臂4，切槽机构5与收拢张开机构6。
本方案中，钻杆1既用于起动力的传递作用，又用于起支撑作用。钻杆1的杆体强度、径向大小、轴向长度以及具体的结构形式由实际工况进行选择。由于本实用新型提供的该钻孔装置前进时可以进行孔道的钻掘，后退时可以在孔道内壁挖设槽道，因此钻杆1的最低强度不得低于槽道切削时产生的拉应力，外设驱动装置提供的后退力也必须大于此拉应力。
钻杆1前端设置有钻头2，钻头2用于孔道的切削。钻掘过程中，外设动力装置将动力传递至钻杆1，钻杆1进而传递给钻头2，钻头2在岩层中旋转切削，从而实现孔道的挖掘。
钻杆1侧壁设置有安装腔3，安装腔3内活动连接有转臂4，所述转臂4上设置有切槽机构5，切槽机构5用于在钻杆1后退时在孔道内壁挖设槽道。具体的，为更方便槽道的挖设，切槽机构5可以优选为硬质合金刀具。
转臂4与钻杆1之间设置有收拢张开机构6。收拢张开机构6通过收拢与张开进而带动转臂4俯仰。钻杆1前进时，收拢张开机构6牵引转臂4向钻杆1靠拢，进而使切槽机构5隐藏在安装腔3内部，从而实现钻头2对孔道的顺利钻掘；当钻杆1后退时，收拢张开机构6控制转臂4外仰直至切槽机构5延伸至钻杆1的圆周区域外，切槽机构5在孔道内壁摩擦力作用下继续深入孔壁直至达到规定的深度，切槽机构5随着钻杆1的后退同步在孔道内壁挖设槽道。
具体的，为更方便转臂4的俯仰控制，收拢张开机构6可以优选为弹簧，如此，前进时，转臂4压缩弹簧向安装腔3内部收缩，当钻杆1向后拉时，转臂4在弹簧力和切槽机构5与孔壁摩擦力的双重作用下朝径向方向张开，在切槽机构5切入岩体后，切削力使转臂4继续张开，直至达到规定深度。
整体来说，本实用新型提供的该钻孔装置前进时可以进行孔道的钻掘，后退时可以在孔道内壁挖设槽道。同时，可以根据切槽机构5的形式与钻杆2的运动轨迹可以开挖不同形式的槽道，在水力压裂下，槽道区域由于应力集中而更易形成裂纹，从而能够有效确保钻出的孔道在水力压裂下形成规则性裂纹，方便后期的钻掘作业；同时由于槽道区域承受应力大，能有效增加裂纹的深度，减小钻孔密度，提高钻掘作业的效率。
钻掘过程中，对于孔道内需要密封的孔壁位置，为保证密封效果，应不进行槽道切削，此时应控制收拢张开机构6，确保切槽机构5的刀齿到达密封位置时主动收拢。具体的，可以采用电磁线圈吸引转臂4收拢，收拢前钻杆1向孔道内伸入一段距离使切槽机构5的刀尖摆动空间不受阻碍。
本实施例中，为了控制槽道的切削深度，限制转臂4的张开范围，同时承受切割槽道时的反作用力。安装腔3内设置有限位机构7，限位机构7用于转臂4相对钻杆1俯仰时的角度限制。
优选地，所述限位机构7包括上限位机构与下限位机构，所述上限位机构用于所述转臂4远离所述钻杆1时的角度限制，所述下限位机构用于所述转臂4靠拢所述钻杆1时的角度限制。
对于本方案而言，需要槽道的切削深度较大时，切槽机构5与限位结构7承受的反作用力越大，若单一切槽机构5或限位结构7难以承受较大的反作用力，则可以沿钻杆2轴向等距布置多个切槽机构5，每个切槽机构5的刀齿切入深度依次增加。控制收拢张开机构6，使后方切槽机构5的刀齿到达前方切槽机构5的刀齿切入起始点后张开切入。具体的，收拢张开机构6可以包括电磁线圈，通电时电磁线圈吸引转臂4收拢，断电时转臂4在弹簧力作用下张开，电磁线圈吸力应保证足够克服弹簧产生的张开力矩。
本实施例中，为进一步方便收拢张开机构6的安装，优选地，所述安装腔3内设置有第一阶梯部301，所述转臂4上设置有第二阶梯部401，所述收拢张开机构6的两端分别安装在所述第一阶梯部301与所述第二阶梯部401上。
本实施例中，钻杆1尾端设置有定位槽，所述定位槽与所述切槽机构5布置在同一直线上。实际操作中，钻孔完成后，操作人员一般需将钻杆1旋转至设定方向并锁定，通过设置定位槽，可以便于操作人员观察和操作定向。当然，也可以选用一些其他形式的机构进行定位，例如，在钻杆1尾端设置与切槽机构5平行的扁方结构。
本实用新型还提供了一种钻机，该钻机上安装有上述任意一项所述的钻孔装置。
实施例2：
参见图3，图3提供了一种定位夹具的具体实施例。其中，图3为本实用新型实施例2所公开的定位夹具的结构示意图。
如图3所示，本实施例中，钻杆1的尾端设置有定位夹具，所述定位夹具包括底座801，所述底座801上设置有平行布置的左夹爪802和右夹爪803，所述左夹爪802与所述右夹爪803活动安装且可以向中间滑动或者向外侧滑动。所述左夹爪802与所述右夹爪803用于钻杆1需要定位时的夹紧。
本实施例中，在定位夹具的底座801对应位置上设有角度与间距可任意调整的左夹爪802和右夹爪803，成对的左夹爪802和右夹爪803在双向丝杠等机构驱动下可以呈中心对称同步收拢与张开。钻进时左夹爪802和右夹爪803张开使钻杆1可以连续回转，钻进到位后左夹爪802和右夹爪803收拢，左夹爪802和右夹爪803滑动到虚线处标示的位置，夹紧钻杆1，使钻杆1可以按设定角度进行定向。
实施例3：
参见图4，图4提供了一种钻孔装置的另一种具体实施例。其中，图4为本实用新型实施例3所公开的钻孔装置的径向剖视图。
本实施例中，为了保证切槽机构切削的槽道内应力集中，所述切槽机构5上设置有沿所述钻杆1径向布置的三角形刀具面。
为进一步加强槽道内应力集中的程度，所述三角形刀具面与孔壁相接触的刀尖的夹角不大于60度，图4中，三角形刀具面与孔壁相接触的刀尖的夹角为a，a的角度不大于60度时，开设的槽道应力更集中。
具体实施过程中，希望裂纹产生和扩展朝向哪个方向，便可以将三角形刀具面的刀尖朝向该方向。具体的，方向的调整和限定可以根据定位槽和定位夹具来实现。
以上对本实用新型所提供的一种钻孔装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
Claims (11)
1.一种钻孔装置，其特征在于，包括钻杆，所述钻杆前端设置有钻头，所述钻杆侧壁设置有安装腔，所述安装腔内活动连接有转臂，所述转臂上设置有切槽机构，所述转臂与所述钻杆之间设置有收拢张开机构。
2.根据权利要求1所述的钻孔装置，其特征在于，所述切槽机构为硬质合金刀具或金刚石刀具或工具钢刀具或高速钢刀具。
3.根据权利要求1所述的钻孔装置，其特征在于，所述安装腔内设置有限位机构，所述限位机构用于所述转臂相对所述钻杆俯仰时的角度限制。
4.根据权利要求3所述的钻孔装置，其特征在于，所述限位机构包括上限位机构与下限位机构，所述上限位机构用于所述转臂远离所述钻杆时的角度限制，所述下限位机构用于所述转臂靠拢所述钻杆时的角度限制。
5.根据权利要求3所述的钻孔装置，其特征在于，所述钻杆的轴向上等距布置有至少2个切槽机构，所述切槽机构的切削深度从所述钻杆后端往前端依次增加。
6.根据权利要求1所述的钻孔装置，其特征在于，所述安装腔内设置有第一阶梯部，所述转臂上设置有第二阶梯部，所述收拢张开机构的两端分别安装在所述第一阶梯部与所述第二阶梯部上。
7.根据权利要求1所述的钻孔装置，其特征在于，所述钻杆尾端设置有定位槽，所述定位槽与所述切槽机构布置在同一直线上。
8.根据权利要求1所述的钻孔装置，其特征在于，所述钻杆的尾端设置有定位夹具，所述定位夹具包括底座，所述底座上活动安装有平行布置的左夹爪与右夹爪。
9.根据权利要求1所述的钻孔装置，其特征在于，所述切槽机构上设置有沿所述钻杆径向布置的三角形刀具面。
10.根据权利要求9所述的钻孔装置，其特征在于，所述三角形刀具面与孔壁相接触的刀尖的夹角不大于60度。
11.一种钻机，其特征在于，所述钻机上安装有如上述权利要求1至权利要求10任意一项所述的钻孔装置。
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