一种流控型卸压增透水力钻进切割器的制作方法

1.本发明涉及煤岩层卸压增透技术领域，尤其涉及一种流控型卸压增透水力钻进切割器。


背景技术：

2.我国煤炭生产以地下开采为主，在开采过程中由于对地下岩体有扰动作用，常引起岩体内应力集中，从而出现各种矿山压力动力显现事故。冲击地压是深部矿山开采过程中常见的煤岩动力现象之一，是煤岩体中的能量急剧释放，伴随有强烈的震动、声响和气浪效应，造成煤岩体破坏、巷道垮落，损坏支架与机电设备，并造成人员伤亡的一种特殊矿压显现形式。冲击地压还会引发其他矿井灾害，如煤尘瓦斯爆炸、火灾、水灾等，严重时可造成地面强烈震感并破坏建筑物等。冲击地压、瓦斯异常涌出等多种复合灾害时有发生，造成大量经济损失，同时严重制约我国煤炭开发战略西移。因此，在开采过程中需要对煤岩层进行切割。煤岩层的切割方法分为机械切割和高压水力切割。
3.机械切割是应用机械切割刀片，在钻机具顶推作用下缓慢展开，随着钻机具旋转，形成径向的切割缝隙，之后将机械切割刀具退出钻孔，更换封孔压裂器进行压裂作用，以达到卸压增透的效果。机械切割受工艺限制，只能在孔底进行切缝，切缝后退出钻杆，更换封孔压裂器进行压裂作业，钻孔、割缝、压裂三个环节独立，劳动强度大、施工效率慢，卸压增透效果有限。
4.高压水力切割是先使用钻机对煤岩层进行钻进，钻孔施工完成后，退出钻杆、钻头，安装切割器并将切割器伸入钻孔中的预定位置处，再使用高压水泵为切割器提供高压水，开展切缝作业。高压水力切割在卸压的同时增加了瓦斯抽采的效率和范围，相比于爆破作业，作业的安全风险明显降低。高压水力切割中钻孔工序与水力切割工序分离，即先完成整个钻孔的钻进施工作业，再应用水射流切割器进行切割作业，虽然保证了一孔多点卸压增透的切割需求，但是劳动强度大、施工效率慢；另外，为避免切割过程中出现塌孔而影响水力切割器的回收，一般采用后退式切割作业，切割期间切割器与钻孔孔底之间存在较大的自由空间，切割作业形成的煤岩浆液先填充这个自由空间，降低了增透效果。


技术实现要素：

5.针对上述煤岩层卸压增透技术中存在的施工效率低、卸压增透效果有限的技术问题，本发明提出了一种流控型卸压增透水力钻进切割器。本发明提供的流控型卸压增透水力钻进切割器实现了“钻—切”一体化施工，多次割缝组合钻进，提高了工作效率及安全系数。
6.根据本发明的流控型卸压增透水力钻进切割器，包括：前后依次设置的钻头、流量控制阀、切割器基体和钻杆转接头，所述流量控制阀的前端与所述钻头连接，所述流量控制阀的后端与所述切割器基体连接，所述切割器基体远离所述流量控制阀的一端连接钻杆转接头，所述切割器基体上设置喷头；所述流量控制阀开启时，水流依次通过所述切割器基体
和所述流量控制阀从所述钻头流出，所述流量控制阀关闭时，水流通过所述切割器基体从所述喷头喷出。
7.在一些实施例中，所述流量控制阀内部设置水流通道和位于所述水流通道后端的阀体容置腔，阀体容置于所述阀体容置腔。
8.在一些实施例中，所述阀体包括弹性元件和设置在所述弹性元件后端的球体。
9.在一些实施例中，所述球体的直径大于所述水流通道的直径。
10.在一些实施例中，所述阀体还包括环形垫片，所述环形垫片设置在所述球体后端，所述环形垫片的内径大于所述球体的直径。
11.在一些实施例中，所述球体为钢球，所述弹性元件为弹簧。
12.在一些实施例中，在所述流量控制阀的外部设置限位环。
13.在一些实施例中，分别在所述切割器基体与所述流量控制阀连接处以及所述切割器基体与所述钻杆转接头连接处设置密封圈。
14.在一些实施例中，所述切割器基体上开设用于安装所述喷头的孔。
15.在一些实施例中，高压注水钻杆通过所述钻杆转接头与所述切割器基体连接。
16.相对于现有技术，本发明的有益效果为：
17.本发明在钻孔过程中可通过液体流量控制流量控制阀的通断，实现钻孔作业与切割作业的有效切换，有效解决了煤岩层切割致裂的工序繁复、作业强度大及安全隐患多的问题；
18.本发明可以通过调整弹性元件和球体的尺寸，实现流量控制阀的通断压力的可控性，适用于长距离“钻-切”一体化施工作业；
19.本发明选用的弹性元件为高强度稳定弹簧，通过调整弹簧的尺寸和压缩量，可以实现不同启闭压力的控制需求，同时切割作业结束后，降低流量后弹簧可以正常恢复常规状态，以确保单孔的循环切割作业；
20.本发明切割器基体上的喷头位置、数量以及直径可以进行调整，以实现不同的切割直径及位态，多次割缝组合钻进，提高了卸压增透效果、工作效率及安全系数；
21.本发明采用模块化结构设计，其中，钻头、流量控制阀、切割器基体、弹性元件、球体、喷头、钻杆转接头等均可单独更换，以适配不同尺寸及功能，大大提升了产品的适用性及功能性，有效降低了应用成本。
附图说明
22.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
23.图1为本发明水力钻进切割器的结构示意图；
24.图2为本发明喷头的结构示意图。
25.附图标记说明：
26.钻头1、流量控制阀2、弹性元件3、切割器基体4、球体5、密封圈6、限位环7、过水通道8、喷头9、环形垫片10、孔11、钻杆转接头12。
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的流控型卸压增透水力钻进切割器。
29.如图1-2所示，以钻头1钻进方向为前端，本发明的流控型卸压增透水力钻进切割器，包括：前后依次设置的钻头1、流量控制阀2、切割器基体4和钻杆转接头12。
30.在一些实施例中，钻头1为正常钻孔用钻头，钻头1与流量控制阀2前端连接。钻头1与流量控制阀2的连接方式可以为螺纹连接。
31.可以理解的是，钻头1可以采用各种强度耐磨钻头。
32.在一些实施例中，流量控制阀2的前端与钻头1连接，流量控制阀2的后端与切割器基体4连接。
33.可以理解的是，流量控制阀2与钻头1和切割器基体4之间可以采用螺纹连接。在一些实施例中，流量控制阀2外部整体呈锥螺纹状，在流量控制阀2外部设置限位环7。可以理解的是，限位环7可以在流量控制阀2与钻头1和切割器基体4连接时进行限位。
34.在一些实施例中，流量控制阀2内部设置水流通道和位于水流通道后端的阀体容置腔，阀体容置于阀体容置腔内。
35.可以理解的是，水流从流量控制阀2的后端流入，从流量控制阀2的前端流出，为了使流量控制阀2可以实现控制水流通道通断的功能，需要将阀体设置在流量控制阀2的后端位置。
36.在一些实施例中，阀体包括弹性元件3和设置在弹性元件3后端的球体5。
37.在一些实施例中，球体5的直径大于水流通道的直径。
38.可以理解的是，球体5的直径大于流量控制阀2中水流通道的直径才能实现对该水流通道的封堵。
39.可以理解的是，本发明通过球体5的运动控制流量控制阀2中水流通道的通断，弹性元件3和球体5组成压力控制阀，当水压较小时，即流量控制阀2开启时，水流依次经过球体5、弹性元件3和水流通道，最终从钻头1流出；当水压较大时，即流量控制阀2关闭时，水压推动球体5挤压弹性元件3，最终球体5将水流通道封堵，使得水流从切割器基体4的喷头9喷出。
40.可以理解的是，弹性元件3可以为弹簧，其中，弹簧的尺寸和强度可以根据实际需求进行调整。
41.可以理解的是，球体5可以为钢球或其他合适材质的球体，球体5的尺寸可以根据实际需求进行调整。
42.在一些实施例中，阀体还包括环形垫片10，环形垫片10设置在球体5后端，环形垫片10的内径大于球体5的直径。
43.环形垫片10设置在球体5的后端，且环形垫片10的内径大于球体5的直径，使得球体5和环形垫片10之间具有使水流通过的空隙。水压较小时，即流量控制阀2开启时，切割器基体4中的水流经环形垫片10后，经球体5和环形垫片10之间的空隙中流出，该空隙即为图1中的过水通道8。
44.在一些实施例中，在切割器基体4与流量控制阀2连接处设置密封圈6。也就是说，在环形垫片10的右侧设置密封圈6，防止水流从切割器基体4与流量控制阀2连接处流出。可以理解的是，可以根据实际情况设置密封圈6的数量，优选地，设置两个密封圈。
45.优选地，密封圈6采用高效密封圈。
46.切割器基体4的前端通过流量控制阀2连接钻头1，切割器基体4的后端通过钻杆转接头12连接高压注水钻杆。
47.在一些实施例中，切割器基体4上开设用于安装喷头9的孔11。
48.可以理解的是，该孔11的数量可以根据实际需求设定。
49.优选地，在切割器基体4上开设螺纹孔。喷头9与切割器基体4采用螺纹连接，喷头9上具有“十”字型刻槽以方便拆卸。
50.可以理解的是，孔11上安装喷头9，优选为高压喷头。高压喷头的数量及喷头的孔径由高压水泵的排水量确定。
51.另外，喷头9可以更换为堵头，可以实现多种射流孔径的转换。
52.喷头9的中心孔采用特殊工艺开设，中心孔内表面光滑、孔径均匀。
53.另外，由于喷头9的中心孔孔径一般在1-5mm之间，当水压较小时，水流能从喷头9流出，但不影响钻头前端的供水量，可以说是绝大部分的水流是从钻头1流出的，从喷头9流出的水流可以忽略；当水压较大时，流量控制阀2处的水流通道被封堵，水流不能从钻头1流出，而是从喷头9喷出。
54.在一些实施例中，高压注水钻杆通过钻杆转接头12与切割器基体4连接。
55.在一些实施例中，在切割器基体4与钻杆转接头12连接处设置密封圈6。
56.可以理解的是，在切割器基体4与钻杆转接头12连接处设置密封圈6，以防止水流从切割器基体4与钻杆转接头12连接处流出。
57.在使用本发明的切割器时，将切割器基体的前端通过流量控制阀连接钻头，切割器基体的后端通过钻杆转接头连接高压注水钻杆，高压注水钻杆连接由高压水泵。将整体连接完成后，进行钻孔作业，正常打钻时水压较低，约为0-6mpa，球体不能将流量控制阀中的水流通道封堵，水流依次通过钻杆转接头、切割器基体、流量控制阀，最终达到钻头，并从钻头流出进行打钻。当钻进深度达到割缝位置时，开启高压水泵，此时，水压较高，即水压超过6mpa时，球体压缩弹性元件，将流量控制阀中的水流通道封堵，高压水通过喷头喷出形成水射流进行水力切割。切割完毕后，将高压水泵关闭，此时，水压降低，弹性元件释放弹性势能，球体复位，流量控制阀中的水流通道打开，水流通过流量控制阀到达钻头，并从钻头流出，可以继续进行钻孔作业。重复以上操作，直至钻孔切割完成。
58.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
59.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
60.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。