CN208184664U - 一种变径扩孔提高瓦斯抽采浓度的扩孔钻头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种变径扩孔提高瓦斯抽采浓度的扩孔钻头，包括动力传动机构和钻头翼片，动力传动机构包括太阳齿轮和均匀设置在太阳齿轮外围且与太阳齿轮相啮合的三个行星齿轮，太阳齿轮固定连接在太阳齿轮转轴上，行星齿轮转动连接在行星齿轮转轴上，钻头翼片的数量为三个且三个钻头翼片分别与三个行星齿轮固定连接，钻头翼片上分别通过多个齿基固定连接有多个截齿；太阳齿轮转轴为空心结构，太阳齿轮转轴内部设置有液压油缸和顶杆，顶杆与液压油缸的活塞杆连接，顶杆上设置有螺旋形滑槽，太阳齿轮转轴的内壁上设置有能够在螺旋形滑槽内滑动的滑块。本实用新型结构简单，强度高，实用性强，适用于多数矿区瓦斯抽采作业，便于推广使用。
Description
技术领域
本实用新型属于煤矿瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种变径扩孔提高瓦斯抽采浓度的扩孔钻头。
背景技术
近年来，瓦斯灾害成为威胁矿井安全生产的重要因素之一。解决矿井瓦斯事故的根本措施是降低煤层中瓦斯含量，从而减少其危险性，瓦斯预抽是目前最根本、最有效措施，在国内外突出矿井中得到广泛应用。然而，我国大部分煤矿瓦斯抽采浓度较低，抽采效果普遍较差。据统计，约有65％的顺层钻孔瓦斯抽采浓度低于30％，导致抽采浓度普遍较低的原因，主要是封孔技术的局限性。目前常采用的有机械式封孔、高分子材料封孔、无机非金属材料封孔、下套管封孔等。但在实际操作时，对封孔质量要求比较高，一般要求密封性能好、易操作、经济等条件。我国60多年的煤矿封孔技术探索，随着材料科学的发展，封孔工艺与材料形成多种多样的体系，但对于瓦斯抽采钻孔漏气现象，目前在材料改进方向上，并没有很好的解决方法。在已有的工艺改进方面存在的共同的问题，在抽采过程中，随着瓦斯抽采浓度的下降，煤体内部所含瓦斯总量在减少，周围裂隙结构也发生动态变化，在矿山压力的持续作用下，裂隙会进一步演化，很可能出现新的漏气裂隙，钻孔、封孔材料周边应力场发生变化，原有的封孔的密封性将受到不可避免的破坏。导致瓦斯抽采效果很不理想，时刻威胁着煤矿安全生产。
目前就山西某矿来说，煤层倾角+1°，煤层平均厚度6.2m，煤层原始瓦斯压力0.43MPa，目前采用的是较为先进的基于气囊封堵“两堵一注”封孔方式，封孔材料选购市面上最为常见的矿用水泥，封孔长度16m，外端囊袋长度2.5m，里端囊袋长度1m，封孔总长度16m。该封孔方式优点在于劳动强度低，对工人技术要求不高，经济效益较高。该方法应用于穿层钻孔、下行钻孔、带一定倾角钻孔封孔质量较为良好，但针对顺煤层水平、小角度钻孔，水泥浆液凝固收缩，在封孔段、钻孔壁之间易形成“月牙”形漏气通道，导致瓦斯抽采漏气现象严重。由于钻孔封堵属一次性作业，材料不能取出二次利用，封孔失效意味着该钻孔无法再次利用。这对煤矿企业来说，不仅没有达到很好的治理效果，还是大量的工程浪费。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种变径扩孔提高瓦斯抽采浓度的扩孔钻头，其设计新颖合理，结构简单，强度高，实用性强，扩孔工艺简单，适用于多数矿区瓦斯抽采作业，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种变径扩孔提高瓦斯抽采浓度的扩孔钻头，其特征在于：包括动力传动机构和钻头翼片，所述动力传动机构包括太阳齿轮和均匀设置在太阳齿轮外围且与太阳齿轮相啮合的三个行星齿轮，所述太阳齿轮固定连接在太阳齿轮转轴上，所述行星齿轮转动连接在行星齿轮转轴上，所述钻头翼片的数量为三个且三个钻头翼片分别与三个行星齿轮固定连接，所述钻头翼片上分别通过多个齿基固定连接有多个截齿；所述太阳齿轮转轴为空心结构，所述太阳齿轮转轴内部设置有液压油缸和顶杆，所述顶杆与液压油缸的活塞杆连接，所述顶杆上设置有螺旋形滑槽，所述太阳齿轮转轴的内壁上设置有能够在螺旋形滑槽内滑动的滑块。
上述的一种变径扩孔提高瓦斯抽采浓度的扩孔钻头，其特征在于：所述太阳齿轮上开有结构孔。
上述的一种变径扩孔提高瓦斯抽采浓度的扩孔钻头，其特征在于：所述滑块的数量为两块。
上述的一种变径扩孔提高瓦斯抽采浓度的扩孔钻头，其特征在于：所述钻头翼片的形状为圆弧形。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1、本实用新型的设计新颖合理，结构简单，通过三个可打开或收回的钻头翼片的巧妙设计，能够对钻孔某区域内的煤体进行切割，在对孔内应力分布影响不大的情况下，对已有孔径下的钻孔进行扩孔，实现主要的扩孔功能，能够产生新的封孔工艺。
2、本实用新型钻头翼片上的截齿切割钻孔内的煤壁时，动力来自于煤矿钻机提供的扭矩，而钻头翼片打开与收回的动力来自于液压油缸，由于液压油缸驱动有一定的柔性，所以钻头翼片的打开有一定的柔性，该设计会避免钻头翼片的折断，保证了施工安全和效率。
3、本实用新型能够用于在常规煤矿瓦斯抽采钻孔工艺后进行扩孔，在保证有效封孔效果之下，不会过多增加施工的强度，能够巧妙地解决水平、小角度钻孔在封孔段、钻孔壁之间易形成“月牙”形漏气通道，导致瓦斯封孔失效的问题，能够提高封孔质量和瓦斯抽采浓度。
4、本实用新型的实用性强，强度高，扩孔工艺简单，适用于多数矿区瓦斯抽采作业，便于推广使用。
综上所述，本实用新型的设计新颖合理，结构简单，强度高，实用性强，扩孔工艺简单，适用于多数矿区瓦斯抽采作业，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型扩孔钻头的钻头翼片打开时的结构示意图。
图2为本实用新型扩孔钻头的钻头翼片收回时的结构示意图。
图3为本实用新型行星齿轮转轴、行星齿轮和钻头翼片的连接关系示意图。
图4为本实用新型液压油缸、顶杆和螺旋形滑槽的布设位置示意图。
附图标记说明:
11—行星齿轮； 22—太阳齿轮； 22-1—结构孔；
23—钻头翼片； 24—齿基； 25—截齿；
26—液压油缸； 27—顶杆； 27-1—螺旋形滑槽；
28—太阳齿轮转轴； 29—行星齿轮转轴。
具体实施方式
如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型的变径扩孔提高瓦斯抽采浓度的扩孔钻头，包括动力传动机构和钻头翼片23，所述动力传动机构包括太阳齿轮22和均匀设置在太阳齿轮22外围且与太阳齿轮22相啮合的三个行星齿轮11，所述太阳齿轮22固定连接在太阳齿轮转轴28上，所述行星齿轮11转动连接在行星齿轮转轴29上，所述钻头翼片23的数量为三个且三个钻头翼片23分别与三个行星齿轮11固定连接，所述钻头翼片23上分别通过多个齿基24固定连接有多个截齿25；所述太阳齿轮转轴28为空心结构，所述太阳齿轮转轴28内部设置有液压油缸26和顶杆27，所述顶杆27与液压油缸26的活塞杆连接，所述顶杆27上设置有螺旋形滑槽27-1，所述太阳齿轮转轴28的内壁上设置有能够在螺旋形滑槽27-1内滑动的滑块。
本实施例中，如图1和图2所示，所述太阳齿轮22上开有结构孔22-1。通过设置结构孔22-1，能够减轻太阳齿轮22的质量，增大太阳齿轮22的转动惯量。
本实施例中，所述滑块的数量为两块。
本实施例中，所述钻头翼片23的形状为圆弧形。
本实用新型使用时，在常规的钻孔工艺完成后，将煤矿钻机上的钻孔钻头取下，安装上本实用新型的扩孔钻头，使扩孔钻头伸入到瓦斯预抽钻孔空间中并到达预设扩孔位置进行扩孔，启动煤矿钻机，煤矿钻机带动扩孔钻头转动，同时，启动液压油缸26，液压油缸26的活塞杆伸出，推动顶杆27在太阳齿轮转轴28内部沿轴向运动，顶杆27运动时，通过螺旋形滑槽27-1和滑块的配合，使太阳齿轮转轴28发生周向运动，太阳齿轮转轴28带动太阳齿轮22转动，太阳齿轮22转动时，与太阳齿轮22相啮合的行星齿轮11绕着行星齿转轴发生转动，行星齿轮11转动时带动与其固定连接的钻头翼片23缓慢打开，钻头翼片23上的截齿25切割钻孔内的煤壁，形成大孔径扩孔空间；当扩孔完成后，液压油缸26的活塞杆收缩，滑块反向运动，太阳齿轮转轴28反向转动，带动太阳齿轮22反向转动，行星齿轮11反向转动，钻头翼片23缓慢收回，待钻头翼片23完全收回后，从钻孔内抽出扩孔钻头。
具体实施时，对顶杆27行程进行约束就可以控制钻头翼片23的打开角度；考虑煤体的硬度，行星齿轮11的转动是小角度的，过程是缓慢进行的。
本实用新型钻头翼片23上的截齿25切割钻孔内的煤壁时，动力来自于煤矿钻机提供的扭矩，而钻头翼片23打开与收回的动力来自于液压油缸26，由于液压油缸26驱动有一定的柔性，所以钻头翼片23的打开有一定的柔性，该设计会避免钻头翼片23的折断，保证了施工安全和效率。
具体实施时，在钻孔中设置扩孔位置时，扩孔位置的数量为偶数个，其中一半数量的扩孔位置选取在靠近封孔机构中前囊袋的位置，另一半数量的扩孔位置选取在靠近封孔机构中后囊袋的位置。这样选取扩孔位置，一方面能够保证囊袋的密封性能，另一方面，更加方便操作；具体实施时，根据具体煤层的裂隙发育程度确定扩孔数量，均能够达到很好的封孔效果；对于裂隙发育较好、煤层压实效果好的煤层，选取2个或4个扩孔位置即可满足封孔要求。
具体实施时，扩孔形成的大孔径扩孔空间的孔径为瓦斯预抽钻孔空间孔径的2～3倍。由于2～3倍的扩孔空间即可满足工艺要求，所以无需使用定向工具，对于扩孔中产生较小的偏心现象，对于该工艺来说都能适用。扩孔深度要求不高，基本不会对深部孔边应力造成明显的扰动，不会因为扩孔导致钻孔失稳。
扩孔完成后，进行注浆封孔的过程中，封孔机构中前囊袋和后囊袋达到饱和后，在压力作用下，前囊袋和后囊袋内的水分子透过空隙渗透到前囊袋和后囊袋外，前囊袋和后囊袋内注浆浆液的浓度不断升高，保证前囊袋和后囊袋与孔壁紧密贴合，防止高压下注浆浆液的溢出；主要封堵段内，首先注浆浆液完全进入瓦斯预抽钻孔空间内，待瓦斯预抽钻孔空间饱满后，随着高压注浆浆液持续注入，将逐步密封大孔径扩孔空间，随后注浆压力还会增高，部分注浆浆液在压力作用下会进入孔壁煤岩破碎区，形成浆液渗透区；之后注浆浆液凝固的过程中，胶状注浆浆液会有一定的流动性，在孔内压力作用下，瓦斯预抽钻孔空间内收缩的体积会由大孔径扩孔空间内注浆浆液填充，使主要封堵段瓦斯预抽钻孔空间内浆液始终饱满，实现漏气区域从瓦斯预抽钻孔空间到大孔径扩孔空间的转移，使主要封堵段封孔质量得到保证，由于大孔径扩孔空间产生的漏气通道所占封孔孔总长不足5％，整个钻孔依然形成的是一个密闭体系，由于主要封堵段浆液饱满，在压力作用下，部分注浆浆液能进入孔内裂隙内，对裂隙圈内裂隙进行有效的封堵。在注浆封孔完成后进行瓦斯抽采时，当瓦斯抽采量逐渐增多，瓦斯预抽钻孔空间和大孔径扩孔空间内瓦斯含量逐渐下降，瓦斯预抽钻孔空间和大孔径扩孔空间内裂隙逐渐暴露，注浆浆液能够对裂隙圈内裂隙进行很好的封堵，瓦斯抽采过程中减少漏气的通道，提高了瓦斯抽采浓度。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种变径扩孔提高瓦斯抽采浓度的扩孔钻头，其特征在于：包括动力传动机构和钻头翼片(23)，所述动力传动机构包括太阳齿轮(22)和均匀设置在太阳齿轮(22)外围且与太阳齿轮(22)相啮合的三个行星齿轮(11)，所述太阳齿轮(22)固定连接在太阳齿轮转轴(28)上，所述行星齿轮(11)转动连接在行星齿轮转轴(29)上，所述钻头翼片(23)的数量为三个且三个钻头翼片(23)分别与三个行星齿轮(11)固定连接，所述钻头翼片(23)上分别通过多个齿基(24)固定连接有多个截齿(25)；所述太阳齿轮转轴(28)为空心结构，所述太阳齿轮转轴(28)内部设置有液压油缸(26)和顶杆(27)，所述顶杆(27)与液压油缸(26)的活塞杆连接，所述顶杆(27)上设置有螺旋形滑槽(27-1)，所述太阳齿轮转轴(28)的内壁上设置有能够在螺旋形滑槽(27-1)内滑动的滑块。
2.按照权利要求1所述的一种变径扩孔提高瓦斯抽采浓度的扩孔钻头，其特征在于：所述太阳齿轮(22)上开有结构孔(22-1)。
3.按照权利要求1所述的一种变径扩孔提高瓦斯抽采浓度的扩孔钻头，其特征在于：所述滑块的数量为两块。
4.按照权利要求1所述的一种变径扩孔提高瓦斯抽采浓度的扩孔钻头，其特征在于：所述钻头翼片(23)的形状为圆弧形。
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