一种具有自封孔功能的组合钻具的制作方法

本发明属于钻孔封孔技术领域，具体涉及一种具有自封孔功能的组合钻具。

背景技术：

在煤矿井下钻孔施工过程中，需要对孔口进行封孔，实现对施工过程中煤水渣的收集以及避免瓦斯气体外泄。现有技术中的封孔装置主要为两种，一种是通过在岩石臂上钻孔，钻孔后扩孔，在扩孔一段距离后塞入可膨胀的中空的封孔器，再将钻具穿过封孔器进行施工钻孔施工，这种方法在使用过程中存在着更换钻具困难，封孔器安装与拆卸完全依靠人工，存在安全隐患且作业困难等问题；另一种是通过在钻机前面设置带有可压缩特性的橡胶密封体，通过将密封体直接顶在岩石壁上实现封孔。这种封孔方式操作简单，但封孔密封效果不佳，且对岩石壁的要求较高，若岩壁不平整、起伏较大时，封孔效果较差。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述井下钻孔施工时封孔困难、封孔效率低等问题，提供一种具有自封孔功能的组合钻具，本装置封孔过程简单，实现孔口开孔、扩孔、封孔一次完成，有效节约封孔时长，使封孔效率提高，工人劳动强度降低。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种具有自封孔功能的组合钻具，包括动力定位钻杆、组合钻头和封孔装置，所述组合钻头安装在动力定位钻杆的第一端，所述封孔装置为一圆柱筒体，组合钻头和动力定位钻杆穿设在封孔装置内，组合钻头的前端伸出所述封孔装置的端口，在组合钻头和封孔装置的端口之间形成有用于煤水渣通过的间隙，并在封孔装置的该端口处形成有环绕设置的切割片，在封孔装置的另一端端口处形成有内锥孔。

进一步改进本方案，所述封孔装置沿其筒体外表面设置有环形槽。

进一步改进本方案，所述组合钻头为多级钻进钻头，包括定心钻头和破碎钻头，所述破碎钻头的一端形成有内锥丝孔，与动力定位钻杆第一端的外锥丝头连接，定心钻头安装在所述破碎钻头的端部中心处。

进一步改进本方案，所述破碎钻头上形成有用于冷却水排出的出水孔，所述出水孔位于破碎钻头的锥形面上，出水孔通过孔道与所述动力定位钻杆的中心通道连通。

进一步改进本方案，所述动力定位钻杆靠近第一端的杆体上设置有支撑块结构，所述支撑块结构的外缘与封孔装置的内壁接触；所述支撑块结构包括围绕动力定位钻杆的杆体设置的多个呈中心对称的支撑块，在支撑块面向组合钻头方向的一侧端面上设置有切割片。

进一步改进本方案，所述动力定位钻杆的第二端的端面上形成有插接孔，插接孔的横截面为方形，所述插接孔的内部侧壁上形成有限位孔。

进一步改进本方案，所述内锥孔内侧设置有法兰卡扣，所述动力定位钻杆杆体上设置有与所述法兰卡扣匹配的支撑卡扣。

进一步改进本方案，所述封孔装置的内锥孔一端连接有收集箱，所述收集箱的箱体侧壁设置有与内锥孔对接的密封口。

进一步改进本方案，所述收集箱的顶部设置有用于瓦斯气体抽放的上接口，其底部设置有用于煤水排放的下接口。

有益效果

其一、本发明，通过创新，与现有技术对比，封孔过程更为简单，实现孔口开孔、扩孔、封孔一次完成，操作简单，有效节约封孔时长，封孔效率高，工人劳动强度低。具体分析如下：本装置主要由动力定位钻杆、组合钻头和封孔装置等组成，动力定位钻杆靠近钻头一端的杆体上设置有支撑块结构，采用均布的三翼形式，用来提高旋转推进时封孔装置的刚度，封孔装置设置为薄壁套筒式结构，在进入岩石的一端焊接有切割片，可以在封孔装置旋转推进时切割岩石，动力定位钻杆的支撑卡扣和封口装置的法兰卡扣结构配合，用于动力定位钻杆向封孔装置传递扭矩与起拔力。

其二、本发明，为提高封孔装置和钻孔的密封效果，在封孔装置外表面设置有环形槽，在切割片切屑岩层时的过程中产生的岩屑，可以在封孔装置外筒壁与钻孔内孔之间堆积，形成封孔装置外壁与钻孔内壁之间的密封，避免水与瓦斯从接合面之间漏出。同时在套筒切割岩石时产生的岩石粉末可增加封孔装置与岩石孔之间摩擦力，达到固定封孔装置的作用。

其三、本发明，考虑到为避免钻进过程中，摆动过大导致封孔装置损坏，组合钻头的前端设置有定心钻头，在进行岩层钻进时，先用定心钻头切割岩石，实现钻具定心。

其四、本发明，为保证钻具的冷却，破碎钻头的锥形面开设有冷却水出水孔，使得从动力定位钻杆中心通入的冷却水可通入到钻具的最前端，对钻具进行冷却。

其五、本发明，为了保证施工过程中煤水渣的收集以及避免瓦斯气体外泄，设置有收集箱，将钻孔过程中产生的煤水渣进行收集，并通过管路将收集到的煤水渣引流至煤水渣处理装置，将瓦斯气体抽放至外部负压管。

附图说明

为了更清楚地说明发明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发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明组合钻具的封孔装置的纵切面剖视图；

图2为本发明中支撑卡扣和法兰卡扣处的横截面示意图；

图3为本发明中收集箱的内部结构图；

图4为本发明中组合钻具的工作状态图；

图中标记：1、动力定位钻杆，1-1、支撑块，1-2、插接孔，1-3、限位孔，1-4、外锥丝头，1-5、支撑卡扣，1-6、进水通道，2、组合钻头，2-1、定心钻头，2-2、破碎钻头，2-3、出水孔，3、封孔装置，3-1、切割片，3-2、内锥孔，3-3、法兰卡扣,3-4、环形槽，4、收集箱，4-1、第一箱体，4-2、第二箱体，4-3、密封口，4-4、密封体，4-5、固定卡槽，4-6、防冲板，4-7、上接口，4-8、下接口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

下面，对本发明的优选实施方式进行详细的说明。如图1所示，本实施例提供一种具有自封孔功能的组合钻具，包括动力定位钻杆1、组合钻头2和封孔装置3，组合钻头2安装在动力定位钻杆1的第一端，封孔装置3为一圆柱筒体，组合钻头2和动力定位钻杆1穿设在封孔装置3内，组合钻头2的前端伸出封孔装置3的端口，在组合钻头2和封孔装置3的端口之间形成有用于煤水渣通过的间隙。

动力定位钻杆1为向封孔装置3与组合钻头2传递扭矩、推进起拔力的钻具，包含前端丝扣、后端方形插接孔1-2、支撑块结构、卡扣结构以及杆体。杆体前端的外锥丝头1-4与钻头尾端的内锥丝孔连接，向组合钻头2传递切屑岩石所需的转速、扭矩以及推进起拔力。动力定位钻杆1一端为方形插接结构，与钻机动力输出端的钻具连接，传递扭矩和推拉力，采用方形插接结构，可以实现动力定位钻杆1本体正反转。另一端与组合钻头2连接，驱动破碎钻头2-2切割岩体。

如图2所示，动力定位钻杆1杆体外侧设置有支撑块结构，采用均布的三翼形式，用来提高封孔装置3旋转推进时封孔装置的刚度，动力定位钻杆1杆体外侧设置有两组支撑结构，距离破碎钻头2-2较近的一端支撑结构为三个均布支撑块1-1，且均匀环绕动力定位钻杆1设置，并呈中心对称分布。其中支撑块1-1靠近破碎钻头2-2的一端焊接有切割片，可以继续破碎较大体积岩渣，使排渣更顺畅。远离破碎钻头2-2一端的支撑结构同样由三个均布的支撑块，该支撑块上设计有与封孔装置3的法兰卡扣3-3相连接的支撑卡扣1-5，动力定位钻杆1进入封孔装置3后，旋转钻杆，使动力定位钻杆1的支撑卡扣1-5与封孔装置3的法兰卡扣3-3相配合，由动力定位钻杆1带动封孔装置3旋转与前后移动。

具体地，动力定位钻杆1的第二端的端面上形成有插接孔1-2，插接孔1-2的横截面为方形。插接孔1-2的内部侧壁上形成有限位孔1-3。杆体后端的方形插接结构与后端钻具连接，由钻具将动力输出装置产生的转速、扭矩以及推进起拔力传递给动力定位钻杆1，再由动力定位钻杆1驱动封孔装置3与组合钻头2工作。方形插接结构包含内方插接孔1-2与限位孔1-3，插接孔1-2用来传递扭矩，限位孔1-3用来传递起拔力。

封孔装置3为薄壁套筒式结构，在进入岩石的一端焊接有切割片3-1，可以在封孔装置3旋转推进时切割岩石，切割后的钻孔略大于封孔装置3外壁尺寸。封孔装置3的外侧壁开设有环形槽3-4，在切割片3-1切屑岩体时的过程中产生的岩屑，可以在封孔装置3外壁与钻孔内孔之间堆积，形成封孔装置3外壁与钻孔内壁之间的密封，避免水与瓦斯从接合面之间漏出。使钻进过程中产生的煤水渣以及瓦斯气体在进入收集箱4时形成有效密封，在套筒切割岩石时产生的岩石粉末可增加封孔装置3与岩石孔之间摩擦力。

封孔装置3远离钻头一端为内锥形结构内锥孔3-2，可以与收集箱4前端锥形结构形成有效密封，达到固定封孔装置3的作用，同时封孔装置3的内锥孔3-2内侧设置法兰卡扣3-3。能够与动力定位钻杆1第二端的支撑卡扣1-5相连接，由动力定位钻杆1向封孔装置3传递扭矩与起拔力。

钻头3与动力定位钻杆1前端丝扣连接，组合钻头2为多级钻进钻头，包括定心钻头2-1和破碎钻头2-2，破碎钻头2-2的一端形成有内锥丝孔，与动力定位钻杆1第一端的外锥丝头1-4连接，破碎钻头2-2另一端形成有圆台形端头，定心钻头2-1安装在圆台形端头的端部中心处。在进行岩层钻进时先用定心钻头2-1切割岩石，实现钻具定心，避免钻进过程中摆动过大导致封孔装置3的损坏。为保证在封孔装置3接触岩石前，钻头前端已经定心，定心钻头2-1要露出封孔装置3一定的距离。破碎钻头2-2的缸体上焊接有切割片，用来对岩石进行切削，形成钻孔。

为保证钻具的冷却，破碎钻头2-2上形成有用于冷却水排出的出水孔2-3，出水孔2-3位于破碎钻头2-2的锥形面上，出水孔2-3通过孔道与动力定位钻杆1的进水通道1-6连通。破碎钻头2-2的前端开设有冷却水出水的出水孔2-3，使从动力定位钻杆1的进水通道1-6通入的冷却水可通入到钻具的最前端，对钻具进行冷却。在动力定位钻杆1旋转时驱动组合钻头2切削岩石，为便于排渣，破碎钻头2-2与封孔装置3内壁之间存在一定的间隙。

在封孔装置3的尾端进一步设置收集箱4，用于煤水和瓦斯气体的收集，收集箱4侧壁上安装有密封口4-3，封孔装置3的内锥孔3-2与密封口4-3的锥形头紧密接触对接，收集箱4包括第一箱体4-1和第二箱体4-2，第一箱体4-1和第二箱体4-2的一侧铰接，其与铰接侧相邻的侧壁上分别设置有上卡槽和下卡槽，第一箱体4-1与第二箱体4-2转动闭合后以组成上下扣合的箱体，上卡槽和下卡槽对接组成的固定卡槽4-5，用于将密封体4-4固定在箱体的外侧壁上，密封口4-3设置在上箱体4-1或下箱体4-2上，并位于与固定卡槽4-5相对一侧的侧壁，上箱体4-1的顶部设置有上接口4-7，下箱体4-2的底部设置有下接口4-8，密封体4-4通过固定卡槽4-5进行固定。密封体4-4可在钻杆外径为任意形状时均能包覆钻杆，实现钻杆钻进过程中对钻杆的密封，箱体上下部分分开，既可以便于密封体4-4的安装与拆卸，又便于箱体内部清理。钻进过程中如出现小型喷孔，从孔内喷出的煤水瓦斯等混合物冲上防冲板4-6，降低密封体4-4受到冲击力，由防冲板4-6消除冲击力后煤水渣流入下接口4-8，瓦斯被上接口4-7抽走。具体地，本方案不仅可以适用于圆形钻杆，还可适用于异形钻杆与三棱钻杆等，在扩孔时可直接将钻具穿过收集箱4，更换密封体4-4时可直接打开箱体上半部分进行更换，操作简单、密封效果好。

在钻孔施工时，先将钻具安装在动力输出装置上，将动力定位钻杆1与钻具连接，在限位孔1-3中安装限位销。然后将封孔装置3安装在动力定位钻杆1上，旋转封孔装置3使卡扣扣合，动力输出装置可边旋转边推进，使组合钻具切割岩石。钻进过程中通入冷却水，使钻具冷却。钻进开孔至封孔装置3的环形槽3-4进入岩石一定距离或完全进入岩石后，钻进作业完成，动力输出装置反向转动钻具，使动力定位钻杆1与封孔装置3之间卡扣断开，拉出动力定位钻杆1，开孔作业与封孔装置3安装一次完成，更换动力定位钻杆1为常规钻具，将钻机前端收集装置锥面与封孔装置3末端锥形结构顶紧，封孔作业完成，设备可正常钻孔作业，煤水渣则由组合钻头2与封孔装置3的缝隙进入，从封孔装置3另一端与密封口4-3的连接处进入收集箱4，进行煤水回收和瓦斯气体抽放。

为了使得该装置具有更好的效果，进一步优化本方案，距离方形插接孔1-2远的一端支撑结构面向岩石方向焊接有切割片，可将前端的破碎钻头2-2切削产生的岩石碎屑继续粉碎，便于排渣。其次为适用于不同形状钻杆，可设置如下结构：密封体为组合回转结构，包括支撑环、回转机构和柔性密封部，柔性密封部位于支撑环的中心位置，且可相对支撑环进行转动，回转机构包括前压盖、后压盖和回转轴承，其中回转轴承的外圈与支撑环的内环面凸台处固定连接，前压盖和后压盖夹装在回转轴承的内圈上，中心密封部的外缘固定在前压盖和后压盖之间，其中前压盖和后压盖通过螺栓固定连接。在支撑环外侧设置减震架。柔性密封部采用胶皮时胶皮中间通孔为所穿钻杆外形形状，且尺寸要小于钻杆外径尺寸；柔性密封部优选橡胶胶皮或者毛刷，柔性密封部通过两侧压盖进行固定，在进行更换时只需将两侧压盖拆开即可。在钻杆的带动下柔性密封部随钻具钻杆转动，使钻进过程中产生的煤水渣不会从柔性密封部与钻杆之间的间隙流出，保障现场施工的干净整洁，同时避免瓦斯从此处泄漏。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。