一种内置高压水驱动柔性刀具收放装置及扩孔方法

1.本发明属于低透气性煤层井下水力机械扩孔技术领域，尤其涉及一种内置高压水驱动柔性刀具收放装置及扩孔方法。


背景技术：

2.现阶段煤炭在我国能源结构中仍然占主体地位，并且短期内其重要地位不会改变。煤炭开采过程中，产生的扰动易引起煤与瓦斯突出等多种动力灾害，因此需要预抽瓦斯。随着煤炭开采深度增加，煤储层瓦斯压力也随之增加，但深部煤层透气性普遍较差，瓦斯抽采浓度较低，因此需要采取增透措施提高煤层透气性。水力驱动柔性刀具扩孔作为一种新提出的扩孔方式，特别适用于井下松软煤层扩孔，如申请号为的cn202123398149.4，采用高压水射流驱动水动力马达旋转带动柔性刀具破煤。但扩孔装置在扩孔过程中仍存在以下问题：柔性刀具过长会在旋转体或钻杆壁面缠绕，在需要扩孔时无法展开；在扩孔初期柔性刀具部分参与工作，剩余部分受转动影响，会相互缠绕，既不利于能量的有效利用，柔性刀具之间相互接触又易受惯性作用而纠缠。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种内置高压水驱动柔性刀具收放装置及扩孔方法。
4.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.一种内置高压水驱动柔性刀具收放装置，包括动力驱动组件，与动力驱动组件固定连接的收放组件以及用于扩孔的扩孔组件，所述动力驱动组件包括位于中间的高压水管路，活动套设于高压水管路外的液动螺杆泵，液动螺杆泵端部通过螺纹与外部的中间轴固定连接，所述中间轴位于套筒内且和套筒之间设有收放组件容纳腔，中间轴末端与套筒之间设有高压腔体，且高压腔体内设有一端与中间轴连接，另一端与套筒内壁固接的弹簧，所述高压腔体与高压水管路联通；所述扩孔组件包括柔性刀具，所述收放组件包括设置于中间轴外壁上相对设置的两个滑套导轨，设置于套筒内壁上与滑套导轨相互配合的二号阀槽，所述滑套导轨左端通过销钉连接有柔性刀具。
6.进一步的，所述中间轴端部还设有一号阀槽，一号阀槽位于滑套导轨末端的中间轴上，一号阀槽顶部与套筒之间预留有间隙，便于水通过。
7.进一步的，所述二号阀槽为倒t型，二号阀槽主体上设有镂空的孔眼，便于水流通过，其头部设有用于限位的二号阀槽限位槽，滑套导轨与二号阀槽限位槽接触部设有与其形状相匹配的滑套导轨限位槽，该设置限制套筒侧向位移，提高机械稳定性。
8.进一步的，所述套筒内壁左侧还设有柔性刀具限位板，柔性刀具位于柔性刀具限位板之间的空腔内，该设置防止柔性刀具之间相互缠绕。
9.进一步的，所述柔性刀具为链状，柔性刀具外边缘还设有切削齿，柔性刀具上焊接柔性刀具切削齿，柔性刀具之间由销钉连接，通过收放组件调节柔性刀具的伸长量，可以实现不同的扩孔半径，柔性刀具在装置轴线方向为柔性，可以自由伸缩变形，但在钻孔径向方
向旋转扩孔时由于销钉的限位作用，柔性刀具转变为刚性。
10.进一步的，所述中间轴位于套筒进口处设置有弧形出口，采用弧形设计，一方面减小柔性刀具与中间轴的磨损，另一方面可以使水射流改变方向，冲刷柔性刀具并辅助冲击破煤。
11.一种内置高压水驱动柔性刀具收放装置的扩孔方法，包括以下步骤：
12.s1.根据煤层硬度和工程需要确定扩孔半径，扩孔半径即为柔性刀具伸长量l，依据公式其中，k为弹簧弹性系数，计算满足柔性刀具伸长量所需水压p0，若煤层较为坚硬，为使液动螺杆泵2提供更大扭矩，可以更换具有更大弹性系数的弹簧，经过调整可以实现坚硬煤层扩孔；若煤层较为松软，为降低液动螺杆泵的扭矩，可以采用弹性系数较小的弹簧，经过调整可以实现松软煤层扩孔；
13.s2：将收放组件与液动螺杆泵连接放入钻孔，到达预定扩孔段时开启水泵提供高压水，扩孔初期为便于柔性刀具展开，保持较低水压，首先在钻孔内形成面积较小的盘状破碎区域；随后持续增大水压直至p0，柔性刀具按照预定扩孔半径完全展开破煤，从高压腔体流出的高压水经过一号阀槽与套筒的间隙，冲刷滑套导轨、滑套导轨限位槽上的煤屑，然后从二号阀槽上的孔眼流出；随后从弧形出口处流出，流出的高压水可以冲刷柔性刀具上所携带的煤屑并对柔性刀具降温，而且由于弧形出口的导向性，高压水会形成射流冲击煤体，辅助柔性刀具破煤；完成以上工作的高压水会从钻孔流出，此时的钻孔返水可以将煤渣运移出孔外，实现排渣的功能；
14.s3：待此段完成扩孔后，为实现煤层段连续扩孔，使用钻机推动收放组件向钻孔深部移动，在移动过程中柔性刀具会不断扩孔，使煤层扩孔段保持一定的扩孔半径；
15.s4：若在扩孔过程中装置发生卡钻等现象停止运行，则可降低水压使柔性刀具收回，随后继续增大水压开展扩孔工作，待扩孔工作完全结束后，关闭水泵，将收放组件和液动螺杆泵拉出即可。
16.本发明中涉及到的衡算如下：
17.根据伯努利方程，忽略管路之间的高程差：
18.其中p0为高压水管路水压，pa；v0为高压水管路流速，m/s；
19.根据连续性方程，高压腔体内压力p1为：
20.其中，q为流量，m3/s；a0为管路截面积，m2；a1为套筒截面积，m2；
21.根据胡克定律，水压p0与柔性刀具伸长量l关系：
[0022][0023]
其中，k为弹簧弹性系数；l为柔性刀具伸长量，m；在允许一定压降情况下，一号阀槽与套筒间隙截面积总和a2为：
[0024]
其中，δp＝p
2-p0，表示一号阀槽与套筒间隙允许压降。
[0025]
本发明具有的优点是：本发明通过将柔性刀具放置于套筒内，通过调节水压控制柔性刀具伸长量和液动螺杆泵的转速和扭矩；针对不同硬度煤层可以调节水压控制柔性刀具伸长量进而实现不同的扩孔半径；解决了常规柔性刀具在钻孔内扩孔易缠绕的问题；柔性刀具沿装置轴线方向为柔性，可以自由伸缩，沿钻孔径向方向为刚性，可以高效破煤；柔性刀具扩孔卡钻难题，本装置降低水压使弹簧收缩，可以将柔性刀具收回，增大水压可以重新开始扩孔工作；计算了水压与弹簧弹力之间数学关系，并计算了满足排水量和维持高压腔体压力要求的一号阀槽与套筒间隙截面积，此装置实现了柔性刀具随水压逐段展开，解决了诸多扩孔难题，采用此装置可有效提高扩孔效率，缩短扩孔周期
附图说明
[0026]
图1是本发明结构示意图。
[0027]
图2为图1中1-1断面结构示意图；
[0028]
图3为图1中2-2断面结构示意图；
[0029]
图4为本发明二号阀槽结构示意图；
具体实施方式
[0030]
如图所示，一种内置高压水驱动柔性刀具收放装置，包括动力驱动组件、收放组件和扩孔组件，所述动力驱动钻进，包括高压水管路1、液动螺杆泵2、高压腔体6、弹簧7，所述液动螺杆泵2与中间轴3通过螺纹302相连接，弹簧7左侧与中间轴3固定连接，右侧与套筒5固定连接，通过高压水管路1将带压水注入高压腔体6。所述收放组件包括设置于中间轴3外壁上相对设置的两个滑套导轨304，设置于套筒5内壁上与滑套导轨304相互配合的二号阀槽502，所述滑套导轨304左端通过销钉303连接有柔性刀具4，所述中间轴3端部还设有一号阀槽306，一号阀槽位于滑套导轨304末端的中间轴3上，一号阀槽顶部与套筒5之间预留有间隙，便于水通过。所述二号阀槽502为倒t型，二号阀槽主体上设有镂空的孔眼503，便于水流通过，其头部设有用于限位的二号阀槽限位槽504，滑套导轨与二号阀槽限位槽接触部设有与其形状相匹配的滑套导轨限位槽305，该设置限制套筒侧向位移，提高机械稳定性。所述套筒5内壁左侧还设有柔性刀具限位板501，柔性刀具4位于柔性刀具限位板501之间的空腔内，该设置防止柔性刀具之间相互缠绕，所述中间轴位于套筒进口处设置有弧形出口301，所述弧形出口301采用弧形设计，一方面减小柔性刀具4与中间轴3的磨损，另一方面可以使水射流改变方向，冲刷柔性刀具4并辅助冲击破煤；所述滑套导轨304与柔性刀具4通过限位销钉303连接，滑套导轨304与二号阀槽502相互配合，滑套导轨限位槽305与二号阀槽限位槽504互相配合，限制套筒5侧向位移，提高机械稳定性；所述一号阀槽306安装于中间轴3，与套筒5存在间隙；所述柔性刀具限位板501安装于套筒5，与中间轴3存在间隙，便于滑动；所述二号阀槽502平面有孔眼503，便于水流通过。所述扩孔组件包括柔性刀具4和柔性刀具销钉401，通过收放部分调节柔性刀具4的伸长量，可以实现不同的扩孔半径。
[0031]
柔性刀具在液压螺杆泵带动下高速旋转，扩孔工作开始时采用较低水压，弹簧轻微压缩，柔性刀具展开破煤；随着破煤工作的进行，逐渐增大水压，当高压水超过预定水压，在高压水的推动作用下，弹簧受压，套筒在压力作用下向右侧移动，使柔性刀具逐段展开破煤。
[0032]
一种内置高压水驱动柔性刀具收放装置的扩孔方法，包括以下步骤：
[0033]
步骤1：根据煤层硬度和工程需要确定扩孔半径，扩孔半径即为柔性刀具4伸长量l，依据公式计算满足柔性刀具4伸长量所需水压p0；若煤层较为坚硬，为使液动螺杆泵2提供更大扭矩，可以更换具有更大弹性系数的弹簧7，经过调整可以实现坚硬煤层扩孔；若煤层较为松软，为降低液动螺杆泵2的扭矩，可以采用弹性系数较小的弹簧7，经过调整可以实现松软煤层扩孔。
[0034]
步骤2：将收放装置与液动螺杆泵2连接放入钻孔，到达预定扩孔段时开启水泵提供高压水，扩孔初期为便于柔性刀具展开，保持较低水压，柔性刀具4在装置轴线方向为柔性结构，可以自由伸缩，首先在钻孔内形成面积较小的盘状破碎区域；随后持续增大水压直至p0，柔性刀具4按照预定扩孔半径完全展开破煤，柔性刀具4受到柔性刀具销钉401的限位作用，使得柔性刀具4只可以沿钻孔径向旋转破煤，而无法扭转变形，此措施使柔性刀具4在径向旋转时转变为刚性结构，提高了柔性刀具4的破煤效率。从高压腔体6流出的高压水经过一号阀槽306与套筒5的间隙，冲刷滑套导轨304、滑套导轨限位槽305上的煤屑，然后从二号阀槽502上的孔眼503流出；随后从弧形出口301处流出，流出的高压水可以冲刷柔性刀具4上所携带的煤屑并对柔性刀具4降温，而且由于弧形出口301的导向性，高压水会形成射流冲击煤体，辅助柔性刀具破煤；完成以上工作的高压水会从钻孔流出，此时的钻孔返水可以将煤渣运移出孔外，实现排渣的功能。
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步骤3：待此段完成扩孔后，为实现煤层段连续扩孔，使用钻机推动收放装置向钻孔深部缓慢移动，在移动过程中柔性刀具4会不断扩孔，使煤层扩孔段保持一定的扩孔半径。
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步骤4：若在扩孔过程中装置发生卡钻等现象停止运行，则可降低水压使柔性刀具4收回，随后继续增大水压开展扩孔工作。待扩孔工作完全结束后，关闭水泵，将收放装置和液动螺杆泵2拉出即可。