松软煤层一次成孔随钻套管装置的制作方法

1.本发明涉及煤矿井下松软煤层瓦斯抽采技术领域，具体为一种松软煤层一次成孔随钻套管装置。


背景技术：

2.煤矿高瓦斯矿井抽放瓦斯可以减少开采时的瓦斯涌出量，减少瓦斯隐患和瓦斯超限，是保证煤矿安全生产的一项预防性措施，对高瓦斯矿井或采区，瓦斯抽放在安全上技术上和经济上都是必须的，本煤层预抽煤层瓦斯和底抽巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯，都是煤矿治理瓦斯和防治煤与瓦斯突出的重要手段之一，利用抽放钻孔对煤体进行卸压，通过抽放降低煤体瓦斯压力与吨煤瓦斯含量，从而达到消突和安全生产的目的。
3.有些高瓦斯矿井的煤层为松软煤层，坚固程度差，裂隙发育等原因造成钻孔时塌孔，塌孔可造成钻具脱落、折断，卡钻、埋钻等钻探事故，而且塌孔事故严重影响钻探施工进度及钻孔工程质量，对瓦斯抽采效果有很大影响，钻探过程中由于钻头、钻杆对孔壁、煤层扰动导致地层平衡被破坏造成塌孔，遇地质构造造成塌孔，当钻孔过程中围岩周围的应力超过其自身的强度时，往往会引发钻孔塌孔，无论是本煤层抽采、顶板岩巷下行穿采还是底抽巷上行抽采，煤层瓦斯抽采过程中，钻孔易变形，极大降低了钻孔成孔率，降低了瓦斯抽采效率，增加了抽采成本，严重限制了矿井瓦斯抽采达标进程。
4.以往的解决办法是：先钻一个小孔，然后通过三到四次扩孔将孔径扩大到设计孔径，再将套管穿入孔内，最后将套管密封固定在孔内，但是由于多次扩孔，造成对孔壁周围煤层的多次扰动挤压容易塌孔，多次扩孔施工时间长，孔裸露的时间也长，也容易塌孔。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种松软煤层一次成孔随钻套管装置，具备能够提高钻孔质量，能够使套管同步输送，最大限度降低钻孔塌孔问题的优点，解决了现有钻孔装置多次扩孔，造成对孔壁周围煤层的多次扰动挤压容易塌孔的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种松软煤层一次成孔随钻套管装置，包括多级扩孔钻头，所述多级扩孔钻头右表面设有刀片收缩机构，所述刀片收缩机构右表面设有旋转拖管机构。
7.所述刀片收缩机构包括第一对接套，所述第一对接套右表面滑动连接有第二对接套，所述第一对接套内滑动连接有活塞板，所述活塞板外周壁固定连接有第一磁铁，所述第二对接套内周壁固定连接有插接至第一对接套内的第二磁铁，所述第二对接套外周壁固定连接有防护套圈，所述第二对接套右表面固定连接有折叠刀座，所述折叠刀座内转动连接有数量为两个的刀架，所述刀架外周壁固定连接有金刚石复合片和齿块，所述活塞板右表面固定连接有位于两个刀架之间齿条，所述第一对接套内固定连接有第四磁铁，所述活塞板与第二对接套之间固定连接有拉簧。
8.所述旋转拖管机构包括锚杆，所述锚杆外周壁套接有轴承，所述轴承外周壁套接
有连动套圈，所述连动套圈内固定安装有无线控制器，所述连动套圈外套接有套管，所述套管内固定安装有第三磁铁，所述连动套圈外周壁滑动连接有插接至连动套圈内的连动块，所述连动块内固定安装有电磁铁。
9.进一步，所述多级扩孔钻头包括先导钻头，所述先导钻头右表面固定连接有二级扩孔钻头，所述二级扩孔钻头右表面固定连接有三级扩孔钻头，所述三级扩孔钻头右表面与第一对接套左表面固定连接。
10.进一步，所述先导钻头外周壁最大外径小于二级扩孔钻头外周壁最大直径，所述二级扩孔钻头外周壁最大外径小于三级扩孔钻头外周壁最大外径，所述先导钻头、二级扩孔钻头和三级扩孔钻头的轴心线均位于同一直线上。
11.进一步，所述第一对接套右表面开设有第一凹槽，所述第二对接套左表面开设有第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽均为同心同直径的圆柱形凹槽，所述第一对接套右端插接至第二凹槽内，所述活塞板位于第一凹槽内。
12.进一步，所述第一凹槽左表面固定连接有数量为两个且贯穿活塞板的导向杆，所述第一对接套和第二对接套的最大外径均相等，所述第一对接套和第二对接套均与防护套圈相接触，所述第一对接套外周壁开设有与第二磁铁相适配的滑槽。
13.进一步，所述第二磁铁与相邻第一磁铁相对面一侧的磁极相反，所述折叠刀座左表面开设有与刀架相适配的转动槽，所述刀架与折叠刀座之间固定连接有挡渣帘，所述齿块与刀架位于转动槽内的一端外周壁固定连接，所述齿块的数量不小于四个，且相邻两个齿块之间的间距均相等。
14.进一步，所述金刚石复合片固定安装于刀架远离折叠刀座的一端，所述金刚石复合片左表面位于刀架左侧，两个所述刀架之间夹角最大时两个刀架相离面之间的距离大于三级扩孔钻头的最大外径。
15.进一步，所述齿条为双面齿条，两个所述刀架外的齿块均与齿条啮合，所述第二磁铁位于滑槽最左侧时齿条最右端齿槽与齿块啮合，所述第二磁铁位于滑槽最右侧时两个刀架相离面之间的距离小于连动套圈的外径。
16.进一步，所述折叠刀座右表面与锚杆左表面固定连接，所述轴承内圈与锚杆外周壁相接触，所述轴承外圈与连动套圈相接触，所述套管的内径等于连动套圈的外径，所述连动套圈内开设有数量为两个的安装腔，所述连动套圈下表面开设有排污槽。
17.进一步，所述无线控制器位于安装腔内，所述无线控制器内固定安装有蓄电池，所述无线控制器与电磁铁电连接，所述连动块插接至安装腔内，所述连动块位于安装腔内的一端固定连接有止退板，所述套管内周壁开设有与第三磁铁相适配的沉槽，所述电磁铁通电后与相邻第三磁铁相对面一侧的磁极相同。
18.与现有技术相比，本技术的技术方案具备以下有益效果：
19.1、该松软煤层一次成孔随钻套管装置，通过设置多级扩孔钻头和刀片收缩机构，其中多级扩孔钻头可以实现一个钻头、一次钻进就可以完成多次扩孔，减少对孔壁的扰动，大大缩短了孔的裸露时间，因此大大减少了塌孔的概率，而如果钻进过程中出现孔壁塌落，其跟在钻头后面的套管就可以托住垮落的碎煤在套管外，不会造成钻具脱落、折断，卡钻、埋钻等钻探事故，还可以通过来回拉动套管挤碎煤块，挤碎的煤块通过钻孔液排出孔外，可以对局部的塌孔进行处理，其中刀片收缩机构中的刀架是可以活动收回的，扩孔直径大于
套管外径，在钻孔到达孔深位置，抽出钻头，钻头抽出时，直径大于套管外径的刀架会自动收缩，从套管内孔中抽出。
20.2、该松软煤层一次成孔随钻套管装置，通过设置旋转拖管机构，既可以保证套管在移动过程中不会跟随锚杆一同转动，同时使套管可以跟随锚杆的前进而前进，使其无需专用推送装置进行移动，降低设备成本，而刀片收缩机构和旋转拖管机构内均设有挡尘装置，可以确保其内部机构不会因钻孔过程产生的粉尘而造成故障。
附图说明
21.图1为本发明结构示意图；
22.图2为本发明刀片收缩机构的结构示意图；
23.图3为本发明图2所示a处的局部放大示意图；
24.图4为本发明旋转拖管机构的结构示意图；
25.图5为本发明图4所示b处的局部放大示意图；
26.图6为本发明连动套圈的右视图。
27.图中：1多级扩孔钻头、101先导钻头、102二级扩孔钻头、103三级扩孔钻头、2刀片收缩机构、201第一对接套、202第二对接套、203活塞板、204第一磁铁、205第二磁铁、206防护套圈、207折叠刀座、208刀架、209金刚石复合片、210齿块、211齿条、212第四磁铁、213拉簧、3旋转拖管机构、301锚杆、302轴承、303连动套圈、304无线控制器、305套管、306第三磁铁、307连动块、308电磁铁。
具体实施方式
28.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。
29.请参阅图1
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6，本实施例中的一种松软煤层一次成孔随钻套管装置，包括多级扩孔钻头1，多级扩孔钻头1右表面固定连接有刀片收缩机构2，刀片收缩机构2右表面固定连接有旋转拖管机构3。
30.多级扩孔钻头1包括先导钻头101，先导钻头101右表面固定连接有二级扩孔钻头102，二级扩孔钻头102右表面固定连接有三级扩孔钻头103，先导钻头101外周壁最大外径小于二级扩孔钻头102外周壁最大直径，二级扩孔钻头102外周壁最大外径小于三级扩孔钻头103外周壁最大外径，先导钻头101、二级扩孔钻头102和三级扩孔钻头103的轴心线均位于同一直线上，通过将不同直径的先导钻头101、二级扩孔钻头102和三级扩孔钻头103分级连接，使其可以一次完成多次扩孔。
31.刀片收缩机构2包括第一对接套201，三级扩孔钻头103右表面与第一对接套201左表面固定连接，第一对接套201右表面开设有第一凹槽，第一对接套201右表面滑动连接有第二对接套202，第一对接套201和第二对接套202的最大外径均相等，第二对接套202左表面开设有第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽均为同心同直径的圆柱形凹槽，第一对接套201和第二对接套202的轴心线与多级扩孔钻头1的轴心线均位于同一直线上，第一对接套201和
第二对接套202可以相对滑动一段距离，第一对接套201右端插接至第二凹槽内，第一对接套201内滑动连接有活塞板203，活塞板203位于第一凹槽内，第一凹槽左表面固定连接有数量为两个且贯穿活塞板203的导向杆，用以限制活塞板203的移动方向，确保活塞板203的移动稳定性，活塞板203外周壁固定连接有第一磁铁204，第二对接套202内周壁固定连接有插接至第一对接套201内的第二磁铁205，第一对接套201外周壁开设有与第二磁铁205相适配的滑槽，通过第二磁铁205的设置限制第一对接套201和第二对接套202的相对转动，确保多级扩孔钻头1可以正常转动，第二磁铁205与相邻第一磁铁204相对面一侧的磁极相反，利用第一对接套201与第二对接套202滑动时的拉力，使第二磁铁205可以带动第一磁铁204移动，进而带动活塞板203移动，第二对接套202外周壁固定连接有防护套圈206，第一对接套201和第二对接套202均与防护套圈206相接触，利用防护套圈206对第一对接套201和第二对接套202的接缝处进行防护，避免钻探过程中产生的灰尘沿第一对接套201和第二对接套202之间的缝隙进入其内部，影响第一对接套201和第二对接套202的活动稳定性，第二对接套202右表面固定连接有折叠刀座207，折叠刀座207内转动连接有数量为两个的刀架208，折叠刀座207左表面开设有与刀架208相适配的转动槽，刀架208与折叠刀座207之间固定连接有挡渣帘，挡渣帘与刀架208滑动连接，挡渣帘具有折叠性，可以跟随刀架208的转动折叠或展开，而通过挡渣帘确保钻探过程中的颗粒杂质不会进入转动槽内，确保刀架208可以正常转动，刀架208外周壁固定连接有金刚石复合片209和齿块210，金刚石复合片209固定安装于刀架208远离折叠刀座207的一端，金刚石复合片209左表面位于刀架208左侧，齿块210与刀架208位于转动槽内的一端外周壁固定连接，齿块210的数量不小于四个，且相邻两个齿块210之间的间距均相等，活塞板203右表面固定连接有位于两个刀架208之间齿条211，两个刀架208外的齿块210均与齿条211啮合，第一对接套201内固定连接有第四磁铁212，活塞板203与第二对接套202之间固定连接有拉簧213，第一对接套201与第二对接套202两端面间距最小时第四磁铁212对活塞板203的吸力大于拉簧213对活塞板203的拉力，利用活塞板203的移动带动齿条211移动，进而可以带动刀架208的转动，当第一对接套201和第二对接套202左右两端面相距最远时，齿条211向右移动，使两个刀架208之间的夹角变小，当第一对接套201和第二对接套202左右两端面相距最近时，齿条211向左移动，使两个刀架208之间的夹角扩大。
32.旋转拖管机构3包括锚杆301，折叠刀座207右表面与锚杆301左表面固定连接，锚杆301外周壁套接有轴承302，轴承302内圈与锚杆301外周壁相接触，轴承302外周壁套接有连动套圈303，轴承302外圈与连动套圈303相接触，连动套圈303内开设有数量为两个的安装腔，连动套圈303下表面开设有排污槽，使得钻孔冲洗液可以沿排污槽向外正常排出，两个安装腔之间的连线与排污槽垂直，连动套圈303内固定安装有无线控制器304，无线控制器304位于安装腔内，无线控制器304内固定安装有蓄电池，连动套圈303外套接有套管305，套管305的内径等于连动套圈303的外径，利用轴承302保证套管305在移动过程中不会跟随锚杆301的转动而转动，套管305内固定安装有第三磁铁306，套管305内周壁开设有与第三磁铁306相适配的沉槽，连动套圈303外周壁滑动连接有插接至连动套圈303内的连动块307，连动块307插接至安装腔内，连动块307位于安装腔内的一端固定连接有止退板，连动块307内固定安装有电磁铁308，无线控制器304与电磁铁308电连接，电磁铁308通电后与相邻第三磁铁306相对面一侧的磁极相同，连动块307为铁块，当连动块307移动至沉槽下方
时，连动块307被第三磁铁306吸引插入沉槽，从而使套管305跟随连动套圈303移动，而通过开启电磁铁308，便可以与第三磁铁306之间产生斥力，使连动块307重新收缩回连动套圈303内，确保锚杆301在抽出过程中不会影响套管305。
33.需要说明的是，两个刀架208之间夹角最大时两个刀架208相离面之间的距离大于套管305的最大外径，齿条211为双面齿条，第二磁铁205位于滑槽最左侧时齿条211最右端齿槽与齿块210啮合，第二磁铁205位于滑槽最右侧时两个刀架208相离面之间的距离小于连动套圈303的外径。
34.请参阅图6，为了确保套管305能够正常跟随锚杆301进行移动，本实施例中的连动套圈303和套管305右表面均开设有指示槽，通过将两个指示槽相互对齐，确保连动套圈303在插入套管305内部时，第三磁铁306位于连动块307的移动路线上。
35.上述实施例的工作原理为：
36.1)通过将锚杆301从套管305右侧插入，确保锚杆301在插入时右侧的两个指示槽相互对应，且排污槽位于锚杆301下方，然后缓慢向左推送，当连动块307移动至安装有第三磁铁306的沉槽一侧时，连动块307受到第三磁铁306的吸引，从连动套圈303内移出，使其一端插入沉槽内，从而便可以开启钻探机构带动锚杆301进行钻探，而当多级扩孔钻头1右侧受到压力时，第一对接套201向第二对接套202靠近，使得第四磁铁212带动活塞板203移动，进而带动齿条211推动刀架208旋转，使两个刀架208展开，跟随多级扩孔钻头1一起进行扩孔工作。
37.2)当在钻孔完成后，将锚杆301拉出，则多级扩孔钻头1左端未受力，第二对接套202远离第一对接套201，第四磁铁212对活塞板203的吸力逐渐减小，拉簧213带动第一磁铁204移动，使齿条211推动刀架208反向旋转，使两个刀架208收缩，然后控制电磁铁308开启，使连动块307重新收缩回连动套圈303内，然后便可以将锚杆301拉出，而不对套管305产生影响。
38.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
39.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。