一种投球式定点扩孔装置的制作方法

1.本发明属于钻具技术领域，涉及一种投球式定点扩孔装置。


背景技术：

2.在煤矿开采中，瓦斯是威胁安全的有害气体，易导致瓦斯、煤尘爆炸及煤与瓦斯的突出事故。随着煤矿开采深度的增加，地应力、瓦斯含量和压力增大，煤层透气性降低，瓦斯抽采难度进一步加大。在指定煤层进行扩孔加大了煤层的暴露面积，增大了地层导流能力，达到增产的目的，提高瓦斯抽采效率，防止瓦斯灾害的发生，而且抽出的瓦斯可作为洁净能源加以利用，减少环境污染。
3.目前，煤层定点扩孔装置采用流量控制，对流量要求严格，需要配备可精细控制流量的泥浆泵，要求钻杆各个连接部位不能泄露，并且芯柱主要依靠节流压差推动，推力受限，常常导致翼刀无法展开，上述原因极大的限制了煤层定点扩孔装置的推广应用。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术的目的在于提供一种投球式定点扩孔装置，以降低钻孔设备对扩孔装置的影响。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种投球式定点扩孔装置，包括管体和翼刀，以及驱动翼刀启闭的控制装置，其特征在于：控制装置包括具有中空结构且滑动连接在管体内的芯柱和限制芯柱行程的限位结构，以及设置在芯柱与翼刀之间能够使翼刀随芯柱运动而启闭的传动机构；芯柱的下端连接有压力控制装置，压力控制装置包括控制球和连接在芯柱下端的球座，以及位于球座下方的球笼，控制球与球座能够使芯柱下端封闭，以使冷却液在芯柱内部憋压至p1以推动芯柱下移，当芯柱内部压力增至p2时，控制球进入球笼以使芯柱泄压，芯柱泄压后通过设置在球座和球笼之间的复位机构复位。
7.可选地，所述球座的顶端设有能够容纳控制球的第一腔室，第一腔室的底部设有与其连通且直径小于控制球直径的泄压孔，泄压孔在外力作用下能够变大以使控制球通过；球笼的内部设有用于容纳控制球的第二腔室，球笼的顶部设有用于控制球单向进入第二腔室的单向通道，球笼上还设有供冷却液通过的第二过液孔。
8.可选地，所述传动机构包括位于芯柱上的齿条和位于翼刀上端能够与齿条啮合的齿轮。
9.可选地，所述芯柱为中空的圆柱结构，芯柱中部的周向设有数量与翼刀匹配的平面，平面凸出或低于芯柱的圆柱面，平面的上部设有齿条。
10.可选地，所述复位机构包括弹性件，弹性件为压簧或弹性套。
11.可选地，所述泄压孔的周向开设有多条收缩缝。
12.可选地，所述第二过液孔包括位于球笼底部呈圆形的底部过液孔和绕球笼周向设置的多个呈条形的侧向过液孔。
13.可选地，所述单向通道呈漏斗型且具有弹性，单向通道的最小孔径小于控制球的直径。
14.可选地，所述单向通道的内侧壁呈梳齿状。
15.可选地，所述限位结构包括位于芯柱上方的上压环和位于球笼下方的的下压环，上压环和下压环均可拆卸连接在管体上。
16.本发明的有益效果在于：在正常钻进过程中具有较好的稳定性，投入控制球后，芯轴的运动只与其内部冷却液的压力有关，因此允许各个接头处少量泄露，对钻孔设备要求低，可在条件简陋的矿区进行施工作业，芯柱具有较大的向下推力，在实际生产中，保证了翼刀在各种复杂环境中均能可靠展开，提高了钻孔施工效率。
17.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
18.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
19.图1为本发明一种投球式定点扩孔装置的结构示意图；
20.图2为芯柱的结构示意图；
21.图3为球笼的结构示意图；
22.图4为球座的结构示意图。
23.图示标记：管体1、上压环2、芯柱3、定位销4、第一过液孔5、翼刀6、控制球7、球座8、复位弹簧9、固定环10、单向通道11、球笼12、过滤网13、下压环14、限位斜台101、第二过液孔121。
具体实施方式
24.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
25.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
26.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或
暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
27.参阅图1～图4，一种投球式定点扩孔装置，包括管体1、绕管体1周向布置且上端与管体1铰接的多个用于扩孔的翼刀6，以及驱动翼刀6启闭的控制装置，控制装置包括具有中空结构且滑动连接在管体1内的芯柱3和限制芯柱行程的限位结构，以及设置在芯柱3与翼刀6之间的传动机构，芯柱3通过传动机构能够使翼刀6随芯柱3的运动而启闭；芯柱3对应翼刀6的位置设有通向翼刀6的第一过液孔5，以使芯柱3内部的冷却液可通过第一过液孔作用在翼刀6上；芯柱的下端连接有压力控制装置，压力控制装置包括控制球7和连接在芯柱3下端的球座8，以及位于球座8下方的球笼12，控制球7与球座8能够使芯柱3下端封闭，以使冷却液在芯柱3内部憋压至p1以推动芯柱3下移，当芯柱3内部压力增至p2时，控制球7进入球笼12以使芯柱3泄压，芯柱3泄压后通过设置在球座8和球笼12之间的复位机构复位。
28.优选地，球座8的顶端设有能够容纳控制球7的第一腔室，第一腔室的底部设有与其连通且直径小于控制球直径的泄压孔，泄压孔在外力作用下能够变大以使控制球7通过；球笼12的内部设有用于容纳控制球7的第二腔室，第二腔室可容纳多个控制球7，球笼12的顶部设有用于控制球7单向进入第二腔室的单向通道11，第二腔室的腔壁上设有供冷却液通过的第二过液孔121。当向管体1内投入控制球7时，控制球7落入球座8，使芯柱3下端封闭，进而使冷却液在芯柱3内部憋压至p1，该压力推动芯柱3下移，芯柱3下移使翼刀6展开以增加扩孔直径，当芯柱3内部的压力达到预设值p2时，控制球7穿过球座8的泄压孔进入球笼12以使芯柱3泄压，芯柱3泄压后通过设置在球座8和球笼12之间的复位机构复位。
29.优选地，传动机构包括位于芯柱3上的齿条和位于翼刀6上端能够与齿条啮合的齿轮。
30.优选地，芯柱3为中空的圆柱结构，芯柱3中部的周向设有数量与翼刀6匹配的平面，平面的上部设有齿条。
31.优选地，平面凸出或低于芯柱3的圆柱面。
32.优选地，复位机构包括弹性件，弹性件为压簧或弹性套。
33.优选地，泄压孔的周向开设有多条收缩缝。
34.优选地，第二过液孔121包括位于球笼12底部呈圆形的底部过液孔和绕球笼12周向设置的多个呈条形的侧向过液孔。
35.优选地，单向通道11呈漏斗型且具有弹性，单向通道11的最小孔径小于控制球7的直径。
36.优选地，单向通道11的内侧壁呈梳齿状。
37.本发明中的限位结构包括位于芯柱3上方的上压环2和位于球笼12下方的的下压环14，上压环2和下压环14均可拆卸连接在管体1上，优选螺纹连接。由于下压环14与管体1可拆卸连接，当球笼12装满控制球7后，可通过拆下下压环14，取出球笼12中的控制球7。
38.实施例
39.一种投球式定点扩孔装置，包括管体1，上压环2、芯柱3、定位销4、翼刀6、控制球7、弹性球座8、复位弹簧9、固定环10、球笼12、过滤网13和下压环14；其中，上压环2、芯柱3、弹性球座8、复位弹簧9、固定环10、球笼12和下压环14依次自上而下布置在管体1内。各零部件
的相对位置关系、具体结构和功能如下：
40.翼刀6：通过定位销4与管体1铰接，以使翼刀6可绕定位销4转动。
41.芯柱3：周向设有一组关于芯柱3的中心轴对称的平面，平面的上部设有齿条，翼刀6设有半圆齿，芯柱3上的齿条与翼刀6上的半圆齿啮合，芯柱3向下运动带动翼刀6向外展开；反之，使翼刀6趋于闭合。
42.球座8：球座8的顶端设有能够容纳控制球7的第一腔室，第一腔室的底部设有与其连通且直径小于控制球直径的泄压孔，泄压孔的周向开设有多条收缩缝。球座8的上端与芯柱3螺纹连接，球座8下端设有限位斜台101，只有球座8处于下极限位置时，泄压孔方可产生足够大的变形，控制球7方可通过泄压孔。
43.球笼12：球笼12的内部设有用于容纳控制球7的第二腔室，球笼12的顶部设有用于控制球7单向进入第二腔室的单向通道11，单向通道11由弹性材料形成，控制球7由上向下运动时单向通道11变大，控制球7可以通过，控制球7从下往上运动时单向通道11变小，控制球7不能通过。第二腔室的腔壁上设有供冷却液通过的第二过液孔121，第二过液孔121包括位于球笼12底部呈圆形的底部过液孔和绕球笼12周向设置的多个呈条形的侧向过液孔。球笼的第二腔室可容纳多个控制球7，球笼的底部可打开以方便控制球从球笼12内取出。
44.球笼12的底部也可做成敞开结构，通过设置过滤网13用于支撑控制球7，过滤网13可直接固定在下压环14上，也可自由放置在下压环14与球笼12之间。此种结构卸下下压环14，即可直接取出控制球7，使用更为方便，且结构更为简单，成本更低。
45.本发明在正常钻进过程中具有较好的稳定性，投入控制球7后，芯轴的运动只与内部冷却液压力有关，因此允许各个接头处少量泄露，对钻孔设备的要求较低，可在条件简陋的矿区进行施工作业，芯柱3具有较大的向下推力，在实际生产中，保证了翼刀6在各种复杂环境中均能可靠展开，提高了钻孔施工效率。
46.本发明采用投球方法，在芯柱3的内部实现憋压，芯柱3受冷却液向下的压力，芯柱3用于克服复位机构的弹力所需的冷却液压力为p1，芯柱3向下运动带动翼刀6从竖直状态逐渐展开至水平状态，以逐渐增加扩孔直径，球座8完全张开的冷却液压力为p2。
47.本发明的使用方法如下：
48.翼刀6展开：钻孔完成后进，本装置放置在煤层的定点扩孔开始位置，在钻杆内部投入控制球7，控制球7跟随冷却液到达球座8，球座8的泄压孔直径小于控制球7的直径，因此控制球7不能通过，钻杆内部冷却液开始憋压，当压力达到p1，芯柱3在液压力的作用下开始向下运动，芯柱3外部设有齿条结构，翼刀6设有齿轮结构，因此芯柱3向下运动带动翼刀6展开，冷却液从第一过液孔5喷射出以保护翼刀6，同时还可防止外部碎渣进入芯柱3与翼刀6围成的区域内。
49.翼刀6收回：当完成扩孔后，通过泥浆泵继续增大冷却液压力，压力到达p2，此时球座8处于下极限位置，球座8在球及液压作用下张开，控制球7穿过球座8的泄压孔跟随冷却液经球笼12的单向通道11进入球笼12的第二腔室内，由于球笼12的单向通道11仅能让控制球7从外部单向通过，因此控制球7被困于球笼12内部；由于球笼12侧面和底部设有第二过液孔121，因此控制球7在球笼12内部不会阻碍冷却液的流通，芯柱3内的压力降低，芯柱3在复位弹簧9的弹力作用下恢复到上极限位置，翼刀6在芯柱3的带动下收回至管体1内部。
50.需要说明的是：p2远大于p1，在投入控制球7后，泥浆泵可提供的压力大于p1小于
p2，完成扩孔作业后泥浆泵可提供压力才大于p2。
51.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。