一种提高煤层钻孔孔壁光滑性的装置的制作方法

本实用新型涉及一种改善煤层钻孔孔壁粗糙度的装置，特别是关于一种提高煤层钻孔孔壁光滑性的装置。

背景技术：

在煤矿井下，煤层瓦斯压力测定、瓦斯抽采和煤层注水等工作均需要密封钻孔，封孔器是一种常用的钻孔密封装置，其密封性能是上述工作成败的关键。

封孔器一般由钢丝网1层或多层、内壁橡胶和外表面橡胶组成；通过向封孔器内注入高压膨胀液，封孔器膨胀，其外表面的橡胶与钻孔孔壁接触，阻碍流体（包括气体和液体）渗透，实现密封功能。

在钻孔施工过程中，由于钻杆的晃动、煤质松软和钻孔周围应力集中等原因，煤层钻孔壁面往往比较粗糙，这必将影响封孔器对钻孔的密封效果。

在公开的资料文献上，有关钻孔施工的研究主要集中在提高打钻深度、预防钻孔塌孔和有效排除钻孔煤渣等方面，而关于如何提高钻孔孔壁光滑性的研究，却少有报道。

因此，为了进一步提高封孔器的密封性能，应用封孔器更加准确的测定煤层瓦斯压力、抽采出更高浓度的瓦斯和获得更好的煤层注水效果，就需要施工出孔壁光滑的钻孔；探索出一种能够提高煤层钻孔孔壁光滑性的装置就显得尤为迫切。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种能够提高煤层钻孔孔壁光滑性的装置。

解决上述技术问题的技术方案是：一种提高煤层钻孔孔壁光滑性的装置，包括钻机、钻杆、通气管、打磨装置、气体流向转换器、压风装置和电源；所述电源为钻机供电，压风装置为通气管提供高压气体；所述钻杆安装在钻机上，钻杆的前端与打磨装置密封连接；所述打磨装置包括的胶皮套，以及设于胶皮套外部的钢砂；所述通气管依次轴向穿过钻机、钻杆和打磨装置，其后端通过压风管连接压风装置，前端从打磨装置的前端伸出，其位于打磨装置内的部位安装有气体流向转换器；使用时，钻机通电转动，钻杆带动打磨装置旋转，打开压风装置，气流进入通气管，在气体流向转换器的调节下，气流产生两种流向，一种为，气流全部进入胶皮套内使其膨胀贴紧孔壁对孔壁旋转打磨；另一种为，气流从通气管前端喷入钻孔底部，胶皮套收缩，流入钻孔底部的气体将磨损的煤渣从胶皮套与钻孔孔壁之间的缝隙携带出去，将煤渣排出孔外；两种情况交替进行，对钻孔孔壁实施光滑性操作。

所述气体流向转换器包括变径钢管和常径钢管，常径钢管安装在变径钢管的两侧，变径钢管的内径大于常径钢管的内径；常径钢管与通气管的内径相同，且其两端分别与通气管连接；位于变径钢管两侧的常径钢管内分别固设支架，支架之间连接有弹簧，所述弹簧的中部连接有活塞，以气流流动方向为准，位于变径钢管后方的常径钢管管壁上设置出气孔；所述活塞在出气孔与变径钢管之间的常径钢管以及变径钢管内往复移动，实现气流在进入胶皮套和进入钻孔两种情况之间转换。

所述胶皮套为圆柱形，两端口收缩，并由端面密封；两端面的中心均设有能够使通气管穿过的通孔，两端面的外缘沿径向由内向外依次设置环形联接器和圆筒状端头，所述胶皮套的两端包裹在端头的外部并通过卡箍紧固密封，其中一端头的远端设有内螺纹，与钻杆螺纹连接；所述钻杆为麻花钻杆。

所述胶皮套的表面喷洒了钢砂，并用粘结剂粘结牢固。

所述钻杆通过联接器与电机连接，钻杆的一端设有外螺纹，另一端设有安装孔，安装孔的孔壁设有销孔，通过安装孔与联接器插接并用销钉固定。

所述通气管由安装在胶皮套内的钢管、设置在钻杆中心的轴向通气孔以及与钻机连接的空心联接器通过密封轴承连接器首尾连接而成，可防止输入的高压气体泄漏。

所述钻机通过电缆连接电源，为其提供电动力，并且通过压风管连接压风装置，压风管上设置开关。

一种提高煤层钻孔孔壁光滑性的方法，具体步骤为：首先采用常规方法施工煤层钻孔；退出打钻装备，将提高煤层钻孔孔壁光滑性的装置的前端送入钻孔，直至胶皮套所在部位到达需要改善孔壁光滑性的位置；接通电缆的电流，钻机旋转，并通过钻杆带动整个装置旋转；启动开关，高压气体进入通气管，活塞在变径钢管和常径钢管内周期性往复运移，当活塞位于出气孔和变径钢管之间的常径钢管内时，高压气体进入胶皮套，胶皮套膨胀并与孔壁紧密接触，通过旋转，其外部的钢砂磨损孔壁凸出来煤体；当活塞移动到变径钢管内时，气流通过通气管进入钻孔前端，胶皮套收缩，气流携带磨损的煤渣从胶皮套与钻孔内壁的间隙涌出。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种专门用于提高煤层钻孔孔壁光滑性的装置，可以在磨损钻孔周围煤体突出部位的同时，排除磨损下来的煤渣，将煤层钻孔凹凸不平的表面变成光滑的表面；如果将封孔器放在该位置，必然具有很好的密封性能，并最终提高煤层瓦斯压力测定数据的准确性、瓦斯抽采浓度和煤层注水的效果。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2为气体流向转换器的结构示意图。

图3为支架的截面图。

图中标记如下：1.钻机，2.钻杆，3.通气管，4.打磨装置，4-1. 胶皮套，4-2.钢砂，4-3.前端连接器，4-4.后端连接器，4-5.前置端头，4-6.后置端头，5.气体流向转换器，5-1.后支架，5-2.后置弹簧，5-3.出气孔，5-4.活塞，5-5.变径钢管，5-6.前置弹簧，5-7.前支架，5-8.常径钢管，6.压风管，7.开关，8.电缆，9.卡箍，10.密封轴承联接器，11.联接器，12.安装孔，13.销钉。

具体实施方式

如附图1-3所示，一种提高煤层钻孔孔壁光滑性的装置，包括钻机1、钻杆2、通气管3、打磨装置4、气体流向转换器5、压风装置和电源；所述电源为钻机1供电，压风装置为通气管3提供高压气体；所述钻杆2安装在钻机1上，钻杆1的前端与打磨装置4密封连接；所述打磨装置4包括的胶皮套4-1，以及设于胶皮套4-1外部的钢砂4-2；所述通气管3依次轴向穿过钻机1、钻杆2和打磨装置4，其后端通过压风管6连接压风装置，前端从打磨装置4的前端伸出，其位于打磨装置4内的部位安装有气体流向转换器5；使用时，钻机1通电转动，钻杆2带动打磨装置4旋转，打开压风装置，气流进入通气管3，在气体流向转换器5的调节下，气流产生两种流向，一种为，气流全部进入胶皮套4-1内使其膨胀贴紧孔壁对孔壁旋转打磨；另一种为，气流从通气管3前端喷入钻孔底部，胶皮套4-1收缩，流入钻孔底部的气体将磨损的煤渣从胶皮套4-1与钻孔孔壁之间的缝隙携带出去，将煤渣排出孔外；两种情况交替进行，对钻孔孔壁实施光滑性操作。

所述气体流向转换器5包括变径钢管5-5和常径钢管5-8，常径钢管5-8安装在变径钢管5-5的两侧，变径钢管5-5的内径大于常径钢管8的内径；常径钢管5-8与通气管3的内径相同，且其两端分别与通气管3连接；位于变径钢管5-5两侧的常径钢管5-8内分别固设支架，支架之间连接有弹簧，所述弹簧的中部连接有活塞5-4，以气流流动方向为准，位于变径钢管5-5后方的常径钢管5-8管壁上设置出气孔5-3；所述活塞5-4在出气孔5-3与变径钢管5-5之间的常径钢管5-8以及变径钢管5-5内往复移动，实现气流在进入胶皮套4-1和进入钻孔两种情况之间转换。

所述气体流向转换器5，由后支架5-1、后置弹簧5-2、出气孔5-3、活塞5-4、变径钢管5-5、前置弹簧5-6、前支架5-7和常径钢管5-8组成；后支架5-1和后置弹簧5-2安装在变径钢管5-5后部的常径钢管5-8内，前置弹簧5-6和前支架5-7安装在变径钢管5-5前部的常径钢管5-8内，出气孔5-3设置在变径钢管5-5后部的常径钢管5-8管壁上，初始状态下，活塞5-4封堵住出气孔5-3。通气后，当气体压力较低时，活塞5-4稍微向前移动，气流从出气孔5-3进入密封的胶皮套4-1内，胶皮套4受压膨胀；当气体压力较高时，活塞5-4大幅度向前移动，进入变径钢管5-5，由于变径钢管5-5的直径大于活塞5-4的直径，气流会从两者之间的缝隙流向钻孔底部，一方面气体压力会减小，胶皮套4-1收缩，直径减小，另一方面，流入钻孔底端的气体从胶皮套4-1与钻孔煤壁之间的缝隙携带磨损的煤渣流向孔外，具有排除磨损煤渣的功能。 所述活塞5-4在高压气体作用下到达变径钢管5-5后，在惯性作用下，会继续略微前移；但是，由于气体压力减小，在后置弹簧5-2和前置弹簧5-6的联合作用下，必然会向后移动，并跨过变径钢管5-5的变径段，重新让高压气流完全通过出气孔5-3进入密闭空间，胶皮套4-1重新膨胀，进入下一个周期。

所述胶皮套4-1为圆柱形，两端口收缩，并由端面密封；两端面的中心均设有能够使通气管3穿过的通孔，两端面的外缘沿径向由内向外依次设置环形联接器和圆筒状端头，所述胶皮套4-1的两端包裹在端头的外部并通过卡箍9紧固密封，其中一端头的远端设有内螺纹，与钻杆2螺纹连接；所述钻杆2为麻花钻杆。

所述胶皮套4-1的表面喷洒了钢砂4-2，并用粘结剂粘结牢固；当钻机17通过麻花钻杆13带动其旋转时，钢砂4-2与钻孔煤壁的突出部位相互作用，将其磨损；当升高气体压力，增大胶皮套4的直径，即可增加钻孔煤壁的突出部位的磨损范围，从而获取孔壁光滑的煤层钻孔。

所述钻杆2通过联接器11与电机连接。钻杆2的一端设有外螺纹，另一端设有安装孔12，安装孔12的孔壁设有销孔，通过安装孔12与联接器11插接并用销钉13固定。

所述通气管3由安装在胶皮套4-1内的钢管、设置在钻杆2中心的轴向通气孔以及与钻机1连接的空心联接器11通过密封轴承连接器10首尾连接而成，可防止输入的高压气体泄漏。

所述端头分为前置端头4-5和后置端头4-6，两者均为外径50mm，内径46mm的钢管，前置端头4-5长为100mm，后置端头4-6长200mm；卡箍9的制作材料为不锈钢，型号为KS-K；联接器11的材料为不锈钢，外径46mm，内径16mm，厚10mm。

所述连接器分为前端连接器4-3和后端连接器4-4，均为不锈钢圆环，外径46mm，内径16mm，厚10mm。

所述钻机1通过电缆8连接电源，为其提供电动力，并且通过压风管6连接压风装置，压风管6上设置开关7；在带动钻杆2和其他部件旋转的同时，输入气体，气体的压力和流速可由开关7来调节。

所述联接器11和麻花钻杆2通过销钉13采用销钉联接；联接器11的前端与麻花钻杆2的后端内管采用密封轴承联接器10联接，联接方式均为锥面加密封圈组合联接。

所述钻机1与联接器11采用轴承联接；电缆8与钻机1采用电焊联接，压风管6与钻机1采用螺纹联接，开关7与压风管6采用螺纹联接。

所述后支架5-1和前支架5-7均通过电焊联接固定在通气管3的内腔；后支架5-1和活塞5-4采用后置弹簧5-2联接，联接方式为电焊联接；前支架5-7和活塞5-4采用前置弹簧5-6联接，联接方式为电焊联接；变径钢管5-5的内径比通气管3大，两端的截面规格与通气管3相同，出气孔5-3开凿在通气管3的管壁上。

具体工艺方法如下：首先采用常规方法施工煤层钻孔；退出打钻装备，将本装置送入钻孔，直至胶皮套4-1所在部位到达需要改善孔壁光滑性的位置；接通电缆8的电流，钻机1旋转，并通过麻花钻杆2带动整个装置旋转；启动开关7，高压气体进入通气管3，活塞5-4在变径钢管5-5和常径钢管5-8内周期性往复运移，当活塞5-4位于出气孔5-3和变径钢管5-5之间的常径钢管5-8内时，高压气体进入胶皮套4-1，胶皮套4-1膨胀并与孔壁紧密接触，通过旋转，其外部的钢砂4-2磨损孔壁凸出来煤体；当活塞5-4移动到变径钢管5-5内时，气流通过通气管3进入钻孔前端，胶皮套4-1收缩，气流携带磨损的煤渣从胶皮套4-1与钻孔内壁的间隙涌出。

本实用新型的一个实施例如下：

所述端头分为前置端头4-5和后置端头4-6，两者均为外径50mm，内径46mm的钢管，前置端头4-5长为100mm，后置端头4-6长200mm；卡箍9的制作材料为不锈钢，型号为KS-K；联接器11的材料为不锈钢，外径46mm，内径16mm，厚10mm。

所述胶皮套4-1的制作材料为橡胶，外径70mm，内径64mm，长800mm；钢砂4-2的制作材料为碳化硅，粒径0.1mm；通气管3的钢管段的制作材料为不锈钢，外径16mm，内径12mm，气体流向转换器5将其分为长度分别为600mm和700mm的两段。

所述密封轴承联接器10的制作材料为不锈钢，外径20mm，内径12mm，长5mm；所述钻杆2为空心麻花钻杆，长1000mm，直径52mm；所述销钉13的直径为4mm，长15mm；所述联接器11制作材料为不锈钢，直径46mm，长200mm；所述钻机1为ZM15型煤电钻；所述压风管6为高压胶管，外径30mm，内径26mm，长3000mm；所述开关7为RQZ系列安全切断阀；电缆8的型号为YJV22/ZR-1KV，长3000mm。

所述后支架5-1和前支架5-7的制作材料均为不锈钢，分别由3根不锈钢条焊接而成的锥形结构，每根不锈钢条的直径2mm，长6mm；后置弹簧5-2和前置弹簧5-6均为普通弹簧，弹簧整体粗10mm，长200mm，制作弹簧的钢丝直径为1mm；出气孔5-3的孔径为1mm，活塞5-4的制作材料为乳胶，呈圆柱体形，直径12mm，长40mm。变径钢管5-5的外径20mm，内径16mm，长100mm。

本实用新型的工作过程如下：

首先，在胶皮套4-1的表面喷涂好钢砂4-2，联接、布置好气体流向转换器5的各部件：后支架5-1、后置弹簧5-2、出气孔5-3、活塞5-4、变径钢管5-5、前置弹簧5-6、前支架5-7和常径钢管5-8，并按图1联接各部件：采用卡箍9联接固定胶皮套4-1和前置端头4-5、后置端头4-6；联接气体流向转换器5和通气管3，并放置在胶皮套4-1的内腔，通过前端连接器4-3和后端连接器4-4联接、固定；联接麻花钻杆2和后置端头4-6，并采用密封轴承联接器10联接麻花钻杆2的前端内管与钢管的后端；采用销钉13联接麻花钻杆2的后端和联接器11，采用密封轴承联接器12联接麻花钻杆2的后端内管和联接器11的前端；采用轴承联接钻机1和联接器11，采用电焊联接电缆8和钻机1，采用螺纹联接压风管6和钻机1，采用螺纹联接开关7和压风管6。

启动开关7，测定活塞5-4完全进入变径钢管5-5的最低气体压力和不同气体压力条件下胶皮套4-1的膨胀直径，记录数据，关闭开关7。

采用常规方法施工煤层钻孔，当达到预定深度后，退出打钻装备；将本实用新型的装置送入钻孔，直至胶皮套4-1所在部位到达需要改善孔壁光滑性的位置。

启动开关7，让胶皮套4-1膨胀并与孔壁紧密接触，接通电缆8的电流，钻机1旋转，并通过麻花钻杆2带动整个装置旋转，钢砂4-2与孔壁凸出来煤体相互作用，将其磨损，脱落下来。

通过控制开关7，适当增大气流的压力，让活塞5-4在变径钢管5-5和常径钢管5-8内周期性往复运移，钢砂4-2磨损孔壁凸出来的煤体与气流冲刷磨损下来的煤渣交替进行，既磨损掉孔壁凸出来的煤体，又能及时将其搬运出来。

当输入的气体压力能够使胶皮套4-1的膨胀直径到达所需要的煤层钻孔直径时，不再增大气体压力，让装置在该压力下工作1min；就可以获取一个符合要求的光滑钻孔壁面。

工作结束后，拔出装置；还可以采用钻孔窥视仪检测钻孔不同位置的孔壁壁面粗糙度，对比分析本实用新型装置在提高钻孔壁面光滑性方面的效果。