一种直径可调式钻头及分段扩孔方法与流程

本发明涉及矿用钻头技术领域，尤其是一种直径可调节的钻头和利用该钻头进行分段扩孔的钻孔施工的方法。

背景技术：

煤矿深部开采中，冲击地压防治是保障安全开采的重点。其中，大直径钻孔卸压作为冲击地压防治中重要的技术手段应用非常广泛。大直径钻孔卸压技术中卸压孔的孔径越大，卸压效果越充分，但孔径过大会造成煤体过度破碎，造成巷道支护体系的失效，引起更大的事故。扩孔卸压技术是在煤壁附近钻进小直径钻孔，在应力集中的煤体深处改为大直径钻孔，其中大直径钻孔能够有效降低巷道上方及其周围煤岩体弹性能量的积聚，小直径钻孔则维护了巷道边壁的完整性，进而形成巷道围岩强弱强结构，实现高应力集中区域的安全有效卸压解危。因此需要在钻孔时根据煤壁内的应力集中情况，分段施工不同直径的钻孔来进行有效的卸压。

扩孔卸压技术需要用到扩孔钻头，该类钻头目前主要采用水压或机械方法来进行钻头刀片的扩张。水压式扩孔钻头对水压值要求较高，一般需要附加高压水泵，例如中国专利201220052070.8公开的一种多功能高压旋喷分段扩孔钻头。而机械式扩孔钻头的钻头扩孔部分连接构件较多，结构复杂，耐用性较低，例如中国专利201520668720.5公开的一种可收张式两翼扩孔钻头。现有的钻孔设备一般只能实现一次扩孔直径的需要，钻孔直径第三次改变时需要更换钻头，大大减小了工作效率，增加了劳动成本。因此，针对多孔径高效扩孔的需求，需要对扩孔钻头和分段扩孔方法作进一步的改进。

技术实现要素：

为解决同一钻孔内分段扩孔的技术问题，本发明提供了一种直径可调式钻头，具体技术方案如下。

一种直径可调式钻头，包括钻进机构、孔径调节机构和钻杆机构，其特征在于，所述钻进机构包括外钻筒、钻进刀片、扩孔刀片和弹簧，所述钻进刀片设置在外钻筒端部，所述扩孔刀片和外钻筒的侧壁铰接；所述孔径调节机构包括内钻轴和单向轴承，所述内钻轴设置在外钻筒内部，所述单向轴承固定在外钻筒内壁上，单向轴承的内侧设置有轴承限位销，所述轴承限位销在内钻轴上开设的竖向导轨槽内滑动。

优选的是，钻杆机构包括杆体、端头和螺旋帽，所述端头设置在杆体的两端，所述杆体的一侧设置有螺旋帽。

优选的是，外钻筒内壁上设置有连接限位销，所述连接限位销在内钻轴上开设的圆周导轨槽内滑动。

进一步优选的是，内钻轴上的圆周导轨槽呈阶梯状；所述圆周导轨槽设置在内钻轴的前部，所述内钻轴的后部还设置有刀片限位槽；所述扩孔刀片的连接端在刀片限位槽内滑动。

进一步优选的是，杆体和内钻轴中部设置有注水孔，所述钻进刀片上设置有出水口，所述注水孔和出水口相连通。

更进一步优选的是，内钻轴和钻进刀片之间设置有弹簧；所述外钻筒上设置有扩孔刀片安装槽；所述钻进刀片为单向转动刀片。

还进一步优选的是，杆体两端的端头上设置有对接槽，杆体的一端设置有螺旋帽。

本发明的有益效果包括：

(1)钻头结构采用内钻轴和外钻筒相互配合的连接方式，利用限位槽和轴承连接的方法，具有安装方便操作简单，结构配合稳定耐用的优点；在钻头内设置注水孔，出水口出水能够有效的防止钻头过热。

(2)利用直径可调式钻头进行分段扩孔的钻孔施工时，不需要更换钻头，通过调整钻杆转动，从而改变钻孔直径，提高了钻孔施工的效率，减轻了钻孔施工的劳动强度。

(3)利用直径可调式钻头进行钻孔施工能够满足不同孔径的施工要求，反转调整扩孔钻头的伸展范围，刀片限位槽限定扩孔钻头的位置，在不需要更换钻头的情况下改变钻孔的孔径大小。

附图说明

图1是直径可调式钻头结构的部分剖面结构示意图；

图2是钻杆机构的结构示意图；

图3是内钻轴侧面结构展开图；

图4是扩孔段钻孔施工机构示意图；

图中：1-钻进机构；2-孔径调节机构；3-钻杆机构；11-外钻筒；12-钻进刀片；13-扩孔刀片；14-弹簧；21-内钻轴；22-单向轴承；23-竖向导轨槽；24-圆周导轨槽；25-刀片限位槽；31-杆体；32-端头；33-螺旋帽。

具体实施方式

结合图1至图4所示，本发明提供的一种直径可调式钻头具体实施方式如下。

一种直径可调式钻头，如图1所示，具体包括钻进机构1、孔径调节机构2和钻杆机构3，钻进机构1和孔径调节结构2相互配合，钻杆机构3连接钻机和钻进机构1，利用直径可调式钻头进行钻孔，通过调节钻杆的钻动方向即可调整钻头的钻孔孔径大小，从而达到同钻孔分段扩孔的目的。

钻进机构1包括外钻筒11、钻进刀片12、扩孔刀片13和弹簧14，钻进刀片12设置在外钻筒11的前端部，扩孔刀片13和外钻筒11的侧壁铰接，扩孔刀片13设置在外钻筒11后部。根据需要可以对称布置两个扩孔刀片13，扩孔刀片13的长度为钻孔最大的增加半径。在外钻筒11内壁上设置有连接限位销，连接限位销在内钻轴21上开设的圆周导轨槽24内滑动，圆周导轨槽24呈阶梯状，如图3所示。在内钻轴21和钻进刀片12之间设置有弹簧14，钻进刀片12为单向转动刀片。外钻筒11上设置有扩孔刀片安装槽，非扩孔状态下扩孔刀片13隐藏在扩孔刀片安装槽内，扩孔刀片安装槽的宽度可以等于扩孔刀片13的安装宽度。

孔径调节机构2包括内钻轴21和单向轴承22，内钻轴21设置在外钻筒11内部，单向轴承22固定在外钻筒11内壁上，单向轴承22的内侧设置有轴承限位销，轴承限位销在内钻轴21上开设的竖向导轨槽23内滑动。其中单向轴承22只能相对于外钻筒11反转，当钻杆机构3正转带动单向轴承22转动时单向轴承22和外钻筒11之间不会产生相对转动。内钻轴21上的圆周导轨槽24呈阶梯状，圆周导轨槽24设置在内钻轴21的前部，内钻轴21的后部还设置有刀片限位槽25。扩孔刀片13的连接端在刀片限位槽25内滑动，刀片限位槽25呈阶梯状，刀片限位槽25的形状和圆周导轨槽24的形状是经过精确计算和加工而成的相互对应的形状，其阶梯位置对应一致。刀片限位槽25底面在正向钻进时挤压扩孔刀片13的连接端，扩孔刀片13得以张开，刀片限位槽25顶面限制扩孔刀片最大张开角度。在杆体31和内钻轴21中部设置有注水孔，钻进刀片上设置有出水口，注水孔和出水口相连通，在钻孔过程中通过出水孔出水，对钻进机构1进行冷却。

如图2所示，钻杆机构3包括杆体31、端头32和螺旋帽33。在杆体31两端的端头上设置有对接槽，对接槽保证了连接处不会因为相对转动而脱落，杆体31的一端设置有螺旋帽33，通过螺旋帽33将连接的两个杆体31紧固在一起。

一种分段扩孔方法，如图4所示，利用上述一种直径可调式钻头，具体施工步骤包括：

步骤a.定位钻孔位置，确定钻孔深度。

步骤b.钻进刀片12贴紧煤壁，压缩内钻轴21和钻进刀片12之间的弹簧，反转钻杆机构3带动内钻轴转动，连接限位销在圆周导轨槽24内滑动，单向轴承22转动，轴承限位销沿竖向导轨槽23滑动，扩孔刀片13的连接段进入特定的限位槽。

步骤c.钻杆杆体31带动内钻轴21压缩弹簧14，刀片限位槽25底面推动扩孔刀片张开，刀片限位槽25的顶面限制扩孔刀片13的最大张开角度，同时外钻筒11正转钻进，形成非扩孔段后停止钻进。

步骤d.钻进刀片12贴紧煤壁，由于钻进刀片12为单向转动刀片，所以钻进刀片12在内钻轴21反转时外钻筒11与煤壁相对固定，反转钻杆机构3带动内钻轴21转动，调整扩孔刀片13连接端在刀片限位槽25内的位置。

步骤e.正转钻杆机构3带动外钻筒11正转钻进，由于单向轴承22的设置，所以内钻轴21带动外钻筒11上的扩孔刀片13正转，形成扩孔段。

步骤f.重复步骤b～步骤e，形成分段扩孔的钻孔。

步骤g.停止钻进，取出钻头，扩孔刀片13收回至扩孔刀片安装槽。

利用直径可调式钻头进行分段扩孔的钻孔施工时，不需要更换钻头，通过调整钻机正转和反转，从而改变钻孔直径，提高了钻孔施工的效率，减轻了钻孔施工的劳动强度。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。