一种水平定向钻机用集束式扩孔气动冲击设备的制作方法

本发明涉及一种水平定向钻机用集束式扩孔气动冲击设备，具体涉及到一种可以在岩石、卵砾石等复杂地层中扩孔铺管的集束式气动冲击设备。

背景技术：

地下管线是城市基础设施的重要组成部分，它包括给水、排水、燃气、热力、电力、工业管道等几大类。由于对地面建筑的保护和施工效率的要求，越来越多的城市地下管线铺设采用水平定向钻进技术。水平定向钻进技术是采用在地表的钻孔设备，以相对于地面较小的入射角钻入底层中，形成先导孔，然后将先导孔孔径逐级扩大到所需要的大小，并铺设管路的一种技术。水平定向钻机施工地质层主要包括两大类：软土层和复杂地层。

对于软土层的水平定向钻机非开挖铺管施工，由于地层硬度较低，发展历程较长，目前导向和扩孔施工设备发展较为完善的。对于导向孔，一般采用造斜钻头即可实现。扩孔施工，目前有翼状、螺旋状和者凹槽状等钻头，这类钻头型号齐全，施工效率高，通过选用不同直径的钻头逐级扩孔，即能够实现软土层中大直径管线扩孔要求。

对于岩石、卵砾石等复杂地层的水平定向钻机非开挖铺管施工，由于技术难度较大，研究较少，施工时出现不少难题。其中导向孔钻进的技术难题，由英国保路捷公司和我国中联重科将气动冲击锤引入导向孔钻进施工，将其有效地解决。第二步针对岩石、卵砾石等复杂地层中的扩孔施工，中国专利：CN 101666211A，设计了一种反向扩孔气动冲击器，通过高压气体，推动内部活塞运动，冲击钻头带动反向扩孔气动冲击器，能够有效的实现导向孔的扩孔。其优点是：在岩石、卵砾石等复杂地层中扩孔效率高，结构简单工作可靠。

随着经济的持续发展、人口的迅速增长以及城市化进程的不断加快，地下管线的直径要求也越来越大，对大直径扩孔设备的需求日益迫切。而通过增加反向扩孔气动冲击器的直径来增加岩石、卵砾石等复杂地层中扩孔线路的直径，将表现出如下不足：

（1）制造大直径的反向扩孔气动冲击器加工工艺要求高、制造难度大、制造成本高，并且容易出现加工质量问题

（2）大直径的反向扩孔气动冲击器体积大，质量重，水平定向钻机非开挖施工时回拖力无法满足大直径反向扩孔气动冲击器的铺管回拖要求。对于带动其旋转运动的钻杆也需要承受更大了扭矩，即需要增大钻杆的直径来保证其旋转。同时需要功率更大的空气压缩机提供足够的气压，才能保证其正常工作。

（3）由于直径大，反向扩孔气动冲击器各部分零件结构笨重，一旦施工中出现问题，必须整体拆卸维修，即耽误施工进度又需要高额的维修费用。

考虑到采用单个大直径反向扩孔气动冲击器在岩石、卵砾石等复杂地层中施工的上述不足，设计一种采用三个或者三个以上的反向扩孔冲击器集束在一起，组合成大直径的扩孔气动设备。由于反向扩孔气动冲击器钻头与气缸为螺纹紧固连接。数个反向扩孔气动冲击器集束在一起成为一个整体后，各钻头无法单独相对运动，失去了其独立性，无法达到破岩目的。需要选用一种气动冲击器，集束后单个钻头仍然能够独立工作。现有一种被公知的气动冲击器（如科学出版社出版的《中国采矿设备手册-上册》第一章66页至68页发表的）冲击器。该冲击器由带有硬质合金钻齿32的冲击钻头31、气缸30和螺纹接头29组成。该冲击器的冲击钻头31能够相对于气缸滑动，数个该冲击器集束成为一个整体时，每个冲钻头31能够不受影响，继续单独工作，达到破岩的目的，该发明采用此冲击器进行集束。

技术实现要素：

水平定向钻机用集束式扩孔气动冲击设备是一种岩石、卵砾石等复杂地层中大直径扩孔用气动冲击设备，它由支架体、安装在支架体上的气动冲击器、分气装置、端盖和钻杆连接装置等设备组成。其工作步骤为：首先，水平定向钻机通过钻杆中心孔路，向集束式扩孔气动冲击设备提供高压气体；其次，高压气体通过其支架体内部气路和分气装置进入到各气动冲击器，推动气动冲击器内部活塞高速运动，并撞击将能量传递到冲击钻头；最后，冲击钻头产生滑动，并冲击破碎岩石，完成扩孔。

所述支架体为带有中心杆的圆筒形结构，圆筒两侧板上分别开有3个定位圆孔，用于安装3个气动冲击器，中心杆内部开有气流通路，其主要作用是气体通道和传递钻杆拉力。圆筒左侧板通过螺纹连接与分气装置相连，右侧板上安装有钻杆连接装置。

所述冲击器的接头上开有圆柱形螺纹，3个所述的冲击器，分别穿过支架体左右两侧板的3个定位圆孔，接头部分通过螺母固定在支架体左侧板上，同时插入带有密封环的分气装置内。

所述分气装置中心开有阶梯圆孔，内部均匀分布3条通气孔路为冲击器提供高压气体，安装在支架体上时，支架体中心杆穿过阶梯圆孔，并通过螺母和密封垫圈紧固。所述分气装置外围通过16个沿圆周均匀分布的螺钉与支架体相连接。

所述端盖通过密封垫及8个沿圆周均匀分布的螺钉安装在分气装置上，使得分气装置内部形成密封气腔。

所述钻杆连接装置通过6个沿圆周均匀分布的螺钉安装在支架体的右侧板中心，其内部开有螺纹结构，与水平定向钻机的钻杆相连接。

采用上述技术方案的集束式扩孔气动冲击设备有以下特点：

（1）集束式扩孔气动冲击设备采用由数个小直径的冲击器捆绑式构成，其结构合理，制造工艺简单、设备重量较轻、安装维护方便。

（2）能够有效的解决岩石、卵砾石等复杂地层中大直径（>Ф500mm）扩孔难的问题，同时还能够实现高效扩孔施工。

（3）钻杆连接装置采用密封环和螺纹结构,方便集束式扩孔气动冲击设备施工时与水平定向钻机钻杆快速连接，提高了施工效率，并增加了设备的密封性。

（4）集束式扩孔气动冲击设备重量较轻，无须更换大直径钻杆和大功率回拖设备，能够节约施工成本。

下面结合附图和实施例对发明专利进一步说明。

附图说明：

图1为本发明集束式扩孔气动冲击设备的剖视图；

图2是图1所示集束式扩孔气动冲击设备的左视图；

图3是图1所示集束式扩孔气动冲击设备的右视图；

图4是图1所示集束式扩孔气动冲击设备与钻杆和管线连接示意图；

图5是现有公开技术的潜孔锤冲击器示意图；

图6、图7、图8、图9为水平定向钻机使用本发明集束式扩孔气动冲击设备的施工方法步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明作进一步说明。

参见图1、图2、图3和图4，支架体20左端与分气装置5，右端与钻杆连接装置15都通过螺栓连接。在支架体上安装有三个气动冲击器19。

支架体20由壳体10、左侧板7、右侧板11和中心杆8构成。左侧板7和右侧板11上分别开有三个均匀分布的定位圆孔，用于安装冲击器19。中心杆8的内部开有气路9，最左端为拖管器连接孔1。

分气装置5一端与支架体20通过螺钉6和螺母4连接，另一端通过螺钉连接安装有端盖3。分气装置5上钻有三条均匀分布的气路24，中心为阶梯孔结构。安装完毕后分气装置5，端盖3和支架体中心杆8形成了气腔27。由于分气装置5内部气路需要保证密封性，在连接处分别安装密封垫圈25、23、4，用于减少空气的压力损失，保证设备的工作效率和可靠性。

钻杆连接装置15为中间开有通孔的阶梯形圆柱体，通过螺钉12安装在支架体20右侧板11的中心。钻杆连接装置15的中心通孔上攻有内螺纹13，方便非开挖施工时直接与水平定向钻机的钻杆连接。为了保证密封性，连接口处安装有密封垫圈14。

冲击器19的接头21为带螺纹的圆柱体，三个冲击器19分别插入支架体20的左侧板7和右侧板11后，借助螺母22与支架体20侧板上的定位孔连接定位。圆柱体接头21的端部插入分气装置5的密封垫圈23部位，并借助分气装置5的螺母4和螺钉6压紧。

集束式扩孔气动冲击设备扩孔施工时，一端通过钻杆连接装置15与水平定向钻机钻杆35螺纹连接，另一端与拖管器34通过铰链连接，拖管器连接待铺设管路33。

参见图6、图7、图8、图9。

上述集束式扩孔气动冲击设备的施工方法具体步骤如下：

1）带有动力头37、供气系统39、中空圆柱形钻杆35的水平定向钻机38，行进到施工位置在钻杆35的另一端安装有导向钻36，完成导向孔的钻进。

2）将钻杆35一端的导向钻36换成反向扩孔气动冲击器40，水平定向钻机38回拖钻杆35，同时通过钻杆35中空孔路向反向扩孔气动冲击器40提供高压气体，完成第一次扩孔施工。

3）将反向扩孔气动冲击器40换成集束式扩孔气动冲击设备41，再将集束式扩孔气动冲击设备41两端都与钻杆35连接。水平定向钻机38回拖钻杆35，并提供高压气体给集束式扩孔气动冲击设备41，完成孔路直径扩大。

4）最后将集束式扩孔气动冲击设备41，钻头端与钻杆35连接，另一端连接管道33。水平定向钻机38再次回拖钻杆35，完成管路的铺设。