一种自旋转射流自进割缝钻头的制作方法

本发明涉及钻孔内水射流割缝的技术领域，尤其涉及一种适用于煤矿井下瓦斯抽采领域的自旋转射流自进割缝钻头。

背景技术：

目前煤矿井下在预抽瓦斯时，为提高煤储层透气性，经常会采用高压水射流技术通过高压水射流的能量高度集中，对岩层实施高效率的破岩与切割。

现有技术中公开了一种钻孔内水射流割缝装置(专利号zl201720916011.3)，采用液压坑道钻机输出旋转力矩和推进力，通过钻杆带动割缝装置进行旋转切割及进给，实现对煤层及岩石的切割以及排渣；存在的问题如下，(1)利用钻机提供轴向推力，利用刚性钻具作为高压射流液体通道，需要接、卸钻杆，施工过程复杂，效率低下；(2)受单根钻具长度限制，无法实现任意位置割缝；(3)在作业过程中，割缝装置的旋转是通过钻杆转动实现的，其转速不容易控制，操作麻烦而且费时费力，此外，钻杆的转动将与孔壁及周边杂质发生摩擦，将产生了大量的扭矩消耗，造成了能源的浪费。现有技术中公开了一种钻孔内水射流割缝装置(专利号zl201520478360.2)，采用了一种旋转式水力割缝喷嘴，利用水射流反作用原理，改进钻杆转动方式为旋转喷嘴方式实现割缝装置的旋转；存在的问题是，进给方式仍采用液压坑道钻机输出推进力，通过钻杆实现，需要接、卸钻杆，施工过程复杂，效率低下。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种自旋转射流自进割缝钻头，用以解决现有技术中存在的需要接卸钻具，施工过程复杂，效率低下，无法实现任意位置割缝，转速不容易控制和能量消耗大的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种自旋转射流自进割缝钻头，包括旋转体以及安装在旋转体前端的旋转喷头；旋转体后端活动式装配在一个固定外壳中，旋转体外部套设有可在旋转体外部移动的割缝控制外壳；所述的旋转喷头上设置有割缝喷孔、清障喷孔，通过割缝控制外壳的移动以露出或遮挡割缝喷孔；

所述的固定外壳及旋转体中开设有流体通道，流体通道前端与所述的旋转喷头连接，后端连接接口；固定外壳上设置有与流体通道连通的推进喷孔。

进一步地，所述的固定外壳前端开设有内径大于旋转体外径的装配腔，旋转体穿过所述的装配腔；所述的割缝控制外壳后端连接有套在旋转体外部的滑筒，滑筒的后端装配在所述的装配腔中；

所述的滑筒后端与装配腔之间形成有液腔，通过向所述的液腔中引入高压流体，使高压流体推动滑筒带动割缝控制外壳向前运动，以露出割缝喷孔。

进一步地，所述的旋转体外壁上靠近装配腔后端的位置开设有与所述流体通道连通的孔道，通过孔道将所述的流体通道内的高压液体引入所述的液腔中。

进一步地，所述的旋转体外壁上设置有第一限位环，所述的滑筒后端内壁上设置有第二限位环，位于第一限位环、第二限位环之间设置有用于使割缝控制外壳复位的弹簧，弹簧套在所述的旋转体上。

进一步地，所述的旋转喷头内部开设有与所述的流体通道连通的导流腔，所述的割缝喷孔沿圆周方向分布在旋转喷头上，割缝喷孔的轴向偏置于旋转体的轴向；割缝喷孔的一端与导流腔连通，另一端穿出旋转喷头；

所述的割缝控制外壳包括前壳体以及后壳体，前壳体以及后壳体之间形成用于使割缝喷孔中的流体射出的割缝射流通道，所述的前壳体以及后壳体之间通过分布于割缝射流通道内的连接柱连接。

进一步地，所述的固定外壳包括前端外壳以及可拆卸地设置在前端外壳后端的后端接头，其中，前端外壳的后端开设有第一凹槽，后端接头的前端开设有第二凹槽，第一凹槽、第二凹槽拼合形成一个转槽；

所述的旋转体包括旋转轴以及套设在旋转轴后端的旋转套，旋转套装配于所述的转槽中。

进一步地，所述的流体通道包括沿轴向开设在旋转轴内的第一通道，以及沿轴向开设在后端接头内的第二通道，第一通道、第二通道同轴贯连，所述的接口开设在后端接头的后端，接口与所述的第二通道连接。

进一步地，所述的推进喷孔倾斜指向固定外壳的后端，所述的清障喷孔开设在旋转喷头的前端。

进一步地，所述的装配腔内壁上沿轴向开设有卡位槽，所述的滑筒外壁上设置有与所述卡位槽配合的卡位轴。

进一步地，所述的前端外壳中，位于所述旋转体周围分布有阻尼滚轮。

本发明与现有技术相比具有以下技术效果：

1.自旋转射流自进割缝钻头利用高压泵提供高压液体，采用连续高压管作为作业管柱，通过高压水射流提供清障、自进、旋转割缝的动力，高压管可直接使用绞车进行放出和收回，无需接、卸钻具，可以实现任意位置割缝，施工过程简单，效率高。

2.自旋转射流转速可控，避免了钻杆的转动与孔壁及周边杂质摩擦，降低了能源的浪费，使用喷嘴射流可控设计，避免提前割缝，整个过程施工工艺简单、易于操作、劳动强度降低、实现了经济高效。

附图说明

图1为本发明的自旋转射流自进割缝钻头割缝喷孔处于遮挡状态的侧视图；

图2为本发明割缝喷孔处于遮挡状态的局部剖面图；

图3为本发明割缝喷孔处于未遮挡状态的侧视图；

图4为本发明割缝喷孔处于未遮挡状态局部剖面图；

图5为割缝控制外壳与旋转体结构局部剖面图。

图中标号代表：1—旋转喷头，1-1—清障喷孔，1-2—割缝喷孔，1-3—导流腔，2—割缝控制外壳，2-1—割缝射流通道，2-2—前壳体，2-3—滑筒，2-4—卡位轴，2-5—第二限位环，2-6—连接柱，2-7—后壳体，3—固定外壳，3-1—前端外壳，3-2—第一限位环，3-3—弹簧，3-4—孔道，3-5—推进喷孔，3-6—接口，3-7—卡位槽，3-8—阻尼滚轮，3-9—联通孔，3-10—泄流孔，3-11—后端接头，3-12—装配腔，4—旋转体，4-1—旋转轴，4-2—旋转套，5—液腔，6—流体通道，7—流体。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明公开了一种自旋转射流自进割缝钻头，包括旋转体4以及安装在旋转体4前端的旋转喷头1；旋转体4后端活动式装配在一个固定外壳3中，旋转体4外部套设有可在旋转体4外部移动的割缝控制外壳2；所述的旋转喷头1上设置有割缝喷孔1-2、清障喷孔1-1，通过割缝控制外壳2的移动以露出或遮挡割缝喷孔1-2；

所述的固定外壳3及旋转体4中开设有流体通道6，流体通道6前端与所述的旋转喷头1连接，后端连接接口3-6；固定外壳3上设置有与流体通道6连通的推进喷孔3-5。

本发明的割缝钻头上的割缝喷孔1-2用于在达到预定位置时进行割缝，而所述的割缝控制外壳2则用于控制割缝喷孔1-2是否工作。本方案中通过流体为钻头提供行进动力，以及旋转体4的旋转动力，同时流体还被用于通过割缝喷孔1-2喷出以进行切割；所述的旋转体4为柱形体。需要进行割缝时，通过割缝控制外壳2的移动，使割缝喷孔1-2露出，这样割缝喷孔1-2喷出的流体可对孔壁进行切割；而在钻头行进时或无需切割时，则利用割缝控制外壳2对割缝喷孔1-2喷出的流体进行遮挡，如图2所示，从而使得本装置能有效避免提前割缝的问题。所述的旋转喷头1上的清障喷孔1-1，位于旋转喷头1的前端，主要用于在行进时进行清障。

割缝钻头的流体通道6后端设置有接口3-6，本发明的钻头在使用时，利用高压泵通过连续高压管连接在本装置的接口上，以提供流体；流体通过流体通道6流入旋转体4中，最后通过旋转喷头1中的喷孔1-1、割缝喷孔1-2和固定外壳3中的推进喷孔3-5喷出；其中推进喷孔3-5喷出的流体促使割缝钻头在钻孔中向前行进，而割缝喷孔1-2喷出的流体则促使旋转喷头1进行自转，自转的同时实现切割。

可选的，所述的固定外壳3前端开设有内径大于旋转体4外径的装配腔3-12，旋转体4穿过所述的装配腔3-12；所述的割缝控制外壳2后端连接有套在旋转体4外部的滑筒2-3，滑筒2-3的后端装配在所述的装配腔3-12中；

所述的滑筒2-3后端与装配腔3-12之间形成有液腔5，通过向所述的液腔5中引入高压流体，使高压流体推动滑筒2-3带动割缝控制外壳2向前运动，以露出割缝喷孔1-2。

所述的装配腔3-12为开设在固定外壳3前端的圆形凹腔，用以装配所述的割缝控制外壳2。具体地，割缝控制外壳2后端连接有滑筒2-3，该滑筒2-3是一个套在旋转体4外部的圆筒，其外径与所述的装配腔3-12的内径相仿，二者之间采用滑动配合的方式。由于滑筒2-3与装配腔3-12之间采用滑动式的连接方式，因此，滑筒2-3与装配腔3-12之间就形成了一个大小可变的液腔5。本装置在使用时，通过对割缝控制外壳2位置的调节来实现割缝作业，该位置调节则是通过高压流体来实现的。即，当向液腔5中引入高压流体时，高压流体充斥液腔5后，将使液腔5的空间变大，促使滑筒2-3向前推动，滑筒2-3移动时，带动割缝控制外壳2向前运动，从而实现对割缝喷孔1-2的露出。

可选地，一种具体的高压流体的引入方式为：

所述的旋转体4外壁上靠近装配腔3-12后端的位置开设有与所述流体通道6连通的孔道3-4，通过孔道3-4将所述的流体通道6内的高压液体引入所述的液腔5中。

本方案对流体通道内的流体进行充分有效地利用，使得流体不仅能用于推进喷孔3-5、进行割缝作业，而且还可以对割缝控制外壳2的位置进行调整，无需外加其他动力源。具体地，本方案中在旋转体4外壁上开设有孔道3-4，该孔道3-4为流体通道6内的流体进入液腔5提供了通道。当流体通道6内通入高压流体时，高压流体通过孔道3-4进入到液腔5中，推动滑筒2-3移动，以调整割缝控制外壳2的位置。由于旋转体4在工作状态下处于旋转状态，因此孔道3-4在旋转体4外壁上沿圆周方向分布多个，以便于高压流体进入到液腔5中。孔道3-4开设位置靠近所述装配腔3-12的后端，使得当滑筒2-3与装配腔3-12后端接触时，高压流体也能进入到液腔5中。

为了使在非割缝状态下，割缝控制外壳2能对割缝喷孔1-2进行有效遮挡，本方案中设置了弹簧3-3结构；弹簧3-3结构在起到限定割缝控制外壳2的位置的同时，也能在割缝完毕后对割缝控制外壳2进行复位。

所述的旋转体4外壁上设置有第一限位环3-2，所述的滑筒2-3后端内壁上设置有第二限位环2-5，位于第一限位环3-2、第二限位环2-5之间设置有用于使割缝控制外壳2复位的弹簧3-3，弹簧3-3套在所述的旋转体4上。

弹簧3-3的设置，促使滑筒2-3保持与装配腔3-12后端的接触，此时割缝喷孔1-2处于被遮挡状态。在割缝钻头正常行进而无需切割时，可在流体通道6内通入低压流体，由于弹簧3-3的弹力作用，使得低压流体的压力不足以推动滑筒2-3移动，即低压流体不能进入或只有少量进入到液腔5中。当到达设定位置需要进行割缝时，固定割缝钻头，然后向流体通道6内通入高压流体，高压流体的压力克服弹簧3-3的弹力，使得高压流体进入到液腔5中，推动割缝控制外壳2移动，使得割缝喷孔1-2露出；流体通道6内的高压流体同时通过割缝喷孔1-2喷出，以进行旋转切割。切割完毕后，再次通入低压流体，则由于压力变小，在弹簧3-3弹力作用下，割缝控制外壳2复位。

弹簧3-3的设计主要考虑高压流体的液压力大于弹簧3-3的弹力，其中液压力＝液压面积*射流压力，弹簧力＝弹簧的弹力系数*弹簧缩短长度。

所述的旋转喷头1内部开设有与所述的流体通道6连通的导流腔1-3，所述的割缝喷孔1-2沿圆周方向分布在旋转喷头1上，割缝喷孔1-2的轴向偏置于旋转体4的轴向；割缝喷孔1-2的一端与导流腔1-3连通，另一端穿出旋转喷头1。

所述的旋转喷头1内部具有一个空心的导流腔1-3，分别与所述的割缝喷孔1-2和清障喷孔1-1连通。割缝喷孔1-2在圆周方向上分布于旋转喷头1上，其轴向偏置于旋转体4的轴向，例如与旋转体4径向之间的夹角为3°-10°；优选地，割缝喷孔1-2的直径为1.2-2mm。割缝喷孔1-2的轴向倾斜于旋转体4的轴向设置的目的是，通过割缝喷孔1-2射出流体的反冲力因偏心而产生的反冲力矩带动旋转体4进行旋转。

割缝控制外壳2的结构如图1、图2所示。

所述的割缝控制外壳2包括前壳体2-2以及后壳体2-7，前壳体2-2以及后壳体2-7之间形成用于使割缝喷孔1-2中的流体射出的割缝射流通道2-1，所述的前壳体2-2以及后壳体2-7之间通过分布于割缝射流通道2-1内的连接柱2-6连接。

所述的割缝控制外壳2为一个无前端面的空心壳体，由前壳体2-2以及后壳体2-7构成，其中后壳体2-7连接滑筒2-3的前端；前壳体2-2、后壳体2-7之间通过连接柱2-6连接，二者之间的缝隙即形成了所述的割缝射流通道2-1；割缝控制外壳2在向前移动时，所述的割缝射流通道2-1也向前移动，当割缝射流通道2-1位于割缝喷孔1-2所在位置的外部时，割缝喷孔1-2内的高压流体即可通过割缝射流通道2-1射出，以进行割缝作业。

如图2所示，所述的固定外壳3包括前端外壳3-1以及可拆卸地设置在前端外壳3-1后端的后端接头3-11，其中，前端外壳3-1的后端开设有第一凹槽，后端接头3-11的前端开设有第二凹槽，第一凹槽、第二凹槽拼合形成一个转槽；

所述的旋转体4包括旋转轴4-1以及套设在旋转轴4-1后端的旋转套4-2，旋转套4-2装配于所述的转槽中。

本方案中，所述的旋转体4由旋转轴4-1和旋转套4-2构成，其中旋转轴4-1为一个圆柱轴，旋转套4-2为固定在旋转轴4-1后端上的圆形套。前端外壳3-1与后端接头3-11之间形成了一个圆形的转槽，用以装配旋转套4-2。旋转体4进行自转时，旋转套4-2在转槽中旋转，以限定旋转体4的轴向位置。前端外壳3-1与后端接头3-11采用可拆卸的连接方式，例如二者采用螺纹配合结构，以便于对旋转体4的装配和更换。

优选地，所述的前端外壳3中，位于所述旋转体4周围分布有阻尼滚轮3-8。

本方案中，优选地，第一凹槽侧面设置有滚轮槽，其中装配阻尼滚轮3-8，阻尼滚轮3-8与旋转体4中旋转轴4-1的表面接触。阻尼滚轮3-8用于实现限速的作用，防止转速过快，导致射流雾化，影响射流效果；同时前端外壳3-1与旋转体4及后端接头3-11之间采用微窄间隙密封，可实现旋转体4在前端外壳3-1内和后端接头3-11前端之间自由旋转和高压水密封。

优选地，旋转套4-2上设置有联通孔3-9，如图2所示，联通孔3-9倾斜于旋转体4的轴向，即联通孔3-9在旋转套4-2上倾斜设置。由于间隙密封的存在，高压流体通过联通孔3-9将会产生作用于截面积的向后的轴向力，用于抵消高压流体产生的向前轴向力，实现旋转体4的受力平衡，固定外壳3允许一定量的泄漏量经固定外壳3-1上的泄流孔3-10排出，如图2所示，泄流孔3-10开设在前端外壳3-1侧壁上，泄流孔3-10的端部与前端外壳3-1、后端接头3-11的接缝处连接。

进一步地，所述的流体通道6包括沿轴向开设在旋转轴4-1内的第一通道，以及沿轴向开设在后端接头3-11内的第二通道，第一通道、第二通道同轴贯连，在后端接头3-11的后端开设有与所述第二通道连接的接口3-6，接口3-6的作用是用来连接高压管，接口3-6与高压管通过螺纹连接。

如图1至图4所示，所述的推进喷孔3-5倾斜指向固定外壳3的后端，例如，推进喷孔3-5与所述流体通道6轴向之间的夹角范围是10°-25°，直径为0.8-1mm；所述的清障喷孔1-1开设在旋转喷头1的前端，与所述流体通道6轴向之间的夹角范围是5-25度，直径为0.8-1mm。

优选地，所述的装配腔3-12内壁上沿轴向开设有卡位槽3-7，所述的滑筒2-3外壁上设置有与所述卡位槽3-7配合的卡位轴2-4。

本方案中，固定外壳3前端设置的卡位槽3-7与割缝控制外壳2的卡位轴2-4相匹配，在安装时先将割缝控制外壳2装入固定外壳3的前端外壳3-1内，使割缝控制外壳2的卡位轴2-4与固定外壳3的卡位槽3-7匹配，用于限制旋转体4旋转过程中割缝控制外壳2跟随旋转。

本发明的工作过程为：

本发明在工作时通过连续高压管送入地层中，割缝钻头在钻孔内有两种状态：割缝钻头处于前进状态，割缝钻头处于割缝状态。

当割缝钻头在钻孔内处于前进状态时，采用小流量、低压力流体施工，流量为20-100l/min，压力为5-20mpa，此时割缝控制外壳2在弹簧3-3的作用力下使割缝喷孔1-2处于遮挡割缝状态，割缝喷孔1-2位于图1位置，这种状态下，有利于避免在非设计割缝位置提前割缝导致形成台阶不利于割缝钻头退出的问题，高压泵通过连续高压管给割缝钻头提供流体，通过流体通道6流入固定外壳3中，再流入旋转体4中，最后通过旋转喷头1中的清障喷孔1-1、割缝喷孔1-2和固定外壳3中的推进喷孔3-5喷出，其中清障喷孔1-1主要用于钻孔内前端清障，割缝喷孔1-2由于割缝控制外壳2遮挡射流在割缝控制外壳2上，推进喷孔3-5利用高压水流喷射产生的反作用力推动割缝钻头前进，推进喷孔3-5的设置可以在保证有效推进力的同时，减小高压水射流对高压管的损伤。在图1至图5中，标号7表示从推进喷孔3-5、割缝喷孔1-2、清障喷孔1-1射出的流体。

当割缝钻头到达钻孔内设计割缝位置时，采用大流量、高压力流体施工，流量为100-300l/min，压力为20-70mpa，此时高压流体通过旋转体4上的孔道3-4进入液腔5，液压力大于弹簧3-3弹力，割缝控制外壳2在液压作用下克服弹簧3-3的弹力，推动割缝控制外壳2向前，高压流体从割缝射流通道2-1喷出，割缝喷孔1-2处于割缝状态，割缝喷孔1-2位于图3位置，由于割缝喷孔1-2斜置于旋转喷头1上，这样可以使喷头1在射流反冲力因偏心而产生的反冲力矩实现自动旋转，射流进行割缝，割出一定直径和宽度的缝隙。当到达设计割缝位置后，采用大流量、高压力流体时，流体会从推进喷孔3-5处喷出，会产生向前的推动力，但此时会通过绞车系统拉住高压管，保证在设计割缝位置固定进行割缝。