一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具及其钻扩孔方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具及其钻扩孔方法。
【背景技术】
[0002]注楽(Inject1n Grout),又称为灌楽(Grouting)，是矿山、水利水电、交通、建筑等工程领域岩土体加固防渗及地质灾害治理等常用的技术手段。它是将具有充填胶结性能的材料按照一定的比例配置成浆液，并运用注浆设备由注浆管将其注入地层(岩土体)中，浆液以渗透、充填、劈裂、挤密等方式在岩土体中扩散，随着浆液的凝结、硬化，在地层的空隙中形成结构较完整、防水抗渗性能高且化学稳定性好的“结石体”或“胶凝体”，同时还可将原本松散的土粒或裂隙等胶结为一个整体，以达到加固受注地层或防渗堵漏的目的。对于注浆、锚杆/锚索、钻孔灌注粧等的施工，以及天然气水合物、油页岩、页岩气、石油/天然气、地下水等的勘探或开采而言，通常采取的工艺流程的第一步都是按要求钻成一定规格的钻孔，从而为后续向岩土体中注入浆液、插入锚杆/锚索、下放钢筋笼浇筑成粧，或是下入相适宜的勘探或开采装备等做准备。
[0003]在钻进成孔的过程中，传统采用的钻具及钻孔方法多为采用一个钻头进行的钻孔作业，这只能钻成一个孔径与钻头规格一致的单一钻孔。有时可能会因一些不可预见的因素(例如孔壁不稳定导致的钻孔缩径、坍塌等)，或是由于甲方临时更改钻孔设计要求，为了满足甲方提出的钻孔设计要求，需要对先前已钻成的小径钻孔进行扩孔以增大其孔径，以便下放更大孔径的注浆管具或其它设备等，此时按照常规的做法，就只能更换一个大口径的钻头自地表向下重新扫孔或采用扩孔器进行扩孔以使钻孔达到所要求的孔径；前者，更换一个大口径的钻头自地表向下重新扫孔的方法不能充分发挥新钻头的效能，因为此时更换的新钻头在扫孔的过程中仅是钻头圆周外圈与岩土体接触的部分进行钻进时切削破碎岩土体，而未与岩土体接触的钻头圆周内圈部分从头至尾始终没有发挥作用，直至使用该新钻头完成扫孔工作后钻头圆周外圈部分已报废时，该钻头的圆周内圈部分仍然未曾使用过，这无疑会造成新钻头的浪费；后者，采用扩孔器对先前已钻成的小径钻孔进行扩孔时，虽然可以增大先前已钻成小径钻孔的孔径，但扩孔器能够完成扩孔的深度一般最大仅为先前已钻成小径钻孔的孔深，在完成扩孔作业后，若想进一步加深先前已钻成的小径钻孔，则需提钻将扩孔器重新更换成尺寸适宜的钻头后再将钻具下放至孔底接着向下钻进，这一过程无疑是费时费力的，不仅增加了提钻与更换钻头的辅助时间，同时也降低了钻扩孔施工的作业效率。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具及其钻扩孔方法，解决现有技术的不足。
[0005]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具，其包括孕镶金刚石钻头、过渡接头、多级扩孔器、冲击器；所述多级扩孔器的一端与所述过渡接头的一端之间通过螺纹密封连接，所述多级扩孔器的另一端与所述冲击器的一端之间通过螺纹密封连接；所述孕镶金刚石钻头设置在所述过渡接头远离所述多级扩孔器的一端；所述多级扩孔器包括钻头本体、切削环；所述钻头本体内部设有贯通整个所述钻头本体的中心通道；所述切削环设为多级，多级所述切削环设置在所述钻头本体的中部，且多级所述切削环的切削直径沿扩孔钻进的方向递减；每级所述切削环由沿所述钻头本体的周向均匀布设的多个切削单元组成。
[0006]本发明的有益效果是:利用本发明在岩土体中能够同时实施钻孔与扩孔两项施工作业程序。可以同时实现扭力冲击器联合多级扩孔器与孕镶金刚石钻头的高效回转切削碎岩方式下的钻扩孔施工作业，或液动冲击器联合多级扩孔器与孕镶金刚石钻头的冲击回转碎岩方式下的钻扩孔施工作业；此外，还能同时利用从若干个仿生喷嘴与超前喷嘴出口高速(大于40m/s)喷出的高压(大于1MPa)射流分别辅助多级扩孔器与孕镶金刚石钻头进行超前(预)冲蚀破碎孔壁周遭及孔底的岩土体。
[0007]进一步:每级所述切削环中相邻的所述切削单元之间设有用于将所述钻头本体内部以正循环方式不断循环着的有压浆液排出的倾斜状的贯通孔；至少有一个所述贯通孔的出口端嵌固有仿生喷嘴。
[0008]进一步:还包括超前喷嘴；所述过渡接头内部设有与所述钻头本体的中心通道相连通的中心浆液通道；所述超前喷嘴的一端与位于所述中心浆液通道中部内壁面上的螺纹密封连接，所述超前喷嘴的另一端伸入所述孕镶金刚石钻头的中心通孔中。
[0009]进一步:所述中心浆液通道的中部设有用于所述超前喷嘴与所述过渡接头中部内壁面上的螺纹装配时限制所述超前喷嘴拧扣位置的限位台阶。
[0010]进一步:所述超前喷嘴的超前喷嘴出口的孔径比所述仿生喷嘴的仿生喷嘴出口的孔径小5至20_。
[0011]进一步:所述切削单元包括切削具、钢体和孕镶金刚石条；所述钢体固定在所述钻头本体外侧的圆周面上；所述切削具嵌固于所述钢体上；所述孕镶金刚石条设置在所述钢体的外侧。
[0012]进一步:多级所述切削环为靠近所述冲击器的二级切削环和靠近所述过渡接头的一级切削环；所述一级切削环与所述二级切削环之间相距20至70cm。
[0013]进一步:所述仿生喷嘴与所述贯通孔一体成型，或所述仿生喷嘴通过螺纹、焊接或过盈配合的固定方式嵌固于所述贯通孔的出口端处。
[0014]进一步:所述贯通孔的轴线与所述钻头本体的轴线之间的夹角为30°至60°。
[0015]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具的钻扩孔方法，使用上述嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具时，需要向所述嵌固仿生喷嘴的钻扩一体式钻具内提供以正循环方式不断循环着的有压浆液；所述浆液采用低固相或无固相泥浆。
【附图说明】
[0016]图1-1为连接扭力冲击器时钻扩一体式钻具整体的三维模型示意图；
[0017]图1-2为连接液动冲击器时钻扩一体式钻具整体的三维模型示意图；
[0018]图2-1为连接扭力冲击器时钻扩一体式钻具各部件分离开来的三维模型示意图；
[0019]图2-2为连接液动冲击器时钻扩一体式钻具各部件分离开来的三维模型示意图；
[0020]图3-1为多级扩孔器主体部分的三维模型轴测示意图；
[0021]图3-2为多级扩孔器主体部分的三维模型正视图；
[0022]图3-3为多级扩孔器主体部分的三维模型剖视图；
[0023]图4-1为仿生喷嘴的三维模型轴测示意图；
[0024]图4-2为仿生喷嘴的三维模型剖视图；
[0025]图5为仿生喷嘴嵌固在多级扩孔器主体部分上后组成完整的多级扩孔器三维模型轴测示意图；
[0026]图6-1为过渡接头与超前喷嘴装配在一起后的三维模型轴测示意图