煤岩两用液动锤钻头
技术领域
本发明涉及钻具领域，具体涉及一种煤岩两用液动锤钻头。
背景技术
目前，采用液动锤冲击钻进特别在硬岩和超硬岩的钻进效率是回转钻进的2倍以上，所以是硬岩钻孔施工的常用手段。但采用液动锤施工硬岩时，往往会遇到煤层等软夹层，而液动锤目前采用的球齿钻头镶嵌的硬质合金球齿针无法有效破碎软岩。因此在钻遇煤层前，需要退钻更换PDC钻头，增加了很多辅助作业时间，无法满足一孔一套钻具实现钻进，严重制约着瓦斯抽排放等钻孔的施工速度。
为此，需要一种新型的煤岩两用液动锤钻头，用以解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本技术方案的煤岩两用液动锤钻头，针对伴有软夹层的硬岩或超硬地层中钻孔施工时存在的效率低等问题。本发明提供一种煤岩两用液动锤钻头，能够实现硬岩冲击碎岩为主、软岩回转碎岩为辅的穿层孔超硬岩快速钻进工艺。当采用液动冲击钻遇软岩或煤层时，钻头切换到回转切削的工作模式实现软岩钻进，从而避免了退钻更换钻具，降低了辅助时间，能有效的提高钻孔施工效率。
一种煤岩两用液动锤钻头，包括沿轴向布置的花键杆体、设置于花键杆体上的用于分离花键杆体的分离机构、设置于花键杆体端部的钻头机构以及设置于钻头机构内并可沿钻头机构轴向方向往复运动的切削机构；所述钻头机构包括与花键杆体固定连接设置的钻头体以及设置于钻头体内的水力换向组件。
进一步，所述花键杆体整体为中空结构，花键杆体端部设置有花键定位台阶；所述钻头体固定抵持设置于花键定位台阶。
进一步，所述水力换向组件包括设置于钻头体内并可沿着钻头体轴向方向往复运动的阀体、设置于阀体内的阀芯、设置于阀体端部的外弹簧以及设置于阀体与阀芯之间的内弹簧；所述钻头体内部设置有钻头内台阶，所述外弹簧一端外套于阀体端部且外弹簧另一端安装于钻头内台阶。
进一步，所述阀体内部形成安装阀芯的阀体腔，所述阀体沿轴向方向依次包括大径段、小径段以及螺纹连接段；所述大径段在同一径向方向形成阀体腔内环槽和大径段外环槽；所述阀体腔内环槽和大径段外环槽上连通设置有多个大径通孔；所述小径段上设置有连通阀体腔内的小径段通孔；所述大径段外表面上设置有径向槽。
进一步，所述阀芯设置有阀芯台阶，所述内弹簧一端抵持于阀芯，内弹簧另一端安装于阀体腔端部；所述阀芯内部设置有阀芯轴向通孔，阀芯径向方向设置有用于连通大径通孔的阀芯大径向通孔。
进一步，所述螺纹连接段设置有连通阀体腔的导流孔，所述阀体腔内设置有对阀芯轴向限位的弹性挡圈。
进一步，所述分离机构包括外套于花键杆体的花键套、滑动设置于花键杆体上并用于与花键杆体之间形成液压腔的滑套以及设置于滑套和花键杆体之间的格莱圈；所述花键杆体上设置有用于连通液压腔的液压通道，所述滑套用于推动花键套轴向运动。
进一步，所述切削机构包括设置于钻头体上并可沿钻头体轴向运动的滑动翼片和设置于滑动翼片端部的复合刀片；所述滑动翼片包括刀片安装部和垂直于刀片安装部的支脚，所述支脚为两个且连个支脚相互平行设置，所述支脚端部设置有用于与螺纹连接段固定连接的内螺纹结构。
进一步，所述钻头体上设置有多个球齿，所述钻头内台阶上设置有安装滑动翼片的安装孔，所述钻头内台阶上还设置有多个水流孔。
本发明的有益效果是：
本技术方案的煤岩两用液动锤钻头具有冲击和切削两种功能，在硬岩钻进时启用冲击模式,冲击齿接触岩石进行碎岩，软岩或煤层钻进时启用切削模式。较好地实现硬岩冲击碎岩为主、软岩回转碎岩为辅的穿层孔超硬岩快速钻进工艺。当采用液动冲击钻遇软岩或煤层时，钻头切换到回转切削的工作模式实现软岩钻进，从而避免了退钻更换钻具，降低了辅助时间，能有效的提高钻孔施工效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明煤岩两用液动锤钻头结构示意图；
图2为本发明阀体结构示意图；
图3为本发明钻头体半剖结构示意图；
图4为本发明滑动翼片结构示意图。
附图标记：
花键杆体1；花键套2；滑套3；阀芯4；阀体5；内弹簧6；外弹簧7；钻头体8；滑动翼片9；复合刀片10；球齿11；弹性挡圈12；格莱圈13；液压腔301；花键定位台阶101；阀芯轴向通孔401；大径通孔501；大径段外环槽502；径向槽503；小径段通孔504；导流孔505；钻头内台阶801；翼片限位滑台802；刀片安装部901；支脚902。
具体实施方式
图1为本发明煤岩两用液动锤钻头结构示意图；图2为本发明阀体结构示意图；图3为本发明钻头体半剖结构示意图；图4为本发明滑动翼片结构示意图；如图所示，一种煤岩两用液动锤钻头，包括沿轴向布置的花键杆体1、设置于花键杆体1上的用于分离花键杆体的分离机构、设置于花键杆体端部的钻头机构以及设置于钻头机构内并可沿钻头机构轴向方向往复运动的切削机构；所述钻头机构包括与花键杆体1固定连接设置的钻头体8以及设置于钻头体8内的水力换向组件。本专利所述煤岩两用液动锤钻头具有冲击和切削两种功能，在硬岩钻进时启用冲击模式,冲击齿接触岩石进行碎岩，软岩或煤层钻进时启用切削模式。较好地实现硬岩冲击碎岩为主、软岩回转碎岩为辅的穿层孔超硬岩快速钻进工艺。当采用液动冲击钻遇软岩或煤层时，钻头切换到回转切削的工作模式实现软岩钻进，从而避免了退钻更换钻具，降低了辅助时间，能有效的提高钻孔施工效率。
本实施例中，所述花键杆体1整体为中空结构，花键杆体1端部设置有花键定位台阶101；所述钻头体8固定抵持设置于花键定位台阶101。花键杆体1外表面加工设置有花键体，用于与花键套2配合使用，液动锤配合花键杆体1和花键套2实现对钻杆的动力输出，花键杆体1为中空结构便于水流通过，在花键杆体1端部设置有花键定位台阶101，定位台阶内壁加工有螺纹结构，钻头体8端部也设置有外螺纹结构，钻头体8和花键杆体1配合固定连接设置。
本实施例中，所述水力换向组件包括设置于钻头体8内并可沿着钻头体8轴向方向(即图1中水平方向)往复运动的阀体5、设置于阀体5内的阀芯4、设置于阀体5端部的外弹簧7以及设置于阀体5与阀芯4之间的内弹簧6；所述钻头体8内部设置有钻头内台阶801，所述外弹簧7一端外套于阀体5端部且外弹簧7另一端安装于钻头内台阶801。钻头体8内部形成有阀体腔结构，用于安装阀体组件，阀体5和阀芯4可以在钻头体8阀体腔内部沿着轴线方向往复运动，阀体5和阀芯4截面均为“凸”字型结构，内弹簧6以及外弹簧7的均外套设置于两个部件的端部，内部水压的大小决定阀体5和阀芯4的运动以及位置状态。
本实施例中，所述阀体5内部形成安装阀芯的阀体腔，所述阀体5沿轴向方向依次包括大径段、小径段以及螺纹连接段；所述大径段在同一径向方向形成阀体腔内环槽和大径段外环槽502；所述阀体腔内环槽和大径段外环槽502上连通设置有多个大径通孔501；所述小径段上设置有连通阀体腔内的小径段通孔504；所述大径段外表面上设置有径向槽503。阀体5沿轴线方向依次形成三个直径不同的段，在大径段上设置有内环槽和大径段外环槽502，大径通孔501连通阀体5的内外，加工内环槽和大径段外环槽502不仅便于安装定位，同时还利于大径通孔501的加工设置，径向槽503的设置起到引流的作用，便于大径通孔501内的水流流出后引流到小径段，小径段上也设置有连通阀座5内外的小径段通孔504，螺纹连接段外表面设置有螺纹，便于与滑动翼片9配合安装。
本实施例中，所述阀芯4设置有阀芯台阶，所述内弹簧6一端抵持于阀芯，内弹簧另一端安装于阀体腔端部；所述阀芯内部设置有阀芯轴向通孔401，阀芯径向方向设置有用于连通大径通孔的阀芯大径向通孔。阀芯径向方向也设置有用于连通小径段通孔504的阀芯小径向通孔，通过内弹簧6的设置，内部水压驱动阀芯4轴向运动，进而可以实现阀芯4于阀体5上径向通孔的相互配合，阀芯轴向通孔401的内径较小，阀芯轴向通孔401的确保杆体轴向方向水流流通。
本实施例中，所述螺纹连接段设置有连通阀体腔的导流孔505，所述阀体腔内设置有对阀芯轴向限位的弹性挡圈12。弹性挡圈12的设置便于实现对阀芯4的轴向限位。
本实施例中，所述分离机构包括外套于花键杆体1的花键套2、滑动设置于花键杆体1上并用于与花键杆体1之间形成液压腔301的滑套3以及设置于滑套3和花键杆体1之间的格莱圈13；所述花键杆体1上设置有用于连通液压腔301的液压通道，所述滑套3用于推动花键套2轴向运动。滑套3右端设置于花键杆体1的台阶处，当花键杆体1内部水压达到一定数值时，液压腔301的水压增大，进而驱动滑套3向左运动，滑套3带动花键套2向左运动，进而使花键杆体1端部与冲击器活塞分离，使冲击器处于空打状态。
本实施例中，所述切削机构包括设置于钻头体8上并可沿钻头体8轴向运动的滑动翼片9和设置于滑动翼片9端部的复合刀片10；所述滑动翼片9包括刀片安装部901和垂直于刀片安装部901的支脚902，所述支脚902为两个且连个支脚902相互平行设置，所述支脚902端部设置有用于与螺纹连接段固定连接的内螺纹结构。钻头体8端部设置有翼片限位滑台802，滑动翼片9整体呈T字型结构，支脚902之间与翼片限位滑台802适形配合安装使用，便于滑动翼片9在钻头体8内滑动，支脚902端部呈弧形结构，内表面设置有螺纹结构以及支脚定位台阶，便于支脚902与阀体5的螺纹连接段配合安装。
本实施例中，所述钻头体8上设置有多个球齿，所述钻头内台阶上(即钻头内台阶801到钻头端面)设置有安装滑动翼片的安装孔，所述钻头内台阶801上还设置有多个水流孔。水流孔用于将内部的水流进行导流，水流最后流到钻头端部，用作钻头端部切削或冲击时的冷却和排渣作用。
本发明所使用钻孔工艺，按如下步骤进行：
将冲击器通过螺纹接到花键杆体1端部，拧入煤岩两用液动锤钻头，启动钻机并通水，调节流量控制阀，使冲击器内水维持低压态，此时，冲击器处于冲击模式，球齿11接触硬岩，以冲击破岩方式钻进；当钻头内水压处于低压态时，阀芯4端部水压小于内弹簧6的弹簧力，即水流主要由阀芯4的阀芯大径向通孔、阀座5大径段外环槽502处的大径通孔501以及径向槽503、钻头体8腔体及钻头体上水流孔形成的通道流出钻头，此时，阀座5在弹簧7的弹簧压力作用下，使阀座5紧压花键杆体1的花键定位台阶101，切削头处于缩回钻头体沟槽内的状态，球齿11与孔底岩体接触，此时，钻头处于冲击模式，进行冲击破岩钻进。
当钻进过程中，发现给进压力小，但冲击进程缓慢时，调节流量控制阀，在水力隔离机构的作用下，花键杆体1端部与冲击器活塞分离，使冲击器处于空打状态，此时，滑动翼片9在水力换向阀机构的作用下被推出钻头体8，即钻头进入切削模式，通过钻头切削破碎煤岩方式钻进；钻头内水压处于高压态，水压克服内弹簧6的弹簧力，阀芯4滑向阀座5的内台肩面处，阀芯4的阀芯大径向通孔与阀座5的大径通孔501错位，低压水流通道被切断，阀座5在高压水的作用下压缩外弹簧7，直至贴合钻头体8的钻头内台阶801，此时，与阀座5固连的滑动翼片9被推出钻头体8，钻头处于切削模式，与此同时，水流经过阀芯4的阀芯轴向通孔401、小径段通孔504、阀座5的导流孔505、最后从钻头体上水流孔流出钻头。在两种模式下相互切换钻进，直至完孔。
该发明有以下特征：
1、该钻头与液动锤配套使用，具有冲击和切削两种功能，在硬岩钻进时启用冲击模式,冲击齿接触岩石进行碎岩，软岩或煤层钻进时启用切削模式，切削齿接触岩石进行切削碎岩。
2、冲击模式和切削模式的切换依靠钻头内置水力切换机构来实现。冲击模式时，冲击器正常工作并将冲击能传递给钻头体8，这时钻头体8冲击齿接触岩石进行冲击碎岩；当钻遇软岩或煤层时，将钻头提离孔底，并调大钻进流量使水力切换机构动作，这时钻头内部腔体将切换至高压状态，推动复合刀片10出露于钻头表面起主要切削碎岩作用。
3、切削模式启动的同时，液动锤处于空打状态。
4、冲击模式时，钻头体内腔处于低压状态，液动锤进入冲击工作状态。
5、钻头体的水最后流到钻头端部的，用作钻头端部切削或冲击时的冷却和排渣作用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
