一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头结构的使用方法
技术领域
本发明涉及煤矿开采或者金属矿山开采可变径棱锥型钻孔卸压领域，具体涉及一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头结构的使用方法。
背景技术
与浅部开采相比，深部开采煤岩体所处应力环境更为复杂，受高应力、强开采扰动及复杂地质构造的作用，冲击地压发生的频率和强度明显增加。目前对冲击地压的研究取得了丰富的研究成果，但由于地下岩体自身的“不透明”性及其所处的应力环境不确定性，冲击地压仍是煤矿科技工作者面临的棘手难题。
针对上述问题，众多学者在冲击地压综合防治当前的研究取得了长足的进展，为煤炭的安全开采提供保障。钻孔卸压技术针对煤矿冲击地压防治的一种有效的局部性主动解危措施可以避免高应力集中和改善煤岩体介质性质以减弱积聚弹性能的能力。在煤体或岩体中的钻孔卸压法因具有效率高、成本低、卸压效果好等优点受到煤矿企业的青睐。
然而现有的卸压装置在现场使用中仍存在一定的不足，主要表现在卸压装置中的钻头刚性不足、稳定性不高；不能对粉尘进行干式排出，造成排粉效率不高；钻头结构设计单一无法满足复杂岩体卸压需要。同时，原有连接前进式全自动可控变径卸压连杆的钻头有效排粉空间较低，无法实现有效的干式排粉。因此，研发一种既能保证钻孔内干式排粉又能针对复杂岩体结构多变的卸压钻头成为现阶段亟需解决的问题。
现有技术相关研究报道主要有：
CN204060516U公开了一种干式内排粉钻头，主要采用钻头体上的排粉孔实现干粉的排出，该装置的钻头体为圆柱形，在岩体内钻头体平行于岩壁，无法形成有效的排粉空间，因此该钻头的排粉效率较低，同时该钻头无法应用于前进式全自动可控变径卸压连杆中。
CN108979549B公开了一种干式内排粉钻头，主要采用螺旋切削刀和通孔实现干粉的排出，该钻头端头无法满足对岩石破碎的需要，会造成大块岩体堵塞钻孔，使其仅适用于软岩岩体中的钻进，同时螺旋切削刀强度较低，造成钻头稳定性差。
综上所述，现有技术中的试验装置还没有实现针对复杂岩体可以改变钻头结构的问题，也没有解决快速排粉、快速钻进的问题，因此，本领域相关研究人员致力于开发一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头结构的使用方法，该钻头结构能够在在高压气体作用下，钻进过程中在目标区域能够实现快速排粉、快速钻进；针对不同岩体环境，结合煤体或岩体抗拉强度进一步选择性的改变自身构造，进而加速卸压钻孔的快速排粉和钻进。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头结构的使用方法，所述的钻头结构包括从前往后依次连接的破碎排气截齿部、可装卸截齿部和螺旋排粉端盖部；
所述的破碎排气截齿部包括破碎排气截齿主体，在所述的破碎排气截齿主体上分别设置有轴向破碎齿、径向截齿一和导气孔，所述的径向截齿一呈三棱柱形态分布在所述的破碎排气截齿主体的外围，所述的轴向破碎齿位于所述的破碎排气截齿主体的前端，所述的导气孔位于所述的破碎排气截齿主体的中心位置；
所述的可装卸截齿部是由若干组可装卸截齿单体依次连接而成，其中，每组可装卸截齿单体包括可装卸截齿主体，在所述的可装卸截齿主体上设置有径向截齿二，所述的径向截齿二呈三棱柱形态分布在所述的可装卸截齿主体的外围，在所述的可装卸截齿主体上设置有排气孔；
所述的螺旋排粉端盖部包括螺旋排粉端盖主体，在所述的螺旋排粉端盖主体上设置有螺旋排粉槽和进气孔，所述的螺旋排粉槽由呈逆时针排列的钢片螺旋排列而成，所述的进气孔位于所述的螺旋排粉端盖主体的中心位置，在所述的螺旋排粉端盖主体的末端设置有螺纹，通过所述的螺纹与卸压连杆连接在一起；
所述的使用方法包括以下步骤：
a、可装卸截齿单体数量的确定
依据待卸压岩体的物理力学性质确定可装卸截齿单体的数目：
当岩体的抗拉强度≤3MPa时，可装卸截齿部选用6个所述的可装卸截齿单体；
当3MPa＜岩体的抗拉强度≤6MPa时，可装卸截齿部选用5个所述的可装卸截齿单体；
当6MPa＜岩体的抗拉强度≤9MPa时，可装卸截齿部选用4个所述的可装卸截齿单体；
当9MPa＜岩体的抗拉强度≤12MPa时，可装卸截齿部选用3个所述的可装卸截齿单体；
当岩体的抗拉强度＞12MPa时，可装卸截齿部选用2个所述的可装卸截齿单体；
b、卸压目标区域的确定，依据煤矿实际地质条件，选取需要进行局部卸压处理的施工地点，确定距卸压钻孔距离巷道帮部或煤壁的距离为0.5～3倍的距离；
c、气压的选用，依据钻孔与水平的角度确定气体的压强，当钻孔与水平的夹角位于θ～90°时，气压大于0.5MPa，当钻孔与水平的夹角位于-90°～θ时，气压小于等于0.5MPa；
d、现场施工，在进行局部卸压处理的施工地点，依次将钻头结构、卸压连杆通过钻杆连接于钻机之上，开启钻机向目标区域钻进，在达到目标区域后，利用钻机缓慢收回相关装置。
作为本发明的一个优选方案，所述的卸压连杆包括卸压连杆主体、扩径切割头、固定刀头、支撑扩径杆、滑动连接楔、触发活塞、弹簧、滑动固定板及限位器；
所述的卸压连杆主体整体呈圆柱形，在所述的卸压连杆主体上设置两个凹槽分别作为连接楔轨道和固定板轨道，所述的滑动固定板位于所述的固定板轨道内，所述的滑动连接楔位于所述的连接楔轨道内，二者均可在各自的轨道内相对滑动；所述的的卸压连杆主体内部设置有水/气连通管和活塞腔，所述的活塞腔位于所述卸压连杆主体的中央，所述的水/气连通管位于卸压连杆主体的两侧，在所述的固定板轨道的上方间隔均匀的布置有若干限位孔，所述的连接楔轨道与所述的活塞腔连通；
在所述卸压连杆主体的两侧对称设置一组所述的扩径切割头、一组所述的支撑扩径杆及一组所述的固定杆，其中，每个扩径切割头的前端活动连接在所述的滑动固定板上，后端活动连接在与其同侧的固定刀头的前端，与其同侧的固定刀头的尾端活动连接在所述的卸压连杆主体上；
每个支撑扩径杆的前端活动连接在与其同侧的固定刀头上，其后端均活动连接在所述的滑动连接楔上，所述的滑动连接楔紧贴于所述触发活塞的一侧，所述的触发活塞位于所述的活塞腔内，并与所述的弹簧连接，所述的限位器布置在所述的限位孔内。
作为本发明的另一个优选方案，所述的可装卸截齿单体设置有3～6组，在所述的可装卸截齿主体的端部设置有螺纹，相邻的可装卸截齿单体之间通过螺纹连接。
进一步优选，所述的径向截齿一、径向截齿二的材质均为硬质合金，所述的钢片的材质也为硬质合金。
进一步优选，所述的破碎排气截齿部、可装卸截齿部和螺旋排粉端盖部依次通过螺纹连接在一起。
进一步的，所述的破碎排气截齿主体的最大直径为90mm，所述的可装卸截齿主体的最小直径为100mm，所述的可装卸截齿主体的最大直径为150mm，所述的螺旋排粉槽的最大外径为135mm。
进一步的，相邻的径向截齿一之间的夹角为120°，相邻的径向截齿二之间的夹角为120°。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
本发明提出了一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头结构的使用方法，钻头结构包括从前往后依次连接的破碎排气截齿部、可装卸截齿部和螺旋排粉端盖部，其中，将破碎排气截齿部设置在钻头主体的最前端，且破碎排气截齿部包括破碎排气截齿主体，在破碎排气截齿主体上分别设置有轴向破碎齿、径向截齿一和导气孔，通过轴向破碎齿、径向截齿一相互配合，对岩石破碎程度高，呈三棱柱形状的径向截齿一更有利于岩石的破碎，且提高了钻进速度；可装卸截齿部由多组可装卸截齿单体连接而成，可装卸截齿单体的具体数量由煤体或岩体的物理力学性质决定，主要取决于岩体的抗拉强度，每组可装卸截齿单体包括可装卸截齿主体，在可装卸截齿主体上设置有径向截齿二，径向截齿二呈三棱柱形态分布在所述的可装卸截齿主体的外围，径向截齿二的设计与分布对岩石破碎程度高，而且可装卸截齿单体的具体数量根据岩石的抗拉强度可以合理选择。再结合螺旋排粉端盖部可实现快速排粉。
本发明钻头结构可实现钻进全过程排粉，使得钻孔碎屑可以有效排出钻孔，防止钻孔堵塞的发生，提高施工效率。
本发明钻头结构岩石破碎程度较高，防止大块岩体阻碍钻头的钻进，提高了钻进速度。
本发明钻头结构针对不同岩性的岩体，依据岩石抗拉强度，合理选择截齿数目，定量化控制施工参数，对复杂的地质力学环境有较强的适应性。
本发明钻头结构与前进式全自动可控变径卸压连杆可以实现完美的对接，辅助完成对煤体或岩体的局部卸压。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头结构与卸压连杆的装配示意图；
图2为本发明钻头结构的立体图；
图3为本发明钻头结构的平面图；
图4为本发明可装卸截齿单体的平面图；
图5为本发明多组可装卸截齿单体的装配图；
图6为本发明螺旋排粉端盖部的平面图；
图中：
1-排粉卸压钻头；2-卸压连杆；11-破碎排气截齿部；12-可装卸截齿部；13-螺旋排粉端盖部；111-轴向破碎齿；112-径向截齿一；113-导气孔；121-径向截齿二；122-螺纹；123-排气孔；131-螺旋排粉槽；132-连接螺纹；133-进气孔。
具体实施方式
本发明提出了一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头结构的使用方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
如图1所示，本发明一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头结构，与其配套使用的卸压连杆2，采用申请号为2019110514381中同样结构的卸压连杆，包括卸压连杆主体、扩径切割头、固定刀头、支撑扩径杆、滑动连接楔、触发活塞、弹簧、滑动固定板及限位器；卸压连杆主体整体呈圆柱形，在卸压连杆主体上设置两个凹槽分别作为连接楔轨道和固定板轨道，滑动固定板位于固定板轨道内，滑动连接楔位于连接楔轨道内，二者均可在各自的轨道内相对滑动；卸压连杆主体内部设置有水/气连通管和活塞腔，活塞腔位于卸压连杆主体的中央，水/气连通管位于卸压连杆主体的两侧，在固定板轨道的上方间隔均匀的布置有若干限位孔，连接楔轨道与活塞腔连通；
在卸压连杆主体的两侧对称设置一组扩径切割头、一组支撑扩径杆及一组固定杆，其中，每个扩径切割头的前端活动连接在滑动固定板上，后端活动连接在与其同侧的固定刀头的前端，与其同侧的固定刀头的尾端活动连接在卸压连杆主体上；
每个支撑扩径杆的前端活动连接在与其同侧的固定刀头上，其后端均活动连接在滑动连接楔上，滑动连接楔紧贴于触发活塞的一侧，触发活塞位于活塞腔内，并与弹簧连接，限位器布置在限位孔内。
结合图2和图3所示，本发明主要创新点在于对排粉卸压钻头1进行改进，其具体结构包括破碎排气截齿部11、可装卸截齿部12和螺旋排粉端盖部13，其中，破碎排气截齿部11位于装置的最前端，可装卸截齿部12通过螺纹连接在破碎排气截齿部11的尾端，具体的螺纹连接方式如在破碎排气截齿部的尾端设置外螺纹，在可装卸截齿部的端部设置内螺纹，二者对接并通过外螺纹与内螺纹匹配连接在一起。螺旋排粉端盖部13位于可装卸截齿部12的尾端，二者也通过螺纹连接在一起。
破碎排气截齿部包括破碎排气截齿主体，破碎排气截齿主体为一空心圆柱体，在破碎排气截齿主体上分别设置有轴向破碎齿111、径向截齿一112和导气孔113，其中，径向截齿一设置有三个，其均匀分布在破碎排气截齿主体的外围，相邻的径向截齿之间的夹角优选为120度，三个径向截齿一112呈三棱柱形态分布在破碎排气截齿主体的外围，轴向破碎齿111位于破碎排气截齿主体的前端，导气孔113位于破碎排气截齿主体的中心位置，轴向破碎截齿111的作用是将钻头正前方的岩石破碎，便于钻头在固定轨道上钻进，径向截齿一设置为三棱柱形态，与以往的钻头结构相比，呈现镂空分布的特征，具有为破碎岩体提供大量运动空间，便于破碎岩体或岩粉排出；
导气孔的作用是在钻头前端提供高压气体，将破碎排气截齿部11和可装卸截齿部12内部的破碎岩体或岩粉排挤到螺旋排粉端盖部13，方便破碎岩体或岩粉快速排出；
结合图4和图5所示，可装卸截齿部是由若干组可装卸截齿单体依次连接而成，可装卸截齿单体具体的数量由煤体或岩体的物理力学性质决定，主要取决于岩体的抗拉强度，如优选3～6个可装卸截齿单体，相邻的可装卸截齿单体之间通过螺纹122连接。
每组可装卸截齿单体包括可装卸截齿主体，可装卸截齿主体为一空心圆柱体，在可装卸截齿主体上设置有径向截齿二121，径向截齿二121呈三棱柱形态分布在可装卸截齿主体的外围，径向截齿二的作用是将钻头径向岩石破碎，便于钻头在围岩中扩径前进，与现有的钻头相比，这部分的结构这样设计的好处是既能保证钻孔内干式快速排粉又能针对复杂岩体实现卸压钻头的结构多变：在可装卸截齿主体上设置有排气孔123，排气孔123的作用是在钻头径向区域内提供高压气体，将破碎岩体或岩粉排挤到螺旋排粉端盖部13，方便破碎岩体或岩粉快速排出。
如图6所示，螺旋排粉端盖部包括螺旋排粉端盖主体，在螺旋排粉端盖主体上设置有螺旋排粉槽131和进气孔133，螺旋排粉槽131由呈逆时针排列的钢片螺旋排列而成，螺旋排粉槽131的结构这样设计的好处在于为破碎岩体或岩粉提供导向槽，避免了沿粉的堆积和堵塞，实现了快速排粉。
进气孔位于螺旋排粉端盖主体的中心位置，在螺旋排粉端盖主体的末端设置有连接螺纹132，通过该连接螺纹132与上述的卸压连杆连接在一起。
本发明优选，破碎排气截齿主体的最大直径为90mm，可装卸截齿主体的最小直径为100mm，可装卸截齿主体的最大直径为150mm，螺旋排粉槽的最大外径为135mm。
本发明进一步优选，相邻的径向截齿一之间的夹角为120°，相邻的径向截齿二之间的夹角为120°，径向截齿二121的宽度为40mm。
下面对本发明一种前进式全自动可控变径卸压连杆钻头结构的使用方法做详细说明。
上述的前进式全自动可控变径卸压连杆钻头结构的使用方法，具体包括以下步骤：
a、可装卸截齿单体数量的确定
依据待卸压岩体的物理力学性质确定可装卸截齿单体的数目：
当岩体的抗拉强度≤3MPa时，可装卸截齿部选用6个所述的可装卸截齿单体；
当3MPa＜岩体的抗拉强度≤6MPa时，可装卸截齿部选用5个所述的可装卸截齿单体；
当6MPa＜岩体的抗拉强度≤9MPa时，可装卸截齿部选用4个所述的可装卸截齿单体；
当9MPa＜岩体的抗拉强度≤12MPa时，可装卸截齿部选用3个所述的可装卸截齿单体；
当岩体的抗拉强度＞12MPa时，可装卸截齿部选用2个所述的可装卸截齿单体；
b、卸压目标区域的确定，依据煤矿实际地质条件，选取需要进行局部卸压处理的施工地点，确定距卸压钻孔距离巷道帮部或煤壁的距离为0.5～3倍的距离；
c、气压的选用，依据钻孔与水平的角度确定气体的压强，当钻孔与水平的夹角位于θ～90°时，气压大于0.5MPa，当钻孔与水平的夹角位于-90°～θ时，气压小于等于0.5MPa；
d、现场施工，在进行局部卸压处理的施工地点，依次将排粉卸压钻头、卸压连杆通过钻杆连接于钻机之上，开启钻机向目标区域钻进，在达到目标区域后，利用钻机缓慢收回相关装置。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。
尽管本文中较多的使用了诸如排粉卸压钻头、卸压连杆、破碎排气截齿部、可装卸截齿部等术语，但并不排除使用其它术语的可能性，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
