本發(fā)明屬于煤礦瓦斯抽采鉆孔施工技術領域，尤其涉及一種松軟破碎煤層鉆孔擴孔裝置。

背景技術：

瓦斯抽采技術是礦井瓦斯安全治理的必要保障，受煤層自身因素的影響，安全可靠的瓦斯抽采必須以成孔技術為前提。長久以來，松軟破碎煤層的成孔難是一直制約其瓦斯高效抽取的主要技術難題。目前，瓦斯抽采成孔是利用鉆頭與鉆桿接長來實現鉆孔工作。而松軟破碎煤層具有煤質松軟、滲透性差、瓦斯壓力較大等特點，導致成孔易發(fā)生收縮坍塌，從而引起煤層卡孔卡鉆的問題，使鉆具無法拔出，甚至在抱鉆時破壞鉆具性能。因此需要采取措施對成孔進行保護。傳統(tǒng)的做法是在成孔后下套管，但是在抽出鉆孔設備時會出現煤層坍塌收縮的問題，并且在成孔過程中排屑水流沖刷成孔煤層，破壞煤層結構，也會引起成孔坍塌，這些問題都會導致套管無法下到預想深度，卡孔卡鉆的問題依然會出現。而在發(fā)明專利“鉸鏈型內心可開閉式鉆頭”（CN102704852.A）中，采用一種鉸鏈型內心可開閉式鉆頭，在鉆進后沿鉆桿鉆頭內腔插入套管，鉆進后拔出鉆具依靠套管對成孔進行保護。這種裝置可以做到鉆孔后對成孔進行保護，但是無法解決松軟破碎煤層前鉆后塌的問題。在發(fā)明專利“松軟破碎煤層瓦斯抽采孔跟管鉆進擴孔裝置”（CN103726791.A）以及“松軟破碎煤層瓦斯抽采孔跟管鉆進方法”（CN103726869）中，鉆桿外部連接有可收縮型擴孔刀具，鉆進的同時實現擴孔。擴孔的作用在于下放護管，使用護管對成孔進行保護，避免卡孔卡鉆問題。但是，擴孔刀具的刮刀僅由一個較薄構件構成，剛性較差，加工過程中易出現軸線偏移。并且安裝刮刀的鉆桿內腔尺寸有限，刮刀可活動的行程比較短，伸出刮刀槽的部分較少，導致最終擴孔的尺寸相對鉆進孔的尺寸沒增大多少，進而使護管與鉆桿之間的間隙較小，護管不易下放。而該套工藝采用外排屑，水流攜帶鉆渣沿護管與鉆桿間隙流出，間隙較小會影響排屑的速度，可能出現排屑堵塞的問題。在外排屑方式下，護管用來抽采瓦斯的小孔很容易被鉆渣堵塞，從而影響瓦斯抽采質量。因此，對于軟煤層的鉆進，應著重考慮鉆具、排渣系統(tǒng)以及成孔保護的三個層面，開發(fā)一種新的鉆孔工藝及鉆進系統(tǒng)。

技術實現要素：

本發(fā)明為了解決現有技術中的不足之處，提供一種松軟破碎煤層鉆孔擴孔裝置，其使用管實現防坍塌抽采瓦斯的目的，同時使用全新的排渣系統(tǒng)，從而有效成解決了成孔的問題，提高了鉆進防塌除渣的效率。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案：松軟破碎煤層鉆孔擴孔裝置，包括支架、動力驅動裝置、旋轉密封供水供風裝置、導向支撐架、鉆頭連接件、護孔管、中心回流鉆頭、內排屑鉆桿和集渣容器，護孔管套在內排屑鉆桿外部，護孔管和內排屑鉆桿均設置有若干根，相鄰兩根護孔管之間以及相鄰兩根內排屑鉆桿之間均螺紋連接，護孔管內壁與內排屑鉆桿之間形成環(huán)形通道，以鉆進的方向為由后到前的方向，內排屑鉆桿的后端與集渣容器連接，旋轉密封供水供風裝置的進水進風口與護孔管的后端連接，動力驅動裝置和導向支撐架固定設置在支架上，動力驅動裝置的動力輸出端與內排屑鉆桿傳動連接，內排屑鉆桿穿過并支撐在導向支撐架上，鉆頭連接件同軸向安裝在內排屑鉆桿的前端，中心回流鉆頭后端同軸向安裝在鉆頭連接件的前端部，護孔管的管壁上均布有若干瓦斯排放孔。

中心回流鉆頭包括頭部和桿部，頭部的外徑大于桿部的外徑，頭部的前端面沿圓周方向均勻設置有一圈金剛石鉆孔刀片，桿部內開設有后端敞口的中心回流腔，桿部前端沿圓周方向以及頭部的中心處開設有與中心回流腔連通的回流孔；

鉆頭連接件為圓管狀結構，鉆頭連接件后端內壁設置有與內排屑鉆桿前端外壁螺紋連接的內螺紋，鉆頭連接件外壁由后向前依次為第一圓柱段和第二圓柱段，第二圓柱段的外徑等于桿部的內徑，第一圓柱段的外徑等于桿部的外徑，第二圓柱段與第一圓柱段的連接處具有環(huán)形臺階，第二圓柱段的前部伸入到桿部內，桿部后端與鉆頭連接件之間設置有軸向滑動變徑擴孔機構。

軸向滑動變徑擴孔機構包括壓縮彈簧、前連板和后連板，前連板和后連板均設置有兩個，第一圓柱段的外壁關于第一圓柱段中心線對稱開設有兩個安裝槽，每個安裝槽內均固定設置有一個后連接耳，桿部的后端外壁關于桿部中心線對稱固定設置有兩個前連接耳，兩個后連接耳和兩個前連接耳位于同一平面上，后連接耳與后連板后端鉸接，前連接耳與前連板前端鉸接，同側的后連板前端與前連板后端鉸接，前連板外表面沿前后方向設置有金剛石擴孔刀片，壓縮彈簧套裝在第二圓柱段上，壓縮彈簧前端和后端分別與桿部的后端面和環(huán)形臺階頂壓配合；

鉆頭連接件的第一圓柱段前側與中心回流鉆頭的桿部之間設置有扭矩傳遞及導向結構。

扭矩傳遞及導向結構包括限位柱，桿部關于中心線對稱開設有兩道導向孔，導向孔的長度方向與桿部的中心線平行，第一圓柱段沿徑向方向開設有與兩道導向孔內外對應的螺孔，限位柱螺紋連接在螺孔內，限位柱兩端分別位于導向孔內，限位柱的外徑與導向孔的寬度相等。

采用松軟破碎煤層鉆孔擴孔裝置的鉆孔護孔方法，包括以下步驟：

（1）、在煤層巷道的鉆孔處安裝松軟破碎煤層鉆孔擴孔裝置；

（2）、啟動動力驅動裝置和旋轉密封供水供風裝置，動力驅動裝置驅動內排屑鉆桿，內排屑鉆桿通過鉆桿連接件以及限位柱與導向孔的配合驅動中心回流鉆頭旋轉對指定位置的煤層進行鉆孔，旋轉密封供水供風裝置將高壓水和高壓風沿護孔管內壁與內排屑鉆桿之間形成的環(huán)形通道進入到頭部的金剛石鉆孔刀片處，金剛石鉆孔刀片旋轉切割煤層，切割后煤粉與高壓水混合后水渣混合物通過回流孔進入到中心回流腔內；水渣混合物沿著內排屑鉆桿的內孔排到集渣容器內暫存；

（3）、隨著內排屑鉆桿和中心回流鉆頭由后向前的鉆進，內排屑鉆桿和護孔管均在鉆孔的孔口處進行添加對接，當金剛石鉆孔刀片在旋轉鉆孔作業(yè)遇到較大阻力時，頭部與桿部向后頂壓壓縮彈簧，克服壓縮彈簧的彈力桿部沿第一圓柱段外壁向后移動，導向孔沿限位柱向后移動，前連接耳和后連接耳之間的距離變小，前連板和后連板的鉸接處向外伸出，前連板外表面的金剛石擴孔刀片的旋轉半徑增大，直到導向孔的前端側壁與限位柱頂壓接觸，金剛石擴孔刀片的旋轉半徑達到最大值，金剛石擴孔刀片進一步將鉆孔擴大，護孔管也跟隨同步向前移動，實現護孔作用；

（4）、鉆孔達到預定孔深后，將中心回流鉆頭、內排屑鉆桿后撤一小段距離，中心回流鉆頭在壓縮彈簧的作用下恢復到初始位置，即導向孔的后端側壁與限位柱頂壓接觸，將內排屑鉆桿以及中心回流鉆頭抽出鉆孔外，護孔管留在鉆孔內，可有效避免鉆孔垮孔、塌孔對瓦斯抽放的影響，護孔管上設置的瓦斯排放孔用于煤層內瓦斯的溢出。

采用上述技術方案，內排屑鉆桿內壁與鉆頭連接件內壁直徑相等，連接處內壁光滑利于排渣；由于護孔管的設置，鉆孔內側煤層不會發(fā)生坍塌收縮等問題，不會對鉆具的拔出產生影響，拔出鉆具后，留下的護孔管加工的瓦斯排放孔，利用進行瓦斯抽采工作。

本發(fā)明在進行鉆進擴孔作業(yè)的同時，對鉆孔進行支撐，避免坍塌收縮，影響鉆具的抽出。旋轉密封供水供風裝置的高壓氣流推動水流到達中心回流鉆頭處，水渣通過內排屑鉆桿向外排出。本發(fā)明避免了外排屑水流破外成孔以及拔出鉆頭時鉆頭破壞成孔，可有效地解決松軟破碎煤層中成孔易坍塌收縮及瓦斯不易排出的問題，提高了瓦斯抽采的質量。本發(fā)明提高了瓦斯抽采孔施工的速度，保證施工的安全性，是松軟破碎煤層鉆孔擴孔裝置的創(chuàng)新。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的中心回流鉆頭和內排屑鉆桿在工作狀態(tài)下的結構示意圖；

圖3是本發(fā)明的中心回流鉆頭和內排屑鉆桿在退鉆狀態(tài)下的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明中中心回流鉆頭和鉆頭連接件的外形結構示意圖；

圖5是圖4中鉆頭連接件的俯視圖；

圖6是中心回流鉆頭的軸向剖視圖；

圖7是前連板和后連板的立體結構示意圖。

具體實施方式

如圖1-圖7所示，本發(fā)明的松軟破碎煤層鉆孔擴孔裝置，包括支架1、動力驅動裝置2、旋轉密封供水供風裝置3、導向支撐架4、鉆頭連接件5、護孔管6、中心回流鉆頭7、內排屑鉆桿8和集渣容器9，護孔管6套在內排屑鉆桿8外部，護孔管6和內排屑鉆桿8均設置有若干根，相鄰兩根護孔管6之間以及相鄰兩根內排屑鉆桿8之間均螺紋連接，護孔管6內壁與內排屑鉆桿8之間形成環(huán)形通道10，以鉆進的方向為由后到前的方向，內排屑鉆桿8的后端與集渣容器9連接，旋轉密封供水供風裝置3的進水進風口與護孔管6的后端連接，動力驅動裝置2和導向支撐架4固定設置在支架1上，動力驅動裝置2的動力輸出端與內排屑鉆桿8傳動連接，內排屑鉆桿8穿過并支撐在導向支撐架4上，鉆頭連接件5同軸向安裝在內排屑鉆桿8的前端，中心回流鉆頭7后端同軸向安裝在鉆頭連接件5的前端部，護孔管6的管壁上均布有若干瓦斯排放孔11。

中心回流鉆頭7包括頭部12和桿部13，頭部12的外徑大于桿部13的外徑，頭部12的前端面沿圓周方向均勻設置有一圈金剛石鉆孔刀片14，桿部13內開設有后端敞口的中心回流腔15，桿部13前端沿圓周方向以及頭部12的中心處開設有與中心回流腔15連通的回流孔16；

鉆頭連接件5為圓管狀結構，鉆頭連接件5后端內壁設置有與內排屑鉆桿8前端外壁螺紋連接的內螺紋，鉆頭連接件5外壁由后向前依次為第一圓柱段17和第二圓柱段18，第二圓柱段18的外徑等于桿部13的內徑，第一圓柱段17的外徑等于桿部13的外徑，第二圓柱段18與第一圓柱段17的連接處具有環(huán)形臺階19，第二圓柱段18的前部伸入到桿部13內，桿部13后端與鉆頭連接件5之間設置有軸向滑動變徑擴孔機構。

軸向滑動變徑擴孔機構包括壓縮彈簧20、前連板21和后連板22，前連板21和后連板22均設置有兩個，第一圓柱段17的外壁關于第一圓柱段17中心線對稱開設有兩個安裝槽23，每個安裝槽23內均固定設置有一個后連接耳24，桿部13的后端外壁關于桿部13中心線對稱固定設置有兩個前連接耳25，兩個后連接耳24和兩個前連接耳25位于同一平面上，后連接耳24與后連板22后端鉸接，前連接耳25與前連板21前端鉸接，同側的后連板22前端與前連板21后端鉸接，前連板21外表面沿前后方向設置有金剛石擴孔刀片26，壓縮彈簧20套裝在第二圓柱段18上，壓縮彈簧20前端和后端分別與桿部13的后端面和環(huán)形臺階19頂壓配合；

鉆頭連接件5的第一圓柱段17前側與中心回流鉆頭7的桿部13之間設置有扭矩傳遞及導向結構。

扭矩傳遞及導向結構包括限位柱27，桿部13關于中心線對稱開設有兩道導向孔28，導向孔28的長度方向與桿部13的中心線平行，第一圓柱段17沿徑向方向開設有與兩道導向孔28內外對應的螺孔，限位柱27螺紋連接在螺孔內，限位柱27兩端分別位于導向孔28內，限位柱27的外徑與導向孔28的寬度相等。

本發(fā)明當中的動力驅動裝置2、旋轉密封供水供風裝置3、導向支撐架4和集渣容器9均為現有成熟技術，具體構造不再贅述。

松軟破碎煤層鉆孔擴孔裝置的鉆孔護孔方法，包括以下步驟：

（1）、在煤層巷道的鉆孔處安裝松軟破碎煤層鉆孔擴孔裝置；

（2）、啟動動力驅動裝置2和旋轉密封供水供風裝置3，動力驅動裝置2驅動內排屑鉆桿8，內排屑鉆桿8通過鉆桿連接件以及限位柱27與導向孔28的配合驅動中心回流鉆頭7旋轉對指定位置的煤層29進行鉆孔，旋轉密封供水供風裝置3將高壓水和高壓風沿護孔管6內壁與內排屑鉆桿8之間形成的環(huán)形通道10進入到頭部12的金剛石鉆孔刀片14處，金剛石鉆孔刀片14旋轉切割煤層29，切割后煤粉與高壓水混合后水渣混合物通過回流孔16進入到中心回流腔15內；水渣混合物沿著內排屑鉆桿8的內孔排到集渣容器9內暫存；

（3）、隨著內排屑鉆桿8和中心回流鉆頭7由后向前的鉆進，內排屑鉆桿8和護孔管6均在鉆孔的孔口處進行添加對接，當金剛石鉆孔刀片14在旋轉鉆孔作業(yè)遇到較大阻力時，頭部12與桿部13向后頂壓壓縮彈簧20，克服壓縮彈簧20的彈力桿部13沿第一圓柱段17外壁向后移動，導向孔28沿限位柱27向后移動，前連接耳25和后連接耳24之間的距離變小，前連板21和后連板22的鉸接處向外伸出，前連板21外表面的金剛石擴孔刀片26的旋轉半徑增大，直到導向孔28的前端側壁與限位柱27頂壓接觸，金剛石擴孔刀片26的旋轉半徑達到最大值，金剛石擴孔刀片26進一步將鉆孔擴大，護孔管6也跟隨同步向前移動，實現護孔作用；

（4）、鉆孔達到預定孔深后，將中心回流鉆頭7、內排屑鉆桿8后撤一小段距離，中心回流鉆頭7在壓縮彈簧20的作用下恢復到初始位置，即導向孔28的后端側壁與限位柱27頂壓接觸，將內排屑鉆桿8以及中心回流鉆頭7抽出鉆孔外，護孔管6留在鉆孔內，可有效避免鉆孔垮孔、塌孔對瓦斯抽放的影響，護孔管6上設置的瓦斯排放孔11用于煤層29內瓦斯的溢出。

本實施例并非對本發(fā)明的形狀、材料、結構等作任何形式上的限制，凡是依據本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍。