技术摘要：
一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具及其扩孔方法，扩孔刀可旋转地安装在中空圆柱轴的前侧，以中空圆柱轴的横向中心线为界，扩孔刀后端外壁的一侧设置弧形卡齿，扩孔刀后端外壁的另一侧设置卡槽，卡头的顶端贯穿卡位装置后与卡槽相适配；在钻具主体后部的管道中设置液  全部
背景技术：
我国的煤矿开采业历史悠久，煤矿开采业也带来了大量的煤炭资源，而煤炭资源 属于不可再生资源，随着煤炭的开发和利用，我国煤炭资源储存量已大幅削减，随着煤炭资 源的大幅消减，煤矿开采逐渐向深部延伸，深部煤层地质构造更加复杂，煤层瓦斯含量和瓦 斯压力显著增加，随之带来的是安全事故的频发。为此开采的首要任务变成了瓦斯抽采，但 我国煤炭资源多为低透气性煤层，这使得瓦斯抽采时间大大增加，抽采效率大幅降低，从而 影响了矿井生产的接替。 对于不具备开采保护层条件的单一高瓦斯低透性煤层，为有效地解决低透气性煤 层瓦斯抽采难题，需借助层内卸压增透的方法，提高煤层的渗透性，为此可采用机械钻孔的 瓦斯抽采方法，该方法可扩大抽放孔的内表面积，从而增加煤层的透气性，但相继带来的就 是扩孔效率低，工作量较大以及工作周期过长等问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具及其扩孔方法，结构 简单，操作方便，可以适应不同扩孔直径的需求且不需要改变扩孔刀的长度，提高扩孔效 率，降低工作量的同时缩短工作周期。 为了实现上述目的，本发明提供一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具，包括接 头、钻具主体、PDC钻头，钻具主体的前端安装PDC钻头，钻具主体的后端连接接头，钻具主体 为中空结构，在钻具主体中安装有中空圆柱轴且中空圆柱轴与钻具主体的中心线垂直，扩 孔刀可旋转地安装在中空圆柱轴的前侧，在钻具主体前部的管道侧壁上开设有可供扩孔刀 旋进旋出的通孔，在扩孔刀内部开设有供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅱ；以中 空圆柱轴的横向中心线为界，在扩孔刀后端外壁的一侧设置弧形卡齿，扩孔刀后端外壁的 另一侧设置卡槽，在卡槽一侧的钻具主体上安装卡位装置，挡板的一端固定在卡位装置的 侧壁上，另一端悬空，弹簧的底端固定在挡板上，弹簧的顶端与卡头的底端之间通过可上下 移动的连接板连接，卡头的顶端贯穿卡位装置的顶壁后与卡槽相适配；在钻具主体后部的 管道中设置液压缸和供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅰ，液压缸的两个工作端口 分别连接液压通道Ⅰ、液压通道Ⅱ，设置在液压缸上的齿轮与弧形卡齿咬合；气水通道Ⅰ经钻 具主体通向PDC钻头；气水通道Ⅰ与中空圆柱轴之间通过气水分支通道Ⅰ连通，中空圆柱轴经 气水分支通道Ⅱ后与气水通道Ⅱ连通并通向煤层；气水分支通道Ⅲ的一端连通气水通道Ⅰ， 另一端与卡位装置的底端连通。 为了满足扩孔直径的需求，将本发明扩孔刀的旋转范围设置在0～90°之间，通过 扩孔刀的旋转角度来满足扩孔直径的变化。 5 CN 111577142 A 说　明　书 2/7 页 为了满足扩孔直径的需求，本发明的卡槽为多个，多个卡槽依次设置在扩孔刀的 外壁上。 本发明的卡槽设为三个，三个卡槽之间的角度与弧形卡齿的角度相等，以中空圆 柱轴的横向中心为基准，三个卡槽依次设置在扩孔刀的外壁0°、45°以及90°，当卡头与处于 0°的卡槽先配合时，扩孔刀作为普通钻头使用，当卡头与处于45°的卡槽先配合时，扩孔刀 旋转角度为45°，当卡头与处于90°的卡槽先配合时，扩孔刀旋转角度为90°，处于全部打开 状态。 扩孔刀是用来扩孔的钻具，可以用来破碎井下煤层，由于煤层中煤的硬度不一致 以及煤层中夹带有矸石，需要耐磨度高、使用寿命长的扩孔刀，为了满足要求在扩孔刀以及 PDC  钻头的硬度要求，本发明选择在扩孔刀以及PDC钻头上均安装金刚石复合片。 由于中空圆柱轴与扩孔刀末端的连接处采用的是可旋转连接，为了防止该连接处 漏水，本发明在扩孔刀与中空圆柱轴连接处设置密封圈，为了提高密封圈的密封性能，本发 明的密封圈为唇形密封圈。 为了达到有效可靠的功能，本发明的液压缸为摆动液压缸，摆动液压缸制造精度 高，且液压缸内部被完好的保护起来可以完全防尘防污防潮。 一种机械造穴煤层增透用液压扩孔钻具的扩孔方法，包括以下步骤： ①在钻杆尾部安装高压水尾提供高压水流，高压水流的第一路经过气水通道Ⅰ流 向  PDC钻头；高压水流的第二路经过气水通道Ⅰ依次流向气水分支通道Ⅰ、中空圆柱轴、气水 分支通道Ⅱ至气水通道Ⅱ为扩孔刀提供高压水；高压水流的第三路经过气水通道Ⅰ流向气 水分支通道Ⅲ至卡位装置内部，连接板在高压水流压力的作用下向上移动，带动弹簧拉伸， 使卡头与卡槽配合，来限制扩孔刀的打开，此时钻具用作普通钻头正常进行钻孔作业； ②钻杆钻进至需要扩孔段时，停止高压水流的供给，在挡板、弹簧的复位力和卡 头、连接板的重力作用下，连接板向下移动使卡头不与卡槽接触，此时液压液通过液压通道 Ⅰ进入液压缸，液压缸工作，设置在液压缸上的齿轮正向转动，与齿轮咬合的弧形卡齿转动， 带动扩孔刀打开角度；当打开一定角度后，开始供给高压水流的同时停止液压液供给，连接 板在高压水流压力的作用下向上移动，使卡头与卡槽配合，来限制扩孔刀的继续打开，此时 液压缸不工作，扩孔刀保持与卡槽对应的角度进行扩孔作业；当需要减小扩孔刀的角度时， 停止高压水流供给，连接板向下移动使卡头不与卡槽接触，液压液通过液压通道Ⅱ进入液 压缸，液压缸工作，设置在液压缸上的齿轮反向转动，与齿轮咬合的弧形卡齿转动，带动扩 孔刀角度减小，当减小一定角度后，开始供给高压水流同时停止液压液供给，卡位装置工 作，液压缸不工作； ③扩孔结束后，停止高压水流供给，卡头在弹簧的拉力作用下恢复原位，使液压液 通过液压通道Ⅱ进入液压缸，液压缸工作，设置在液压缸上的齿轮继续反向转动，与齿轮咬 合的弧形卡齿转动，带动扩孔刀角度减小至0°时，卡位装置工作，此时该钻具可作为普通钻 头继续钻进或退钻。 本发明所供卡头在受力最小且能够工作时高压水流的最小压力P0满足公式(1) 式中：a为卡头的长度； 6 CN 111577142 A 说　明　书 3/7 页 b卡头的宽度； α为修正系数； K为弹簧的弹性系数； L0为卡头在未受力情况下与卡槽之间的距离。 本发明所供高压水流的压力P应满足如下公式： 当扩孔刀实际工作时的高压水流的压力为P时，卡头受到的高压水流的压力F压满 足公式(2) F压＝αPab                     (2) 式中：a为卡头的长度； b卡头的宽度； α为修正系数； 此时卡头受到的卡槽施加的支持力F支满足公式(3) F支＝F压-F拉＝F压-K×L0            (3) 式中：K为弹簧的弹性系数； L0为卡头在未受力情况下与卡槽之间的距离； 则当高压水流的压力为P时，卡头受到卡槽的摩擦力f满足公式(4) f＝F支×μ                       (4) 式中：μ为卡头与卡槽之间的摩擦系数； 该扩孔刀在实际钻孔过程中所能承受的最大工作压力F满足公式(5) 式中：r为卡槽至中空圆柱轴中心的距离； β为扩孔刀的打开角度； L1为扩孔刀前端至中空圆柱轴中心的距离； F切为卡头所能承受的最大剪切力； 综合以上，所供高压水流的压力值P满足公式(6) 与现有技术相比，本发明通过在钻具主体中安装可旋进旋出的扩孔刀，在扩孔刀 后端安装弧形卡齿，通过液压缸自带齿轮与该弧形卡齿的咬合作用，随着液压缸工作，齿轮 转动，就会带动弧形卡齿转动，进而带动扩孔刀打开角度，扩孔刀打开以及减小角度的大小 可以通过高压水流与液压缸的交替作业完成，当需要打开角度时，停止高压水流的供给并 为液压缸提供液压液，卡头在弹簧拉力的作用下向下移动至不与卡槽接触，同时齿轮转动， 带动扩孔刀旋转，当旋转到指定角度后，开始高压水流的供给并停止液压缸工作，此时，高 压水流的压力使连接板向上移动从而带动弹簧上移至与该角度的卡槽来限制扩孔刀继续 旋转，扩孔刀打开角度的不同可以按照实际工作需要进行设置，本发明通过高压水流与液 压缸配合使用，来控制扩孔刀的打开程度进而控制扩孔尺寸的大小，结构简单，操作方便， 可以适应不同扩孔直径的需求且不需要改变扩孔刀的长度，提高扩孔效率，降低工作量的 7 CN 111577142 A 说　明　书 4/7 页 同时缩短工作周期。 附图说明 图1是本发明的结构示意图； 图2是本发明的扩孔刀打开时的第一状态图； 图3是本发明的扩孔刀打开时的第二状态图； 图4是本发明的气水通道的结构示意图； 图5是本发明卡位装置的结构示意图。 图中：1、接头，2、钻具主体，3、PDC钻头，4、中空圆柱轴，5、扩孔刀，6、气水通道Ⅱ， 7、弧形卡齿，8、卡槽，9、卡位装置，9.1、挡板，9.2、弹簧，9.3、卡头，9.4、连接板，10、液压缸， 10.1、液压通道Ⅰ，10.2、液压通道Ⅱ，11、气水通道Ⅰ，12、气水分支通道Ⅰ，13、气水分支通道 Ⅱ，14、气水分支通道Ⅲ，15、金刚石复合片，16、密封圈。