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申请/专利权人：新汶矿业集团有限责任公司

摘要：本发明公开了一种基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置及钻孔方法，它包括空心钻杆和钻头，所述的空心钻杆由导向钻杆和连接钻杆固定连接而成，用于直线前进携带钻头钻进；连接钻杆作为导向钻杆和钻机之间的连接杆，导向钻杆起固定导向作用，确保扇形钻头钻孔过程中不会偏钻；所述的钻头设置在导向钻杆外侧壁上，钻头依靠设在导向钻杆内的电机动力实现旋转，钻头的形状应保证钻头旋转过程中能钻出矩形钻孔。本发明可以钻进矩形钻孔，可以有效安装矩形应力监测装置，这将为监测正确的应力演化规律奠定基础，对预防和控制矿井动力灾害具有重要意义。

主权项：1.一种基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置，它包括空心钻杆和钻头，其特征在于：所述的空心钻杆由导向钻杆和连接钻杆固定连接而成，用于直线前进携带钻头钻进；连接钻杆作为导向钻杆和钻机之间的连接杆，导向钻杆起固定导向作用，确保扇形钻头钻孔过程中不会偏钻；所述的钻头设置在导向钻杆外侧壁上，钻头依靠设在导向钻杆内的电机动力实现旋转，钻头的形状应保证钻头旋转过程中能钻出矩形钻孔；所述的钻头具体结构为：包括四个扇叶切割齿和一个中心连接轴，四个扇叶切割齿均匀固定在连接柱周圈上从而形成外观如风扇的扇形钻头；这种基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置的钻进方法包括以下步骤：第一步：预打导向钻孔在拟用扇形钻头钻取矩形钻孔的下方，采用旋转钻机钻出与导向钻杆直径相同的钻孔至预定的矩形钻孔深度，形成导向钻孔;第二步：钻取矩形钻孔将连接钻杆和导向钻杆连接后装在推进钻机上，将导向钻杆放入导向钻孔内，使导向钻杆贴紧导向钻孔孔壁起固定导向作用，确保扇形钻头钻孔过程中不会偏钻，在推进导向钻孔过程中扇形钻头旋转进行矩形钻孔的切割钻取，在钻取过程中钻机的高压风通过空心钻杆由导向钻杆上的出风口吹向矩形钻孔实现岩屑的清理。

全文数据：基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置及钻孔方法技术领域本发明属于钻孔设备煤技术领域，具体涉及用于软岩或岩土的基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置。背景技术我国仍处于工业化、城镇化加快发展的历史阶段，能源需求总量仍有增长空间，煤炭作为我国主要的化石能源，是稳定、经济、自主保障程度最高的能源，未来一段时间内，煤炭的主体能源地位不会改变。随着煤炭开采深度和开采强度的增加，巷道大变形、冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害问题越来越突出，严重威胁煤矿的安全生产。应力是煤矿开采过程中围岩变形与破坏的根本驱动力，只有充分了解应力分布特征，才能进行合理有效的变形分析，进而提出有效的围岩控制方案。因此，应力监测对保障煤矿安全生产、控制矿井灾害具有重要意义。另外，在隧道、地铁、土石坝、防波堤等土木工程中也经常需要了解被测物体内部土压力变化量的有效检测。现有煤矿软岩应力和土压力监测一般是通过应力计实现的，实施时，是在待监测部位利用钻机钻孔，然后在钻孔中安装钻孔应力计，由于现有的钻孔钻机都是在旋转钻机上安装一个钻杆，钻杆前端装上钻头，钻机带动钻杆旋转，实现圆形钻孔的钻进，由于钻孔是圆形的，所以只能安装圆形钻孔应力计，安装圆形钻孔应力计的时候存在下述缺陷。1圆形钻孔应力计安装过程中会发生旋转，不能保证探头垂直于应力监测面，从而不能正确判断应力方向。2圆形钻孔应力计探头只在钻孔孔壁发生坍塌时才会产生应力数值，钻孔孔壁自完整至坍塌的挤压应力无法测出。矩形钻孔应力计在安装中就不会出现圆形钻孔应力计安装存在的缺陷，但是目前的钻进装置一般只能钻圆孔，不能钻矩形钻孔。发明内容为了方便在软岩、岩土安装矩形钻孔应力计，本发明提供一种基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置。本发明同时提供这种利用这种钻进装置钻进矩形钻孔的方法。为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置，它包括空心钻杆和钻头，其特征在于：所述的空心钻杆由导向钻杆和连接钻杆固定连接而成，用于直线前进携带钻头钻进；连接钻杆作为导向钻杆和钻机之间的连接杆，导向钻杆起固定导向作用，确保扇形钻头钻孔过程中不会偏钻；所述的钻头设置在导向钻杆外侧壁上，钻头依靠设在导向钻杆内的电机动力实现旋转，钻头的形状应保证钻头旋转过程中能钻出矩形钻孔。进一步，所述的钻头具体结构为：包括四个扇叶切割齿和一个中心连接轴，四个扇叶切割齿均匀固定在连接柱周圈上从而形成外观如风扇的扇形钻头。进一步，所述的连接钻杆和导向钻杆之间的固定连接为可拆卸的固定连接，优选螺纹连接。进一步，所述的电机带动钻头旋转的安装结构是：在导向钻杆内壁上通过螺栓固定有长形电机，电机输出轴安装有一对变向变速齿轮，变向变速齿轮轴通过键连接方式插入扇形钻头的连接轴中。进一步，在导向钻杆上与连接钻杆连接的端部设有导线孔，电机电源线从导线孔伸出与外接电源连接。进一步，所述扇叶切割齿的厚度等于钻孔的高度，所述的钻头旋转直径等于钻孔的宽度。进一步，所述扇叶切割齿的钻进部位为外凸的弧面。进一步，为了便于电机的安装，所述的导向钻杆为上下半圆柱扣合焊接而成。进一步，为了便于岩屑清理，在导向钻杆上壳体上设有出风口。本发明利用上述钻进装置钻取矩形钻孔的方法为：第一步：预打导向钻孔在拟用扇形钻头钻取矩形钻孔的下方，采用旋转钻机钻出与导向钻杆直径相同的钻孔至预定的矩形钻孔深度，形成导向钻孔；第二步：钻取矩形钻孔将连接钻杆和导向钻杆连接后装在推进钻机上，将导向钻杆放入导向钻孔内，使导向钻杆贴紧导向钻孔孔壁起固定导向作用，确保扇形钻头钻孔过程中不会偏钻，在推进导向钻孔过程中扇形钻头旋转进行矩形钻孔的切割钻取，在钻取过程中钻机的高压风通过空心钻杆由导向钻杆上的出风口吹向矩形钻孔实现岩屑的清理。与现有技术相比，本发明的技术效果是：1、本发明可以钻进矩形钻孔，可以有效安装矩形应力监测装置，这将为监测正确的应力演化规律奠定基础，对预防和控制矿井动力灾害具有重要意义。2、本发明提供了基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置，该装置的扇形钻头扇叶切割齿纵向截面与横向截面均设置为梯形，横向截面外端设置为弧形，利于减少工作阻力，提高工作效率。3、本发明提供的矩形钻孔钻进装置的扇形钻头钻取矩形钻孔的过程中，导向钻杆与导向钻孔孔壁紧贴吻合，便于固定扇形钻头钻孔方向，确保不会出现偏钻。附图说明图1是基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置外观示意图。图2是扇形钻头的矩形钻孔钻进装置主视剖面图。图3是扇形钻头钻取矩形钻孔示意图。图中：1、连接钻杆；2、导向钻杆；3、扇叶切割齿；4、连接轴；5、扇形钻头；6、齿轮轴；7、出风口；8、圆弧状导向头；9、变向变速齿轮；10、电机；11、导线孔；12、矩形钻孔；13、矩形钻孔应力计；14、导向钻孔。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中以钻取截面长为120-160mm，宽为50-70mm的矩形钻孔为例来说明。请参阅图1-图2，本发明提供了基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置，一种基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置，其特征在于，它包括由空心导向钻杆2和空心连接钻杆1螺纹连接而成的空心钻杆、扇形钻头5和电机10；其中：所述的扇形钻头1具体结构为：包括四个扇叶切割齿3和一个中心连接轴4，四个扇叶切割齿3均匀固定在中心连接轴4周圈上从而形成外观如风扇的扇形钻头5。所述扇叶切割齿3的钻进部位为外凸的弧面。所述扇叶切割齿3的厚度b等于钻孔的高度，四个扇叶切割齿3组成的扇形钻头1旋转直径a等于钻孔的宽度。所述的电机带动钻头旋转的安装结构是：在导向钻杆4内壁上开设有安装槽，电机4设置在安装槽内，电机4的机身通过螺栓固定在安装槽侧壁上，电机4输出轴安装有一对变向变速齿轮9，变向变速齿轮轴6通过键连接方式插入扇形钻头1的中心连接轴4中；所述的导向钻杆2直径大于连接钻杆1，在靠近连接钻杆1的导向钻杆2断面上设有导线孔11，电机10电源线从导线孔11伸出与外接电源连接。本申请中电机电源线与外界电源相连采用的是现有技术，外界电源也是采用的现有结构，外界电源是380V的交流电。基于本申请主要用在软岩和岩土中，所以电机的功率不用太大，采用市场上功率在1200W-1800W的风冷式电机，优选细长型电机，通过变向变速齿轮9可以实现大扭矩。下面以钻取宽度为120-160mm，高度为为50-70mm的矩形钻孔为例来说明装置的尺寸。此时：所述导向钻杆2直径为100-150mm，连接钻杆1直径d为70-90mm；扇叶切割齿的厚度等于矩形钻孔的高度50-70mm；四个扇叶切割齿组成的钻头工作时旋转直径等于钻取宽度120-160mm。本申请中导向钻杆2和连接钻杆1长度根据现场实际情况以及钻孔的深度来定，但是导向钻杆2的长度既要保证能钻出所需孔深的钻孔又要保证电机的安装。下面根据图3说明利用本发明钻进装置进行矩形钻孔的钻进过程：第一步：预打导向钻孔14在拟用扇形钻头1钻取矩形钻孔12的下方，采用旋转钻机钻出与导向钻杆2直径相同的钻孔至预定的矩形钻孔深度，形成导向钻孔14。第二步：钻取矩形钻孔将连接钻杆1和导向钻杆2连接后装在推进钻机上，将导向钻杆2放入导向钻孔14内，使导向钻杆2贴紧导向钻孔14孔壁起固定导向作用，确保扇形钻头1钻孔过程中不会偏钻，在推进导向钻孔11过程中扇形钻头1旋转进行矩形钻孔12的切割钻取。在钻取过程中钻机的高压风通过空心钻杆由导向钻杆上的出风口吹向矩形钻孔实现岩屑的清理。图3为钻孔完毕后的钻孔示意图，图中简易示出矩形钻孔应力计13。在本实施例中，钻孔过程中的高压风输送是本领域公知常识，再次不再详述。

权利要求：1.一种基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置，它包括空心钻杆和钻头，其特征在于：所述的空心钻杆由导向钻杆和连接钻杆固定连接而成，用于直线前进携带钻头钻进；连接钻杆作为导向钻杆和钻机之间的连接杆，导向钻杆起固定导向作用，确保扇形钻头钻孔过程中不会偏钻；所述的钻头设置在导向钻杆外侧壁上，钻头依靠设在导向钻杆内的电机动力实现旋转，钻头的形状应保证钻头旋转过程中能钻出矩形钻孔。2.如权利要求1所述的基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置，其特征在于，所述的钻头具体结构为：包括四个扇叶切割齿和一个中心连接轴，四个扇叶切割齿均匀固定在连接柱周圈上从而形成外观如风扇的扇形钻头。3.如权利要求1所述的基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置，其特征在于，所述的连接钻杆和导向钻杆之间的固定连接为可拆卸的固定连接。4.如权利要求1所述的基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置，其特征在于，所述的电机带动钻头旋转的安装结构是：在导向钻杆内壁上通过螺栓固定有电机，电机输出轴安装有一对变向变速齿轮，变向变速齿轮轴通过键连接方式插入扇形钻头的连接轴中。5.如权利要求1所述的基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置，其特征在于，在导向钻杆上与连接钻杆连接的端部设有导线孔，电机电源线从导线孔伸出与外接电源连接。6.如权利要求1所述的基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置，其特征在于，，所述扇叶切割齿的厚度等于钻孔的高度，所述的钻头旋转直径等于钻孔的宽度。7.如权利要求1所述的基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置，其特征在于，所述扇叶切割齿的钻进部位为外凸的弧面。8.如权利要求1所述的基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置，其特征在于，所述的导向钻杆为上下半圆柱扣合焊接而成。9.如权利要求1所述的基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置，其特征在于，在导向钻杆上壳体上设有出风口。10.一种如权利要求1-9任一所述的基于扇形钻头的矩形钻孔钻进装置的钻孔方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：预打导向钻孔在拟用扇形钻头钻取矩形钻孔的下方，采用旋转钻机钻出与导向钻杆直径相同的钻孔至预定的矩形钻孔深度，形成导向钻孔；第二步：钻取矩形钻孔将连接钻杆和导向钻杆连接后装在推进钻机上，将导向钻杆放入导向钻孔内，使导向钻杆贴紧导向钻孔孔壁起固定导向作用，确保扇形钻头钻孔过程中不会偏钻，在推进导向钻孔过程中扇形钻头旋转进行矩形钻孔的切割钻取，在钻取过程中钻机的高压风通过空心钻杆由导向钻杆上的出风口吹向矩形钻孔实现岩屑的清理。

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