煤矿井下双向旋转螺旋钻杆、卸扣装置和装卸系统及方法
阅读说明：本技术 煤矿井下双向旋转螺旋钻杆、卸扣装置和装卸系统及方法 (Coal mine underground bidirectional rotating spiral drill rod, tripping device, loading and unloading system and method ) 是由 李旺年 邵俊杰 张幼振 凡东 张宁 常江华 钟自成 孙道明 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种煤矿井下双向旋转螺旋钻杆、卸扣装置和装卸系统及方法,双向旋转螺旋钻杆包括钻杆公头、钻杆母头、芯杆及螺旋叶片,钻杆公头为外六方结构,外壁设有环形凹槽,钻杆母头为内六方结构,内有销钉及磁铁；配套卸扣装置包括卸扣机械手、水平伸缩机构及连接弹簧,卸扣机械手为内六方形状,每个内平面内置磁铁；钻杆装卸系统包括配套卸扣装置、钻机、上杆工作臂等。本发明解决了螺旋钻杆自动上卸扣问题,使钻机具备钻杆反转功能,使得钻进可实现钻杆双向旋转,满足钻进工艺要求；可用于自动钻机,取代传统的插销式螺旋钻杆,实现自动上卸钻杆。(The invention discloses a coal mine underground bidirectional rotary spiral drill rod, a shackle device, a loading and unloading system and a loading and unloading method, wherein the bidirectional rotary spiral drill rod comprises a drill rod male head, a drill rod female head, a core rod and a spiral blade, the drill rod male head is of an outer hexagonal structure, the outer wall of the drill rod male head is provided with an annular groove, the drill rod female head is of an inner hexagonal structure, and a pin and a magnet are arranged in the drill rod female head; the matched shackle device comprises a shackle manipulator, a horizontal telescopic mechanism and a connecting spring, wherein the shackle manipulator is in an inner hexagonal shape, and a magnet is arranged in each inner plane; the drill rod loading and unloading system comprises a matched shackle device, a drilling machine, an upper rod working arm and the like. The invention solves the problem of automatic screwing and unscrewing of the spiral drill rod, and the drilling machine has the function of drill rod reversing, so that the drilling can realize bidirectional rotation of the drill rod, and the requirements of the drilling process are met; the automatic drill pipe loading and unloading device can be used for an automatic drilling machine to replace a traditional bolt type spiral drill pipe and realize automatic loading and unloading of the drill pipe.)
技术领域
本发明属于煤矿井下巷道工程的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下双向旋转螺旋钻杆、卸扣装置和装卸系统及方法。
背景技术
坑道钻机普遍使用在煤矿井下瓦斯抽采、隐蔽灾害探查等施工中，目前煤矿井下钻机已实现自动钻进，可自动完成上卸钻杆，但钻杆采用丝扣结构，不能反转。在松软、突出等特殊煤层中，施工工艺要求钻杆能够反转来防止卡钻。传统的插销式螺旋钻杆通过采用六方接头和卡销形式可实现钻杆反转；但由于结构原因，需要精确定位插拔卡销及防松螺母，通过机械手来完成动作较为复杂，因此传统的插销式螺旋钻杆无法使用在自动化钻机上，而自动钻机无法实现钻杆的反转，制约了自动钻机的适用范围。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种煤矿井下双向旋转螺旋钻杆、卸扣装置和装卸系统及方法，使得钻进可实现钻杆双向旋转，满足钻进工艺要求；可用于自动钻机，取代传统的插销式螺旋钻杆，实现自动上卸钻杆。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种煤矿井下双向旋转螺旋钻杆，包括芯杆、设在芯杆两端的钻杆公头和钻杆母头以及设在芯杆外壁的螺旋叶片，所述钻杆公头为外六方结构，且在外六方结构外壁设有沿周向的环形凹槽；所述钻杆母头为内六方结构，钻杆母头侧壁设有径向贯通钻杆母头侧壁的台阶孔，台阶孔的大直径孔连通至钻杆母头外壁且在大直径孔上安装有端盖，台阶孔的小直径孔连通至钻杆母头内壁，大直径孔和小直径孔相接处为环形台阶，在环形台阶上设有环形磁铁，在台阶孔内安装有销钉，且销钉帽位于端盖和环形磁铁之间，销钉杆位于小直径孔内并能伸出小直径孔，销钉能沿钻杆母头径向移动；
钻杆公头能配合插入钻杆母头以实现钻杆之间的扭矩传递；钻杆母头内的销钉能在环形磁铁磁力作用下径向移动伸至环形凹槽中实现自动上扣并能传递轴向力。
本发明还包括如下技术特征：
可选的，所述台阶孔有六个，六个台阶孔分别位于钻杆母头内六方结构的内壁六个平面上。
可选的，所述销钉包括所述销钉帽和销钉杆，销钉帽为圆形平面结构，销钉帽的直径与环形磁铁的外径相同，销钉杆的端部倒圆，销钉杆的直径与环形磁铁的内径相同；
销钉帽在端盖和环形磁铁之间能移动的最大距离不小于销钉杆能伸出钻杆母头内壁的长度；
钻杆公头的端部为倒角斜面。
一种煤矿井下双向旋转螺旋钻杆的配套卸扣装置，该配套卸扣装置能用于所述的煤矿井下双向旋转螺旋钻杆的钻杆母头和钻杆公头连接处自动卸扣；该配套卸扣装置包括：卸扣机械手、位于卸扣机械手下方的水平伸缩机构以及连接在卸扣机械手和水平伸缩机构之间的竖向的连接弹簧；
所述卸扣机械手包括能开合的上抓手和下抓手，上抓手和下抓手能围成内六方结构并能套在钻杆母头外，且上抓手和下抓手的六个内平面能与钻杆母头六个台阶孔上的端盖一一对应，所述六个内平面均内置有磁铁以能吸引销钉径向向外移动实现钻杆母头和钻杆公头脱扣；
所述连接弹簧能使卸扣机械手具备柔性，从而使卸扣机械手内六方结构角度同钻杆母头外六个端盖布设角度相对应；水平伸缩机构能带动卸扣机械手前后移动。
可选的，所述卸扣机械手还包括安装座、连接杆件和机械手油缸；
所述上抓手的一端、下抓手的一端以及安装座铰接，上抓手和下抓手分别铰接有连接杆件，连接杆件连接机械手油缸，机械手油缸能驱动连接杆件带动上抓手和下抓手的开闭。
可选的，所述水平伸缩机构包括伸缩油缸、滑板、滑轨和底板；
所述底板上固定有滑轨，滑板安装在滑轨内，伸缩油缸一端连接滑板，另一端连接底板，伸缩油缸能驱动滑板沿滑轨移动；滑板上安装所述连接弹簧。
一种煤矿井下双向旋转螺旋钻杆装卸系统，该煤矿井下双向旋转螺旋钻杆为所述的煤矿井下双向旋转螺旋钻杆；该装卸系统包括所述的煤矿井下双向旋转螺旋钻杆的配套卸扣装置，还包括上卸杆机械手、钻机、设在钻机上的夹持器、上杆工作臂和钻杆箱；
所述钻机包括动力头、一级给进机身、一级给进油缸、二级二级给进机身、二级给进油缸、回转支座和调角油缸；所述动力头通过一级给进油缸与一级给进机身连接，夹持器设在一级给进机身端部，配套卸扣装置设在一级给进机身上并位于动力头和夹持器之间；一级给进机身通过二级给进油缸连接二级给进机身，回转支座位于位于二级给进机身下方且二级给进机身端部与回转支座之间铰接所述调角油缸；
上卸杆机械手包括两个抓手，且两个抓手之间的距离小于单根钻杆长度，用以抓取钻杆；
所述上杆工作臂包括安装座、设在安装座上的回转器I、设在回转器I上的大臂、与大臂上端铰接的导向臂、与导向臂相连的伸缩臂、安装在伸缩臂端部的回转器II以及与回转器II连接的抓手体；所述回转器I和导向臂之间设有与大臂相邻的竖向升降油缸且升降油缸上端与导向臂铰接；导向臂和伸缩臂之间连有水平的伸缩油缸。
可选的，所述动力头能在一级给进油缸的作用下沿一级给进机身往复运动，一级给进机身能在二级给进油缸的作用下沿二级给进机身往复运动，二级给进机身能在调角油缸的作用下调整机身倾角，二级给进机身能在回转支座的作用下调整机身的方位角；
所述抓手体在大臂及升降油缸的作用下能实现上下移动，抓手体在伸缩臂和伸缩油缸的作用下能沿导向臂水平移动，在回转器I和回转器II的组合作用下能实现抓手体空间方位调节。
可选的，所述钻机、上杆工作臂和钻杆箱均安装在车体底盘上；钻机通过回转支座与其下方的车体底盘连接，上杆工作臂通过安装座与其下方的车体底盘连接。
一种煤矿井下双向旋转螺旋钻杆装卸方法，该方法通过所述的煤矿井下双向旋转螺旋钻杆装卸系统实现，包括：
步骤一，在动力头的带动下，主动钻杆的钻杆公头进入相邻钻杆的钻杆母头，在磁力的作用下，销钉伸至钻杆公头的环形凹槽中，将钻杆公头和钻杆母头卡住实现自动上扣；
步骤二，加杆时，钻机停钻，夹持器夹住孔内钻杆，卸扣机械手套在主动钻杆与相邻钻杆的连接处，卸扣机械手中磁铁向外吸引销钉至其脱开钻杆公头的环形凹槽，动力头带动主动钻杆向后移动，实现钻杆脱扣；
上杆工作臂的抓手体从钻杆箱中抓取下一根钻杆送至上杆机械手中，由上杆机械手送至设定位置，动力头带动主动钻杆通过所述步骤一完成与下一根钻杆母头连接，松开并缩回上杆机械手，进入下一循环钻进作业；
步骤三，退钻时，动力头带动钻杆退钻，中间钻杆前端到达前方的配套卸扣装置处，夹持器夹住孔内钻杆，配套卸扣装置的卸扣机械手动作，中间钻杆完成与孔内钻杆脱扣；动力头带动钻杆继续后退，中间钻杆后端到达后方的配套卸扣装置处，上杆机械手伸出，夹住中间钻杆，配套卸扣装置的卸扣机械手动作，完成中间钻杆与主动钻杆脱扣；动力头向前，主动钻杆完成与孔内钻杆母头处上扣，重复上述操作，完成所有钻杆退钻。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(1)本发明双向旋转螺旋钻杆改善了传统的插销式螺旋钻杆的连接结构，具备自动上扣防脱功能，可传递扭矩同时传递给进力和起拔力，有效解决了传统的螺旋钻杆卡钻问题；
(2)本发明配套卸扣装置可实现钻杆接头部位脱扣，可与钻机上杆机械手和上杆工作臂配合，实现钻机钻进过程中无人操作即可完成上卸扣动作，为自动化钻进提供支撑条件；
(3)本发明没有采用丝扣结构，减小了给进时轴向力对结构件的影响。
附图说明
图1为本发明煤矿井下双向旋转螺旋钻杆结构示意图；
图2为本发明钻杆公头结构图；
图3为本发明钻杆母头结构图；
图4为本发明钻杆母头剖面图；
图5为本发明配套卸扣装置结构图；
图6为本发明配套卸扣装置套在钻杆公头和钻杆母头连接处的示意图；
图7为本发明配套卸扣装置的卸扣机械手与钻杆母头上六个端盖配合示意图；
图8为本发明装卸系统结构示意图；
图9为本发明钻机结构图；
图10为本发明上杆工作臂结构图。
附图标记含义：
1.钻杆，101.芯杆，102.钻杆公头，103.钻杆母头，104.螺旋叶片，105.环形凹槽，106.台阶孔，107.端盖，108.环形磁铁，109.销钉；2.配套卸扣装置，201.卸扣机械手，202.水平伸缩机构，203.连接弹簧，204.上抓手，205.下抓手，206.安装座，207.连接杆件，208.机械手油缸，209.伸缩油缸，210.滑板，211.滑轨，212.底板；3.上卸杆机械手，4.钻机，401.动力头，402.一级给进机身，403.一级给进油缸，404.二级给进机身，405.二级给进油缸，406.回转支座，407.调角油缸；5.夹持器，6.上杆工作臂，601.安装座，602.回转器I，603.大臂，604.导向臂，605.伸缩臂，606.回转器II，607.抓手体，608.升降油缸，609.伸缩油缸；7.钻杆箱，8.动力电池，9.电控箱，10.车体底盘。
以下结合说明书附图和
具体实施方式
对本发明做具体说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
本实施例提供一种煤矿井下双向旋转螺旋钻杆，如图1至图4所示，包括芯杆101、设在芯杆101两端的钻杆公头102和钻杆母头103以及设在芯杆101外壁的螺旋叶片104，钻杆公头102为外六方结构，且在外六方结构外壁设有沿周向的环形凹槽105；钻杆母头103为内六方结构，钻杆母头103侧壁设有径向贯通钻杆母头103侧壁的台阶孔106，台阶孔106的大直径孔连通至钻杆母头103外壁且在大直径孔上安装有端盖107，台阶孔106的小直径孔连通至钻杆母头103内壁，大直径孔和小直径孔相接处为环形台阶，在环形台阶上设有环形磁铁108，在台阶孔106内安装有销钉109，且销钉帽位于端盖107和环形磁铁108之间，销钉杆位于小直径孔内并能伸出小直径孔，销钉109能沿钻杆母头103径向移动。
钻杆公头102能配合插入钻杆母头103以实现钻杆之间的扭矩传递；钻杆母头103内的销钉109能在环形磁铁108磁力作用下径向移动伸至环形凹槽105中实现自动上扣并能传递轴向力。钻杆公头插入钻杆母头时，销钉的销钉杆端部倒圆并能在钻杆公头倒角斜面作用下径向向外滑动，当钻杆公头的环形凹槽对准销钉时，销钉在磁力作用下径向向内移动至环形凹槽实现自动上扣。
台阶孔106有六个，六个台阶孔106分别位于钻杆母头103内六方结构的内壁六个平面上。
销钉109包括销钉帽和销钉杆，销钉帽为圆形平面结构，销钉帽的直径与环形磁铁108的外径相同，销钉杆的端部倒圆，销钉杆的直径与环形磁铁108的内径相同；
销钉帽在端盖107和环形磁铁108之间能移动的最大距离不小于销钉杆能伸出钻杆母头103内壁的长度。
钻杆公头102的端部为倒角斜面；用以当钻杆公头插入钻杆母头时，钻杆公头的倒角斜面能推动销钉径向向外移动。
台阶孔的大直径孔端部设有环形凸台，环形凸台内壁设有内螺纹且端盖为外螺纹结构，从而方便端盖的安装。
实施例2：
本实施例提供一种煤矿井下双向旋转螺旋钻杆的配套卸扣装置，如图5至图7所示，该配套卸扣装置能用于实施例1的煤矿井下双向旋转螺旋钻杆的钻杆母头103和钻杆公头102连接处自动卸扣；该配套卸扣装置2包括：卸扣机械手201、位于卸扣机械手201下方的水平伸缩机构202以及连接在卸扣机械手201和水平伸缩机构202之间的竖向的连接弹簧203。
卸扣机械手201包括能开合的上抓手204和下抓手205，上抓手204和下抓手205能围成内六方结构并能套在钻杆母头103外，且上抓手204和下抓手205的六个内平面能与钻杆母头103六个台阶孔106上的端盖107一一对应，六个内平面均内置有磁铁以能吸引销钉109径向向外移动实现钻杆母头103和钻杆公头102脱扣。具体的，每个内平面内部装有一块或者N块串联磁铁，卸扣机械手在机械手油缸、安装座及连接杆件的作用下，可实现绕固定点闭合张开。
连接弹簧203能使卸扣机械手201具备柔性，从而使卸扣机械手201内六方结构角度同钻杆母头103外六个端盖107布设角度相对应；水平伸缩机构202能带动卸扣机械手201前后移动。
本实施例中，卸扣机械手内置的磁铁对销钉的吸力大于环形磁铁对销钉的吸力。
卸扣机械手201还包括安装座206、连接杆件207和机械手油缸208。
上抓手204的一端、下抓手205的一端以及安装座206铰接，上抓手204和下抓手205分别铰接有连接杆件207，连接杆件207连接机械手油缸208，机械手油缸208能驱动连接杆件207带动上抓手204和下抓手205的开闭。
水平伸缩机构202包括伸缩油缸209、滑板210、滑轨211和底板212；底板212上固定有滑轨211，滑板210安装在滑轨211内，伸缩油缸209一端连接滑板210，另一端连接底板212，伸缩油缸209能驱动滑板210沿滑轨211移动；滑板210上安装连接弹簧203。
实施例3：
本实施例提供一种煤矿井下双向旋转螺旋钻杆装卸系统，如图8至图10所示，该煤矿井下双向旋转螺旋钻杆为实施例1中的煤矿井下双向旋转螺旋钻杆；该装卸系统包括实施例2中的配套卸扣装置，还包括上卸杆机械手3、钻机4、设在钻机4上的夹持器5、上杆工作臂6和钻杆箱7。
钻机4包括动力头401、一级给进机身402、一级给进油缸403、二级给进机身404、二级给进油缸405、回转支座406和调角油缸407；动力头401通过一级给进油缸403与一级给进机身402连接，夹持器5设在一级给进机身402端部，配套卸扣装置2设在一级给进机身402上并位于动力头401和夹持器5之间；一级给进机身402通过二级给进油缸405连接二级给进机身404，回转支座406位于二级给进机身404下方且二级给进机身404端部与回转支座406之间铰接调角油缸407。
上卸杆机械手3包括两个抓手，且两个抓手之间的距离小于单根钻杆1长度，用以抓取钻杆1。
上杆工作臂6包括安装座601、设在安装座601上的回转器I602、设在回转器I602上的大臂603、与大臂603上端铰接的导向臂604、与导向臂604相连的伸缩臂605、安装在伸缩臂605端部的回转器II606以及与回转器II606连接的抓手体607；回转器I602和导向臂604之间设有与大臂603相邻的竖向升降油缸608且升降油缸608上端与导向臂604铰接；导向臂604和伸缩臂605之间连有水平的伸缩油缸609。
动力头401能在一级给进油缸403的作用下沿一级给进机身402往复运动，一级给进机身402能在二级给进油缸405的作用下沿二级给进机身404往复运动，二级给进机身404能在调角油缸407的作用下调整机身倾角，二级给进机身404能在回转支座406的作用下调整机身的方位角。
抓手体607在大臂603及升降油缸608的作用下能实现上下移动，抓手体607在伸缩臂605和伸缩油缸609的作用下能沿导向臂604水平移动，在回转器I602和回转器II606的组合作用下能实现抓手体607空间方位调节。
钻机4、上杆工作臂6和钻杆箱7均安装在车体底盘10上；钻机4通过回转支座406与其下方的车体底盘10连接，上杆工作臂6通过安装座601与其下方的车体底盘10连接。
在车体底盘上还设有动力电池8和电控箱9；动力电池8为整个系统提供动力，电控箱9用于控制实现上杆和卸杆的自动化控制。
实施例4：
本实施例提供一种煤矿井下双向旋转螺旋钻杆装卸方法，该方法通过实施例3的煤矿井下双向旋转螺旋钻杆装卸系统实现，包括：
步骤一，在动力头的带动下，主动钻杆的钻杆公头进入相邻钻杆的钻杆母头，钻杆母头内的销钉在钻杆公头倒角斜面作用下径向向外移动，钻杆公头的环形凹槽对准销钉时，在磁力的作用下，销钉伸至钻杆公头的环形凹槽中，将钻杆公头和钻杆母头卡住实现自动上扣，能传递给进力和起拔力，同时能依靠钻杆公头和钻杆母头的六方结构传递扭矩，实现钻进动作；
步骤二，加杆时，钻机停钻，夹持器夹住孔内钻杆，主动钻杆与相邻钻杆的连接处停于配套卸扣装置的卸扣机械手位置，卸扣机械手在水平伸缩机构的作用下向钻杆靠近；卸扣机械手套在主动钻杆与相邻钻杆的连接处，卸扣机械手中磁铁向外吸引销钉至其脱开钻杆公头的环形凹槽，动力头在一级给进油缸的作用下带动主动钻杆沿一级给进机身向后移动，实现钻杆脱扣；
上杆工作臂的抓手体从钻杆箱中抓取下一根钻杆送至上杆机械手中，由上杆机械手送至设定位置，动力头带动主动钻杆通过步骤一完成与下一根钻杆母头连接，松开并缩回上杆机械手，在动力头作用下，下一根钻杆公头与夹持器夹住的孔内钻杆母头完成连接，进入下一循环钻进作业；
步骤三，退钻时，钻杆依次为动力头连接的主动钻杆、中间钻杆以及孔内钻杆，且在动力头和夹持器之间设有两个配套卸扣装置，分别为靠近夹持器的前方的配套卸扣装置和靠近动力头的后方的配套卸扣装置；动力头带动钻杆退钻，中间钻杆前端到达前方的配套卸扣装置处，夹持器夹住孔内钻杆，配套卸扣装置的卸扣机械手动作，中间钻杆完成与孔内钻杆脱扣；动力头带动钻杆继续后退，中间钻杆后端到达后方的配套卸扣装置处，上杆机械手伸出，夹住中间钻杆，配套卸扣装置的卸扣机械手动作，完成中间钻杆与主动钻杆脱扣；上杆机械手缩回，由上杆工作臂的抓手体将上杆机械手中的钻杆抓取并放回钻杆箱，存放钻杆；动力头向前，主动钻杆完成与孔内钻杆母头处上扣，重复上述操作，完成所有钻杆退钻。
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