專利名稱：鉆頭和一步到位的鉆孔設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)獨立權(quán)利要求的前序部分所述的鉆頭和一步
到位(single pass)的鉆孔設(shè)備。本發(fā)明參考了一步到位的鉆孔來進行 描述，但是應(yīng)理解，本發(fā)明的鉆頭不限于這種用途，且本發(fā)明可在較 寬范圍的鉆孔操作中找到應(yīng)用。
背景技術(shù)：
強化挖掘的錨固螺栓的安裝通常在兩個不同的步驟中實現(xiàn)。通常， 孔被鉆出并且在螺栓之前被抽出的鉆桿和鉆頭被插入孔中并被收緊或 灌漿。 一步到位的錨固螺栓連接包括同時執(zhí)行這兩個步驟，并且還要 將鉆桿移除以插入被排除的螺栓。 一步到位的螺栓連接的優(yōu)點包括使 螺栓安裝所需要的時間最少，與手工或半手工螺栓連接相比提高了鉆 孔設(shè)備操作者的安全性，并增強了方法全自動化的前景。進一步的優(yōu) 點是與手工或半手工螺栓連接相比，提高了錨固螺栓的安裝質(zhì)量和精
度?？椎闹睆皆诘哪Σ恋那闆r下對錨固螺栓性能是關(guān)鍵的，例如開口 固定螺栓。 一步到位的螺栓連接的又一優(yōu)點是孔在收回鉆頭時不會坍 塌，這是因為螺栓已經(jīng)在該孔內(nèi)了。這樣由于螺栓總是處于安裝而產(chǎn) 生更高的效率；即不會有廢孔。
致力于一步到位的螺栓連接的已有技術(shù)一般已經(jīng)將端部附近設(shè)置 有鉆頭的創(chuàng)新型錨固螺栓作為目標(biāo)，所述創(chuàng)新型錨固螺栓也起到鉆桿 的作用。這樣的設(shè)備通過旋轉(zhuǎn)鉆孔方法或旋轉(zhuǎn)/沖擊鉆孔方法來使用， 并且這樣的設(shè)備一般不適用于硬地面條件。現(xiàn)有的硬地面沖擊錨固螺 栓不進行鉆頭的再利用，從而面臨成本問題。存在各種各樣的頂板螺 栓，且一種具體的形式是管狀(例如開口栓、Swellex等)，其具有縱 向穿過螺栓形成的中心孔。適合于穿過殼體被抽出的鉆頭是復(fù)雜的，且因此是昂貴的。
瑞典專利申請No.0400597-l中提出的鉆頭具有擴孔部，該擴孔部 結(jié)合了關(guān)于鉆頭軸線非對稱地設(shè)置的巖石加工元件。該結(jié)構(gòu)允許形成 大于鉆頭直徑的孔直徑，從而允許穿過殼體移除鉆頭。然而，已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)鉆頭的穿過輪廓是非均勻的，從而在鉆頭上引起應(yīng)力，這會降低鉆 頭的效率和使用壽命。
在已有的一步到位的錨固螺栓中，由于專用錨固螺栓的采用以及 任一復(fù)雜的可收回鉆頭的排他性使用，鉆孔速度相對于鉆頭成本的成 本競爭被復(fù)雜化。然而除此之外，自鉆孔頂板錨栓的安裝優(yōu)勢仍大于 非自鉆孔型的安裝優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的
根據(jù)本發(fā)明的鉆頭的一個目的是基本克服以上提及的一個或多個 已有技術(shù)的有關(guān)問題，或者至少提供一種對其的替換方案。
本發(fā)明的另一目的是提供一種更有效的鉆頭和一步到位的鉆孔設(shè) 備，從而使得一步到位的螺栓連接在采礦業(yè)的使用更具吸引力。
說明書全文中，除非上下文需要，否則詞匯"包括"，或其變化 形式例如"含有"或"包含"將被理解為包括所述元素或元素組，但 并不排除任何其它元素或元素組的存在。


附圖示出前述類型的本發(fā)明的示例性實施方式。這些附圖的細(xì)節(jié) 和相關(guān)說明不影響本發(fā)明的在先的寬泛描述的概括。
圖1A-1G概略示出一步到位的頂板螺栓連接的順序。 圖2A示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的鉆頭的前視圖。圖2B示出鉆頭的側(cè)視圖。 圖2C示出鉆頭的前視圖。 圖3是巖石鉆孔期間鉆頭的示意性側(cè)視圖。 圖4示出與孔輪廓有關(guān)的鉆頭的前視圖。
具體實施例方式
圖1A-1G示出使用鉆頭16的一步到位的鉆孔設(shè)備(single pass drilling apparatus) 10，圖2A-2C更詳細(xì)地示出鉆頭16。 一步到位的鉆 孔設(shè)備10包括幾個部件；例如細(xì)長的鉆桿(drillsteel) 11，該鉆桿ll
具有參考鉆孔方向F的前端12和尾端(未示出)。前端12具有包括 螺紋、錐形或卡口連接(未示出)的連接部。 一體式鉆頭16設(shè)置有巖 石加工裝置17和18A、 18B、 18C。鉆頭16可通過包括螺紋、錐形或 卡口連接(未示出)的連接部而連接于鉆桿。鉆桿ll和鉆頭構(gòu)成鉆孔 裝置。 一步到位的鉆孔設(shè)備IO進一步包括適合于至少部分包圍鉆桿11 的錨固螺栓21。錨固螺栓21具有若干開口端。鉆頭的最大直徑尺寸小 于錨固螺栓21的最小直徑。
一步到位的鉆孔設(shè)備10的基本思想是當(dāng)螺栓包圍鉆桿時鉆孔， 然后收回鉆頭以再次使用。不存在鉆頭部件的損失。 一步到位的鉆孔 設(shè)備10更詳細(xì)地描述于瑞典專利申請No.0400597-l中，其公開內(nèi)容在 此通過引用并入。
參見圖2A至圖2C，鉆頭16可被設(shè)計如下。 一體式鉆頭16包括 由鋼制成的本體25和設(shè)置在本體上的巖石加工裝置17、 18。本體25 具有前端27和尾端28，并包括兩個一體部分，即導(dǎo)向部14和擴孔部 19，該導(dǎo)向部14足夠得長以適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)整個設(shè)備10，其中該導(dǎo)向部 14的軸線CL1與孔22的軸線CL3重合。導(dǎo)向部14的中心軸線或中線 CL1在鉆孔期間與巖石螺栓的中心軸線大致重合，因此它可被認(rèn)為是 鉆頭的鉆孔軸線，但軸線CL1在鉆頭收回過程中不與軸線CL3重合。 擴孔部19的中心軸線或中線CL2與鉆桿11的軸線重合，但與孔22的軸線CL3大致間隔開。應(yīng)當(dāng)注意的是，導(dǎo)向部和擴孔部二者的橫截面 均不是必須是圓形的，因此對于軸線CL1和CL2的參考應(yīng)理解為對各 個部分的平均中線的參考。
巖石加工裝置為硬質(zhì)合金裝置的形式，即為橫刃和/或球齒 (button)。導(dǎo)向部14具有前表面29，該前表面29形成了鉆頭16的 前端27并帶有沿直徑方向延伸的橫刃或兩個沿直徑方向相對的前球齒 (給出總體參考標(biāo)記n)。擴孔部具有帶有多個球齒18的前表面30; 在這種情況下是具有三個前球齒18A、 18B和18C。球齒18A、 18B和 18C可稍稍向擴孔部的外圍外側(cè)突出，以在鉆孔期間加工出直徑比鋼本 體25大的孔22。擴孔部中的硬質(zhì)合金球齒的數(shù)量能根據(jù)鉆頭直徑的大 小變化。切削通道或凹槽能設(shè)置在相鄰擴孔球齒之間的區(qū)域內(nèi)，沖洗 介質(zhì)能由此通過。
巖石鉆頭16將通過連接部而連接于鉆桿11，以便以慣常的方式 傳遞轉(zhuǎn)動運動和沖擊。鉆桿ll包括用于輸送沖洗介質(zhì)的通道。用于沖 洗介質(zhì)的主通道設(shè)置在鉆頭內(nèi)部。該主通道在其前端與許多出口在前 端表面的分支通道連通。沖洗介質(zhì)在實踐中是水、水泥或空氣。
導(dǎo)向部鉆出相對于孔22具有較小的直徑和長度的導(dǎo)向孔22A。導(dǎo) 向部14的長度被定義為在平行于擴孔部中心線CL2的方向上，導(dǎo)向 部的最前方的部分和最前方的擴孔球齒18C之間的距離。該長度至少 為10mm且不超過60mm，以提供給鉆頭良好的導(dǎo)向作用和良好的使用 壽命。
在該實施方式中，(當(dāng)鉆頭16被設(shè)置成在鉆孔時經(jīng)歷左旋時)擴 孔球齒包括前端球齒18A和尾端球齒18B和18C。如圖2A至圖2C最 好地示出，球齒圍繞鉆孔軸線CL1以相等間隔成角度地間隔開，并且 它們被設(shè)置在具有扇形角度6的扇形S中。在某些情況下，間隔可以 是不同的，即是不相等的。應(yīng)當(dāng)注意到，扇形的徑向臂行進通過相應(yīng)
8的盡頭端球齒18A和18C的中點。該角度e小于120。且優(yōu)選小于卯°。 在所示形式中該角度約為76°。
除了成角度間隔開外，球齒18A、 18B和18C還相對于彼此軸向 地間隔開。還是在所示形式中，該軸向位移是恒定的，尾端球齒18B 和18C的每一個均朝鉆頭16的前端27與其前面相鄰的球齒間隔開。 在以該角度間隔和軸向間隔的情況下，球齒18A、 18B和18C排列在 一條弧線上，該弧線形成螺旋PD的一部分，該螺旋PD具有恒定的半 徑和螺距并具有對垂直于鉆孔軸線的平面傾斜的螺旋角a。在所示實施 方式中，球齒之間具有相同的高度差?？蛇x地，例如，就對于較寬范 圍的穿過速率執(zhí)行得更好的能力來說，軸向間隔可以不同，以獲得更 大靈活性。如將在下面參考圖3更詳細(xì)討論的，螺旋角a改變鉆孔尖 端的穿過外形，且最有效的螺旋角取決于鉆孔條件且具體是穿過速率。 典型地，螺旋角a在5-10°的范圍內(nèi)，且所示形式為近似8°。
具體在擴孔球齒18A、 18B和18C被限制到由扇形角度0界定的 小扇形的本發(fā)明的情況下，擴孔球齒18A、 18B和18C的定向被設(shè)計 成提高鉆頭的效率。在鉆孔期間，擴孔球齒都旋轉(zhuǎn)(圍繞軸線CL1) 并使其撞擊巖石表面。每次撞擊引起鉆頭沿鉆孔方向F移動。結(jié)果， 該組合的旋轉(zhuǎn)和軸向運動使擴孔球齒18A、 18B和18C遵循恒定的半 徑和螺距的大致螺旋路徑PC，如圖3所示。預(yù)期的螺距PC能夠由鉆 頭的鉆孔速度(穿過/時間的比率)和旋轉(zhuǎn)速率決定。
與擴孔球齒與鉆孔軸線的法向?qū)R的布置結(jié)構(gòu)相比，通過在鉆頭 上形成以按相反方向繞成預(yù)期的螺旋切削路徑PC的部分螺旋PD形式 的擴孔球齒，可以實現(xiàn)更有效的鉆孔。具體來說，擴孔球齒更好地提 供給切削面，使得擴孔部19上的反作用力在擴孔球齒(18A、 18B、 18C) 的每一個上更均勻地分布，且其中每個球齒需要切割大致相等部分的 巖石。如果擴孔球齒垂直于鉆孔軸線，那么大部分工作由前端球齒18A 完成。此外，通過使擴孔球齒軸向移位接近切削螺旋PC的螺距的量D(參見圖3)，使鉆頭能夠在每一次旋轉(zhuǎn)時一致地通過巖石移動。具體 來說，在一次旋轉(zhuǎn)結(jié)束和下一次旋轉(zhuǎn)開始之間沒有明顯的不連續(xù)。當(dāng) 擴孔部移動到旋轉(zhuǎn)結(jié)束時，擴孔球齒在正確的位置提供給巖石表面以
開始下一次旋轉(zhuǎn)，其中在旋轉(zhuǎn)結(jié)束時的前端球齒18A的位置和在旋轉(zhuǎn)
開始時的切削面的位置之間沒有明顯大的間隙。之前，在擴孔球齒垂
直于鉆孔軸線定位時，在擴孔部沿其螺旋切削路徑PC行進到巖石內(nèi) 時，存在鉆頭"咬"入巖石表面內(nèi)的趨勢。
應(yīng)當(dāng)理解，盡管在作為螺旋PC的螺距(由扇形角度e計算)的百 分?jǐn)?shù)形成距離D時可以實現(xiàn)最佳性能，但是與沒有這樣的移位的布置 相比，引入到擴孔球齒上的某個螺距(或軸向移位)實現(xiàn)了改進的性 能。因此，本發(fā)明不限于距離D和預(yù)期的切削螺旋路徑PC之間的特定 關(guān)系。
為了在鉆孔期間將鉆頭支撐在孔內(nèi)，鉆頭的外表面31包括至少一 個支承區(qū)域32，在使用中，該支承區(qū)域32被設(shè)置成支承在孔的內(nèi)壁上， 從而有助于將鉆頭保持在其正確的方位。在本發(fā)明的形式中，該支承 區(qū)域沿鉆頭16在擴孔部19下面的表面的長度設(shè)置。該區(qū)域形成圍繞 鉆桿11定位的裙部的一部分。在另一形式中，支承區(qū)域可設(shè)置在擴孔 部外表面的僅一部分上，例如，緊靠擴孔球齒18的下面和/或鄰近鉆頭 16的尾端28。
如將理解的，橫截面(垂直于鉆孔軸線)使得外表面距鉆孔軸線 的徑向距離關(guān)于鉆頭變化。支承區(qū)域32設(shè)置在鉆頭表面31的最外面 的部分處，并且被構(gòu)造成在不變的徑向距離處關(guān)于鉆孔軸線成角度延 伸。該徑向距離對應(yīng)于由擴孔部19形成的孔22的半徑。這在圖4中 最好地示出。
支承區(qū)域32通常包括耐磨裝置，以便為比主要鉆頭本體更硬的材 料。盡管支承區(qū)域32可以關(guān)于鉆孔軸線大致線性延伸(且可為脊或肋等的形式)，但在所示形式中，支承區(qū)域也相對于鉆孔軸線軸向延伸， 并且因此為支承表面的形式。該支承表面可以從擴孔部的前端延伸到 尾端，僅為沿表面的一部分，或者如上面提到的，可以是若干分離的 部分，從而形成多個支承區(qū)域。
圖1A-1G示出一步到位的巖石螺栓連接設(shè)備10的操作。鉆頭16 連接到鉆桿ll，例如被螺紋連接到鉆桿11。比如標(biāo)準(zhǔn)鉆機臺的鉆孔機 器保持鉆桿。螺栓21優(yōu)選地圍繞鉆桿自動地進給并且在鉆孔方向F上 定位在鉆頭16之后。圖1A中，導(dǎo)向部14基本上鄰接巖石，使得不久 之后，在環(huán)形內(nèi)插期間，導(dǎo)向部14將加工巖石表面。然后導(dǎo)向部14 找到其確切中心并開始在中心鉆孔，與此同時鉆桿11同時地繞著導(dǎo)向 部中線CL1開始擺動。隨后擴孔部19與巖石表面相接觸并開始對由導(dǎo) 向部14形成的孔進行擴孔，且支承區(qū)域32頂靠著孔22的內(nèi)壁定位， 以支撐鉆頭16。短時間之后，螺栓21達(dá)到該孔并且其被強制進入該孔， 如圖1C所示。螺栓21通常與鉆頭16在軸向上分隔開。螺栓21的直 徑優(yōu)選小于孔22的直徑。鉆頭16繼續(xù)對孔22進行鉆削并且對孔22 進行擴孔，同時螺栓被鉆孔機器的連接套筒26向前推動，參見圖1D， 直到不同部分的進給被停止為止?？?2的深度基本上由螺栓21的長 度決定，即，當(dāng)位于螺栓尾端的墊圈23到達(dá)孔的巖石表面或者孔的入 口時，進一步的進給將會被停止，參見圖1E。在鉆孔機器上存在錨固 螺栓推動件。該螺栓推動件為由鉆桿驅(qū)動的連接套筒26或者墊盤工具 (dolly tool)。墊盤工具在插入期間通常與鉆桿和螺栓一起旋轉(zhuǎn)。但是 在例如為機械錨固螺栓的情況下，例如螺栓可以被保持使其在插入期 間不旋轉(zhuǎn)。墊盤工具在完全插入時能夠扭轉(zhuǎn)錨固螺栓。墊盤工具還能 夠沿鉆桿滑動，以允許機械漲殼螺栓(shell bolt)以及灌漿螺栓被更容 易地安裝。圖1E示出完全插入的錨固螺栓21，鉆桿和鉆頭還處在錨固 螺栓中。推動件將板推到巖石表面。墊圈可以是具有中心孔的寬松的 常規(guī)板，該板與螺栓尾端的凸出部分24協(xié)作。然后，鉆頭從導(dǎo)向孔22A 中收回，參見圖1F。優(yōu)選的是，螺栓和鉆頭之間的軸向間隔大于導(dǎo)向 孔22A的深度，使得螺栓的前端不會干涉鉆頭的收回。鉆頭和鉆桿能夠被完全收回并且能夠再次用于重復(fù)的鉆孔操作。
驅(qū)動所述設(shè)備10的機器能夠是頂錘鉆孔機、純旋轉(zhuǎn)機器或者潛孔 鉆設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的鉆頭提供了良好的切削和導(dǎo)向，并提供令人滿意的 鉆孔效果。
本申請要求瑞典專利申請No.0700383-3和No.0700384-1的優(yōu)先
權(quán)，這兩個專利申請的公開內(nèi)容在此通過引用并入本文。
這里描述的本發(fā)明容易進行除那些明確描述之外的變化、修改和/ 或添加，并且應(yīng)理解，本發(fā)明包括所有這些落入權(quán)利要求范圍內(nèi)的變 化、修改和/或添加。
權(quán)利要求
1.一種鉆頭(16)，所述鉆頭(16)能夠圍繞鉆孔軸線(CL1)旋轉(zhuǎn)，所述鉆頭具有在鉆孔軸線方向上間隔開的前端(27)和尾端(28)，并且所述鉆頭包括鉆頭本體(25)以及相對于旋轉(zhuǎn)方向的前端第一巖石加工裝置(18A)和至少一個其它的尾端第一巖石加工裝置(18B、18C)，所述前端第一巖石加工裝置和尾端第一巖石加工裝置被設(shè)置在鉆頭本體上并且圍繞所述鉆孔軸線彼此以一定角度地間隔開，其特征在于，所述尾端第一巖石加工裝置(18B、18C)中的至少一個還在朝向所述鉆頭(16)的所述前端(27)的方向上與所述前端第一巖石加工裝置(18A)軸向地間隔開。
2. 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中每一個所述尾端第一巖石加工 裝置(18B、 18C)和其前面相鄰的第一巖石加工裝置(18A、 18B)之 間的角度間隔是相同的或不同的。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的鉆頭，其中所述尾端第一巖石加工裝 置(18B、 18C)的每一個在朝向所述前端(27)的方向上與其前面相 鄰的第一巖石加工裝置(18A、 18B)軸向地間隔開。
4. 如權(quán)利要求3所述的鉆頭，其中每一個所述尾端第一巖石加工 裝置(18B、 18C)和其前面相鄰的第一巖石加工裝置U8A、 18B)之 間的軸向間隔是相同的或不同的。
5. 如權(quán)利要求l、 2、 3或4所述的鉆頭，其中所述第一巖石加工 裝置(18A、 18B、 18C)的角度間隔和軸向間隔使得所述第一巖石加 工裝置以具有大致恒定的半徑和螺距的螺旋PD的弧線形式被設(shè)置在 所述鉆頭本體(25)上。
6. 如權(quán)利要求5所述的鉆頭，其中相對于垂直于所述鉆孔軸線的平面的螺旋角為約5°至10°。
7. 如前述權(quán)利要求的任一項所述的鉆頭，其中所述第一巖石加工 裝置(18A、 18B、 18C)被圍繞所述鉆孔軸線設(shè)置在具有扇形角度0 的扇形內(nèi)。
8. 如權(quán)利要求7所述的鉆頭，其中所述扇形角度e小于120°且優(yōu) 選小于90°。
9. 如前述權(quán)利要求的任一項所述的鉆頭，其中所述鉆頭具有設(shè) 置在所述鉆孔軸線(CL1)上的導(dǎo)向部(14);以及擴孔部(19),所 述擴孔部(19)偏離所述導(dǎo)向部(14)并且包括端表面(28),所述 第一巖石加工裝置(18A、 18B、 18C)設(shè)置在所述端表面上，而所述 導(dǎo)向部(14)在所述前端(27)的方向上軸向地移位離開所述擴孔部(19)。
10. 如前述權(quán)利要求的任一項所述的鉆頭，其中所述鉆頭本體 (25)具有外表面(31)，所述外表面(31)在所述前端(27)和所述尾端(28)之間延伸，并且所述外表面(31)在垂直于所述鉆孔軸 線(CL1)的截面上不一致地徑向移位離開所述鉆孔軸線，而所述外表 面(31)包括形成所述外表面(31)的最外面徑向部分的支承區(qū)域(32)， 其特征在于，所述支承區(qū)域(32)圍繞所述鉆孔軸線有角度地延伸。
11. 如權(quán)利要求IO所述的鉆頭，其中所述支承區(qū)域(32)還相對 于所述鉆孔軸線(CL1)軸向地延伸，從而形成支承表面。
12. 如從屬于權(quán)利要求9時的權(quán)利要求10或11所述的鉆頭，其 中所述支承區(qū)域(32)形成在所述擴孔部上。
13. 如權(quán)利要求10、 11或12所述的鉆頭，其中所述支承區(qū)域(32) 包括耐磨裝置。
14. 如權(quán)利要求10、 11、 12或14所述的鉆頭，其中所述支承區(qū) 域鄰近所述鉆頭的所述尾端設(shè)置。
15. —種一步到位的鉆孔設(shè)備，包括鉆孔裝置和錨固螺栓(21)， 其特征在于，所述鉆孔設(shè)備包括如權(quán)利要求1-14所述的一體式鉆頭(16)。
全文摘要
本發(fā)明涉及鉆頭(16)和一步到位的鉆孔設(shè)備(10)。這種一體式鉆頭(16)可圍繞鉆孔軸線(CL1)旋轉(zhuǎn)并具有適合于剛性連接到鉆桿的連接部；導(dǎo)向部(14)；和擴孔部(19)。所述擴孔部具有在由扇形角度θ限定出的扇形(S)內(nèi)設(shè)置在導(dǎo)向部(14)的一側(cè)上的前端和至少一個尾端第一巖石加工裝置(18A、18B、18C)。所述尾端第一巖石加工裝置(18B、18C)中的至少一個在朝鉆頭(16)的尾端(28)的方向上與前端第一巖石加工裝置(18A)軸向地間隔開。
文檔編號E21B10/64GK101589206SQ200880003079
公開日2009年11月25日 申請日期2008年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月14日
發(fā)明者皮埃爾·拉瓦 申請人:山特維克知識產(chǎn)權(quán)股份有限公司