Буровое долото, буровая штанга и самосверлящая штанга анкерной крепи
Настоящая группа изобретений касается бурового долота, в частности, для бурения скальной породы, и относится к буровым штангам и штангам известного типа, таким как анкерные болты или штанги анкерной крепи, и к аналогичным штангам самосверлящего типа. Техническим результатом является повышение надежности и сокращение времени на крепление горной выработки. Буровое долото содержит средство для прикрепления к концу буровой штанги и ведущий конец, который образует пару диаметрально противоположных прорезей, открытых по направлению оси для приема участка торца бурового долота, выступающего по оси от прорезей. Резец бурового долота прочно закреплен внутри каждой из прорезей. Кроме того, буровая штанга или самосверлящая штанга анкерной крепи имеет удлиненный корпус с центральным рассверленным отверстием. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение касается бурового долота, в частности, для бурения скальной породы. Изобретение, в частности, относится к буровым штангам и штангам известного типа, таким как анкерные болты или штанги анкерной крепи (в дальнейшем называемым "штанги анкерной крепи"), и к аналогичным штангам самосверлящего типа.
Штанги анкерной крепи обычно используют в подземной горнодобывающей промышленности для поддерживания стен и/или кровли выкопанных туннелей и горных выработок, предохраняя их от разрушения и обвала. Штанги анкерной крепи обычно применяют при начальном бурении направляющей скважины небольшого диаметра в боковой породе, и после этого в нее вставляют штангу анкерной крепи. Штангу закрепляют внутри скважины обычно с помощью твердеющего клея типа смолы или цемента строительного раствора. Иначе, штангу анкерной крепи можно выполнять с возможностью сцепления с внутренней стеной направляющей горной выработки посредством винтовой или разжимной муфты, и обычно используют комбинацию твердеющего клея и блокировочного устройства.
Самосверлящие штанги анкерной крепи имеют предельную глубину бурения, которую простая штанга анкерной крепи не имеет. Если использовать самосверлящую штангу анкерной крепи, саму штангу можно приводить в движение для бурения боковой породы, и когда штанга достаточно проникает в стену, можно применить подходящие средства крепления типа твердеющей смолы. Поэтому самосверлящая штанга анкерной крепи увеличивает скорость, с которой штанги анкерной крепи можно устанавливать, потому что она устраняет необходимость удаления бура из направляющей скважины для введения штанги анкерной крепи. Фактически действие бурения и введение заканчиваются в одно и то же время. Предпочтительно, это означает, что буровой мастер находится рядом с незакрепленной стеной, или находится под незакрепленной кровлей в течение значительно уменьшенного периода времени, при этом снижая риск травматизма для таких мастеров.
В патенте США №6309159 раскрыта самосверлящая штанга анкерной крепи, которая имеет удлиненный корпус штанги и резец бурового долота, прикрепленный к его ведущему концу. Резец бурового долота продолжается через конец штанги и поддерживается напротив пары разнесенных в радиальном направлении, продолжающихся по оси опорных элементов, которые зацепляют резец бурового долота на его противоположных сторонах. На практике резец прикрепляют к опорным элементам сваркой, пайкой или пайкой твердым припоем.
В самосверлящей штанге анкерной крепи по патенту США 6309159 тип механизма, используемого для прикрепления резца к опорным элементам, добавляет существенную стоимость к штанге анкерной крепи, поскольку операция сварки, пайки или пайки твердым припоем должна быть тщательно выполнена для обеспечения целостности соединения при весьма агрессивных условиях бурения.
Дополнительное неудобство состоит в самой обычной форме соединения, которая является пайкой твердым припоем, потому что пайка твердым припоем требует дорогостоящего индукционного оборудования для производства на поточной линии. Также при соединении пайкой твердым припоем часто возникают проблемы концентричности между резцом и корпусом штанги или шейкой, потому что во время пайки твердым припоем трудно поддерживать надлежащее концентрическое выравнивание.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить буровое долото для буровой штанги и/или самосверлящей штанги анкерной крепи, которое обеспечивает альтернативное соединительное устройство между резцом бурового долота и ведущим концом штанги или штанги анкерной крепи для улучшения соединения между ними и/или облегчения соединения с помощью различных средств для описанных выше устройств.
Согласно настоящему изобретению предложено буровое долото для прикрепления к удлиненной буровой штанге, причем упомянутое буровое долото содержит средство для прикрепления к концу упомянутой буровой штанги, ведущий конец которой определяет пару диаметрально противоположных прорезей, которые открыты по направлению оси для приема участка резца бурового долота, который выступает по оси от прорезей, при этом резец бурового долота прочно закреплен внутри каждой из упомянутых прорезей.
Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает буровую штангу, к который прикреплено буровое долото, как описано выше.
Настоящее изобретение также дополнительно обеспечивает буровую штангу, которая образована как самосверлящая штанга анкерной крепи, к которой прикреплено буровое долото, как описано выше. В качестве альтернативы, изобретение обеспечивает самосверлящую штангу анкерной крепи, в которой буровое долото выполнено за одно целое со штангой на одном своем конце.
Настоящее изобретение предпочтительно обеспечивает чрезвычайно прочное местонахождение резца бурового долота в буровом долоте. Резец бурового долота может быть отдельной деталью или резцом "лопаты", которая продолжается радиально через ведущий конец бурового долота, или его можно образовать парой резцов или "законцовок крыла", каждая из которых принимается внутри одной из пары прорезей. В последнем устройстве пара резцов разделена, и когда установлена в соответствующих прорезях, резцы разделены центральным или осевым зазором. Если резец бурового долота является отдельной деталью, его закрепляют на его противоположных сторонах и на каждом из его противоположных концов. Каждое из этих устройств облегчает предпочтительное использование связующего клея для крепления резца бурового долота (либо отдельного резца, либо резца, состоящего из двух деталей) на месте вместо устройств предыдущей техники, в которых используется сварка, пайка или пайка твердым припоем, хотя изобретение включает в себя в пределах своего объема закрепление такими средствами. Предпочтительное использование клея облегчается увеличенной площадью поверхности, предназначенной для соединения между резцом бурового долота и поверхностями прорези. Эта увеличенная площадь поверхности означает, что между прорезями и резцом бурового долота можно образовать адекватное связующее соединение, которое невозможно, или которое ненадежно, когда резец бурового долота закреплен только на одной поверхности, или на опорной поверхности, как в предыдущей технике. В таких устройствах предыдущей техники использование связующего клея не является подходящим.
Преимущество прикрепления резца бурового долота на месте связующим клеем состоит в том, что с клеем намного легче обращаться и применять его, и не требуется введения оборудования такого вида, которое теперь используют в некоторых безклеевых применениях. Также обеспечение прорезей является, например, более надежным удерживанием резца бурового долота на месте при его прикреплении к буровому долоту.
Буровое долото предпочтительно включает в себя пару продолжающихся по оси опорных элементов, образующих прорези, которые принимают резец бурового долота (в дальнейшем выражение "резец бурового долота" будет включать в себя и отдельную деталь, и резец, состоящий из двух деталей). Опорные элементы можно образовывать любым подходящим способом, например механической обработкой или литьем по выплавляемым моделям, или с помощью другого подходящего технологического процесса. Предпочтительно опорные элементы имеют ведущие и сбегающие концы, и каждая прорезь образована направленной к ведущему концу, а не к сбегающему концу. Это облегчает уменьшение до минимума объема или массы опорных элементов, потому что большая часть нагрузки, которую резец бурового долота испытывает во время бурения, передается к сбегающему концу режущих элементов, тогда как ведущие концы испытывают относительно маленькую нагрузку. Соответственно, ведущий конец может иметь относительно уменьшенную толщину по сравнению со сбегающим концом.
Прорезь, образованная в каждом режущем элементе, предпочтительно является в общем прямоугольной в поперечном сечении и имеет глубину, достаточную для размещения почти полной высоты резца бурового долота, хотя глубину прорезей можно изменять в радиальном направлении с изменением высоты резца бурового долота. Если необходимо, прорезь ведущего или сбегающего конца может иметь уменьшенную высоту по сравнению с прорезью другого из концов. В частности, ведущий конец может иметь заданную уменьшенную высоту, которая подвергается относительно низкой нагрузке во время бурения по сравнению со сбегающим концом. Ширина поперечного сечения каждой прорези предпочтительно приблизительно равна, хотя и немного больше, чем ширина поперечного сечения резца бурового долота, для плотной посадки резца бурового долота внутри каждой прорези. Радиальная длина каждой прорези может быть равна толщине стенки бурового долота относительно сквозного рассверленного отверстия так, что прорези можно образовывать через всю толщину стенки, и нет необходимости образовывать их меньшими или большими, чем эта толщина. Основание каждой прорези обычно является плоским и продолжается в общем перпендикулярно продольной оси штанги или штанги анкерной крепи, к которой буровое долото прикрепляют, в то время как верхние концы каждой прорези могут находиться под углом или наклоняться под таким же или подобным углом к режущей кромке резца бурового долота. Такие резцы бурового долота часто наклонены на их противоположных сторонах к вершине центральной части, и для надлежащей поддержки верхние края прорези могут иметь такую же или подобную наклонную конфигурацию.
Буровое долото предпочтительно включает в себя центральное рассверленное отверстие, которое при использовании предпочтительно выравнивают соосно с рассверленным отверстием, образованным в буровой штанге. Устройство предпочтительно является таким, что центральное рассверленное отверстие бурового долота открыто на ведущем конце так, что промывочную среду, которую используют для вымывания пройденной бурением пустой породы из буровой скважины и, в случае самосверлящих штанг анкерной крепи, клей, который используют для прикрепления штанги на месте в скальной породе, можно нагнетать через центральное рассверленное отверстие и буровой штанги или штанги анкерной крепи, и бурового долота и выводить их на поверхность через ведущий конец. Опорные элементы можно выполнять так, чтобы предоставить возможность выхода на поверхность промывочной среды и клея из центрального рассверленного отверстия. Этого можно достигнуть размещением режущих элементов на диаметрально противоположных сторонах центрального рассверленного отверстия так, что рассверленное отверстие открыто с обеих сторон резца бурового долота, который продолжается через открытый конец рассверленного отверстия.
В предпочтительном устройстве резец бурового долота продолжается диаметрально с его обеих сторон за пределы внешней периферии штанги анкерной крепи на ведущем конце. Другими словами, радиальная протяженность резца бурового долота больше, чем диаметр штанги анкерной крепи на ведущем конце.
Если для прикрепления резца бурового долота к ведущему концу используют клей, можно применять любой подходящий клей. Например, можно применять эпоксидную смолу. Предпочтительно, использование клея упрощает изготовление штанги анкерной крепи, потому что резец бурового долота можно приклеивать к ведущему концу и оставлять клей для отверждения (возможно, при повышенной температуре) без требуемой дополнительной обработки.
На прилагаемых чертежах изображен в качестве примера вариант осуществления изобретения вышеизложенного вида. Особенность этих чертежей и связанного описания не заменяет собой общую часть предыдущего широкого описания изобретения.
На Фиг.1 изображен ведущий конец штанги анкерной крепи согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На Фиг.2 представлен вид сверху штанги анкерной крепи Фиг.1.
На Фиг.3 представлен радиальный вид штанги анкерной крепи Фиг.1.
На Фиг.4 представлен дополнительный вид сбоку штанги анкерной крепи Фиг.1, повернутой приблизительно на 90° относительно вида на Фиг.3.
На Фиг.1 изображен ведущий конец самосверлящей штанги (10) анкерной крепи согласно одному объекту настоящего изобретения. Обычно штанга (10) анкерной крепи может иметь длину приблизительно 1800-2400 мм и может включать в себя устройство для приведения в действие, для ее вращения с целью бурения. Такое устройство обычно расположено на сбегающем конце штанги анкерной крепи и оно может содержать конец, образующий квадрат или шестиугольник для зажимания в патроне, или его можно образовать в виде гайки. Буровые штанги в общем приводят в действие, зажимая конец в патроне, тогда как штанги анкерной крепи обычно приводят в действие гайкой, которую позже используют для затягивания штанги на месте.
Штангу (10) анкерной крепи обычно выполняют в виде цилиндра, имеющего круглую внешнюю поверхность и центральное круглое рассверленное отверстие. Внешнюю поверхность можно образовать с ребрами, которые усиливают надежное закрепление штанги в стене, а ребра можно образовать в виде резьбы. Часто резьбу образуют прерывистой для создания продольного плоского участка (без резьбы) предпочтительно на каждой из противоположных сторон штанги. Это облегчает перекачку пройденной бурением скальной пустой породы к сбегающему концу штанги для удаления. Такому удалению может помочь промывочная среда, которую можно нагнетать к ведущему концу через центральное рассверленное отверстие для подачи ее оттуда. Однако можно иметь непрерывную резьбу, которая продолжается по существу по всей длине штанги, и в такой штанге резьбу можно сделать глубже, чтобы способствовать клиренсу пустой породы.
Поскольку новые признаки штанги анкерной крепи присутствуют в конструкции ее ведущего конца, никакое дополнительное описание других частей штанги (10) анкерной крепи не приведено.
Штанга (10) анкерной крепи имеет ведущий конец (11), который определяет буровое долото для бурения в скальной породе. Буровое долото включает в себя пару опорных элементов (12, 13), которые продолжаются по оси от ведущего конца (11). Опорные элементы (12, 13) расположены на диаметрально противоположных сторонах ведущего конца (11). Каждый опорный элемент (12, 13) имеет сбегающий участок (14) и ведущий участок (15), которые образуют между собой прорези (16, 17). Прорези (16, 17) вмещают резец (18) бурового долота, который в показанном варианте осуществления продолжается диаметрально поперек ведущего конца (11).
Резец (18) бурового долота имеет пару наклонных режущих кромок (19, 20) (см. Фиг.3), которые наклонены к центральной верхней части (21). Резец (18) бурового долота определяет пару продолжающихся по оси радиальных граней (22, 23), которые продолжаются снаружи внешней цилиндрической периферии (24) ведущего конца (11). Грани (22, 23) образованы в виде режущих кромок, так что резец (18) бурового долота рассверливает отверстие большего диаметра, чем диаметр ведущего конца (11) и остального корпуса штанги анкерной крепи, который зависит от ведущего конца.
Между сбегающим участком (14) одного из опорных элементов (12, 13) и ведущим участком (15) другого из таких опорных элементов, на каждой стороне бурового долота (18), ведущий конец наклонен для образования фестончатых лицевых поверхностей (25). Благодаря такому устройству обеспечен передний клиренс для бурового долота (18) для облегчения его действия бурения.
Штанга (10) анкерной крепи включает в себя центральное рассверленное отверстие (26), и на Фиг.2 можно видеть, что рассверленное отверстие (26) открыто на ведущем конце (11), с обеих сторон бурового долота (18), которое продолжается диаметрально поперек рассверленного отверстия и ведущего конца. Рассверленное отверстие (26) используют для перекачки промывочной среды к ведущему концу (11) для того, чтобы смывать пройденное бурением вещество с ведущего конца (11) назад и из буровой скважины, и для того, чтобы вводить твердеющее связующее вещество для закрепления штанги (10) анкерной крепи внутри буровой скважины. Рассверленное отверстие (26) может иметь различные формы и может включать в себя разветвленные каналы, которые продолжаются от рассверленного отверстия (26), для достижения другого распределения промывочной среды или связующего вещества.
Как показано на чертежах, резец (18) бурового долота вводится или размещается внутри прорезей (16, 17). Прорези (16, 17) поддерживают резец (18) бурового долота вдоль его основания и вдоль его передней и задней лицевых поверхностей (27, 28). При такой поддержке связующий клей можно использовать для прикрепления резца (18) бурового долота к ведущим концам. Подходящим связующим клеем является Permabond ESP110. Благодаря образованию опорных элементов (12, 13) так, что их сбегающие участки (14) имеют большие объем или массу, чем их ведущие участки (15), сбегающие участки имеют большую допустимую несущую способность, чем ведущие участки, что является подходящим, поскольку это сбегающие участки, которые облегчают передачу привода к резцу (18) бурового долота, и сбегающие участки, которые принимают главную часть нагрузки резца бурового долота, испытываемой во время бурения. Ведущие участки (15) подвергаются значительно меньшей нагрузке, и поэтому является подходящим, что они имеют намного меньший объем, чем сбегающие участки. Ведущие участки в действительности действуют, только чтобы способствовать прочному прикреплению резца (18) бурового долота к ведущему концу (11), увеличивая площадь соединения для связующего соединения. Соответственно, отсутствие ведущих участков (15) подразумевает, что резец (18) бурового долота следует прикреплять к ведущему концу (11) другими способами типа сварки, пайки или пайки твердым припоем. Однако, поскольку ведущие участки (15) увеличивают площадь соединения, подходящими для использования становятся связующие клеи, обеспечивая преимущества, изложенные ранее.
Следует отметить, что самосверлящая штанга анкерной крепи, показанная на чертежах, имеет устройство бурового долота по изобретению, выполненное за одно целое с удлиненным корпусом штанги. Однако одинаково допустимо, чтобы буровое долото было выполнено отдельно от корпуса штанги и прикреплено к нему любым подходящим устройством прикрепления. Например, буровое долото можно выполнять для резьбового соединения с корпусом штанги. Кроме того, относительно буровых штанг, в общем необходимо, чтобы буровое долото было заменяемым, чтобы когда резец бурового долота износится, буровое долото можно было удалить и заменить. Самосверлящие штанги анкерной крепи не имеют такой необходимости, потому что штанга подвергается только одной операции бурения, при завершении которой штангу закрепляют внутри буровой скважины.
Конструкция бурового долота по настоящему изобретению и для буровых штанг, и для самосверлящих штанг анкерной крепи, которые используют настоящее изобретение, преимущественно облегчает предпочтительное использование связующего клея для прикрепления резца бурового долота к штанге, и следовательно, упрощает изготовление буровых штанг и самосверлящих штанг анкерной крепи и уменьшает их полную стоимость, а также стоимость связанного машинного оборудования, используемого в их изготовлении.
Описанное выше изобретение допускает изменения, модификации и/или другие дополнения, отличающиеся от описанных, и следует понимать, что изобретение включает в себя все такие изменения, модификации и/или дополнения, которые попадают в пределы сущности и объема вышеупомянутого описания.
1. Буровое долото для прикрепления к удлиненной буровой штанге, содержащее средство для прикрепления к концу буровой штанги, и ведущий конец, образующий пару диаметрально противоположных прорезей, открытых по направлению оси для приема участка резца бурового долота, выступающего по оси от прорезей, причем каждая прорезь образована парой продолжающихся по оси опорных элементов, каждый из которых имеет ведущий конец и сбегающий конец относительно направления вращения при бурении, причем каждая прорезь выполнена направленной к ведущему концу опорного элемента, при этом ведущий конец каждого опорного элемента имеет уменьшенную высоту относительно сбегающего конца, а указанный резец бурового долота прочно закреплен внутри каждой из прорезей связующим веществом.
2. Буровое долото по п.1, которое включает в себя центральное сквозное рассверленное отверстие, причем радиальная длина каждой прорези равна длине бурового долота между сквозным рассверленным отверстием и внешней поверхностью бурового долота.
3. Буровое долото по любому из пп.1 и 2, в котором каждая прорезь является в общем прямоугольной в поперечном сечении и имеет глубину для приема по существу полной высоты упомянутого резца бурового долота.
4. Буровое долото по п.3, в котором высота прорезей изменяется по их радиальной длине для приспособления к изменению высоты в резце бурового долота так, чтобы осевой выступ резца бурового долота от каждой прорези был по существу постоянным.
5. Буровое долото по п.1, в котором прорези имеют ширину поперечного сечения, немного превышающую толщину резца бурового долота для его плотной посадки внутри каждой прорези.
6. Буровое долото по п.1, в котором резец бурового долота является конструкцией, состоящей из одной детали, и продолжается радиально поперек ведущего конца бурового долота.
7. Буровое долото п.1, в котором резец бурового долота является конструкцией, состоящей из двух деталей, причем каждая деталь размещена внутри соответствующей прорези, а детали разделены по центру промежутком.
8. Буровое долото по п.1, в котором резец бурового долота закреплен внутри прорезей связующим клеем.
9. Буровое долото по п.1, в котором буровое долото включает в себя центральное сквозное рассверленное отверстие для выравнивания с центральным рассверленным отверстием буровой штанги.
10. Буровая штанга для бурения в скальной породе, содержащая удлиненный корпус и буровое долото на одном своем конце, центральное рассверленное отверстие, продолжающееся через удлиненный корпус и связанное с рассверленным отверстием в буровом долоте для перекачки промывочной среды через буровую штангу для выхода на поверхность через буровое долото, причем буровое долото имеет ведущий конец, образующий пару диаметрально противоположных прорезей, открытых по направлению оси для приема участка резца бурового долота, выступающего по оси от прорезей, при этом каждая прорезь образована парой продолжающихся по оси опорных элементов, каждый из которых имеет ведущий конец и сбегающий конец относительно направления вращения при бурении, причем каждая прорезь выполнена направленной к ведущему концу опорного элемента, при этом упомянутый ведущий конец каждого опорного элемента имеет уменьшенную высоту относительно сбегающего конца, а указанный резец бурового долота прочно закреплен внутри каждой из прорезей связующим веществом.
11. Буровая штанга по п.10, в которой буровое долото выполнено с возможностью отдельного прикрепления к удлиненному корпусу.
12. Самосверлящая штанга анкерной крепи для бурения и анкерного крепления в скальной породе, содержащая удлиненный корпус и буровое долото на одном своем конце, центральное рассверленное отверстие, продолжающееся через удлиненный корпус и соединенное с рассверленным отверстием в буровом долоте для перекачки среды через штангу анкерной крепи для выхода на поверхность через буровое долото во время бурения и во время закрепления штанги анкерной крепи, когда бурение закончено, причем буровое долото имеет ведущий конец, который образует пару диаметрально противоположных прорезей, открытых по направлению оси для приема участка резца бурового долота, который выступает по оси от прорезей, при этом каждая прорезь образована парой продолжающихся по оси опорных элементов, каждый из которых имеет ведущий конец и сбегающий конец относительно направления вращения при бурении, причем каждая прорезь выполнена направленной к ведущему концу опорного элемента, при этом ведущий конец каждого опорного элемента имеет уменьшенную высоту относительно сбегающего конца, а указанный резец бурового долота прочно закреплен внутри каждой из прорезей связующим веществом.
13. Самосверлящая штанга анкерной крепи по п.12, в которой буровое долото выполнено с возможностью отдельного прикрепления к удлиненному корпусу.
