钻头和一步到位的钻孔设备的制作方法

专利名称：钻头和一步到位的钻孔设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分所述的钻头和一步
到位(single pass)的钻孔设备。本发明参考了一步到位的钻孔来进行 描述，但是应理解，本发明的钻头不限于这种用途，且本发明可在较 宽范围的钻孔操作中找到应用。
背景技术：
强化挖掘的锚固螺栓的安装通常在两个不同的步骤中实现。通常， 孔被钻出并且在螺栓之前被抽出的钻杆和钻头被插入孔中并被收紧或 灌浆。 一步到位的锚固螺栓连接包括同时执行这两个步骤，并且还要 将钻杆移除以插入被排除的螺栓。 一步到位的螺栓连接的优点包括使 螺栓安装所需要的时间最少，与手工或半手工螺栓连接相比提高了钻 孔设备操作者的安全性，并增强了方法全自动化的前景。进一步的优 点是与手工或半手工螺栓连接相比，提高了锚固螺栓的安装质量和精
度。孔的直径在的摩擦的情况下对锚固螺栓性能是关键的，例如开口 固定螺栓。 一步到位的螺栓连接的又一优点是孔在收回钻头时不会坍 塌，这是因为螺栓已经在该孔内了。这样由于螺栓总是处于安装而产 生更高的效率；即不会有废孔。
致力于一步到位的螺栓连接的已有技术一般已经将端部附近设置 有钻头的创新型锚固螺栓作为目标，所述创新型锚固螺栓也起到钻杆 的作用。这样的设备通过旋转钻孔方法或旋转/冲击钻孔方法来使用， 并且这样的设备一般不适用于硬地面条件。现有的硬地面冲击锚固螺 栓不进行钻头的再利用，从而面临成本问题。存在各种各样的顶板螺 栓，且一种具体的形式是管状(例如开口栓、Swellex等)，其具有纵 向穿过螺栓形成的中心孔。适合于穿过壳体被抽出的钻头是复杂的，且因此是昂贵的。
瑞典专利申请No.0400597-l中提出的钻头具有扩孔部，该扩孔部 结合了关于钻头轴线非对称地设置的岩石加工元件。该结构允许形成 大于钻头直径的孔直径，从而允许穿过壳体移除钻头。然而，已经发 现钻头的穿过轮廓是非均匀的，从而在钻头上引起应力，这会降低钻 头的效率和使用寿命。
在已有的一步到位的锚固螺栓中，由于专用锚固螺栓的采用以及 任一复杂的可收回钻头的排他性使用，钻孔速度相对于钻头成本的成 本竞争被复杂化。然而除此之外，自钻孔顶板锚栓的安装优势仍大于 非自钻孔型的安装优势。

发明内容
发明目的
根据本发明的钻头的一个目的是基本克服以上提及的一个或多个 已有技术的有关问题，或者至少提供一种对其的替换方案。
本发明的另一目的是提供一种更有效的钻头和一步到位的钻孔设 备，从而使得一步到位的螺栓连接在采矿业的使用更具吸引力。
说明书全文中，除非上下文需要，否则词汇"包括"，或其变化 形式例如"含有"或"包含"将被理解为包括所述元素或元素组，但 并不排除任何其它元素或元素组的存在。


附图示出前述类型的本发明的示例性实施方式。这些附图的细节 和相关说明不影响本发明的在先的宽泛描述的概括。
图1A-1G概略示出一步到位的顶板螺栓连接的顺序。 图2A示出根据本发明的实施方式的钻头的前视图。图2B示出钻头的侧视图。 图2C示出钻头的前视图。 图3是岩石钻孔期间钻头的示意性侧视图。 图4示出与孔轮廓有关的钻头的前视图。
具体实施例方式
图1A-1G示出使用钻头16的一步到位的钻孔设备(single pass drilling apparatus) 10，图2A-2C更详细地示出钻头16。 一步到位的钻 孔设备10包括几个部件；例如细长的钻杆(drillsteel) 11，该钻杆ll
具有参考钻孔方向F的前端12和尾端(未示出)。前端12具有包括 螺纹、锥形或卡口连接(未示出)的连接部。 一体式钻头16设置有岩 石加工装置17和18A、 18B、 18C。钻头16可通过包括螺纹、锥形或 卡口连接(未示出)的连接部而连接于钻杆。钻杆ll和钻头构成钻孔 装置。 一步到位的钻孔设备IO进一步包括适合于至少部分包围钻杆11 的锚固螺栓21。锚固螺栓21具有若干开口端。钻头的最大直径尺寸小 于锚固螺栓21的最小直径。
一步到位的钻孔设备10的基本思想是当螺栓包围钻杆时钻孔， 然后收回钻头以再次使用。不存在钻头部件的损失。 一步到位的钻孔 设备10更详细地描述于瑞典专利申请No.0400597-l中，其公开内容在 此通过引用并入。
参见图2A至图2C，钻头16可被设计如下。 一体式钻头16包括 由钢制成的本体25和设置在本体上的岩石加工装置17、 18。本体25 具有前端27和尾端28，并包括两个一体部分，即导向部14和扩孔部 19，该导向部14足够得长以适当地引导整个设备10，其中该导向部 14的轴线CL1与孔22的轴线CL3重合。导向部14的中心轴线或中线 CL1在钻孔期间与岩石螺栓的中心轴线大致重合，因此它可被认为是 钻头的钻孔轴线，但轴线CL1在钻头收回过程中不与轴线CL3重合。 扩孔部19的中心轴线或中线CL2与钻杆11的轴线重合，但与孔22的轴线CL3大致间隔开。应当注意的是，导向部和扩孔部二者的横截面 均不是必须是圆形的，因此对于轴线CL1和CL2的参考应理解为对各 个部分的平均中线的参考。
岩石加工装置为硬质合金装置的形式，即为横刃和/或球齿 (button)。导向部14具有前表面29，该前表面29形成了钻头16的 前端27并带有沿直径方向延伸的横刃或两个沿直径方向相对的前球齿 (给出总体参考标记n)。扩孔部具有带有多个球齿18的前表面30; 在这种情况下是具有三个前球齿18A、 18B和18C。球齿18A、 18B和 18C可稍稍向扩孔部的外围外侧突出，以在钻孔期间加工出直径比钢本 体25大的孔22。扩孔部中的硬质合金球齿的数量能根据钻头直径的大 小变化。切削通道或凹槽能设置在相邻扩孔球齿之间的区域内，冲洗 介质能由此通过。
岩石钻头16将通过连接部而连接于钻杆11，以便以惯常的方式 传递转动运动和冲击。钻杆ll包括用于输送冲洗介质的通道。用于冲 洗介质的主通道设置在钻头内部。该主通道在其前端与许多出口在前 端表面的分支通道连通。冲洗介质在实践中是水、水泥或空气。
导向部钻出相对于孔22具有较小的直径和长度的导向孔22A。导 向部14的长度被定义为在平行于扩孔部中心线CL2的方向上，导向 部的最前方的部分和最前方的扩孔球齿18C之间的距离。该长度至少 为10mm且不超过60mm，以提供给钻头良好的导向作用和良好的使用 寿命。
在该实施方式中，(当钻头16被设置成在钻孔时经历左旋时)扩 孔球齿包括前端球齿18A和尾端球齿18B和18C。如图2A至图2C最 好地示出，球齿围绕钻孔轴线CL1以相等间隔成角度地间隔开，并且 它们被设置在具有扇形角度6的扇形S中。在某些情况下，间隔可以 是不同的，即是不相等的。应当注意到，扇形的径向臂行进通过相应
8的尽头端球齿18A和18C的中点。该角度e小于120。且优选小于卯°。 在所示形式中该角度约为76°。
除了成角度间隔开外，球齿18A、 18B和18C还相对于彼此轴向 地间隔开。还是在所示形式中，该轴向位移是恒定的，尾端球齿18B 和18C的每一个均朝钻头16的前端27与其前面相邻的球齿间隔开。 在以该角度间隔和轴向间隔的情况下，球齿18A、 18B和18C排列在 一条弧线上，该弧线形成螺旋PD的一部分，该螺旋PD具有恒定的半 径和螺距并具有对垂直于钻孔轴线的平面倾斜的螺旋角a。在所示实施 方式中，球齿之间具有相同的高度差。可选地，例如，就对于较宽范 围的穿过速率执行得更好的能力来说，轴向间隔可以不同，以获得更 大灵活性。如将在下面参考图3更详细讨论的，螺旋角a改变钻孔尖 端的穿过外形，且最有效的螺旋角取决于钻孔条件且具体是穿过速率。 典型地，螺旋角a在5-10°的范围内，且所示形式为近似8°。
具体在扩孔球齿18A、 18B和18C被限制到由扇形角度0界定的 小扇形的本发明的情况下，扩孔球齿18A、 18B和18C的定向被设计 成提高钻头的效率。在钻孔期间，扩孔球齿都旋转(围绕轴线CL1) 并使其撞击岩石表面。每次撞击引起钻头沿钻孔方向F移动。结果， 该组合的旋转和轴向运动使扩孔球齿18A、 18B和18C遵循恒定的半 径和螺距的大致螺旋路径PC，如图3所示。预期的螺距PC能够由钻 头的钻孔速度(穿过/时间的比率)和旋转速率决定。
与扩孔球齿与钻孔轴线的法向对齐的布置结构相比，通过在钻头 上形成以按相反方向绕成预期的螺旋切削路径PC的部分螺旋PD形式 的扩孔球齿，可以实现更有效的钻孔。具体来说，扩孔球齿更好地提 供给切削面，使得扩孔部19上的反作用力在扩孔球齿(18A、 18B、 18C) 的每一个上更均匀地分布，且其中每个球齿需要切割大致相等部分的 岩石。如果扩孔球齿垂直于钻孔轴线，那么大部分工作由前端球齿18A 完成。此外，通过使扩孔球齿轴向移位接近切削螺旋PC的螺距的量D(参见图3)，使钻头能够在每一次旋转时一致地通过岩石移动。具体 来说，在一次旋转结束和下一次旋转开始之间没有明显的不连续。当 扩孔部移动到旋转结束时，扩孔球齿在正确的位置提供给岩石表面以
开始下一次旋转，其中在旋转结束时的前端球齿18A的位置和在旋转
开始时的切削面的位置之间没有明显大的间隙。之前，在扩孔球齿垂
直于钻孔轴线定位时，在扩孔部沿其螺旋切削路径PC行进到岩石内 时，存在钻头"咬"入岩石表面内的趋势。
应当理解，尽管在作为螺旋PC的螺距(由扇形角度e计算)的百 分数形成距离D时可以实现最佳性能，但是与没有这样的移位的布置 相比，引入到扩孔球齿上的某个螺距(或轴向移位)实现了改进的性 能。因此，本发明不限于距离D和预期的切削螺旋路径PC之间的特定 关系。
为了在钻孔期间将钻头支撑在孔内，钻头的外表面31包括至少一 个支承区域32，在使用中，该支承区域32被设置成支承在孔的内壁上， 从而有助于将钻头保持在其正确的方位。在本发明的形式中，该支承 区域沿钻头16在扩孔部19下面的表面的长度设置。该区域形成围绕 钻杆11定位的裙部的一部分。在另一形式中，支承区域可设置在扩孔 部外表面的仅一部分上，例如，紧靠扩孔球齿18的下面和/或邻近钻头 16的尾端28。
如将理解的，横截面(垂直于钻孔轴线)使得外表面距钻孔轴线 的径向距离关于钻头变化。支承区域32设置在钻头表面31的最外面 的部分处，并且被构造成在不变的径向距离处关于钻孔轴线成角度延 伸。该径向距离对应于由扩孔部19形成的孔22的半径。这在图4中 最好地示出。
支承区域32通常包括耐磨装置，以便为比主要钻头本体更硬的材 料。尽管支承区域32可以关于钻孔轴线大致线性延伸(且可为脊或肋等的形式)，但在所示形式中，支承区域也相对于钻孔轴线轴向延伸， 并且因此为支承表面的形式。该支承表面可以从扩孔部的前端延伸到 尾端，仅为沿表面的一部分，或者如上面提到的，可以是若干分离的 部分，从而形成多个支承区域。
图1A-1G示出一步到位的岩石螺栓连接设备10的操作。钻头16 连接到钻杆ll，例如被螺纹连接到钻杆11。比如标准钻机台的钻孔机 器保持钻杆。螺栓21优选地围绕钻杆自动地进给并且在钻孔方向F上 定位在钻头16之后。图1A中，导向部14基本上邻接岩石，使得不久 之后，在环形内插期间，导向部14将加工岩石表面。然后导向部14 找到其确切中心并开始在中心钻孔，与此同时钻杆11同时地绕着导向 部中线CL1开始摆动。随后扩孔部19与岩石表面相接触并开始对由导 向部14形成的孔进行扩孔，且支承区域32顶靠着孔22的内壁定位， 以支撑钻头16。短时间之后，螺栓21达到该孔并且其被强制进入该孔， 如图1C所示。螺栓21通常与钻头16在轴向上分隔开。螺栓21的直 径优选小于孔22的直径。钻头16继续对孔22进行钻削并且对孔22 进行扩孔，同时螺栓被钻孔机器的连接套筒26向前推动，参见图1D， 直到不同部分的进给被停止为止。孔22的深度基本上由螺栓21的长 度决定，即，当位于螺栓尾端的垫圈23到达孔的岩石表面或者孔的入 口时，进一步的进给将会被停止，参见图1E。在钻孔机器上存在锚固 螺栓推动件。该螺栓推动件为由钻杆驱动的连接套筒26或者垫盘工具 (dolly tool)。垫盘工具在插入期间通常与钻杆和螺栓一起旋转。但是 在例如为机械锚固螺栓的情况下，例如螺栓可以被保持使其在插入期 间不旋转。垫盘工具在完全插入时能够扭转锚固螺栓。垫盘工具还能 够沿钻杆滑动，以允许机械涨壳螺栓(shell bolt)以及灌浆螺栓被更容 易地安装。图1E示出完全插入的锚固螺栓21，钻杆和钻头还处在锚固 螺栓中。推动件将板推到岩石表面。垫圈可以是具有中心孔的宽松的 常规板，该板与螺栓尾端的凸出部分24协作。然后，钻头从导向孔22A 中收回，参见图1F。优选的是，螺栓和钻头之间的轴向间隔大于导向 孔22A的深度，使得螺栓的前端不会干涉钻头的收回。钻头和钻杆能够被完全收回并且能够再次用于重复的钻孔操作。
驱动所述设备10的机器能够是顶锤钻孔机、纯旋转机器或者潜孔 钻设备。
根据本发明的钻头提供了良好的切削和导向，并提供令人满意的 钻孔效果。
本申请要求瑞典专利申请No.0700383-3和No.0700384-1的优先
权，这两个专利申请的公开内容在此通过引用并入本文。
这里描述的本发明容易进行除那些明确描述之外的变化、修改和/ 或添加，并且应理解，本发明包括所有这些落入权利要求范围内的变 化、修改和/或添加。
权利要求
1.一种钻头(16)，所述钻头(16)能够围绕钻孔轴线(CL1)旋转，所述钻头具有在钻孔轴线方向上间隔开的前端(27)和尾端(28)，并且所述钻头包括钻头本体(25)以及相对于旋转方向的前端第一岩石加工装置(18A)和至少一个其它的尾端第一岩石加工装置(18B、18C)，所述前端第一岩石加工装置和尾端第一岩石加工装置被设置在钻头本体上并且围绕所述钻孔轴线彼此以一定角度地间隔开，其特征在于，所述尾端第一岩石加工装置(18B、18C)中的至少一个还在朝向所述钻头(16)的所述前端(27)的方向上与所述前端第一岩石加工装置(18A)轴向地间隔开。
2. 如权利要求l所述的钻头，其中每一个所述尾端第一岩石加工 装置(18B、 18C)和其前面相邻的第一岩石加工装置(18A、 18B)之 间的角度间隔是相同的或不同的。
3. 如权利要求1或2所述的钻头，其中所述尾端第一岩石加工装 置(18B、 18C)的每一个在朝向所述前端(27)的方向上与其前面相 邻的第一岩石加工装置(18A、 18B)轴向地间隔开。
4. 如权利要求3所述的钻头，其中每一个所述尾端第一岩石加工 装置(18B、 18C)和其前面相邻的第一岩石加工装置U8A、 18B)之 间的轴向间隔是相同的或不同的。
5. 如权利要求l、 2、 3或4所述的钻头，其中所述第一岩石加工 装置(18A、 18B、 18C)的角度间隔和轴向间隔使得所述第一岩石加 工装置以具有大致恒定的半径和螺距的螺旋PD的弧线形式被设置在 所述钻头本体(25)上。
6. 如权利要求5所述的钻头，其中相对于垂直于所述钻孔轴线的平面的螺旋角为约5°至10°。
7. 如前述权利要求的任一项所述的钻头，其中所述第一岩石加工 装置(18A、 18B、 18C)被围绕所述钻孔轴线设置在具有扇形角度0 的扇形内。
8. 如权利要求7所述的钻头，其中所述扇形角度e小于120°且优 选小于90°。
9. 如前述权利要求的任一项所述的钻头，其中所述钻头具有设 置在所述钻孔轴线(CL1)上的导向部(14);以及扩孔部(19),所 述扩孔部(19)偏离所述导向部(14)并且包括端表面(28),所述 第一岩石加工装置(18A、 18B、 18C)设置在所述端表面上，而所述 导向部(14)在所述前端(27)的方向上轴向地移位离开所述扩孔部(19)。
10. 如前述权利要求的任一项所述的钻头，其中所述钻头本体 (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)之间延伸，并且所述外表面(31)在垂直于所述钻孔轴 线(CL1)的截面上不一致地径向移位离开所述钻孔轴线，而所述外表 面(31)包括形成所述外表面(31)的最外面径向部分的支承区域(32)， 其特征在于，所述支承区域(32)围绕所述钻孔轴线有角度地延伸。
11. 如权利要求IO所述的钻头，其中所述支承区域(32)还相对 于所述钻孔轴线(CL1)轴向地延伸，从而形成支承表面。
12. 如从属于权利要求9时的权利要求10或11所述的钻头，其 中所述支承区域(32)形成在所述扩孔部上。
13. 如权利要求10、 11或12所述的钻头，其中所述支承区域(32) 包括耐磨装置。
14. 如权利要求10、 11、 12或14所述的钻头，其中所述支承区 域邻近所述钻头的所述尾端设置。
15. —种一步到位的钻孔设备，包括钻孔装置和锚固螺栓(21)， 其特征在于，所述钻孔设备包括如权利要求1-14所述的一体式钻头(16)。
全文摘要
本发明涉及钻头(16)和一步到位的钻孔设备(10)。这种一体式钻头(16)可围绕钻孔轴线(CL1)旋转并具有适合于刚性连接到钻杆的连接部；导向部(14)；和扩孔部(19)。所述扩孔部具有在由扇形角度θ限定出的扇形(S)内设置在导向部(14)的一侧上的前端和至少一个尾端第一岩石加工装置(18A、18B、18C)。所述尾端第一岩石加工装置(18B、18C)中的至少一个在朝钻头(16)的尾端(28)的方向上与前端第一岩石加工装置(18A)轴向地间隔开。
文档编号E21B10/64GK101589206SQ200880003079
公开日2009年11月25日 申请日期2008年1月24日 优先权日2007年2月14日
发明者皮埃尔·拉瓦 申请人:山特维克知识产权股份有限公司