专利名称：用于单程锚栓连接的整体钻头以及单程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前序部分的钻头以及单程钻孔 设备。
背景技术：
用来强化挖掘的锚栓(anchorbolt)的安装通常在两个不同的步骤中 实现。通常，孔被钻出并且钻杆(drill steel)和钻头在锚栓被插入孔中 之前抽出并被收紧或灌浆。单程锚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锚栓。单程锚固的好处包括使螺 栓安装所需的时间最小化，与手工或半手工锚固相比提高钻孔设备操 作者的安全性，并增强了这种方法全自动化的前景。另一好处是与手 工或半手工锚固相比，提高了锚栓的安装品质和精度。孔的直径在摩擦(例如开口栓)的情况下对锚栓性能很关键。单程锚固的另一好处 是该孔在抽回钻头时不会坍塌，这是因为螺栓己经在该孔中了。由于 螺栓总被安装从而带来了更高的效率；即，将不会有废孔。致力于单程锚固的现有技术大体已经把创新型锚栓作为目标，后 者还作为钻杆，在其端部周围设置有钻头。这种设备通过旋转钻孔方 法或旋转/冲击钻孔方法来使用，并且通常不适合于坚硬的岩底条件。 目前的硬岩底冲击锚栓无法再利用钻头，从而面临成本问题。存在多 种顶叛镙^「并且，种特虔形^管状(例如开n栓-Swelkx等)的，—具 有纵向穿过螺栓的中心孔。适合于穿过壳体抽出的钻头复杂而昂贵。 在现有的单程锚栓中，由于专用锚栓的采用以及任一复杂的可抽回钻 头的排他性使用，钻孔速度对钻头成本的成本竞争力复杂化。然而除 此之外，自钻孔顶板螺栓的安装优势大于那些非自钻孔型。根据本发明的钻头的一个目的是基本克服以上提及的现有技术的 有关问题，或者至少提供一种替选方案。本发明的另一个目的是提供一种单程钻头。本发明还有另一个目的是提供钻头以及单程钻孔设备，其使用成 本更低，从而使得单程螺栓在采矿业的使用更有吸引力。本发明还有另一个目的是提供具有良好耐磨性的钻头。整个说明书中，除非行文需要，否则单词"包括"或其变形体将 被理解为包括所述元素或元素组，但并不排除其它元素或元素组的存 在。
附图显示了前述类型本发明实施例的例子。这些附图的细节和相 关说明不会影响本发明的在先的宽范围描述的概括。图1A-1G示意性地显示了采用根据本发明的钻头进行的单程顶板锚固的顺序。图2A显示了根据本发明的钻头以及杆部的侧面正视图。 图2B显示了钻头的前视图。 图3A显示了岩石钻孔期间钻头的侧面正视图。 图3B显示了岩石钻孔期间钻头的前视图。
具体实施方式
图1A-1G显示了根据本发明的单程钻孔设备10，其使用根据本发 明的钻头16，并且图2A-3B更详细地显示了根据本发明的钻头16。单程 钻孔设备10包括若干部分如具有相对于钻孔方向F的最前端12和最后端(未示出)的伸长的钻杆li。最前端12具有包括螺纹15、未示出的 锥形或卡口连接的连接部。整体钻头16具有岩石加工装置17和18A， 18B， 18C。钻头16可通过包括螺纹和锥形或卡口连接(未示出)的连 接部20与钻杆相连接。钻杆ll和钻头构成钻孔装置。单程钻孔设备IO 还包括适于至少部分包围钻杆11的锚栓21。锚栓21具有开口端。钻头 的最大径向尺寸小于锚栓21的最小直径。单程钻孔设备10的基本思想是当锚栓包围钻杆的时候钻孔，并且 随后抽出钻头以便再次使用。不存在钻头部件的损耗。单程钻孔设备 10在瑞典专利申请No.0400597-l中得以更详细地公开，该公开以引用的 方式结合在本文中。钻头16可被设计为如下，参见图2A和2B。整体钻头16具有两个整 体部分，即导向部14和扩孔部19，导向部14足够长，即其长度L能适当 地引导整个设备IO。导向部14的中心线或中线CL1与轴线CL3形成锐角 的第二角度a，该轴线CL3与扩孔部的第一中心线CL2平行延伸。角度 a从-20°到+20°，不包括(T，优选不小于+0.r并且不大于+15。，标号"+ " 在图2A和3A中显示出来。中线CL1在钻孔期间与孔22的轴线大致重合。 导向部14的中线CL1在钻孔期间还与锚栓21的中线大致重合，但在钻头 抽出期间不重合。当不钻孔时，扩孔部19的中心线或中线CL2与钻杆U 的中心线重合。应当注意的是，在径向截面上，导向部14和扩孔部19 都不必须是圆形或对称的，因此对于直线CU和CL2的参考应当被理解 为各个部分上平均中线的参考。整体岩石钻头16包括主体25以及硬质合金装置，即凿子和/或球齿 17, 18A, 18B， 18C。钻头的主体由钢制成。主体25包括大致圆柱形 导向部14以及大致圆锥形扩孔部19。导向部14可为圆锥形状以及扩孔 部19可为圆柱形状。导向部具有承载着径向延伸的凿子17或者两个或 多个径向大致对齐的前部球齿的前表面。扩孔部19具有圆形径向截面。 扩孔部具有承载一个或多个前部球齿的前表面；本发明中是三个前部球齿18A， 18B， 18C。前表面可以是凸面的或大致平面的。球齿18A， 18B和18C可在扩孔部上形成外围拱形。球齿18A， 18B， 18C可稍向扩 孔部的外围外突出，以在钻孔期间加工出直径比钢制主体25大的孔22。 扩孔部上硬质合金球齿的数目根据钻头直径的大小而发生改变。切屑 通道或凹槽可设置在相邻扩孔球齿之间的区域内，冲洗介质可以由这 里通过。岩石钻头16通过连接部被连接到钻杆11，从而以通常的方式 传递转动运动和撞击。钻杆ll包括输送冲洗介质的槽道。用于冲洗介 质的主槽道设置在钻头内部。该主槽道在其最前端与多个分支槽道连 通，该分支槽道出口在前表面。冲洗介质实际中为水、水泥或空气。 导向部钻出的导向孔22A相对于孔22具有较小的直径和长度。导向部14 的长度L被限定为在平行于扩孔部中心线CL2的方向上，导向部的最 前部分与最前面的扩孔球齿18A， 18B或18C之间的距离。长度L至少为 10mm并且不会超过60mm，以提供给钻头良好的导向以及良好的使用 寿命。该实施例中的扩孔球齿包括最前球齿18A，中间球齿18B和最后 球齿18C。在钻孔期间，加在扩孔部19上的最大反作用力施加到最前及 中间岩石加工装置18A和18B上。因此，穿过凿子17的轴向平面为形成 角度的，以使得它在最前及中间岩石加工装置18A和18B之间通过。用 另一种方式表达就是，假想直线S与中心线CL2的法线N形成锐角的第 一角度e ，该假想直线S优选是穿过岩石加工装置或凿子17并且垂直于 扩孔部19的中心线CL2的中间线。法线N与岩石加工装置或球齿18A相 交，该岩石加工装置或球齿I8A在钻头16的旋转方向R上位于最前。角 度3优选不小于(T并且不大于2(T。如果扩孔部19中的最前岩石加工装 置是球齿，那么法线N与其中心线相交。如果扩孔部19中的最前岩石加 工装置具有其它形状，那么法线N与其旋转方向R的最前点相交。在钻 孔期间，加在扩孔部19上的最大反作用力施加到最前及中间球齿18A和 18B上。岩石加工装置17此外至少延伸达到包络面50。因此，通过将岩 石加工装置17以一定关系相对于最前球齿18A定位，则导向部岩石加工 装置17的包络面50在钻孔期间能够在扩孔部最容易受到磨损的位置上 形成耐磨装置17'。所述耐磨装置17'由此与第一岩石加工装置整体形 成。与包络面50或钻头边缘51相接触并且平行于中心线CL2的切线T与导向部的边缘在其最前端形成径向距离X。距离X不为零并且优选不小于-5mm并且优选不大于+5mm。所描述的形状提供了良好的钻孔效果以及导向孔22A和导向部14 之间更好的接触表面。通过使导向部朝着扩孔部倾斜一些角度，能获 得更好的钻孔效果，这是因为钻杆在钻孔期间总是在相同方向上弯曲， 并且钻杆11的弯曲由于在边缘51的轴向下端52处接触而受到限制，所 述边缘51在轴向上处于球齿18A-18C之下。边缘的下端52可以通过表面 处理从而比钢制主体25的底座(rest)硬或者装备有硬质刀片以减小磨 损，所述下端52会与岩石接触。图1A-1G显示了单程岩石锚栓设备10的操作。图3A和3B对应图1C 中的例子。钻杆11的弯曲角度在图3A中被放大。钻头16例如通过螺纹 连接到钻杆ll上。例如标准钻机台的钻孔机器保持钻杆。螺栓21优选 绕着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基本上压靠着岩石，从而不久之后，在环形内插期间，导向 部14将加工岩石表面。随后导向部14会找到其确切中心并且开始在中 心钻孔，此时钻杆11同时地绕着导向部中线CL1开始摆动(图1B)。随 后扩孔部19与岩石表面相接触并且开始扩孔，该孔由导向部14所形成。 不久之后，螺栓21达到该孔并且其被压入该孔，如图1C所示。螺栓21 通常在轴向上与钻头16分隔开。螺栓21的直径优选小于孔22的直径。 钻头16会继续钻孔并且扩孔22，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。孔22的深度基本上 由螺栓21的长度所决定，即，当位于螺栓最后端的垫圈23到达孔的岩 石表面或者入口时，进一步的进给会停止，参见图1E。在钻孔机器中 设有锚栓推动件。锚栓推动件为连接套筒26或者垫盘(dolly)工具， 其由钻杆所驱动。垫盘工具在插入期间通常与钻杆和螺栓一同旋转。 但是在例如为机械锚栓的情况下，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后能够扭转锚栓。垫盘工具还能够沿 着钻杆滑动，以允许机械脱落螺栓以及灌浆螺栓更容易地安装。图1E显示了锚栓21充分插入，此时钻杆和钻头还处在锚栓中。推动件将板 体推到岩石表面。垫圈可以是具有中心孔的不固定的常规板体，其与螺栓最后端的凸出部分24共同作用。随后钻头从导向孔22A中抽出，参 见图1F。优选地，螺栓和钻头之间的轴向距离大于导向孔22A的深度， 从而使得螺栓的最前端不会与钻头的抽出形成干涉。钻头和钻杆能够 完全抽出并且能够再次用于重复的钻孔操作。驱动设备10的机器可以是顶锤钻孔机，纯旋转机器或者潜孔设备。根据本发明的钻头提供了良好耐磨性以及令人满意的钻孔效果， 良好的耐磨性是由于面对远离扩孔部的一侧上的磨损被耐磨损岩石加 工装置17'所接收。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，并且可以理解的是，本发明包括所有这些落入权利要求范围 之内的变化、修改和/或添加。
权利要求
1.一种设计用于单程锚栓连接的整体钻头，所述钻头(16)具有适于被刚性地连接到钻杆上的连接部，导向部(14)以及扩孔部(19)，所述导向部具有第一岩石加工装置(17)，所述扩孔部具有第一中心线(CL2)以及第二岩石加工装置(18A，18B，18C)，所述第二岩石加工装置轴向地设置在所述连接部和所述第一岩石加工装置之间并且处于所述导向部的一侧，所述钻头具有旋转方向(R)，其特征在于，所述导向部(14)的面向远离所述扩孔部(19)的一侧设置有耐磨装置(17’)，所述耐磨装置(17’)与所述第一岩石加工装置(17)成一个整体。
2. 如权利要求l所述的钻头，其中延伸穿过所述第一岩石加工装 置(17)并且垂直于所述扩孔部(19)的所述第一中心线(CL2)的假想直线(s)与所述第一中心线的法线(N)形成锐角的第一角度(e )，并且其中所述法线(N)与岩石加工装置(18A)相交，该岩石加工装 置(18A)在所述钻头(16)的所述旋转方向(R)上位于最前。
3. 如权利要求2所述的钻头，其中所述第一角度(e)不小于(T 并且不大于20'。
4. 如权利要求2或3所述的钻头，其中所述扩孔部(19)中的所 述最前岩石加工装置(18A)为球齿，并且其中所述法线(N)与所述 最前岩石加工装置(18A)的中心线相交。
5. 如权利要求2或3所述的钻头，其中所述法线(N)与所述最 前岩石加工装置在所述旋转方向(R)上的最前点相交。
6. 如权利要求2或3所述的钻头，其中所述第一岩石加工装置为 凿子(17)，以及所述第二岩石加工装置为至少三个球齿(18A， 18B，18C)。
7. 如前面任一权利要求所述的钻头，其中所述导向部(14)的中 线(CL1)与轴线(CL3)形成锐角的第二角度(a )，所述轴线(CL3) 与所述第一中心线(CL2)平行地延伸。
8. 如权利要求7所述的钻头，其中所述第二角度(a )为-2(T到 +20°,不包括(T。
9. 如前面任一权利要求所述的钻头，其中所述导向部(14)的长 度(L)被定义为在平行于所述第一中心线(CL2)的方向上，所述 导向部的最前部分与最前的第二岩石加工装置(18A， 18B或18C)之 间的距离，并且其中所述长度(L)至少为10mm并且不大于60mm。
10. —种单程钻孔设备，包括钻孔装置以及锚栓(21)，其特征 在于，该设备包括权利要求l-9中所限定的整体钻头(16)。
全文摘要
本发明涉及一种钻头(16)及单程钻孔设备(10)。整体钻头(16)具有适于被刚性地连接到钻杆上的连接部，导向部(14)以及扩孔部(19)。导向部具有第一岩石加工装置(17)。扩孔部具有第一中心线(CL2)以及第二岩石加工装置(18A，18B，18C)。第二岩石加工装置被轴向地设置在所述连接部和所述第一岩石加工装置之间并且处于导向部的一侧。钻头具有旋转方向(R)。导向部(14)面向远离扩孔部(19)的一侧设置有耐磨装置(17’)。耐磨装置(17’)与第一岩石加工装置(17)成一个整体。
文档编号E21B7/20GK101258301SQ200680032311
公开日2008年9月3日 申请日期2006年6月26日 优先权日2005年9月5日
发明者克里斯特·伦德贝里, 皮埃尔·拉瓦, 艾莫·海林 申请人:山特维克知识产权股份有限公司