专利名称：冲击—回转钻具的制作方法
技术领域：
本发明涉及矿山工业，更具体说，涉及冲击-回转钻具。
已公布的冲击-回转钻具(瑞典“meter-eater)包括可回转的钎杆，它带有可与冲击装置相互配合的钎尾以及在钎杆对着要钻凿的岩石的端面上沿一些同心圈设置的凿岩元件。从中心第二圈起，每圈中的凿岩元件的数量与该圈的圈号成正比。
在这种钻具中，采用常见的对称方式把凿岩元件设置在钎杆的端面上。这种钻具可以进行各种用途钻孔的钻凿，但是凿岩元件这种排列方式与所钻凿的岩石的性质不协调，因而不能在最小耗能工况下进行钻孔，而在那种状况下能在相邻的破碎沟的补充自由表面方向上用剪断方式把最大量的岩石由钻孔底分离。此外，在钻孔过程中，凿岩元件与岩石的接触面积增加，结果使凿岩元件变钝，减少了单位冲击能，从而，相应地降低了凿岩效率。
本发明的任务是提供一种冲击-回转钻具，这种钻具的凿岩元件的排列方式及其工作表面的结构形式使得它们能在大块剪断岩石的工况下工作而提高了凿岩的效率。
本发明的任务还在于提供一种冲击回转钻具，其凿岩元件的排列方式以及工作表面的设计使得能保证完成所提出的目的。
本发明的任务可以通过下面的措施来完成，提供一种冲击-回转钻具，包括带有可回转的钎杆，它具有可与冲击装置相互配合的钎尾，还包括在钎杆上对着被钻凿岩石的端面上沿同心圈设置的凿岩元件，从中心第二圈起，每圈中的凿岩元件的数量与该圈的圈号成正比，在每一圈中，每一个随后的凿岩元件相对于第一个选作计算起点的凿岩元件都要偏移一定的角度，该偏移角β按下式确定Bi=(i-1mk+p)·mn·K1·K2·2brn]]>式中i＝2，3……mK-在每一圈中每一个随后的凿岩元件的号数;
P-任意整数;
2b-凿岩元件一次切入末破碎钻孔底而形成的破碎沟的宽度，米;
K1-相邻的破碎沟的相互影响系数，K1＝1.0～3.0;
K2-在沟间原岩被剪断的情况下，钻孔底周边区被破碎沟饱和的复盖系数，K2＝0.5～1.0;
rn-钻孔底周边区平均圆周的半径，米;
mn-在外圈的凿岩元件的数量。
相互影响系数K1，按物理实质就是在靠近相邻的破碎沟凿岩元件切入时使破碎沟间的原岩被剪断而形成的破碎沟的宽度与凿岩元件一次切入未破碎钻孔底而形成的破碎沟的宽度之比，也就是K1＝ (2B-2b)/(2b) (
图1)。系数K1的值在(1.0;3.0)的范围内。下限(1.0)表示的特征是在相邻的破碎沟不形成沟间原岩的剪断，也不形成共同的破碎沟时的一次破碎沟的形成(K2＝ (2b+2b-2b)/(2b) ＝1)。而上限表示的特征是实际的矿岩可能达到的K1最大值。对于具体的矿岩的类型而言，在已知一个凿岩元件上施加的冲击能以及已知它的工作表面的几何尺寸的情况下，系数K1用试验的方法来确定。在破碎沟间原岩被剪断的情况下钻孔底的周边区被破碎沟饱和的覆盖系数K2表示的特征是钻孔底周边区圆周的平均长度的一个分量，该周边区是剪断宽的(包括剪断沟间原岩的宽度)破碎沟凿切出来的。
系数K2的值在(0.5;1.0)的范围内。在用形成一次破碎沟之后再破碎在这些沟间的梯形凸台(两阶段破碎方式)来凿岩时时，K2≈0.5。可以假设钻孔底的周边区的圆周全长是由在相邻的破碎沟方向剪断沟间的原岩的破碎沟凿切出来的。在这种情况下K2＝1.0。在各种具体情况下K2的计算公式和计算方法对申请人来说是已知的。
确定偏移角β1的公式可用下面的方法来得出
在上几次切入凿岩元件形成的相邻的破碎沟的方向上剪断沟间原岩而使破碎沟完全覆盖钻孔底的周边区而要求的凿切钻孔底的次数N按下式确定N=2πrnmn·K1·K2·2b]]>已知凿切次数N，可以确定钻具随后切入的回转角φ
理想的回转角φ表示的特征是mn个凿岩元件一次切入岩石时(考虑到剪断现象)破碎的钻孔底的扇形区。
在确定Bi的公式中引进的值 (i-1)/(mk) 表示的特征是mk(对周边圈而言mk＝mn)个凿岩元件中每一个元件所破碎的钻孔底的扇形区部分。而值P(整数)表示的特征是在钻孔底的那一个扇形区中安装所述的凿岩元件，在技术上有利。
这样，得到了确定全部随后的凿岩元件相对于选作计算βi的起点的第一个凿岩元件的偏移角的公式
理论确定并经试验证实，如果在每一圈中随后的凿岩元件相对于选作起点的第一个凿岩元件偏移一个角度βi(该角度由上述公式确定)，则在钻孔时，第i-1个凿岩元件会滑落到沿回转方向相邻的破碎沟中，也就滑到第i个凿岩元件上一次切入所形成的破碎沟中。同时在相邻的切入之间有由K2值决定的最大的间距的情况下也能发生滑落的现象。在滑落的情况下，可观察到凿岩元件的切刃在钻孔底未破碎区一面剧烈地磨损。这时，使切刃变钝的面积减小，也就是凿岩元件进行了自动刃磨。
最好每个凿岩元件装在钎杆上，并可以绕自身的纵轴回转和具有半球形“工作”表面。
凿岩元件的这种结构形式可保证在整个钻孔过程中凿岩元件的“工作”表面的几何形状固定，以及它和所凿岩石的接触面积固定，也就是在钻孔过程中实现了钻具的自动刃磨。
每个凿岩元件的“工作”表面可以制成单面楔的形式，这种元件在切入岩石时产生的反作用力的矢量在钻孔底上投影的方向与钻具回转矢量的方向一致。
每个凿岩元件的“工作”表面的这种结构形式保证在钻具单向回转时可使凿岩元件(以单面楔形式)的“工作”表面的形状固定以及，它同所凿岩石的接触面积固定，也就是实现了凿岩元件的自动刃磨。
在凿岩元件进行可逆回转的情况下，每个凿岩元件的“工作”表面必须设计成双面楔的形式，这样可使凿岩元件进行自动刃磨。同时希望钻具顺时针方向回转时的工作时间与反时针方向回转时的工作时间相同。
推荐的带有按本发明排列凿岩元件方式的冲击-回转钻具同常规的以对称方式排列凿岩元件的钻具相比，其机械凿岩速度可平均提高40%。机械凿岩速度的提高是由于推荐的本发明钻具在相邻的破碎沟补充的自由表面方向上可在最小的能耗条件下剪断大块岩石。此外，推荐的钻具的结构设计允许在其整个工作周期中保持比较高的机械凿岩速度是因为在钻孔过程中进行了自动刃磨。
下面参考附图用具体的实施例来说明本发明，附图中图1示出了在靠近钻具前一次切入形成的破碎沟处，凿岩元件与岩石之间的相互作用的示意图;
图2是按照本发明的冲击-回转钻具;
图3是带有双面楔工作表面的凿岩元件;
图4是按照本发明凿岩元件在钻具的钎杆端面上排列的示意图。
冲击-回转钻具包括可回转的钎杆(图2)，该钎杆具有可与冲击装置3相互配合的钎尾2。
在对着被凿岩石的钎杆端面上沿同心圈排列了凿岩元件5。从中心第二圈起，每圈中凿岩元件5的数量与该圈的圈号成正比。而凿岩元件5的工作表面可以有各种形状。
当装在钎杆上的每个凿岩元件可绕自身的纵轴回转时，凿岩元件的工作表面a设计成半球形。这样装置可保证在整个钻孔期间凿岩元件5的工作表面a的几何形状以及同所凿的岩石的接触面积固定，也就是说在钻孔过程中钻具能进行自动刃磨。
在所推荐的钻具中可以用工作表面a′制为单面楔的凿岩元件5(图1)。在这种情况下，每个岩岩元件5必须固定在钎杆1上(图2)，以避免在钻孔过程中散落，并且凿岩元件5的定向要使切入单面刃和滑落时产生的岩体的反作用力在钻孔底面上的投影与钻具的回转的矢量方向一致。这种结构使凿岩元件5能实现自动刃磨。
在这种情况下，当钻孔装置的钻具获得可逆转动以保证自动刃磨时，宜采用工作表面a″制成两面楔的凿岩元件5(图3)。这时，钻具顺时针方向转动的工作时间与反时针方向转动的工作时间相同。
为了在大块剪断的状态下工作以提高钻孔的效率，在排列凿岩元件的每圈中，每个随后的凿岩元件相对于第一个选作计算起点的元件偏移了一定的角度，该偏移角βi按下式确定Bi=(i-1mk+p)·mk·K1·K2·2brn]]>式中i＝2，3……mk-在每一圈中每一个随后的凿岩元件的号数;
P-任意整数;
2b-凿岩元件一次切入破碎钻孔底而形成的破碎沟的宽度，米;
K1-相邻的破碎沟的相互影响因素，K1＝1.0～3.0;
K2-在沟间原岩被剪断的情况下，钻孔底周边区被破碎沟饱和的覆盖系数;K2＝0.5～1.0;
γn-钻孔底周边区平均圆周的半径，米;
mn-在外圈的凿岩元件的数量。
例如，要在有有机械性能为K1＝2.0，2b＝6·10-3米的花岗岩中钻出直径为72毫米的孔时，凿岩元件5的直径为10-2米时，可以采用在钎杆1的端面3设置了圈凿岩元件5的钻具。
为了计算所述的偏移角βi，在第一圈(中心圈)设置的凿岩元件5的数量为1。那么在第2圈和第3圈(外圈)设置的凿岩元件的数量分别为m2＝1·2＝2;m3＝1·3＝3;
在每一圈中选择任意的一个凿岩元件作为计算的起点来计算随后的凿岩元件5相对于第一个元件的偏移角βi。为此，确定外圈被剪断的饱和系数K2。在上述实例的情况下K2＝0.677。为了确定在外圈中第二个凿岩元件5相对于第一个元件的偏移角β，定出P值为3。此外，计算钻孔底的外圈的平均圆周的半径γn＝31·10-3米。按已知的关系式就可以导出βa＝2.62弧度150°。
为了确定在外圈中第三个凿岩元件5相对于第一个元件的偏移角β
，采用P＝6。这样β
＝5.24弧度≌300°。用类似方法计算在第二圈中也就是中间圈中的第二个凿岩元件5的偏移角β
，该角度大约为157.5°。这样就可以确定在钎杆的端面4上凿岩元件5的排列方式。
冲击-回转钻具按如下方式工作。
带有按推荐的方式排列凿岩元件5的钻具安装在岩层上要进行钻孔之处。钎尾2(图2)固定在冲击装置3内，该冲击装置3把冲击脉冲传给钎杆1，并且同时使它转动和向孔底方向送进。钻具的回转频率根据冲击脉冲频率选定。钻具的这种回转频率可保证将第i个凿岩元件5导入在前一个(第i-1个)凿岩元件5形成的破碎沟之前(按照回转时钻具的运动途径)。
这时，如果凿岩元件5的工作表面a和a′(图1)相应地制为半球形或单面楔形，那么冲击装置3(图2)向钻具传递单向回转，如果凿岩元件5的工作表面a″(图3)制为双面楔形，那么冲击装置3(图2)向钻具传递双向回转，而且钻具顺正时针方向转动进行钻孔的时间与反时针方向转动进行钻孔的时间相同。
在冲击脉冲的作用下，凿岩元件5切入到岩石中。此时，每个凿岩元件5在其所处的各个圈的区域中进行岩石破碎，而全部凿岩元件一起对钻孔底面积凿切。由于选择了按本发明的排列凿岩元件5的方式，在钻孔时第i-1个凿岩元件与滑落在第i个凿岩元件5凿出的破碎沟中，并且使它们自动刃磨。
权利要求
1.一种冲击-回转钻具，包括带有可回转的钎杆，它具有可与冲击装置相互配合的钎尾，还包括在钎杆上对着被钻凿岩石的端面上沿同心圈设置的凿岩元件(5)，从中心第二圈起，每圈中的凿岩元件(5)的数量与该圈的圈号成正比，在每一圈中，每一个随后的凿岩元件(5)相对于第一个选作计算起点的凿岩元件都要偏移一定的角度βi，该偏移角βi按下列式确定；Bi=(i-1mk+p)·mn·K1·K2·2brn]]>式中i=2，3………mk-在每一圈中每一个随后的凿岩元件的号数；p-任意整数；2b-凿岩元件一次切入未破碎钻孔底而形成的破碎沟的宽度，米；k1-相邻的破碎沟的相互影响系数，k1=1.0～3.0；k2-在沟间原岩被剪断的情况下，钻孔底周边区被破碎沟饱和的覆盖系数，k2=0.5-1.0；rn～钻孔底周边区平均圆周的半径，米；mn-在外圈的凿岩元件的数量。
2.根据权利要求1的钻具，其特征在于每个所述的凿岩元件(5)可以绕自身的纵轴回转装在钎杆上并具有半球形工作表面。
3.根据权利要求1的钻具，其特征在于每个所述的凿岩元件(5)的工作表面a′制成单面楔形式，这种元件在切入岩石时产生的反作用力的矢量在钻孔底上投影的方向与钻具回转矢量的方向一致。
4.根据权利要求1的钻具，其特征在于每个所述的凿岩元件(5)的工作表面(a″)、制成双面楔的形式。
全文摘要
一种冲击—回转钻具，包括带有可回转的钎杆，它具有可与冲击装置相互配合的钎尾，还包括在钎杆上对着被钻凿岩石的端面上沿同心圈设置的凿岩元件，从中心第二圈起，每圈中的凿岩元件的数量与该圈的圈号成正比，在每一圈内，每一个随后的凿岩元件相对于第一个选作计算起点的凿岩元件都要偏移一定的角度βi，该偏移角βi按下式确定这种钻具凿岩效率高。
文档编号E21B10/42GK1049698SQ89106440
公开日1991年3月6日 申请日期1989年8月19日 优先权日1989年8月19日
发明者阿厉克赛·弗·费拉托夫, 吉奥吉·米·科列乌可夫, 麦利斯·伊·奥诺特斯基, 尤里·瓦·格拉兹科夫, 维克多·弗·柴拉普琴, 瓦迪姆·彼·雅奇莫夫, 尼古拉·阿·佐巴莱夫, 阿纳多利·米·朱维林, 塞尔盖·维·达伊波夫 申请人:全苏运输建筑科学研究院