CN100577982C - 钻头、钻杆和自钻孔顶锚 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于连接至细长钻杆(10)的钻头(11)，所述钻头(11)包括用于连接至钻杆端部的装置，以及形成有一对沿直径方向相对的狭槽(16、17)的前端，该狭槽沿轴向开口以容纳从所述狭槽(16、17)沿轴向伸出的钻头刀片(18)的一部分。该钻头刀片(18)牢固固定在每个所述狭槽(16、17)中。而且，本发明还提供一种包括上述钻头(11)的钻杆或者自钻孔顶锚。

Description

钻头、钻杆和自钻孔顶锚

技术领域

本发明涉及一种钻头，该钻头特别用于岩石钻孔。本发明尤其涉及一种钻杆和称之为岩石锚杆或顶锚(以下称“顶锚：roof bolt”)类型的锚杆以及这种自钻孔类型的顶锚。

背景技术

顶锚通常用于地下开采工业中以支撑开挖的隧道和开口的墙壁和/或顶部，防止其断裂和塌陷。通常这样应用顶锚，即首先在岩壁中钻出一个导向孔并且然后将顶锚插入其中。通常使用可固化胶例如树脂，或者水泥沙浆将锚杆固定在孔中。或者，可将顶锚设置为与导向开口的内壁互锁，例如通过螺丝或者膨胀套筒，并且一般使用可固化胶和互锁装置的组合。

自钻孔顶锚具有简单顶锚所不具有的钻孔能力。如果使用自钻孔顶锚，则可驱使锚杆本身钻入岩壁中，并且当锚杆已经充分穿入壁内时，可以使用适当的固定装置例如可固化树脂。因此自钻孔顶锚提高了安装顶锚的速度，因为它不需要将钻从导向孔中取出以插入顶锚。同时有效地实现了钻孔操作和顶锚插入。这有利地意味着，钻具操作人员在未受支撑地壁附近或者未受支撑顶下面所待的时间显著减少，由此降低了对于这些操作人员造成伤害的风险。

美国专利No.6,309,159披露了一种自钻孔顶锚，其具有细长的锚杆本体和连接到其前端上的钻头刀片。该钻头刀片横跨锚杆的端部延伸并且支撑在一对径向分隔的、轴向延伸的支承元件上，该支承元件在钻头刀片的相对侧上与钻头刀片接合。在实践中，通过焊接、锡焊或者铜焊等将钻头刀片固定到支承元件上。

在根据美国专利No.6,309,159的自钻孔顶锚中，用于将钻头刀片固定到支承元件上的结构方式类型会显著增加顶锚的成本，这是由于必须小心谨慎地进行焊接、锡焊或者铜焊操作以确保在高度不利条件下的钻头的连接完整性。

另一个缺点在于最为普通的铜焊连接形式，因为进行铜焊要求昂贵的感应设备以用于生产线制造。而且，铜焊连接经常在钻头刀片和锚杆本体或者柄之间产生同心问题，因为在铜焊过程中，难以保持适当的同心对准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于钻杆和/或自钻孔顶锚的钻头，其在钻头刀片和杆或锚杆的前端之间提供一种可选的结构以改进它们之间的连接并且/或者有利于通过各种方式连接到上述部件上。

根据本发明，提供一种用于连接至细长钻杆的钻头，所述钻头包括用于连接至所述钻杆端部的装置，以及形成有一对沿直径方向相对的狭槽的前端，该狭槽沿轴向开口以容纳从所述狭槽沿轴向伸出的钻头刀片的一部分，所述钻头刀片牢固地固定于每个所述的狭槽中。

本发明还提供一种钻杆，如上所述的钻头连接在该钻杆上。

本发明还进一步提供一种钻杆，其形成为自钻孔顶锚，如上所述的钻头连接在该顶锚上。在可选形式中，本发明提供一种自钻孔顶锚，其中在其一个端部处钻头与该顶锚一体地形成。

本发明有利地提供钻头刀片在钻头中的高度可靠的固定位置。该钻头刀片可以为单件或“铲形”刀片，其沿着径向横跨钻头的前端延伸，或者其可以由一对刀片或“翼形刀片”形成，其每个刀片均容纳在所述的一对狭槽中的每一个之内。在后一种结构中，所述的一对刀片是分离的并且当固定在各自的狭槽中时，该刀片由中心或者轴向间隙所分隔。如果钻头刀片为单件，则将其固定在其相对侧上并且在其相对端的每一个处。这些结构中的每一种均有利于利用优选使用的粘结胶将钻头刀片固定到位(无论是单件式还是双件式刀片)，而不是如在现有技术结构中那样利用焊接、锡焊或者铜焊，虽然本发明在其范围内包括使用这些方式进行固定。通过在钻头刀片和狭槽表面之间提供用于粘结的增大的表面面积，有利于粘结胶的优选应用。该增大的表面面积意味着可在狭槽和钻头刀片之间形成充分的粘接固定作用，当在现有技术中当钻头刀片仅能抵靠一个单独表面或者支承面进行固定时，这种粘接固定是不可能的，或者是不可靠的。在这种现有技术的结构中，使用粘胶是不合适的。

利用粘结胶将钻头刀片固定到位的优点在于粘结胶比较容易处理和应用，并且无需当前在一些非粘结胶应用情形中使用的那种感应设备。而且，如此设置狭槽能够使得当将钻头刀片装配到钻头上时可以更加牢固的将其固定到位。

钻头优选包括一对轴向延伸的的支承元件，其形成有用于容纳钻头刀片(以下，术语“钻头刀片”包括单件式和双件式刀片)的狭槽。该支承元件能够以任何适当的方式形成，例如通过加工、或者熔模铸造、或者其它合适的工艺。优选地，该支承元件具有前端和后端，并且每个狭槽朝向前端而不是朝向后端成形。这有助于使得支承元件的体积或者质量最小化，因为在钻孔操作中钻头刀片所承受的大部分载荷被传递至支承元件的后端，而前端则承受较小的载荷。因此，相对于后端而言，前端的厚度可以减小。

形成在每个支承元件中的狭槽优选其截面基本为矩形并且其深度足以容纳钻头刀片的几乎全部高度，但是狭槽的深度可以随着钻头刀片高度的变化而沿径向发生变化。如果需要，前端或者后端中的一个与这两端中的另一个相比高度可以减小。特别是，由于在钻孔操作期间与后端相比前端承受较小的载荷，前端的高度可以降低。每个狭槽的截面宽度优选约等于、但是稍稍大于钻头刀片的截面宽度，从而钻头刀片紧贴地容纳在每个狭槽中。每个狭槽的径向长度可等于钻头绕通孔的壁厚，从而狭槽可贯穿整个壁厚形成，而无需形成为小于或者大于该厚度。每个狭槽的基底通常为平面形状并且基本垂直于其上连接有钻头的钻杆或锚杆的纵轴线延伸，而每个狭槽的上端能够以与钻头刀片的切削刃同样的或者相似的角度成一定的角度或者倾斜。这种钻头刀片通常在其相对侧朝向中心顶点倾斜，并且上部狭槽边缘可具有相同的或者相似的倾斜构形以提供适当的支撑。

钻头优选具有中心孔，在使用时，所述孔优选与形成在钻杆中的孔同轴对准。优选该结构为使得钻头的中心孔在其前端开口，从而用于将钻出的碎片从所钻的孔中冲洗出去的冲洗介质、以及在自钻孔顶锚的情形下用于将该顶锚在岩石中固定到位的粘结胶能够通过钻杆或该顶锚以及钻头二者的中心孔进行泵送、并且通过前端从那里流出。支承元件应该设置为能够使得冲洗介质和粘结胶从中心孔流出。这可通过将支承元件定位在该中心孔沿直径方向相对的两侧上而得以实现，使得所述孔在钻头刀片的任何一侧均开口，该钻头刀片横跨所述孔的开口端延伸。

在一种优选的结构中，钻头刀片在其任一侧均沿着直径方向延伸超出锚杆在其前端的外周边。换言之，钻头刀片的径向延伸范围大于锚杆在其前端的直径。

如果使用粘结胶将钻头刀片固定到前端上，则可以使用任何适当的粘结胶。例如，可以使用环氧树脂。有利的是，使用粘结胶可简化顶锚的制造，因为可将钻头刀片胶接在前端上并且使得粘结胶自行固化(可能在高温环境下)而无需额外的处理。

附图示出本发明的上述类型的示例性实施例。这些附图的细节以及相关描述并非用于替代本发明前面广义描述的普遍性。

附图简要说明

图1示出根据本发明的一个实施例的顶锚的前端。

图2为图1所示顶锚的俯视视图。

图3为图1所示顶锚的径向视图。

图4图1所示顶锚的另一个侧视图，其从图3的视图旋转约90°。

具体实施方式

图1示出根据本发明一个方面的自钻孔顶锚10的前端。通常，该顶锚10具有约1800-2400mm的长度并且具有用于驱动使其旋转以进行钻孔的装置。这种装置通常设置在顶锚的前端并且可包括形成为正方形或者六边形的端部以便于夹在卡盘中，或者可形成为螺母。通常，钻杆通过将其端部接合在卡盘中而被驱动，而顶锚通常则通过螺母进行驱动，然后利用螺母将该顶锚紧固到位。

顶锚10通常形成为圆柱形，具有圆形的外表面和中心圆孔。其外表面可以形成具有肋以便增强顶锚在壁中的牢固定位，并且所述的肋可以形成为螺纹。通常将螺纹形成为非连续的，从而优选在该顶锚的相对侧的每一个上形成沿长度方向的平面部分(无螺纹部分)。这有利于将钻出的岩石碎屑输送至顶锚的后端以便去除。可借助于冲洗介质将碎屑去除，该冲洗介质通过中心孔能够泵送至前端并从此处排出。但是，也可以具有连续的螺纹，其基本沿着顶锚的整个长度延伸，并且在这样的顶锚中，可使得螺纹较深以有利于碎屑的清除。

所述顶锚的新颖特征在于其前端的结构，该顶锚10的其它部分将不做进一步的讨论。

该顶锚10具有前端11，该前端形成用于钻进岩石中的钻头。该钻头包括一对从前端11轴向延伸的支承元件12、13。该支承元件12、13设置在前端11沿直径方向的相对的两侧上。该支承元件12、13的每一个均具有后部14和前部15，所述后部14和前部15在其之间形成狭槽16、17。该狭槽16、17用于容纳钻头刀片18，在所示的实施例中，该钻头刀片横跨前端11沿着直径方向延伸。

钻头刀片18具有一对倾斜的切削刃19、20(见图3)，所述切削刃朝向中心顶点21倾斜。该钻头刀片18形成一对轴向延伸的径向边缘22、23，该径向边缘延伸至前端11的外圆柱形周边24的外侧。该边缘22、23形成为切削刃，使得钻头刀片18可钻出其直径大于前端11以及从该前端上延伸的其余顶锚本体部分的直径的孔。

在支承元件12、13的其中一个的后部14和这些支承元件的另一个的前部15之间，在钻头刀片18的每一侧上，前端倾斜以形成扇形凹表面25。利用这种结构可为钻头18提供正面间隙以有利其进行钻孔操作。

顶锚10具有中心孔26并且从图2中可以看出，在前端11上，所述孔26在钻头刀片18的每一侧上开口，该钻头刀片沿着直径方向横跨所述孔和前端延伸。所述孔26用于将冲洗介质输送到前端11以便将钻出的材料从前端11向后冲洗并且从所钻孔中排出，并且还用于引入固化粘接剂，所述粘接剂用于将顶锚10固定在所钻孔中。该孔26可具有各种不同的形式并且可以包括从孔26延伸的分支导管，以实现冲洗介质或者粘接剂的不同分配。

如在图中所示，钻头刀片18容纳或者接纳在狭槽16、17中。狭槽16、17沿其基底并且沿其前后面27、28支撑钻头刀片18。通过这种支撑，粘结胶可用于将钻头刀片18固定在前端。一种适当的粘结胶为Permabond ESP110。通过这样形成支承元件12、13，即使得其后部14具有比其前部15大的体积或质量，可使后部具有比前部更大的承载能力，这样做是合适的，因为有助于将驱动传递给钻头刀片18的部分是所述的后部，并且在钻孔中用于接受钻头刀片所承受载荷的主要部分的也是所述的后部。前部15承受小得多的载荷，因此其具有比后部小得多的体积是适当的。实际上前部仅起到通过增加粘接面积而有助于将钻头刀片18牢固地定位到前端11上的作用。因此，如果不存在前部15，则意味着需要利用其它方式例如通过焊接、锡焊或者铜焊等将钻头刀片18固定到前端11上。然而，由于前部15增加了粘接面积，使用能够提供上述优点的粘胶是适当的。

可以理解，在附图中所示的自钻孔顶锚中，本发明的钻头结构与顶锚的细长顶锚本体成一体的形成。然而，同样可行的是，钻头独立于顶锚本体形成并且利用任何适当的连接方式固定到顶锚本体上。例如，可将钻头形成为通过螺纹方式连接到顶锚本体上。而且，相对于钻杆而言，通常需要将钻头形成为可更换的，从而当钻头刀片磨损后，可以将钻头取下并且进行更换。自钻孔顶锚则不具备这种要求，因为该顶锚仅经历一次钻孔操作，当操作完成时，顶锚便固定在所钻的孔中。

本发明的钻头以及利用本发明的钻杆和自钻孔顶锚的结构，有利于促进粘结胶的优选应用，以用于将钻头刀片固定在顶锚，并且因此简化了钻杆和自钻孔顶锚的制造，并且降低了其总成本，以及用于制造其的有关机械设备的成本。

这里描述的本发明除了所特别描述的部分之外还可进行各种改变、修改和/或添加，并且应当理解，本发明包括所有这些落在上述精神和范围内的改变、修改和/或添加。

Claims (12)

1.一种用于连接至细长钻杆的钻头，所述钻头包括用于连接至所述钻杆端部的装置，以及形成有一对沿直径方向相对的狭槽的前端，该狭槽沿轴向开口以容纳从所述狭槽沿轴向伸出的钻头刀片的一部分，每个所述狭槽由一对轴向延伸的支承元件形成，每个所述支承元件具有相对于钻孔旋转方向的前端和后端，在其中一个支承元件的前端和另一个支承元件的后端的每一个之间，前端倾斜以形成扇形凹表面，每个所述狭槽朝向所述支承元件的所述前端形成，每个所述支承元件的所述前端相对于所述后端其高度减小，并且所述钻头刀片利用粘结剂牢固固定在所述狭槽的每一个中。

2.根据权利要求1所述的钻头，其中所述钻头包括中心通孔并且每个所述狭槽的径向长度均等于所述钻头在所述通孔与所述钻头的外表面之间的长度。

3.根据权利要求1和2中任何一项所述的钻头，每个所述狭槽具有基本为矩形的截面以及用于接收所述钻头刀片的基本全部高度的深度。

4.根据权利要求3所述的钻头，所述狭槽的所述高度沿其径向长度变化以适应所述钻头刀片的高度变化，使得所述钻头刀片从每个所述狭槽中的轴向伸出程度是基本不变的。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述的钻头，所述狭槽的截面宽度稍大于所述钻头刀片的厚度，以紧贴地将所述钻头刀片容纳在每个所述的狭槽中。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述的钻头，所述钻头刀片为单件式结构并且横跨所述钻头的所述前端径向延伸。

7.根据权利要求1至5中任何一项所述的钻头，所述钻头刀片为两件式结构，每一件结构均容纳在各自的狭槽中并且所述的两件结构被间隙中心地所分隔。

8.根据权利要求1所述的钻头，所述钻头包括用以与所述钻杆的中心通孔相对准的中心通孔。

9.一种用于在岩石中钻孔的钻杆，包括细长本体和位于其一端的钻头，中心孔通过所述细长本体延伸并且与所述钻头中的孔连通，用于输送冲洗介质通过所述钻杆以通过所述钻头流出，所述钻头具有形成有一对沿直径方向相对的狭槽的前端，该狭槽沿轴向开口以容纳从所述狭槽沿轴向伸出的钻头刀片的一部分，每个所述狭槽由一对轴向延伸的支承元件形成，每个所述支承元件具有相对于钻孔旋转方向的前端和后端，在其中一个支承元件的前端和另一个支承元件的后端的每一个之间，前端倾斜以形成扇形凹表面，每个所述狭槽朝向所述支承元件的所述前端形成，每个所述支承元件的前端相对于所述后端其高度减小，并且所述钻头刀片利用粘结剂牢固固定在所述狭槽的每一个中。

10.根据权利要求9所述的钻杆，所述钻头能够分开地连接在所述细长本体上。

11.一种用于在岩石中钻孔并且栓接于岩石中的自钻孔顶锚，包括细长本体和位于其一端的钻头，中心孔通过所述细长本体延伸并且与所述钻头中的孔连通，用于在钻孔期间以及在钻孔完成时固定所述顶锚期间输送介质通过所述顶锚以通过所述钻头流出，所述钻头具有形成有一对沿直径方向相对的狭槽的前端，该狭槽沿轴向开口以容纳从所述狭槽沿轴向伸出的钻头刀片的一部分，每个所述狭槽由一对轴向延伸的支承元件形成，每个所述支承元件具有相对于钻孔旋转方向的前端和后端，在其中一个支承元件的前端和另一个支承元件的后端的每一个之间，前端倾斜以形成扇形凹表面，每个所述狭槽朝向所述支承元件的所述前端形成，每个所述支承元件的前端相对于所述后端其高度减小，并且所述钻头的刀片利用粘结剂牢固固定在所述狭槽的每一个中。

12.根据权利要求11所述的自钻孔顶锚，所述钻头分开地连接在所述细长本体上。

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