CN101952540A - 钻头 - Google Patents

Abstract

一种具有本体(12)的钻头(10)，该本体具有静止切削部(40)和可旋转切削部(80)，从而在第一位置，可旋转切削部没有径向伸出超过静止切削部的周界(70)，在第二位置，可旋转切削部径向伸出超过静止切削部的周界。

Description

钻头

技术领域

本发明涉及一种切削头，用于在单次行进中在壁面上形成膛线形式结构(rifled pattern)。切削头用于切削穿过各种地质层，并可以用于在地下矿井中钻孔洞。

背景技术

在采矿操作中，诸如采煤矿，顶板(roof)可以被顶板锚杆(roof bolt)支承，这些顶板锚杆被嵌入在已经被钻入到矿顶板中且彼此间隔开的孔中。通常的顶板钻头设计使用切削插入件，其可以被钎焊或以其他方式附连至位于顶板钻头本体的轴向前端处的槽中。

顶板钻头然后压靠顶板和钻孔设备，该设备被操作为用于在顶板上钻出孔洞。孔洞可以在顶板中延伸两英尺之间至多于二十英尺。孔洞然后被填充有树脂或其它泥浆材料，顶板锚杆与孔洞附连。诸如板件或顶板面板的顶板支承件可被附连至顶板锚杆。

充分灌浆的锚杆通过在树脂和岩石之间的摩擦互锁而使其本身锚定。由此，钻头制造商可使用宽的容差或偏置钻头切屑器来在钻孔期间引起摆动，当与松的钻头安装部组合到钻杆时，在孔壁上产生脊状部。脊状部产生壁的粗糙度，这可以增加锚定能力。

产生壁的粗糙度的另一方法是使用具有切割构件的钻头，该切割构件以螺旋样式设置在中心毂的周界，以形成螺旋沟槽或螺纹。但是，该钻头必须跟随有标准切割钻头，这需要额外的处理步骤。该额外的处理步骤通常是不期望有的，因为这增加了顶板锚杆安装时间。已经提出的一种方法是使用螺旋顶板锚杆，其将在孔洞中切削出螺旋沟槽，作为顶板锚杆安装过程的一部分(这将在形成孔洞之后发生)。这种方式的一个问题是在顶板安装期间进行的切削物会污染树脂，并减小可使用于结合树脂的可用的横截面面积。

本发明提出了一种切削钻头，其可在单次行进中在孔洞上形成螺旋或膛线样式结构。有利地，本发明的实施可包括使用树脂，或不使用树脂。另外，本发明的原理有利地适用于真空钻头和湿钻头。

发明内容

本发明提供了一种钻头，其具有切削尖和至少一个可移动翼状部。切削尖限定了外周表面。当钻头沿第一方向旋转时，翼状部处于第一位置，当钻头沿第二方向旋转时，翼状部处于第二位置。另外，当翼状部处于第一位置时，其末端部分没有延伸超过外周表面。当翼状部处于第二位置时，其末端部分延伸超过外周表面。因而，当钻头沿第一方向旋转并沿第一轴向方向移动时，即压靠地质层，可在地质层中形成具有额定直径的孔洞。当钻头沿第二方向旋转时，沟槽在孔洞中形成。通常，钻头沿第二方向旋转并沿与第一轴向方向相反的第二轴向方向移动，以形成具有选定间距的沟槽。

附图说明

图1是本发明的钻头的顶部透视图，可旋转切削部在第二或伸出位置。

图2是图1的钻头的顶视图，可旋转切削部在第一位置。

图3是图1的钻头的顶视图。

图4是图1的钻头的前视图。

图5是图1的钻头沿纵向轴线的横截面视图。

图5a是可旋转切削部的另一实施例的详细视图，该切削部可用在本发明的钻头中。

图6是根据本发明一个实施例的具有偏置构件的钻头一部分的顶部横截面视图，一个可旋转切削部处于伸出位置，其另一个可旋转切削部处于收回位置。

图6a是用于可旋转切削部的偏置构件的另一布置的详细视图。

图7是可旋转切削部的另一实施例的详细视图。

图8是可旋转切削部的另一实施例的详细视图。

图8a是可旋转切削部的另一实施例的详细视图。

图9是用于可旋转切削部的促动机构的局部顶部横截面视图，静止切削部未示出，以便更好地显示促动机构且可旋转切削部处于第一位置。

图10是用于可旋转切削部的促动机构的局部顶部横截面视图，静止切削部未示出，以便更好地显示促动机构且可旋转切削部处于第二位置。

图11是测试孔洞的图片，其显示了由图1所示的钻头制造的沟槽。

具体实施方式

根据本发明的钻头10包括细长钻头本体12，该钻头本体具有前端14和后端16并限定出纵向轴线30。钻头10包括第一静止切削部40，该第一静止切削部具有限定出第一周界70的第一切削刃60。钻头10还包括具有切削刃100的第一可旋转切削部80，该第一可旋转切削部在第一位置没有径向延伸超过第一周界70且在第二位置径向延伸超过第一周界70以限定出可旋转的切削部周界110。因此，静止切削部40在地层中切削出额定孔径D，可旋转切削部80在孔内切削出沟槽，该沟槽具有大于D的直径。

参考附图，显示了可旋转切削头10(并具体地是顶板钻头)的一个实施例。

切削头或钻头10包括细长钻头本体12，其由钢制成。钻头10具有轴向前端14和相对的轴向后端16。钻头本体12具有中心纵向轴线30，且在操作时，具有由箭头指示的旋转方向36，且该旋转方向被称为钻孔旋转方向36。

轴向前端14具有大致截头圆锥形状。后端16敞开以限定出内孔18。孔18成形为接收钻杆(未示出)的相应杆。如图1所示，敞开端具有六边形轮廓20以限定插口，该插口接收钻杆(未示出)的相应六边形端部。凹接收座22可设置为靠近后端16穿过本体12的周边部分，以接收设置在钻杆(未示出)上的制动器(detent)或凸保持件。

本体12可具有设置在细长本体中的一个或多个钻屑排出通道24。通道24提供了由后端16设置的腔室或内孔18和钻头本体12在后端16轴向前方的那部分之间的连通。

即使钻头10可用于干式钻孔(即，钻地质层而不使用任何冷却剂等)，可以设想，现有钻头可在湿式钻孔操作中使用。在湿式钻孔操作中，通道24可用来提供通路，从而让流体(例如水)流至钻头本体12的前端14，即，流体可流过该通道。还可以设想，对于湿式钻孔操作，钻头本体12的外表面可具有在表面中的平坦部或一些其它起伏部(relief)，以便为流体和钻屑提供从靠近切削插入件离开的通道。

细长钻头本体12还包含至少一个座部26，以接收限定出静止切削部40的相应切削插入件。尽管图1所示的实施例显示了延伸跨过钻头本体12直径的单个座部，但是并不是要将本发明限定为使用单个切削插入件(和座部)。在这方面，可以设想，本发明使用两个或更多切削插入件(和座部)。切削插入件和切削钻头本体的尺寸以及特定切削应用是影响通过可旋转切削钻头所具有的切削插入件(和座部)数量的因素。在设置有多于一个切削插入件的时候，应意识到，它们可具有相同的形状或具有彼此不同的形状。

切削插入件或静止切削部40具有顶表面42，其具有前缘44和后缘46。前缘44可轴向向后朝向后缘46与水平面52成角度。切削插入件40还包括内部侧表面56和外部侧表面58。在仅设置有一个切削插入件40的时候，应理解，每个切削插入件(在设置有两个的时候)的内部侧表面56将被结合从而没有明显的内部侧表面，如图1所示。

外部侧表面58包括切削刃60。切削刃60可具有适于切削出所需孔洞的任何适当的构造。例如，如图所示，切削刃60可包括尖61和侧斜缘(sidebeveled edge)64。也可在顶部设置斜缘。

在操作期间，钻头10沿钻孔方向36旋转，从而顶部前缘44首先侵入地质层，而侧部切削刃60切割孔的外侧。外部侧切削刃60径向地位于钻头10外圆周或周边之外，并限定出径向周界70，该径向周界限定孔洞D的额定直径。

切削插入件40可通过钎焊或焊接固定到切削钻头本体的座部26。如可从以下描述和附图得知的，切削插入件的底表面54的表面面积大于顶表面42的表面面积。底表面54提供了用于将切削插入件40紧固至切削钻头本体12的主要区域。通过使用更大的底表面54来形成钎焊接头，切削插入件40可利用相对浅的座部紧固至切削钻头本体12，该座部不需要大的肩部。这种浅座部的使用可降低与切削钻头本体12的制造相关的费用。

切削插入件40可由硬质合金(cemented carbide)形成，诸如钴钨硬质合金(钴结碳化钨硬质合金：cobalt cemented tungsten carbide)。例如，钴可以在大约2％(重量百分比)和大约20％(重量百分比)之间并与碳化钨平衡。但是，本领域的技术人员应该理解，适于用作切削插入件的其它材料也适于用作切削插入件。这些材料包括陶瓷(例如，氮化硅基的陶瓷(siliconnitride-based ceramics)和铝基陶瓷(alumina-based ceramics))、无粘结剂型碳化钨(binderless tungsten carbide)、具有金属粘结剂的多晶金刚石复合物、具有陶瓷粘结剂的多晶金刚石复合物、硬度大于或等于大约90.5洛氏硬度A的碳化钨-钴合金和带硬膜层的硬质合金。

如上所述，钻头10包括至少一个可旋转切削部80。如图1所示，钻头10包括两个可旋转切削部。可以设想，本发明并不受到可旋转切削部的数量限制，总的来说，钻头10可具有两个可旋转切削部。为了方便讨论，将仅讨论一个可旋转切削部，因为尽管每个切削部可具有不同的结构部件或可具有不同的构造，但是每个可旋转切削部的操作是一样的。

现参考图1、4和5，显示了图1的可旋转切削部80。可旋转切削部80具有顶表面82、底表面94、内侧96和外侧98。在图1所示的实施例中，顶表面82可大致为水平的，或具有大致垂直于纵向轴线的平面。顶表面82具有在前面(leading face)86和顶表面82的相交处的前缘84，以及在后面(trailing face)90和顶表面82的相交处的后缘88。尽管前缘84可以处于与后缘88相同的平面中，但是期望的是，在一些实施例中构造前缘84使得其轴向向前或向后朝向后缘88与水平表面92成角度。可旋转切削部还包括内侧96和外侧98。外侧98包括切割尖或切削刃100。切削刃100可具有适于切削期望的沟槽的任意适当构造。例如，如图所示，切削刃100可包括顶部斜缘102、底部斜缘103和侧斜缘104。替换地，可仅设置顶部或底部或侧斜缘中的一个。内侧96可旋转地连接至钻头本体12的一部分，将在以下所述。

在操作中，当钻头10沿钻孔方向36旋转时，可旋转切削部80在第一位置，如图2最佳所示。在该第一位置中，可旋转切削部80的切削尖100没有延伸超过由静止切削部70限定的周界。在一个实施例中，如图2所示，前面86与钻头10的一部分接触。随着钻头10沿钻孔方向36旋转，钻头沿轴向向前的方向32移动。当钻头10到达最靠前的行程范围时，即，当已经达到期望的孔的长度时，钻孔10沿相反方向38旋转，且钻头沿与轴向向前方向32相反的轴向向后方向34移动。当钻头10沿该方向38旋转时，可旋转切削部80呈现第二位置。在该第二位置中，可旋转切削部80的切削尖100径向向外延伸以限定出可旋转切削部周界110，该周界径向地位于由静止切削部40限定的周界70以外。因此，可旋转切削部80的切削尖100形成在孔洞内的沟槽，且随着钻头10轴向地移动，可形成径向或螺旋的沟槽。有利地，孔洞和沟槽可在钻头的单次行进中形成，这是省时的，特别是相对于两次行进系统。

可旋转切削部切削刃100径向延伸超过由静止切削部70限定的周界的程度限定了螺纹或沟槽的深度d。顶表面和底表面之间的距离限定了螺纹或沟槽的宽度w。随着钻头沿轴向向后方向所移动形成的轴向相邻沟槽之间的距离限定了间距P。本领域的技术人员应理解，可以改变多个操作参数，这影响孔洞直径D、间距P、沟槽深度d和沟槽宽度w中的每一个。

如图5所示，在可旋转切削部80的一个具体实施例中，内侧96通过销120可旋转地固定到本体20，该销与纵向轴线30间隔开但平行于纵向轴线。销120可到本体12，其方式是销120被保持在位且允许可旋转切削部80旋转。例如，销120可固定到本体12，例如通过钎焊、焊接或其它适当方式。如图5所示，销120具有被保持在本体的座部21中的第一端122和保持在固定到本体20的头部126中的第二端124。在一个实施例中，可旋转切削部80的底表面94大体与平面92对齐，该平面相对于纵向轴线30是水平的(垂直)。

替换地，如图5a所示，内侧96具有圆柱形状，其具有从底侧延伸以便与本体内的座部21接合的销120a。头部126具有销127，销127与设置在切削部80的内侧96顶部上的口128接合。

在本发明的另一实施例中，可以设想，可旋转切削部80的底表面94可相对于水平面(92，即，垂直于纵向轴线30且大致平行于后端的平面)呈一角度。在这方面，可以设想，销120以不平行于纵向轴线30但与纵向轴线30成一角度的方式在本体中排布。在这方面，可旋转切削部可如图1-5那样成形。

替换地，如图7所示，可以设想，可旋转切削部80的形状被设置为使得顶表面82相对于水平面92成一角度(即，垂直于纵向轴线30且大致平行于后端的平面)。换句话说，顶部外侧在顶部内侧的轴向前方。这些实施例中的每一个都可以提供与图1的可旋转切削部不同的间距轮廓(pitchprofile)。

尽管图5示出了销120，可以设想可以使用任意适当的旋转连接。因而，如图8所示，示出了球130和插口132的布置。在该实施例中，可旋转切削部80的内侧96具有球结构130，而本体12具有插口结构132，该插口结构132固定在钻头中并允许可旋转切削部相对于钻头旋转。可以设想，球和插口的布置可以颠倒。替换地，如图8a所示，可旋转切削部可以成形为单体结构，而内侧96可以成形为与冰激凌蛋卷类似的球。

在可旋转切削部80的每个实施例中，可以理解，当钻头10沿钻孔方向36旋转时，可旋转切削部80呈现第一位置(未伸出或未展开)；当钻头10沿相反方向38旋转时，可旋转切削部80呈现第二位置(已伸出或已展开)。与地质层的摩擦接触和/或由可旋转切削部80受到的离心力迫使其呈现第一或第二位置，在这期间，可旋转切削部80的相对侧接触本体12的一部分，其限定可旋转切削部80的进一步旋转运动。

总体上，尽管摩擦和/或离心力应足确保可旋转切削部80根据钻头10的旋转方向而处于合适的第一或第二位置，但是可以设想提供偏置构件140以辅助将可旋转切削部80保持在第二位置。在这方面，图6显示了钻头10的一个实施例的顶部详细视图，其中设置有偏置构件140。在该实施例中，偏置构件140可以具有螺旋弹簧的形式，其一端142固定至本体12，其相反的另一端144固定至可旋转切削部80。偏置构件140在该实施例中围绕可旋转切削部的内侧96弯曲。替换地，如图6a所示，偏置构件140可设置为使得，偏置构件140保持大致线性的轮廓。尽管显示了螺旋弹簧，但是可以设想还可以使用另一的偏置构件140。

参考图9和10，示出了可旋转切削部延伸机构的另一实施例，没有静止切削部。在该实施例中，促动构件150被设置为将可旋转切削部80促动或移动到第二位置。促动构件可以从后端16朝向前端14以轴向的方式布置，且从远离可旋转切削部80的位置操作。如图9所示，促动构件150以允许促动构件相对于钻头本体12旋转的方式承载可旋转切削部。在该位置中，静止切削部如上所述地切过地质层，且可旋转切削部不会径向向外地延伸超过由静止切削部限定的径向周界。

当钻头10沿相反方向38旋转时，促动构件可相对于钻头本体12旋转，从而可旋转切削部80径向向外地延伸超过开口152，该开口设置在钻头本体中以如上所述地切削出沟槽。

因而，本发明提供了钻头10，其适于在矿井应用中形成用于顶板锚杆的孔洞。在这方面，由本发明的钻头10形成的孔洞提供了期望的表面区域，以增强用树脂或其它材料灌浆的顶板锚杆的结合互锁。本发明由此涵盖在地质层中设置孔洞的方法。该方法包括提供根据上述任一权利要求所述的钻头10，然后使钻头10沿第一方向36旋转，使钻头10沿第一轴向方向32移动；并且，随后，使切削头沿与第一方向相反的第二方向38旋转，并使且切削头沿与第一方向相反的第二轴向方向34移动。因此，具有额定直径D的孔洞形成有间隔开的螺旋沟槽，该沟槽形成在具有额定孔直径D的周边内。

以下的例子用于描述本发明但不用于限制本发明的范围。

例1

在美国新墨西哥州的Waterflow的San June Mine中使用同一钻头在地质层中钻了四、五和六英尺长的孔。顶板锚杆以传统方式通过树脂安装，然后进行Short Encapsulation Pull Test(短包封结构拉力测试：SEPT)。在每英尺树脂包封结构有12至24吨范围的锚定能力是可以被本行业接受的可接受或“良好”锚定能力。先前，已经发现碳质页岩和泥岩展现了每英尺4至7吨范围的锚定能力。相反，通常煤层展现出的树脂包封的锚定能力在每英尺10至15吨的范围。

通过使钻头沿第一方向(孔洞方向)旋转，并在使钻头沿第一方向旋转的同时将钻头轴向地插入和移出，可形成传统的孔。通过使钻头沿第一方向旋转且轴向地插入钻头，可以形成带膛线的孔。此后，钻头沿第二相反方向旋转并从所形成的孔轴向地移出。以下表格显示出结果：

锚杆长度(英尺)	4	5	6
				常规孔的平均拉力载荷(吨)	6.8	6.0	5.0
带膛线的孔的平均拉力载荷(吨)	20.4	17.8	14.3
				改善量(％)	302	297	286

有利地，与同一地质层中的传统顶板锚杆相比，用本发明的钻头形成的孔洞允许使用更好、更短、更细由此更轻质的锚杆来获得相同或改善的顶板支承水平。本发明的钻头还可允许使用较短的锚定件用于点锚定的顶板支承件产品。

另外，使用根据本发明的钻头可以保持安装时间基本不变，因为仅需要单次行进。并且，因为在钻头移出期间可保持真空，由钻头形成的切屑可从孔去除。这将消除树脂污染，并由此减少插入沟槽中的树脂跟部的横截面面积的相应减小。这可以导致更高的锚定能力。真空的使用还限制了操作者对尘埃的暴露。

例2

根据本发明的钻头用于在泡沫胶结材料(foamed cementitious material)制成的典型块状件中形成孔洞，并随后用于形成上述的螺旋沟槽。泡沫胶结材料沿纵向轴线切削，以呈现出按照上述方式使用本发明的钻头而形成的膛线结构。所呈现的样式在图9中可见。应注意到，钻头形成的孔洞具有大约为1英寸的直径“D”、大约为1英寸的间距“P”、大约0.5英寸的螺纹或沟槽深度“d”、大约0.25英寸的螺纹或沟槽宽度“w”。应注意到每个参数可以以适当的方式调整来形成期望的轮廓。

应注意到，本发明的钻头可用在顶板锚杆的安装中，而不用使用树脂。在这方面，可旋转切削部80被构造为匹配顶板锚杆上螺纹的螺距，从而顶板锚杆可在孔洞的终端处开有螺纹。因而，在本方法中，利用根据本发明任意实施例所述的钻头10形成孔洞，其中，可旋转切削部80被构造为使得形成在孔洞中的间距匹配将使用的顶板锚杆的螺距。有利地，在本申请中使用的顶板锚杆仅需要在终端开有螺纹(即，在锚杆的靠近孔洞的终端的部分处)。因此，孔洞的额定尺寸不要大于顶板锚杆，这是常见的以便容纳树脂。因此，可以使用具有任意适当尺寸的钻头，诸如0.750英寸、0.875英寸、1.000英寸、1.125英寸、1.250英寸、1.375英寸或任意适当的尺寸。

尽管已经相对于顶板钻头描述了本发明的钻头10，但是应该理解，本发明还设想了其他使用。在这方面，本发明的其他实施例通过说明书的教导对于本领域的技术人员是显而易见的。因此，本说明书应理解为仅是示例性的，本发明不限制于上述具体实施例。

Claims (15)

1.一种可旋转钻头，包括：

a.细长钻头本体，该钻头本体具有限定出纵向轴线的后端和前端；

b.第一静止切削部，位于前端处并具有限定出第一周界的第一侧切削刃；

c.具有切削刃的第一可旋转切削部，该切削刃在第一位置径向伸出没有超过所述周界而在第二位置径向伸出超过所述周界。

2.如权利要求1所述的钻头，其中，第一静止切削部还包括在钻头本体的前端之前延伸的顶部切削刃。

3.如权利要求1所述的钻头，其中，第一静止切削部还包括第二侧切削刃。

4.如权利要求3所述的钻头，其中，第二侧切削刃与第一侧切削刃相对。

5.如权利要求3所述的钻头，其中，第二侧切削刃限定出大致等于第一周界的第二周界。

6.如权利要求1所述的钻头，其中，第一侧切削刃设置在静止切削部前表面上，第一可旋转切削刃设置在可旋转切削部的前表面上，从而可旋转切削部的前表面位于与静止切削部前表面的平面不平行的平面内。

7.如权利要求1所述的钻头，其中，第一可旋转切削部绕平行于纵向轴线的轴线旋转。

8.如权利要求7所述的钻头，其中，第一可旋转切削部绕与纵向轴线间隔开的轴线旋转。

9.如权利要求1所述的钻头，其中，第一可旋转切削部绕与纵向轴线成角度的轴线旋转。

10.如权利要求1所述的钻头，其中，第一可旋转切削部与第一静止切削部轴向地间隔。

11.如权利要求10所述的钻头，其中，第一可旋转切削部轴向地位于第一静止切削部之后。

12.如权利要求1所述的钻头，还包括可供切削材料通过的孔口。

13.如权利要求12所述的钻头，其中，该孔口位于可旋转切削部之后。

14.如权利要求1所述的钻头，还包括在后端处的开口，用于限定出凹接收座，该凹接收座被构造用于接收钻杆的凸部。

15.一种在形成于地质层中的孔洞中产生沟槽的方法，包括：

a.设置一钻头，该钻头包括：

i.细长钻头本体，该钻头本体具有前端和后端；

ii.第一静止切削部，位于前端处并具有限定出一周界的侧切削刃；

iii.具有切削刃的第一可旋转切削部，该切削刃在第一位置伸出没有超过所述周界而在第二位置伸出超过所述周界；

b.使切削头沿第一方向旋转并使切削头沿第一方向移动；和

c.随后，使切削头沿与第一方向相反的第二方向旋转并使切削头沿与第一方向相反的第二方向移动。

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