CN1938497A - 钻探设备、方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种上面设有螺旋形定位的切割臂的螺旋刮刀钻头。此切割臂可以在预先打的导向孔的侧壁上产生螺旋沟道的几何形状。切割臂可以终止在划痕切割刀片中。螺旋刮刀钻头可以结合到用来测量地质技术性质的系统和方法中。这种螺旋刮刀钻头可以使用在用于改善岩石锚栓固定能力的系统和方法中，以及用在采矿工业或者任何可以得益于支撑的颗粒状基质所使用的类似装置中。具有新结构的新式岩石螺栓可以与孔的改进了的几何形状一起使用，或是可以生成这种孔的改进了的几何形状。

Description

钻探设备、方法和系统

这个申请请求U.S.临时专利申请编号60/496,379的权益，这个临时申请是2003年8月20日立案的，其全部在此引证作为参照。

技术领域

本发明涉及的是可用于地质技术学、采矿及挖掘目的的螺旋刮刀钻头和岩石锚栓系统。本发明还涉及到使用这种螺旋刮刀钻头的方法，和包含有这种螺旋刮刀钻头和岩石锚栓的系统。

背景技术

已知的钻探系统可以使用牙轮钻头(roller cone bits)，它们是通过连续地在钻孔基部击碎岩石而工作的。由于通常岩石是抗击碎的，所以牙轮钻头是不利的。已知的其它岩石钻探系统使用的是刮刀钻头。传统的刮刀钻头是通过在钻孔基部来剪切岩石而工作的。由于岩石剪切的抗力比对击碎的抗力一般要小，所以刮刀钻头比牙轮钻头可以更加有效。

最先进的岩石切割过程都伴随有某些切割工具的剪切作用或者磨削(grinding)运动。这些切割作用导致了有噪声的工作环境，而且讨厌的激烈振动被传送到钻探机组基地建筑物。在任何钻探过程中“钻头上的重量(weight on bit)”都是重要的参数之一，它就是切割过程中作用在钻头上的轴向力。这个力一般比较大，可以由钻探机器对钻出表面的固有锚固而产生，或者作为选择，钻头上的重量可以由钻探机组结构自身的重量所提供。

Foster的美国专利5,641,027(‘027专利；授予UTD Incorporated)公开了一种钻探系统，这种系统包含的钻头具有排列成螺旋图案的螺纹切割部件。随后的每个切割部件都是楔形的，因此钻头切割的螺线是分段的，也就是说是“突变的”(snapped off)‘027专利所公开的钻头适于对引导钻头形成的钻孔进行扩大，‘027专利的全部都被引证在此作为参照。

低反作用力钻探(LRFD)，例如在‘027专利中公开的，是一种低能量、低质量、自推进式的钻探系统。与适合于同样钻探目的的其它发明前的已知工艺相比，研究已经表明能量消耗至少少五分之四。LRFD的显著优点是它的与其独特的岩石切割机制有关的低能钻探能力、它的由于其系留井下电机和吊桶构造而造成的基本无边限深度能力、它的由自包含扭矩所造成的自推进的能力、以及由对抗多重同心岩石切刀和顶靠着(bracing against)岩石或表层岩所造的成钻头上的重量。LRFD另外的优点可以在其非热变质的无损伤大试样产品(＞1cm³)中发现，位置已知在15mm之内，最后，它生成孔的直径大，在钻孔期间和后来可供井下仪表设备之用。

这种系统已经有了在大范围材料中通过千米级钻探的浅钻探应用(1到200米)。在一种新式刮刀钻头的几何结构中，利用此系统的优点，而同时减轻新式钻头系统的不利特征是有好处的。

具有使用较少动力资源的，而且可以在有或没有液体润滑的情况下工作的螺旋刮刀钻头是有好处的。如果这种刮刀钻头可以在极寒冷和接近真空的条件下工作也是有好处的，例如在外星位置上发现就是这样。

在钻探期间，在野外，特别是在现场得到岩石的精确抗压强度测量是困难的，这是地质学家或是其他岩石力学研究者遇到的一个问题。在常规的钻探中，必须同时监视几个钻探变量，以便来解释岩性学的变化，这包括有撞击、旋转速度、扭矩和穿透速率。的确这样，这是因为对于每个常规钻头旋转来说，除去材料的数量是所有这些变数的函数。对于地质技术系统来说，让地质学家和其他人能在现场得到精确的基质特性测量是有好处的。

在采矿工业中，煤矿冒顶一直是地下煤矿员工面对的最大的安全危害。用于在煤炭和硬岩矿山中使岩石稳定防止这种事件的主要支撑技术是岩石锚栓或缆索锚栓。这两种主要支撑技术包括有在岩石中钻孔，以及在这些孔中建立锚固的过程。当今死亡事故和伤害的记录强调指出需要对这些工作进行改进。

作为抗冒顶的主要岩石加固设备，岩石锚栓起重要作用。正如NIOSH从岩石锚栓制造商那里所收集到的，1999年美国的采矿工业中大约使用了1亿个岩石锚栓。其中大约80％使用了水泥浆作为把锚栓锚固到岩石上的手段(从1991年的大约48％开始)，大量的剩余岩石锚栓百分数是使用机械锚件。公路和铁路通过山地的挖掘通道也广泛使用岩石锚栓或缆索锚栓来使岩体稳定。

虽然大量锚固技术已经开发出来，但是水泥浆和机械膨胀锚栓还是更通用的，在美国煤矿中使用的岩石锚栓超过99％，使用机械锚拴的减少归于这样一个事实：灌水泥的岩石锚栓把它们加在岩石上的锚固负载分配在一个较大的区域上，一般会产生较好的固定特性。

已经对岩石锚栓，作为顶板控制方案的一个重要贡献者，进行了研究，来确定最佳安装间距、长度以及锚固与地质条件的匹配。岩石锚栓支撑矿山顶部的主要方法通常如下所述：横梁建造(把许多岩梁结合在一起，因而它们表现得像一根大的单跨梁一样)，把不牢固的破裂地基悬挂在更牢固的地层、压力拱和分离的支柱上。缆索栓固(bolting)(这里用缆索代替钢杆作为锚栓)实现同样的功能。虽然岩石锚栓在减轻岩体断裂中起着重要作用，但是为了生成稳固的矿山环境，许多其它矿山设计因数开始起作用，这包括(然而并非局限于)孔道尺寸、挖掘顺序、锚栓锚件和长度与孔道和地质条件的匹配、以及安装时机等。尽管这些其它因素很重要，但是如果岩石稳定中使用的岩石锚栓性能不好，矿工还是处在危险中。

已经查明冒顶附近锚栓的安装特性对断裂是起作用的。一个有案可查经常发生的岩石锚栓断裂机理是水泥浆失去了与螺栓孔岩壁的剪切结合(shear bond)。相对于锚栓的直径、树脂对水泥型的水泥浆、岩石类型以及孔的状况来说，对水泥浆与岩体互锁的完整性的主要贡献是孔的直径。

平滑的锚栓孔总是在墙壁粗糙的孔上造成岩石锚栓载荷能力的减少。为了说明这个，螺栓孔钻头制造商在他们的制造中在钻头顶点的中心处故意减少公差，并对钻头切刀的插入件进行设置，使得钻探时引入摆动，以及松开钻头对钻杆的固定，最后的结果是在孔壁上留下岩脊，这种方法一般会导致锚固能力的增加。然而，即使是有了这些螺栓孔平滑度的变化，锚固能力增加了，但是岩石-水泥浆分界面的断裂仍然是经常发生的。

虽然迄今为止已经对岩石锚栓进行了大量的研究，但是在可以导致岩石锚栓性能巨大改善的领域中仍然存在着缺口。例如，已经进行了重要的拉力试验的研究，已经为最大锚定能力验明了孔的直径对锚栓直径的最佳比率，而且还查明了孔的状态对最终固定能力有重要贡献。在岩石锚栓固定能力中的比较没有查明的特点是孔的几何形状。为了改善固定能力，使螺栓孔几何形状最佳化是有好处的。

在岩石锚栓孔的钻探方面，还遇到了另外的问题：灰尘和噪音。在大多数岩石锚栓钻探作业期间，操作者直接站着操纵，双脚离开机械设备和实际的钻探过程。NIOSH进行的研究已经查明煤矿中顶栓周围可能会有高的硅石灰尘水平，并把许多原因都归于钻探过程中所使用空气的真空收集和过滤。虽然NIOSH已经进行了灰尘危险性和健康影响的重要研究(早先是由美国内政部，矿山公署进行的)，但是为岩石锚栓钻探者改善环境的措施几乎都被限制在工人的防护行动上。

还研究了采矿机械附近的噪音。减轻高噪音等级的工程解决方案总是比行政的解决方案或个人的防护设备要来得好。关键是使得这些工程解决方案低成本。

同样，灰尘防护设备是有用的，但是有意设计的低灰尘解决方案却为改善矿工安全及健康环境中的无缝结合(seamlessincorporation)和效益提供了更大的机会。

发明内容

本发明涉及的是新式螺旋刮刀钻头以及包含有这种螺旋刮刀钻头的系统，还涉及使用它们的方法。本发明在很大程度上克服了发明前已知工艺的缺点。因此，按照本发明的一个方面，螺旋刮刀钻头装有一或多个螺旋定位的切割臂，当它们定位在离开刮刀钻头尖端的运动方向时，会增加径向长度。此切割臂在预先打的导向孔的侧壁上产生螺旋沟道的几何形状。

在一个可供选择的实施例中，切割臂终止在划痕切割刀片中。这些切割刀片用来向孔的侧壁中切割一个比较平滑的导向钻孔延伸，从而扩大孔径。这个实施例的切割臂可以与以前没有划痕刀片的实施例的切割臂一起使用，或是由它们自己使用。

螺旋刮刀钻头的实施例可以被结合到用来测量钻出基质的地质技术特性的系统和方法中。在钻探期间，这种测量可以在现场进行。

螺旋刮刀钻头可以使用在用于改善岩石锚栓和类似装置的固定能力的系统和方法中，它们都是在采矿工业或任何颗粒状基质能从支撑中受益的环境中使用。螺旋刮刀钻头可以生成一种改善了的岩石锚栓孔的几何形状，它可以与机械或化学的固定手段相作用，以改善这种支承结构中的拉出能力。传统的以及新的岩石锚栓(具有新式结构)可以与这个改善了的孔的几何形状一起使用。这种新的岩石锚栓可以包含有螺旋刮刀钻头的设计或可以同样方式开凿岩石锚栓孔。

参考附图，从以下详细的讨论中可以更好地理解以上所述的和其他的优点。

附图说明

图1a和1b是本发明实施例螺旋刮刀钻头刮板(flight)部分的视图；

图2a和2b是本发明实施例螺旋刮刀钻头刮板部分的视图；

图3a和3b是本发明实施例螺旋刮刀钻头刮板部分在制造时的视图；

图4a和4b是本发明实施例切割臂插入件的视图；

图5a和5b是本发明实施例螺旋刮刀钻头刮板部分的视图，图5b是图5a中视图一部分的细节。

图6是本发明实施例螺旋刮刀钻头刮板部分的透视图；

图7是本发明实施例两个螺旋刮刀钻头刮板部分的视图；

图8是本发明实施例多层螺旋刮刀钻头刮板部分的视图；

图9是装有本发明实施例螺旋刮刀钻头的钻探系统的视图；

图10是图9中本发明实施例钻探系统的视图，它表现为相继的钻探阶段0-4；

图11表示了由本发明实施例的一个装置所形成孔的详细视图；

图12是具有本发明实施例划痕切割臂的两个螺旋刮刀钻头刮板部分的视图；

图13是具有本发明实施例划痕切割臂的螺旋刮刀钻头刮板部分的视图；

图14-16是本发明示范实施例的基质和岩石锚栓的横切面视图；

图17是一张比较图，它把发明前已知工艺岩石锚栓孔中使用的传统岩石锚栓的拉出强度与结合本发明实施例所形成岩石锚栓孔而使用的传统岩石锚栓的拉出强度进行了比较；

图18表示了本发明示范实施例的基质和岩石锚栓的横截面视图；

图19a-19d表示了本发明示范实施例的基质和岩石锚栓的横截面视图；

图19e和19f表示了本发明示范实施例的基质和岩石锚栓的横截面视图；以及

图20a-20c表示了本发明岩石锚栓的示范性实施例。

具体实施方式

本发明涉及的是螺旋刮刀钻头、包含此钻头的系统以及利用这种钻头和系统的方法。在整个的详细说明中，术语“螺旋刮刀钻头”和“螺旋切刀”是可以交换使用的。术语“刮板”是指分段钻头轴的，包含有切割臂的部分。术语“切割臂”与“切刀”可以互换。术语“树脂”和“水泥浆”也可以交换使用。

本发明的螺旋刮刀钻头提供一个推进机构，这个机构使切刀沿着导向孔的周围做运动，这个导向孔，例如，是一个导向的岩石锚栓孔。同样，这个钻头使切刀沿着导向孔的长度方向前进，从而向导向孔的侧壁中引入了加工成的凹槽。切刀沿着导向孔圆周和长度方向的运动速度是可以独立改变的，以便生成不同的几何形状，这包括偶数的和奇数的有间距凹槽。

本发明螺旋刮刀钻头的两个示范性实施例都有螺旋定位的切割臂10，如图1a，1b和2a，2b所示，它们在钻头轴12的外表面上隔开一定距离。图1b表示了图1a中钻头刮板20的顶视图，而图2b则表示了图2a中钻头刮板20的顶视图。这些图表示的钻头刮板20具有切割臂10，对于每一个切割臂10来说，此切割臂都离开钻头轴12以径向长度14延伸(从转动中心开始测量)。径向长度14一般相当于单个臂10的切割深度。臂10的径向长度14可以如图2b(和图8)所示，随着每个单独臂10从底部臂10a至顶部臂10b而增加，因此每个相继的臂10在离开钻头轴12尖端的运动方向都具有一个比较深的切割深度(参见图8)。

3a和3b画出了在切割臂10制造时典型钻头刮板20的顶视图和侧视图，如图所示，臂10设计得能以螺旋的方式行驶，沿着一定螺旋轨道具有均匀的轴向螺距18，类似于自启动螺纹丝锥(thread tap)。钻头刮板20制造得具有插孔38，它在钻头系统运转期间被用来叠起钻头刮板20以及使叠起的刮板20转动。插孔38可以有任何适当的形状，但是最好是圆形的，有形成六边形的镗孔。钻头刮板20最初可以制造得具有连续的螺旋形螺纹10a，随后加工成具有选定径向长度14和几何形状的单个切割臂10。如图1a-2b和6-8所示，切割臂10的各种几何形状都在本发明的范围之内。如图8所示，钻头的基本刮板部件20可以与更多刮板20一起叠起起来，后者也具有在离开尖端16的方向上不断增加径向长度14的切割臂10。因此，在低能量钻头中可以实现想要的最大切割深度。

图4a和4b表示了边缘插入件11，在本发明实施例(参见图9)中它们可以是切割臂10的一部分。这种边缘插入件11通常是通过铜焊连接到臂10上。与原来的臂10相比，这些插入件11可以提供更好的切割材料。插入件11，例如，可以是多晶金刚石或碳化物。在较小的切割臂10上，如图5a和5b所示，在钻头轴12中提供有槽穴(pocket)13，用于把插入件11铜焊在臂10上。在一个可供选择的实施例中，切割臂10的切割刃可以装在切割臂10中，而不需要一个插入件。当切割臂10是用热处理合金制成的或者当它们是做成一次性使用时，例如象在自钻探锚栓的场合，就是这种情况。

使用螺旋刮刀钻头对导向孔的侧壁进行进一步地切割，以便实现一个修改过的侧壁几何形状。钻头挖掘导向孔的侧壁，沿着钻出孔的深度方向留下一个轮廓分明的螺旋的或者交错的切槽。切进侧壁内的最终深度取决于最大的轴向切割臂长度14。在切割期间，由于臂10的形状，碎屑(debris)可以从切割区除去并而被“扫”向孔的中心。切片然后就在液压的、气压的、或者空心钻杆(hollow stem)螺旋推进的过程中从钻孔除去。展望了使用此钻头的其他实施例、方法和系统。

图6表示了在钻头叠起后面阶段要使用的钻头刮板20。如图所示，刮板20的切割臂10比，例如，图1a和2a中所示的要长许多。图6还表示了其中使用了截然不同切割臂10几何形状的实施例。图6中所示切割臂10也终止在边缘插入件11处，它提供增强了的切割能力。图7表示了一对钻头刮板20a和20b，并给出初始刮板20a和后面刮板20b之间的某些对照，这里的初始刮板具有较短的切割臂10，而后面的刮板则具有较长的切割臂10。至于刮板20对切割系统是如何叠起的，图8提供了更多的前景，并表示了初始切割臂10a和终止切割臂10b之间的长度差异。

图9表示了一个装有本发明实施例螺旋刮刀钻头的LRFD系统22。这个系统22主要由井下部件组成，这包含有钻头系统24、吊桶(bailingbucket)26、井下电机/齿轮箱28、碎屑存贮盘30、护套(sheath)32、定向钻头34和螺旋推进器(auger)36组成。LRFD在钻孔中的提升和下降是由地面上的三脚架和绞车系统实现的。

如图10所示，岩石或土壤的粉碎(comminution)是几个螺旋切刀部件(例如刮板20)逐次加工而完成的。每个螺旋切刀的单个动作都依赖于一种反作用力的能力，而这种反作用力则保持着不动的螺旋切刀与岩石或土块有摩擦接触，这就允许系统22自我推进，一步一步地通过大范围的基质材料。单个部件的作用还减少瞬时的功率需求。在图10中，阶段0表明在一个钻井周期开始前的钻孔系统22。阶段1包括有使导向钻头34在钻探系统22重量和最小转动反作用力的影响下推进到岩石或表土(regolith)之内。

仍然参考图10，护套32遮盖着螺旋推进器36的引导轴，并允许把引导切片传输到位于螺旋切刀系统24上面的吊桶26。一旦延伸到最大范围，如阶段1中所示，(在本发明的一个实施例中可以大约为0.3m，如果工作在高度破碎的岩石、粗石或沙子中可以低些)，导向钻头34就地旋转，让螺旋推进器36(在护套32里面)沿着它的轴传送切片离开导向孔区域。然后护套32缩回，与第一个螺旋形刮板20相啮合。第一个螺旋形刮板20然后旋转并如阶段2所示，由护套32按规定的速率向前刺入。刮板20在导向孔的侧壁中生成一个像螺旋凹槽一样的螺纹(thread)，而此导向孔侧壁则是由导向钻头34产生的。在阶段3中，护套32的驱动管从第一刮板20缩回，与第二螺线刮板20相啮合。阶段4描绘了这样一个阶段，在这个阶段，第二刮板20达到它行程的终端。剩下的螺旋形刮板20以连贯地方式单独前进，到达底部，使得岩石中的螺纹凹槽加深。

螺旋推进轴的目的是驱动此导向钻头34，把岩石切割碎屑输送到一个吊桶容器中。表格I概括了在各种基质中如图10中所示本发明典型

实施例的切割性能。

表格I
				介质	状态	密度(g/cm3)	注解
石灰岩	磨碎的	1.700	带有某种结块的流动
				砂岩	磨碎的	1.630	流动得很好
沙子	粒状的	1.500	带有某种磨削的流动

图11表示了利用本发明实施例的装置所生成的孔，这个孔在岩石15中包含有指定螺距的螺纹19。螺旋切刀装的基本刮刀钻头就要与岩石15中的螺旋凹槽19相切。在这种螺旋线螺距18的基础上，在岩石15中生成了可查出的螺纹凹槽19，这就便于井下反作用力的发展和取出还没有经过过度热负荷的岩样。通过对切割臂10的螺距18、单个切割臂10的厚度、倾角(rake)和后隙角(back angle)、切割臂10的截面几何形状，以及每一刮板20的切割臂10的数目进行修改，可以在一宽的范围内对几个钻井参数进行修改。对已给出的每分钟转数来说，受此影响的参数包括有的轴向力、扭矩和效率。

如图1b，2b，3a和6-8所示，对于切刀插孔38的内部设计给予了特别的注意。通过插孔38内部表面中的主要凹槽和护套驱动器的主要支杆，刮板20和护套驱动器之间的啮合是可能做到的。为了使刮板20与驱动轴相啮合，此驱动器通过螺纹拧进切刀插孔38中。一旦驱动器到达插空38内的设定位置，导向钻头34的反向旋转就会激活凸轮系统，提升此驱动器使其支杆啮合到插孔38的凹槽中。切割臂刮板20和护套驱动器之间的啮合设计成能在传送具有高边际强力(strengthmargin)的切割扭矩时，平滑地把此插孔锁定在切割模式脱和离开此模式。

在钻探一个63mm直径的孔并前进通过1.89m砂岩的情况下，平均功率消耗大约为225Watt-hrs/m。按照本发明实施例，使用本发明的系统22，能达到的功率消耗大约为100Watt-hrs/m。在砂岩中的功率消耗平均大约为385MJ/m³，而在石灰岩中的功率消耗平均大约为300MJ/m³。

在本发明的一个实施例中，对实验室中使用的一个设计原型来说，系统22的质量已表明明大约为45kg。系统22的许多物件最好是可拆卸的。考虑到这种情况，已经表明按照本发明实施例，整个系统22的质量可以减少到大约16kg。

按照本发明实施例，大于1cm³的岩石碎片可以从孔中回收，而且能知道15mm以内样品的起源位置。

对于一个如图9中所示的分离式自驱动地下自系留钻探系统22的另一个本发明实施例来说，不是把整根轴深深地插入(plunging)到基质中，而是考虑了一个可供选择的策略。与先前的钻探系统和方法相反，这样一个系统22的重量可以是轻的，以便当向下推进自身，尾随细的功率和通讯电缆的时候，它只需要足够的功率来完成钻探任务。与表面绞车相连的一根辅助细金属绳可以与这个系统22连接起来，以便提升和清除科学样品以及余下的钻探过程切片。从钻探过程中除去钻具组(drill string)可显著地减少主系统22部件的重量，以及减少钻探任务的功率消耗。尽管钻具组系统受到它们可以达到的最终深度的限制，但是自备系留系统22几乎可以到达任何所希望的目的。

在图12和13所示的一个可供选择的实施例中，每个切割臂10都终止在划痕切割刀片40中，相对于此轴向的臂长14成垂直定位，沿着刮刀钻头本体12的外圆周长的切线方向。划痕切割刀片40用来切割一个比较平滑的钻孔延伸，以扩大孔17，这与上述第一个实施例所形成的螺旋或交错沟道(trench)19相反。当除去的时候，来自螺旋刮刀钻头第二实施例的碎屑可能类似于一个线卷，弹簧，或者“富于曲线的体态(slinky)”，或者碎屑可以破碎以便除去。

这个实施例提供一种螺纹脱扣(thread stripping)(因而除去样品)的新途径。如图12所示，切刀刮板20装有碳化钨划痕切割刀片40，可以在螺旋凹槽最深处，在每个岩石螺纹19的顶部和底部切割一个切口。相继的划痕切割刀片40，如图13中所示，切割得此切口越来越深，直到整个岩石螺纹19被挖掘下来，然后收集到吊桶底部中作为样品。

图12和13中所说明的实施例实现了一种低能量的钻头，并提供一个扩大导向孔17的高级装置。使用本发明的钻孔延伸切割不需要027专利的装置所做的那种螺旋切割的“突然中断(snapping off)”。这个实施例可以与图9的系统22一起使用，这里螺纹刻痕器(scorers)40前进，把岩脊(rock ridges)破碎作为科学样品。对于大约80mm的最终孔径(实际完工的孔径范围可以是50mm到250mm)来说，由螺纹破碎形成的碎片长度大约可为2到3cm。碎片可以收集到吊桶26中，同时来自引导螺旋推进轴的引导切片可以被收集在一分离的吊桶室中。沿着一个完整的钻井周期，此吊桶然后能被绞车金属线路系统提升到地面。

通过测量使此螺旋切刀推进所需的扭矩，此螺旋刮刀钻头可以用作测量钻出基质15(例如岩石)的性质，如图11中所示。本发明这样一个实施例的优点是在钻探期间，能在野外现场直接进行岩石抗压缩强度的测量，而且还能消除与发明前已知工艺的抗压强度试验技术相关联的异常反弹(bounce)，因此能现场提供可靠的地质技术测量。

测量了螺旋刮刀钻头前进通过的岩石基质15的抗压强度，在某种程度上，这是根据(i)螺旋钻头切割臂10的设计以及根据(ii)让螺线钻头转动通过岩石15所需的扭矩。虽然每个相继的臂10都可以有一个越来越大的轴向长度14，但是对每一个来讲，切割深度一般是一样的，并且所有臂10的平均切割深度都能被用来测量计算。螺旋刮刀钻头和每一个臂10上的扭矩是个已知的变量，它可以被控制或者测量。

如图9所示，包含有螺旋钻头的钻孔系统22可以与计算机42或者其它装置相连，而它们则都装有计算岩石15的抗压强度的软件，在某种程度上，这是基于螺旋刮刀钻头的设计以及此钻上的扭矩。由于螺旋刮刀钻头设计成具有反向臂10，所以反弹异常被改正过来。由于在使用期间螺旋刮刀钻头的臂10永远是相反的，而且具有递增的长度，所以是不可能有反弹机会的，而且臂10总是在切割，在螺线钻头上造成了平衡力。

螺线刮板20的几何形状提供了力的对称，以致于作用在每一个切刀上的法向力由刮板20对边上的切割臂10所平衡。螺旋形刮板20的每一转动都造成向此岩石15中的一个既定的推进，而切割深度则是由初始孔17的直径、切割臂10的围绕中心插孔38的螺距18以及单个切割臂10的几何形状来确定的。最后，根据对扭矩的测量，系统22可以解释岩性的变化。在三种不同岩性中跨过小的分层(bed separation)所进行的钻探表明，在所测量的扭矩和岩石15的抗压强度之间有一种经由下列方程连接起来的直接关系。

$q_u=\frac{\mathrm{Tc}}{K_{\mathrm{SE}}\•w\•d\•r}$

在上述方程式中：q_u是基质的无侧限抗压强度；Tc是每一切刀的扭矩；Kse是比能量(SE；SE＝Kse·q_u)和基质无侧限抗压强度(q_u)之间的比例系数；w是切刀宽度；d是切口的深度；以及r是切割刀刃的径向距离(从转动中心开始测量)。

按照本发明的实施例，此螺旋刮刀钻头以与上面讨论的图9中所示系统22相关的同样方式被用作地质技术装置。在基质15中打上一个导向孔17，以便配合螺旋刮刀钻头的本体12。然后通过对导向孔17的侧壁进行螺旋切割，可以把螺旋刮刀钻头用来进行地质技术测量，同时测量作用在螺线钻头上的力，来计算基质的性质。

本发明的另一个实施例是把螺旋刮刀钻头使用在在采矿及挖掘工业中，以及在任何那里颗粒状基质50(例如，岩石或者混凝土)要求支撑及稳定控制的情况中。在矿山中，例如，需要对地下孔道用支撑/稳定的岩石锚栓52进行加固。对岩石50中的岩石锚栓52来说，本发明至少可用来实现固定能力和拉出强度增加40％。另外，与先前的方法相比，在形成岩石锚栓孔中使用此螺旋刮刀钻头系统减少了灰尘和噪音。螺旋刮刀钻头系统生成较大的岩石碎片，而不是小的粒子，这就减少了灰尘的形成。而且此螺旋刮刀钻头系统是在每分钟转数较低的情况下工作，这减少了钻探振动，从而减少了噪音。

如图18所示，在钻探一个较平滑的导向孔54以后，螺旋刮刀钻头可用来螺旋形地把孔的内侧壁切割成“孔的最佳几何形状”56，从而使此孔54象图11中所示的那样有一定的卷曲组织(texturizing)。此具有一定卷曲组织的孔54允许在具有复合几何形状(螺旋或交错)的孔54内把树脂散播在较大的表面积上，从而在岩石50和锚栓52之间实现更好的抓握。

这孔的最佳几何形状可以做得符合树脂/水泥浆和围绕的岩石和岩层的物理化学性质。此孔的最佳几何形状能改变水泥浆和岩石之间拉出力的传输机理。按照本发明的这个实施例，在此孔的最佳几何形状中，可以生成右旋或左旋的凹槽。例如，与右旋岩石锚栓的转动一起使用的左旋凹槽可以改善树脂/水泥浆的重新分配。

这个技术不局限于为矿山孔道的顶部壁提供支撑和稳定手段。此技术可以使用在各种颗粒状基质中的各种方向上，而在那里像锚栓一样的装置将是有利的。例如，螺旋刮刀钻头能用在支承墙中或混凝土表面中，在垂直与水平两个方向上，形成螺栓孔54。

本发明的一个实施例包含有使用岩石锚栓52来对本发明螺旋刮刀钻头实现的孔的高级几何形状特性进行补充。然而这种锚栓52并不局限于使用在岩石50的基质中，而且不局限于具体的尺寸。锚栓52可以使用在任何颗粒状基质中，长度的范围可以从仅仅几个厘米到几米。

在一个图15所示的实施例中，岩石锚栓60可以在锚栓60的端部具有一个机械锚件62。此锚件62将啮合此螺形螺纹64，而后者则定位在相关导向孔54的端部。此机械锚件(anchor)给锚栓60增加上另外的固定能力水平和拉力强度水平，从而提供更多的安全。具有机械锚件62的锚栓60可以在有或没有树脂的情况下使用。这不是一个自我钻探锚栓的实施例。

在另一个实施例中，锚栓(例如图14的锚栓52)是自我钻探的，此锚栓本身里面装有螺旋切刀。锚栓可以在需要或不需要轮廓分明导向孔17的情况下自己旋入岩石50中。自我钻探锚栓能被用在有或者没有(如果没有使用导向孔)树脂的情况下，这取决于孔的最佳几何形状凹槽19的深度。

在图16所示的另一个实施例中，岩石锚栓70本身就是一个螺旋锚件，它被完全做了螺纹，或是部分地做了螺纹。螺旋锚件螺栓70具有螺纹72，它可以与螺旋刮刀钻头造成的螺旋切口74松散地或紧密地相配合。在这个实施例中，岩石锚栓70的螺纹部分装配到岩石50中孔54的螺旋切槽部分74中。由于能让岩石50本身直接支撑螺栓70，所以这个螺栓实施例得到增加了的固定强度和拉出能力。此外，这种螺栓70可以在有或者没有树脂的情况下使用。而且这个实施例对混凝土支撑和稳定特别有用。岩石锚栓70还可以相对于孔的最佳几何形状56进行设计，使得可以按照需要拆卸下来或重新插进去。完全做上螺纹的螺栓70会有最大的锚定能力。做上部分螺纹的螺拴70可以用来通过锚固到基质的最牢固部分上来减少顶部脱层。

图18表示了一个与图16中所示同样的实施例。图18的岩石锚栓70具有部分螺纹72，在这个实施例中指的是螺纹72.的非连续设计。利用螺旋刮刀钻头系统切入岩石锚栓孔54中的螺旋凹槽74可以稍微小于岩石锚栓70的螺纹72。这种设计促进岩石锚栓70的螺纹72对岩石50进行更进一步地切割，而且由于螺旋刮刀钻头系统先前对凹槽74的切割而更加容易了。螺纹74对岩石锚栓70提供额外的固定能力。水泥浆或其他粘着剂可以与这个实施例一起使用，由岩石锚栓螺纹72造成岩石50的额外切割有效地把水泥浆散播到全部孔54中。

正如上面关于图14所讨论的一样，考虑到周围岩石50和所用树脂浆液的性质，螺旋刮刀钻头的螺距和单个切刀的横截面是可以被优化的。在拉出发生以前岩石锚栓52的最后转移可以由凹槽56的螺距来控制。在水泥浆和岩石50以及螺栓52和岩石50之间力的传输机理可以由孔的最佳穴几何形状的凹槽56的横截面的变化来控制。可以对螺距进行实时调整以适合螺旋切刀前进期间就地测量的岩石性质。

图19a-19d中表示了本发明的另一个实施例。图19a表示了具有其中形成了一个岩石锚栓孔104的岩石102的横截面。在这个实施例中，由于岩石锚栓100本身具有形成凹槽以固定本身处在孔104中的能力，所以没有必要使用此螺旋刮刀钻头系统。图19b表示了一个岩石锚栓100，沿着至少其部分长度，最好是在尖端处，它具有突起106，它最终定位得紧靠着岩石锚栓孔穴104的端部。这些突起106在岩石锚栓100中不仅仅是不规则或畸形的，例如像在典型钢筋(rebar)中所看到的，而且设计成能围绕着岩石锚栓孔104来挖掘岩石102。岩石锚栓100沿着方向108移动进入岩石锚栓孔104中。如图19c所示，在强迫岩石锚栓100进入孔104中时，突起106将会对岩石锚栓孔104的壁进行圆凿(gouge)或切割，沿着孔104生成一条粗糙的凹槽110。图19c和19d表示了沿着插图平面方向的凹槽110；然而凹槽110最好只是根据突起106的尺寸来扩大孔104，沿着岩石锚栓100(图20a-20-20c)的轴它最好是孤立分散的。当岩石锚栓100完全插入到岩石锚栓孔104中时，岩石锚栓就部分地旋转了112，因此相对于此转动、岩石锚栓100和岩石锚栓孔104来说，就半圆形地形成了凹槽110a。这个凹槽110a对此突起106提供支撑，把螺栓100锁定到孔104中。

图19e表示了一个可供选择的实施例，这里岩石锚栓100具有如图19c和19d所示的同样基本构型，它插入在岩石锚栓孔104中，然而却不是直接强迫插入孔104中的，而是在沿着108方向强迫把螺栓插入孔104中时转动了112。螺栓100和突起106的这个转动112以及向前运动108沿着岩石锚栓孔104的壁产生一个螺旋型凹槽111。此转动112可以延续在插入岩石锚栓100的自始至终，以产生一个如图19f所示的凹槽111。螺旋凹槽111将支撑着突起106，把岩石锚栓100固定在岩石锚栓孔104中，特别是如果使用的是水泥浆的话。

图19a-19f中所示岩石锚栓100的突起106可以具有几种设计方案，包括图20a-20c中所示的方案，但并不限于此。图20a表示了一个具有类似于图19a-19f中所示那样的圆形突起。图20b表示了一个具有圆形突起106的岩石锚栓100，它从第一个突起106开始朝着尖端114在径向长度上向前使岩石锚栓增加。这个构型让图19c-19f中所示凹槽110或111的圆凿/切割更容易进行。图20c表示了一个具有角形突起106的岩石锚栓100，它可以是刀片的形式，或是金字塔的形式。这个角形突起106能让岩石锚栓孔容易地插入并进行圆凿/切割。如上所述，突起106的其他形状和构型也是可以的。

突起106可以以多种方法形成，这包括，然而并不是局限于，在冲压(stamping)岩石锚栓时做成它的一部分。突起106也可以通过把它们用铜焊或焊接附着在岩石锚栓上来形成。另外，在岩石锚栓中可以形成一些凹坑或孔，用于把突起106插入到那里。如上所述，形成突起106的其它方法都是可能的。

图17给出了一个表，它把利用发明前已知工艺中孔的几何形状(亦即标准试验1和2)的岩石锚栓拉出强度与利用按发明实施例孔的最佳几何形状(亦即单程的和双程的)的岩石锚栓拉出强度进行了比较。试验是在相同岩石材料中完成的。此图表给出了把岩石锚栓沿着它的轴拉动一个已知位移所需要的以磅为单位的负荷力。如此表所示，与孔的最佳几何形状相结合所使用的岩石锚栓表现出改善了的螺栓拉出性能。

当钻探岩石锚栓孔54的时候，本发明的这些实施例也可以用来减少灰尘和噪音。切割臂10的深度可以精心地设计成能减少每一切割臂10的扭矩需求，或者通过增加深度来增加碎片的尺寸。在一个研究中，所有钻探切片都被从两个不同的螺旋切刀刮板20收集起来。这些切片都用0.015的网孔进行过筛，把尺寸大的和小的分开。在切割臂10的深度只有0.05英寸变化的情况下，已经表明钻探切片特性的重要差异对钻探没有有害影响。表II说明了切片特性的差异。

表II
			平均扭矩2.85m钻探的螺纹切片质量粒子集合＜0.015目粒子集合＞0.015目	切刀刮板155N-m204gm153gm51gm	切刀刮板241N-m146.4gm127.6gm18.8gm

上面描述的工序与装置图解说明了本发明的优选方法和典型装置；然而在本发明范围内的其它实施例也是可能的。以上的描述和附图说明了实现本发明的对象、特色和优点的实施例。然而并不想使本发明严格地局限于的以上描述和图解的实施例。在下面权利要求项的精神和范围内，本发明的任何改进，尽管现在是不可预见的，都应该认为是本发明的一部分。

作为新的权利要求并希望受到美国特许证书保护的是：

Claims (31)

1.一种螺旋刮刀钻头，它包含有：

具有尖端的钻头轴；以及

在该钻头轴上的许多切割臂，该每一个切割臂都具有一个轴向长度，并且以定角度螺距定位在该钻头轴的周围；

其中每一个该切割臂的该轴向长度相对于定位得紧靠该钻头轴尖端的切割臂而言都是比较大的，因此该许多的切割臂都被构造成使得在导向孔的内表面中切割上螺旋凹槽。

2.按照权利要求1所述的螺旋刮刀钻头，其特征在于：该钻头轴分段成一些可叠起的刮板，该刮板中的每一个都包含至少两个该切割臂。

3.按照权利要求1所述的螺旋刮刀钻头，其特征在于：该切割臂中的每一个都终止在划痕刀片中。

4.按照权利要求3所述的螺旋刮刀钻头，其特征在于：该划痕刀片构造成使得在该螺旋刮刀钻头钻探通过的岩石中切割一个切口。

5.按照权利要求1所述的螺旋刮刀钻头，其特征在于：该螺旋刮刀钻头是分离式，自驱动，地下自系留钻探系统的一部分。

6.按照权利要求5所述的系统，另外还包括一台与该螺旋刮刀钻头连通的计算机，其特征在于：该系统设置为使得测量该螺旋刮刀钻头钻探通过的基质的地质技术性能。

7.按照权利要求1所述的螺旋刮刀钻头，其特征在于：该螺旋刮刀钻头是与计算机相连通的，并且与配置为使得测量该螺旋刮刀钻头钻探通过的基质的地质技术性能。

8.一种加固基质的系统，它包括：

一个具有基本圆柱形钻头轴的螺旋刮刀钻头和许多在该钻头轴上的切割臂，该切割臂中的每一个都具有一个轴向长度，并以定角度螺距定位在该钻头轴的周围，其中，每一个该切割臂的该轴向长度相对于定位得紧靠该钻头轴尖端的切割臂而言都是比较大的，因此该许多切割臂被构造为，使得在导向孔内表面中切割一个最佳孔几何形状；

一个加固的螺栓结构，它被构造为用于插入到该导向孔中；以及

一个锚固设备，它被构造为使得通过该最佳孔几何形状相互作用而把该加固螺栓结构固定在该导向孔内。

9.按照权利要求8所述的系统，其特征在于：该最佳孔几何形状在该导向孔的内表面中包含有螺旋凹槽。

10.按照权利要求8所述的系统，其特征在于：该锚固设备是水泥浆。

11.按照权利要求8所述的系统，其特征在于：该锚固设备是机械锚件，它包括有与该最佳孔几何形状相应的轴向延伸区域。

12.按照权利要求8所述的系统，其特征在于：该加固螺栓结构包含有与该最佳孔几何形状相应的轴向延伸区域。

13.按照权利要求8所述的系统，其特征在于：该螺旋刮刀钻头和该加固螺栓结构是相同结构的一部分。

14.一种向导向孔内表面中切割螺旋凹槽的方法，包括：

向导向孔中插入螺旋刮刀钻头，该螺旋刮刀钻头具有尺寸与该导向孔相应的基本圆柱形的钻头轴和许多位于该钻头轴上的切割臂，该切割臂中的每一个都具有一个轴向长度，而且都以定角度螺距定位在该钻头轴周围，其中，每一个该切割臂的该轴向长度相对于定位得紧靠该钻头轴尖端的切割臂而言都是比较大的；以及

在与该定角度螺距相应的方向上，旋转该螺旋刮刀钻头。

15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于：该钻头轴被分段成一些可叠起的刮板，该刮板中的每一个都包括有至少两个该切割臂。

16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于：一次只有该螺旋刮刀钻头的一个刮板前进进入该导向孔中。

17.一种扩大导向孔的方法，包括：

向该导向孔中插入螺旋刮刀钻头，该螺旋刮刀钻头具有尺寸与该导向孔相应的基本上圆柱形的钻头轴和许多位于该钻头轴上的切割臂，该切割臂中的每一个都具有轴向长度，而且它以定角度螺距定位在该钻头轴的周围，其中每一个该切割臂的该轴向长度相对于定位得紧靠该钻头轴尖端的切割臂而言都是比较大的，而且每一个该切割臂都终止在划痕刀片中；以及

在与该定角度螺距相应的方向上旋转该螺旋刮刀钻头。

18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于：该钻头轴分段成一些可叠起的刮板，该刮板中的每一个都包括有至少两个该切割臂。

19.按照权利要求18所述的方法，其特征在于：一次只有该螺旋刮刀钻头的一个刮板前进进入该导向孔中。

20.按照权利要求17所述的方法，其特征在于：该切割臂的该划痕刀片在该螺旋刮刀钻头旋转通过的基质中切割一个切口。

21.一种利用岩石锚栓支撑基质的系统，它包括有；

一个岩石锚栓，该岩石锚栓被构造为用于插入到岩石锚栓孔中；以及

至少一个位于该岩石锚栓上的突起，该至少一个的突起被构造为，使得在该岩石锚栓被插入到该岩石锚栓孔中时，所述至少一个突起在该岩石锚栓孔的壁中形成一个凹槽，其中，该岩石锚栓因此被该至少一个的突起和该凹槽至少部分地支撑在该岩石锚栓孔中。

22.按照权利要求21所述的系统，其特征在于：该凹槽至少部分地由该岩石锚栓的转动形成的。

23.按照权利要求21所述的系统，其特征在于：该凹槽的至少一部分是半环形状的。

24.按照权利要求21所述的系统，其特征在于：该凹槽的至少一部分是螺旋形的。

25.按照权利要求21所述的系统，其特征在于：在岩石锚栓上提供有许多该突起。

26.按照权利要求25所述的系统，其特征在于：该许多突起都是同样尺寸的。

27.按照权利要求25所述的系统，其特征在于：该许多突起中的每一个突起相对于任何紧靠该岩石锚栓尖端的突起而言都具有增加了的径向长度。

28.按照权利要求21所述的系统，其特征在于：该至少一个突起是圆形的。

29.按照权利要求21所述的系统，其特征在于：该至少一个突起是角形的。

30.按照权利要求21所述的系统，另外还包括有粘着剂。

31.按照权利要求30所述的系统，其特征在于：该粘着剂是水泥浆。

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