DE112008001519T5

DE112008001519T5 - Bohrmeißel

Info

Publication number: DE112008001519T5
Application number: DE112008001519T
Authority: DE
Inventors: James D. Farmington Pile
Original assignee: San Juan Coal Co
Current assignee: San Juan Coal Co
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2008-06-02
Publication date: 2010-04-22
Also published as: US7686103B2; PL215329B1; WO2008154196A3; ZA200908569B; PL390542A1; CN101952540A; RU2450115C2; AU2008262084A1; US20080302577A1; CN101952540B; UA97983C2; AU2008262084B2; RU2009149654A; BRPI0812780A2; WO2008154196A2

Abstract

Drehbarer Bohrmeißel, umfassend:
a) einen länglichen Meißel-Grundkörper, welcher ein vorderes Ende und ein hinteres Ende aufweist, welcher eine Längsachse definiert;
b) ein erstes unbewegliches Schneidenstück, welches sich an dem vorderen Ende befindet und eine erste seitliche Schneidkante aufweist, welche einen ersten Umfang definiert; und
c) ein erstes drehbares Schneidenstück, welches eine Schneidkante aufweist, welche sich in einer ersten Position nicht in Radialrichtung über den Umfang hinaus erstreckt und sich in einer zweiten Position in Radialrichtung über den Umfang hinaus erstreckt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bohrmeißel zum Erzeugen eines gerieften Musters an der Wand in einem einzigen Arbeitsgang. Der Bohrmeißel ist nützlich zum Fräsen durch verschiedene geologische Schichten und kann zum Bohren von Bohrlöchern in einer unterirdischen Mine verwendet werden.
Hintergrund der Erfindung
Bei Bergbauarbeiten, wie etwa Kohlebergbau, kann die Firste durch Firstenschrauben ausgebaut werden, welche in Löchern in Abstandsanordnung eingebettet sind, welche in das Minendach gebohrt wurden. Eine gewöhnliche Firstenbohrmeißelgestaltung verwendet ein Schneideinsatzstück, welches in einem Schlitz an dem in Axialrichtung vorderen Ende des Bohrmeißel-Grundkörpers verlötet oder in anderer Weise befestigt wurde.
Der Firstenbohrmeißel wird sodann gegen die Firste gedrückt und die Bohrmaschine betätigt, um ein Bohrloch in die Firste zu bohren. Das Bohrloch kann sich zwischen zwei Fuß (1 ft = 30,48 cm) bis zu mehr als zwanzig Fuß in die Firste erstrecken. Das Bohrloch wird sodann mit einem Harz oder einem anderen Zementierungsmaterial gefüllt, und die Firstenschraube wird in dem Bohrloch befestigt. Ein Firstenausbau, wie etwa eine Platte bzw. ein Firstenpanel, kann an der Firstenschraube befestigt werden.
Die Verankerung einer vollständig einzementierten Schraube erfolgt durch Reibungseingriff zwischen dem Harz und dem Gestein. Somit können Bohrmeißelhersteller breite Spielräume oder versetzte Meißelschneidenstücke verwenden, um beim Bohren einen Seitenschlag zu bewirken, welcher bei Kombination mit einer lockeren Meißelmontage an der Bohrstange Riefen an den Lochwänden erzeugt. Die Riefen erzeugen eine Wandrauigkeit, welche das Verankerungsvermögen erhöhen kann.
Ein weiteres Verfahren zum Erzeugen einer Wandrauigkeit ist es, einen Bohrmeißel mit Schneidelementen zu verwenden, welche in einem helixförmigen Muster an dem Umfang eines zentralen Nabenstücks angeordnet sind, um eine helixförmige Nut bzw. Gewinderille auszubilden. Dieser Bohrmeißel muss jedoch nachfolgend zu einem normalen Bohrmeißel verwendet werden, was einen zusätzlichen Arbeitsschritt erfordert. Dieser zusätzliche Arbeitsschritt ist allgemein nicht günstig, da dieser die Firstenschrauben-Installationszeit verlängert. Eine Lösung, welche vorgeschlagen wurde, ist, eine helixförmige Firstenschraube zu verwenden, welche eine helixförmige Nut als Teil des Firstenschrauben-Installationsvorgangs (welcher erfolgt, nachdem das Bohrloch erzeugt wurde) in das Bohrloch fräst. Ein Problem bei diesem Ansatz ist, dass die Fräsungen, welche bei der Installation der Firstenschraube erzeugt werden, das Harz verunreinigen und die Querschnittsfläche, welche zum Anbinden des Harzes verfügbar ist, verkleinern können.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Schneidbohrmeißel, welcher ein helixförmiges bzw. gerieftes Muster an der Bohrlochwand in einem einzigen Arbeitsgang erzeugen kann. Vorteilhafterweise kann eine praktische Anwendung der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines Harzes umfassen oder darauf verzichten. Ferner sind die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sowohl mit Absaugbohrmeißeln als auch Nassbohrmeißeln vorteilhaft zu verwenden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft einen Bohrmeißel, welcher eine Schneidspitze und mindestens einen beweglichen Flügel aufweist. Die Schneidspitze definiert eine äußere Umfangsfläche. Wenn der Bohrmeißel in einer ersten Richtung gedreht wird, befindet sich der Flügel in einer ersten Position, und wenn der Bohrmeißel in einer zweiten Position gedreht wird, befindet sich der Flügel in einer zweiten Position. Ferner erstreckt sich, wenn sich der Flügel in der ersten Position befindet, dessen distaler Abschnitt nicht über die äußere Umfangsfläche hinaus. Wenn sich der Flügel in der zweiten Position befindet, erstreckt sich dessen distaler Abschnitt über die äußere Umfangsfläche hinaus. Demgemäß wird, wenn der Bohrmeißel in einer ersten Richtung gedreht und in einer ersten Axialrichtung bewegt, das bedeutet, gegen eine Gesteinsschicht gedrückt wird, ein Bohrloch, welches einen Nenndurchmesser aufweist, in den Gesteinsschichten erzeugt. Wenn der Bohrmeißel in einer zweiten Richtung bewegt wird, wird eine Nut in dem Bohrloch ausgebildet. Generell wird der Bohrmeißel in einer zweiten Richtung gedreht und in einer zweiten Axialrichtung, welche entgegengesetzt zu der ersten Axialrichtung verläuft, bewegt, um eine Nut zu erzeugen, welche eine erwünschte Steigung aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine perspektivische Ansicht des Bohrmeißels der vorliegenden Erfindung von oben, wobei sich das drehbare Schneidenstück in der zweiten bzw. ausgefahrenen Position befindet.
2 ist eine Ansicht des Bohrmeißels von 1 von oben, wobei sich das drehbare Schneidenstück in der ersten Position befindet.
3 ist eine Ansicht des Bohrmeißels von 1 von oben.
4 ist eine Vorderansicht des Bohrmeißels von 1.
5 ist eine Querschnittsansicht des Bohrmeißels von 1 entlang der Längsachse.
5a ist eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines drehbaren Schneidenstücks, welches bei dem Bohrmeißel der vorliegenden Erfindung nützlich ist.
6 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Bohrmeißels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welcher ein Spannelement mit einem drehbaren Schneidenstück, welches in einer ausgefahrenen Position dargestellt ist, und einem weiteren drehbaren Schneidenstück, welches in einer eingezogenen Position dargestellt ist, aufweist, von oben.
6a ist eine Detailansicht einer weiteren Anordnung eines Spannelements für ein drehbares Schneidenstück.
7 ist eine detaillierte Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines drehbaren Schneidenstücks.
8 ist eine detaillierte Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines drehbaren Schneidenstücks.
8a ist eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines drehbaren Schneidenstücks.
9 ist eine Querschnitts-Teilansicht einer Betätigungsvorrichtung für die drehbaren Schneidenstücke von oben, wobei die unbeweglichen Schneidenstücke nicht dargestellt sind, um die Betätigungsvorrichtung besser darzustellen, und sich das drehbare Schneidenstück in einer ersten Position befindet.
10 ist eine Querschnitts-Teilansicht einer Betätigungsvorrichtung für die drehbaren Schneidenstücke von oben, wobei die unbeweglichen Schneidenstücke nicht dargestellt sind, um die Betätigungsvorrichtung besser darzustellen, und sich das drehbare Schneidenstück in einer zweiten Position befindet.
11 ist ein Bild eines Versuchsbohrlochs, welches die Nuten aufweist, welche durch den Bohrmeißel erzeugt werden, welcher in 1 dargestellt ist.
Genaue Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der Bohrmeißel 10 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen länglichen Meißel-Grundkörper 12, welcher ein vorderes Ende 14 und ein hinteres Ende 16 aufweist, welcher eine Längsachse 30 definiert. Der Meißel 10 umfasst ein erstes unbewegliches Schneidenstück 40 mit einer ersten Schneidkante 60, welche einen ersten Umfang 70 definiert. Der Meißel 10 umfasst ferner ein erstes drehbares Schneidenstück 80 mit einer Schneidkante 100, welches sich in einer ersten Position nicht in Radialrichtung über den ersten Umfang 70 hinaus erstreckt und sich in einer zweiten Position in Radialrichtung über den Umfang 70 hinaus erstreckt, um einen Umfang 110 des drehbaren Schneidenstücks zu definieren. Infolgedessen fräst das unbewegliche Schneidenstück 40 einen Loch-Nenndurchmesser D in eine Gesteinsschicht, und das drehbare Schneidenstück 80 fräst eine Nut in dem Loch, welche einen größeren Durchmesser als D aufweist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines drehbaren Schneidbohrmeißels 10 (und insbesondere eines Firstenbohrmeißels) dargestellt. Der Schneidbohr- bzw. Bohrmeißel 10 umfasst einen länglichen Meißel-Grundkörper 12, welcher aus Stahl hergestellt sein kann. Der Bohrmeißel 10 weist ein in Axialrichtung vorderes Ende 14 und ein gegenüberliegendes in Axialrichtung hinteres Ende 16 auf. Der Meißel-Grundkörper 12 weist eine zentrale Längsachse 30 auf und weist bei Betrieb eine Drehrichtung 36 auf, welche durch den Pfeil angezeigt wird und als Lochbohr-Drehrichtung 36 bezeichnet wird.
Das in Axialrichtung vordere Ende 14 weist eine generell kegelstumpfförmige Gestalt auf. Das hintere Ende 16 ist offen, um eine innere Bohrung 18 zu definieren. Die Bohrung 18 ist geeignet gestaltet, um einen entsprechenden Schaft eines Bohrgestänges (nicht dargestellt) aufzunehmen. Wie in 1 dargestellt, weist das offene Ende eine hexagonale Anordnung 20 auf, um eine Fassung zu definieren, worin ein entsprechendes hexagonales Ende eines Bohrgestänges (nicht dargestellt) aufzunehmen ist. Eine weibliche Steckfassung 22 kann in Verlauf durch einen Umfangsabschnitt des Grundkörpers 12 neben dem hinteren Ende 16 vorgesehen sein, um eine Sperrklinke bzw. ein männliches Halteglied aufzunehmen, welche bzw. welches an dem Bohrgestänge vorgesehen ist (nicht dargestellt).
Der Grundkörper 12 kann einen oder mehrere Bohrschutt-Absaugdurchgänge 24 umfassen, welche in dem länglichen Grundkörper angeordnet sind. Der Durchgang 24 liefert eine Verbindung zwischen der inneren Bohrung 18 bzw. dem Hohlraum, welche bzw. welcher von dem hinteren Ende 16 ausgehend vorgesehen ist, und einem Abschnitt des Meißel-Grundkörpers 12, welcher sich in Axialrichtung vor dem hinteren Ende 16 befindet.
Obgleich der Bohrmeißel 10 zum Trockenbohren (das bedeutet, zum Bohren der geologischen Schichten ohne Verwendung eines Kühlmittels oder ähnliches) verwendet werden kann, wird erwogen, dass der vorliegende Meißel bei einem Nassbohrvorgang verwendet werden kann. Bei einem Nassbohrvorgang kann der Durchgang 24 dazu dienen, einen Kanal für einen Durchfluss eines Fluids (beispielsweise Wasser) zu dem vorderen Ende 14 des Meißel-Grundkörpers 12 zu liefern, das bedeutet, dass ein Fluid durch die Durchgänge fließt. Es wird ferner erwogen, dass bei einem Nassbohrvorgang die äußere Oberfläche des Meißel-Grundkörpers 12 Abflachungen bzw. ein anderes Relief in der Oberfläche umfasst, um einen Durchgang für das Fluid und den Bohrschutt zum Austreten nahe bei den Schneideinsatzstücken zu liefern.
Der längliche Meißel-Grundkörper 12 umfasst ferner mindestens eine Passfläche, um ein entsprechendes Schneideinsatzstück aufzunehmen, welches das unbewegliche Schneidenstück 40 definiert. Obgleich das Ausführungsbeispiel, welches in 1 dargestellt ist, eine einzige Passfläche aufweist, welche sich über den Durchmesser des Meißel-Grundkörpers 12 hinweg erstreckt, ist es nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die Verwendung eines einzigen Schneideinsatzstücks (und einer Passfläche) zu beschränken. Im Hinblick darauf wird erwogen, dass die Erfindung mit zwei oder mehr Schneideinsatzstücken (und Passflächen) funktionieren würde. Sowohl die Ausdehnung des Schneidbohrmeißel-Grundkörpers und der Schneideinsatzstücke als auch die spezielle Fräsanwendung sind Faktoren, welche die Anzahl von Schneideinsatzstücken (und Passflächen), welche der drehbare Schneidbohrmeißel aufweist, beeinflussen können. Es sei bemerkt, dass, wo mehr als ein Schneideinsatzstück vorgesehen ist, diese eine identische Gestalt aufweisen können oder voneinander verschiedene Gestalten aufweisen können.
Das Schneideinsatzstück bzw. das unbewegliche Schneidenstück 40 weist eine obere Oberfläche 42 mit einer vorlaufenden Kante 44 und einer nachlaufenden Kante 46 auf. Die vorlaufende Kante 44 kann in einem Winkel gegen eine horizontale Ebene 52 in Axialrichtung nach hinten zu der nachlaufenden Kante 46 verlaufen. Das Schneideinsatzstück 40 umfasst ferner eine innere Seitenfläche 56 und eine äußere Seitenfläche 58. Es sei bemerkt, dass, wo lediglich ein einziges Schneideinsatzstück 40 vorgesehen ist, die inneren Seitenflächen 56 jedes Schneideinsatzstücks (wo zwei vorgesehen sind) verbunden werden, so dass keine ersichtliche innere Seitenfläche vorhanden ist, wie in 1 zu sehen.
Die äußere Seitenfläche 58 umfasst eine Schneidkante 60. Die Schneidkante 60 kann eine beliebige geeignete Anordnung aufweisen, welche zum Fräsen eines erwünschten Bohrlochs geeignet ist. Beispielsweise und wie in den Figuren dargestellt, kann die Schneidkante 60 eine Spitze 61 und eine abgeschrägte seitliche Kante 64 umfassen. Eine abgeschrägte Kante kann ebenso an der Oberseite vorgesehen sein.
Bei Betrieb dreht sich der Bohrmeißel 10 derart in einer Lochbohrrichtung 36, dass die obere vorlaufende Kante 44 zuerst auf die geologische Schichten trifft, während die seitliche Schneidkante 60 die Außenseite des Lochs fräst. Die äußere seitliche Schneidkante 60 befindet sich in Radialrichtung außerhalb des äußeren. Umfangs bzw. Rands des Bohrmeißels 10 und definiert einen Radialrichtungsumfang 70, welcher den Nenndurchmesser D des Bohrlochs definiert.
Das Schneideinsatzstück 40 kann durch Löten bzw. Schweißen an der Passfläche 26 des Schneidbohrmeißel-Grundkörpers befestigt werden. Wie aus der folgenden Beschreibung hervorgeht und aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist die Oberflächengröße der unteren Oberfläche 54 des Schneideinsatzstücks größer als die Oberflächengröße der oberen Oberfläche 42. Die untere Oberfläche 54 liefert die größere Fläche zum Befestigen des Schneideinsatzstücks 40 an dem Schneidbohrmeißel-Grundkörper 12. Durch Verwenden der größeren unteren Oberfläche 54 zum Ausbilden der Lötverbindung kann das Schneideinsatzstück 40 an dem Bohrmeißel-Grundkörper 12 unter Verwendung einer relativ flachen Passfläche befestigt werden, welche keinen großen Vorsprung erfordert. Die Verwendung einer derartigen flachen Passfläche kann die Kosten vermindern, welche mit der Herstellung des Schneidbohrmeißel-Grundkörpers 12 verbunden sind.
Das Schneideinsatzstück 40 kann aus einem Karbidhartmetall, wie beispielsweise Kobalt-Wolframkarbid-Hartmetall, hergestellt werden. Beispielsweise kann sich das Kobalt in einem Bereich zwischen etwa 2 Gewichtsprozent und etwa 20 Gewichtsprozent befinden, wobei der Rest Wolframkarbid ist. Für einen Fachkundigen ist jedoch zu ersehen, dass andere Materialien, welche zur Verwendung als Schneideinsatzstück geeignet sind, ebenfalls zur Verwendung für das Schneideinsatzstück geeignet sein können. Diese Materialien umfassen Keramik (beispielsweise Keramik auf Siliziumnitridbasis und Keramik auf Aluminiumoxidbasis), bindemittelfreies Wolframkarbid, polykristalline Diamant-Verbundmaterialien mit einem metallischen Bindemittel, Wolframkarbid-Kobalt-Legierungen, welche eine Härte aufweisen, welche größer oder gleich ungefähr 90,5 Rockwell A ist, und oberflächengehärtete Karbidhartmetalle.
Wie oben bemerkt, umfasst der Bohrmeißel 10 mindestens ein drehbares Schneidenstück 80. Gemäß Darstellung in 1 umfasst der Bohrmeißel 10 zwei drehbare Schneidenstücke. Es wird erwogen, dass die Erfindung nicht durch die Anzahl der drehbaren Schneidenstücke beschränkt wird, sondern der Bohrmeißel 10 generell zwei drehbare Schneidenstücke aufweist. Zur Vereinfachung der Erörterung wird lediglich ein einziges drehbares Schneidenstück erörtert, da die Betätigung jedes drehbaren Schneidenstücks gleich sein soll, obgleich jedes Schneidenstück unterschiedliche Strukturkomponenten aufweisen kann bzw. eine unterschiedliche Anordnung aufweisen kann.
In den 1, 4 und 5 ist das drehbare Schneidenstück 80 von 1 dargestellt. Das drehbare Schneidenstück 80 weist eine obere Oberfläche 82, eine untere Oberfläche 84, eine innere Seite 96 und eine äußere Seite 98 auf. Bei dem Ausführungsbeispiel, welches in 1 dargestellt ist, verläuft die obere Oberfläche 82 generell horizontal bzw. weist eine Ebene auf, welche generell lotrecht zu der Längsachse verläuft. Die obere Oberfläche 82 weist eine vorlaufende Kante 84 bei einer Schnittlinie einer vorlaufenden Stirnfläche 86 und der oberen Oberfläche 82 und eine nachlaufende Kante 88 bei einer Schnittlinie einer nachlaufenden Stirnfläche 90 und der oberen Oberfläche 82 auf. Während sich die vorlaufende Kante 84 in der gleichen Ebene wie die nachlaufende Kante 88 befinden kann, kann es bei einigen Ausführungen günstig sein, die vorlaufende Kante 84 derart anzuordnen, dass diese in einem Winkel gegen eine horizontale Ebene 92 in Axialrichtung nach vorne bzw. nach hinten zu der nachlaufenden Kante 86 verläuft. Das drehbare Schneidenstück umfasst ferner eine innere Seite 96 und eine äußere Seite 98. Die äußere Seite 98 umfasst eine Schneidspitze bzw. -kante 100. Die Schneidkante 100 kann eine beliebige geeignete Anordnung aufweisen, welche zum Fräsen einer erwünschten Nut geeignet ist. Beispielsweise und wie in den Figuren dargestellt, kann die Schneidkante 100 eine abgeschrägte obere Kante 102, eine abgeschrägte untere Kante 103 und eine abgeschrägte seitliche Kante 104 umfassen. Alternativ kann lediglich eine der abgeschrägten oberen, unteren oder seitlichen Kanten vorgesehen sein. Die innere Seite 96 ist drehbar mit einem Abschnitt des Bohrmeißel-Grundkörpers 12 verbunden, wie unten genauer erläutert wird.
Bei Betrieb befindet sich, wenn der Bohrmeißel 10 in der Lochbohrrichtung 36 gedreht wird, das drehbare Schneidenstück 80 in einer ersten Position, wie am besten in 2 zu sehen. In dieser ersten Position erstreckt sich die Schneidspitze 100 des drehbaren Schneidenstücks 80 nicht über den Umfang, welcher durch das unbewegliche Schneidenstück 70 definiert wird, hinaus. Bei einem Ausführungsbeispiel, wie beispielsweise in 2 dargestellt, befindet sich die vorlaufende Stirnfläche 86 in Kontakt mit einem Abschnitt des Bohrmeißels 10. Wenn der Bohrmeißel 10 in der Lochbohrrichtung 36 gedreht wird, wird der Meißel in einer in Axialrichtung nach vorne verlaufenden Richtung 32 bewegt. Wenn der Bohrmeißel 10 die maximale Vorschubstrecke erreicht, das bedeutet, wenn die erwünschte Lochlänge erreicht wurde, wird der Bohrmeißel in einer entgegengesetzten Richtung 38 gedreht, und der Meißel wird in einer in Axialrichtung nach hinten verlaufenden Richtung 34, welche entgegengesetzt zu der in Axialrichtung nach vorne verlaufenden Richtung 32 verläuft, bewegt. Wenn der Bohrmeißel 10 in dieser Richtung 38 gedreht wird, nimmt das drehbare Schneidenstück 80 eine zweite Position ein. In dieser zweiten Position erstreckt sich die Schneidspitze 100 des drehbaren Schneidenstücks 80 in Radialrichtung nach außen, um einen Umfang 110 des drehbaren Schneidenstücks zu definieren, welcher sich in Radialrichtung außerhalb des Umfangs 70, welcher durch das unbewegliche Schneidenstück 40 definiert wird, befindet. Infolgedessen erzeugt die Schneidspitze 100 des drehbaren Schneidenstücks 80 eine Nut in dem Bohrloch, und wenn der Bohrmeißel 10 in Axialrichtung bewegt wird, wird eine radiale bzw. helixförmige Nut erzeugt. Vorteilhafterweise können das Bohrloch und die Nut in einem einzigen Arbeitsgang des Bohrmeißels erzeugt werden, wobei dies Zeiteinsparungen bewirkt, insbesondere verglichen mit einem System mit zwei Arbeitsgängen.
Das Ausmaß, in welchem sich die drehbare Schneidenstück-Schneidspitze 100 in Radialrichtung über den Umfang, welcher durch das unbewegliche Schneidenstück 70 definiert wird, erstreckt, definiert eine Gewinderillen- bzw. Nuttiefe d. Die Entfernung zwischen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche definiert eine Gewinderillen- bzw. Nutbreite w. Die Entfernung zwischen in Axialrichtung benachbarten Nuten, welche erzeugt wird, wenn der Bohrmeißel in eine in Axialrichtung nach hinten verlaufende Richtung bewegt wird, definiert die Steigung P. Für einen Fachkundigen ist zu ersehen, dass verschiedene Betriebsvariablen abgewandelt werden können, was jeweils den Bohrlochdurchmesser D, die Steigung P, die Nuttiefe d und die Nutbreite w beeinflusst.
Wie in 5 zu sehen, ist bei einem speziellen Ausführungsbeispiel des drehbaren Schneidenstücks 80 die innere Seite durch einen Zapfen 120, welcher in Abstand von der Längsachse 30 angeordnet ist, jedoch parallel zu der Längsachse verläuft, drehbar an dem Grundkörper 20 befestigt. Der Zapfen 120 kann in einer derartigen Weise an dem Grundkörper 12 befestigt werden, dass der Zapfen 120 in Position gehalten wird, jedoch ermöglicht, dass sich das drehbare Schneidenstück 80 dreht. Beispielsweise kann der Zapfen 120 durch Löten, Schweißen oder andere geeignete Mittel derart an dem Grundkörper 12 befestigt werden. Wie in 5 dargestellt, weist der Zapfen 120 ein erstes Ende 122, welches in einer Passfläche 21 in dem Grundkörper gehalten wird, und ein zweites Ende 124, welches in einem Kopf 126 gehalten wird, welcher an dem Grundkörper 20 befestigt ist, auf. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die untere Oberfläche 94 des drehbaren Schneidenstücks 80 generell in einer Ebene 92 ausgerichtet, welche horizontal (bzw. lotrecht) zu der Längsachse 30 verläuft.
Alternativ weist, wie in 5a dargestellt, die innere Seite 96 eine zylindrische Gestalt auf, wobei sich ein Zapfen 120a von einer unteren Seite ausgehend erstreckt, um mit einer Passfläche 21 in dem Grundkörper ineinanderzugreifen. Ein Kopf 126 weist einen Zapfen 127 auf, welcher mit einer Öffnung 128 ineinandergreift, welche an der Oberseite der inneren Seite 96 des Schneidenstücks 80 vorgesehen ist.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird erwogen, dass die untere Oberfläche 94 des drehbaren Schneidenstücks 80 in einem Winkel gegen eine horizontale Ebene 92 (das bedeutet, eine Ebene, welche lotrecht zu der Längsachse 30 verläuft und generell parallel zu dem hinteren Ende verläuft) verläuft. Im Hinblick darauf wird erwogen, dass der Zapfen 120 in dem Grundkörper in einer Weise ausgerichtet wird, welche nicht parallel zu der Längsachse 30, sondern in einem Winkel gegen die Längsachse 30 verlaufend ist. Im Hinblick darauf wird das drehbare Schneidenstück geformt, wie in den 1–5 dargestellt.
Alternativ wird, wie in 7 dargestellt, erwogen, dass die Gestalt des drehbaren Schneidenstücks 80 derart gestaltet wird, dass die obere Oberfläche 82 in einem Winkel gegen eine horizontale Ebene 92 (das bedeutet, eine Ebene, welche lotrecht zu der Längsachse 30 verläuft und generell parallel zu dem hinteren Ende verläuft) verläuft. Anders ausgedrückt, befindet sich die obere äußere Seite in Axialrichtung vor der oberen inneren Seite. Jedes dieser Ausführungsbeispiele liefert wahrscheinlich ein unterschiedliches Steigungsprofil, verglichen mit dem drehbaren Schneidenstück von 1.
Während in 5 ein Zapfen 120 dargestellt ist, wird erwogen, dass eine beliebige geeignete Drehverbindung verwendet werden kann. Demgemäß ist, wie in 8 dargestellt, eine Anordnung einer Kugel 130 und einer Gelenkfassung 132 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die innere Seite 96 des drehbaren Schneidenstücks 80 eine Kugelstruktur 130 auf, während der Grundkörper 12 eine Fassungsstruktur 132 aufweist, welche in dem Bohrmeißel befestigt ist, jedoch ermöglicht, dass sich das drehbare Schneidenstück gegen den Bohrmeißel bewegt. Es wird erwogen, dass die Anordnung von Kugel und Gelenkfassung umgekehrt werden kann. Alternativ kann, wie in 8a, das drehbare Schneidenstück als monolithische Struktur gestaltet werden, wobei die innere Seite 96 als Kugel ähnlich einer Eistütengestalt gestaltet ist.
Es sei bemerkt, dass bei jedem der Ausführungsbeispiele des drehbaren Schneidenstücks 80 das drehbare Schneidenstück 80 die erste Position (nicht ausgefahren bzw. nicht ausgeklappt) einnimmt, wenn sich der Meißel 10 in der Bohrrichtung 36 dreht, und die zweite Position (ausgefahren bzw. ausgeklappt) einnimmt, wenn sich der Meißel 10 in der entgegengesetzten Richtung 38 dreht. Der Reibungskontakt mit den geologischen Schichten und/oder die Zentrifugalkraft, welche auf das drehbare Schneidenstück 80 wirkt, drängen dieses zum Einnehmen der ersten bzw. zweiten Position, wobei gegenüberliegende Seiten des drehbaren Schneidenstücks 80 einen Abschnitt des Grundkörpers 12 berühren, wobei dies eine weitere Drehbewegung des drehbaren Schneidenstücks 80 verhindert.
Während die Reibungs- und/oder die Zentrifugalkraft generell ausreichend sein sollten, um zu gewährleisten, dass sich das drehbare Schneidenstück 80 in der richtigen ersten bzw. zweiten Position befindet, abhängig von der Drehrichtung des Bohrmeißels 10, wird erwogen, ein Spannelement 140 zur Unterstützung beim Halten des drehbaren Schneidenstücks 80 in der zweiten Position vorzusehen. Im Hinblick darauf stellt 6 eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels des Bohrmeißels 10, wobei ein Spannelement 140 vorgesehen ist, von oben dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Spannelement 140 in Form einer Spiralfeder vorliegen, wobei ein Ende 142 an dem Grundkörper 12 befestigt ist und das andere gegenüberliegende Ende 144 an dem drehbaren Schneidenstück 80 befestigt ist. Das Spannelement 140 ist bei diesem Ausführungsbeispiel um die innere Seite 96 des drehbaren Schneidenstücks gekrümmt. Alternativ kann, wie in 6a dargestellt, das Spannelement 140 derart angeordnet sein, dass das Spannelement 140 ein im Wesentlichen geradliniges Profil beibehält. Obgleich eine Spiralfeder dargestellt ist, wird erwogen, dass ein anders Spannelement 140 verwendet werden kann.
In den 9 und 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer drehbaren Schneidenstückvorrichtung ohne die unbeweglichen Schneidenstücke dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Betätigungselement 150 vorgesehen, um das drehbare Schneidenstück 80 zu der zweiten Position zu betätigen bzw. zu bewegen. Das Betätigungselement kann in einer in Axialrichtung verlaufenden Weise von dem hinteren Ende 16 zu dem vorderen Ende 14 verlaufend angeordnet sein und von einem Ort in Entfernung von dem drehbaren Schneidenstück 80 her betätigt werden. Wie in 9 dargestellt, trägt das Betätigungselement 150 das drehbare Schneidenstück in einer Weise, welche ermöglicht, dass sich das Betätigungselement gegen den Bohrmeißel-Grundkörper 12 dreht. In dieser Position fräsen die unbeweglichen Schneidenstücke durch die Gesteinsschichten, wie oben erläutert, und die drehbaren Schneidenstücke erstrecken sich nicht in Radialrichtung über den Radialrichtungsumfang, welcher durch die unbeweglichen Schneidenstücke definiert wird, hinaus nach außen.
Wenn der Bohrmeißel 10 in der entgegengesetzten Richtung 38 gedreht wird, kann sich das Betätigungselement gegen den Bohrmeißel-Grundkörper 12 drehen, so dass sich das drehbare Schneidenstück in Radialrichtung nach außen über eine Öffnung 152, welche in dem Bohrmeißel-Grundkörper vorgesehen ist, hinaus erstreckt, um die Nut zu fräsen, wie oben erläutert.
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung einen Bohrmeißel 10, welcher zum Erzeugen eines Bohrlochs für Firstenschrauben bei Bergbauanwendungen geeignet ist. Im Hinblick darauf liefert das Bohrloch, welches durch den Bohrmeißel 10 der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, einen günstigen Oberflächenbereich, um den Verbindungseingriff von Firstenschrauben, welche mit einem Harz oder anderen Materialien einzementiert sind, zu verbessern. Die vorliegende Erfindung umfasst daher ein Verfahren zum Erzeugen eines Bohrlochs in einer Gesteinsschicht. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Bohrmeißels 10 gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele und sodann ein Drehen des Bohrmeißels 10 in einer ersten Richtung 36 und ein Bewegen des Bohrmeißels 10 in einer ersten Axialrichtung 32; und nachfolgend ein Drehen des Bohrmeißels in einer zweiten Richtung 38, welche entgegengesetzt zu der ersten Richtung verläuft, und ein Bewegen des Bohrmeißels in einer zweiten Axialrichtung 34, welche entgegengesetzt zu der ersten Richtung verläuft. Infolgedessen wird ein Bohrloch erzeugt, welches einen Nenndurchmesser D aufweist, wobei eine in Abstand verlaufende helixförmige Nut in dem Umfang des Loch-Nenndurchmessers D erzeugt wird.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung beschreiben, sollen jedoch nicht den Schutzumfang der Erfindung beschränken.
Beispiel 1
Vier, fünf und sechs Fuß lange Löcher wurden in der San-Juan-Mine in Waterflow, New Mexico, mit dem gleichen Bohrmeißel in Gesteinsschichten gebohrt. Firstenschrauben wurden mit einem Harz in einer herkömmlichen Weise installiert und sodann wurden Kurzeinzementierungs-Zugversuche (SEPT's; für engl.: Short Encapsulation Pull Tests) durchgeführt. Verankerungsvermögen in dem Bereich von 12 bis 24 Tonnen pro Fuß einer Harzzementierung werden von der Industrie als annehmbare bzw. „gute” Verankerungskapazität akzeptiert. Zuvor war festgestellt worden, dass kohlenstoffhaltige Schiefer- und Tongesteine Verankerungskapazitäten in dem Bereich von 4 bis 7 Tonnen pro Fuß aufwiesen. Im Gegensatz dazu wiesen typische Kohleschichten Verankerungskapazitäten in dem Bereich von 10 bis 15 Tonnen pro Fuß einer Harzzementierung auf.
Ein herkömmliches Loch wurde durch Drehen des Bohrmeißels in einer ersten Richtung (der Bohrlochrichtung) und Einführen und Ausführen des Bohrmeißels in Axialrichtung während eines Drehens des Bohrmeißels in der ersten Richtung erzeugt. Ein gerieftes Loch wurde durch Drehen des Bohrmeißels in einer ersten Richtung und Einführen des Bohrmeißels in Axialrichtung erzeugt. Danach wurde der Bohrmeißel in der zweiten umgekehrten entgegengesetzten Richtung gedreht und in Axialrichtung aus dem erzeugten Loch ausgeführt. Die folgende Tabelle stellt die Ergebnisse dar:

Schraubenlänge [Fuß] 4 5 6

Mittlere Zuglast für herkömmliche Löcher [Tonnen] 6,8 6,0 5,0

Mittlere Zuglast für geriefte Löcher [Tonnen] 20,4 17,8 14,3

Verbesserung [%] 302 297 286
Vorteilhafterweise ermöglicht das Bohrloch, welches mit dem Bohrmeißel der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, die Verwendung von weniger, kürzeren, dünneren und dadurch leichteren Schrauben, um das gleiche bzw. ein verbessertes Niveau des Firstenausbaus zu erreichen, verglichen mit herkömmlichen Firstenschrauben in den gleichen Gesteinsschichten. Der Bohrmeißel der vorliegenden Erfindung kann ferner die Verwendung kürzerer Verankerungen mit punktuell verankerten Firstenausbauprodukten ermöglichen.
Ferner hält eine Verwendung des Bohrmeißels gemäß der vorliegenden Erfindung die Installationszeit praktisch unverändert, da lediglich ein einziger Arbeitsgang erforderlich ist. Ferner werden, da ein Unterdruck während der Bohrmeißelausführung aufrechterhalten wird, die Abfallmaterialien, welche durch den Bohrmeißel erzeugt werden, aus dem Loch entfernt. Dies verhindert eine Harzverunreinigung und eine folgende Verkleinerung der Querschnittsfläche des Verwurzelungsabschnitts des Harzes, welches in den Nuten verkeilt ist. Dies trägt wahrscheinlich zu höheren Verankerungskapazitäten bei. Die Verwendung eines Unterdrucks beschränkt ferner die Staubbelastung des Bedieners.
Beispiel 2
Ein Bohrmeißel gemäß der vorliegenden Erfindung wurde verwendet, um ein Bohrloch in einem typischen Block, welcher aus einem geschäumten zementartigen Material hergestellt war, zu erzeugen, und nachfolgend verwendet, um die helixförmigen Nuten zu erzeugen, wie oben beschrieben. Der geschäumte zementartige Block wurde entlang einer Längsachse gefräst, um das Riefenmuster darzubieten, welches durch die Verwendung des Bohrmeißels der vorliegenden Erfindung in der oben beschriebenen Weise erzeugt wurde. Das dargebotene Muster ist in 9 zu sehen. Es ist zu ersehen, dass der Bohrmeißel ein Bohrloch erzeugte, welches einen Durchmesser „D” von etwa 1 Zoll (1 in = 2,54 cm), eine helikale Steigung „P” von etwa 1 Zoll, eine Gewinderillen- bzw. Nuttiefe „d” von etwa 0,5 Zoll und eine Gewinderillen- bzw. Nutbreite „w” von etwa 0,25 Zoll aufwies. Es sei bemerkt, dass jeder der Parameter in einer geeigneten Weise eingestellt werden kann, um das erwünschte Profil zu erzeugen.
Es wird ferner erwogen, dass der Bohrmeißel der vorliegenden Erfindung bei der Installation von Firstenschrauben verwendet werden kann, ohne ein Harz zu verwenden. Im Hinblick darauf werden die drehbaren Schneidenstücke 80 geeignet angeordnet, um mit der Steigung der Gewinderillen an der Firstenschraube übereinzustimmen, so dass die Firstenschraube an dem Verbindungsende des Bohrlochs verschraubt werden kann. Demgemäß wird bei diesem Verfahren ein Bohrloch unter Verwendung des Bohrmeißels 10 gemäß einem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, wobei die drehbaren Schneidenstücke 80 derart angeordnet sind, dass die Steigung, welche in dem Bohrloch erzeugt wird, mit der Steigung der Gewinderillen der Firstenschraube, welche verwendet wird, übereinstimmt, erzeugt. Vorteilhafterweise braucht die Firstenschraube, welche bei dieser Anwendung verwendet wird, lediglich an dem Verbindungsende (das bedeutet, bei dem Abschnitt der Schraube nahe bei dem Verbindungsende des Bohrlochs) verschraubt zu werden. Infolgedessen braucht die Nenngröße des Bohrlochs nicht größer als die Firstenschraube zu sein, wobei diese typischerweise eine geeignete Größenordnung zum Aufnehmen eines Harzes aufweist. Infolgedessen kann ein Bohrmeißel verwendet werden, welcher eine geeignete Größe aufweist, wie etwa 0,750 Zoll, 0,875 Zoll, 1,000 Zoll, 1,125 Zoll, 1,250 Zoll, 1,375 Zoll oder eine beliebige geeignete Größe.
Obgleich der Bohrmeißel 10 der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf einen Firstenbohrmeißel beschrieben wurde, sei bemerkt, dass bei der Erfindung weitere Verwendungen erwogen werden. Im Hinblick darauf sind andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung für Fachkundige aus einer Betrachtung der Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung ist daher lediglich als Erläuterung zu betrachten, und die vorliegende Erfindung soll nicht auf das spezielle oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt sein.
Zusammenfassung:
Bohrmeißel, umfassend einen Grundkörper mit einem unbeweglichen Schneidenstück und einem drehbaren Schneidenstück derart, dass sich das drehbare Schneidenstück in einer ersten Position nicht in Radialrichtung über einen Umfang des unbeweglichen Schneidenstücks hinaus erstreckt und sich das drehbare Schneidenstück in einer zweiten Position in Radialrichtung über den Umfang des unbeweglichen Schneidenstücks hinaus erstreckt.

Claims

Drehbarer Bohrmeißel, umfassend: a) einen länglichen Meißel-Grundkörper, welcher ein vorderes Ende und ein hinteres Ende aufweist, welcher eine Längsachse definiert; b) ein erstes unbewegliches Schneidenstück, welches sich an dem vorderen Ende befindet und eine erste seitliche Schneidkante aufweist, welche einen ersten Umfang definiert; und c) ein erstes drehbares Schneidenstück, welches eine Schneidkante aufweist, welche sich in einer ersten Position nicht in Radialrichtung über den Umfang hinaus erstreckt und sich in einer zweiten Position in Radialrichtung über den Umfang hinaus erstreckt.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, wobei das erste unbewegliche Schneidenstück ferner eine obere Schneidkante umfasst, welche vor dem vorderen Ende des Meißel-Grundkörpers verläuft.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, wobei das erste unbewegliche Schneidenstück ferner eine zweite seitliche Schneidkante umfasst.
Bohrmeißel nach Anspruch 3, wobei sich die zweite seitliche Schneidkante gegenüber der ersten seitlichen Schneidkante befindet.
Bohrmeißel nach Anspruch 3, wobei die zweite seitliche Schneidkante einen zweiten Umfang definiert, welcher im Wesentlichen gleich dem ersten Umfang ist.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, wobei die erste seitliche Schneidkante derart an einer vorlaufenden Oberfläche eines unbeweglichen Schneidenstücks vorgesehen ist und die erste drehbare Schneidkante derart an einer vorlaufenden Oberfläche eines drehbaren Schneidenstücks vorgesehen ist, dass die vorlaufende Oberfläche eines drehbaren Schneidenstücks in einer Ebene liegt, welche nicht parallel zu der Ebene der vorlaufenden Oberfläche eines unbeweglichen Schneidenstücks ist.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, wobei sich das erste drehbare Schneidenstück um eine Achse dreht, welche parallel zu der Längsachse verläuft.
Bohrmeißel nach Anspruch 7, wobei sich das erste drehbare Schneidenstück um eine Achse dreht, welche in Abstand von der Längsachse angeordnet ist.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, wobei sich das erste drehbare Schneidenstück um eine Achse dreht, welche in einem Winkel gegen die Längsachse verläuft.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, wobei das erste drehbare Schneidenstück in Axialrichtung in Abstand von dem ersten unbeweglichen Schneidenstück angeordnet ist.
Bohrmeißel nach Anspruch 10, wobei sich das erste drehbare Schneidenstück in Axialrichtung hinter dem ersten unbeweglichen Schneidenstück befindet.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Durchflussöffnung, durch welche Fräsmaterial hindurchtreten kann.
Bohrmeißel nach Anspruch 12, wobei sich die Durchflussöffnung hinter dem drehbaren Schneidenstück befindet.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Öffnung an dem hinteren Ende, um eine weibliche Steckfassung zu definieren, welche geeignet eingerichtet ist, um einen männlichen Abschnitt eines Bohrgestänges passgenau aufzunehmen.
Verfahren zum Erzeugen einer Nut in einem Bohrloch, welches in einer Gesteinsschicht ausgebildet wird, umfassend: a) Bereitstellen eines Bohrmeißels, umfassend: I. einen länglichen Meißel-Grundkörper, welcher ein vorderes Ende und ein hinteres Ende aufweist; II. ein erstes unbewegliches Schneidenstück, welches sich an dem vorderen Ende befindet und eine seitliche Schneidkante aufweist, welche einen Umfang definiert; III. ein erstes drehbares Schneidenstück, welches eine Schneidkante aufweist, welches sich in einer ersten Position nicht über den Umfang hinaus erstreckt und sich in einer zweiten Position über den Umfang hinaus erstreckt; b) Drehen des Schneidenstücks in einer ersten Richtung und Bewegen des Schneidbohrmeißels in einer ersten Richtung; und c) nachfolgendes Drehen des Schneidbohrmeißels in einer zweiten Richtung, welche entgegengesetzt zu der ersten Richtung verläuft, und Bewegen des Schneidbohrmeißels in einer zweiten Richtung, welche entgegengesetzt zu der ersten Richtung verläuft.