NO304198B1 - Skiveformet borekrone - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en borkrone for bruk ved boring av et borehull, ifølge kravinnledningen.

Eksisterende boreinnretninger omfattende en borkrone med tre skjæreelementer som er utpreget koniske eller i form av en avkortet kjegle, har vært kjent og i bruk siden 1930-årene. Disse innretninger krever stort trykk for å bryte fjellet og senere skjære det opp og spyle det bort. På grunn av den store kompresjon som kreves for å bryte fjellet, påvirker sådanne innretninger en større overflate enn boringsoverflaten, og skaper således en uregelmessig boringsprofil og en ustabil vegg.

En borkrone er kjent fra GB 2 203 774, men et hoved-legeme for montering på borestrengen og som omfatter skjæreskiver med skjæreelementer. Andre utførelser av borkroner er beskrevet i US 1 143 274, US 1 992 350 og US 4 549 614.

Den foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å fremstille en boreinnretning som arbeider med liten effekt og redusert trykk, idet den utnytter minst ett skjæreelement som er montert på borehodets utside, idet dets rotasjonsakse, ifølge en foretrukket utførelse, er forskjøvet sideveis i en bakoverretning fra hoveddelens senterlinje i forhold til hoveddelens rotasjonsretning, slik at innretningen settes i stand til å trenge inn i og evakuere fjell eller stein raskere enn med andre kjente metoder.

Oppfinnelsen har til hensikt å gjøre det mulig å fremstille en boreinnretning som arbeider med liten trykkraft (thrust), idet den fortrinnsvis utnytter tre skjæreelementer eller skjæreskiver som lettvint monteres på borehodet, og setter den i stand til å evakuere store stykker av avfall. Dette oppnås med borkronen ifølge oppfinnelsen slik den er definert med de i kravene anførte trekk.

Borkronen ifølge oppfinnelsen omfatter, en hoveddel som er konstruert for å rotere om en i hovedsaken vertikalt anbrakt rotasjonsakse, og som omfatter en langsgående kanal for enten å tilføre borefluid eller luft under trykk til borehullet, eller å fjerne borefluid eller luft kombinert med avfall og utgravd fjell fra borehullet, og som er beregnet for å monteres til en borstang, minst en i hovedsaken sirkulær, roterbar skjæreskive som er montert på et nedre parti utenfor hoveddelen, og som bringer borkronen til å danne et borehull med et i hovedsaken sylindrisk veggparti og et stort sett konkavt parti, idet skjæreskiven har skjæreelementer som er anbrakt i stort sett ringformede formasjoner, med sin rotasjonsakse anbrakt i spiss vinkel med hoveddelens rotasjonsakse, idet skivens laveste skjærepunkt er radialt fjerntliggende i forhold til hoveddelens rotasjonsakse, idet skjæreskivens rotasjonsakse er svakt forskjøvet sideveis i en bakoverretning fra hoveddelens senterlinje i forhold til hoveddelens rotasjonsretning, mens alle vinkler mellom aksene er etterlatt uendret, slik at borkronen er anbrakt i en ikke-likevektsstilling, idet hoveddelens rotasjon setter borkronen i stand til å søke likevekt ved at skjæreelementene trenger inn i borehullveggen og kutter fjellet når de kombinerte, nedadrettede krefter overskrider de motvirkende krefter (slik at borkronen gjøres selvbelastende), idet den nedadrettede kraft i hovedsaken er konsentrert på det nederste skjæreelement, slik at det forårsakes en destabilisering av borehullveggen som gjør borkronens skjærevirkning lettere.

Borkronen omfatter fortrinnsvis tre skjæreskiver. Skjæreelementet er en skive som er forsynt med ytterst effektive skjæreflater (tenner). På grunn av at skivene virker ved bunnen og på det konkave parti av veggen som skal skjæres, og har en stort sett ringformet overflate som er utstyrt med skjæreanord-ninger, er virkningen av skivene først og fremst å kutte fjellet og ikke å komprimere fjellet for å oppnå knusing av dette.

Da skivenes rotasjonsakser er forskjøvet sideveis bakover i forhold til hoveddelens rotasjonsretning, utføres skjærevirkningen av hver skive av tennene i den nedre, bakre kvadrant. Gjennomtrenging av fjellet oppnås lettvint da den nedadrettede nettokraft (trykkraft) i hovedsaken konsentreres rundt klokken-seks-stillingen på hver skive, hvilket er en viktig faktor ved destabilisering av fjellet i det nedre parti av hullet.

Bevegelse av jordskorpen over mange millioner av år har utsatt nesten alt fjell for enorme spenninger og påkjenninger. Disse krefter er blitt avlastet på grunn av dannelse av ørsmå sprekker og forkastninger i fjellet. De fleste kjente boreinnretninger komprimerer fjellet, de er nær ved å skjære gjennom fjellet under eliminering av disse forkastninger og sprekker, og

knuser det deretter med en roterende virkning.

Forskyvning av skjæreskivens eller skjæreskivenes rotasjonsakse sideveis fra hoveddelens lengdeakse anbringer hele borkronen i en ikke-likevektsstilling. Hoveddelens rotasjon bringer skiven eller skivene til å søke likevekt ved å trenge inn i og kutte fjellet.

Ved forskyvning av skjæreskivens rotasjonsakse i en bakoverretning beveger skiven seg i retning mot likevekt etter hvert som skjæreelementene trenger inn i og kutter fjellet etter hvert som skiven går rundt sin akse som et resultat av hoveddelens rotasjon. Når skiven nærmer seg likevekt, blir den enda en gang hindret fra å nå denne av den neste tann som går inn i fjellet like før klokken-seks-stillingen, og skjæresyklusen gjentas.

Hvordan dette oppnås, forstås av figur 1 og figur 2. FL (nedoverbelastning) frembringes ut fra den nominelle vekt av borkronen, borerøret og boreriggbelastningen. Belastningen nedover utøves i hovedsaken på det laveste punkt eller de laveste punkter i posisjon klokken seks, hvilket maksimerer inntrenging i og destabilisering av fjellet.

På figur 1 forårsaker rotasjonen av hoveddelen med urviseren (betraktet fra oversiden) at skjæreskiven eller skjæreskivene roterer i retning mot urviseren (betraktet fra yttersiden av skiven eller skivene), slik at så snart skjæreelementene har trengt inn i fjellet, beveger de seg oppover gjennom dette, hvilket resulterer i en nedadrettet trykkraft som er større enn den opponerende eller motvirkende kraft (FL + Fs > F0, hvor Fs =EFS lr de kombinerte, nedadrettede krefter fra tennene i skjærekvadranten), slik at systemet gjøres selvbelastende. Skiven vil derfor ha en tendens til å skru seg selv inn i fjellet, hvilket er blitt destabilisert, idet den kutter fjellet i en oppstigende spiral, slik at den gjøres selvrensende og tillater FL å bli ubetydelig. Dette utføres i det vesentlige av senter-ringen av skjæreelementer eller tenner (601 på figur 10).

Det antas at følgende finner sted under drift. Inntrenging i og destabilisering av fjellet oppnås under den raske overgang av skjærevirkningen fra kompresjonskutting til oppoverskjærende kutting. Fra det punkt i hvilket tannen går inn i fjellet, når den nærmer seg klokken-seks-stillingen, utøver den laveste tann på skiven en kombinasjon inn i fjellet av nedadrettet trykk- og rotasjonsenergi (eller vridningsmoment) som skriver seg fra nedtrykkingen på og rotasjonen av hoveddelen. Denne energi øker raskt inntil den når et maksimum når tannen når frem til posisjon klokken seks, hvoretter den går inn i en oppoverskjærende kuttevirkning. Denne fase fullføres fortrinnsvis av hver tann før en annen går inn i fjellet, men i en annen versjon kan en eller flere tenner gå inn i fjellet før den første tann har oppnådd full inntrenging.

Så snart tennene har trengt fullstendig inn i fjellet og passert klokken-seks-stillingen, må de overvinne motstanden fra fjellet dersom den oppoverskjærende kutte- eller utgravings-virkning skal finne sted. Etter hvert som tennene beveger seg oppover i fjellet gjennom den nedre, bakre kvadrant av skjæreskiven, minsker den nedadrettede energi som de utøver på fjellet, gradvis fra sitt høydepunkt i klokken-seks-stillingen, idet den blir ubetydelig når tennene nærmer seg klokken-tre-stillingen. Den sideveis bakoverforskyvning av skivens rotasjonsakse i forhold til borkronens rotasjonsakse betyr at tennene på skiven beveger seg lenger bort fra borkronens senterlinje etter hvert som de beveger seg oppover fra klokken-seks-stillingen, inntil de oppnår en maksimumsavstand fra senterlinjen i klokken-tre-stillingen, eller - dersom skiven er blitt vippet ned - noe etter at de har passert denne stilling.

Resultatet av denne utadgående bevegelse er at tennene utøver en kraft på fjellet i en retning parallelt med skivens rotasjonsakse. Denne sidekraft øker gradvis etter hvert som tennene beveger seg bort fra klokken-seks-stillingen, idet den oppnår et maksimum når tennene når det punkt som ligger på den fjerneste perpendikulære avstand fra hullets senterlinje. Deretter minsker kraften raskt etter hvert som tennene fjerner seg fra fjellet, idet den opphører fullstendig i det punkt i hvilket de mister kontakt med fjellet. Det antas derfor at sidekraften, kombinert med skivens spisse vinkel med hoveddelens senterlinje og den konvekse form på skivens ytterflate, bringer tennene på den ytre skjærering i virksomhet, idet de tvinges til å gå inn i fjellet og grave ut dette med en oppover skjærende kuttevirkning.

En del av den utadrettede sidekraft som utøves av tennene på skivens ytterside, oppveies av den innadrettede sidekraft som utøves av tennene på den indre skjærering (603 på figur 10). Denne innadrettede kraft bringer tennene til å gå inn i, kutte og utgrave fjellet i sentersøylen ved bunnen av hullet (611 på figur 10), idet denne søyle er etterlatt på grunn av at tennene på omkretsen av skjæreskiven i sitt laveste punkt ligger radialt på avstand fra hoveddelens senterlinje.

Tennene på den indre skjærering graver ut den sentrale søyle og slutter å være i kontakt med fjellsiden en eller annen gang før tennene på den ytre ring slutter å være i kontakt med borehullveggen. Dette betyr at det er en plutselig nedgang i det innadrettede sidetrykk på samme tid som det utadrettede sidet rykk er økende. Dette resulterer i en innadrettet torsjonskraft på skjæreskiven i den nedre, bakre kvadrant.

Det dreiemoment som kreves for å overvinne fjellets motstand mot de kombinerte virkninger av disse vekselvirkende, nedadrettede og siderettede krefter, øker raskt når tennene først trenger inn i fjellet, idet den når en topp i klokken-seks-stillingen, og den avtar deretter langsomt etter hvert som den økende (men sekundære) sidekraft utlikner den avtakende (primære) nedadrettede kraft, for bare å avta raskt så snart den nedadrettede kraft er blitt ubetydelig og tennene begynner å fjerne seg fra fjellet.

På grunn av at skjæreskiven både roterer om sin akse og roteres rundt hoveddelens senterlinje, fluktuerer den hastighet med hvilken skjæretennene roterer rundt senterlinjen, sammen-liknet med hoveddelens rotasjonshastighet. Størrelsen av denne fluktuasjon påvirkes av den grad i hvilken det høyeste punkt på skivens omkrets er radialt atskilt fra det laveste punkt - graden av vertikal helling av skiven.

Når en tann befinner seg ved klokken 9 på skiven, roterer den med samme hastighet som borestrengen. Når den beveger seg bakover i forhold til borstrengens rotasjonsretning, synker dens egen rotasjonshastighet, idet den oppnår sin laveste hastighet ved klokken 6, det punkt i hvilket dens nedad rettede - bevegelse blir en oppad rettet bevegelse. Den øker deretter hastigheten etter hvert som den beveger seg gjennom den nedre, bakre kvadrant, inntil den - ved klokken 3 - på nytt beveger seg med samme hastighet som hoveddelen. Når tannen beveger seg forbi klokken 3, fortsetter den å øke sin rotasjonshastighet i forhold til hastigheten av hoveddelen, idet den oppnår sin høyeste hastighet ved klokken 12 før den reduserer farten inntil begge hastigheter på nytt stemmer overens ved klokken 9.

Det antas således at det er kombinasjonen av økende tannhastighet og avtakende utadrettet sidetrykk etter hvert som tennene fjerner seg fra fjellet, som bringer tennene i den øvre, bakre kvadrant til å stoppe kutting og utgraving av fjellet, og til å polere veggen av hullet. Selv om det fremdeles finnes en utadrettet sidekraft i denne kvadrant, antas dens virkning å være en kompresjonsvirkning som kompakterer eventuelt løst fjell og jevner ut hullets vegg.

Dersom den nevnte skjæreskive deretter skråstilles i hoveddelens rotasjonsretning, presses de ytre gravetenner ytterligere inn i fjellet, slik at de ytre gravetenners arbeid økes og det arbeid som utføres av de inntrengende destabiliseringstenner, reduseres, hvilket øker levetiden av de inntrengende destabiliseringstenner. Levetiden av de ytre gravetenner kan forlenges ved å benytte meget slitasjebestandige tenner, såsom diamantkarbidtenner, for derved å øke borkronens levetid. Dette er særlig verdifullt når det borehull som skjæres, er meget dypt, da det reduserer den dødtid som forårsakes ved heving av borkronen til overflaten for å skifte den ut når den er utslitt.

På grunn av at den netto nedadrettede kraft på borkronen er i hovedsaken konsentrert i et eneste punkt, tannen i klokken-seks-stillingen på skjæreskiven, oppnås inntrenging i fjellet uten vanskelighet i nesten enhver kjent bergart.Borkronen vil derfor bore med liten nedadrettet trykkraft (thrust), og bare en liten økning er nødvendig for å oppnå full inntrenging dersom tennene forlenges. Det meste av den kraft som er nødvendig for å overvinne motstanden i fjellet, er rotasjonskraft, og en eventuell økning i motstand overvinnes stort sett ved å øke vridningsmomentet på hoveddelen, hvilket overføres til skjæreskiven eller skjæreskivene.

I en eventuell borkrone som benytter mer enn en skive, er det nødvendig å ha et forskjellig antall tenner på hver skive for å sikre at skjærebanene til de laveste tenner ligger side om side. Med det samme antall tenner på hver skive overlapper skjærebanene hverandre i et regelmessig, gjentatt opptredende mønster som skaper sporing eller samløp og hindrer den destabili-serende virkning av de laveste tenner og derfor boringsprosessen. Skjærebanens karakteristiske egenskaper er delvis bestemt av utformingen av skiven og dennes tenner.

Dersom den sideveis forskyvning av rotasjonsaksen skulle være i en fremoverretning i forhold til hoveddelens rotasjonsretning, ville skjærevirkningen bli utført av den nedre, fremre kvadrant av skiven. Inntrenging i fjellet ville begynne like før klokken-ni-stillingen, og bevege seg i en nedstigende spiral med økende inntrenging inntil tennene var helt begravd i fjellet i klokken-seks-stillingen (se figur 2).

Virkningen av denne fremoverforskyvning ville være å frembringe en kraft motsatt av den som er nødvendig for å oppnå likevekt, og å komprimere i stedet for å destabilisere fjellet, og derved gjøre det vanskeligere å skjære og pålegge urimelig belastning på skjæretennene og lageret. Avfallet rettes også nedover mot bunnen av hullet, noe som under visse fjellforhold kunne bringe borkronen til å kile seg fast i hullet.

Prinsippet ifølge oppfinnelsen gjelder for en borkrone som inneholder en eller flere skjæreskiver. Ifølge en annen utførelse av oppfinnelsen har det øvre parti av hoveddelen flere skjæreelementer anbrakt med regelmessige mellomrom rundt hoveddelens omkrets og beliggende ikke lavere enn det punkt i hvilket det konkave bunnparti av borehullet forenes med det sylindriske parti.

Denne oppfinnelse letter raskere, rettlinjet fjellinn-trenging med konstant hulldiameter, ved benyttelse av mindre nedadrettet trykk og effekt, og reduserer dermed i vesentlig grad omkostningen pr. meter boring.

I løst fjell er volumet av fragmenter eller avfall betydelig større, og ved liten hulldiameter er innretningen derfor mer effektiv med en eller to roterende skjæreskiver, hvilket etterlater mer plass ved bunnen av hullet for å evakuere avfallet. Normalt omfatter borkronen tre skjæreskiver.

Oppfinnelsen har en ytterligere fordel ved å tilveiebringe retningsstabil boring, på grunn av at skjærekraftens vektor kombinert med hoveddelens rotasjon skaper en destabili-seringskjerne hvis toppunkt ligger under bunnen av hullet på hoveddelens senterlinje. Denne retningsstabilitet forsterkes ved virkningen av polerings- eller skjæreelementene i det øvre parti av hoveddelen som holder borkronen i sentrum av hullet.

En annen fordel med poleringselementene er å sikre at den tilbaketrekkende bevegelse av borkronen i hullet utføres i en rett linje og således unngår at borestrengen avbøyes. Dersom borestrengen under oppover- eller bakoverbevegelsen avbøyes fra den rette linje, kan en skive eller flere skiver bringes i inngrep i hullets vegg, slik at det forårsakes enten en svikt eller brekkasje av skiven eller dens lager, hvoretter den vil falle ned i hullet eller forbli i veggen av hullet, eller forårsake at hele borkronen blir hengende fast i hullets vegg, og dermed hindrer vellykket tilbaketrekking.

Innretningen er konstruert for å tilveiebringe en aggressiv skjæreskive ved å forskyve hver skives rotasjonsakse sideveis i en bakoverretning fra hoveddelens senterlinje i forhold til hoveddelens rotasjonsretning. Graden av forskyvning vil variere i overensstemmelse med borkronens diameter og utformingen og konstruksjonen av skivene.

De kanaler vann, boreslam eller luft passerer ut av hoveddelen gjennom, er utformet for å frembringe tilstrekkelig strøm for å spyle ut det brutte fjell og å avkjøle skivene under boring. Skjæreelementene på det øvre parti av hoveddelen er anbrakt i en mangekantet og fortrinnsvis sekskantet formasjon. Denne sekskant formasjon bør fortrinnsvis være utstyrt med meget slitasjebestandige tenner som berører borehullets vegg på en bestemt avstand fra hullets senterlinje i spesifiserte punkter rundt sekskant formasjonens diameter. Selv om skjæreelementene på skivene skulle bli slitt etter omfattende boring, sikrer derfor sekskantformasjonen en konstant diameter av hullet, ved å fjerne det resterende fjell som ikke nås av den slitte skjæreflate av skivene. Sekskant formasjonens tenner vil til slutt også bli utsatt for slitasje, men i praksis sikrer dette system hulldia-meterstabilitet ved de fleste boringsanvendelser utover det punkt hvor andre tradisjonelle systemer allerede ville ha sviktet.

Selv om tennene på sekskantformasjonen vil fjerne eventuelt gjenværende fjell som er etterlatt av slitte skjæreskiver, utfører de ikke fjerningen så raskt som skivene, og en markert og tiltakende reduksjon av den hastighet med hvilken boringen skrider frem, ville være en indikasjon på overdreven

slitasje på skivene.

Det nedre sentrale parti av hoveddelen kan være forsynt med skjæreelementer for å fjerne gjenværende "skorsteiner" av fjell som ikke nås direkte av skivenes skjærende overflater.

Skjæreskivene er forsynt med supplerende skjæreelementer som er anbrakt i en ringformasjon som er atskilt rundt skiven og anbrakt bak hovedskjæreelementene i en vinkel som får dem til å peke mot sentrum av hullet på en slik måte at de ikke vil støte imot hullveggen når hovedskjæreelementene er i arbeid. Hensikten med disse hjelpe-skjæreelementer er å riste og få til å smuldre opp en eventuell sentral skorstein av fjell som danner seg i sentrum av hullet etter hvert som skjæreskivene roterer.

Slik det nå vil være klart, tilveiebringer oppfinnelsen en selvinnrettende borkrone som er velegnet for retningsmessig stabil boring av hull med konstant diameter, ved benyttelse av lettere og mindre kostbart utstyr. Inntrengingshastighetene er 20-400% raskere enn de som oppnås med tradisjonelle metoder. Boreinnretningen er blitt konstruert for uten vanskelighet å motstå alle de støt, trykk og slitasjepåvirkninger som normalt påtreffes i kommersielle boreoperasjoner.

Det er derfor åpenbart at en borkrone for anvendelse ved boring av et borehull i overensstemmelse med oppfinnelsen omfatter en hoveddel som er konstruert for å rotere om en i hovedsaken vertikalt anbrakt rotasjonsakse, og som omfatter en langsgående kanal for tilførsel av borefluid eller luft under trykk til borehullet.

I en ytterligere utførelse vil borkronen omfatte en sentral kanal som enten passerer gjennom borkronens sentrum eller oppdeles i et antall rettede kanaler. Borefluid eller luft kombinert med avfall og utgravd fjell fra borehullet vil passere gjennom denne kanal eller disse kanaler for å fjerne avfallet og det utgravde fjell.

Tre roterbare skjæreskiver er fortrinnsvis montert på hoveddelens utside med likt atskilte mellomrom, idet disse skjæreskiver har flere skjæreelementer. Ikke desto mindre er det mulig å ha en borkrone som er forsynt med færre eller flere skiver. Hver av skjæreskivene har en rotasjonsakse som er anbrakt i en spiss vinkel med den vertikale akse om hvilken hoveddel roterer, og bringer således skjæreelementene til å være anbrakt på en slik måte at det oppnås effektiv, aggressiv skjæring i hoveddelens rotasjonsretning, og sikrer at det første skjæreelement er det som nærmer seg det laveste på hver side.

Den vinkel i hvilken skjæreskivenes rotasjonsakse er anbrakt, er typisk 40 til 80° med hoveddelens rotasjonsakse.

En hovedfordel med oppfinnelsen er at den tilveiebringer en borkrone av billig og meget effektiv konstruksjon, hvor borkronen videre utmerker seg ved at den er selvinnrettende, slik at den har evne til å bore på retningsstabil måte.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der figur 1 viser et skjematisk sideriss av en borkrone som er forsynt med en bakover forskjøvet skjæreskive, figur 2 viser et skjematisk sideriss av en borkrone som er forsynt med en fremover forskjøvet skjæreskive, figur 3 viser et perspektivriss av en borkrone som er forsynt med tre skjæreskiver, figur 4 viser et perspektivriss av en liknende borkrone som på figur 3 og som er forsynt med en kalibreringsring, figur 5 viser et bunnriss av en borkrone i et boret hull, idet skjæreskivenes rotasjonsakser er forskjøvet i en bakoverretning i forhold til hoveddelens rotasjonsretning, figur 6 viser et bunnriss av en borkrone som likner på borkronen på figur 5, idet skjæreskivenes rotasjonsakser er forskjøvet i en fremoverretning, figur 7 viser et perspektivriss av en borkrone som er forsynt med bakover forskjøvne og fremover skråstilte skjæreskiver, figur 8 viser et bunnriss av den på figur 7 viste borkrone, figur 9 viser et perspektivriss som på figur 7 av en borkrone som er konstruert for å ha borestangen festet til bunnen av borkronen for boring oppover, figur 10 viser et sideriss av en borkrone som er forsynt med en eneste skjæreskive, og figur 11 viser et skjematisk sideriss av en flerlags skivemontasje for boring av hull med stor diameter.

Selv om beskrivelsen er begrenset til en borkrone som er utstyrt med tre skjæreskiver, er borkroner med én, to eller flere skjæreskiver i overensstemmelse med oppfinnelsen.

Idet det henvises til figur 3, kan en roterende borkrone 10 ifølge oppfinnelsen ses å omfatte en hoveddel 12 som i sitt øverste parti er utstyrt med et hannkoplingsstykke 14 som setter det i stand til å forbindes med et roterende borestreng, med et tilsvarende hunnkoplingsstykke i sin nederste ende. Ved sammenkopling av hann- og hunndelene settes legemsdelen eller huset 12 i stand til å festes meget tettsluttende eller fast til den nederste ende, men er likevel i stand til å fjernes lettvint fra denne for utskiftning dersom dette skulle bli nødvendig fra tid til tid.

Drivakselen har et sentralt anbrakt, langsgående hull for å tillate gjennomstrømning av borfluid, og akselen er roterbar om en senterlinje eller rotasjonsakse 20. Senterlinjen kan betraktes som om den også strekker seg gjennom legemsdelen 12.

Legemsdelen 12 har en sentralt beliggende kanal for borefluid, som er beliggende på linje med det sentrale hull i akselen, idet legemsdelens 12 kanal munner ut i åpninger som er anordnet for sirkulasjonen av borefluid eller luft under trykk til området for de roterende skiver 34, 36 og 38 som er montert på legemsdelen 12.

Hver skive 34, 36, 38 er forsynt med skjæreelementer som er anbrakt i en ringformasjon, idet deres lengde, form og anbringelsesmønster avhenger av tilstanden av det fjell som skal skjæres.

På figur 4 er det vist en borkrone som likner på borkronen på figur 3, idet den eneste forskjell er måle- eller kalibreringsringen 40 som fortrinnsvis har mangekantet form. I overensstemmelse med oppfinnelsen er tenner 42 montert i skjæringspunktet mellom hver av kalibreringsringens sider, hvilke tenner kan anses å danne borkronens maksimumsdiameter.

Med hensyn til sidene av kalibreringsringen vil man legge merke til at hver av sidene er konkav, idet den strekker seg innover mot borkronens rotasjonssentrum fra skjæringspunktene på kalibreringsringens ytre diameter på hvilken tennene er montert. Denne konstruksjon maksimerer den plass som er tilgjen-gelig for stykker av fjell og annet borkaks til å passere mellom borehullveggen og de konkave sider av kalibreringsringen 40, og letter fjerning av disse fra skiveområdet ved hjelp av det fluid som benyttes under drift av borkronen. Denne detalj er gjort helt klar på figur 5. Kalibreringsringen 40 kan omtales som om den er i form av en modifisert polygon.

Under omfattende boring vil kalibreringsringen 40 sikre en konstant diameter av det hull som dannes i fjellet, på tross av den mulighet at skivenes skjæreflate vil bli slitt, og dermed redusere den effektive skjærediameter av skivene 34, 36 og 38. I overensstemmelse med oppfinnelsen kompenseres det for denne reduksjon i skjærediameter ved hjelp av kalibreringsringens 40 tenner 42 som benyttes i borkronens øvre parti med den maksimale diameter. Disse er selvsagt meget slitasjebestandige og er anordnet i hvert punkt som berører det hull 11 som dannes i fjellet. Teoretisk vil også kalibreringsringens 40 tenner 42 til slutt også bli utsatt for slitasje, men i praksis vil dette nye system ved de fleste boringsanvendelser sikre en hulldiameter-stabilitet utover den avstand ved hvilken andre konvensjonelle systemer allerede vil ha sviktet, ved å fjerne det gjenværende fjell som ikke nås av hjulenes eller skivenes slitte tenner.

Den modifiserte polygonform har den ytterligere fordel at den hindrer at skivene kommer i inngrep i hullets vegg når borkronen heves i hullet.

Figur 5 viser et bunnriss av en borkrone som likner på borkronen på figur 4. Den eneste forskjell er formen på skjæreskivene og tennenes anbringelsesmønster.

Bortsett fra at forskjeller i skivene indikeres ved bruk av forskjellige henvisningstall, angir de samme tall de samme elementer av borkronen fra og med figur 3.

Skjæreskivene 134, 136, 138 i den borkrone som er vist på figur 5, har kjeglestumpform, og skjæretennene 135a, 135b, 137a, 137b, 139a, 139b er anbrakt i overensstemmelse med to sirkulære linjer i en forskjøvet oppstilling. Skivenes rotasjonsakser er sideveis forskjøvet i en bakoverretning i forhold til borkronens rotasjonsretning som er angitt ved pilen RI. Størrel-sen av denne bakoverforskyvning er Ab, hvilken kan variere med borkronens diameter. Skjæreskivenes rotasjonsretning er angitt ved pilen R2. Fordelen med den sideveis bakoverforskyvning av skivene er blitt forklart tidligere under henvisning til figur 1 og 2.

På figur 5 er også vist kalibreringsringen 40 med sine tenner 42 anbrakt slik at det sikres en konstant hulldiameter 11.

Den bakover forskjøvne oppstilling av skivene tillater et løst/tomt mediumområde Al i den fremre, øvre kvadrant av hver skive, og et restabiliserende område Ar i den bakre, øvre kvadrant av skiven 136. Disse områder er på figur 5 vist bare i relasjon til skiven 136, men det samme gjelder med hvilken som helst av de tre skiver.

Kalibreringsringens 40 tenner 42 utgjør justerende poleringsverktøy som sikrer en konstant diameter av borehullet. Tennene i den nedre, bakre kvadrant destabiliserer og skjærer således borehullveggen, mens tennene i den øvre, bakre kvadrant kompakterer fjellet i borehullveggen etter skjæring.

På figur 6 er det vist en borkrone med tre skjæreskiver 234, 236, 238 hvis rotasjonsakser er sideveis fremoverforskjøvet i forhold til borkronens rotasjonsretning. Størrelsen av den sideveis forskyvning er Af.

Ulempene med denne innretning er allerede angitt i forbindelse med figur 2. For hver skive er rotasjonsaksen forskjøvet fremover, og et løst/tomt mediumområde Al er beliggende i den bakre, øvre kvadrant av skiven, mens et skjæreområde Ad er dannet foran skiven. Skjæringen utføres således av den fremre, nedre kvadrant av hver skive hvis tenner skjærer veggen ved komprimering etter hvert som skiven roterer mot urviseren, i motsetning til borkronen på figur 5 ved hvilken tennene i den nedre, bakre kvadrant destabiliserer og skjærer borehullveggen.

På figur 7 og 8 er det vist en borkrone hvor rotasjonsaksen av hver skive først er forskjøvet bakover i en sideretning, idet størrelsen av forskyvningen er Ar, og skiven deretter, i forhold til borkronens rotasjonsretning, er skråstilt fremover i overensstemmelse med en vinkel 0. Denne oppstilling av skivene 434, 436, 438 presser den nedre, bakre kvadrant av hver skive nærmere borehullveggen.

På figur 9 er det vist et perspektivriss av en annen utførelse ifølge oppfinnelsen. Borestangen er festet til hoveddelens bunnparti og forsynt med et hannkoplingsstykke 500 for å gjøre det mulig å bore oppover. En sådan borkrone kan bores oppover fra en tunnel eller gruvegang eller et annet rom som er beliggende under det fjell i hvilket et hull med liten diameter er blitt boret fra overflaten for at borstangen skal kunne nedsenkes til den nevnte tunnel eller gruvegang, slik at borkronen, når den bores oppover, forstørrer hullets diameter. Den borkrone som er vist på figur 9, likner i virkeligheten på den borkrone som er vist på figur 7. Den er forsynt med tre skjæreskiver 534, 536, 538, og med en kalibreringsring 40 med poleringselementer 42. Hovedforskjellen er at hannkoplingsstykket er beliggende i den nedre del av borkronen og dets form og dimensjoner er forskjellige. Borkronen på figur 9 er ikke forsynt med kanaler for tilførsel av borefluid. Figur 10 viser et skjematisk sideriss av en borkrone som er forsynt med en eneste skive 600. Skivens skjæreelementer er anbrakt i tre ringformede formasjoner. De tenner 601 som er anbrakt nær den ytre omkrets av skiven, og spesielt tennene i den nedre, bakre kvadrant, trenger inn i og destabiliserer fjellet 610 radialt, og tennene 602 som er beliggende på yttersiden av skiven, graver deretter ut fjellet. Tennene 603 som er beliggende på innersiden av skiven, bryter løs den skorsteins-fjellformasjon 611 som av skjæreskiven er etterlatt på bunnen av hullet. Ytterligere skjære- eller poleringselementer 604 i den nedre del av hoveddelen tillater skjæring eller polering av skorsteinen 611. Tennene 602 som er beliggende på den bakre, øvre kvadrant, i forhold til borestrengens rotasjonsretning, kompakterer borehullveggen. De skjæreelementer som er beliggende på skiven mellom klokken 6 og klokken 9, må således destabilisere, evakuere, bryte og skjære fjellet, mens de tenner som er beliggende på fronten av skiven mellom klokken 9 og klokken 12, har en kompakterende virkning. Figur 11 viser et skjematisk sideriss av en flerlags-skivemontasje for boring av hull med stor diameter. Skiver av varierende størrelser er montert i konsentriske ringer i et avtrappet mønster, slik at den vertikale avstand av enhver gitt skive eller skiver over hoveddelens laveste punkt øker og de nevnte skivers diameter dx, d2, d3avtar etter hvert som den radiale avstand ClfC2, C3fra hoveddelens senterlinje øker. Ved å variere størrelsen og antallet av de nevnte skiver og deres stilling i forhold til hoveddelens senterlinje, kan den avtrap-pede skjæreprofil ved bunnen av borehullet sammen med borehas-tigheten varieres for å passe for forskjellige fjelltyper og formasjoner, og det kan også borehullets diameter.

De mange forannevnte formål og fordeler oppnås således på en meget effektiv måte. Selv om flere foretrukne utførelser er blitt vist og nærmere beskrevet i det foregående, må man være klar over at oppfinnelsen på ingen måte er begrenset av dette, men at dens ramme er bestemt av rammen for de etterfølgende krav.

Claims (29)

1. Borkrone for bruk ved boring av et borehull, omfattende et hoveddel (12) som er innrettet til å rotere omkring en i det vesentlige vertikal rotasjonsakse (20) og innrettet til montering på en borestreng, minst en i det vesentlige rund, roterbar skjærskive (34, 36, 38, 134, 136, 138, 234, 236, 238, 434, 436, 438, 534, 536, 538, 600), som er montert på utsiden av hoveddelens (12) nedre del for å forårsake at borkronen danner et borehull med en i det vesentlige sylindrisk veggdel og en konkav del og hvor skjærskiven har skjærelementer (135a, 135b, 137a, 137b, 139a, 139b, 601, 602, 603), som er innrettet i vanlige ringformede arrangementer, hvis rotasjonsakse (a) er anordnet i en spiss vinkel i forhold til hoveddelens (12) rotasjonsakse (20), idet skjærskivens nederste skjærsted er radialt forskjøvet i forhold til hoveddelens (12) rotasjonsakse (20), KARAKTERISERT VED at skjærskivens rotasjonsakse (a) er lettere avbøyd sideveis bakover i forhold til hoveddelens (12) rotasjonsakse (20) i forhold til hoveddelens (12) rotasjonsretning (RI) samtidig som alle vinkler som dannes mellom akslene forblir uforandret, noe som forårsaker at hele borkronen innstilles i en ubalansert stilling mens hoveddelens (12) rotasjons muliggjør at skjærskiven søker seg til likevekt når skjærelementene trenger inn i borehullets vegg og skjærer fjellet, mens de forenede nedad rettede krefter overskrider de motsatt virkende krefter (og gjør borkronen selvbelastende) mens de nedad rettede krefter i det vesentlige er konsentrert på det lavest liggende skjærelement og forårsaker at borehullets vegg stabiliseres slik at borkronens skjæreffekt forbedres.

2. Borkrone ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at hovedborkronen (12) omfatter minst en i lengderetningen for-løpende gjennomføring for enten innmating av borevæske eller luft i borehullet under trykk eller for fjerning av bearbeidningsmasse som er forenet med borevæsken eller luften og fjell som er gravd ut fra borehullet.

3. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at skjærelementene på skivene (600) er anordnet i minst tre ringformede formasjoner (601, 602, 603), slik at den midterste ringen (602) er anordnet nær skjærskivens (600) ytre periferi samtidig som de øvrige ringene på motsvarende måte er anordnet på skivens indre og ytre flate, at de laveste skjærelementer (601) i den lavere midtre rings bakre kvadrant trenger inn og gjør fjellet (610) destabilt samtidig som de ytre skjærelementer (602) og de indre skjærelementer (603) graver ut det destabi-liserte fjell (610) og de ytre skjærelementer i den bakre kvadrant presser og jevner ut hullets vegg.

4. Borkrone ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at skjæreskivens rotasjonsakse (c) videre er skråstilt i hoveddelens (12) rotasjonsretning (RI) ved å endre rotasjonsaksens vinkel i forhold til hoveddelens senterlinje.

5. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at skjæreskivens ikke avbalanserte vekt er proporsjonal med den avstand skjæreskivens rotasjonsakse er forskjøvet.

6. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at den rotasjonskraft som er nødvendig for at skjæreskiven skal oppnå likevekt, er proporsjonal med den nedadrettede trykkraft på borkronen.

7. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at den rotasjonskraft som er nødvendig for at skjæreskiven skal oppnå likevekt, er proporsjonal med skjæreelementenes lengde, bredde og profil.

8. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at den rotasjonskraft som er nødvendig for at skjæreskiven skal oppnå likevekt, er proporsjonal med fjellets tilstand.

9. Borkrone ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at to skjæreskiver er montert med innbyrdes mellomrom.

10. Borkrone ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at tre skjæreskiver er montert med samme innbyrdes mellomrom.

11. Borkrone ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at flere skjæreskiver er montert med samme innbyrdes mellomrom.

12. Borkrone ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at flere skjæreskiver er montert med samme innbyrdes mellomrom og flere borkroner er montert på bestemte steder for å skape en stor kombinasjonsborkrone som er i stand til å bore hull med stor diameter, og at skivene og borkronene er anordnet i varierende høyder i forhold til hverandre for å danne en avtrappet skjære profil ved bunnen av borehullet.

13. Borkrone ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at flere skjæreskiver eller flere borkroner er montert på bestemte steder for å skape en stor kombinasjonsborkrone som er i stand til å bore hull med stor diameter, idet skivene eller borkronene er anordnet på varierende høyder i forhold til hverandre, for å frembringe en avtrappet skjæreprofil ved bunnen av borehullet.

14. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at vinkelen mellom skjæreskivens rotasjonsakse (a, c) og hoveddelens (12) rotasjonsakse (20) er spiss.

15. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at størrelsen av sideveis forskyvning av hver skjæreskives rotasjonsakse fra hoveddelens senterlinje er ca 0,8 mm til 6,5 mm.

16. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at størrelsen av sideveis forskyvning av hver skjæreskives rotasjonsakse fra hoveddelens senterlinje er ca 6,5 mm til 25 mm eller mer.

17. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at de roterbare skjæreskiver er dynamisk avbalansert og slik plassert at de effektivt motvirker hverandre, og at borkronen er selvinnrettende .

18. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at en supplerende skjæreskive er montert på den vertikale akse i det laveste punkt på hoveddelen (12), idet skivens plan står normalt på hoveddelens (12) rotasjonsakse (20), for å ødelegge en eventuell fjellskorstein (611) som er etterlatt av de roterbare skj æreskiver.

19. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at skjæreskivene er i det vesentlige flate skiver.

20. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at skjæreskivene har i det vesentlige konkav ytre overflate.

21. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at skjæreskivene har i det vesentlige konveks ytre overflate.

22. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at et øvre parti av hoveddelen har polygon form, med de forskjellige poleringselementer anbrakt vendende utover fra hoveddelen.

23. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at det øvre parti av hoveddelen har heksagonal form og omfatter en rekke poleringselementer.

24. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at et øvre parti av hoveddelen har flere polerings- eller skjæreelementer (42) anbrakt med regelmessig mellomrom rundt hoved-boredelens omkrets, og ikke lavere enn de punkter i hvilke det konkave bunnparti av borehullet går over i det sylindriske veggparti, idet anvendelsen av polerings- eller skjæreelementene rundt hoveddelens omkrets er for å sikre en konstant ønsket størrelse av borehulldiameteren, selv når skjæreelementene i skjæreskiven er slitt, og også for å sikre en senere kompaktering og polering av borehull veggen som er destabilisert og utgravd av skj æreskivene.

25. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at et øvre parti av hoveddelen (12) har flere polerings- eller skjæreelementer (42) anbrakt med regelmessige mellomrom rundt hoveddelens omkrets, og ikke lavere enn det punkt i hvilket det konkave bunnparti av borehullet går over i det sylindriske veggparti, idet polerings- eller skjæreelementene er anbrakt på en slik måte at de danner et sylindrisk veggparti med en maksimumsdiameter som er større enn den diameter som dannes av skjæreskivene, idet poleringselementene på det øvre parti av hoveddelen tjener til radialt å komprimere borehullveggen og kompaktere denne etter destabiliseringen og utgravingen som forårsakes av skjæreskivene.

26. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at hoveddelen har en anordning som er innrettet til å drive den i rotasjon selv om borstangen ikke er i rotasjon, slik som når borkronen er blitt avbøyd for å endre inntrengingsretningen.

27. Borkrone ifølge krav 26, KARAKTERISERT VED at rotasjonsanordningen omfatter minst en drevet turbin.

28. Borkrone ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at en borstreng (500) er festet i lengderetningen til hoveddelens bunnparti på en slik måte at borkronen kan bores oppover fra en tunnel, en gruvegang eller et annet rom som er beliggende under det fjell i hvilket et hull er blitt boret fra overflaten av en borkrone med liten diameter og tilstrekkelig diameter til at borstangen kan nedsenkes gjennom hullet fra overflaten til den nevnte tunnel, gruvegang eller annet rom for å festes til borkronen, slik at borkronen, når den bores oppover, utvider hullets diameter, og avfallet faller bakover og ned gjennom hullet bak borkronen ned i den nevnte tunnel, gruvegang eller annet rom for å oppsamles og fjernes, idet den sideveis forskyvning av skjæreskivens rotasjonsakse fra hoveddelens senterlinje er bakover i forhold til rotasjonsretningen av hoveddelen som vil rotere i den motsatte retning i forhold til rotasjonsretningen av hoveddelen når borkronen borer normalt nedover, da bor stangens rotasjonsretning forblir den samme, men borstangen nå er festet til den motsatte ende av hoveddelen.

29. Borkrone ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at en supplerende skjæreskive er montert på den vertikale akse i det laveste punkt av hoveddelen og omfatter en anordning som er innrettet til å drive den supplerende skjæreskive i rotasjon uavhengig av rotasjon eller mangel på rotasjon av hoveddelen.