NO330476B1 - Vaesketetning for vattakborkrone - Google Patents

Description

VÆSKE TETNING FOR VÅTTAKBORKRONE

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en anordning forboring av hull i gruver for innsetting av fjellbolter slik at fjellbolter kan bli innsatt og festet i tak-fjelloverflater for å forhindre at disse kollapser. Mer spesifikt vedrører oppfinnelsen en adapter og et borehodelegeme, en rotasjonsskjærekronehodesammenstilling og innbefattende tettinger og en borehodesammenstilling innbefattende skjærekronhodesammen-stillingen.

Prosedyrer benyttet for underjordisk bryting av kull har blitt svært forbedret gjennom de siste tiårene, både fra et operasjonssikkerhetsståsted med hensyn til gruvearbeidere så-vel som fra et produktivitetsståsted. Imidlertid betraktes gruvedrift fremdeles som ar-beidskrevende, en faktor som er vesentlig i prisingen av kull. I tillegg representerer nåværende gruvedriftsprosedyrer fortsatt flere yrkesmessige sikkerhetsproblemer. Mens nåværende teknikker for underjordisk gruvedrift som er spesifikke for et gitt jordlag (stratum) som har blitt utarbeidet, representerer et mangfold av tekniske tilnærminger, har sekvensen for en gitt kullbrytningsoperasjon en tendens til å følge et generelt møns-ter hvor maskiner av et eller annet mangfold arbeider i overflaten av en fløts for å ut-vinne kull som så blir fraktet utover fra gruven. Under denne utvinningsprosedyren blir det skapt en progressivt ekspanderende underjordisk hule eller kammer. Ettersom denne prosedyren blir utført blir den strukturelle integriteten til de umiddelbart tilstøt-ende deler av huletaket eller understøttende partier bragt i fare. Følgelig må taket bli avstivet.

Et mangfold teknikker har blitt utviklet, og fortsetter å bli utviklet, for å oppnå takinte-gritet; imidlertid krever en viktig og mest vanlig av slike teknikker bruk av det som innen området blir betegnet som "fjellbolter". Typisk involverer prosedyren for bolting først utføring av vertikal og forhåndsbestemt vinkelboring gjennom taket til et nylig brutt område. Dette borehullet vil normalt strekke seg minst gjennom en forhåndsbestemt jordlagbredde. Så blir langstrakte stålbolter innsatt i disse borehullene og forank-ret deri.

Tidligere har rotasjonsborings- og kjerneboringsverktøy, slik de benyttes i gruvedrift og

-konstruksjon, blitt konstruert med herdede borkroneskjærehoder, og tradisjonelt med sintrede karbidinnsatser for å forlenge levetiden for verktøyet. Typisk kan skjæreverk-tøy benytte en enkelt eller kontinuerlig skjæreoverflate eller -kant, men oftest benyttes

et flertall diskrete skjæreelementer eller kjernebor, enten sekvensielt anordnet eller vinkelanordnet på en rotasjonsborkrone eller -skrue av en eller annen type.

Et prinsipielt problem man støter på ved alle disse tidligere kjente verktøyene har vært den raske slitasjen og høye utskiftingskostnader sammen med maskindødtid. Slik rask verktøyslitasje og brekkasje må, delvis grunnet utstyr med høyere hastighet og tyngre friksjonskrefter og strekkbelastning, ha ført til en konstruksjon av verktøy med noen større karbidinnsats- eller borespisskonfigurasjoner - som i noen applikasjoner har ført til høyere støvnivåer og øket potensiell antenningsfare i motsetning til gruvedrifts sik-kerhetsbestemmelser. Trykksatt vann tilført takbor-boreoperasjoner tilstøtende borkronen har blitt benyttet for å redusere støvmengden og forbedre borehastighetene.

Våtkarbidboring før i tiden, benyttet innførsel av vann eller andre spylefluider ved lave trykk i området 413,7 x IO<3>- 551,6 x IO<3>Pa. Resultatet av slike tidligere kjente fremgangsmåter var at en enkelt rotasjonsborkrone som benyttet en sintrert karbidinnsats, slik som en takborkrone av typen vist i tegningene, skulle forventes å bore i det minste ett 1,22 meters borehull før den brekker eller slites ut og kunne bore flere slike borehull, selv om det kunne kreves to eller flere slike tidligere kjente karbidborkroner for å bore et enkelt 1,22 meters borehull i noen harde fjellformasjoner. Som detaljert beskrevet i US patent nr 5,303,787 ga våtboring øket ytelse og redusert støvdannelse og ga drama-tiske resultater selv etter bruk av de tradisjonelle fremgangsmåter i henhold til teknikk-kens stand. Noen sammenligningstester vedrørende vanntrykkendringer har blitt gjort innen industrien; ni (9) innsatsrotasjonstakborkroner opererte ved et konvensjonelt vanntrykk på 551,6 x 10<3>Pa og boret 3786 m med fjell med et gjennomsnitt på 421 m/borkrone. I denne sammenligningstesten ble 18 rotasjonsborkroner som innehadde den samme konfigurasjonen operert i den samme gruven ved vanntrykk på 2068,5 x 10<3>Pa og boret 22 196 m med fjell med et gjennomsnitt på 1236 m/borkrone.

I mange tilfeller blir visse av de sammenkoblede komponentene i borestålet tapt grunnet deres friksjonsinngrep inne i borehullet, som de har dannet. For det meste er borestål-komponenter sammenkoblet ved glidetilkobling av hann- og hunnkoblinger, som ikke er tilveiebragt for å tilveiebringe kobling for å tillate tvunget uttrekning fra et borehull. Noen forsøk på å møte på dette boremåltapet har generelt vært basert på bruk av tapper, som blir drevet igjennom tilsvarende utformede borehull, som er utformet i hunn- og hannkoblingene. Imidlertid har det blitt funnet ut at slike anordninger er upraktiske i virkelig gruvedriftpraksis. Gruvearbeideren som generelt opererer i en stilling ganske i nærheten av liggende, vil stille seg fullstendig uforstående til å bære dor og hammer for først å innsette, og så fjerne kappene når borestålet blir trukket ut av borehullet. En slik fjerning i en gruveatmosfære er både farlig og fullstendig upraktisk fra et arbeidsfor-holdsståsted. Sneppknapper har blitt tatt i bruk for å forenkle sammenstilling av borstå-let og å gjøre det mulig for gruvearbeideren å montere sammen borestålet raskt på en enkel måte. Slike snepp-påkoblingsinnretninger er imidlertid utsatt for lekkasje, som fører til uønskede vanntrykktap ved våtboreoperasjoner.

US 4,615,402 viser en borkrone som er løstagbart montert på en borkroneforlengelse. Borkronen og forlengelsen er hule og har hull gjennom hvilke vann pumpes til en skjæreegg av borkronen under boreoperasjon eller at støv blir fjernet fra rundt skjæreeg-gen til borkronen.

US 4,175,757 viser et tetteelement som tilveiebringer en fluidtett tetning mellom ulike elementer i en takboringsanordning. Tetteelementet har et halsparti, et forstørret parti og et sentralt hull.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et takboringssystem for underjordiske gruveap-plikasjoner som forbedrer effektiviteten, sikkerheten og økonomien i nåværende gruve-sikringsteknikker. I erkjennelse av realitetene vedrørende fysiske krav til gruvearbeidere som utfører takboreoperasjoner tilveiebringer systemer til oppfinnelsen en effektiv og enkel uttrekning av borestål umiddelbart etter dannelse av en takboring. Etter at borehodet er senket fra overflaten til borehullet og, følgelig, borestålmonteringen er senket, gir imidlertid en trykknappfrigjøringsmanøver fra gruvearbeideren en full frakob-ling av borestålet fra borehodesammenstillingen.

Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et forbedret ro-tasjonsbrytingsverktøy kjennetegnet ved øket slitasjemotstand og verktøylevetid; å tilveiebringe nye fremgangsmåter for fjellboring hvor verktøylevetiden blir svært forlen-get; å tilveiebringe fremgangsmåter som benytter vesentlig økede vanntilførselsrater for å avkjøle takboret og å redusere støvmengden, hvor en væsketetning er inkludert i borehodesammenstillingen slik at vann blir ført nær takboreinnsatsen uten vesentlig lekkasje eller trykktap. Figur 1 er et snittriss av en gruveanordning benyttet for bryting av en fløs (seam) med et takbor for boring av borehull.

Figur 2 er et tverrsnittsriss av en borehodesammenstilling.

Figur 3 er et splittriss av borehodesammenstillingen vist i figur 2.

Figur 4 er et snittriss tatt langs linje 4-4 i fig. 3.

Figur 5 er enda et splittriss av borehodesammenstillingen vist i fig. 2 tatt fra en siktlinje rotert 90 ° i forhold til lengdeaksen til borehodet vist i fig. 3.

Med henvisning til fig. 1 er det vist en typisk takboremaskin 10. Maskinen 10 er konstruert slik at den opererer sammen med relativt lave kullfløser som man nå ofte støter på i gruveoperasjoner. For eksempel kan taket i den underjordiske hulen 12 dannet forut for fjerning av kullet fra fløsen, som vist med 14, være så lav som omtrent 76 cm, en høyde som fremdeles er av en størrelsesorden som er tilstrekkelig til å utføre gruveoperasjoner. I konvensjonell gruvepraksis, etter utvinnelse av en gitt mengde kull eller annet brutt råvare fra fløsen, blir utvinnelses- og skyttelmekanismer fjernet fra det nylig brutte området og boremaskiner som 10 blir ført frem for å hjelpe til i utføring av nød-vendige takbolteoperasjoner for å sikre taket 14. Bomkomponenter 16 blir operert av en gruvearbeider, og kan bli senket slik at borehodet 18 berører gulvet i hulen. I forløpet for å tilveiebringe et vertikalt borehull innsetter gruvearbeideren inndrivningsdelen av en starterstålkomponent i chucken og opptakshulrommet til borehodet 18.

Starterstålkomponenter vil generelt innbefatte en borkrone i tuppen, og hodet 18 roterer sammenstillingen mens den blir hevet av bommen 16 på en måte som definerer en kon-sistent vertikal boreakseorientering. En driverstålkomponent, som vist ved 30 i fig. 1, blir innsatt i opptakshulrommet til chucken i borehodet 18. Til denne driverstålkomponenten 30 blir det direkte eller indirekte festet en "sluttfører" som fungerer som en hol-der for borkronen for påfølgende boreoperasjoner. En slik sluttførerkomponent er vist med 32 i fig. 1, mens borkronehodet, tradisjonelt utformet av karbid, er vist med 34.

For lavfløskull kreves en rekkefølge av slike boreforlengelsesmanipulasjoner, idet et forhåndsbestemt antall midtforlengelseskomponenter, som vist med 36 i fig. 1, blir innsatt mellom drivestålkomponenten 30 og sluttførerkomponenten 32 for å oppnå den på-krevde borehøyden. Selvfølgelig vil lengdene til alle de valgte ovennevnte komponenter avhenge av den påtrufhe fløshøyden.

Ved fullføring av et borehull må borestålsammenstillingen bli fjernet derfra, og den ge-nerelle praksis i dette henseende er å senke bommen 16 og hodet 18. Når hodet 18 blir senket, glir inndrivningsdelen 38 til driverstålkomponenten 30 direkte utover fra opptakshulrommet til den roterbare chucken. Ved griping av det eksponerte skaftpartiet av driverstålet 30 og etterfølgende forlengelse 36, så vel som sluttføreren 34, fører gruvearbeideren så, for hånd, borestålet fra det dannede borehullet. I tidligere kjente konstruk-sjoner, før snepp-påkoblinger og båndfjærer (eng.: hoop springs), ble det forventet at borestålet skulle falle nedover under påvirkning av tyngdekraften og komponentene derav. Komponentene blir så sammenstilt i gruvehulen for den neste boreoperasjonen. Imidlertid, grunnet det harde miljøet ved boreoperasjonen så vel som innfall fra over-liggende fløsstruktur og lignende, er slik fjerning av borestålsammenstilling ikke alltid effektiv. Ofte finner det sted boring ute av aksen, og bøying av komponentene, og de ulike delene derav vil ikke enkelt gli ut av borehullet. Som det er innlysende, blir borestål ofte etterlatt fastkilt i borehullene, og boreulykker skjer ved manuelle forsøk på å fjerne borestål og borehodekroner fastkilt dypt inne i hullet.

Noen borehodelegemer og borestålmidtseksjoner blir for tiden koblet sammen ved hjelp av båndstålklips og sneppknapper for å redusere tap av borestål i borehull grunnet fast-kiling inne i hullene. Figur 2 viser en adapter 58 med et sylindrisk borehull 48 (figur 4), hvilken adapter har en sentral seksjon 45 som har en ytre heksagonal størrelse og form som er identisk med den ytre størrelsen og formen til borestålet 26. Adapteren har en øvre hannseksjon 46 som har en heksagonal ytre overflate, som best vist i fig. 4, som overensstemmer og passer inn i borehodelegemet 54. En nedre seksjon 53 av adapteren passer tett inn i et heksagonalt borehull i det heksagonale borestålet 32. Adapteren er koblet til borestålet ved hjelp av en båndfjær 51 som er velkjent og konvensjonell innen området. En boringstetning 56 passer inn i den øvre hannseksjonen. I den viste utførel-sesformen er den nedre seksjonen 53 heksagonal. En slik heksagonal konstruksjon kreves når borestålet 36 er konstruert av et flertall komponenter, som i US patent nr 4,226,290 og 4,632,195.

Borehodelegemet 54 er koblet til adapteren ved hjelp av en fjærklemme 60 med en knapp 62. Knappen 62 er opptatt i en sirkulær åpning 55 i borehodelegemet 54. Adapteren 58 har et spor 49 for festing av fjærklemmen til denne under sammenstilling. Ha-len 64 til fjærklemmen er hektet over nedstrømsenden 47 av adapteren og anbragt for å bli opptatt i sporet 49, idet knappen blir skjøvet på adapteren 58 inntil knappen 62 er opptatt i åpningen 57. Foringstetningen 56 har et hakk 59 som først blir innrettet med fjærklemmen 60 og så blir skjøvet inn i adapterhullet inntil bunnveggen 66 inntil bunnveggen 66 til nippelen 68 ligger an mot adapterens endevegg 47. Etter at foringstetningen 56 har blitt innsatt på adapteren blir undersammenstillingen til foringstettingen 56, fjærklemmen 60 og adapteren 58 innsatt i borehodet 54. Undersammenstillingen blir først innrettet slik at knappen er radielt plassert for å være i aksiell flukt med åpningen 55 i borehodet. Når undersammenstillingen blir skjøvet fremover inn i borehodet, blir boringstetningen og en fremre ende av adapteren plassert i borehodelegemet inntil knappen 62 ligger an mot oppstrømsenden 44 av borehodet. Knappen kan så bli manuelt presset ned og innover, slik at undersammenstillingen (56, 58, 60) kan bli ført videre fremover og innover i et opptakskammer for borehodelegemet 54. Undersammenstillingen (56, 58, 60) blir så ført fremover og innover i borehodet inntil knappen 62 snepper inn i åpningen 55 i borehodelegemet og borehodestrømsenden 44 samtidig kontakter flensen 45.

Som best vist i fig. 2 har borehodelegemets 54 indre kammer et avtrappet hull som danner en ringformet overflate 43. Oppstrømspartiet 63 til det avtrappede hullet har et større heksagonalt tverrsnitt og det mindre nedstrøms partiet 61 av det avtrappede hullet er sylindrisk. Det nedstrøms sylindriske partiet 61 av kammeret går over i et hemisfæ-risk parti. Boringstetningen har en mellomliggende flens 69 plassert mellom en nippel 68 og sitt skaft 65. Flensen 69 er klemt mellom den ringformede overflaten 43 og den oppstrøms endeveggen 47 til adapteren og fester foringstetningen i posisjon.

Alternativt kan oppstrømsendeveggen 44 til borehodet og knappen 62 ha omriss som danner samvirkende kamoverflater slik at når adapterundersammenstillingen (56,58, 60) blir skjøvet innover, blir knappen 62 radielt forskjøvet mot senteret av foringstetning- 56 borehullet slik at knappen kan gli forbi oppstrømsendeveggen og inn i borehodesammenstillingen inntil den snepper inn i åpningen 55. Slike samvirkende sneppknapper er velkjent for fagpersoner innen området.

Fjærklemmen kan være laget av mange ulike typer fjærstål, og, i en utførelsesform er fjærstålet .018 X .255 SPRING STEEL, heat treat 44-50 RW "C". Boringstetningen er konstruert av et fleksibelt materiale som har gode tetningsegenskaper ved trykk inntil 2068,5 x IO<3>Pa (300 psi) slik som 60 Durometer EPDM.

Borehodesammenstillingen i fig. 2 har en nedre seksjon 53 av adapteren som kan settes inn i et hult borestål 32, som er koblet til en konvensjonell drivmekanisme (ikke vist) som roterer borestål. En rotasjons-takborkrone 30 vist i figurene 4-6 innbefatter en skjæreinnsats 52 montert i et borkronelegeme 54. Innsatsen kan bli holdt i en forsenk-ning i borkronelegemet ved hjelp av ethvert egnet middel, slik som lodding, friksjons- pasning, etc. Spylefluid, slik som vann blir ført igjennom utløp 67 i borkronelegemet, og avkjøler og spyler innsatsen 52 på den vanlige måten.

Vann blir ledet fra innsiden av borestålet 52 til utløpene 67 igjennom passasjer 71 (vist med stiplede linjer). Selv om to passasjer 71 er vist i den spesifikke utførelsesformen skal det forstås at dette ikke har til hensikt å begrense omfanget av oppfinnelsen til å in-kludere to passasjer. Avhengig av den spesifikke anvendelsen trenger det ikke være be-hov for noen generelt aksielt orientert passasje, eller det kan være et hvilket som helst antall slike passasjer i borkronelegemet. I en våtboreoperasjon ville passasjene gi en gangvei for en strømning av fluid (for eksempel vann) til den fremre enden av borkronelegemet, det vil si at fluid ville strømme igjennom passasjene 71. For en våtboreoperasjon kan den utvendige overflaten av borkronelegemet inneholde plater, eller en annen utsparing i overflaten, for å tilveiebringe en passasje slik at fluidet og bruddstykker kan gå ut fra nær skjæreinnsatsene.

Hovedformålet med de foreliggende borefremgangsmåter er å levere store vannvolumer til takborkroneinnsatser for å spyle vekk bruddstykker (eng.: debris) og for å avkjøle innsatsene, spesielt ved de varmegenererende skjæreeggene. Derfor er, i den foreliggende oppfinnelse, vc/i»trykket i området 344,75 x IO<3>- 2068,5 x 10<3>Pa.

Foringstetningen 56 forhindrer uønskede vanntrykktap som ellers kunne oppstå grunnet vannlekkasjer mellom sneppknappen 62 og den tilsvarende åpningen 57 i adapteren. Foringstetningen begrenser i tillegg vannlekkasje mellom nedstrømsenden av adapteren og borehodelegemet.

I operasjon blir borkronehodesammenstillingen 34 vist i fig. 2 sneppet inn i og på borestålet 32 til en dobbeltbomtakbolter (ikke vist) eller lignende. Bolteren (og andre sam-menlignbare maskiner) kan være tilveiebragt med en variabel justering for rotasjonshas-tighet, slik at dette trekket ved fremgangsmåten kan bli forhåndsvalgt og innstilt i maskinen på forhånd med hensyn til den optimale eller ønskede rotasjonen innenfor det moderate rotasjonshastighetsområdet (omdreininger/minutt). Når borehullet er etablert, øker operatøren så trykket på borkronen opptil det maksimalt valgte maskintrykkpoten-sialet. På dette tidspunktet benytter også operatøren fullt vanntrykk for levering til bor-kroneinnsatsene ved dynamiske trykk i området 344,75 x IO<3>- 2068,5 x IO<3>Pa. Tilfør-selen av vann tilstøtende borkronehodet under boreoperasjoner øker borehastigheten, avkjøler borehodet og hjelper til med å undertrykke støvdannelse. Foringstetningen re duserer lekkasjer og uønskede trykktap i borehodetuppen som ellers ville redusere effektiviteten og borehastigheten for takborkronen.

Claims (4)

1. Fleksibel foringstetting (56) for bruk ved tilveiebringelse av en fluidtett tetning mellom et borehodelegeme (54) og en adapter (58) festet til borehodelegemet (54) ved hjelp av en knappfjærklemme (60) i en takboringssammenstilling,karakterisert vedå innbefatte: en nippel (68) et skaft (65), en mellomliggende flens (69) anordnet mellom nippelen (68) og skaftet (65), idet den fleksible foringstettingen (56) har et sidehakk (59) for mottak av knapp-fjærklemmen (60).

2. Rotasjonsskjærekronehodesammenstilling (18),karakterisertved å innbefatte a) et borehodelegeme (54) med en aksielt fremre ende, en aksielt bakre ende (44), en knappåpning (55) og et avtrappet ringformet kammer, idet knappåpningen (55) står i forbindelse med det avtrappede, ringformede kammeret, idet det avtrappede, ringformede kammeret har et oppstrøms-parti (63), et ringformet overflateparti (43) koblet til oppstrømspartiet (63) og et nedstrømsparti (61) som er koblet til det ringformede over-flatepartiet (43); b) en adapter (58) med en øvre hannseksjon (46), en nedre seksjon (53), og et ringformet hull (48), idet den øvre hannseksjon (46) har en fremre endevegg (47), og en knappåpning (57) som står i forbindelse med det ringformede hullet (48), idet den øvre hannseksjonen (46) er fjernbart anordnet innenfor oppstrømspartiet (63) til borehodelegemets ringformede kammer, idet adapterknappåpningen (57) er innrettet med borehodelege-meknappåpningen (56), c) en fleksibel foringstetting (56) som angitt i krav 1; hvilken flens (69) er fjernbart anordnet mellom borehodelegemets avtrappede kammers ringformede overflateparti (43) og adapterens fremre endevegg (47), og d) en fjærklemme (60) som har en integrert knapp (62), hvilken fjærklemme (60) er festet til adapterens øvre hannseksjon (46) og fjernbart anordnet innenfor det fleksible foringsflenshakket (59), og idet knappen (62) er fjernbart anordnet innenfor borkronehodeknappåpningen (55) og adapterknappåpningen (57), idet foringstettingen (56) tilveiebringer en fluidtett tetning mellom adapterhullet (48), adapterknappåpningen (57), borehodelegeme-(54)-kammeret, borehodele-gemeknappåpningen (55) og den integrerte knappen (62).

3. Rotasjonsskjærekronehodesammenstilling i henhold til krav 2,karakterisert vedat den øvre hannseksjonen (46) har et heksagonalt tverrsnitt og at det avtrappede, ringformede kammerets oppstrøms-parti (63) har et heksagonalt tverrsnitt.

4. Borestålsammenstilling for en boremaskin (10), hvilken boremaskin (10) har et borehode med en chuck for opptak av borestålsammenstillingen, idet borestålsammenstillingen erkarakterisert vedå innbefatte: en driverstålkomponent (30), et sluttførerborestål (32), idet sluttførerborestålet (32) er festet til driverstålkomponenten; og en rotasjonsskjærekronehodesammenstilling (18) i henhold til krav 2 festet til sluttførerborestålet (32).