.VII.1966 dla zastrz. 1—3 27.VIII.1966 dla zastrz. 4, 5 Niemiecka Republika Federalna Opublikowano: 30.XII.1969 58766 KI. 5 b, 27/22 MKP E 21 c UKD 622.232: :622.233.6 Wspóltwórcy wynalazku: dr Hermann Lautsch, Hans Ludwig Jacob, dr Peter Hermanns, Klans Hermanns Wlasciciel patentu: Bergwerksgesellschaft Hibernia Aktiengesellschaft, Herne (Niemiecka Republika Federalna) Sposób wiercenia otworów wiertniczych, zwlaszcza otworów o duzej srednicy oraz urzadzenie do stosowania tego sposobu Przedmiotem wynalazku jest sposób wiercenia otworów, zwlaszcza o duzej srednicy w zlozach mineralów, szczególnie w pokladach wegla oraz urzadzenie do stosowania tego sposobu. Urzadze¬ nie ma co najmniej jedna glowice wiertnicza, na¬ pedzana z okreslona liczba obrotów i drazaca z okreslonym posuwem, oraz suport narzedziowy do mocowania na nim narzedzi wiertniczych.Otwory wykonane za pomoca takich urzadzen wiertniczych sluza do przygotowania robót gór¬ niczych, na przyklad do wykonywania wznoszacych sie pochylni, szybów wentylacyjnych, chodników kopalnianych w górnictwie weglowym, przy wy¬ dobywaniu wegla itp. Wymaga sie jednak aby otwory wiercone wykonane za pomoca takich urza¬ dzen wiertniczych nie odchylaly sie w kierunku skaly.W tym celu, wedlug znanych sposobów do wier¬ cenia otworów wiertniczych, wymaga sie specjal¬ nych urzadzen wiertniczych umozliwiajacych wlas¬ ciwe prowadzenie otworów wiertniczych w róznych przypadkach. Glowice wiertnicza zaopatruje sie w pewne elementy oporowe utrzymujace glowice we wlasciwym polozeniu podczas wiercenia otwo¬ rów.Stosowanie takich elementów wymaga jednak do¬ datkowych kosztów oraz nie zapewnia uzyskania zadanego kierunku wiercenia, W zwiazku z tym, jedynie w nielicznych przypadkach udaje sie wy- 10 15 20 25 30 2 konac otwory o wiekszej dlugosci w pokladach mineralów, zwlaszcza w pokladach weglowych.Wynalazek wychodzi z zalozenia, ze trzeba uwzglednic dazenie glowicy wiertniczej do odchy¬ lenia sie od zadanego kierunku wiercenia, co za¬ lezy od wzglednej wytrzymalosci skaly przyleglej do pokladu wierconego mineralu, jak równiez od stosowanego sposobu wiercenia. Wiele mineralów zwlaszcza wegiel, sa bardziej miekkie niz otacza¬ jaca go skala.Znane rózne narzedzia wiertnicze róznia sie tym, czy natarcie narzedzia nastepuje przewaznie lub wylacznie na sciane w kierunku osiowym to zna¬ czy w kierunku wykonywania otworu. Na przy¬ klad wystepuje to przy dzialaniu narzedzia wiert¬ niczego przewaznie strumieniowo-stycznie, przy skrawaniu obrotowym.Stwierdzono, ze przy wierceniu osiowym lub przewaznie osiowym, glowica wiertnicza ma'ten¬ dencje odchylania sie do sasiedniej twardszej war¬ stwy, natomiast przy przewaznie promieniowo-sty- cznym wierceniu glowica ta odchyla sie do bar¬ dziej miekkiej warstwy mineralu, Wychodzac z tego zalozenia wynalazek ma za zadanie opracowanie sposobu wiercenia otworów w pokladaeh mineralu, zwlaszcza w zlozach wegla, czyli na pokladzie bardziej miekkim niz otaczajaca skala, który pozwala na wyeliminowanie wad zna¬ nych sposobów wiercenia. 5876658766 3 Wynalazek obejmuje równiez urzadzenie wiert- .nicze skonstruowane tak, ze co najmniej kilka z narzedzi wiertniczych sa ustawione w taki sposób, aby wektor dzialania sily na skale byl promienio- wo-styczny do kierunku drazenia otworu wiertni¬ czego. Te narzedzia wiertnicze dzialaja co naj¬ mniej w jednej powierzchni srubowej, utworzonej wskutek posuwu narzedzi wzdluz kierunku wierce¬ nia na danej osi, w krzywej, skierowanej prosto¬ padle do kierunku wiercenia, zwlaszcza w kierun¬ ku prostej. Kilka lub wszystkie promieniowo-stycz- nie dzialajace narzedzia wiertnicze, dzialaja w tej samej powierzchni srubowej lub w kilku równo¬ legle przesunietych powierzchniach srubowych.Jak wiadomo, powierzchnia srubowa powstaje, ogólnie biorac, wskutek przesuniecia i rotacji sztywnej krzywej, w specjalnym przypadku pro¬ stej tworzacej z kierunkiem posuwu narzedzia do¬ wolny kat.W przypadkach drazenia chodników znajduje za¬ stosowanie tak zwane wycinanie obrotowe, gdy wierci sie wzdluz linii srubowych. Jednak narze¬ dzia wiertnicze opisuja przy tych znanych drazar- kach chodnikowych skomplikowane krzywe, bar¬ dzo odbiegajace od linii srubowej, poniewaz obro¬ towe frezy sa zamocowane na bebnie obrotowym.W tym przypadku opisuja one wprawdzie linie sru¬ bowe, jednak nie czynia tego narzedzia wiertni¬ cze, skrawajace mineral lub skale.Nastepstwem tego jest, ze przy znanych ukla¬ dach kilku obrotowych frezów, wyposazonych w noze, osadzonych na obracajacej sie glowicy wiertniczej niezbedne sa sily posuwu, a wiec silniejsza skladowa osiowa, która w mysl podanych zasad powoduje, ze kierunek wiercenia odchyla sie w kierunku twardiszej skaly. Tendencja ta zazna¬ cza sie tym bardziej, im mniejsze sa róznice twar¬ dosci mineralu i skaly w danym przypadku.Urzadzenie wedlug wynalazku umozliwia prze¬ suwanie sie nozy wzdluz linii srubowej, w przy¬ padku, gdy narzedzia wiertnicze stanowia noze osadzone na glowicy wiertniczej. Wskutek tego sta¬ je sie zbedne stosowanie znacznych sil posuwu i przez to wzmacnia sie odpowiednio, praktycznie biorac w celu osiagniecia maksymalna tendencja odchylenia glowicy od twardszej skaly przyleglej, wystarcza to na prowadzenie wiercenia równiez przy malej róznicy twardosci bardziej miekkiej warstwy mineralu i twardszej skaly.Urzadzenie wiertnicze wedlug wynalazku, wy¬ maga z tego wzgledu, praktycznie biorac, tylko ru¬ chu obrotowego glowicy, niezaleznie od wzglednie niewielkiego jej posuwu. W mozliwej odmianie tego urzadzenia zastosowano glowice wiertnicza, majaca strone czolowa wytworzona za pomoca na¬ rzedzi wiertniczych dzialajacych osiowo do kierun¬ ku wiercenia oraz cylindryczna \ powierzchnie wzdluzna, która utrzymuje narzedzia wiertnicze dzialajace promieniowo-stycznie., Ta glowica wiertnicza stanowi, praktycznie bio¬ rac, polaczenie odbydwóch mozliwych kierunków dzialania, mianowicie przewaznie osiowych lub promieniowo-stycznych narzedzi wiertniczych, lecz nie wykazuje sklonnosci do odchylania sie w kie¬ runku przyleglej twardszej skaly.Ta sklonnosc glowicy wiertniczej zostaje wyeli¬ minowana calkowicie przy dalszej odmianie wy- 5 nalazku, w której przewidziana jest jedna glowica wiertnicza, majaca na stronie czolowej i na swo¬ jej cylindrycznej czesci wzdluznej narzedzia wiert¬ nicze, dzialajace w jednej lub kilku powierzch¬ niach srubowych. Rodzaj narzedzi wiertniczych jest 10 calkowicie dowolny, jakkolwiek winny one posia¬ dac okreslona powierzchnie srubowa.Wynalazek nie ogranicza sie tylko do osadzenia sztywnego noza wiertniczego zamocowanego w glo¬ wicy wiertniczej, lecz moze byc równiez zastoso- 15 wany do zwyklych glowic wiertniczych drazarek chodnikowych, w których jako noze wiertnicze sto¬ sowane sa swidry gryzowe. W tym celu, specjalna odmiana wynalazku przewiduje, ze sztywna krzy¬ wa lub prosta, która wytwarza powierzchnie sru- 20 bowa, jest pochylona do tylu w takim stopniu, ze narzedzia wiertnicze moga miec postac swidrów gryzowych.Uklad narzedzi wiertniczych dzialajacych pro¬ mieniowo-stycznie zamocowanych na stronie czolo- 25 wej glowicy wiertniczej, wykazuje dalsza ceche wynalazku. Na elementach wsporczych, narzedzia kazdorazowo przejmuja jeden segment, który ma ksztalt wycinka powierzchni srubowej i zakrzy¬ wiony jest z tylu w kierunku obrotu od osi otworu 3a wiertniczego oraz przebiega od krawedzi powie¬ rzchni srubowej. Na segmencie umocowane sa na¬ rzedzia skrawajace, których ostrza znajduja sie na powierzchni srubowej, lecz nastawione, jak wiado¬ mo, katem przylozenia.Wedlug dalszej odmiany glowicy wedlug wyna¬ lazku sklada sie ona z dwóch przeciwbieznie obra¬ cajacych sie wspólosiowo umieszczonych elemen¬ tów zasadniczych przy czym, na zewnetrznym ele¬ mencie zasadniczym osadzona jest druga grupa nozy, która obraca sie z mniejsza predkoscia niz wewnetrzny element zasadniczy.W tym przypadku, wskutek przeciwbieznie ob¬ racajacych sie bebnów z ich grupami nozy, moz¬ liwa jest daleko idaca kompensacja wymaganych momentów obrotowych.Wskutek tego osiaga sie lepsza stabilnosc procesu wiercenia w wierconej warstwie. Wyrównywane sa przy tym w znacznej mierze momenty reakcyj¬ ne tak, ze sila posuwu narzedzia zostaje zmniej¬ szona.Na ogól osadzenie nozy na dwóch segmentach ma te korzysc, ze jest mozliwosc osiagniecia optymal¬ nej predkosci noza równiez przy duzych sredni¬ cach otworów, poniewaz noze odsuniete dalej od osi otworu wiertniczego obracaja sie wolniej, z te¬ go wzgledu, ze maja one do przebycia dluzszy od¬ cinek.Wynalazek jest tytulem przykladu wyjasniony na 60 rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schema¬ tycznie konwencjonalna glowice wiertnicza w wi¬ doku z boku; fig. 2 — glowice wiertnicza wedlug wynalazku w podobnym widoku, zaopatrzona w kilka promieniowo-stycznie dzialajacych narzedzi 65 wiertniczych, fig. 3 — schematycznie odmiane glo- 35 40 45 50 5558766 6 wicy wiertniczej w widoku z boku, fig. 4 — w wi¬ doku z boku wreby wykonywane za pomoca posz¬ czególnych nozy glowicy na fig. 2, fig. 5 — inna od¬ miane glowicy wiertniczej wedlug wynalazku w widoku perspektywicznym z przodu, fig. 6 — dal¬ sza odmiane glowicy wiertniczej w widoku per¬ spektywicznym z przodu, fig. 7 — fnna odmiane glowicy w podobnym widoku, fig. 8 — narzedzia glowicy wiertniczej w perspektywicznym widoku z boku przedstawionej na fig. 7, fig. 9 — schema¬ tycznie powierzchnie srubowa, a fig. 10 — schema¬ tycznie rozklad promieniowych sil reakcyjnych przy przewazajacym promieniowo-stycznym dzia¬ laniu narzedzia wiertniczego.Konwencjonalna glowica wiertnicza 102 przed¬ stawiona schematycznie na fig. 1 zawiera narze¬ dzia wiertnicze 100 rozmieszczone na stronie czo¬ lowej, przewaznie osiowo. Przystosowana jest ona do wiercenia otworów w pokladach mineralów, zwlaszcza wegla. Glowica wiertnicza 102 osadzona jest na koncu zerdzi 103, napedzanej drazarka w znany sposób i dlatego nie opisany szczególowo.Warstwa wegla 101 znajduje sie miedzy warstwa stropowa 104 i warstwa spagowa 105 utworzonych z twardszej skaly. Mozna przyjac, ze sily reak¬ cyjne dzialajace na glowice wiertnicza sa równo¬ miernie rozlozone na calej powierzchni czolowej 100 glowicy wiertniczej 102. Nacisk i reakcja dzia¬ laja na siebie wspólosiowo.Wedlug fig. 1 glowica wiertnicza porusza sie po torze 106 i urabia warstwe 105. Wskutek tego sila reakcji rozlozona jest nierównomiernie na powierz¬ chni czolowej glowicy wiertniczej 102 jak przed¬ stawiono strzalka 107. W wyniku tego, dziala sila reakcji pokazana strzalka 108 i sila nacisku przed¬ stawiona strzalka 109, dzialajace mimosrodowo do siebie. W wyniku wytwarza sie moment obrotowy, który usiluje obracac strona czolowa 100 glowicy wiertniczej 102 w kierunku do twardszej warstwy 105.Moment ten powoduje, sila rzeczy wzmocnione drazenie twardszej warstwy przez glowice wiertni¬ cza.Jak przedstawiono na fig. 2 umieszczono w glo¬ wicy wiertniczej na fig. 3 wedlug wynalazku kilka narzedzi wiertniczych 1—16, poza przewaznie osio¬ wo dzialajacymi narzedziami wiertniczymi, które nie sa pokazane na rysunku, w zakresie objetym kwadratem A, na cylindrycznej stronie zewnetrz¬ nej glowicy wiertniczej 102A. Noze te dzialaja pro- mieniowo-stycznie i sa przedstawione tylko sche¬ matycznie, poniewaz sa na ogól znane.Noze te pracuja wzdluz powierzchni srubowej, która powstaje wskutek posuwu przy wzdluznym kierunku wiercenia, 109a wedlug osi pionowej lub odchylonej do tylu w stosunku do kierunku wier¬ cenia utworzonej linii krzywej lub prostej tak, ze narzedzia wiertnicze 1—16 wedlug fig. 2 dziala¬ jace promieniowo-stycznie, pracuja w tej samej powierzchni srubowej.Jest widoczne, ze ta powierzchnia srubowa w stosunku do powierzchni przedstawionej liniami przerywanymi a—I przesunieta jest do tylu w sto¬ sunku do przyjetych punktów glowicy wiertniczej na jej zewnetrznej stronie.Inaczej mówiac, w przedstawionym przykladzie wykonania powierzchnia srubowa, po której po- 5 rusza sie przyjety punkt po cylindrycznej stronie zewnetrznej glowicy wiertniczej, uwarunkowany jest posuwem i liczba obrotów i nie jest zgodny z powierzchnia srubowa, w której pracuja noze 1—16. io Wynika stad wrab wedlug fig. 4 wykonany za pomoca narzedzi wiertniczych, przy czym osiowa dlugosc L w podanym kierunku wiercenia 109a odpowiada drodze wiercenia, przebytej podczas pelnego obrotu noza. 15 Okazuje sie, ze przy posuwie glowicy wiertni¬ czej w kierunku strzalki 109a, nóz 1 wykonuje wrab 1 a nóz 2 wrab 2 itd. Oczywiste, kazdora¬ zowo nastepujacy nóz wykonuje wrab z tylu.Wskutek tego wytwarza sie przez operacje wre- 20 biania sila dzialania w kierunku do glowicy wiert¬ niczej. Sila ta jest tym wieksza, im twardszy jest urabiany material. Jak przedstawiono na fig. 3, powstaja wskutek tego sily 107a i 107b. Suma wy¬ padkowa dzialania sil to jest suma nacisku 109a 25 zerdzi i sila reakcji 108a glowicy wiertniczej na nóz wiertniczy, wytwarza moment obrotowy, zwró¬ cony w kierunku przeciwnym do momentu obro¬ towego w przypadku przedstawionym na fig. 1.Wskutek tego odchyla sie wiertlo samoczynnie w 30 kierunku miekkiej warstwy lOla.Wedlug odmiany urzadzenia przedstawionej na fig. 5 glowica wiertnicza 202 z nozami 304—313 osadzona jest na zerdzi 203, których uklad odpo¬ wiada przykladowi wykonania przedstawionemu na 35 fig. 2 z nozami 1—16.Strona czolowa 200 glowicy wiertniczej 202 ma narzedzia wiertnicze o dzialaniu promieniowo- stycznym z tym, ze glowica wiertnicza przedsta¬ wiona na fig. 5 nie posiada zadnych narzedzi wiert- 40 niczych dzialajacych osiowo. Uklad narzedzi jest przy tym wykonany tak, ze narzedzia wiertnicze 314—321 umieszczone sa na elemencie wsporczym 210 a noze 322—329 na elemencie wsporczym 211.Te elementy wsporcze maja segment, nie poka- 45 zany na fig. 5, który utrzymuje noze, przedstawia¬ ja one wycinek powierzchni srubowej. Segment ten jest wygiety do tylu w kierunku obrotu i prze¬ biega od osi otworu wierconego, przechodzacej przez zerdz 203 i wychodzacej na stronie czolowej 50 200 glowicy wiertniczej do krawedzi powierzchni srubowej.Ostrza nozy 314—321 lub 322—329 leza w tej po¬ wierzchni srubowej pod odpowiednim katem na¬ stawienia. W celu lepszego zrozumienia wynalazku 55 nalezy rozpatrzyc fig. 9. Przedstawiony tam jest specjalny przypadek powierzchni srubowej, który jak opisano poczatkowo, powstaje przez posuw i obrót prostej 401 wokól osi 402, przy czym w przy¬ jetym przypadku specjalnym os 401 tworzy z pro- 60 sta 402 kat prosty. Powstajaca przy pólobrocie po¬ wierzchnia srubowa przedstawiona jest perspektyw wicznie na fig. 9 i oznaczona cyfra 407. Ogólny przypadek nie jest pokazany na fig. 9. Przedsta- 65 wia sie on w postaci powierzchni srubowej, po-58766 7 przez posuw i obrót krzywej zamiast wstajacej prostej.Jeden lub drugi przypadek moze byc zastosowa¬ ny w wyzej opisanych glowicach wiertniczych. Na¬ lezy przy tym spelnic jeden warunek, mianowicie aby kat zawarty miedzy prosta lub krzywa i osia 402 byl prosty lub aby prosta 401 lub krzywa byla nachylona do tylu w stosunku do kierunku wier¬ cenia.Glowica wiertnicza przedstawiona na fig. 6 obra¬ ca sie w kierunku podanym, wskazanym strzalka 501 wokól osi 503, przy czym glowica ta przykla¬ dowo osadzona jest osiowo na zerdzi wiertniczej.Glowica ta ma podstawowy element 504 obracaja¬ cy sie we wskazanym kierunku, na którym umiesz¬ czone sa dwa elementy wsporcze 505.Na kazdym elemencie wsporczym umocowany jest segment 506, przedstawiajacy wycinek po¬ wierzchni srubowej, przykladowo przedstawiony na fig. 9 i opisany wyzej w zwiazku z fig. 9. Przed¬ stawienie wypadkowych sil reakcji wytwarzaja¬ cych zadany moment, pokazano na fig. 10.Segmenty 506 odmiany glowicy wedlug fig. 6 wykonane sa w wykrojach, przebiegajacych od osi otworu wierconego 503 w ksztalcie wygietej do krawedzi powierzchni srubowej. W opisywanym przykladzie odmiany umocowane sa na wykrojach noze 507, których ostrza leza w powierzchni sru¬ bowej, lecz które jednak wystaja z osi 503 do kra¬ wedzi powierzchni srubowej i nastawione sa w kierunku postepu wiercenia, jak zaznaczono na ry¬ sunku. Uwidocznione to jest na fig. 8, na której opisane czesci maja te same oznaczniki. Elemen¬ ty wsporcze i polozenie noza sa ustawione central¬ nie symetrycznie do osi glowicy wiertniczej 503.Z powyzszego wynika, ze wyzej opisana glowi¬ ca wiertnicza pracuje w nastepujacy sposób. Ska¬ le wrebi sie za pomoca kazdego noza 507 wzdluz przyporzadkowanej mu linii-srubowej, zas za po¬ moca wszystkich nozy 507 nastepuje wrebianie ko¬ lejno na powierzchni srubowej, przy czym na po¬ wierzchni srubowej leza wszystkie linie srubowe.Zbieranie materialu skalnego nastepuje poczyna¬ jac od psi otworu wierconego 503 od tylu i roz¬ szerza sie na zewnatrz. Przy tym posuw i obrót glowicy wiertniczej, a tym samym i noza wokól osi otworu wierconego 503 sa nastawione odpo¬ wiednio do wybranych powierzchni srubowych, jak to wynika z objasnien do fig. 3.' Dalsza odmiana urzadzenia wedlug wynalazku przedstawiona jest na fig. 7. Glowica wiertnicza jest oznaczona na fig. 7 tymi samymi oznaczeniami jak na fig. 6. Ma on w tej odmianie równiez ele¬ ment zasadniczy 504, odpowiadajacy temu samemu elementowi na fig. 6.Pierwszy beben obejmuje wspólosiowo drugi ele¬ ment zasadniczy 510, który odpowiednio do od¬ miany drugiej posiada dwa elementy wsporcze 511, przejmujace kazdorazowo jeden segment, który przedstawia-wykrój z drugiej powierzchni srubo¬ wej.Segmenty te maja ksztalt wygiety od wewnetrz¬ nej krawedzi bebna 510a do zewnetrznej krawe- 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 dzi bebna 510b i zawieraja noze jak to opisano w zwiazku z fig. 6 (noze zostaly pominiete).Podczas gdy beben 504 obraca sie w kierunku strzalki 501, drugi beben obraca sie w kierunku przeciwnym to jest w kierunku strzalki 520. Przy tym, liczba obrotów bebna 510 rózni sie od liczby Obrotów bebna 504, wskutek czego nie zmienia sie urabianie materialu wzdluz linii srubowych, leza¬ cych na wspólnej powierzchni srubowej* Mozliwe jest przy tym nastawienie predkosci srednich.Na fig. 8 przedstawiona jest perspektywicznie i objasniona glowica wiertnicza pokazana na fig. T i poprzednio omówiona. Jednakowe oznaczniki oznaczaja wzajemnie odpowiadajace sobie elementy* Jak wynika z powyzszego dzialanie nozy naste¬ puje promieniowo-stycznie tak, ze wykonane przy ich pomocy otwory maja tendencje do odchylania sie w bardziej miekka warstwe mineralu, to znaczy pozostaja w tej warstwie, w której pracuja.Wobec powyzszego zapobiega sie wierceniu w skale przyleglej, narzedzia nastawione i posuwane sa w warstwach mineralu, zwlaszcza wegla bez zastosowania srodków sterujacych i wsporczych.Osiaga sie to za pomoca obrotowego suportu, to znaczy wystepuje tu istotne uproszczenie w sto~ sunku do dotychczas znanych urzadzen do drazenia z obrotowymi bebnami, na których osadzone sa obrotowe suporty.Centralnie — symetryczny Uklad grupy nozy, przedstawiony w przykladzie wykonania wedlug fig. 7 moze byc wykorzystany do daleko idacej kompensacji momentów obrotowych, dzieki czemu sterowanie drazarki wzdluz osi wzdluznej zosta¬ je znacznie uproszczone tak, ze przeciwdziala sie tendencjom prowadzacym do odchylenia Otworu do wyznaczonego mu kierunku.Ponadto wyrównane zostaja momenty reakcji,, które przeciwstawia mineral silom scinajacym tak, ze sila posuwu zostaje zmniejszona do minimum.Dzieki temu mozliwe jest wykonanie otworów znacznej dlugosci i wiekszej stabilnosci kierun¬ ku.Konstrukcja narzedzi wiertniczych jest na ogól dowolna. Chodzi tutaj o metalowe frezy ustawio¬ ne parami. Mozliwe sa równiez napedzane noze,, osadzone na krawedzi wrebowej.Przy zastosowaniu swidrów gryzowych, koniecz¬ ne jest odchylenie do tylu promienia wytwarza¬ jacego powierzchnie srubowa, tak, aby mozna bylo- wprowadzic kolejno swidry gryzowe.Przy przedstawionych wlasnosciach i korzysciach nowego urzadzenia wiertniczego, jest samo przez sie zrozumiale, ze wynalazek moze byc zastosowa¬ ny korzystnie na drazarkach chodnikowych. PL