КОМПОНОВКА ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ СТВОЛА ШАХТЫ ДЛЯ БУРОВОЙ СИСТЕМЫ
ASSEMBLY FOR EXPANSION OF A DRILLING SYSTEM SHAFT

Область техники
Изобретение относится к буровой системе (или буровой установке или машине), а более конкретно, в одном варианте реализации, к системе для бурения слепого шахтного ствола.  В общих чертах, буровая система содержит надземную опорную конструкцию буровой вышки, и подземную компоновку для расширения ствола шахты.  Буровая система может использоваться для бурения по существу вертикальных шурфов или стволов шахт посредством первоначального бурения скальной породы на уровне поверхности земли и бурения вертикально вниз на заданное расстояние без необходимости предварительного бурения, как это часто требуется для систем для бурения слепых шурфов.
Уровень техники
Обычное бурение восстающей выработки начинается с бурения пилотного шурфа вертикально вниз, как правило, с использованием системы для наклонно-направленного бурения.  Ее пробуривают с использованием буровой установки на поверхности земли, из которой проходит вниз пустотелая бурильная колонна, содержащая множество соединенных вместе бурильных труб.  Для бурения пилотного шурфа шарошечное долото присоединяют к самой нижней части бурильной трубы бурильной колонны, содержащей трубы со стандартной резьбой для применения с высоким крутящим моментом.  После того, как пилотный шурф был пробурен до нижнего уровня, шарошечное долото снимают и заменяют на расширительную головку, содержащую множество резцов.  Расширительную головку вращают и поднимают назад к установленной на поверхности буровой установке таким образом, чтобы пробурить шурф большего диаметра, или восстающую выработку, через земную поверхность и скальную породу.  Буровой шлам падает под действием силы тяжести в камеру, расположенную на забое шурфа, как правило, неконтролируемым образом, откуда его удаляют с использованием загрузочного устройства.
С другой стороны, бурение слепого шурфа включает бурение пилотного шурфа очень большого размера.  Пилотный шурф очень большого размера может быть пробурен либо за один этап, либо, более типично, путем бурения сначала исходного пилотного шурфа диаметром 400 мм, например, который затем последовательно расширяют, чтобы получить пилотный шурф диаметром 3 м очень большого размера.  Данный процесс достаточно хорошо известен в данной области техники.  Затем над пробуренным пилотным шурфом большого размера устанавливают режущую головку, чтобы бурение могло выполняться вниз.  Затем из пилотного шурфа большого размера вымывают буровой шлам.  Эту конкретную технологию используют не так часто, поскольку вероятность засорения пилотного шурфа и образование прорывов плывуна на забое шурфа является относительно высокой.
Ни одна из известных буровых систем не позволяет бурить относительно большие шурфы (предпочтительно имеющие диаметр от 6 до 9,5 метров) с удалением бурового шлама выше буровой системы, без необходимости вымывать буровой шлам, используя, например, обратную промывку.
Целью настоящего изобретения является обеспечение буровой системы или буровой установки для достижения вышеуказанных целей эффективным и универсальным способом и без необходимости бурения исходного пилотного шурфа, как это делают обычно.
Раскрытие сущности изобретения
В соответствии с изобретением предложена компоновка для расширения ствола шахты для буровой системы, при этом компоновка для расширения ствола шахты содержит:
полую колонну, расположенную рядом с нижним концом буровой системы;
расширительную секцию, содержащую сужающуюся вниз первую компоновку режущей головки, которая установлена с возможностью вращения на полой колонне, с первым приводным средством, выполненным с возможностью вращения первой компоновки режущей головки относительно полой колонны таким образом, чтобы пробурить вниз шурф, имеющий диаметр, соответствующий по существу диаметру первой компоновки режущей головки;
компоновку буровой головки, присоединенную к рабочему нижнему концу, причем компоновка буровой головки заканчивается в сужающейся вниз второй компоновке режущей головки, чтобы пробурить направляющий или пилотный шурф, имеющий диаметр, который меньше диаметра первой компоновки режущей головки, по мере того как буровая система продолжает бурение вниз;
секцию осевого перемещения, выполненную с возможностью продвижения компоновки буровой головки относительно расширительной секции; и
компоновку распорного устройства, выполненную с возможностью фиксации компоновки для расширения ствола шахты внутри пробуренного шурфа и управления продвижением компоновки буровой головки относительно расширительной секции.
В одном варианте осуществления первая компоновка режущей головки содержит опорный элемент, поддерживающий первую лопастную компоновку, причем опорный элемент установлен с возможностью вращения вокруг колонны, причем первая лопастная компоновка содержит множество лопастей, присоединенных к опорному элементу, причем каждая лопасть содержит наклонную или выходящую в поперечном направлении, обычно под 45 градусов, опорную балку, на которой установлены или которая содержит множество первых режущих элементов.  Угловые опорные балки расположены таким образом, чтобы определять по существу V-образный режущий профиль.
В одном варианте осуществления над первой компоновкой режущей головки и вокруг колонны установлен корпус зубчатой передачи, причем первое приводное средство установлено сверху корпуса зубчатой передачи и выполнено с возможностью приведения в движение компоновки зубчатой передачи внутри корпуса зубчатой передачи, которая в свою очередь выполнена с возможностью вращения опорного элемента и первой компоновки режущей головки вокруг колонны.  Обычно, первое приводное средство содержит множество электрических двигателей, расположенных вокруг боковой поверхности корпуса зубчатой передачи.
В одном варианте осуществления каждая лопасть присоединена с возможностью отсоединения или является присоединяемой к опорному элементу таким образом, что лопасти разных размеров могут быть заменены, чтобы обеспечить возможность бурения шурфов различных диаметров.
В одном варианте осуществления в полой колонне ниже первой компоновки режущей головки выполнен по меньшей мере один коллекторный канал, в который может быть собран буровой шлам, образуемый при вращении первой компоновки режущей головки.  Коллекторный канал образует впускное отверстие для приема бурового шлама, выпускное отверстие, через которое буровой шлам может выходить из канала в колонну, причем между впускным отверстием и выпускным отверстием предусмотрен проход, расположенный под углом вниз, для облегчения прохождения бурового шлама в колонну под действием силы тяжести, для последующего сбора в проходческую бадью, перемещаемую вверх и вниз по колонне.
Обычно, компоновка для расширения ствола шахты содержит пару диаметрально противоположных коллекторных каналов, причем самые нижние части лопастной компоновки содержат скребки для соскабливания бурового шлама в коллекторные каналы по мере вращения первой компоновки режущей головки относительно колонны.
В одном варианте осуществления компоновка распорного устройства присоединена к полой колонне, причем компоновка распорного устройства содержит первый ряд распределенных по окружности опорных плит, расположенных между первой компоновкой режущей головки и секцией осевого перемещения, причем второй ряд распределенных по окружности опорных плит расположен между секцией осевого перемещения и второй компоновкой режущей головки.  Компоновка распорного устройства выполнена с возможностью надежной опоры на направляющем шурфе, пробуренном второй компоновкой режущей головки таким образом, чтобы зафиксировать буровую систему в определенном положении внутри пробуренного шурфа, управлять продвижением компоновки буровой головки относительно расширительной секции и способствовать вращению первой компоновки режущей головки и/ли управлять им.
В одном варианте осуществления первый и второй ряды опорных плит проходят в сторону от полой колонны через внешний предохранительный кожух и выполнены с возможностью перемещения посредством первой и второй компоновки исполнительного механизма, соответственно, между втянутым положением выведения из зацепления и вытянутым положением введения в зацепление, в котором плиты сцепляются с направляющим шурфом, образованным второй компоновкой режущей головки.
В одном варианте осуществления внутри секции осевого перемещения предусмотрена третья компоновка исполнительного механизма, выполненная с возможностью продвижения компоновки буровой головки относительно расширительной секции.
В одном варианте осуществления вторая компоновка режущей головки содержит опорный элемент, поддерживающий вторую лопастную компоновку, причем опорный элемент выполнен с возможностью вращения относительно опорного корпуса, из которого он выходит.
Вторая лопастная компоновка содержит множество лопастей, присоединенных к опорному элементу, причем каждая лопасть содержит наклонную или выходящую в поперечном направлении, обычно под 45 градусов, опорную балку, на которой установлены или которая содержит множество первых режущих элементов.  Расположенные под углом рычаги лопастей расположены таким образом, чтобы образовывать по существу V-образный режущий профиль.
В одном варианте осуществления вторые приводные средства установлены сверху опорного корпуса и выполнены с возможностью приведения в движение компоновки зубчатой передачи внутри опорного корпуса, которая в свою очередь выполнена с возможностью вращения опорного элемента и второй компоновки режущей головки.  Обычно, второе приводное средство содержит множество электрических двигателей, расположенных вокруг боковой поверхности опорного корпуса.
В одном варианте осуществления вокруг опорного корпуса и вторых приводных средств расположен предохранительный кожух, причем опорный корпус и/или второе приводное средство присоединено к концу полой колонны.
В одном варианте осуществления четвертые исполнительные средства выполнены с возможностью перемещения лопастей относительно опорного элемента между вытянутой, рабочей V-образной конфигурацией, для облегчения бурения, и сложенной по существу выровненной (обычно параллельно) конфигурацией, чтобы обеспечить отделение второй компоновки режущей головки от остальной части компоновки для расширения ствола шахты и поднятие посредством полой колонны на поверхность.  Таким образом, диаметр сложенной второй компоновки режущей головки, который соответствует по существу диаметру опорного корпуса, меньше диаметра полой колонны, чтобы способствовать ее извлечению.
В альтернативном, предпочтительном варианте осуществления компоновка буровой головки содержит буровую головку с подачей бурового раствора в форме усеченного конуса, содержащую насос подачи бурового раствора, причем буровая головка с подачей бурового раствора имеет сужающуюся боковую стенку, оканчивающуюся торцевой поверхностью, причем сужающаяся боковая стенка и/или торцевая поверхность оснащена второй компоновкой режущей головки для бурения направляющего шурфа, по мере того как буровая система продвигается вниз.  В некоторых вариантах осуществления вторая компоновка режущей головки может быть оснащена, или содержит, множество вторых режущих элементов.
В одном варианте осуществления компоновка буровой головки содержит опорный корпус с буровой головкой с подачей бурового раствора, выполненной с возможностью вращения относительно опорного корпуса, причем второе приводное средство установлено сверху опорного корпуса и выполнено с возможностью приведения в движение компоновки зубчатой передачи, которая в свою очередь выполнена с возможностью вращения буровой головки с подачей бурового раствора относительно опорного корпуса.
В одном варианте осуществления секция буровой головки с подачей бурового раствора может быть отделена и удалена из буровой головки с подачей бурового раствора, причем съемная секция содержит по меньшей мере торцевую поверхность и насос подачи бурового раствора.
В одном варианте осуществления каждый из вторых режущих элементов содержит рабочую поверхность, из которой выходит множество рядов твердосплавных вставок.  Ряды твердосплавных вставок расположены на расстоянии около 25 мм друг от друга, которое обеспечивает размер выбуренной породы, образуемой вследствие взаимодействия между твердосплавными вставками и режущей поверхностью, около 25 мм. Кроме того, рабочая поверхность режущего элемента расположена на расстоянии около 50 мм от режущей поверхности.
В одном варианте осуществления буровая система содержит множество вспомогательных платформ, расположенных над компоновкой для расширения ствола шахты внутри шурфа, пробуренного первой компоновкой режущей головки, причем компоновка для расширения ствола шахты выполнена с возможностью отделения от множества вспомогательных платформ.
Буровая система дополнительно содержит надземную опорную конструкцию буровой вышки, содержащую верхний опорный узел и конструкцию надшахтного копра для подъема и спуска компоновки для расширения ствола шахты и множества вспомогательных платформ.
В одном варианте осуществления над множеством вспомогательных платформ предусмотрена перемещающаяся платформа для обслуживания, к которой присоединяется или которая выполнена с возможностью присоединения траверсы, причем перемещающаяся платформа для обслуживания может быть поднята, отделена и временно размещена внутри конструкции надшахтного копра, чтобы обеспечить использование траверсы для захвата компонента или элемента внутри шахтного ствола и его подъема на поверхность.
В одном варианте осуществления для создания горизонтальной выработки, проходящей в сторону от формируемого шахтного ствола, компоновку для расширения ствола шахты могут полностью отсоединить (или разъединить) от остальной части буровой системы и накрыть крышкой, выполненной с возможностью покрывать часть шахтного ствола непосредственно над отсоединенной компоновкой для расширения ствола шахты.  Затем может быть поднято множество вспомогательных платформ от отсоединенной компоновки для расширения ствола шахты, чтобы обеспечить достаточное пространство для формирования ответвления горизонтальной выработки.  С помощью взрывчатых веществ или соответствующего оборудования может быть сформировано ответвление, и сразу после его формирования крышка может быть удалена, а компоновка для расширения ствола шахты может быть повторно присоединена к остальной части буровой системы, чтобы обеспечить продолжение работы компоновки для расширения ствола шахты.
В одном варианте осуществления одна из вспомогательных платформ содержит подъемное устройство.
В одном варианте осуществления подъемное устройство содержит насос и дуговое сито, причем дуговое сито принимает шламовую воду, нагнетаемую через трубопровод посредством насоса подачи бурового раствора, расположенного рядом с режущей головкой с подачей бурового раствора.  Шламовую воду отделяют, а более твердые компоненты/отбитую породу выгружают в проходческую бадью через выдвижной желоб.  Отделенную зашламованную воду затем нагнетают с помощью трехцилиндрового насоса через трубопровод, в котором из воды будут удаляться мелкие частицы. Затем чистая вода может быть закачана обратно в систему.
В другом варианте осуществления подъемное устройство содержит вакуумную систему для всасывания сухой отбитой породы и бурового шлама в вакуумный бак, причем из вакуумного бака затем выгружают сухой материал через выдвижной желоб в проходческую бадью, которая может быть затем поднята на поверхность.  Это устройство является особенно полезным в геологических условиях, в которых нельзя использовать воду, таких как соляные шахты.
В еще одном варианте осуществления подъемное устройство содержит трубу для воды высокого давления для нагнетания воды с поверхности в систему, трубу для воды низкого давления, выполненную с возможностью отвода отработанной воды обратно в отстойник, трубу для воды высокого давления, которая содержит частицы, которые нужно поднять на поверхность, входящую трубу для воды низкого давления с частицами, и многокамерное устройство с клапанами для регулирования расхода воды, протекающей через трубы для воды, и управления им.
В одном варианте осуществления буровая система содержит устройство спуска-подъема труб, причем устройство спуска-подъема труб содержит подвесную вышку для подъема и спуска по меньшей мере одной трубы, и направляющее средство, содержащее множество катковых опор, выполненных с возможностью вращения, которые содержат закругленное углубление для размещения внешней закругленной части трубы, чтобы при подъеме и спуске труб пара соседних катковых опор размещала трубу для направления перемещения трубы между ними.
Краткое описание графических материалов
Эти и другие признаки настоящего изобретения будут очевидны при рассмотрении в свете следующего описания и графических материалов, на которых:
на Фиг. 1 показан вид сбоку первого варианта осуществления буровой системы, в которой используется один вариант осуществления компоновки для расширения ствола шахты в соответствии с настоящим изобретением;
на Фиг. 2 показан вид сбоку компоновки для расширения ствола шахты для буровой системы в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 3 показан вид сбоку в поперечном разрезе компоновки для расширения ствола шахты, показанной на Фиг. 2;
на Фиг. 4 показан вид снизу в перспективе компоновки для расширения ствола шахты, показанной на Фиг. 2 и 3;
на Фиг. 5 показан подробный вид сбоку в поперечном разрезе первой компоновки режущей головки, используемой в компоновке, показанной на Фиг. 2–4;
на Фиг. 6 показан подробный вид сбоку в поперечном разрезе компоновки распорного устройства, используемого в компоновке, показанной на Фиг. 2–4;
на Фиг. 7 показан вид в перспективе второй компоновки режущей головки в виде шламового расширителя, используемого в компоновке, показанной на Фиг. 2–4;
на Фиг. 8 показан вид сбоку второй компоновки режущей головки, показанной на Фиг. 7, в вытянутой, рабочей конфигурации;
на Фиг. 9 показан вид сбоку второй компоновки режущей головки, показанной на Фиг. 7, во втянутой конфигурации;
на Фиг. 10 и 11 показаны вид в поперечном разрезе и вид сбоку компоновки для расширения ствола шахты для буровой системы в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 12 и 13 показаны вид сбоку и вид в поперечном разрезе компоновки буровой головки с подачей бурового раствора, используемой в компоновке для расширения ствола шахты, показанной на Фиг. 10 и 11;
на Фиг. 14 показана последовательность этапов, которые следует выполнить для удаления компонента буровой головки с подачей бурового раствора из остальной части компоновки буровой головки с подачей бурового раствора, показанной на Фиг. 12 и 13;
на Фиг. 15 показан детализированный вид конфигурации резцов и расстояния между ними, используемых в компоновке буровой головки с подачей бурового раствора, показанной на Фиг. 12 и 13;
на Фиг. 16 показана возможность создания буровой системой, в которой используется компоновка для расширения ствола шахты, показанная на Фиг. 10 и 11, для обеспечения образования ответвления горизонтальной выработки, причем компоновка для расширения ствола шахты может быть отсоединена от остальной части буровой системы;
на Фиг. 17 и 18A–18I показано взаимное расположение перемещающейся платформы для обслуживания и траверсы относительно верхнего опорного узла, чтобы обеспечить беспрепятственное извлечение элементов из ствола шахты;
на Фиг. 19–21 показаны различные подъемные устройства, которые могут быть оснащены одной из вспомогательных платформ; и
на Фиг. 22 и 23 показано устройство спуска-подъема труб, которое может использоваться в буровой системе.
Подробное описание графических материалов
Обратимся сначала к Фиг. 1, на которой показана буровая система 100, в которой может использоваться компоновка 10 для расширения ствола шахты по настоящему изобретению.  В общих чертах, буровая система 100 содержит надземную опорную конструкцию 102 буровой вышки, содержащую верхний опорный узел 102.  Предусмотрена лебедка для перемещения компоновки 10 для расширения ствола шахты вверх и вниз, по мере необходимости, внутри пробуренного ствола шахты или шурфа 104 посредством канатов или тросов 106 (как лучше всего показано на Фиг. 2), проходящих между лебедкой и компоновкой 10 для расширения ствола шахты.  Также предусмотрен бадейный подъемник 108 для перемещения проходческой бадьи 32 вверх и вниз, по мере необходимости, через полую колонну 12 компоновки 10, также посредством канатов или тросов 110 (как лучше всего показано на Фиг. 3), проходящих между бадейным подъемником 108 и проходческой бадьей 32.  Другие компоненты на поверхности включают: ремонтные подъемники, стопорное устройство траверсы, устройство наклона проходческой бадьи 32 на поверхности для удаления бурового шлама из проходческой бадьи 32.
Внутри пробуренного ствола шахты или шурфа 104, но выше компоновки 10 для расширения ствола шахты предусмотрено множество вспомогательных платформ 112, которые служат для различных целей, таких как платформа для оператора, платформа для опоры буровых инструментов и работы с буровым раствором, гидравлическая и электрическая вспомогательная рабочая платформа и нижняя рабочая/опалубочная платформа для обеспечения крепления шурфа 104.
Обращаясь теперь к Фиг. 2–4, где показана компоновка 10 для расширения ствола шахты для буровой системы, такой как показанная на Фиг. 1, причем компоновка 10 для расширения ствола шахты содержит полую колонну 12, расположенную рядом с нижним концом буровой системы.  Колонна 12 содержит верхнюю секцию 12A, среднюю секцию 12B и нижнюю секцию 12C.  Колонна 12 дополнительно содержит телескопическую часть 12D, которая выполнена с возможностью осевого перемещения относительно остальных частей полой колонны 12A, 12B и 12C, которые будут более подробно описаны ниже.
Первая компоновка 14 режущей головки, соответствующая расширительной секции, присоединена с возможностью вращения к полой колонне 12, а именно, к средней секции 12B колонны 12.  Приводные средства в виде электрических двигателей 16 выполнены с возможностью вращения первой компоновки 14 режущей головки относительно (т. е. вокруг) полой колонны 12.  Это приводит к тому, что шурф 104, подлежащий бурению вниз, имеет диаметр, соответствующий по существу диаметру первой компоновки 14 режущей головки.  Колонна 12 обычно имеет двойную стенку, чтобы образовать вентиляционный и/или охлаждающий каналы.
Первая компоновка 14 режущей головки содержит опорный элемент 18, поддерживающий лопастную компоновку 20, причем опорный элемент 18 установлен с возможностью вращения на колонне 12.  Лопастная компоновка 20 содержит множество по существу треугольных лопастей 22, присоединенных к опорному элементу 18.  Каждая лопасть 22 содержит наклонную или выходящую в поперечном направлении, обычно под 45 градусов, опорную балку 24, на которой установлены или которая содержит множество первых режущих элементов 26, проходящих по длине балки 24.  Угловая опорная балка 24 расположена таким образом, чтобы в процессе эксплуатации образовывать по существу V-образный режущий профиль.
В одном варианте осуществления корпус 28 зубчатой передачи установлен над первой компоновкой 14 режущей головки, причем первое приводное средство установлено сверху корпуса 28 зубчатой передачи и выполнено с возможностью приведения в движение компоновки зубчатой передачи внутри корпуса 28 зубчатой передачи.  Это, в свою очередь, выполнено с возможностью вращения опорного элемента 18 и, таким образом, первой компоновки 14 режущей головки вокруг колонны 12.  Обычно, электрические двигатели 16 первого приводного средства расположены вокруг боковой поверхности корпуса 28 зубчатой передачи.
В одном варианте осуществления каждая лопасть 22 присоединена с возможностью отсоединения или является присоединяемой к опорному элементу таким образом, что лопасти 22 разных размеров могут быть заменены, чтобы обеспечить возможность бурения шурфов различных диаметров.
Как лучше всего показано на Фиг. 3, по меньшей мере один коллекторный канал 30 выполнен в полой колонне 12, рядом с соединением между средней секцией 12B и нижней секцией 12C, ниже первой компоновки 14 режущей головки, в котором может собираться буровой шлам, образуемый при вращении первой компоновки 14 режущей головки, как указано стрелкой 31.  Коллекторный канал 30 образует впускное отверстие для приема бурового шлама, выпускное отверстие, через которое буровой шлам может выходить из канала в колонну, причем между впускным отверстием и выпускным отверстием предусмотрен проход, расположенный под углом вниз, для облегчения прохождения бурового шлама в колонну 12, а именно, в нижнюю секцию 12C, под действием силы тяжести.  Он может собираться в проходческую бадью 32, перемещаемую вверх и вниз по колонне 12.
Обычно, компоновка 10 для расширения ствола шахты содержит пару диаметрально противоположных коллекторных каналов 30, как лучше всего показано на Фиг. 3, причем самые нижние части лопастной компоновки 20 содержат скребки (не показаны) для соскабливания бурового шлама в коллекторные каналы 30 по мере вращения первой компоновки 14 режущей головки вокруг колонны 12.
В одном варианте осуществления компоновка 10 для расширения ствола шахты содержит компоновку 34 распорного устройства, установленную на (т. е. вокруг) полой колонны 12, которая будет описана со ссылкой на Фиг. 6.  В частности, компоновка 34 распорного устройства содержит первый ряд распределенных по окружности опорных плит 36, которые расположены, в процессе эксплуатации, ниже коллекторных каналов 30, и второй ряд распределенных по окружности опорных плит 37, которые расположены, в процессе эксплуатации, ниже первого ряда опорных плит 36 и выше компоновки 38 буровой головки (которая будет более подробно описана ниже).  Компоновка 34 распорного устройства выполнена с возможностью надежной опоры на направляющем шурфе 114, пробуренном второй компоновкой 39 режущей головки направляющей компоновки 38 буровой головки таким образом, чтобы зафиксировать буровую систему 100 в определенном положении внутри пробуренного шурфа 104.
Первый и второй ряды опорных плит 36, 37 проходят в сторону от полой колонны 12; а именно, первый ряд опорных плит 36 проходит от средней секции 12B колонны 12 и через внешний предохранительный кожух 43.  Аналогичным образом, второй ряд опорных плит 37 проходит от нижней, телескопической секции 12D колонны 12 и через внешний предохранительный кожух 45.  Опорные плиты 36, 37 выполнены с возможностью перемещения посредством первой и второй компоновок 40, 42 исполнительного механизма, соответственно, между втянутым положением выведения из зацепления и вытянутым положением введения в зацепление, в котором плиты 36, 37 сцепляются с направляющим шурфом 114, образованным второй компоновкой 39 режущей головки, чтобы способствовать вращению первой компоновки 14 режущей головки или управлять им.
Нижняя, телескопическая секция 12D колонны 12 выполнена с возможностью осевого перемещения относительно остальной части колонны 12 посредством третьей компоновки 44 исполнительного механизма в виде множества гидравлических цилиндров осевого перемещения, чтобы образовать секцию осевого перемещения для обеспечения продвижения компоновки буровой головки относительно расширительной секции.  Относительное осевое перемещение обеспечивает функции осевого перемещения и управления направлением движения и обычно включает использование четырех гидравлических цилиндров осевого перемещения, которые взаимосвязаны с нижней и средней секциями 12C и 12B колонны 12.  Осевое перемещение и управление направлением движения, как правило, используют в сочетании с фиксирующим элементом опорных плит 36, 37, таким образом, что, когда опорные плиты 36, 37 находятся в их выдвинутой фиксированной конфигурации, третья компоновка 44 исполнительного механизма может активировать направленное вниз буровое движение компоновки 38 буровой головки.
Компоновка 38 буровой головки присоединена к рабочему нижнему концу колонны 12, а именно, к нижнему концу телескопической части 12D.  В одном варианте осуществления компоновка 38 буровой головки присоединена с возможностью отсоединения к рабочему нижнему концу колонны 12 таким образом, чтобы его можно было отделять от остальной части компоновки 10 для расширения ствола шахты если/когда понадобится, как будет более подробно описано далее в описании.
Компоновка 38 буровой головки заканчивается во второй компоновке 39 режущей головки, чтобы бурить направляющий шурф 114, когда буровая система 100 продолжает бурение вниз, как будет описано со ссылкой на Фиг. 7–9.  Вторая компоновка 39 режущей головки, как правило, оснащена, или содержит, множество вторых режущих элементов 46.  В одном варианте осуществления вторая компоновка 39 режущей головки содержит опорный элемент 48, поддерживающий вторую лопастную компоновку 50, причем опорный элемент 48 выполнен с возможностью вращения относительно опорного корпуса 52, из которого он выходит.
Вторая лопастная компоновка 50 содержит множество лопастей 54, присоединенных к опорному элементу 48.  Каждая лопасть 54 содержит наклонный или выходящий в поперечном направлении, обычно под 45 градусов, рычаг 56 лопасти, на котором установлены или который содержит множество вторых режущих элементов 46.  Расположенные под углом рычаги 56 лопастей расположены таким образом, чтобы образовывать по существу V-образный режущий профиль.
В одном варианте осуществления вторые приводные средства 58 установлены сверху опорного корпуса 52 и выполнены с возможностью приведения в движение компоновки зубчатой передачи внутри опорного корпуса 52, которая в свою очередь выполнена с возможностью вращения опорного элемента 48 и второй компоновки 39 режущей головки.  Обычно, второе приводное средство 58 содержит множество электрических двигателей, расположенных вокруг боковой поверхности опорного корпуса 52.
Как лучше всего показано на Фиг. 2–4, вокруг опорного корпуса 52 и вторых приводных средств 58 расположен предохранительный кожух 60, причем опорный корпус 52 и/или второе приводное средство 58 присоединено к концу полой колонны 12.
Возвращаясь к Фиг. 7–9, четвертые исполнительные средства 62 выполнены с возможностью шарнирного перемещения рычагов 56 лопастей относительно опорного элемента 48 между вытянутой, рабочей V-образной конфигурацией, для облегчения бурения, как показано на Фиг. 7 и 8, и сложенной по существу выровненной (обычно параллельно) конфигурацией, чтобы обеспечить отделение второй компоновки 39 режущей головки от остальной части компоновки 10 для расширения ствола шахты и поднятие посредством полой колонны 12 на поверхность, как показано на Фиг 9.  Таким образом, диаметр сложенной второй компоновки 39 режущей головки, который соответствует по существу диаметру опорного корпуса 52, меньше диаметра полой колонны 12, чтобы способствовать ее извлечению.
Четвертое приводное средство 62 обычно выполнено в виде гидравлического поршня, чтобы воздействовать на рычажный элемент, проходящий между поршнем и концом рычага 56 лопасти таким образом, чтобы поворачивать рычаг 56 лопасти между двумя конфигурациями.
В альтернативном варианте осуществления компоновка 38 буровой головки содержит буровую головку с подачей бурового раствора, оканчивающуюся на рабочей плоской поверхности, чтобы образовать предохранительный кожух от бурового раствора, причем плоская поверхность оснащена второй компоновкой режущей головки для бурения направляющего шурфа по мере того как буровая система продвигается вниз.  В этом варианте осуществления вторая компоновка режущей головки может быть оснащена, или содержит, множество вторых режущих элементов, причем приводное средство выполнено с возможностью приведения в движение вторых режущих элементов буровой головки с подачей бурового раствора.
Компоновка 10 для расширения ствола шахты обычно содержит пару платформ 70, 72, как лучше всего видно на Фиг. 2, установленных на полой колонне 12 над первой компоновкой 14 режущей головки для поддержки персонала, проводящего работы по креплению шахтного ствола и/или техническому обслуживанию.
Обращаясь теперь к Фиг. 10 и 11, где показана компоновка 150 для расширения ствола шахты для буровой системы 152 (как лучше всего показано на Фиг. 16) в соответствии со вторым вариантом осуществления.  Компоновка 150 для расширения ствола шахты содержит полую колонну 154, расположенную рядом с нижним концом буровой системы 152.  Расширительная секция 156 содержит сужающуюся вниз первую компоновку 158 режущей головки, которая присоединена с возможностью вращения к полой колонне 154.  Хотя не показано на этих графических материалах, первое приводное средство выполнено с возможностью вращения первой компоновки 158 режущей головки относительно полой колонны 154 таким образом, чтобы пробурить вниз шурф, имеющий диаметр, соответствующий по существу диаметру первой компоновки 158 режущей головки.
Компоновка 150 для расширения ствола шахты дополнительно содержит компоновку 160 буровой головки, присоединенную к рабочему нижнему концу компоновки 150 для расширения.  Компоновка 160 буровой головки заканчивается в сужающейся вниз второй компоновке 162 режущей головки, чтобы пробурить направляющий или пилотный шурф, имеющий диаметр, который меньше диаметра первой компоновки 158 режущей головки, по мере того как буровая система 152 продолжает бурение вниз.
Между первой и второй компоновками 158, 162 режущей головки, предусмотрена секция 164 осевого перемещения, чтобы обеспечить продвижение компоновки 160 буровой головки относительно расширительной секции 156, причем компоновку 158.1, 158.2 распорного устройства используют для фиксации компоновки 150 для расширения ствола шахты внутри пробуренного шурфа и управления продвижением компоновки 160 буровой головки относительно расширительной секции 156.  Описание работы секции 164 осевого перемещения и компоновки 158.1, 158.2 распорного устройства, в основном, приводится выше, и по этой причине не будет повторяться.
Как лучше всего показано на Фиг. 12 и 13, компоновка 160 буровой головки содержит буровую головку 170 с подачей бурового раствора в форме усеченного конуса, содержащую насос 172 подачи бурового раствора, причем буровая головка 170 с подачей бурового раствора имеет сужающуюся боковую стенку 174, оканчивающуюся торцевой поверхностью 176, причем сужающаяся боковая стенка 174 и/или торцевая поверхность 176 оснащена второй компоновкой 162 режущей головки для бурения направляющего шурфа, по мере того как буровая система 152 продвигается вниз.  В некоторых вариантах осуществления вторая компоновка 162 режущей головки может быть оснащена, или содержит, множество вторых режущих элементов 178.
Компоновка 160 буровой головки содержит опорный корпус с буровой головкой 170 с подачей бурового раствора, выполненной с возможностью вращения относительно опорного корпуса, обычно с использованием вертлюга, известного в данной области техники.  Как описано выше, хотя и не показано, второе приводное средство установлено сверху опорного корпуса и выполнено с возможностью приведения в движение компоновки зубчатой передачи внутри опорного корпуса, которая в свою очередь выполнена с возможностью вращения буровой головки 170 с подачей бурового раствора относительно опорного корпуса.  Обычно, второе приводное средство содержит множество электрических двигателей, расположенных вокруг боковой поверхности опорного корпуса.  Вертлюг может работать с различными типами сред и соответствующими давлениями, такими как жидкость для гидравлических систем и шламовая вода.
Как лучше всего показано на Фиг. 11, предохранительный кожух 180 расположен вокруг части буровой головки 170 с подачей бурового раствора, причем предохранительный кожух 180 проходит вверх по направлению к компоновке 158.2 распорного устройства.
Обращаясь теперь к Фиг. 14, секция 170.1 буровой головки 170 с подачей бурового раствора может быть отделена и удалена из буровой головки 170 с подачей бурового раствора, причем съемная секция 170.1 содержит по меньшей мере торцевую поверхность 176 и насос 172 подачи бурового раствора.  Съемная секция 170.1 буровой головки 170 с подачей бурового раствора имеет ряд преимуществ.  Например, когда съемная секция 170.1 отделена, обеспечивается доступ к режущей поверхности 174, 176 без необходимости извлечения на поверхность всей компоновки 150 для расширения ствола шахты.  Это позволяет выполнять техническое обслуживание режущей поверхности 174, 176 в высшей степени универсальным и эффективным способом.  Масса съемной секции 170.1 определяется грузоподъемностью бадейного подъемника (как описано выше и далее ниже), который теперь также может использоваться для подъема съемной секции 170.1.  Когда съемную секцию 170.1 поднимают на поверхность, может быть выполнено техническое обслуживание и ремонт, включающие замену резцов 178 и ремонт насоса 172 подачи бурового раствора и т. д.  Съемная секция 170.1 буровой головки 170 с подачей бурового раствора содержит резцы фронтальной проработки, при этом остальная часть буровой головки 170 с подачей бурового раствора содержит резцы обратной проработки.  Эта конструкция позволяет заменять резцы съемной части 170.1 на поверхности без необходимости извлечения, например, насоса 172 подачи бурового раствора.
Обращаясь теперь к Фиг. 15, каждый из вторых режущих элементов 178 содержит рабочую поверхность 182, из которой выходит множество рядов 184 твердосплавных вставок, причем вторые режущие элементы 178 размещаются с возможностью вращения внутри полости 186.  Ряды 184 твердосплавных вставок расположены на расстоянии около 25 мм друг от друга, которое обеспечивает размер выбуренной породы, образуемой вследствие взаимодействия между твердосплавными вставками и режущей поверхностью 188, приблизительно 25 мм. Кроме того, рабочая поверхность 182 режущего элемента 178 расположена на расстоянии приблизительно 50 мм от режущей поверхности 188.  Это важно для удовлетворения требований к расходу воды, необходимому для поддержания выбуренной породы в виде суспензии и отвода мелких частиц от режущей поверхности 188 посредством насоса 172 подачи бурового раствора наверх к разделительной установке, поскольку чем дальше рабочая поверхность 182 расположена от режущей поверхности 188, тем выше требуемый расход воды.  Когда интервал равен 50 мм, предотвращается всасывание частиц больше 50 мм в насос 172 подачи бурового раствора, которые могут блокировать всасывающий патрубок насоса 172 подачи бурового раствора (который обычно ограничен размером вмещаемых частиц, равным 50 мм).  Таким образом, данная конфигурация помогает контролировать размер частиц, поступающих в насос 172 подачи бурового раствора.  Также, в случае бурения в геологических условиях, где использование воды может быть проблематичным, таких как соляные шахты и калийные рудники, данная конкретная конфигурация интервалов позволит использовать вакуумную систему вместо системы с насосом подачи бурового раствора, если это потребуется или желательно, как описано ниже со ссылкой на Фиг. 20.
Кроме того, всасывающий патрубок 190 головки 172 для бурового раствора, как показано на Фиг. 13, находится на определенном радиусе на режущей головке с подачей бурового раствора, чтобы обеспечить отвод всего бурового шлама от нижней части режущей поверхности.  Диаметр всасывающего патрубка 190 составляет приблизительно 150 мм, чтобы обеспечить достаточно высокую скорость потока воды, чтобы гарантировать отвод бурового шлама.
Обращаясь теперь к Фиг. 16, буровая система 152 содержит множество вспомогательных платформ 200, расположенных над компоновкой 150 для расширения ствола шахты внутри шурфа 202, пробуренного первой компоновкой 158 режущей головки.  В одном варианте осуществления компоновка 150 для расширения ствола шахты может быть отделена или отсоединена от множества вспомогательных платформ 200.
Буровая система дополнительно содержит надземную опорную конструкцию 204 буровой вышки, содержащую верхний опорный узел 206 и конструкцию 208 надшахтного копра для подъема и спуска компоновки 150 для расширения ствола шахты и множества вспомогательных платформ 200.  Конструкция 208 надшахтного копра обычно содержит по меньшей мере:
лебедку для перемещения компоновки для расширения ствола шахты вверх и вниз, по мере необходимости, внутри ствола шахты 202 посредством канатов или тросов, проходящих между лебедкой и компоновкой 150 для расширения ствола шахты;
бадейный подъемник для перемещения проходческой бадьи 210 вверх и вниз, по мере необходимости, через полую колонну 154 и через полую колонну 212, на которой смонтированы ярусы 200, посредством канатов или тросов, проходящих между бадейным подъемником и проходческой бадьей 210; и
подъемник платформ для перемещения множества вспомогательных платформ 200 вверх и вниз, по мере необходимости.
В одном варианте осуществления предусмотрена перемещающаяся платформа 214 для обслуживания, расположенная над множеством вспомогательных платформ 200, к которым присоединяется или которые выполнены с возможностью присоединения траверсы 216 (содержащей концевые крюки 218).  Перемещающаяся платформа 214 для обслуживания может быть поднята, отделена и временно размещена внутри конструкции 208 надшахтного копра, чтобы обеспечить использование траверсы 216 для захвата компонента или элемента внутри шахтного ствола 202 и его подъема на поверхность 220.
В частности, верхний опорный узел 206 содержит нижнюю опорную раму 222, которая образует зону 224 для размещения перемещающейся платформы 214 для обслуживания после ее подъема.  В процессе эксплуатации, когда необходимо извлечь из шахтного ствола 202 оборудование, такое как ярусы 226 вспомогательных платформ 200 и/или компоновка 150 для расширения ствола шахты, перемещающаяся платформа 214 для обслуживания может быть поднята внутри/между конструкцией 208 надшахтного копра, как указано штриховой линией 228.  Находясь в данном положении, перемещающаяся платформа 214 для обслуживания находится в стороне и, таким образом, нет необходимости в ее извлечении из конструкции 208 надшахтного копра.  Теперь может быть использована подъемная траверса 216 для захвата соответствующего компонента или элемента оборудования, расположенного внизу шахтного ствола 202 и его подъема на поверхность 220, где его могут отсоединить.
В процессе эксплуатации, со ссылкой на Фиг. 18, может быть предусмотрена опорная платформа 230, причем верхняя часть шахтного ствола обычно закрыта крышкой 232 (как показано на Фиг. 18A).  Как указано выше, перемещающаяся платформа 214 для обслуживания поднята и отведена в сторону.  Затем после удаления крышки 232, ярусы 226 вспомогательных платформ 200 могут быть подняты с помощью конструкции 208 надшахтного копра совместно с траверсой 216, как показано на Фиг. 18B.  Затем крышка 232 может быть заменена, чтобы обеспечить возможность перемещения платформы 230 над выработкой, как показано на Фиг. 18C.  Затем верхние ярусы 226 могут быть отсоединены от траверсы 216, выгружены на платформу 230 и затем перемещены в сторону (Фиг. 18D и Фиг. 18E).  Затем траверса 216 может быть опущена и присоединена к следующему ярусу/ярусам 226 (Фиг. 18F).  Затем процесс только повторяют, чтобы обеспечить подъем и перемещение в сторону оставшихся ярусов 226.
Снова со ссылкой на Фиг. 16, чтобы обеспечить создание горизонтальной выработки 240, проходящей в сторону от шахтного ствола 202, компоновка 150 для расширения ствола шахты может быть полностью отсоединена (или разъединена) от остальной части буровой системы 152.  Крышка 242 выполнена с возможностью покрывать часть шахтного ствола 202 непосредственно над отсоединенной компоновкой 150 для расширения ствола шахты.  Затем может быть поднято множество вспомогательных платформ 200 от отсоединенной компоновки 150 для расширения ствола шахты, чтобы обеспечить достаточное пространство для формирования ответвления горизонтальной выработки 240.  С помощью взрывчатых веществ или подходящего оборудования 244 может быть сформировано ответвление 240, и сразу после его формирования крышка 242 может быть удалена, а компоновка 150 для расширения ствола шахты может быть повторно присоединена к остальной части буровой системы 152, чтобы обеспечить продолжение работы компоновки 150 для расширения ствола шахты.
Обращаясь теперь к Фиг. 19–21, один из ярусов 226 вспомогательных платформ 200 содержит подъемные устройства 250, 270 и 290, соответственно.
В одном варианте осуществления, как показано на Фиг. 19, подъемное устройство 250 включает в себя «мокрое» подъемное устройство 250.  Подъемное устройство 250 содержит трехцилиндровый насос 252 и дуговое сито 254, причем дуговое сито 254 принимает шламовую воду, нагнетаемую через трубопровод 256 посредством насоса 172 подачи бурового раствора, расположенного рядом с режущей головкой с подачей бурового раствора.  Шламовую воду отделяют, а более твердые компоненты/отбитую породу выгружают в проходческую бадью 210 через выдвижной желоб 258, которая может быть затем поднята на поверхность с помощью бадейного подъемника.  Отделенную зашламованную воду затем нагнетают с помощью трехцилиндрового насоса 252 через трубопровод 260, в котором из воды будут удаляться мелкие частицы. Затем чистая вода может быть закачана обратно в систему.
В другом варианте осуществления, как показано на Фиг. 20, подъемное устройство 270 является «сухим» подъемным устройством.  Подъемное устройство 270 содержит вакуумную систему для всасывания сухой отбитой породы и бурового шлама в вакуумный бак 272, причем из вакуумного бака 272 затем выгружают сухой материал через выдвижной желоб 274 в проходческую бадью 210, которая может быть затем поднята на поверхность.  Это устройство является особенно полезным в геологических условиях, в которых нельзя использовать воду, таких как соляные шахты.
В другом варианте осуществления, как показано на Фиг. 21, подъемное устройство 290 является «гидравлическим» подъемным устройством.  Подъемное устройство 290 содержит трубу 292 для воды высокого давления для нагнетания воды с поверхности в систему 290, трубу 294 для воды низкого давления, выполненную с возможностью отвода отработанной воды обратно в отстойник, трубу 296 для воды высокого давления, которая содержит частицы, которые нужно поднять на поверхность, входящую трубу 298 для воды низкого давления с частицами, и многокамерное устройство 300 с клапанами 302 для регулирования потока воды, протекающей через трубы для воды, и управления им.  В процессе эксплуатации первая камера 304 ожидает подъема, вторая камера 306 осуществляет подъем; при этом вторая камера 306 осуществляет подъем посредством нагнетательной системы высокого давления, а третья камера 308 осуществляет загрузку частиц.  Отработанная вода будет протекать обратно в отстойник через трубу 294 для воды.  Все клапаны 302 приводятся в действие в точно контролируемой временной последовательности, чтобы обеспечить плавный поток через систему.  Вода высокого давления, которая содержит частицы, будет поднята на поверхность по трубе 296.  Для данной системы не требуется проходческая бадья, поскольку все частицы, образуемые при бурении, будут подниматься с помощью гидравлической подъемной системы 290.  Данная система 290 будет полностью прикреплена к одному из ярусов 226, как показано, и таким образом, чтобы, по мере продвижения компоновки 150 для расширения ствола шахты также будет продвигаться и гидравлическая подъемная система 290, тем самым обеспечивая непрерывное движение.
Обращаясь теперь к Фиг. 22 и 23, буровая система 152 содержит устройство 310 спуска-подъема труб, причем трубы 312 обычно включают в себя подводящие трубы, такие как трубы для воды и для вентиляции.  Устройство спуска-подъема труб 310 содержит подвесную вышку 314, которая может быть установлена сверху верхнего опорного узла 206, чтобы поднимать и опускать по меньшей мере одну трубу 312 (но, как правило, множество труб 312, как показано на Фиг. 23).  Предложено направляющее средство 316, содержащее множество катковых опор 318, выполненных с возможностью вращения, которые образуют закругленное углубление 320 для размещения внешней закругленной части трубы 312.  Таким образом, при подъеме и спуске труб 312 пара соседних катковых опор 318 размещает трубу 312 для направления перемещения трубы между ними.