ГОЛОВКА ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ ВОССТАЮЩЕЙ ВЫРАБОТКИ
HEAD FOR ROTARY DRILLING OF RISING FORMATION

Область техники
Настоящее изобретение относится к головке для бурения восстающей выработки и, в частности, хотя не исключительно, к буровой головке, имеющий монтажную поверхность для крепления множества шарошек, по меньшей мере с одним направляющим блоком, выступающим от монтажной поверхности, для содействия перемещению выбуренного материала от монтажной поверхности.
Уровень техники
Бурение восстающей выработки может быть выполнено в горных выработках или других подземных сооружениях для обеспечения доступа или создания вентиляционных шахт. Методика обычно включает в себя бурение направляющей скважины малого диаметра с первой площадки на вторую площадку. По завершении работы пилотное долото удаляют и закрепляют на приводном валу головку большого диаметра для бурения восстающей выработки, при этом вал имеет диаметр, соответствующий диаметру направляющей скважины. Головку для бурения восстающей выработки вращают и тянут вверх вдоль направляющей скважины для увеличения начальной скважины до требуемого диаметра.
Устройство для бурения восстающей выработки, соответственно, подвергается экстремальным силам воздействия и требует компонентов с высокими показателями работы, чтобы выдерживать тяжелые условия рабочей окружающей среды и соответствовать физическим и механическим требованиям во время породоразрушения. Головка для бурения восстающей выработки включает в себя сменные шарошки, распределенные по монтажной поверхности на головке, которые действуют, разрушая горную породу когда шарошки независимо вращаются. Соответственно, распределение и конфигурация режущих элементов на буровой головке может быть приспособлена для максимизации показателей работы при породоразрушении с продлением, насколько возможно, их эксплуатационного ресурса. Обычное устройство для бурения восстающей выработки описано в патентах США № 4228863 и 4386670.
Одной проблемой обычных буровых головок является накопление выбуренных отходов в зоне вокруг шарошек. Повторное перемалывание накопленных отходов снижает производительность породоразрушения и ускоряет износ режущих элементов. В патенте США № 4179000 описана головка для бурения восстающей выработки, имеющая в общем коническую основную плиту для закрепления шарошек, для предотвращения нарастания выбуренной породы и обеспечения самоочищающейся головки. Вместе с тем, благодаря конической монтажной поверхности, шарошки выполнены с возможностью взаимодействия с горной породой на позициях с отличающейся соответствующей аксиальной высотой (относительно приводного вала), и указанное является недостатком по ряду причин. В частности, отличающийся износ резцов делает необходимой перестановку или преждевременную замену радиально самых близких к оси резцов, находящихся под воздействием более значительных напряжений и сжимающих сил. Дополнительно, локализованное накопление отходов в зоне опор остается проблематичным и отрицательно воздействует на некоторые резцы группы в зависимости от их позиции на монтажной поверхности. Соответственно, требуется создание головки для бурения восстающей выработки, в которой решены указанные выше проблемы.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение головки для вращательного бурения восстающей выработки, оптимизированной по производительности породоразрушения, в том числе, максимизирующей скорость бурения с продлением, насколько возможно, эксплуатационного ресурса шарошек. Задачи решают, обеспечивая головку для бурения восстающей выработки, в которой значительно улучшено перемещение выбуренного материала от активного режущей поверхности головки для предотвращения накопление отходов в зоне вокруг, между или сбоку от шарошек. Предпочтительно, предметом изобретения является головка для бурения восстающей выработки, в которой поверхность корпуса, на которой смонтированы шарошки, содержит по меньшей мере один или множество направляющих блоков, выступающих от монтажной поверхности. Каждый из направляющих блоков содержит по меньшей мере одну направляющую поверхность, выставленную пересекающей монтажную поверхность корпуса для содействия перемещению назад выбуренного материала во время бурения. Если необходимо, корпус буровой головки может содержать один или множество открытых каналов, проходящих аксиально через корпус от монтажной поверхности до задней поверхности, при этом соответствующий направляющий блок установлен непосредственно примыкающим к открытому концу канала для направления или сбрасывания выбуренного материала в канал для падения под действием силы тяжести вниз от шарошек.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, обеспечена головка для вращательного бурения восстающей выработки в горной породе, содержащая: корпус, устанавливаемый на приводном валу, причем корпус имеет монтажную поверхность для расширения радиально наружу от вала; множество опор, обеспеченных на монтажной поверхности для установки с возможностью вращения соответствующих шарошек на корпусе; отличающаяся: по меньшей мере одним направляющим блоком, прикрепленным к корпусу для создания выступа на монтажной поверхности на позиции смежной со опорами или отнесенной от них, причем направляющий блок имеет по меньшей мере одну направляющую поверхность, выставленную пересекающей монтажную поверхность для содействия перемещению выбуренного материала от монтажной поверхности, при этом направляющий блок является отдельным от опор и выполнен не как одно целое с ними.
Указание в данной спецификации на «монтажную поверхность» корпуса относится к поверхности зоны корпуса, которая выставлена, в общем, перпендикулярно приводному валу и, соответственно, центральной оси, проходящей через буровую головку и приводной вал. Монтажная поверхность может, вместе с тем, быть выставлена пересекающей центральную ось для наклонного или отклоненного расположения относительно приводного вала. Дополнительно, монтажная поверхность может быть выполнена, как в общем зона планарной поверхности, имеющая один или множество проемов или отверстий, которые представляют открытые концы каналов потока отходов, проходящих аксиально через корпус от монтажной поверхности до задней поверхности. Монтажная поверхность, поэтому, может быть выполнена, как части или зоны решетчатой или матричной конструкции, которая несет опоры и шарошки.
Указание в данной спецификации на «корпус» относится к головке для бурения восстающей выработки, которая может быть расширена и выполнена, как модульная, сегментированная, расширяющая ствол скважины головка. Альтернативно, буровая головка может быть выполнена, как интегральная расширяющая ствол скважины головка, в которой один корпус закреплен напрямую на приводном валу. В случае, если головка для бурения восстающей выработки является расширяемой, приводной вал закреплен на расширяющих корпусах не напрямую.
Предпочтительно, шарошки и опоры смонтированы на головке так, что самая верхняя зона породоразрушения шарошек выставлена на одной аксиальной высоте (относительно приводного вала) и расстоянии, отделяющем ее от монтажной поверхности. Такое устройство является предпочтительным для обеспечения равномерного износа шарошек на отличающихся радиальных позициях на монтажной поверхности.
Если необходимо, направляющая поверхность является, в общем, планарной и наклонной относительно монтажной поверхности. Если необходимо, направляющая поверхность может быть изогнутой относительно монтажной поверхности или содержать изогнутую зону. Наклонная или изогнутая монтажная поверхность обеспечивает поверхность, по которой выбуренная порода может проходить (скользить) под действием силы тяжести при ее разрушении и выбрасывании от плоскости забоя вращающимися шарошками. Наклон или кривизна также действуют, направляя выбуренную породу в конкретное место выброса, например, поверх внутренней или наружной периферийной кромки корпуса или через открытый канал, проходящий аксиально через корпус.
Предпочтительно, буровая головка дополнительно содержит по меньшей мере один крепежный болт для крепления направляющего блока на монтажной поверхности. Такое устройство является предпочтительным для обеспечения удобной и регулируемой перестановки и потенциального повторного позиционирования направляющего блока (блоков) на монтажной поверхности для соответствия конкретному распределению шарошек на корпусе. Например, пользователю может потребоваться регулирование положения одного или нескольких направляющих блоков после периода начального бурения и наблюдения за любыми конкретными зонами накопления отходов, что может зависеть от типа горной породы, ориентации бурения и любых других факторов, таких как изменения в конфигурации шарошки или пласта. Предпочтительно каждая из опор закреплена на монтажной поверхности крепежными болтами, которые являются отдельными и независимыми для прикрепления по меньшей мере одного направляющего блока на монтажной поверхности посредством по меньшей мере одного соответствующего крепежного болта.
Если необходимо, направляющие блоки могут быть закреплены на монтажной поверхности сваркой. Дополнительно, направляющие блоки могут быть закреплены любыми другими постоянными или целесообразными крепежными устройствами, в том числе, блокирующими штифтами, устройствами с шипом и пазом, сцеплениями с поворотными замками, байонетными фиксаторами и т.д.
.
Предпочтительно, направляющий блок выступает от монтажной поверхности на расстояние, которое меньше расстояния, на которое по меньшей мере некоторые опоры выступают от монтажной поверхности. Предпочтительно, направляющий блок выступает от монтажной поверхности на расстояние, которое меньше расстояния, на которое самая ближняя к направляющему блоку соседняя опора выступает от монтажной поверхности. Если необходимо, по меньшей мере некоторые опоры могут быть заглубленными в монтажную поверхность. Более предпочтительно, направляющий блок выступает от монтажной поверхности на расстояние, которое меньше расстояния, на которое каждая из шарошек выступает от монтажной поверхности. Такое устройство является предпочтительным для предотвращения прямого контакта с горной породой и, соответственно, преждевременного износа направляющего блока. Предпочтительно, по меньшей мере один направляющий блок имеет высоту, составляющую меньше половины высоты опоры, так что шарошки смонтированы не касающимися направляющих блоков. Если необходимо, по меньшей мере один направляющий блок выступает от монтажной поверхности на расстояние, составляющее 10-50%, 15-45% или 25-40% расстояния, на которое опора выступает от монтажной поверхности. Дополнительно, по меньшей мере один направляющий блок может выступать от монтажной поверхности на расстояние, составляющее 10-50%, 15-45% или 25-40% расстояния, на которое шарошки выступают от монтажной поверхности
Предпочтительно, буровая головка содержит один или множество открытых каналов, проходящих аксиально через корпус от монтажной поверхности до задней поверхности. Предпочтительно, направляющий блок или множество направляющих блоков установлено на монтажной поверхности смежно с открытым концом канала (каналов) для отведения выбуренного материала в канал для перемещения от монтажной поверхности до задней поверхности. Если необходимо, один направляющий блок может быть установлен сбоку к одной стороне каждого открытого конца канала или множество направляющих блоков может быть установлено смежно с открытым концом канала. Если необходимо, направляющий блок может быть установлен на или к кромке периметра монтажной поверхности, представляющей радиально самую дальнюю от оси зону буровой головки. Если необходимо, направляющий блок может быть установлен на радиально внутренней зоне монтажной поверхности смежной с приводным валом. Такие конфигурации можно, соответственно, оптимизировать для максимизации сквозного перемещения выбуренной породы от монтажной поверхности в зонах, где накопление отходов может быть проблематичным, вследствие частного распределения шарошек на корпусе. Предпочтительным является такое позиционирование направляющих блоков на монтажной поверхности по периферии или радиально между опорами, где опоры могут быть распределены на той-же или отличающейся периферии и радиально отнесенными друг от друга. Если необходимо, направляющие блоки могут быть установлены асимметрично или симметрично на монтажной поверхности относительно расстановки шарошек (и опор).
Если необходимо, в модульной буровой головке, корпус может содержать основной корпус (ступицу) и по меньшей мере один расширяющий корпус, съемно смонтированный на боковой стороне основного корпуса, причем расширяющий корпус, имеющий соответствующую монтажную поверхность для обеспечения радиального расширения монтажной поверхности основного корпуса. Если необходимо, буровая головка может содержать одинаковые или отличающиеся расширяющие корпуса, монтируемые на боковых сторонах основного корпуса. Если необходимо, буровая головка содержит множество расширяющих корпусов первого типа и множество расширяющих корпусов второго типа для радиального расширения монтажной поверхности и функционального диаметра породоразрушения буровой головки. Соответственно, настоящая головка для бурения восстающей выработки может быть расширяемой и может быть выполнена, как модульная, сегментированная расширяющая ствол скважины головка. Альтернативно, буровая головка может быть выполнена, как интегральная расширяющая ствол скважины головка, в которой один корпус несет множество шарошек и один или множество направляющих блоков.
Если необходимо, сегментированная или расширяемая одним или несколькими корпусами буровая головка может содержать направляющий блок или множество направляющих блоков установленных на монтажной поверхности основного корпуса и/или расширяющего корпуса радиально внутри или радиально снаружи от опор. Такая конфигурация содействует отведению выбуренного материала от монтажной поверхности во всех зонах буровой головки, в том числе в радиально внутренних и радиально наружных частях.
Понятно, что направляющий блок предмета изобретения может иметь любую геометрию для обеспечения направляющей поверхности, выставленной пересекающей монтажную поверхность буровой головки. Если необходимо, по меньшей мере один направляющий блок может быть выполнен, как треугольная призма с одной или двумя направляющими поверхностями, проходящими от вершины направляющего блока. Если необходимо, направляющий блок имеет в общем клиновидную форму и выполнен, как моноблочный компонент. Если необходимо, направляющий блок содержит один или множество сквозных каналов для приема крепежных болтов для монтажа направляющего блока на монтажной поверхности. Если направляющий блок выполнен, как треугольная призма, сквозной канал может быть выполнен через каждую из двух направляющих поверхностей призмы. Если необходимо, направляющая поверхность может быть планарной, изогнутой, профилированной, содержать каналы или направляющие гребни для содействия направлению материала от режущей поверхности. Если необходимо, направляющие блоки могут быть выполнены из металла или металлического сплава и могут содержать износостойкое, с низким трением покрытие на направляющей поверхности для содействия перемещению отходов.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения обеспечено буровое устройство, содержащее головку для бурения восстающей выработки, заявленную в данном документе.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения обеспечен способ бурения восстающей выработки, содержащий обеспечение самоочищающейся головки для бурения восстающей выработки, в котором выбуренный материала перемещается от монтажной поверхности с помощью множества направляющих блоков, выполненных не как одно целое с ними со опорами, и прикрепленных на монтажной поверхности независимо от соответствующего прикрепления опор.
Краткое описание чертежей
Конкретная реализация настоящего изобретения описана ниже, только в качестве примера, и со ссылкой на прилагаемые чертежи на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид устройства для бурения восстающей выработки для создания ствола скважины между первой и второй подземной площадкой с применением буровой головки, на которой смонтировано множество шарошек;
Фиг. 2 - вид в изометрии основного корпуса буровой головки с фиг. 1, на которой смонтировано множество опор, которые несут шарошки (удалены для иллюстрации) и пару направляющих блоков для содействия выбросу выбуренного материала от буровой головки во время породоразрушения согласно конкретной реализации настоящего изобретения;
Фиг. 3 - вид в увеличенном масштабе в изометрии направляющих блоков и монтажной поверхности основного корпуса с фиг. 2;
Фиг. 4 - дополнительный вид в изометрии основного корпуса с фиг. 3 с опорами, удаленными для иллюстрации;
Фиг. 5 - вид в изометрии одного из направляющих блоков с фиг. 4; и
Фиг. 6 - вид сбоку одного из направляющих блоков, опор и шарошек, прикрепленных к монтажной поверхности основного корпуса с фиг. 4.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Как показано на фиг. 1, устройство для бурения восстающей выработки содержит головку для бурения восстающей выработки обозначенную, в целом, ссылочной позицией 105, смонтированную на одном конце удлиненного приводного вала 104, который приводит во вращение буровая установка 103. Буровая установка 103, согласно иллюстративному примеру, смонтирована на первой подземной площадке 101, отделенной от второй подземной площадки 102 слоем горной породы 100. Пилотный ствол 106 скважины выполнен в горной породе 100 в процессе начального пилотного бурения с применением пилотного долота (не показано) прикрепленного к концу приводного вала 104 (обычно состоящего из состыкованных концами резьбовых штанг). Следом за созданием пилотного ствола 106, пилотное долото заменено на конце вала 104 головкой 105 для бурения восстающей выработки, имеющей значительно больший диаметр, чем пилотное долото, для создания ствола 109 большего диаметра. Как вал 104, так и буровая головка 105 смонтированы по центру на продольной оси 111 так, что буровая головка 105 выступает радиально наружу от оси 111 на заданный радиус для получения требуемого диаметра ствола 109. Буровая головка 105 содержит основной корпус 110, на котором смонтировано множество опор 107, которые, несут соответствующие шарошки 108. Основной корпус 110 выполнен с возможностью вращения, когда буровая установка 103 вращает вал 104, при этом каждая шарошка 108 также независимо вращается, врезаясь в горную породу 100 при подтягивании вала 104 аксиально к буровой установке 103, и буровая головка 105 поднимается вертикально в горной породе 100 от второй площадки 102 до первой площадки 101.
Как показано на фиг. 2, основной корпус 110 выполнен, как расширяемая или модульная расширяющая ствол скважины головка, в которой центральная часть обеспечивает крепление боковых надставок или крыльев (не показано). В частности, основной корпус 110 содержит боковые стенки 204 и соответствующие крепежные соединительные элементы 203, 210 установленные для скрепления надставок головки (не показано) в упор или противоположно боковым стенкам 204 для увеличения диаметра буровой головки 105 относительно оси 111. Основной корпус 110 содержит планарную монтажную поверхность, указанную, в общем, ссылочной позицией 200, которая содержит цилиндрический сквозной канал 201 (образованный круглым проемом 208 в монтажной поверхности 200) с центром на оси 111, проходящий аксиально через основной корпус 110 от монтажной поверхности 200 до задней поверхности 202, к которой крепится приводной вал 104 на буровой головке 105. Монтажная поверхность 200 также содержит множество проемов 211, распределенных вокруг центрального канала 201, которые по меньшей мере частично, образуют каналы 205, которые также проходят от монтажной поверхности 200 до задней поверхности 202. Каналы 205 открыты на обеих поверхностях 200, 202 для обеспечения сбрасывания вниз (под действием силы тяжести) выбуренного материала от монтажной поверхности 200 до задней поверхности 202 для падения затем ниже буровой головки 105. Соответственно, монтажная поверхность 200 разделена на множество перекладин 209, проходящих радиально от кромки 207 наружного периметра до центрального канала 201.
Каждая перекладина 209 обеспечивает монтажную зону для одной или множества опор 107, на каждой из которых смонтирована, соответственно, шарошка 108 (удалены на фиг. 2 и 3 для иллюстрации). Каждая опора 107 выступает вверх от монтажной поверхности 200 в направлении оси 111 и приводного вала 104. Согласно конкретной реализации, направляющий блок 206 также прикреплен к монтажной поверхности 200 на радиально внутренней зоне двух диаметрально противоположных перекладин 209. Направляющие блоки 206 установлены радиально с внутренней стороны от соответствующих опор 107 для позиционирования радиально между опорой 107 и центральной осью 111 (и приводным валом 104) во время применения.
Как показано на фиг. 3-5, каждый направляющий блок 206 выполнен, как моноблочный корпус в виде треугольной призмы, имеющей базовую поверхность 400, закрепленную в контакте с монтажной поверхностью 200 основного корпуса 110. Пара, по существу, планарных наклонных направляющих поверхностей 300a, 300b выступает вверх от базовой поверхности 400 и вместе образует вершину или ребро 500. Пара в общем вертикальных боковых поверхностей 501 проходит перпендикулярно базовой поверхности 400 с каждой боковой стороны наклонных направляющих поверхностей 300a, 300b. Соответственно, когда направляющий блок 206 смонтирован в нужном положении на монтажной поверхности 200, направляющие поверхности 300a, 300b проходят пересекающими в общем горизонтальную планарную монтажную поверхность 200. Согласно конкретной реализации, удлиненная вершина 500 выставлена вдоль радиально проходящей перекладины 209, на которой смонтирован направляющий блок 206, и также соответствующей осевой линии (также проходящей в радиальном направлении от оси 111), вокруг которой шарошка 108 выполнена с возможностью вращения, когда смонтирована на опоре 107 при установке радиально снаружи и смежно с направляющим блоком 206 на одной перекладине 209. Соответственно, направляющие поверхности 300a, 300b наклонены вверх от боковых сторон 303 перекладины 209 так, что выбуренному материалу предоставлена возможность скользить вниз по поверхностям 300a, 300b для падения затем в каждый канал 205 до каждой боковой стороны 303 перекладины 209.
Каждый направляющий блок 206 содержит пару сквозных каналов 301, которые проходят от каждой соответствующей направляющей поверхности 300a, 300b до базовой поверхности 400, для приема крепежных болтов (не показано) для съемного прикрепления каждого направляющего блока 206 к основному корпусу 110 на монтажной поверхности 200. Болты (не показано) крепятся в резьбовых каналах 401, проходящих аксиально в основной корпус 110 от монтажной поверхности 200. Соответствующие резьбовые каналы 402 также обеспечены на каждой перекладине 209 для съемного прикрепления опоры 107 посредством отдельных соответствующих болтов, принятых в соответствующие сквозные каналы 302, выполненные в базовой зоне опоры 107.
Благодаря конфигурированию монтажной поверхности 200 с множеством резьбовых каналов 401, 402 на разных местах, и посредством подходящих крепежных болтов (не показано) направляющие блоки 206 и опоры 107 независимо и съемно смонтированы на основном корпусе 110.
Как показано на фиг. 6, каждый направляющий блок 206 выступает вверх от монтажной поверхности 200 на расстояние A, соответствующее вертикальной высоте вершины ребра 500 от монтажной поверхности 200. Каждая опора 107 содержит пару выступающих вверх кронштейнов 600 для приема шарошки 108 между ними для вращения вокруг оси 603. Каждый кронштейн 600 содержит самый верхний конец 601, который проходит вертикально от монтажной поверхности 200 на расстояние B. Шарошка 108 содержит множество режущих вставок 602, которые представляют ведущие самые верхние компоненты шарошки 108, выполненные с возможностью взаимодействия с горной породой 100 и ее разрушения. Режущие вставки 602 отнесены на максимальное расстояние C от монтажной поверхности 200, когда шарошка 108 вращается вокруг оси 603. Желательным является монтаж направляющего блока 206 (по высоте в аксиальном направлении) ниже самой верхней зоны породоразрушения шарошек 108 и самого верхнего конца 601 опор 107 для предотвращения повреждения направляющего блока 206 вследствие контакта с плоскостью 100 забоя и уменьшения производительности породоразрушения и скорости бурения головки 105. Соответственно, вершину 500 позиционируют в нижней половине высоты опоры 107 и значительно ниже верхней зоны породоразрушения шарошки 108. В частности, расстояние A составляет приблизительно 30-40% расстояния B и 25-37% расстояния C. Дополнительно, согласно конкретной реализации, длина направляющих блоков 206 меньше соответствующей длины каждой опоры 107 в радиальном направлении перекладины 209. В частности и согласно конкретной реализации, длина направляющего блока 206 немного больше половины длины опоры 107. Согласно конкретному варианту осуществления, показанному фиг. 2-6, направляющие блоки 206 выполнены с возможностью предотвращения накопления отходов на радиально внутренней зоне монтажной поверхности 200, благодаря направлению выбуренного материала в каналы 205 посредством направляющих поверхностей 300a, 300b.
Согласно дополнительным конкретным вариантам осуществления, направляющие блоки 206 могут содержать, в общем, криволинейные направляющие поверхности 300a, 300b, где кривая линия может быть вогнутой или выпуклой в аксиальном направлении перпендикулярно монтажной поверхности 200. Дополнительно, каждый направляющий блок 206 может содержать одну направляющую поверхность (300a или 300b) или может содержать множество направляющих поверхностей, где направляющий блок выполнен, как многогранник. Согласно дополнительным вариантам осуществления, направляющие блоки 206 могут быть съемно установлены к кромке 207 периметра для предотвращения накопления материала отходов на периметре основного корпуса 110 и между основным корпусом 110 и расширяющим корпусом (не показано), прикрепленным на одной или нескольких боковых стенках 204.
Настоящая расширяющая ствол скважины головка может содержать множество направляющих блоков 206 одинаковой или отличающейся формы и может иметь симметричное или асимметричное распределение направляющих блоков 206 на монтажной поверхности 200.