專利名稱：鉆探設(shè)備、方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是可用于地質(zhì)技術(shù)學(xué)、采礦及挖掘目的的螺旋刮刀鉆頭和巖石錨栓系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及到使用這種螺旋刮刀鉆頭的方法，和包含有這種螺旋刮刀鉆頭和巖石錨栓的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
已知的鉆探系統(tǒng)可以使用牙輪鉆頭(roller cone bits)，它們是通過連續(xù)地在鉆孔基部擊碎巖石而工作的。由于通常巖石是抗擊碎的，所以牙輪鉆頭是不利的。已知的其它巖石鉆探系統(tǒng)使用的是刮刀鉆頭。傳統(tǒng)的刮刀鉆頭是通過在鉆孔基部來剪切巖石而工作的。由于巖石剪切的抗力比對擊碎的抗力一般要小，所以刮刀鉆頭比牙輪鉆頭可以更加有效。
最先進(jìn)的巖石切割過程都伴隨有某些切割工具的剪切作用或者磨削(grinding)運(yùn)動。這些切割作用導(dǎo)致了有噪聲的工作環(huán)境，而且討厭的激烈振動被傳送到鉆探機(jī)組基地建筑物。在任何鉆探過程中“鉆頭上的重量(weight on bit)”都是重要的參數(shù)之一，它就是切割過程中作用在鉆頭上的軸向力。這個力一般比較大，可以由鉆探機(jī)器對鉆出表面的固有錨固而產(chǎn)生，或者作為選擇，鉆頭上的重量可以由鉆探機(jī)組結(jié)構(gòu)自身的重量所提供。
Foster的美國專利5,641,027(‘027專利；授予UTD Incorporated)公開了一種鉆探系統(tǒng)，這種系統(tǒng)包含的鉆頭具有排列成螺旋圖案的螺紋切割部件。隨后的每個切割部件都是楔形的，因此鉆頭切割的螺線是分段的，也就是說是“突變的”(snapped off)‘027專利所公開的鉆頭適于對引導(dǎo)鉆頭形成的鉆孔進(jìn)行擴(kuò)大，‘027專利的全部都被引證在此作為參照。
低反作用力鉆探(LRFD)，例如在‘027專利中公開的，是一種低能量、低質(zhì)量、自推進(jìn)式的鉆探系統(tǒng)。與適合于同樣鉆探目的的其它發(fā)明前的已知工藝相比，研究已經(jīng)表明能量消耗至少少五分之四。LRFD的顯著優(yōu)點是它的與其獨(dú)特的巖石切割機(jī)制有關(guān)的低能鉆探能力、它的由于其系留井下電機(jī)和吊桶構(gòu)造而造成的基本無邊限深度能力、它的由自包含扭矩所造成的自推進(jìn)的能力、以及由對抗多重同心巖石切刀和頂靠著(bracing against)巖石或表層巖所造的成鉆頭上的重量。LRFD另外的優(yōu)點可以在其非熱變質(zhì)的無損傷大試樣產(chǎn)品(＞1cm3)中發(fā)現(xiàn)，位置已知在15mm之內(nèi)，最后，它生成孔的直徑大，在鉆孔期間和后來可供井下儀表設(shè)備之用。
這種系統(tǒng)已經(jīng)有了在大范圍材料中通過千米級鉆探的淺鉆探應(yīng)用(1到200米)。在一種新式刮刀鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)中，利用此系統(tǒng)的優(yōu)點，而同時減輕新式鉆頭系統(tǒng)的不利特征是有好處的。
具有使用較少動力資源的，而且可以在有或沒有液體潤滑的情況下工作的螺旋刮刀鉆頭是有好處的。如果這種刮刀鉆頭可以在極寒冷和接近真空的條件下工作也是有好處的，例如在外星位置上發(fā)現(xiàn)就是這樣。
在鉆探期間，在野外，特別是在現(xiàn)場得到巖石的精確抗壓強(qiáng)度測量是困難的，這是地質(zhì)學(xué)家或是其他巖石力學(xué)研究者遇到的一個問題。在常規(guī)的鉆探中，必須同時監(jiān)視幾個鉆探變量，以便來解釋巖性學(xué)的變化，這包括有撞擊、旋轉(zhuǎn)速度、扭矩和穿透速率。的確這樣，這是因為對于每個常規(guī)鉆頭旋轉(zhuǎn)來說，除去材料的數(shù)量是所有這些變數(shù)的函數(shù)。對于地質(zhì)技術(shù)系統(tǒng)來說，讓地質(zhì)學(xué)家和其他人能在現(xiàn)場得到精確的基質(zhì)特性測量是有好處的。
在采礦工業(yè)中，煤礦冒頂一直是地下煤礦員工面對的最大的安全危害。用于在煤炭和硬巖礦山中使巖石穩(wěn)定防止這種事件的主要支撐技術(shù)是巖石錨栓或纜索錨栓。這兩種主要支撐技術(shù)包括有在巖石中鉆孔，以及在這些孔中建立錨固的過程。當(dāng)今死亡事故和傷害的記錄強(qiáng)調(diào)指出需要對這些工作進(jìn)行改進(jìn)。
作為抗冒頂?shù)闹饕獛r石加固設(shè)備，巖石錨栓起重要作用。正如NIOSH從巖石錨栓制造商那里所收集到的，1999年美國的采礦工業(yè)中大約使用了1億個巖石錨栓。其中大約80％使用了水泥漿作為把錨栓錨固到巖石上的手段(從1991年的大約48％開始)，大量的剩余巖石錨栓百分?jǐn)?shù)是使用機(jī)械錨件。公路和鐵路通過山地的挖掘通道也廣泛使用巖石錨栓或纜索錨栓來使巖體穩(wěn)定。
雖然大量錨固技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來，但是水泥漿和機(jī)械膨脹錨栓還是更通用的，在美國煤礦中使用的巖石錨栓超過99％，使用機(jī)械錨拴的減少歸于這樣一個事實灌水泥的巖石錨栓把它們加在巖石上的錨固負(fù)載分配在一個較大的區(qū)域上，一般會產(chǎn)生較好的固定特性。
已經(jīng)對巖石錨栓，作為頂板控制方案的一個重要貢獻(xiàn)者，進(jìn)行了研究，來確定最佳安裝間距、長度以及錨固與地質(zhì)條件的匹配。巖石錨栓支撐礦山頂部的主要方法通常如下所述橫梁建造(把許多巖梁結(jié)合在一起，因而它們表現(xiàn)得像一根大的單跨梁一樣)，把不牢固的破裂地基懸掛在更牢固的地層、壓力拱和分離的支柱上。纜索栓固(bolting)(這里用纜索代替鋼桿作為錨栓)實現(xiàn)同樣的功能。雖然巖石錨栓在減輕巖體斷裂中起著重要作用，但是為了生成穩(wěn)固的礦山環(huán)境，許多其它礦山設(shè)計因數(shù)開始起作用，這包括(然而并非局限于)孔道尺寸、挖掘順序、錨栓錨件和長度與孔道和地質(zhì)條件的匹配、以及安裝時機(jī)等。盡管這些其它因素很重要，但是如果巖石穩(wěn)定中使用的巖石錨栓性能不好，礦工還是處在危險中。
已經(jīng)查明冒頂附近錨栓的安裝特性對斷裂是起作用的。一個有案可查經(jīng)常發(fā)生的巖石錨栓斷裂機(jī)理是水泥漿失去了與螺栓孔巖壁的剪切結(jié)合(shear bond)。相對于錨栓的直徑、樹脂對水泥型的水泥漿、巖石類型以及孔的狀況來說，對水泥漿與巖體互鎖的完整性的主要貢獻(xiàn)是孔的直徑。
平滑的錨栓孔總是在墻壁粗糙的孔上造成巖石錨栓載荷能力的減少。為了說明這個，螺栓孔鉆頭制造商在他們的制造中在鉆頭頂點的中心處故意減少公差，并對鉆頭切刀的插入件進(jìn)行設(shè)置，使得鉆探時引入擺動，以及松開鉆頭對鉆桿的固定，最后的結(jié)果是在孔壁上留下巖脊，這種方法一般會導(dǎo)致錨固能力的增加。然而，即使是有了這些螺栓孔平滑度的變化，錨固能力增加了，但是巖石-水泥漿分界面的斷裂仍然是經(jīng)常發(fā)生的。
雖然迄今為止已經(jīng)對巖石錨栓進(jìn)行了大量的研究，但是在可以導(dǎo)致巖石錨栓性能巨大改善的領(lǐng)域中仍然存在著缺口。例如，已經(jīng)進(jìn)行了重要的拉力試驗的研究，已經(jīng)為最大錨定能力驗明了孔的直徑對錨栓直徑的最佳比率，而且還查明了孔的狀態(tài)對最終固定能力有重要貢獻(xiàn)。在巖石錨栓固定能力中的比較沒有查明的特點是孔的幾何形狀。為了改善固定能力，使螺栓孔幾何形狀最佳化是有好處的。
在巖石錨栓孔的鉆探方面，還遇到了另外的問題灰塵和噪音。在大多數(shù)巖石錨栓鉆探作業(yè)期間，操作者直接站著操縱，雙腳離開機(jī)械設(shè)備和實際的鉆探過程。NIOSH進(jìn)行的研究已經(jīng)查明煤礦中頂栓周圍可能會有高的硅石灰塵水平，并把許多原因都?xì)w于鉆探過程中所使用空氣的真空收集和過濾。雖然NIOSH已經(jīng)進(jìn)行了灰塵危險性和健康影響的重要研究(早先是由美國內(nèi)政部，礦山公署進(jìn)行的)，但是為巖石錨栓鉆探者改善環(huán)境的措施幾乎都被限制在工人的防護(hù)行動上。
還研究了采礦機(jī)械附近的噪音。減輕高噪音等級的工程解決方案總是比行政的解決方案或個人的防護(hù)設(shè)備要來得好。關(guān)鍵是使得這些工程解決方案低成本。
同樣，灰塵防護(hù)設(shè)備是有用的，但是有意設(shè)計的低灰塵解決方案卻為改善礦工安全及健康環(huán)境中的無縫結(jié)合(seamlessincorporation)和效益提供了更大的機(jī)會。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及的是新式螺旋刮刀鉆頭以及包含有這種螺旋刮刀鉆頭的系統(tǒng)，還涉及使用它們的方法。本發(fā)明在很大程度上克服了發(fā)明前已知工藝的缺點。因此，按照本發(fā)明的一個方面，螺旋刮刀鉆頭裝有一或多個螺旋定位的切割臂，當(dāng)它們定位在離開刮刀鉆頭尖端的運(yùn)動方向時，會增加徑向長度。此切割臂在預(yù)先打的導(dǎo)向孔的側(cè)壁上產(chǎn)生螺旋溝道的幾何形狀。
在一個可供選擇的實施例中，切割臂終止在劃痕切割刀片中。這些切割刀片用來向孔的側(cè)壁中切割一個比較平滑的導(dǎo)向鉆孔延伸，從而擴(kuò)大孔徑。這個實施例的切割臂可以與以前沒有劃痕刀片的實施例的切割臂一起使用，或是由它們自己使用。
螺旋刮刀鉆頭的實施例可以被結(jié)合到用來測量鉆出基質(zhì)的地質(zhì)技術(shù)特性的系統(tǒng)和方法中。在鉆探期間，這種測量可以在現(xiàn)場進(jìn)行。
螺旋刮刀鉆頭可以使用在用于改善巖石錨栓和類似裝置的固定能力的系統(tǒng)和方法中，它們都是在采礦工業(yè)或任何顆粒狀基質(zhì)能從支撐中受益的環(huán)境中使用。螺旋刮刀鉆頭可以生成一種改善了的巖石錨栓孔的幾何形狀，它可以與機(jī)械或化學(xué)的固定手段相作用，以改善這種支承結(jié)構(gòu)中的拉出能力。傳統(tǒng)的以及新的巖石錨栓(具有新式結(jié)構(gòu))可以與這個改善了的孔的幾何形狀一起使用。這種新的巖石錨栓可以包含有螺旋刮刀鉆頭的設(shè)計或可以同樣方式開鑿巖石錨栓孔。
參考附圖，從以下詳細(xì)的討論中可以更好地理解以上所述的和其他的優(yōu)點。


圖1a和1b是本發(fā)明實施例螺旋刮刀鉆頭刮板(flight)部分的視圖；圖2a和2b是本發(fā)明實施例螺旋刮刀鉆頭刮板部分的視圖；圖3a和3b是本發(fā)明實施例螺旋刮刀鉆頭刮板部分在制造時的視圖；圖4a和4b是本發(fā)明實施例切割臂插入件的視圖；圖5a和5b是本發(fā)明實施例螺旋刮刀鉆頭刮板部分的視圖，圖5b是圖5a中視圖一部分的細(xì)節(jié)。
圖6是本發(fā)明實施例螺旋刮刀鉆頭刮板部分的透視圖；圖7是本發(fā)明實施例兩個螺旋刮刀鉆頭刮板部分的視圖；圖8是本發(fā)明實施例多層螺旋刮刀鉆頭刮板部分的視圖；圖9是裝有本發(fā)明實施例螺旋刮刀鉆頭的鉆探系統(tǒng)的視圖；圖10是圖9中本發(fā)明實施例鉆探系統(tǒng)的視圖，它表現(xiàn)為相繼的鉆探階段0-4；圖11表示了由本發(fā)明實施例的一個裝置所形成孔的詳細(xì)視圖；圖12是具有本發(fā)明實施例劃痕切割臂的兩個螺旋刮刀鉆頭刮板部分的視圖；圖13是具有本發(fā)明實施例劃痕切割臂的螺旋刮刀鉆頭刮板部分的視圖；圖14-16是本發(fā)明示范實施例的基質(zhì)和巖石錨栓的橫切面視圖；圖17是一張比較圖，它把發(fā)明前已知工藝巖石錨栓孔中使用的傳統(tǒng)巖石錨栓的拉出強(qiáng)度與結(jié)合本發(fā)明實施例所形成巖石錨栓孔而使用的傳統(tǒng)巖石錨栓的拉出強(qiáng)度進(jìn)行了比較；圖18表示了本發(fā)明示范實施例的基質(zhì)和巖石錨栓的橫截面視圖；圖19a-19d表示了本發(fā)明示范實施例的基質(zhì)和巖石錨栓的橫截面視圖；
圖19e和19f表示了本發(fā)明示范實施例的基質(zhì)和巖石錨栓的橫截面視圖；以及圖20a-20c表示了本發(fā)明巖石錨栓的示范性實施例。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及的是螺旋刮刀鉆頭、包含此鉆頭的系統(tǒng)以及利用這種鉆頭和系統(tǒng)的方法。在整個的詳細(xì)說明中，術(shù)語“螺旋刮刀鉆頭”和“螺旋切刀”是可以交換使用的。術(shù)語“刮板”是指分段鉆頭軸的，包含有切割臂的部分。術(shù)語“切割臂”與“切刀”可以互換。術(shù)語“樹脂”和“水泥漿”也可以交換使用。
本發(fā)明的螺旋刮刀鉆頭提供一個推進(jìn)機(jī)構(gòu)，這個機(jī)構(gòu)使切刀沿著導(dǎo)向孔的周圍做運(yùn)動，這個導(dǎo)向孔，例如，是一個導(dǎo)向的巖石錨栓孔。同樣，這個鉆頭使切刀沿著導(dǎo)向孔的長度方向前進(jìn)，從而向?qū)蚩椎膫?cè)壁中引入了加工成的凹槽。切刀沿著導(dǎo)向孔圓周和長度方向的運(yùn)動速度是可以獨(dú)立改變的，以便生成不同的幾何形狀，這包括偶數(shù)的和奇數(shù)的有間距凹槽。
本發(fā)明螺旋刮刀鉆頭的兩個示范性實施例都有螺旋定位的切割臂10，如圖1a，1b和2a，2b所示，它們在鉆頭軸12的外表面上隔開一定距離。圖1b表示了圖1a中鉆頭刮板20的頂視圖，而圖2b則表示了圖2a中鉆頭刮板20的頂視圖。這些圖表示的鉆頭刮板20具有切割臂10，對于每一個切割臂10來說，此切割臂都離開鉆頭軸12以徑向長度14延伸(從轉(zhuǎn)動中心開始測量)。徑向長度14一般相當(dāng)于單個臂10的切割深度。臂10的徑向長度14可以如圖2b(和圖8)所示，隨著每個單獨(dú)臂10從底部臂10a至頂部臂10b而增加，因此每個相繼的臂10在離開鉆頭軸12尖端的運(yùn)動方向都具有一個比較深的切割深度(參見圖8)。
3a和3b畫出了在切割臂10制造時典型鉆頭刮板20的頂視圖和側(cè)視圖，如圖所示，臂10設(shè)計得能以螺旋的方式行駛，沿著一定螺旋軌道具有均勻的軸向螺距18，類似于自啟動螺紋絲錐(thread tap)。鉆頭刮板20制造得具有插孔38，它在鉆頭系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)期間被用來疊起鉆頭刮板20以及使疊起的刮板20轉(zhuǎn)動。插孔38可以有任何適當(dāng)?shù)男螤睿亲詈檬菆A形的，有形成六邊形的鏜孔。鉆頭刮板20最初可以制造得具有連續(xù)的螺旋形螺紋10a，隨后加工成具有選定徑向長度14和幾何形狀的單個切割臂10。如圖1a-2b和6-8所示，切割臂10的各種幾何形狀都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。如圖8所示，鉆頭的基本刮板部件20可以與更多刮板20一起疊起起來，后者也具有在離開尖端16的方向上不斷增加徑向長度14的切割臂10。因此，在低能量鉆頭中可以實現(xiàn)想要的最大切割深度。
圖4a和4b表示了邊緣插入件11，在本發(fā)明實施例(參見圖9)中它們可以是切割臂10的一部分。這種邊緣插入件11通常是通過銅焊連接到臂10上。與原來的臂10相比，這些插入件11可以提供更好的切割材料。插入件11，例如，可以是多晶金剛石或碳化物。在較小的切割臂10上，如圖5a和5b所示，在鉆頭軸12中提供有槽穴(pocket)13，用于把插入件11銅焊在臂10上。在一個可供選擇的實施例中，切割臂10的切割刃可以裝在切割臂10中，而不需要一個插入件。當(dāng)切割臂10是用熱處理合金制成的或者當(dāng)它們是做成一次性使用時，例如象在自鉆探錨栓的場合，就是這種情況。
使用螺旋刮刀鉆頭對導(dǎo)向孔的側(cè)壁進(jìn)行進(jìn)一步地切割，以便實現(xiàn)一個修改過的側(cè)壁幾何形狀。鉆頭挖掘?qū)蚩椎膫?cè)壁，沿著鉆出孔的深度方向留下一個輪廓分明的螺旋的或者交錯的切槽。切進(jìn)側(cè)壁內(nèi)的最終深度取決于最大的軸向切割臂長度14。在切割期間，由于臂10的形狀，碎屑(debris)可以從切割區(qū)除去并而被“掃”向孔的中心。切片然后就在液壓的、氣壓的、或者空心鉆桿(hollow stem)螺旋推進(jìn)的過程中從鉆孔除去。展望了使用此鉆頭的其他實施例、方法和系統(tǒng)。
圖6表示了在鉆頭疊起后面階段要使用的鉆頭刮板20。如圖所示，刮板20的切割臂10比，例如，圖1a和2a中所示的要長許多。圖6還表示了其中使用了截然不同切割臂10幾何形狀的實施例。圖6中所示切割臂10也終止在邊緣插入件11處，它提供增強(qiáng)了的切割能力。圖7表示了一對鉆頭刮板20a和20b，并給出初始刮板20a和后面刮板20b之間的某些對照，這里的初始刮板具有較短的切割臂10，而后面的刮板則具有較長的切割臂10。至于刮板20對切割系統(tǒng)是如何疊起的，圖8提供了更多的前景，并表示了初始切割臂10a和終止切割臂10b之間的長度差異。
圖9表示了一個裝有本發(fā)明實施例螺旋刮刀鉆頭的LRFD系統(tǒng)22。這個系統(tǒng)22主要由井下部件組成，這包含有鉆頭系統(tǒng)24、吊桶(bailingbucket)26、井下電機(jī)/齒輪箱28、碎屑存貯盤30、護(hù)套(sheath)32、定向鉆頭34和螺旋推進(jìn)器(auger)36組成。LRFD在鉆孔中的提升和下降是由地面上的三腳架和絞車系統(tǒng)實現(xiàn)的。
如圖10所示，巖石或土壤的粉碎(comminution)是幾個螺旋切刀部件(例如刮板20)逐次加工而完成的。每個螺旋切刀的單個動作都依賴于一種反作用力的能力，而這種反作用力則保持著不動的螺旋切刀與巖石或土塊有摩擦接觸，這就允許系統(tǒng)22自我推進(jìn)，一步一步地通過大范圍的基質(zhì)材料。單個部件的作用還減少瞬時的功率需求。在圖10中，階段0表明在一個鉆井周期開始前的鉆孔系統(tǒng)22。階段1包括有使導(dǎo)向鉆頭34在鉆探系統(tǒng)22重量和最小轉(zhuǎn)動反作用力的影響下推進(jìn)到巖石或表土(regolith)之內(nèi)。
仍然參考圖10，護(hù)套32遮蓋著螺旋推進(jìn)器36的引導(dǎo)軸，并允許把引導(dǎo)切片傳輸?shù)轿挥诼菪械断到y(tǒng)24上面的吊桶26。一旦延伸到最大范圍，如階段1中所示，(在本發(fā)明的一個實施例中可以大約為0.3m，如果工作在高度破碎的巖石、粗石或沙子中可以低些)，導(dǎo)向鉆頭34就地旋轉(zhuǎn)，讓螺旋推進(jìn)器36(在護(hù)套32里面)沿著它的軸傳送切片離開導(dǎo)向孔區(qū)域。然后護(hù)套32縮回，與第一個螺旋形刮板20相嚙合。第一個螺旋形刮板20然后旋轉(zhuǎn)并如階段2所示，由護(hù)套32按規(guī)定的速率向前刺入。刮板20在導(dǎo)向孔的側(cè)壁中生成一個像螺旋凹槽一樣的螺紋(thread)，而此導(dǎo)向孔側(cè)壁則是由導(dǎo)向鉆頭34產(chǎn)生的。在階段3中，護(hù)套32的驅(qū)動管從第一刮板20縮回，與第二螺線刮板20相嚙合。階段4描繪了這樣一個階段，在這個階段，第二刮板20達(dá)到它行程的終端。剩下的螺旋形刮板20以連貫地方式單獨(dú)前進(jìn)，到達(dá)底部，使得巖石中的螺紋凹槽加深。
螺旋推進(jìn)軸的目的是驅(qū)動此導(dǎo)向鉆頭34，把巖石切割碎屑輸送到一個吊桶容器中。表格I概括了在各種基質(zhì)中如圖10中所示本發(fā)明典型

圖11表示了利用本發(fā)明實施例的裝置所生成的孔，這個孔在巖石15中包含有指定螺距的螺紋19。螺旋切刀裝的基本刮刀鉆頭就要與巖石15中的螺旋凹槽19相切。在這種螺旋線螺距18的基礎(chǔ)上，在巖石15中生成了可查出的螺紋凹槽19，這就便于井下反作用力的發(fā)展和取出還沒有經(jīng)過過度熱負(fù)荷的巖樣。通過對切割臂10的螺距18、單個切割臂10的厚度、傾角(rake)和后隙角(back angle)、切割臂10的截面幾何形狀，以及每一刮板20的切割臂10的數(shù)目進(jìn)行修改，可以在一寬的范圍內(nèi)對幾個鉆井參數(shù)進(jìn)行修改。對已給出的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)來說，受此影響的參數(shù)包括有的軸向力、扭矩和效率。
如圖1b，2b，3a和6-8所示，對于切刀插孔38的內(nèi)部設(shè)計給予了特別的注意。通過插孔38內(nèi)部表面中的主要凹槽和護(hù)套驅(qū)動器的主要支桿，刮板20和護(hù)套驅(qū)動器之間的嚙合是可能做到的。為了使刮板20與驅(qū)動軸相嚙合，此驅(qū)動器通過螺紋擰進(jìn)切刀插孔38中。一旦驅(qū)動器到達(dá)插空38內(nèi)的設(shè)定位置，導(dǎo)向鉆頭34的反向旋轉(zhuǎn)就會激活凸輪系統(tǒng)，提升此驅(qū)動器使其支桿嚙合到插孔38的凹槽中。切割臂刮板20和護(hù)套驅(qū)動器之間的嚙合設(shè)計成能在傳送具有高邊際強(qiáng)力(strengthmargin)的切割扭矩時，平滑地把此插孔鎖定在切割模式脫和離開此模式。
在鉆探一個63mm直徑的孔并前進(jìn)通過1.89m砂巖的情況下，平均功率消耗大約為225Watt-hrs/m。按照本發(fā)明實施例，使用本發(fā)明的系統(tǒng)22，能達(dá)到的功率消耗大約為100Watt-hrs/m。在砂巖中的功率消耗平均大約為385MJ/m3，而在石灰?guī)r中的功率消耗平均大約為300MJ/m3。
在本發(fā)明的一個實施例中，對實驗室中使用的一個設(shè)計原型來說，系統(tǒng)22的質(zhì)量已表明明大約為45kg。系統(tǒng)22的許多物件最好是可拆卸的。考慮到這種情況，已經(jīng)表明按照本發(fā)明實施例，整個系統(tǒng)22的質(zhì)量可以減少到大約16kg。
按照本發(fā)明實施例，大于1cm3的巖石碎片可以從孔中回收，而且能知道15mm以內(nèi)樣品的起源位置。
對于一個如圖9中所示的分離式自驅(qū)動地下自系留鉆探系統(tǒng)22的另一個本發(fā)明實施例來說，不是把整根軸深深地插入(plunging)到基質(zhì)中，而是考慮了一個可供選擇的策略。與先前的鉆探系統(tǒng)和方法相反，這樣一個系統(tǒng)22的重量可以是輕的，以便當(dāng)向下推進(jìn)自身，尾隨細(xì)的功率和通訊電纜的時候，它只需要足夠的功率來完成鉆探任務(wù)。與表面絞車相連的一根輔助細(xì)金屬繩可以與這個系統(tǒng)22連接起來，以便提升和清除科學(xué)樣品以及余下的鉆探過程切片。從鉆探過程中除去鉆具組(drill string)可顯著地減少主系統(tǒng)22部件的重量，以及減少鉆探任務(wù)的功率消耗。盡管鉆具組系統(tǒng)受到它們可以達(dá)到的最終深度的限制，但是自備系留系統(tǒng)22幾乎可以到達(dá)任何所希望的目的。
在圖12和13所示的一個可供選擇的實施例中，每個切割臂10都終止在劃痕切割刀片40中，相對于此軸向的臂長14成垂直定位，沿著刮刀鉆頭本體12的外圓周長的切線方向。劃痕切割刀片40用來切割一個比較平滑的鉆孔延伸，以擴(kuò)大孔17，這與上述第一個實施例所形成的螺旋或交錯溝道(trench)19相反。當(dāng)除去的時候，來自螺旋刮刀鉆頭第二實施例的碎屑可能類似于一個線卷，彈簧，或者“富于曲線的體態(tài)(slinky)”，或者碎屑可以破碎以便除去。
這個實施例提供一種螺紋脫扣(thread stripping)(因而除去樣品)的新途徑。如圖12所示，切刀刮板20裝有碳化鎢劃痕切割刀片40，可以在螺旋凹槽最深處，在每個巖石螺紋19的頂部和底部切割一個切口。相繼的劃痕切割刀片40，如圖13中所示，切割得此切口越來越深，直到整個巖石螺紋19被挖掘下來，然后收集到吊桶底部中作為樣品。
圖12和13中所說明的實施例實現(xiàn)了一種低能量的鉆頭，并提供一個擴(kuò)大導(dǎo)向孔17的高級裝置。使用本發(fā)明的鉆孔延伸切割不需要027專利的裝置所做的那種螺旋切割的“突然中斷(snapping off)”。這個實施例可以與圖9的系統(tǒng)22一起使用，這里螺紋刻痕器(scorers)40前進(jìn)，把巖脊(rock ridges)破碎作為科學(xué)樣品。對于大約80mm的最終孔徑(實際完工的孔徑范圍可以是50mm到250mm)來說，由螺紋破碎形成的碎片長度大約可為2到3cm。碎片可以收集到吊桶26中，同時來自引導(dǎo)螺旋推進(jìn)軸的引導(dǎo)切片可以被收集在一分離的吊桶室中。沿著一個完整的鉆井周期，此吊桶然后能被絞車金屬線路系統(tǒng)提升到地面。
通過測量使此螺旋切刀推進(jìn)所需的扭矩，此螺旋刮刀鉆頭可以用作測量鉆出基質(zhì)15(例如巖石)的性質(zhì)，如圖11中所示。本發(fā)明這樣一個實施例的優(yōu)點是在鉆探期間，能在野外現(xiàn)場直接進(jìn)行巖石抗壓縮強(qiáng)度的測量，而且還能消除與發(fā)明前已知工藝的抗壓強(qiáng)度試驗技術(shù)相關(guān)聯(lián)的異常反彈(bounce)，因此能現(xiàn)場提供可靠的地質(zhì)技術(shù)測量。
測量了螺旋刮刀鉆頭前進(jìn)通過的巖石基質(zhì)15的抗壓強(qiáng)度，在某種程度上，這是根據(jù)(i)螺旋鉆頭切割臂10的設(shè)計以及根據(jù)(ii)讓螺線鉆頭轉(zhuǎn)動通過巖石15所需的扭矩。雖然每個相繼的臂10都可以有一個越來越大的軸向長度14，但是對每一個來講，切割深度一般是一樣的，并且所有臂10的平均切割深度都能被用來測量計算。螺旋刮刀鉆頭和每一個臂10上的扭矩是個已知的變量，它可以被控制或者測量。
如圖9所示，包含有螺旋鉆頭的鉆孔系統(tǒng)22可以與計算機(jī)42或者其它裝置相連，而它們則都裝有計算巖石15的抗壓強(qiáng)度的軟件，在某種程度上，這是基于螺旋刮刀鉆頭的設(shè)計以及此鉆上的扭矩。由于螺旋刮刀鉆頭設(shè)計成具有反向臂10，所以反彈異常被改正過來。由于在使用期間螺旋刮刀鉆頭的臂10永遠(yuǎn)是相反的，而且具有遞增的長度，所以是不可能有反彈機(jī)會的，而且臂10總是在切割，在螺線鉆頭上造成了平衡力。
螺線刮板20的幾何形狀提供了力的對稱，以致于作用在每一個切刀上的法向力由刮板20對邊上的切割臂10所平衡。螺旋形刮板20的每一轉(zhuǎn)動都造成向此巖石15中的一個既定的推進(jìn)，而切割深度則是由初始孔17的直徑、切割臂10的圍繞中心插孔38的螺距18以及單個切割臂10的幾何形狀來確定的。最后，根據(jù)對扭矩的測量，系統(tǒng)22可以解釋巖性的變化。在三種不同巖性中跨過小的分層(bed separation)所進(jìn)行的鉆探表明，在所測量的扭矩和巖石15的抗壓強(qiáng)度之間有一種經(jīng)由下列方程連接起來的直接關(guān)系。
qu=TcKSE•w•d•r]]>在上述方程式中qu是基質(zhì)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；Tc是每一切刀的扭矩；Kse是比能量(SE；SE＝Kse·qu)和基質(zhì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(qu)之間的比例系數(shù)；w是切刀寬度；d是切口的深度；以及r是切割刀刃的徑向距離(從轉(zhuǎn)動中心開始測量)。
按照本發(fā)明的實施例，此螺旋刮刀鉆頭以與上面討論的圖9中所示系統(tǒng)22相關(guān)的同樣方式被用作地質(zhì)技術(shù)裝置。在基質(zhì)15中打上一個導(dǎo)向孔17，以便配合螺旋刮刀鉆頭的本體12。然后通過對導(dǎo)向孔17的側(cè)壁進(jìn)行螺旋切割，可以把螺旋刮刀鉆頭用來進(jìn)行地質(zhì)技術(shù)測量，同時測量作用在螺線鉆頭上的力，來計算基質(zhì)的性質(zhì)。
本發(fā)明的另一個實施例是把螺旋刮刀鉆頭使用在在采礦及挖掘工業(yè)中，以及在任何那里顆粒狀基質(zhì)50(例如，巖石或者混凝土)要求支撐及穩(wěn)定控制的情況中。在礦山中，例如，需要對地下孔道用支撐/穩(wěn)定的巖石錨栓52進(jìn)行加固。對巖石50中的巖石錨栓52來說，本發(fā)明至少可用來實現(xiàn)固定能力和拉出強(qiáng)度增加40％。另外，與先前的方法相比，在形成巖石錨栓孔中使用此螺旋刮刀鉆頭系統(tǒng)減少了灰塵和噪音。螺旋刮刀鉆頭系統(tǒng)生成較大的巖石碎片，而不是小的粒子，這就減少了灰塵的形成。而且此螺旋刮刀鉆頭系統(tǒng)是在每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)較低的情況下工作，這減少了鉆探振動，從而減少了噪音。
如圖18所示，在鉆探一個較平滑的導(dǎo)向孔54以后，螺旋刮刀鉆頭可用來螺旋形地把孔的內(nèi)側(cè)壁切割成“孔的最佳幾何形狀”56，從而使此孔54象圖11中所示的那樣有一定的卷曲組織(texturizing)。此具有一定卷曲組織的孔54允許在具有復(fù)合幾何形狀(螺旋或交錯)的孔54內(nèi)把樹脂散播在較大的表面積上，從而在巖石50和錨栓52之間實現(xiàn)更好的抓握。
這孔的最佳幾何形狀可以做得符合樹脂/水泥漿和圍繞的巖石和巖層的物理化學(xué)性質(zhì)。此孔的最佳幾何形狀能改變水泥漿和巖石之間拉出力的傳輸機(jī)理。按照本發(fā)明的這個實施例，在此孔的最佳幾何形狀中，可以生成右旋或左旋的凹槽。例如，與右旋巖石錨栓的轉(zhuǎn)動一起使用的左旋凹槽可以改善樹脂/水泥漿的重新分配。
這個技術(shù)不局限于為礦山孔道的頂部壁提供支撐和穩(wěn)定手段。此技術(shù)可以使用在各種顆粒狀基質(zhì)中的各種方向上，而在那里像錨栓一樣的裝置將是有利的。例如，螺旋刮刀鉆頭能用在支承墻中或混凝土表面中，在垂直與水平兩個方向上，形成螺栓孔54。
本發(fā)明的一個實施例包含有使用巖石錨栓52來對本發(fā)明螺旋刮刀鉆頭實現(xiàn)的孔的高級幾何形狀特性進(jìn)行補(bǔ)充。然而這種錨栓52并不局限于使用在巖石50的基質(zhì)中，而且不局限于具體的尺寸。錨栓52可以使用在任何顆粒狀基質(zhì)中，長度的范圍可以從僅僅幾個厘米到幾米。
在一個圖15所示的實施例中，巖石錨栓60可以在錨栓60的端部具有一個機(jī)械錨件62。此錨件62將嚙合此螺形螺紋64，而后者則定位在相關(guān)導(dǎo)向孔54的端部。此機(jī)械錨件(anchor)給錨栓60增加上另外的固定能力水平和拉力強(qiáng)度水平，從而提供更多的安全。具有機(jī)械錨件62的錨栓60可以在有或沒有樹脂的情況下使用。這不是一個自我鉆探錨栓的實施例。
在另一個實施例中，錨栓(例如圖14的錨栓52)是自我鉆探的，此錨栓本身里面裝有螺旋切刀。錨栓可以在需要或不需要輪廓分明導(dǎo)向孔17的情況下自己旋入巖石50中。自我鉆探錨栓能被用在有或者沒有(如果沒有使用導(dǎo)向孔)樹脂的情況下，這取決于孔的最佳幾何形狀凹槽19的深度。
在圖16所示的另一個實施例中，巖石錨栓70本身就是一個螺旋錨件，它被完全做了螺紋，或是部分地做了螺紋。螺旋錨件螺栓70具有螺紋72，它可以與螺旋刮刀鉆頭造成的螺旋切口74松散地或緊密地相配合。在這個實施例中，巖石錨栓70的螺紋部分裝配到巖石50中孔54的螺旋切槽部分74中。由于能讓巖石50本身直接支撐螺栓70，所以這個螺栓實施例得到增加了的固定強(qiáng)度和拉出能力。此外，這種螺栓70可以在有或者沒有樹脂的情況下使用。而且這個實施例對混凝土支撐和穩(wěn)定特別有用。巖石錨栓70還可以相對于孔的最佳幾何形狀56進(jìn)行設(shè)計，使得可以按照需要拆卸下來或重新插進(jìn)去。完全做上螺紋的螺栓70會有最大的錨定能力。做上部分螺紋的螺拴70可以用來通過錨固到基質(zhì)的最牢固部分上來減少頂部脫層。
圖18表示了一個與圖16中所示同樣的實施例。圖18的巖石錨栓70具有部分螺紋72，在這個實施例中指的是螺紋72.的非連續(xù)設(shè)計。利用螺旋刮刀鉆頭系統(tǒng)切入巖石錨栓孔54中的螺旋凹槽74可以稍微小于巖石錨栓70的螺紋72。這種設(shè)計促進(jìn)巖石錨栓70的螺紋72對巖石50進(jìn)行更進(jìn)一步地切割，而且由于螺旋刮刀鉆頭系統(tǒng)先前對凹槽74的切割而更加容易了。螺紋74對巖石錨栓70提供額外的固定能力。水泥漿或其他粘著劑可以與這個實施例一起使用，由巖石錨栓螺紋72造成巖石50的額外切割有效地把水泥漿散播到全部孔54中。
正如上面關(guān)于圖14所討論的一樣，考慮到周圍巖石50和所用樹脂漿液的性質(zhì)，螺旋刮刀鉆頭的螺距和單個切刀的橫截面是可以被優(yōu)化的。在拉出發(fā)生以前巖石錨栓52的最后轉(zhuǎn)移可以由凹槽56的螺距來控制。在水泥漿和巖石50以及螺栓52和巖石50之間力的傳輸機(jī)理可以由孔的最佳穴幾何形狀的凹槽56的橫截面的變化來控制?？梢詫β菥噙M(jìn)行實時調(diào)整以適合螺旋切刀前進(jìn)期間就地測量的巖石性質(zhì)。
圖19a-19d中表示了本發(fā)明的另一個實施例。圖19a表示了具有其中形成了一個巖石錨栓孔104的巖石102的橫截面。在這個實施例中，由于巖石錨栓100本身具有形成凹槽以固定本身處在孔104中的能力，所以沒有必要使用此螺旋刮刀鉆頭系統(tǒng)。圖19b表示了一個巖石錨栓100，沿著至少其部分長度，最好是在尖端處，它具有突起106，它最終定位得緊靠著巖石錨栓孔穴104的端部。這些突起106在巖石錨栓100中不僅僅是不規(guī)則或畸形的，例如像在典型鋼筋(rebar)中所看到的，而且設(shè)計成能圍繞著巖石錨栓孔104來挖掘巖石102。巖石錨栓100沿著方向108移動進(jìn)入巖石錨栓孔104中。如圖19c所示，在強(qiáng)迫巖石錨栓100進(jìn)入孔104中時，突起106將會對巖石錨栓孔104的壁進(jìn)行圓鑿(gouge)或切割，沿著孔104生成一條粗糙的凹槽110。圖19c和19d表示了沿著插圖平面方向的凹槽110；然而凹槽110最好只是根據(jù)突起106的尺寸來擴(kuò)大孔104，沿著巖石錨栓100(圖20a-20-20c)的軸它最好是孤立分散的。當(dāng)巖石錨栓100完全插入到巖石錨栓孔104中時，巖石錨栓就部分地旋轉(zhuǎn)了112，因此相對于此轉(zhuǎn)動、巖石錨栓100和巖石錨栓孔104來說，就半圓形地形成了凹槽110a。這個凹槽110a對此突起106提供支撐，把螺栓100鎖定到孔104中。
圖19e表示了一個可供選擇的實施例，這里巖石錨栓100具有如圖19c和19d所示的同樣基本構(gòu)型，它插入在巖石錨栓孔104中，然而卻不是直接強(qiáng)迫插入孔104中的，而是在沿著108方向強(qiáng)迫把螺栓插入孔104中時轉(zhuǎn)動了112。螺栓100和突起106的這個轉(zhuǎn)動112以及向前運(yùn)動108沿著巖石錨栓孔104的壁產(chǎn)生一個螺旋型凹槽111。此轉(zhuǎn)動112可以延續(xù)在插入巖石錨栓100的自始至終，以產(chǎn)生一個如圖19f所示的凹槽111。螺旋凹槽111將支撐著突起106，把巖石錨栓100固定在巖石錨栓孔104中，特別是如果使用的是水泥漿的話。
圖19a-19f中所示巖石錨栓100的突起106可以具有幾種設(shè)計方案，包括圖20a-20c中所示的方案，但并不限于此。圖20a表示了一個具有類似于圖19a-19f中所示那樣的圓形突起。圖20b表示了一個具有圓形突起106的巖石錨栓100，它從第一個突起106開始朝著尖端114在徑向長度上向前使巖石錨栓增加。這個構(gòu)型讓圖19c-19f中所示凹槽110或111的圓鑿/切割更容易進(jìn)行。圖20c表示了一個具有角形突起106的巖石錨栓100，它可以是刀片的形式，或是金字塔的形式。這個角形突起106能讓巖石錨栓孔容易地插入并進(jìn)行圓鑿/切割。如上所述，突起106的其他形狀和構(gòu)型也是可以的。
突起106可以以多種方法形成，這包括，然而并不是局限于，在沖壓(stamping)巖石錨栓時做成它的一部分。突起106也可以通過把它們用銅焊或焊接附著在巖石錨栓上來形成。另外，在巖石錨栓中可以形成一些凹坑或孔，用于把突起106插入到那里。如上所述，形成突起106的其它方法都是可能的。
圖17給出了一個表，它把利用發(fā)明前已知工藝中孔的幾何形狀(亦即標(biāo)準(zhǔn)試驗1和2)的巖石錨栓拉出強(qiáng)度與利用按發(fā)明實施例孔的最佳幾何形狀(亦即單程的和雙程的)的巖石錨栓拉出強(qiáng)度進(jìn)行了比較。試驗是在相同巖石材料中完成的。此圖表給出了把巖石錨栓沿著它的軸拉動一個已知位移所需要的以磅為單位的負(fù)荷力。如此表所示，與孔的最佳幾何形狀相結(jié)合所使用的巖石錨栓表現(xiàn)出改善了的螺栓拉出性能。
當(dāng)鉆探巖石錨栓孔54的時候，本發(fā)明的這些實施例也可以用來減少灰塵和噪音。切割臂10的深度可以精心地設(shè)計成能減少每一切割臂10的扭矩需求，或者通過增加深度來增加碎片的尺寸。在一個研究中，所有鉆探切片都被從兩個不同的螺旋切刀刮板20收集起來。這些切片都用0.015的網(wǎng)孔進(jìn)行過篩，把尺寸大的和小的分開。在切割臂10的深度只有0.05英寸變化的情況下，已經(jīng)表明鉆探切片特性的重要差異對鉆探?jīng)]有有害影響。表II說明了切片特性的差異。

上面描述的工序與裝置圖解說明了本發(fā)明的優(yōu)選方法和典型裝置；然而在本發(fā)明范圍內(nèi)的其它實施例也是可能的。以上的描述和

了實現(xiàn)本發(fā)明的對象、特色和優(yōu)點的實施例。然而并不想使本發(fā)明嚴(yán)格地局限于的以上描述和圖解的實施例。在下面權(quán)利要求項的精神和范圍內(nèi)，本發(fā)明的任何改進(jìn)，盡管現(xiàn)在是不可預(yù)見的，都應(yīng)該認(rèn)為是本發(fā)明的一部分。
作為新的權(quán)利要求并希望受到美國特許證書保護(hù)的是
權(quán)利要求
1.一種螺旋刮刀鉆頭，它包含有具有尖端的鉆頭軸；以及在該鉆頭軸上的許多切割臂，該每一個切割臂都具有一個軸向長度，并且以定角度螺距定位在該鉆頭軸的周圍；其中每一個該切割臂的該軸向長度相對于定位得緊靠該鉆頭軸尖端的切割臂而言都是比較大的，因此該許多的切割臂都被構(gòu)造成使得在導(dǎo)向孔的內(nèi)表面中切割上螺旋凹槽。
2.按照權(quán)利要求1所述的螺旋刮刀鉆頭，其特征在于該鉆頭軸分段成一些可疊起的刮板，該刮板中的每一個都包含至少兩個該切割臂。
3.按照權(quán)利要求1所述的螺旋刮刀鉆頭，其特征在于該切割臂中的每一個都終止在劃痕刀片中。
4.按照權(quán)利要求3所述的螺旋刮刀鉆頭，其特征在于該劃痕刀片構(gòu)造成使得在該螺旋刮刀鉆頭鉆探通過的巖石中切割一個切口。
5.按照權(quán)利要求1所述的螺旋刮刀鉆頭，其特征在于該螺旋刮刀鉆頭是分離式，自驅(qū)動，地下自系留鉆探系統(tǒng)的一部分。
6.按照權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，另外還包括一臺與該螺旋刮刀鉆頭連通的計算機(jī)，其特征在于該系統(tǒng)設(shè)置為使得測量該螺旋刮刀鉆頭鉆探通過的基質(zhì)的地質(zhì)技術(shù)性能。
7.按照權(quán)利要求1所述的螺旋刮刀鉆頭，其特征在于該螺旋刮刀鉆頭是與計算機(jī)相連通的，并且與配置為使得測量該螺旋刮刀鉆頭鉆探通過的基質(zhì)的地質(zhì)技術(shù)性能。
8.一種加固基質(zhì)的系統(tǒng)，它包括一個具有基本圓柱形鉆頭軸的螺旋刮刀鉆頭和許多在該鉆頭軸上的切割臂，該切割臂中的每一個都具有一個軸向長度，并以定角度螺距定位在該鉆頭軸的周圍，其中，每一個該切割臂的該軸向長度相對于定位得緊靠該鉆頭軸尖端的切割臂而言都是比較大的，因此該許多切割臂被構(gòu)造為，使得在導(dǎo)向孔內(nèi)表面中切割一個最佳孔幾何形狀；一個加固的螺栓結(jié)構(gòu)，它被構(gòu)造為用于插入到該導(dǎo)向孔中；以及一個錨固設(shè)備，它被構(gòu)造為使得通過該最佳孔幾何形狀相互作用而把該加固螺栓結(jié)構(gòu)固定在該導(dǎo)向孔內(nèi)。
9.按照權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于該最佳孔幾何形狀在該導(dǎo)向孔的內(nèi)表面中包含有螺旋凹槽。
10.按照權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于該錨固設(shè)備是水泥漿。
11.按照權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于該錨固設(shè)備是機(jī)械錨件，它包括有與該最佳孔幾何形狀相應(yīng)的軸向延伸區(qū)域。
12.按照權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于該加固螺栓結(jié)構(gòu)包含有與該最佳孔幾何形狀相應(yīng)的軸向延伸區(qū)域。
13.按照權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于該螺旋刮刀鉆頭和該加固螺栓結(jié)構(gòu)是相同結(jié)構(gòu)的一部分。
14.一種向?qū)蚩變?nèi)表面中切割螺旋凹槽的方法，包括向?qū)蚩字胁迦肼菪蔚躲@頭，該螺旋刮刀鉆頭具有尺寸與該導(dǎo)向孔相應(yīng)的基本圓柱形的鉆頭軸和許多位于該鉆頭軸上的切割臂，該切割臂中的每一個都具有一個軸向長度，而且都以定角度螺距定位在該鉆頭軸周圍，其中，每一個該切割臂的該軸向長度相對于定位得緊靠該鉆頭軸尖端的切割臂而言都是比較大的；以及在與該定角度螺距相應(yīng)的方向上，旋轉(zhuǎn)該螺旋刮刀鉆頭。
15.按照權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于該鉆頭軸被分段成一些可疊起的刮板，該刮板中的每一個都包括有至少兩個該切割臂。
16.按照權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于一次只有該螺旋刮刀鉆頭的一個刮板前進(jìn)進(jìn)入該導(dǎo)向孔中。
17.一種擴(kuò)大導(dǎo)向孔的方法，包括向該導(dǎo)向孔中插入螺旋刮刀鉆頭，該螺旋刮刀鉆頭具有尺寸與該導(dǎo)向孔相應(yīng)的基本上圓柱形的鉆頭軸和許多位于該鉆頭軸上的切割臂，該切割臂中的每一個都具有軸向長度，而且它以定角度螺距定位在該鉆頭軸的周圍，其中每一個該切割臂的該軸向長度相對于定位得緊靠該鉆頭軸尖端的切割臂而言都是比較大的，而且每一個該切割臂都終止在劃痕刀片中；以及在與該定角度螺距相應(yīng)的方向上旋轉(zhuǎn)該螺旋刮刀鉆頭。
18.按照權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于該鉆頭軸分段成一些可疊起的刮板，該刮板中的每一個都包括有至少兩個該切割臂。
19.按照權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于一次只有該螺旋刮刀鉆頭的一個刮板前進(jìn)進(jìn)入該導(dǎo)向孔中。
20.按照權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于該切割臂的該劃痕刀片在該螺旋刮刀鉆頭旋轉(zhuǎn)通過的基質(zhì)中切割一個切口。
21.一種利用巖石錨栓支撐基質(zhì)的系統(tǒng)，它包括有；一個巖石錨栓，該巖石錨栓被構(gòu)造為用于插入到巖石錨栓孔中；以及至少一個位于該巖石錨栓上的突起，該至少一個的突起被構(gòu)造為，使得在該巖石錨栓被插入到該巖石錨栓孔中時，所述至少一個突起在該巖石錨栓孔的壁中形成一個凹槽，其中，該巖石錨栓因此被該至少一個的突起和該凹槽至少部分地支撐在該巖石錨栓孔中。
22.按照權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于該凹槽至少部分地由該巖石錨栓的轉(zhuǎn)動形成的。
23.按照權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于該凹槽的至少一部分是半環(huán)形狀的。
24.按照權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于該凹槽的至少一部分是螺旋形的。
25.按照權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于在巖石錨栓上提供有許多該突起。
26.按照權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于該許多突起都是同樣尺寸的。
27.按照權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于該許多突起中的每一個突起相對于任何緊靠該巖石錨栓尖端的突起而言都具有增加了的徑向長度。
28.按照權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于該至少一個突起是圓形的。
29.按照權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于該至少一個突起是角形的。
30.按照權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，另外還包括有粘著劑。
31.按照權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其特征在于該粘著劑是水泥漿。
全文摘要
一種上面設(shè)有螺旋形定位的切割臂的螺旋刮刀鉆頭。此切割臂可以在預(yù)先打的導(dǎo)向孔的側(cè)壁上產(chǎn)生螺旋溝道的幾何形狀。切割臂可以終止在劃痕切割刀片中。螺旋刮刀鉆頭可以結(jié)合到用來測量地質(zhì)技術(shù)性質(zhì)的系統(tǒng)和方法中。這種螺旋刮刀鉆頭可以使用在用于改善巖石錨栓固定能力的系統(tǒng)和方法中，以及用在采礦工業(yè)或者任何可以得益于支撐的顆粒狀基質(zhì)所使用的類似裝置中。具有新結(jié)構(gòu)的新式巖石螺栓可以與孔的改進(jìn)了的幾何形狀一起使用，或是可以生成這種孔的改進(jìn)了的幾何形狀。
文檔編號E21B10/36GK1938497SQ200480030797
公開日2007年3月28日 申請日期2004年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月20日
發(fā)明者J·L·希爾三世, M·布雷南, J·沈哈爾, D·科克, M·隆巴多, B·多爾金, L·B·吉拉多 申請人:雷西奧恩Utd公司