DD257466A1

DD257466A1 - HYDRAULIC DRILLING DEVICE FOR PREFERRED GROUND AND CENTRAL DRILLING

Info

Publication number: DD257466A1
Application number: DD29969387A
Authority: DD
Inventors: Frank Hoferichter; Manfred Walther
Original assignee: Sdag Wismut
Priority date: 1987-02-04
Filing date: 1987-02-04
Publication date: 1988-06-15

Abstract

Die hydraulische Bohrvorrichtung fuer vorzugsweise Erd- und Gesteinsbohren findet beispielsweise im Bergbau, Bauwesen und Wasserbau, insbesondere zum Bohren von Sprengbohrloechern Anwendung. Das Ziel der Erfindung besteht darin, den Gesamtwirkungsgrad hydraulischer Bohranlagen zu verbessern und den Materialeinsatz fuer diese Bohrtechnik zu verringern. Aufgabengemaess ist eine Bohrvorrichtung zu entwickeln, bei der die Beschleunigungen von mechanisch gekoppelten Bauteilen und von Fluessigkeitsmengen sowie die dynamischen Belastungen der Bohrstangen vernachlaessigbar klein gehalten werden. Erfindungsgemaess wird dies dadurch erreicht, dass das Bohrsystem Maschine - Bohrstange - Meissel - mit einem hydrostatischen Druck beaufschlagt wird.The hydraulic drilling device for preferably earth and rock drilling is used for example in mining, construction and hydraulic engineering, in particular for drilling Sprengbohrglechern application. The aim of the invention is to improve the overall efficiency of hydraulic rigs and to reduce the material usage for this drilling technique. Taskgemaess is to develop a drilling device in which the accelerations of mechanically coupled components and quantities of fluid and the dynamic loads boring bars are kept negligible. According to the invention, this is achieved by applying a hydrostatic pressure to the drilling system machine - boring bar - chisel.

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung findet vorzugsweise beim Erd- und Gesteinsbohren, wie zum Beispiel im Bergbau, Bauwesen, der Wasserwirtschaft, insbesondere für Sprengbohrlöcher vorteilhaft Anwendung.The invention is preferably used advantageously in earth and rock drilling, for example in mining, construction, water management, in particular for blast holes.

Möglich erscheint auch die Anwendung der Vorrichtung für das Bohren weiterer, insbesondere plastischer Stoffe.Also possible is the application of the device for drilling further, in particular plastic substances.

Characteristic of the known state of the art

Bei den bekannten hydraulischen Bohrvorrichtungen wird an der Maschine von einem Schlagapparat kinetische Energie erzeugt und diese dann entweder über ein starres Glied, wie zum Beispiel die Bohrstange, oder über eine inkompressible Flüssigkeitssäule auf das Bohrwerkzeug weitergeleitet.In the known hydraulic drilling devices kinetic energy is generated on the machine by a percussion device and then forwarded to the drilling tool either via a rigid member, such as the drill rod, or via an incompressible liquid column.

Hydraulische Bohrvorrichtungen der ersten Gruppe sind zum Beispiel solche, die in den DE OS 2732114, OS 2643483, OS 2639201 oder DD WP 222 066 offenbart wurden. Hierbei wird ein Schlagkolben durch eine Druckflüssigkeit beaufschlagt. Der Schlagkolben schlägt auf eine Bohrstange, die das Werkzeug, den Bohrmeißel, trägt. Durch bekannte Drehwerke wird der schlagenden eine drehende Bewegung überlagert. Durch den Schlag auf bestimmte, definierte Stellen und durch die Reflexion der Stoßwelle im Metall entstehen erhebliche Materialbelastungen, zum großen Teil örtlich begrenzt, so daß Materialermüdungen und Anlagendefekte in relativ kurzen Zeitabständen die zwangsläufige Folge sind. " Schwere Abbauschlaghämmer (Felsbrecher) werden zum Beispiel von Saginow, Kitschigin und andere in „Hydropneumatische Systeme" Mashinostrojenie, Moskva, 1980 oder in Prospekt 514 Hefti-Hydraulic Hammer offenbart, bei denendie durch die Druckluft erzeugte Schlagenergie mittels Flüssigkeitssäule auf das Werkzeug übertragen wird. Diese Maschinen haben den Nachteil, daß bei der Erzeugung der kinetischen Energie und der schlagartigen Rückgewinnung große Verluste auftreten, die nur teilweise über Speicher wieder zurückgewonnen werden. Das Vorhandensein der Speicher an den Anlagen ist mit größerer Störanfälligkeit und größerem Bauvolumen verbunden.Hydraulic drilling devices of the first group are, for example, those disclosed in DE OS 2732114, OS 2643483, OS 2639201 or DD WP 222 066. In this case, a percussion piston is acted upon by a pressure fluid. The percussion piston strikes a drill rod carrying the tool, the drill bit. By known rotating mechanisms, the beating is superimposed on a rotating movement. The impact on specific, defined points and the reflection of the shock wave in the metal cause considerable material loads, for the most part localized, so that material fatigue and plant defects in relatively short time intervals are the inevitable result. "Heavy demolition hammers (rock crushers) are disclosed, for example, by Saginow, Kitschigin and others in" Hydropneumatic Systems "Mashinostrojenie, Moskva, 1980 or in Brochure 514 Hefti-Hydraulic Hammer, in which the impact energy generated by the compressed air is transmitted to the tool by means of a liquid column. These machines have the disadvantage that when generating the kinetic energy and the sudden recovery large losses occur, which are only partially recovered through memory. The presence of the memory at the plants is associated with greater susceptibility and larger volume.

In der OS 2943 087 wurde eine Schlagbohrvorrichtung offenbart, bei der eine Schlagvorrichtung auf das rückwärtige Ende einer in einer axialen Bohrung in der Maschine durch die Bohrstange bis hin zum Bohrwerkzeug befindlichen Flüssigkeitssäule schlägt. Diese Flüssigkeitssäule überträgt die kinetische Energie auf das Bohrwerkzeug. Im einzelnen ist dies so gelöst, daß ein ölhydraulisches Schlagwerk auf ein Zwischenstück schlägt, das Zwischenstück den Schlag auf eine Spülflüssigkeitssäule in einer Axialbohrung in der Bohrstange überträgt, die inkompressible Flüssigkeitssäule diesen Schlag auf einen axial beweglichen, einstückigen Bohrmeißel weitergibt, dieser auf das Bohrgut schlägt und es dabei zertrümmert, wenn die Druckfestigkeit des Bohrgutes am Ort der Schneide überschritten wird. Dabei legt der Bohrmeißel einen bestimmten Weg zurück und gibt an der Bohrstange eine Öffnung frei durch die die Spülflüssigkeit unter sofortigem Druckabfall im System Maschine-Bohrstange bis auf Null in das Bohrloch beschleunigt abfließt. Die Vorschubeinrichtung an der Maschine treibt die Bohrstange mit dem Bohrmeißel in das Bohrgut, wobei vorgenannte Öffnung wieder verschlossen wird und erneuter Druckaufbau von Null bis auf den Maximaldruck. Die Nachteile dieser Bohrvorrichtung bestehen in dem ebenfalls hohen apparativen Aufwand und damit ergeben sich schwere Bohrausrüstungen mit hoher Baugröße. So sind zum Beispiel Speicher und Steuerorgane erforderlich. Dies wiederum bedingt hohe Gerätekosten und hohe Anforderungen an Bedienung, Wartung und Instandhaltung. Diese Bohrvorrichtung schaltet dynamisch Belastungen (schwellende) insbesondere der Bohrstange auch noch nicht im ausreichenden Maße aus. Beschleunigungen mechanischer Elemente und vor allem der Flüssigkeitssäule in engen Kanälen sind erforderlich und führen insbesondere bei den hohen Strömungsgeschwindigkeiten zu großen Energieverlusten. Weitere energetische Mängel, die aus der Erzeugung und Übertragung der Schlagenergie von der Maschine bis hin zum Bohrmeißel resultieren, sind beispielsweise auch Steuerventil- und Dichtigkeitsverluste. Dem energetischen Wirkungsgrad dieser Vorrichtung sind erkennbare Grenzen gesetzt. Da auch diese Vorrichtung nicht ohne Speicher auskommt, die aufwendig, teuerIn OS 2943 087 a percussion drilling apparatus has been disclosed in which a percussion device strikes the back end of a liquid column located in an axial bore in the machine through the boring bar all the way to the boring tool. This column of liquid transfers the kinetic energy to the drilling tool. In particular, this is achieved so that an oil hydraulic striking mechanism strikes an intermediate piece, the intermediate piece transmits the blow to a flushing column in an axial bore in the drill rod, the incompressible liquid column passes this blow on an axially movable, one-piece drill bit, this beats on the cuttings and it smashes it when the compressive strength of the cuttings at the site of the cutting edge is exceeded. In doing so, the drill bit travels a certain distance and releases an opening on the drill rod, through which the flushing fluid, under the instantaneous pressure drop in the machine-boring system system, flows down to zero into the borehole. The advancing device on the machine drives the drill rod with the drill bit into the cuttings, wherein the aforementioned opening is closed again and again pressure build-up from zero to the maximum pressure. The disadvantages of this drilling device consist in the equally high expenditure on equipment and thus result in heavy drilling equipment with a large size. For example, storage and controls are required. This in turn requires high equipment costs and high demands on operation, maintenance and repair. This drilling device dynamically eliminates loads (swelling), in particular the boring bar, to a sufficient extent. Acceleration of mechanical elements and especially the liquid column in narrow channels are required and lead to large energy losses, especially at high flow velocities. Other energetic deficiencies that result from the generation and transmission of impact energy from the machine to the drill bit are, for example, also control valve and leakage losses. The energy efficiency of this device are set recognizable limits. Since this device does not manage without memory, the expensive, expensive

und störanfällig sind und bei denen ebenfalls Energieverluste eintreten, sind weitere Mangel zu konstatieren. Nachteilig ist bei einem mechanisch gekoppelten System derSchlagerzeugung, daß derSchlagzahl infolge der zu beschleunigenden Massen eine Grenze gesetzt ist. Nicht unwesentlich sind die auch an dieser Vorrichtung noch entstehenden Lärmbelastungen von Mensch und Umwelt.and are prone to failure and in which also energy losses occur, more deficiencies are to be noted. A disadvantage of a mechanically coupled system of the generation of deposits is that the number of impacts is limited due to the masses to be accelerated. Not insignificant are the noise emissions from humans and the environment that are still generated by this device.

Object of the invention

Die Erfindung hat zum Ziel den Gesamtwirkungsgrad hydraulischer Bohranlagen zu verbessern, eine Verringerung bestehender Material- und Energieverluste zu erreichen, die Arbeitsproduktivität wesentlich zu erhöhen sowie Belastungen von Mensch und Umwelt durch Lärm zu verringern.The invention aims to improve the overall efficiency of hydraulic drilling rigs, to achieve a reduction of existing material and energy losses, to substantially increase labor productivity and to reduce noise and pollution of people and the environment.

Explanation of the essence of the invention

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Bohrvorrichtung zu schaffen, in der unter Beachtung der im genannten Anwendungsgebiet erforderlichen Leistungsparameter nur noch vernachlässigbar geringe Beschleunigungen von Flüssigkeitsmengen und mechanisch gekoppelten Bauteilen sowie vernachlässigbar geringe dynamische Bohrstangenbeanspruchungen auftreten. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß durch einen Druckerzeuger, beispielsweise eine Rotationspumpe, eine mehrstufige Kolbenpumpe oder eine Mehrzylinderpumpe, in dem durch den Bohrmeißel abgeschlossenen Hohlraum vom Druckerzeuger durch die Bohrstange hindurch bis zum Bohrmeißel ein hydrostatischer Druck besteht. Dabei ist in einem im Gehäuse der Bohrvorrichtung befindlichen rotationssymmetrischen Teil mit zentrischer Bohrung und Außenverzahnung vorderseitig die Bohrstange mit Axialbohrung und rückseitig der Druckerzeugerausgang angeordnet. Zwischen beiden befindet sich ein Hohlraum als Stauraum, der druckerzeugerseitig mit einer Dichtung, die gegen den Arbeitsdruck wirkt, abgeschlossen ist. Der Druckerzeuger kann bei Kompaktbauweise im Bohrvorrichtungsgehäuse untergebracht sein. Bei aufgelöster Bauweise ist das Ende eines vom Druckerzeuger kommenden Druckschlauches am Stauraumeingang angeordnet. Im Gehäuse ist ein Drehwerk bekannter Bauart mit dem rotationssymmetrischen Teil im Eingriff. Am Bohrvorrichtungsgehäuse greift eine ansich bekannte Vorschubeinrichtung an.The object of the invention is to provide a drilling device in which only negligible accelerations of liquid quantities and mechanically coupled components as well as negligible dynamic boring bar stresses occur, taking into account the performance parameters required in the named field of application. According to the invention the object is achieved in that by a pressure generator, such as a rotary pump, a multi-stage piston pump or a multi-cylinder pump, in the completed by the drill bit cavity from the pressure generator through the drill rod through to the drill bit is a hydrostatic pressure. In this case, the drill rod with axial bore and the back of the pressure generator output is arranged in a housing located in the housing rotationally symmetrical part with a central bore and external teeth on the front side. Between the two there is a cavity as storage space, the pressure generator side with a seal that acts against the working pressure is completed. The pressure generator may be housed in the Bohrvorrichtungsgehäuse in compact design. In dissolved construction, the end of a pressure hose coming from the pressure generator is arranged at the storage space entrance. In the housing a slewing gear of known design with the rotationally symmetric part is engaged. At Bohrvorrichtungsgehäuse attacks a ansich known feed device.

Der Hydraulik- und Druckluftlauf ist beidseitig offen und miteinander an einer Verknüpfungsstelle verbunden. Nach einem externen Flüssigkeitsbehälter mit vorzugweise Wasser ist ein Druckerzeuger angeordnet, dem eine Verzweigung mit einem Abgang zu einem Rückschlagventil und einem Abgang zum Stauraum, dem die Bohrstange und der analoge einem „Überdruck-Sicherheitsventil" arbeitende Bohrmeißel nachgeordnet sind, folgt. Einem Drucklufterzeugerfolgtein Dreiwegehahn mit einem Abgang auf das Drehwerk und einem Abgang auf die andere Seite des vorgenannten Rückschlagventils, wodurch die Verknüpfung zwischen Hydraulik- und Druckluftlauf hergestellt ist. Zwischen beiden Abgängen des Dreiwegehahnes ist eine Verbindung mit einem Drosselelement hergestellt.The hydraulic and compressed air system is open on both sides and connected to one another at a connection point. Following an external liquid container, preferably water, is a pressure generator followed by a branch with a discharge to a check valve and a discharge to the storage space, followed by the drill rod and the analogous "overpressure safety valve" working drill bit a departure on the slewing and a departure to the other side of the aforementioned check valve, whereby the linkage between hydraulic and compressed air run is made between both outlets of the three-way cock connection with a throttle element is made.

Der Druckerzeuger im Hydrauliklauf fördert einen bestimmten Spülflüssigkeitsstrom, der die Zuleitung zum Stau raum, den Stauraum und die Bohrstange mit dem geschlossenen Bohrmeißel füllt. Dabei wird ein hydrostatischer Spülflüssigkeitsdruck aufgebaut. Der Spülflüssigkeitsstrom bleibt in engen Grenzen konstant. Der analog einem „Überdruck-Sicherheitsventil" arbeitende Bohrmeißel ist so abgestimmt, daß die gewünschte Öffnungsfrequenzzahl in Abhängigkeit des Spülstromes und der Vorschubgeschwindigkeit zustande'kommt. Bei ständig anliegenden Spülflüssigkeitsdruck setzt ein Drehwerk kontinuierlich um. Bei diskontinuierlich anliegendem Spülflüssigkeitsdruck kann das Drehwerk auch diskontinuierlich während des Rückhubes umsetzen. Dabei kann das Drehmoment durch die vom Druckerzeuger auf das Drehwerk aufgegebene Luft erzeugt werden. Die Anordnung des Druckerzeugers im Zusammenhang mit dem Dreiwegehahn, dem Drosselelement und dem Rückschlagventil gewährleistet, daß beim Rückhub der Bohrvorrichtung die Spülluft zugeschaltet wird. Dabei wird der Druckerzeuger für die Spülflüssigkeit abgeschaltet. Die vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen bestehen darin, daß in der Bohrstange nur noch vernachlässigbar geringe dynamische Belastungen und geringe Axialkräfte, keinesfalls aber starke Schlagbeanspruchungen, auftreten, wodurch die Verschleiß-und Defektwirkungen an der Bohrstange wesentlich reduziert sind. Es ist nur noch ein hydrostatischer Druck ohne wesentliche Strömungsverluste in der Flüssigkeit in der axialen Bohrung der Bohrstange und damit ohne wesentliche Energieverluste erforderlich. Der Wegfall komplizierter und störanfälliger Speicher zur Rückgewinnung der kinetischen Energie und der Wegfall der Flüssigkeitsbeschleunigungen für große Mengen ist von wesentlicher Bedeutung. Somit wird nur so viel Energie erzeugt, wie für die Gesteinszerstörung, die Spülstrombewegung und die Überwindung der mechanischen und hydraulischen Reibung erforderlich ist. Durch dieses sich selbstregelnde System ist ein selbsttätiger Schutz des Bohrmeißels gegenüber mechanischer Überlastung gegeben, da der hydrostatische Druck gesteinsabhängig und bohrmeißelverschleißabhängig gesteigert wird, wodurch der Zeitpunkt des Bohrmeißelwechsels druckabhängig bestimmt werden kann. Die Schlagfrequenz dieser Bohrvorrichtung liegt im Millisekunden-Bereich und die Schlagleistung ist vom Spülflüssigkeitsstrom und der Vorschubgeschwindigkeit abhängig, wodurch die Grenzen des Arbeitsbereiches der Vorrichtung wesentlich erweitert sind. Die Leistungen für axiales Eindrücken des Bohrmeißels und für drehendes Abscheren des Bohrgutes können gleichzeitig oder nacheinander anliegen, wobei die Bohrvorrichtung die Gegenmasse gegenüber dem zu erregenden Bohrmeißel bildet und dennoch geringe Baugrößen, somit kleine Bohrwagen, ermöglicht. Der Lärmpegel der Bohrvorrichtung liegt weit unter dem bisher bekannter Bohrvorrichtungen mit Schlagapparaten.The pressure generator in the hydraulic circuit promotes a certain rinsing liquid flow, which fills the supply line to the storage space, the storage space and the drill rod with the closed drill bit. In this case, a hydrostatic rinsing liquid pressure is built up. The rinsing fluid flow remains constant within narrow limits. The drill bit operating analogously to an "overpressure safety valve" is adjusted such that the desired opening frequency number is established as a function of the flushing flow and the feed rate The arrangement of the pressure generator in connection with the three-way valve, the throttle element and the check valve ensures that the purge air is switched on during the return stroke of the drilling device The advantageous effects of the devices according to the invention are that in the boring bar only negligible dynamic loads and low Axialkräf te, but by no means strong impact stresses occur, whereby the wear and failure effects on the drill rod are substantially reduced. It is only a hydrostatic pressure without significant flow losses in the liquid in the axial bore of the drill rod and thus required without significant energy losses. The elimination of complicated and interference-prone memory for recovery of kinetic energy and elimination of high-speed liquid accelerations is essential. Thus, only as much energy is generated as is required for the rock destruction, the Spülstrombewegung and overcoming the mechanical and hydraulic friction. By this self-regulating system, an automatic protection of the drill bit against mechanical overload is given, as the hydrostatic pressure is increased depending on the rock and drill bit wear, whereby the time of Bohrelsißelwechsels can be determined pressure dependent. The impact frequency of this drilling device is in the millisecond range and the impact power is dependent on the rinsing fluid flow and the feed rate, whereby the limits of the working range of the device are significantly expanded. The services for axial impressions of the drill bit and for rotating shearing of the cuttings can be applied simultaneously or consecutively, wherein the drilling device forms the counterweight against the drill bit to be energized and yet small sizes, thus small drilling vehicles, allows. The noise level of the drilling device is far below the previously known drilling devices with impact devices.

embodiment

Die hydraulische Bohrvorrichtung für vorzugsweise Erd- und Gesteinsbohren soll nachfolgend mittels einer in Figur 1 dargestellten Vorrichtung in Kompaktbauweise und in Figur 2 abgebildeten Vorrichtung in aufgelöster Bauweise näher erläutert ' werden.The hydraulic drilling device for preferably earth and rock drilling is to be explained in more detail below by means of a device shown in Figure 1 in a compact design and in Figure 2 in a dissolved construction.

Die Spülflüssigkeit wird von einem Druckerzeuger?, der im Gehäuse 9 der Bohrmaschine (Fig. 1) oder außerhalb der Bohrmaschine (Fig. 2) untergebracht ist, unter hydrostatischen Druck p_stat gesetzt und entweder direkt (Fig. 1) oder über einenThe rinsing liquid is pressurized by a pressure generator housed in the housing 9 of the drilling machine (FIG. 1) or outside the drilling machine (FIG. 2) under static pressure p _stat and either directly (FIG

Druckschlauch 8 (Fig.2), über eine Dichtung 6 in den Stauraum 5 geleitet. Dieser Stauraum 5 ist durch die Bohrstange 2, die mit einer axialen Bohrung 1 versehen ist,.mit dem axial beweglichen Bohrmeißel 12 verbunden. Der Bohrmeißel 12 wird durch die Vorschubkraft F_v gegen das Gestein gedrückt. Der hydrostatische Druck p_stat steigt solange bis der Bohrmeißel 12 gegen die Gesteinsdruckfestigkeit S₀ in das Gestein eindringt. Dabei strömt Spülflüssigkeit über und der hydrostatische Druck p_stat fällt kurzzeitig. Der als „Überdruck-Sicherheitsventil" arbeitende Bohrmeißel 12 schließt sich wieder und der Vorgang wiederholt sich. Während dieser Vorgänge versetzt ein Drehwerk 3 die Bohrstange 2 in Rotation und eine Vorschubeinrichtung 4 erzeugt die Vorschubkraft F_v.Pressure hose 8 (Figure 2), passed through a seal 6 in the storage space 5. This storage space 5 is connected by the drill rod 2, which is provided with an axial bore 1, .with the axially movable drill bit 12. The drill bit 12 is pressed against the rock by the feed force F _v . The hydrostatic pressure p _stat increases until the drill bit 12 penetrates into the rock against the rock crushing strength S ₀ . In this case, rinsing liquid flows over and the hydrostatic pressure p _stat drops briefly. The drill bit 12 operating as an "overpressure safety valve" closes again and the process repeats itself During these processes, a slewing gear 3 sets the drill rod 2 in rotation and a feed device 4 generates the feed force F _v .

Durch das Zusammenspiel dieser Komponenten wird der Bohrfortschritt erzeugt. Zum Ausblasen des Bohrloches beim Herausziehen der Bohrstange 2 ist ein Druckluftlauf 10 so geschaltet, daß über den Hydrauliklauf das Bohrloch ausgeblasen wird.The interaction of these components generates the drilling progress. To blow out the borehole when pulling out the drill rod 2, a compressed air run 10 is connected so that the borehole is blown out via the hydraulic circuit.

Claims

1. Hydraulic drilling device for preferably earth and rock drilling, wherein the energy transfer is carried out by means of a liquid column through an axial bore of a drill rod, the rotational movement by a rotating mechanism and the feed movement by a feed device of known types, characterized in that the boring bar (2) arranged in a rotationally symmetrical part with a central bore (13) that in this a storage space (5) provided that on the opposite side of the pressure generator output and a seal (6) is arranged and in the storage space (5) by the pressure generator (7) and in the boring bar (2), on which an axially movable drill bit (12) is arranged, a hydrostatic pressure (p _s tat) is applied.

2. Hydraulic drilling apparatus according to item 1, characterized in that the pressure generator (7) for the rinsing liquid is separated from the device in a dissolved type with a pressure hose (8) connected to the drilling device.

3. Hydraulic drilling apparatus, characterized in that the pressure generator (7) for the rinsing liquid in the housing (9) of the drilling device is arranged in a compact design.

4. Hydraulic drilling device, characterized in that a ansich known compressed air run (10) with the Hydraulikiauf via a switching valve (11) is linked.