DE10122299C2 - Rock drilling method - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren von Gestein oder Fels, insbesondere zum Erzeugen einer Felsbohrung für leichte bis mittelere Felsformationen.The invention relates to a method for drilling of rock or rock, especially to produce one Rock drilling for light to medium rock formations.
Beim Bohren in leichteren bis mittleren Felsforma tionen werden üblicherweise sog. "MUD-Motoren" einge setzt. Dabei handelt es sich um Schraubenmotoren, die nach dem Moineau-Prinzip arbeiten.When drilling in light to medium rock formations "MUD engines" are usually used puts. These are screw motors, according to work according to the Moineau principle.
Das Bohren mit MUD-Motoren ist betriebstech nisch aufwendig und teuer, so daß gegenüber dem Bohren in Lockergesteinsformationen, welches ohne den Einsatz von MUD-Motoren möglich ist, ein Kostenfaktor von 5 bis 10 gegeben ist.Drilling with MUD motors is operational nisch complex and expensive, so that compared to drilling in Loose rock formation, which without the use of MUD engines is possible, a cost factor of 5 to 10 given is.
Um den Einsatz der teuren MUD-Motoren zu ver meiden, wurden kleinere Hartgesteinsbohrköpfe aus dem Bergbau und der Ankertechnik eingesetzt, die jedoch keinen gesteuerten Vortrieb erlauben.In order to ver the use of the expensive MUD motors avoided, smaller hard rock drill heads from the Mining and anchor technology used, but none Allow controlled propulsion.
Daneben wurden von der Fa. FlowTex entwickelte steuerbare, asymmetrische Hartgesteinsbohrköpfe mit sog. Doppelkeilbohrgestänge eingesetzt. Die höhenasymmetri schen Flügelschneiden der dabei verwendeten Bohrköpfe wurden beim Steuern so bewegt, daß die längere Front schneide sich durch kurze Links/Rechts-Schwenkbewegun gen in der gewünschten Richtung in den Fels hineinarbeitet. Nach entsprechender Vorbohrtiefe wird dann durch Rotation des gesamten Bohrkopfes der Bohrlochdurchmesser durch Vorschneider und Nachräumer herausgearbeitet. Der Vor schneider stellt dabei die längere Frontschneide und der Nachräumer die kürzere Frontschneide dar.In addition, the company FlowTex developed controllable, asymmetrical hard rock drilling heads with so-called Double wedge drill pipe used. The height asymmetry wing blades of the drill heads used were moved so that the longer front cut through short left / right swivel movements into the rock in the desired direction. After the appropriate pre-drilling depth is then by rotation of the entire drill head through the borehole diameter The pre-cutter and the reamer worked out. The before schneider provides the longer front cutting edge and the Cleaners represent the shorter front edge.
Auch dieses Verfahren ist mit einem hohen Ko stenaufwand verbunden, da die erforderlichen Doppelkeil bohrgestänge teuer sind. Zudem weist die Bohrvorrichtung einen schlechten Wirkungsgrad auf, so daß mit hohem Zeitaufwand nur kurze Bohrstrecken realisierbar sind. Dabei ist das Vorschneiden zur Richtungsänderung aufwendig und der Verschleiß des Vorschneiders hoch. In der Praxis ist ein Vorschneiderwechsel nach jedem Bohrvorgang erforderlich.This process also has a high Ko most effort, because the required double wedge drill pipes are expensive. In addition, the Drilling device on poor efficiency, so that with high Only short drilling distances can be achieved. It is Pre-cutting to change direction is expensive and the wear of the Precutter high. In practice there is a change of pre-cutter after each Drilling process required.
DE 196 07 365 C2 lehrt, auf einen sich drehenden Schrägflächenkopf pro Rotation einen richtungsändernden Lenkimpuls einwirken zu lassen, wenn die Winkellage des Bohrkopfes bezüglich seiner Achse der Lage entspricht, in der die Richtungsänderung erfolgen soll. Dabei werden als Lenkimpulse insbesondere Schlag- oder Schubimpulse verstanden. Durch die kurzen Lenkimpulse soll auch bei rotierendem Lenkkopf eine Lenkbewegung möglich sein. Der Lenkimpuls wird während der Rotation stets dann zur Wirkung gebracht, wenn die Winkellage des Bohrkopfes bezüglich seiner Achse der Lage entspricht, in der die Richtungsänderung erfolgen soll. Der Lenkimpuls wird in den folgenden Rotationen so oft wiederholt, bis das gewünschte Lenkergebnis erreicht wird. Der Grad der Richtungsabweichung wird über die Wiederholung des Lenkimpulses in aufeinanderfolgenden Rotationen eingestellt.DE 196 07 365 C2 teaches pro on a rotating bevel head Rotation to act on a direction-changing steering impulse if the angular position of the drill head corresponds to the position of its axis, in which the change of direction should take place. Thereby as steering impulses especially understood shock or thrust impulses. Because of the short Steering impulses should also result in a steering movement when the steering head is rotating to be possible. The steering impulse is then always during the rotation Effect if the angular position of the drill head with respect to its Axis corresponds to the position in which the change of direction is to take place. The Steering impulse is repeated in the following rotations until the desired steering result is achieved. The degree of directional deviation is about repeating the steering pulse in successive Rotations set.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem ein kostengünstiges und leistungsfähiges Gesteins- oder Felsboh ren möglich ist und welches insbesondere zum Drehen in einer Richtung geneigt ist.The invention is based on the object of creating a method with which an inexpensive and efficient rock or rock drilling ren is possible and which in particular for turning in one direction is inclined.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine leistungsfähige Vorrichtung zur Verfügung zu stellen. It is also an object of the invention to provide a powerful device for To make available.
Die Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patent ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprü che.The invention is solved by the subject matter of the independent patent Expectations. Advantageous further developments are the subject of the dependent claims che.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf dem Gedanken, mit einem asymmetrischen rotierenden Bohrkopf im Verlauf der Rotation den Anpreß druck so zu variieren, daß mindestens ein Kreisabschnitt α stärker abgetra gen wird als die übrige Ortsbrust. Das Bohrgerät wird dabei eine Richtungs abweichung in Richtung des Kreisabschnitts α ausgehend von der Rota tionsachse vollziehen.The method according to the invention is based on the idea of using a asymmetrical rotating drill head in the course of rotation the contact pressure pressure to vary so that at least one segment of the circle α more abtra is used as the rest of the face. The drill becomes one direction deviation in the direction of the circular section α starting from the rota Execution axis.
Der erfindungsgemäße asymmetrische Bohrkopf kann eine schräge Steuer fläche, wie herkömmliche Bohrköpfe für leichte Böden, aufweisen. Die Steu erfläche kann konkav ausgebildet sein. Hierdurch wird die Steuerfunktion verbessert und der Kantenabrieb kompensiert. Dieser Effekt kann auch durch Verwendung von Leisten - vorzugsweise aus Hartmetall - erreicht werden, die im Bereich der Steuerkanten angeordnet sind. Ferner kann eine asymmetrische oder asymmetrisch angeordnete Frontschneide vorgesehen sein. The asymmetrical drill head according to the invention can perform an oblique control surface, such as conventional drill heads for light soils. The tax surface can be concave. This will make the control function improved and edge wear compensated. This effect can also achieved by using strips - preferably made of hard metal be arranged in the area of the control edges. Furthermore, a asymmetrical or asymmetrically arranged front cutting edge can be provided.
Das Bohrgerät kann des weiteren mit einem Schlag werk ausgestattet sein, das vorzugsweise mit hoher Schlag frequenz arbeitet. Die Druckbeaufschlagung des Bohrkop fes beträgt vorzugsweise mehr als 2 Tonnen.The drill can also with one stroke factory equipped, preferably with high impact frequency works. Pressurizing the drill head fes is preferably more than 2 tons.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform verfügt der Bohrkopf über einen in steiler Schrägachse asymme trisch angebrachten einfach oder zweifach rotierenden Kleinbohrkopf mit Hartmetallbesatz oder über einen ver setzt, achsenparallel oder steilschräg angebrachten Schlag kopf, der beispielsweise die in den Figuren dargestellten Geometrien aufweisen kann. Der Kleinbohrkopf dient dabei zur Richtungsvorschneidung in dem Kreisabschnitt α der Ortsbrust. Der Bohrlochquerschnitt kann nachrückend von dem Gesamtbohrkopf aufgefahren werden.In a preferred embodiment the drill head over an asymme in steep inclined axis mounted single or double rotating Small boring head with hard metal trim or via a ver sets, parallel to the axis or at a steep incline head, for example those shown in the figures Can have geometries. The small drilling head serves for pre-cutting the direction in the circular section α Working face. The borehole cross section can move up from the entire drilling head.
Beim schlagenden Vortrieb kann der ganze Kopf oder auch nur ein Teil des Bohrkopfes beschleunigt werden. Dabei kann auch ein Meißel, der auf einem Rotationsele ment (Rolle) angeordnet ist, von einem Schlagkolben in Lenkrichtung getrieben werden. Das Rotationselement kann dabei, entkoppelt vom Meißelschaft, die Ortsbrust durch Rotation abtragen.The whole head can do the beating or even accelerate part of the drill head. You can also use a chisel on a rotary selector ment (roller) is arranged by a percussion piston in Steering direction are driven. The rotating element can decoupled from the chisel shaft through the face Remove rotation.
Der Kopf kann aber auch als Stufenkonus ausge bildet sein, wobei Meißel und Stößel in einer Achse aber in bezug auf die Achse des Schlagkolbens oder des Bohrkop fes oder des Bohrgerätes achsparallel versetzt oder in einem Winkel angeordnet sein können. Diese Anordnung läßt sich auch mit anderen Kopfformen verwirklichen. Bei Bohrkopf varianten mit schräger Steuerfläche können die Kanten der Steuerfläche abgerundet sein, um das in der Ortsbrust entge genwirkende Drehmoment zu verringern. Dabei kann mittig eine konische Nut eingesenkt sein, um die Stabilität und Steuerschärfe beim Lenken zu erhöhen. In die Schrägfläche können Hartmetallbits eingearbeitet sein.The head can also be designed as a step cone forms, with chisel and ram in one axis but in with respect to the axis of the percussion piston or the drill head fes or the drilling machine offset axially parallel or in one Angles can be arranged. This arrangement can be also with other head shapes. With boring head Variants with a sloping control surface can change the edges of the Control surface should be rounded to counter this in the face reduce counteracting torque. It can be in the middle a conical groove can be recessed for stability and Increase steering sharpness when steering. In the sloping surface carbide bits can be incorporated.
Der Bohrkopf wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise in einer Richtung drehend vorge trieben. Der Kreisabschnitt α besitzt vorzugsweise ein Win kelmaß von 10 bis 25 Grad.The drill head is in the invention The method is preferably rotated in one direction exaggerated. The circular section α preferably has a win 10 to 25 degrees.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des nähe ren erläutert.The invention is based on a the drawing shown embodiment of the vicinity ren explained.
In der Zeichnung zeigenShow in the drawing
Fig. 1 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Vortriebs in der Ortsbrust, Fig. 1 is a diagram of the propulsion according to the invention in the working face,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 2 shows a section along the line II-II of Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2, Fig. 3 is a section along the line III-III of Fig. 2,
Fig. 4 eine Darstellung verschiedener erfindungs gemäßer Bohrköpfe, Fig. 4 is an illustration of various fiction, according to drilling heads,
Fig. 5 weitere erfindungsgemäße Bohrköpfe und Fig. 5 further drill heads according to the invention and
Fig. 6 verschiedene erfindungsgemäße Front schneidengeometrien. Fig. 6 different front cutting geometries according to the invention.
Die Bohrvorrichtung 1 weist eine Schlageinheit 2, einen asymmetrischen Bohrkopf 4 und einen Anschluß für ein Gestänge 6 auf. Über das Gestänge 6 kann sowohl ein Drehmoment als auch ein variabler Axialdruck auf die Bohrvorrichtung 1 übertragen werden. Beim Bohren (wie in Fig. 1 dargestellt) befindet sich die Bohrvorrichtung 1 mit dem Bohrkopf 4 in der Ortsbrust 8. Zum Geradeausbohren wird der Bohrkopf 4 gleichmäßig mit Druck beaufschlagt.The drilling device 1 has a striking unit 2 , an asymmetrical drilling head 4 and a connection for a rod 6 . Both a torque and a variable axial pressure can be transmitted to the drilling device 1 via the linkage 6 . During drilling (as shown in FIG. 1), the drilling device 1 with the drilling head 4 is located in the working face 8 . For straight drilling, the drilling head 4 is evenly pressurized.
Beim Richtungsbohren wird in einem Kreisab schnitt α ein erhöhter oder im Kreisabschnitt β ein vermin derter Druck auf den Bohrkopf 4 aufgebracht, so daß in die sem Bereich ein vermehrtes oder vermindertes Abtragen er folgt, was schließlich zu einer Verlagerung der Bohrachse führt.When directional drilling in a Kreisab section α an increased or in the circular section β a reduced pressure is applied to the drill head 4 , so that an increased or reduced removal occurs in this area, which ultimately leads to a displacement of the drilling axis.
Die in Fig. 4 und 5 dargestellten Bohrköpfe weisen sämtlich eine mehrstufige Schneidenverteilung mit Vor schneiden und Räumschneiden auf. Die Frontschneide kann aus einer Vorschneide 72 und einer Räumschneide 74, wie bei den Bohrköpfen 10, 15, 40, 50 oder als reine Front schneide 73, wie bei den Bohrköpfen 20, 30 ausgebildet sein. Am Bohrkopf 10 ergibt sich die Asymmetrie aus den unterschiedlichen Geometrien der Schneidenflächen sowie aus der Längendifferenz Δxn zwischen Vorschneidefläche 72, 93, 91 und Räumschneidefläche 74, 94, 92. Eine ähnli che Anordnung weisen die Bohrköpfe 15, 40, 50 auf. Die Bohrköpfe 20, 30 bilden die zum Richtungsbohren erforder liche Asymmetrie durch eine asymmetrische Frontschnei dengeometrie 73 sowie durch eine versetzte Anordnung der Räumschneiden 91, 92 aus. Im Bereich der Schneidenflä chen sind Hochdruckdüsen 81, 82, 83, 84 angeordnet. Die Asymmetrie des Bohrkopfes 50 kann aber auch durch ein flankige Düsenanordnung 85, 87 oder wie bei Bohrkopf 40 durch die Düsenanordnung 85 erreicht werden.The drill heads shown in Fig. 4 and 5 all have a multi-stage cutting distribution with cut before and broaching. The front cutting edge can be formed from a pre-cutting edge 72 and a clearing edge 74 , as in the case of the drill heads 10 , 15 , 40 , 50 or as a pure front edge 73 , as in the case of the drill heads 20 , 30 . At the drill head 10 , the asymmetry results from the different geometries of the cutting surfaces and from the length difference Δx n between the pre-cutting surface 72 , 93 , 91 and the broaching cutting surface 74 , 94 , 92 . The drill heads 15 , 40 , 50 have a similar arrangement. The drill heads 20 , 30 form the asymmetry required for directional drilling by an asymmetrical Frontschnei dengeometrie 73 and by an offset arrangement of the cutting blades 91 , 92 . High-pressure nozzles 81 , 82 , 83 , 84 are arranged in the region of the cutting surfaces. However, the asymmetry of the drill head 50 can also be achieved by a flanked nozzle arrangement 85 , 87 or, as in the case of the drill head 40, by the nozzle arrangement 85 .
Über Düsenkanäle 181, 182, 183, 184, 185, 187 wird dem Bohrkopf Bohrmedium zur Kühlung und zum Ab transport von Bohrklein über den zentralen Kanal 180 zuge führt.Via nozzle channels 181 , 182 , 183 , 184 , 185 , 187 , the drilling head is supplied with drilling medium for cooling and for transporting cuttings from the central channel 180 .
Die Schneidenflächen können PCD besetzt oder als Hartmetallschneiden ausgebildet sein.The cutting surfaces can be filled or as PCD Tungsten carbide cutting be formed.
Der Versatz Δy kann ebenfalls zur Ausbildung der Asymmetrie herangezogen werden, indem das Δy für die unterschiedlichen Schneiden unterschiedlich ausgebildet ist.The offset Δy can also be used to form the Asymmetry can be used by the Δy for the different cutting edges is designed differently.
Die Bohrköpfe besitzen ein Gewinde 200 und kön nen mit herkömmlichen Rechts- oder Linksgewinde aufwei senden Gestängeschüssen betrieben werden.The drill heads have a 200 thread and can be operated with conventional right or left-hand thread sections.
In Fig. 6 sind unterschiedliche Schneidengeome trien 61, 62, 63, 64 dargestellt. Die Schneidengeometrie 61 ist bevorzugt für Sandstein und Kalk, die Geometrie 62 für Kalk, Gips und Dolomit, die Geometrie 63 für Granit, Gneis und Basalt und die Geometrie 64 für Kalk, Dolomit und Granit.In Fig. 6 different Schneidengeome are trien 61, 62, 63, 64 are shown. The cutting edge geometry 61 is preferred for sandstone and lime, the geometry 62 for lime, gypsum and dolomite, the geometry 63 for granite, gneiss and basalt and the geometry 64 for lime, dolomite and granite.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich eine herkömmliche Bohreinrichtung oder eine Erdrakete mit Schub/Drehgestänge ohne weiteres im lockeren bis festen Gestein zum Richtungsbohren einsetzen. Dabei erfolgen beim Steuervorgang vorzugsweise schnell getaktete Vor/ Rückwärtsschritte nach Art einer Pleuelbewegung. Hier durch wird das Gesteinsgefüge gebrochen und abgetragen, wobei der Vorwärtsschritt vorzugsweise eine gleichmäßige nur geringe Bewegung beinhaltet.With the method according to the invention a conventional drilling device or an earth rocket with Thrust / swivel linkage in loose to firm Use rock for directional drilling. In doing so during the control process preferably fast clocked pre / Backward steps in the manner of a connecting rod movement. here through the rock structure is broken and worn away, the forward step preferably being uniform involves little movement.
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Also Published As
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Effective date: 20121201 |