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Strahldüsenbohrer für harte 1Vfineralschichten Die Erfindung bezieht
sich auf einen Strahldüsenbohrer für harte Mineralschichten mit einem hängenden,
sich im Bohrloch nicht drehenden, einen Brennerkopf aufweisenden Blasrohr.
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Bei den bekannten Strahldüsenbohrem ist das Blasrohr mit dem Brennerkopf
fest verbunden. In Gesteinsschichten mit nicht verfestigten Bereichen oder schlecht
abspaltbaren Schichten besteht bei Verwendung der bekannten Strahldüsenbohrer die
Neigung zur Bildung von Vorsprüngen oder vorstehenden Stopfen in der Bohrlochwand,
die einen unregelmäßigen Bohrlochquerschnitt verursachen, so daß dadurch das Vorrücken
des Blasrohres verzögert wird. Zwar ist es möglich, diese Hemmstellen mit Hilfe
eines im ganzen rotierenden Blasrohres zu überwinden, jedoch eignen sich die rotierenden
Blasrohre nur für Flachbohrungen.
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Wenn das gesamte Blasrohr in Rotation versetzt wird, besteht insbesondere
bei Anwendung in großen Tiefen die Gefahr, daß die außenliegenden Leitungen für
das Oxydationsmittel und den Brennstoff sich gegenseitig umwickeln, so daß die Zufuhr
des Verbrennungs- und/oder Oxydationsmittels unterbleibt und das Blasrohr außer
Betrieb gesetzt wird oder der Brennstoff sich entzündet.
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Zur Vermeidung des obigen Nachteils ist erfindungsgemäß der Brennerkopf
rotierbar im Blasrohr angeordnet und mit einem im Blasrohr untergebrachten Drehantrieb
versehen. Der neue Strahldüsenbohrer macht es möglich, in betriebssicherer Weise
das thermische Bohren von Gesteinen unabhängig von ihrer Härte auch in großen Tiefen
auszuführen. Eine Beschädigung der Zufuhrleitungen für Brennstoff und Sauerstoff
kann nicht mehr eintreten. Der Strahldüsenbohrer ist trotzdem noch relativ einfach,
da lediglich der Brennerkopf in Rotation versetzt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Antrieb
für den Brennerkopf durch einen Elektromotor erfolgt, der im Blasrohr enthalten
ist. Durch Auswahl eines Elektromotors wird vor allem der räumliche Aufbau der Antriebsvorrichtung
verringert und ein relativ hohes Drehmoment erzielt. Ferner ist vorgesehen, daß
der Brennerkopf an einer Hohlwelle befestigt ist und diese Hohlwelle über ein Planetenuntersetzungsgetriebe
mit der Hohlwelle des Elektromotors verbunden ist, wobei durch die beiden Wellen
und durch das Planetengetriebe zueinander konzentrisch die feststehende Brennstoffleitung
und die feststehende Sauerstoffleitung hindurchgeführt werden. Hierdurch wird die
Drehgeschwindigkeit und auch das Drehmoment des Brennerkopfes steuerbar ausgebildet
und eine Anordnung dieser einzelnen Teile zueinander geschaffen, die auf einem kleinen
Raum untergebracht werden kann.
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Ferner wird vorgeschlagen, den Strahldüsenbohrer am Ende der Brennstoffleitung
mit einem feststehenden Injektor zu versehen, der mit Brennstoffdüsen versehen ist
und in die Eintrittsbohrung der Brennkammer des drehbaren Brennerkopfes hineinragt,
wobei für die Zufuhr des Sauerstoffes in die Brennkammer der Ringraum zwischen Eintrittsbohrung
und Injektor vorgesehen ist.
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Der Erfindungsgegenstand wird an Hand der Zeichnung erläutert.
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Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein Bohrloch und veranschaulicht die
Arbeitsweise des Strahldüsenbohrers gemäß der Erfindung; Fig.2 ist im vergrößerten
Maßstab ein Schnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Blasrohr; Fig. 3 zeigt schematisch
die Anordnung der Zahnräder im Untersetzungsgetriebe der Fig. 2, und Fig.4 zeigt
vergrößert eine Abwandlung des in Fig. 2 dargestellten Brennerkopfes.
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In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Strahldüsenbohrers
gemäß der Erfindung dargestellt. Das an einem Kabel hängende Blasrohr
10 kann mit einer Winde in ein Bohrloch einer Gesteinsformation
R
hinuntergelassen werden. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist das Blasrohr 10 am oberen
Ende als Gehäuse 12 aus Stahl oder einem ähnlichen Material hoher Festigkeit
und von solcher Länge ausgebildet, daß die zur Herstellung eines geraden Bohrlochs
erforderliche Führung vorhanden ist. Am unteren Ende enthält das Blasrohr eine Antriebsvorrichtung
13. Der Brennstoff und das Oxydationsmittel werden mit einer Brennstoffzufuhrleitung
F bzw. einer Zufuhrleitung O für das Oxydationsmittel zugeführt, die von oben in
das Gehäuse geführt sind. Die Sauerstoffzufuhrleitung mündet in einer Leitung 14,
welche axial durch die Antriebsvorrichtung 13 verläuft und am Gehäuse angebracht
ist.
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Für den Brennstoff ist die Leitung 18 vorgesehen, so daß der Sauerstoff
und der Brennstoff getrennt dem Brennerkopf 16 zugeführt werden. Hierzu ist die
Leitung 18 ebenfalls axial angeordnet, und sie bildet den zentralen Durchgang 20
und den ringförmigen Durchgang 22. Geeignete Anschlüsse am oberen Ende der Antriebsvorrichtung
13 verbinden die Durchgänge 20 und 22 mit den Leitungen F und O für
den gleichzeitigen, jedoch getrennten Durchgang von Brennstoff und Sauerstoff.
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Als Brennstoff wird vorzugsweise Kerosin und als Oxydationsmittel
gasförmiger Sauerstoff verwendet, jedoch können, falls gewünscht, auch andere Brennstoffe
und Oxydationsmittel Verwendung finden.
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Kühlwasser wird durch einen an der Oberseite des Gehäuses angeschlossenen
flexiblen Schlauch W zugeführt und fließt durch einen Wassermantel 24, der neben
dem Gehäuse 12 über dessen ganze Länge verläuft.
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Am unteren Ende der Brennstoffleitung 18 ist ein Injektor 26 angebracht,
der mit einer zentralen Bohrung 28, die mit der Brennstoffleitung 18 in Verbindung
steht, versehen ist und den Brennstoff durch radiale Düsen 30 ausstößt. Der Injektor
26 ist feststehend zum Gehäuse 12 und zur Brennstoffleitung 18 angeordnet, führt
in die Eintrittsbohrung des Brennerkopfes 16 und bildet mit diesem eine Eintrittsbohrung
32, durch die der Sauerstoff im ringförmigen Durchgang 22 strömen kann. Auf diese
Weise mischen sich Brennstoff und Sauerstoff innig beim Austritt in diese Bohrung
32 und verbrennen heftig in der Brennkammer 34.
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Die Verbrennungsgase treten durch mehrere öffnungen aus, und zwar
durch eine (nicht dargestellte) axiale Düse und im Winkel angeordnete Düsen 36 in
der Brennerkopfspitze 38, wobei intensive Flammen, wie etwa bei einer überschallrakete,
entstehen. Diese Flammen stoßen gegen die Seiten des Bohrlochs oder streichen daran
vorbei. Hierdurch werden Teilchen von der Gesteinsformation abgesplittert. Der Rückstau
der Flamme bewegt sich im Flammenbereich an den Seiten des Bohrloches nach oben
und in den freien Raum rings um das Ende des Blasrohres und schleudert das Bohrgut
und die Gesteinssplitter von der Brennerspitze hinweg und trägt dazu bei, das Auftreten
von Verengungen und Stopfen zu verringern.
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Das Kühlwasser füllt den Wassermantel 24 im Gehäuse 12 und fließt
durch Kühlkanäle 40 in der Wand der Brennkammer 34 zu einem Ringkanal 41, aus dem
es über Kühlkanäle 42 in die Brennerkopfspitze 38 strömt. Das Wasser im Kühlkanal
wird radial aus der Brennerspitze in den sich rückwärts bewegenden Flammenrückstau
ausgestoßen. Hier wird der Wasserschleier in Dampf umgewandelt. Das Wasser wird
ferner durch Berührung mit den erhitzten Gesteinsteilchen in Dampf übergeführt.
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Die Eigenschaft des hängenden Blasrohres 10, verfestigte abspaltbare
Gesteinsformationen oder Gesteinsformationen mit gebrochenen und nicht abspaltbaren
Schichten zu durchdringen, wird dadurch verbessert, daß die Flamme des Blasrohres
in Drehung versetzt wird, ohne die Arbeitstiefe des Blasrohres zu begrenzen oder
zu verringern. Dies wird erreicht, indem im Gehäuse 12 eine Antriebsvorrichtung
für die Drehung des Brennerkopfes 16 angeordnet wird. Nachfolgendes Ausführungsbeispiel
wird in Verbindung mit einem Blasrohr beschrieben, welches mit einem elektrischen
Antrieb für die Drehung des Brennerkopfes 16 versehen ist. Natürlich läßt sich die
Erfindung auch auf andere Antriebsmittel, wie Wasser oder Luft, abstellen.
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Die Antriebsvorrichtung 13 ist in Fig. 2 dargestellt. Sie enthält
eine antreibende Hohlwelle 44 und eine angetriebene Hohlwelle 46, die hintereinander
in einer Linie und konzentrisch um die rohrförmige Leitung 14 angeordnet sind. Sowohl
die die obere Hälfte der Leitung 14 umgebende Hohlwelle 44 als auch
die angetriebene Hohlwelle 46 sind um die Achse des Blasrohres drehbar.
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Die Hohlwelle 44 wird durch einen Elektromotor in Drehung versetzt,
vorzugsweise durch einen Wechselstrom-Induktionsmotor, der einen ringförmigen Stator
48 aufweist, welcher in einem röhrenförmigen Gehäuse montiert ist, das seinerseits
konzentrisch mit dem Gehäuse 12 fest verbunden ist, und einem ringförmigen Rotor
50, der konzentrisch innerhalb des Stators 48 angeordnet und auf der Hohlwelle 44
festgekeilt ist. Der Strom wird dem Stator durch ein isoliertes Kabel
52 zugeführt. Die Drehgeschwindigkeit der Hohlwelle 44 wird vorzugsweise
durch ein Untersetzungsgetriebe herabgesetzt, das im unteren Teil des Gehäuses 12
angeordnet ist. Das in Fig. 3 dargestellte Untersetzungsgetriebe enthält einen Zahnradsatz,
z. B. ein Planetengetriebe 54 mit einem feststehenden Zahnkranz 58, der fest
an der Innenwand des Wassermantels 24 montiert ist, ein Sonnenrad 60, das
an der Außenseite der Hohlwelle 44 befestigt ist und sich mit dieser dreht,
und zwei oder mehr Planetenräder 62, die in den Zahnkranz und das Sonnenrad eingreifen
und sich zwangläufig mit verringerter Drehzahl um den Umfang des Sonnenrades 60
drehen. Die auf den Achsen der Planetenräder montierten Zahnräder 64 gleicher Größe
übertragen die verlangsamte Drehbewegung auf einen Zahnkranz 66, der sich langsam
dreht. Ein am Zahnkranz 66 befestigtes Armkreuz 68 überträgt die herabgesetzte Drehbewegung
über ein geeignetes Verbindungsstück 70 auf die angetriebene Hohlwelle
46.
Diese ist ihrerseits mit dem Oberteil des Brennerkopfes 16 fest verbunden.
Bei dieser Konstruktion rotieren die Hohlwellen 44, 46 und der Brennerkopf 16 als
eine Einheit, während die Teile 12, 14 und 18 des Blasrohres feststehen. Am Armkreuz
68 und an der Hohlwelle 46 sind geeignete Lager (nicht dargestellt) vorgesehen.
Ebenso befindet sich ein Lager 72 zwischen dem unteren Ende der Leitung 14 und der
Eintrittsbohrung des Brennerkopfes.
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Da der Brennerkopf innerhalb des unteren Endes des Gehäuses 12 rotiert,
liegt er dicht an der Wand des Gehäuses 12 oberhalb des Ringkanals
41 an, und die Brennerspitze 38 gleitet wasserdicht an der Wand
des
Gehäuses 12 entlang. Vorzugsweise werden Dichtungsringe zwischen den Gleitflächen
angeordnet, z. B. ein oder mehrere Ringe 74 aus geeignetem nachgiebigem Material.
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In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind eine Drehgeschwindigkeit
der Antriebswelle von etwa 3000 U/min und eine Brennerkopfdrehzahl von etwa 25 U/min
hervorragend geeignet, praktisch alle Arten von abspaltbaren Gesteinsformationen
thermisch zu durchdringen, jedoch kann auch mit höheren oder niedrigeren Drehgeschwindigkeiten
gearbeitet werden.
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Wenn im Betrieb das Blasrohr in das Bohrloch H gesenkt wird, spalten
die im Winkel aus dem Brenner tretenden Flammen Gesteinsteilchen an der Sohle und
an den Seiten des Bohrlochs ab und schaffen dadurch ständig den erforderlichen Raum
zum weiteren Absenken des Blasrohres. Tritt ein Vorsprung auf, genügt die Drehbewegung
des Brennerkopfes, um das Hindernis zu beseitigen.
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Beim Auftreten einer Verengung oder eines Pfropfens aus schwer trennbarem
Material, kann die Hin-und Herbewegung des Blasrohrs verändert werden, z. B. durch
Veränderung der Zahl der Hübe zwischen 30 und 60 pro Minute oder vorzugsweise durch
Verlängerung der Hübe von etwa 5 cm auf etwa 60 cm. Der Pfropfen wird hierbei durch
Zusammenwirken von mechanischen und akustischen Mitteln entfernt, und zwar durch
den mechanischen Aufprall des sich nicht drehenden Blasrohres 10 und die
mit überschallgeschwindigkeit austretenden Flammen.
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Das hängende Blasrohr ermöglicht das Durchbohren von nicht verfestigten
Gesteinsformationen mit Bohrgeschwindigkeiten, die wesentlich höher liegen als die
heutigen Bohrgeschwindigkeiten, ohne daß die Tiefe des Bohrlochs begrenzt ist.
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Die in Fig.4 dargestellte Abwandlung zeigt eine andere Anordnung für
den Ausstoß des Kühlwassers in die zurückschlagenden Flammen, wobei das aus dem
rotierenden Brennerkopf 16a ausgestoßene Kühlwasser aus dem Kühlkanal 42a im Winkel
nach rückwärts austritt. Auf diese Weise fließt das Kühlwasser mehr in der allgemeinen
Richtung der sich nach rückwärts bewegenden zurückschlagenden Flammen, so daß die
Möglichkeit, daß Wasser in den Flammenbereich gelangt, im wesentlichen vermieden
wird. Das Ausstoßen des Kühlwassers nach rückwärts kann in jedem Winkel bis zu 45°
von der Horizontalen geschehen. Bevorzugt werden Winkel bis zu 15°: Anders ausgedrückt,
der Austrittswinkel der Kühlflüssigkeit, gemessen von der senkrechten Achse des
Blasrohrs, kann zwischen 90 und 135° liegen und beträgt vorzugsweise 90 bis 105°.
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Die Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Tabelle deutlich,
in der die Ergebnisse typischer Bohrungen mit einem Blasrohr von 14 cm Durchmesser
aufgeführt sind. Bei diesen Bohrungen wurde die Ausströmrichtung aus dem rotierenden
Brennerkopf von 30°, gemessen von der Horizontalen nach unten, bis 0 bis 5°, gemessen
von der Horizontalen nach oben, verändert. Das in diesen Versuchen zu durchdringende
Material war Taconit, welches schlecht absplittert und schlecht zu durchdringen
ist. Der Druck der Brennkammer wurde mit einer Kolbenpumpe bei etwa 4,5 kg/cm2 konstant
gehalten. Die Drehgeschwindigkeit des Rotors betrug 3600 U/min, die des Brennerkopfes
25 U/min.
| Tiefe des Bohr- |
| Ausströmrichtung von Wasser gebohrten geschwindig- |
| Loches keif |
| m m/h |
| 30° von der |
| Horizontalen |
| nach unten ...... 15 1,37 |
| 0 bis 5° von der |
| Horizontalen |
| nach oben ....... 31,12 2,62 |
Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß die Bohrgeschwindigkeit eines
aufgehängten Blasrohrs mit rotierendem Brennerkopf stark verbessert wird; wenn das
Kühlwasser aus ihm radial nach außen oder im Winkel nach rückwärts tritt. Die Verbesserung
der Bohrlochtiefe und der Bohrgeschwindigkeit beträgt hierbei etwa 100 1/o.