DE1918964B2

DE1918964B2 - Verfahren und vorrichtung zum bohren von loechern mit flammstrahlen

Info

Publication number: DE1918964B2
Application number: DE19691918964
Authority: DE
Inventors: James A Hanover N.H.; Fitzgerald Ernest M Norwich Vt.; Browning (V.St.A.)
Original assignee: Browning Engineering Corp, East Wilder, N.H. (V.St.A.)
Priority date: 1968-04-29
Filing date: 1969-04-15
Publication date: 1977-09-22
Also published as: DE1918964A1; JPS5016281B1; US3463249A; GB1224453A; FR2007166A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren von Löchern in Festkörpern, insbesondere Gestein, Erdreich oder Mineralien, mittels Flammstrahlen, unter Verwendung eines in einem Gehäuse angeordneten, in eine Brennkammer einspeisenden Brenners und von Luft als Oxydationsmittel und außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem Gehäuse, in dem ein Brenner und eine Brennkammer angeordnet sind, die eine Strahldüse aufweist, wobei biegsame Zuleitungen für Brennstoff und Oxydationsmittel zu der Brennkammer vorgesehen sind.

Beim Herstellen von Bohrlöchern, Rinnen oder Kanälen mittels Flammstrahlvorrichtungen verwendet man im wesentlichen zwei grundlegend verschiedene Verfahren. Wenn das Gestein oder das Erdreicii sich für die Bearbeitung durch die Wirkung der heißen Flamme allein eignet, dann kann man damit bereits ein Bohrloch erstellen. Härtere Felsarten werden auf diese Weise gebohrt, wie z. B. Granit, Takonit, Dolomit und Quarzit.

Viele bekannte Felsstrukturen können mit der Flamme allein nicht gebohrt werden. In diesen Fällen wird ein Gebläsesand durch den Flammstrahl auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt und gegen die felsige Oberfläche geschleudert. Dabei erzielt man zusätzlich eine mechanische Schneid- oder Bohrwirkung.

Bei den ständig laufenden Forschungsarbeiten zur Verbesserung des Flammstrahl-Bohrverfahrens ergaben sich einige grundlegende Nachteile der bisher üblichen Verfahren. »Innenbrenner«, d. h. Vorrichtungen mit inneniiegender Brennkammer wurden vorgeschlagen unter Verwendung von Sauerstoff als Oxydationsmittel und Brennkammerdrücken bis zu 12,25 atü, aber solche Brenner sind im Betrieb sehr aufwendig wegen der hohen Kosten des Sauerstoffes. Will man Bohrlöcher mit einem Durchmesser größer als der Durchmesser des Brenners herstellen, dann muß der größte Teil der Verbrennungsgase durch eine oder mehrere Düsen ausgestoßen werden, deren Achsen gegen die Achse des Brenners unter einem Winkel nach außen verlaufen. ^:

Wird andererseits Luft als Oxydationsmittel benutzt und mit den üblichen Drücken von etwa 7,03 atü zugeführt, dann ist das durch einen axial austretenden Strahl erzeugte Bohrloch in seinem Durchmesser immer größer als der Durchmesser des Brenners, jedoch sind solche Bohrlöcher häufig viel zu groß, um praktisch brauchbar zu sein. Beispielsweise liefert eine Vorrichtung mit einem Druckluftdurchsatz von ca. 17 000 l/min in Granit ein Bohrloch mit einem Durchmesser von 25,4 cm. Es ist aber wünschenswert, den Durchmesser eines solchen Bohrloches auf etwa 15 cm oder weniger zu begrenzen. Verwendet man reinen Sauerstoff als Oxydaiiunsmittel, dann tritt dieses Problem nicht auf, da der axial austretende Strahl ein Bohrloch mit geringem Durchmesser erzeugt, aber, wie bereits erwähnt, müssen bei Benutzung von Sauerstoff die Flammstrahlen in einem Winkel von der Achse des Brenners nach außen austreten, um ein Bohrloch zu erzeugen, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Brenners.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Steigerung der linearen Bohrgeschwindigkeit gleichzeitig eine Verringerung des Bohrlochdurchmessers zu erzielen.

Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe läßt sich überraschenderweise dadurch lösen, daß der Brennkammerdruck auf mehr als 10,55 atü gehalten wird.

Man hat nämlich festgestellt, daß der Bohrlochdurchmesser bei Verwendung von Luft als Oxydationsmittel im engen Zusammenhang mit und umgekehrt proportional zu dem in der Brennkammer des Brenners aufrechterhaltenen Druck steht, d.h., daß Brennkammerdrücke oberhalb von 10,55 atü Bohrgeschwindigkeiten mit abnehmendem Durchmesser des Bohrlochbereiches ergeben, wobei natürlich als untere Grenze der Durchmesser des Brenners selbst erreichbar ist. Diese Wirkung ergibt sich zum Teil aus der Tatsache, daß der Stickstoffgehalt der Luft (etwa 78%) durch seine mechanische Wirkung auf den Fels oder anderes Material in Verbindung mit der hohen Temperatur und der hohen Geschwindigkeit der aus dem Brenner ausströmenden Verbrennungsprodukte merkbar zu der Bohrleistung beiträgt.

Vorrichtungen zum Bohren von Löchern in Festkörpern, insbesondere Gestein, Erdreich Mineralien mittels Flammstrahlen, mit einem Gehäuse, in dem ein Brenner und eine Brennkammer angeordnet sind, die eine Strahldüse aufweist, wobei biegsame Zuleitungen für Brennstoff und Oxydationsmittel vorgesehen sind, sind an sich aus der US-PS 31 03 251, insbesondere aber aus der DT-AS 12 55 605 bekannt.

Diese bekannten Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß die Brennkammer starr mit dem Gehäuse verbunden ist. Durch Wärmedehnung der Brennkammer können sehr hohe zusätzliche Spannungen in dem Gehäuse auftreten. Diese Schwierigkeit wird bei der neuen Vorrichtung dadurch beseitigt, daß die Brennkammer zur Wärmedehnung axial und radial frei beweglich im Gehäuse gelagert ist.

Ein üblicher, mit Luft und Brennstoff betriebener

Brenner mit einem Druckluftverbrauch von ca. 17 000 l/min erzeugt ein Bohrloch von Γ:5,4 cm Durchmesser in einem bestimmten Takoni) mit etwa 8^!/2 m je Stunde. Dieser Brenner arbeitet z. B. bei einem Brennkammerdruck von 4,9 atü mit einem Strahldüsendurchmesser von 31,8 mm. Erhöht man den Brenikammerdruck gemäß der Erfindung auf mehr als 1.0,55 atü bis nahezu auf 14 atü und verringert man dann noch den Düsendurchmesser auf 22,2 mm, dann erhält man wesentlich bessere Ergebnisse. Natürlich braucht man dazu einen mit entsprechend höheren Drücken arbeitenden Luftkomprfssor. Die bei höherem Druck arbeitende Vorrichtung, die dieselbe Menge von ca. 17 000 l/min an Preßluft benötigt, erzielt jetzt ein Bohrloch mit einem Durchmesser von etwa 21 cm bei einer Bohrgeschwindigkeit von etwa 10,5 m je Stunde. Es ist in diesem Zusammenhang bemerkeⁿswert, daß im letzteren Fall beim Bohren tatsächlich weniger Abraummaterial anfällt als bei den bisher üblichen Verfahren. Trotzdem ist das ganze Verfahren doch weit wirksamer, da es die gewünschten Ergebnisse bringt, nämlich eine beträchtliche Erhöhung linearen Bohrgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung des Bohrlochdurchmessers.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit Figuren näher beschrieben. Dabei zeigt

Fig, 1 eine isometrische Querschnittsansicht eines Brenners beim Flammenstrahlbohren,

Fig. 2 eine Längs-Querschnittansicht eines erfindungsgemäß benutzbaren Brenners,

Fig. 3 eine Abwandlung des Brenners nach Fig.2, bei dem Gebläsesand oder Schleifpartikeln in den Brenner eingeführt werden können und

Fig.4a, 4b und 4c schematische Ansichten von felsigen Oberflächen, auf die je ein Flammenstrahl mit unterschiedlicher Geschwindigkeit auftrifft.

Fig. 1 zeigt das Flammenstrahlbohren eines unter Hitze absplitternden Materials 13, wie z. B. Takonit. Der in einem Gehäuse liegende Brenner 11 erzeugt einen Flammenstrahl 15, welcher auf der VortriebfUu-he 21 des Bohrloches 12 auftrifft. Abgespaltenes Material und die Verbrennungsprodukte 16 strömen nach oben und an der Erdoberfläche 14 aus dem Bohrloch aus. Die Geschwindigkeit des Flammenstrahles 15 liegt im Überschallbereich und wird durch etwa doppeltrapezförmige Stoßerregungsfelder 49 gekennzeichnet, die im Zusammenhang mit F i g. 2 noch näher beschrieben werden.

Der Brenner 11 ist an einem Rohr 17 befestigt, das so auch der Zuführung von Preßluft vom Schlauch 19 zu dem Brenner dient. Der andere Brennstoff, beispielsweise öl, wird über einen Schlauch 20 durch ein Rohr 18 zugeführt, das innerhalb des größeren Rohres 17 liegt. Zwischen dem Rohr 18 und dem Schlauch 20 ist eine ringförmige Abdichtung vorgesehen. Beim Bohren des Bohrloches wird die Brennervorrichtung mit einer entsprechenden Geschwindigkeit vorwärts bewegt.

Eine ausführliche Darstellung eines Luft-Brennstoff-Brenners ist in F i g. 2 gezeigt. Diese Konstruktion kann als 3-Rohrkonstruktion bezeichnet werden und stellt eine kompakte symmetrische Einheit dar. Verbrennungsluft gelangt über das Rohr 17 in die Verteilerkammer 39 und von dort in das vordere oder düsenseitige Ende des Brenners durch einen ringförmigen Raum 41, der zwischen dem äußeren Rohr 31 und dem mittleren Rohr 32 liegt. Die Luft kehrt dann ihre Strömungsrichtung, wie durch die Pfeile angedeutet, um.

und strömt zwischen dem Rohr 32 und dem innenliegenden Rohr 33 nach oben durch radial angeordnete Bohrungen 43 in dem Verschlußstück 38 in die Mischkammer 44. Das öl gelangt vom Rohr 18 in eine Sprüdüse 37 und bildet einen Sprühkegel 46, der sich mit der Preßluft vermischt und in der Brennkammer 45 verbrennt. Die Verbrennungsprodukte expandieren von dem Hochdruckbereich in der Verbrennungskammer 45 durch die Düse 47 und bilden den Flammenstrahl 4*5.

Der Brenner selbst ist an sich einfach aufgebaut. Zusätzlich zu den drei Rohren 31, 32 und 33, wobei das Rohr 33 die Außenwand der Brennkammer 45 bildet, ist das obenliegende Brennkammerendstück 38 und die unten eingesetzte oder eingeschraubte Düse 47 vorgesehen, die die untere Fläche der Brennkammer 45 bildet, und die beide mit der Brennkammer fest verschweißt sind (Schweißnaht 52). Das Brennkammerendstück 38 bildet die obenliegende Fläche der Brennkammer 45 und ist mit dem Rohr 33 und der Sprühdüse 37 ebenfalls durch eine Schweißnaht 53 fest verbunden.

Das mittlere Rohr 32 leitet den Preßluftstrom nach dem vorderen (unteren) Ende des Bremers, wobei dieser Luf'strom eine ausreichende Kühlung des äußeren Rohres 31 bewirkt, das durch die austretenden, nach oben durch das Bohrloch 12 ausströmenden heißen Gase (Fig. 1) erhitzt wird. Das innere Rohr 33 wird beim Betrieb rotglühend und fördert damit die in der Kammer 45 ablaufenden intensiven Reaktionen.

Die hohen Betriebstemperaturen des inneren Rohres 33 bewirken eine Verlängerung dieses Rohres in axialer Richtung. Ein etwa 45,7 cm langes Rohr dehnt sich bei den hier vorkommenden Temperaturen um bis zu 9,5 mm aus. Um ein Verziehen und Verkrümmen der verschiedenen Rohre wegen ungleicn großer Ausdehnung zu verhindern (die anderen beiden Rohre 21 und 32 erreichen keine so hohen Betriebstemperaturen), muß das Rohr 33 bezüglich der Rohre 31 und 32 frei beweglich sein. In bisher bekannten Konstruktionen waren das Endstück 38 und die Düse 47 starr mit dem außenliegenden Rohr 31 verbunden, während das innenliegende Rohr die zylindrischen Abschnitte der das Rohr 31 stützenden Teile frei beweglich war. Solch eine gleitende Anordnung der Rohre hat jedoch den ganz wesentlichen Nachteil, daß durch ungleichmäßige Ausdehnung der verschiedenen Teile unvermeidbare Leckverluste an Druckluft auftreten. Durch diese undichten Stellen kann es zu sehr unerwünschten Pfeif- und Zischtönen kommen. Außerdem wird nicht die gesamte zugeführte Luft zum Kühlen und zur Verbrennung benutzt. Die einzelnen Rohre werden heißer als erwünscht und es ergibt sich eine verringerte Verbrennungsintensität.

In der neuen erfindüngsgernäßen Konstruktion wird nicht nur eine freie gegenseitige Bewegung der verschiedenen Brennerrohre ermöglicht, sondern Leckverluste an Preßluft werden vermieden. Wie man aus F i g. 2 erkennt, kann das untere Ende des mittleren Rohres frei gleiten und kann sich unabhängig vom Ausdehnen oder Zusammenziehen jedes anderen Bauteiles ausdehnen oder zusammenziehen. Dehnt sich das innere Rohr 33 aus, dann wird diese Ausdehnung durch eine Bewegung des Rohres 18 aufgenommen, das dem ölschlauch 20 gleitet.

Außerdem läßt sich die Konstruktion des Brenners nicht nur eine Längsausdehnung der einzelnen Teile zu, sondern auch eine seitliche Verschiebung, die sich durch ungleichförmiges Erhitzen rund um den Umfang der

Rohre ergibt. Der ölschlauch 20 ist mechanisch nicht festgelegt und läßt damit eine solche Bewegung zu.

Obgleich die Düse 47 (in ausgezogenen Linien) als sich verengende Düse dargestellt ist, ist ein zusätzlicher sich erweiternder Abschnitt der Düse in einem Düsenkörper 58 in gestrichelten Linien dargestellt und könnte ebensogut verwendet werden. Die verschiedenen Druckbereiche des aus der Düse 47 austretenden Flammenstrahles ergeben sich daraus, daß der Flammenstrahl mit Überschallgeschwindigkeit austritt. Die Stoßerregungsbereiche 49 sind dabei charakteristisch für einen Bereich mit einer unsymmetrischen Verteilung von Gasdrücken. In der Austrittsebene der Düse 47 ist der Gasdruck (bei hohem Druck der Verbrennungskammer) viel höher als der der umgebenden Atmosphäre. Der Strahl dehnt sich beim Eintritt diese Atmosphäre aus. Da jedoch die Schallgeschwindigkeit kleiner ist als die Strahlgeschwindigkeit, ergibt sich nicht unmittelbar ein Ausgleich zwischen Strahldruck und atmosphärischem Druck: Es ergeben sich Stoßwellcngebiete, und die Strahloberfläche dehnt sich abwechselnd aus und zieht sich zusammen.

Der Mechanismus, durch den die Flammenstrahlen mit höherer Geschwindigkeit in der Lage sind, schneller zu bohren und gleichzeitig ein Bohrloch mit geringerem Durchmesser zu erzeugen, soll nun im Zusammenhang mit Fig.4a, 4b und 4c beschrieben werden, wobei angenommen wird, daß der Mechanismus etwa in dieser Weise beschrieben werden kann. In den drei Ansichten der Fig.4 ist die gleiche Luft- und Brennstoffzufuhr angenommen. Außerdem ist die Strahlgeschwindigkeit Vj in F i g. 4b doppelt so hoch wie die in F i g. 4a und die Strahlgeschwindigkeit in F i g. 4c ist doppelt so hoch wie die in Fig.4b. Mit zunehmender Strahlgeschwindigkeit nimmt der Strahldurchmesser ab. Außerdem kann bei zunehmenden Verbrennungsdrücken der Durchmesser des Brenners selbst kleiner gemacht werden.

In Fig.4a sei Vj\ = 457 m/sec angenommen. Diese Geschwindigkeit des Flammenstrahles liegt bei den hier herrschenden Temperaturen unterhalb der Schallgeschwindigkeit und ergibt ein Bohrloch mit relativ großem Durchmesser. Die auftreffenden Gase müssen am Staupunkt 74 ihre Richtung ändern und nach der Seite entweichen, da ihre Energie gering ist. Daher wird der Wärmeübergang auf den Fels ganz wesentlich durch diejenige Komponente der Geschwindigkeit des sich ausdehnenden Gases bestimmt, die mehr oder weniger horizontal längs der Felsoberfläche verläuft. Für einen derart breiten Aufprall eines Flammenstrahles geringer Geschwindigkeit ist der tangentiale Geschwindigkeitsgradient an oer Kontaktfläche relativ klein, d. h. die Zunahme der Geschwindigkeit zwischen Punkt 75 und Punkt 76 ist gering. Ein geringer Wärmeübergang in der Nähe des Staupunktes 74 ergibt eine geringere Abtraggeschwindigkeit des Felsmaterials in der Mittellinie des Flammenstrahles. Die heißen Gase dehnen sich nach außen aus und splittern den Fels noch eine relativ große Entfernung vom Staupunkt 74 ab. Dadurch ergibt sich ein Bohrloch mit großem Durchmesser, das in axialer Richtung langsam fortschreitet.

In F i g. 4b ist die Strahlgeschwindigkeit Vj₂ mit 915 m/sec angenommen, ein Wert, der einem Brennkammerdruck von etwa 3,5 atü zugeordnet werden kann. Der Aufprall der Strahlgase überstreicht einen Abschnitt in der Mitte des Bohrloches, und die Tangentialgeschwindigkeit vom Staupunkt 84 zu den Pfeilen 85 und 86 ist viel höher als zuvor. Der Fels wird an der Vortriebsfläche des Bohrloches ziemlich gleichförmig abgetragen, und die Vortriebsfläche wird beinahe halbkugelförmig. Das Bohrloch hat einen geringeren Durchmesser, und die Bohrgeschwindigkeit ist größer, jedoch ist die gesamte abgetragene Felsmenge kleiner als in F i g. 4a.

Die Bohrgeschwindigkeiten mit kleinstem Bohrlochdurchmesser erzielt man, wenn die Strahlgeschwindigkeit Vjj in Fig. 4c auf 1830 m/sec erhöht wird. Für Luft-Brennstoffgemisch würde der entsprechende Kammerdruck bei etwa 21 atü liegen. Hier ist die tangentiale Geschwindigkeitszunahme radial vom Staupunkt nach außen unmittelbar sehr hoch. Dies ergibt in der Mitte des Bohrloches eine wesentlich höhere Abtraggeschwindigkeit als weiter außen. Obgleich hier am wenigsten Material abgetragen wird, ist hier die Bohrgeschwindigkeit am größten. Der Durchmesser des Bohrloches bleibt dabei nur wenig größer als der Gesamtdurchmesser des Brenners.

Dadurch, daß man den Kammerdruck beim Flammenstrahlbohren wesentlich höher wählt als bisher üblich und durchführbar war, kann man wesentlich erhöhte Bohrgeschwindigkeiten erzielen, wobei Luft als das notwendige Oxydationsmittel dient und die inerten Bestandteile der Luft zusammen mit den hohen Temperaturen und der hohen Flammenstrahlgeschwindigkeit eine hohe Bohrleistung ermöglichen.

Ein erfolgreich in der Praxis erprobter Brenner ist mit seinen Abmessungen in der nachfolgenden Tabelle angegeben:

40 Druckluftbedarf

Bohrung der Düse
Brennstoff

Innenrohr

Wandstärke des äußeren Rohres
Wandstärke des mittleren Rohres
Brennkammerdruck
Strahltemperatur
Strahlgeschwindigkeit

ca. 17 000 l/min
bei ca. 17,5 atü
22,22 mm
öl (Nr. 2)
ca. 100 l/h
45,7 cm lang,
50,4 mm Innendurchmesser
3,17 mm
3,17 mm
13,4 atü
ca. 165O⁰C
ca. 1586 m/sec

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60 Wird Bohren mit Schleifpartikeln entweder allein oder in Verbindung mit Flammenstrahlbohren benutzt, trägt die erhöhte Strahlgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich zur Erosionswirkung der Teilchen bei, wenn sie auf dem Fels mit wesentlich höherer kynetischer Energie auftreffen. Wiederum erzielt man bei Bohrgeschwindigkeiten eine Verringerung des Bohrlochdurchmessers.

In F i g. 3 ist in Schnittansicht, z. T. weggebrochen, eine Brennerkonstruktion gezeigt, in der sich der zu einer Einheit zusammengefaßte Drennerteil frei bewegen kann, wobei trotzdem Schleifpartikeln in die Brennkammer eingeführt werden können. Ein zut Zuführung von Schleifpartikeln dienendes Rohr 65 wire fest mit dem Brennkammerendstüek 38 verbunden, Die Mischkammer 44 ist so weit seitlich verschoben, daß das Rohr 65 noch untergebracht werden kann. Dei Brennstoff wird wie zuvor zugeführt, und die Schleifpar tikeln werden durch das Rohr unter Druck zugeführt und sind nachher nur ein Teil der aus dem Brennei ausgestoßenen Gase.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bedeute der Ausdruck »Innenbrenner« eine Konstruktion, be der Oxydationsmittel und Brennstoff mit relativ

gleichförmiger Geschwindigkeit in eine Kammer zugeführt werden, in der ständig ein Verbrennungsvorgang abläuft. Vorrichtungen, bei denen eine oder mehrere Explosionsreaktionen auftreten, sollen nicht unter die hier beschriebene Art von Vorrichtung fallen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bohren von Löchern in Festkörpern, insbesondere Gestein, Erdreich oder Mineralien, mittels Flammstrahlen, unter Verwendung eines in einem Gehäuse angeordneten, in eine Brennkammer einspeisenden Brenners und von Luft als Oxydationsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammerdruck auf mehr als 10,55 ι ο atü gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die zusätzliche Zuführung von Schleifpartikeln zu dem aus dem Brenner austretenden Strahl.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifpartikeln in die Brennkammer eingeführt werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, mit einem Gehäuse, in dem ein Brenner und eine Brennkammer angeordnet sind, die eine Strahldüse aufweist, wobei biegsame Zuleitungen für Brennstoff und Oxydationsmittel zu der Brennkammer vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (45) zur Wärmedehnung axial und radial frei beweglich im Gehäuse gelagert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rohleitung (65) vorgesehen ist, über die Schleifparlikeln unmittelbar in die Brennkammer (45) einführbar sind.