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Bohreinrichtung zum hydromechanischen Bohren von Tränklöchern im Steinkohlenberabau
Die Erfindung betrifft eine Bohreinrichtung zum Herstellen von Bohrlöchern mit kleinem
Durchmesser, vorzugsweise Langfronttränklöchern in Kohle, mit Hochdruckwasserstrahlen,
bestehend aus einem mit Düsen bestUckten Bohrwerkzeug, einem Hochdruckgestänge,
einem Bohrantrieb, einer Bohrlafette und einer Hochdrucktränkpumpe zur Druckwassererzeugung.
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Das Herstellen von Tränklöchern mit vergleichsweise geringem Durchmesser
von etwa 40 bis 60 mm im Steinkohlenbergbau, durch die hochgespanntes Wasser zur
vorbeugenden Staubbedämpfung in die noch im Gebirgsverband anstehende Kohle eingepreßt
wird, erfolgt bekanntlich unter Anwendung von Dreh- oder Schlagbohreinrichtungen
auf mechanischem Wege.
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Der Transport des Bohrkleins geschieht dabei entweder ebenfalls mechanisch
mittels Spiralgestänge oder durch Druckluft- oder WasserspUlung.
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Nachteilig ist bei diesen mechanischen Bohrverfahren, daß größere
Bohrlochlängen, wie sie insbesondere fUr das Langfronttränken benötigt werden, nur
sehr schwer zu erreichen sind, weil die Bohrungen erfahrgsgemäß meist frUher oder
später in das Nebengestein auswandern.
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Zum Herstellen von Großbohrlöchern in Kohle ist neben den vorgenannten
mechanischen Bohrveriahren ein Verfahren bekannt, bei dem die Lösearbeit im Bohrlochtiefsten
von in DUsen erzeugten Hochdruckwasserstrahlen, also hydromechanisch, verrichtet
wird. Mit dieser Arbeitsweise wird erreicht, daß wohl die vergleichsweise weiche
und geschlechtete Kohle, nicht aber das vergleichsweise harte und kompakte Nebengestein
angegriffen und abgetragen wird. Diesem Vorteil der Elözgängigkeit des Bohrwerkzeuges
stehen jedoch einige Nachteile gegenüber. Vor allen Dingen ist ein auf diese Weise
hergestelltes Großbohrloch erfahrungsgemäß nicht gleichmäßig ausgebildet. Der Durchmesser
wechselt stark und die Querschnittsform ist unregelmäßig und weicht erheblich von
der Kreisform ab. Ferner sind zum Erzeugen, Weiterleiten und späteren Klären des
Druckwassers von Bohrklein besondere, den üblichen Aufwand übersteigende Einrichtungen
zusätzlich erforderlich. Bei Großbohrlöchern, die nach diesem Verfahren hergestellt
werden, um normale Aufhauen oder konventionelle oder hydromechanische Pfeilerbaue
in steiler Lagerung daraus zu entwickeln, überwiegt der Vorteil der Flözgängigkeit
in der Regel gegenüber den genannten Nachteilen.
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Das hydromechanische Herstellen von Bohrlöchern vergleichsweise geringen
Durchmessers in Kohle, etwa von Tränklöchern, zählt demgegenüber bisher nicht zum
Stand der Technik. Es sind bisher auch noch keine Einrichtungen bekanntgeworden,
die eine Lösung dieser Aufgabe offenbaren. Es ist aber auch keineswegs naheliegend,
Bohrlöcher geringen Durchmessers in Kohle, etwa für Sprengzwecke,
Verankerung,
Nageln des Stoßes oder dergleichen, hydromechanisch herzustellen zu versuchen, insbesondere
nicht angesichts der beim Herstellen von Bohrlöchern größeren Durchmessers gesammelten
Erfahrungen und der dabei festgestellten o. a. Nachteile dieses Verfahrens bezüglich
der Qualität solcherart erstellter Bohrlöcher wie auch bezüglich des erforderlichen
hohen Sachaufwandes.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Bohreinrichtung zum hydromechanischen
Herstellen von Bohrlöchern mit vergleichsweise kleinem Durchmesser, insbesondere
für Tränkzwecke in der Kohle, zu finden, die das Niederbringen größerer Bohrlochtiefen,
ohne in das Nebengestein auszuweichen, erlaubt, als es mit gleich großen Bohreinrichtungen,
die nach dem mechanischen Verfahren arbeiten, möglich ist, und die zugleich die
aus der Großbohrlochtechnik bekannten Nachteile des hydromechanischen Bohrens vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird zur Herstellung von Tränklöchern in Sohle, vorzugsweise
Langfronttränklöchern, eine besonders zweckmäßige Kombination aus an sich bekanntem,
jedoch für das hydraulische Bohren von Bohrlöchern kleinen Durchmessers besonders
vorteilhaft gestaltetem Bohrsubehör und einer gleichfalls an sich bekannten regelbaren
Hochdrucktränkpumpe verwendet.
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Im einzelnen besteht das Bohrzubehör gemäß der Erfindung aus einem
mit Druclnwasserdüsen bestücktem Bolurwerkseug, einem verlängerbaren Hochdruckbohrgestänge
mit einem Hochdruckspülkopf und einem
auf einer Lafette regelbar
durch Motorkraft verschiebbar angeordneten Bohrantrieb mit regelbarer Drehzahl,
Das Bohrwerkzeug wird zweckmäßigerweise mit zwei bis vier als Druckwasserdüsen dienenden,
achsparallel angeordneten Bohrungen von ein bis zwei mm Durchmesser versehen, von
denen eine oder mehrere auf der zugehörigen Achsenschnittebene in Vortriebsrichtung
leicht zur Bohrlochwandung hin geneigt sind. Mit einem so ausgebildeten Bohrwerkzeug
lassen sich nämlich, wenn zugleich die leicht durch Versuche zu ermittelnden günstigsten
Werte für Bohrdrehzahl und Bohrgeschwindigkeit eingehalten werden, Bohrlöcher von
etwa 40 bis 60 mm Durchmesser, wie sie für das Tränken des Kohlenstoßes in Gebrauch
sind, maßgerecht herstellen.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist der -pCilkopf zur Einführung
des Hochdruckwassers in das Hochdruckgestänge in einer neuartigen Konstruktion als
Hochdruckspülkopf ausgeführt, insbesondere mit Kugellagern ausgerüstet. Dadurch
wird gewährleistet, daß das hochgespannte Wasser, ohne daß Abdichtungsschwierigkeiten
auftreten, zuverlässig in das Hochdruckgestänge eingeleitet wird.
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Als Hochdruckpumpe zur Erzeugung des für das Bohren benötigten Druckwassers
von 200 bis 400 atü findet zweckmäßigerweise die gleiche Pumpe Verwendung, die anschließend
auch für das Erzeugen des Druckwassers von 100 bis 200 atü für das Tränken des Kohlenstoßes
benutzt wird. Dadurch wird erreicht, daß der Sachaufwand für Bohren und Tränken
nicht höher ist als beim konventionellen verfahrens
Die Vorteile
des hydromechanischen Bohrens, insbesondere die Flözgängigkeit des Bohrwerkseugs,
sind bei Verwendung der erfindungsgemäßen Bohreinrichtung auch bei Bohrlöchern kleinen
Durchmessers gewährleistet.
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Die erfindungsgemäße Bohreinrichtung eignet sich besonders gut für
das Herstellen von Lang;fronttranklöchern mit vergleichsweise kleinem Durchmesser,
die im Abbauvorfeld und über eine größere Länge im Flip0 niedergebracht werden.
Dabei kommt es einmal darauf an, diese größeren Bohrlochlängen überhaupt zu erzielen
und zum anderen, mit der Bohrung im Flözhorizont zu bleiben.
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Erfahrungsgemäß erfüllen Bohreinrichtungen, die nach den herkömmlichen
mechanischen Bohrverfahren arbeiten, diese Anforderungen nur sehr unvollkommen,
sowohl hinsichtlich der Leistungsfähigkeit als auch der noch wichtigeren Flözgängigkeit.
Demgegenüber ist die Bohreinrichtung gemäß der Erfindung imstande, mit einem leistungsmäßig
gleich starken Bohrantrieb eine wesentlich größere Bohrlänge zu erzielen als konventionelle
Bohreinrichtungen, wobei die Flözgängigkeit in jedem Falle erfahrungsgemäß nur beim
hydromechanischen Verfahren wirklich gewährleistet ist, sogar beim Durchörtern von
Störungen, solange die Verwurfshöhe etwas geringer als die Flözmächtigkeit ist,
so daß Bohrwerkzeug und Gestänge noch hindurchpassen.
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überraschend ist dabei, daß bereits eine geringe, jedoch mit 200 bis
400 atü entsprechend hochgespannte Wasser menge beim hydromechanischen Bohren von
Löchern vergleichsweise
geringen Durchmessers ausreicht, um eine
zwei- bis dreimal so große Bohrgeschwindigkeit zu erzielen wie beim mechanischen
Bohren mit einer Hartmetallschneide. Dabei wird mengenmäßig wenlger Wasser als beim
herkömmlichen Bohren mit Wasserspülung benötigt. Es sind Bohrlochtiefen bis zu 60
m und mehr herstellbar, ohne daß die Bohrungen in das Nebengestein ausweichen.
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Ganz anders, als nach den Ergebnissen von hydromechanisch hergestellten
Großbohrlöchern zu erwarten wäre, und in Kenntnis der ungleiLI,LÜigen Zusammensetzung
der Kohle völlig überraschend, weisen mit der erfindungsgemäßen Bohreinrichtung
hergestellte Tränklöcher kleinen Querschnitts eine nahezu vollständig runde Form
auf und halten unerwartet über die gesamte Länge überaus maßhaltig die durch DUsengröße
und -andordnung vorherbestimmbare Querschnittsgröße bei.
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Davon abgesehen bedeuten kleinere Abweichungen hinsichtlich der Form
und der Abmessungen des Querschnitts über die Länge des Bohrlochs keinerlei Beeinträchtigung
der erfindungsgemäßen Aufgabe, weil an die Maßhaltigkeit eines Tränkbohrlochs geringere
Anforderungen als an andere Bohrlöcher gestellt werden. Bei dem neueren Stand der
Technik entsprechenden, sich durch Aufblähen unter Druck im Bohrloch selbst verspannenden
Tränkgeräten treten Abdichtungsschwierigkeiten auch bei nicht ganz maßhaltigen Bohrlöchern
kaum auf. Es ist vielmehr sogar von Vorteil, wenn die Bohrlochwandung nicht vollständig
plan und eben ist, wie das beim Bohren mit Bohrschneiden in der Regel der Fall ist,
weil kleinere Unebenheiten,
wenn das Gerät mit dem Ublichen Druck
verspannt wird, infolge des günstigeren Reibungsschlusses unerwUzischtes Rutschen
erschweren.
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Ähnliches gilt fUr eine andere Art der Abdichtung von Langfronttränklöchern,
bei der Rohrstücke in den Bohrlochmund einzementiert werden, durch die hindurch
das Tränkwasser in das Bohrloch eingeführt wird, wenn die Beschaffenheit der Kohle
vermuten läßt, daß bei einer Verwendung von aufblähbaren Tränkgeräten deren Wiedergewinnung
auf Schwierigkeiten stoßen würde.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen Bohreinrichtung
gehen aus der nachfolgenden beispielhaften Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen
Zeichnungen hervor: Die Fig. 1 seigt eine schematische Gesamtdarstellung der Bohreinrichtung
gemäß der Erfindung zum hydromechanischen Bohren von Langfronttränklöchern in Kohle.
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Die Figuren 2 bis 5 geben Ausfilhrgsbeispiele von zwei Bohrwerkzeugen
gemäß der Erfindung, Jeweils in Schnitt und Aufriß, wieder.
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In Fig. 6 ist in Aufriß und Teilschnitt ein kugelgelagerter HochdruckspUlkopf
gemäß der Erfindung dargestellt.
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In Fig. 1 ist oberhalb der Sohle eines Tränkbohrlochs 1 ein Bohrwerkzeug
2 mit Dosen 3 angeordnet. Die Sohle
wird von in den Düsen 3 gebildeten
Hochdruckwasserstrahlen 4 fortlaufend vertieft. Das einer Hochdrucktränkpumpe 5
mit Motor 6 über eine Leitung 7 zugefUhrte Niederdruckwasser wird auf 200 bis 400
atU gespannt und über einen Hochdruckschlauch 8 einem Hochdruckspülkopf 9 aufgegeben.
Von dort wird das Hochdruckwasser über ein abschnittweise verlängerbares Hochdruckhohlgestänge
10 in das Bohrwerkzeug 2 eingespeist.
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Das Hochdruckhohlgestänge 10 wird von einem auf einer Bohrlafette
11 längs verschiebbar befestigten Bohrantrieb 12 gedreht, der entsprechend dem Bohrfortschritt
vom Lafettenantrieb 13 vorgeschoben wird. Die Hochdrucktränkpumpe 5 ist in bekannter
Weise regelbar ausgebildet, so daß sie erfindungsgemäß wahlweise eine größere Wassermenge,
z. B. 80 1/min, unter hohem Druck, z. B. 250 atü, für das hydromechanische Bohren
oder eine kleinere Wassermenge, z. B. 6 1/min, unter geringerm Druck, z. B. 120
atü, für das Tränken zu liefern imstande ist.
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In den Figuren 2 und 3 ist in Schnitt und Draufsicht als Beispiel
für eine zweckmäßige Gestaltung des Bohrwerkzeuges 2 ein tellerförmig ausgebildetes
Werkzeug dargestellt, das mit einer zentrischen, achsparallelen als DUse 3 dienenden
Bohrung 14 mit vorzugsweise 1 mm Durchmesser und zwei etwas größeren, symmetrisch
auf dem Kreisdurchmesser angeordneten, auf einer Achsenschnittebene mit wenigen
Grad, vorzugsweise 5 °, nach außen geneigten ebenfalls als Düse 3 dienenden Bohrungen
15 mit vorzugsweise 1,5 mm Durchmesser versehen ist.
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Die Figuren 4 und 5 zeigen als weiteres zweckmäßiges Ausführungsbeispiel
in Schnitt und Draufsicht ein dreikantförmig
ausgebildetes Bohrwerkzeug
2 mit drei auf einem konzentrischen Kreis symmetrisch angeordneten, gleich großen,
als Düsen 3 dienenden Bohrungen 16 mit vorsugsweise 1, 5 mm Durchmesser, die sämtlich
mit wenigen Grad, vorzugsweise 5 o, auf Achsenschnittebenen nach außen geneigt sind.
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Figur 6 zeigt Einzelheiten des erfindungsgemäßen Hochdruckspülkopfes
9 aus Figur 1, der auf einem Anfangsteilstück 17 des abschnittsweise verlängerbaren
Hochdruckbohrgestänges 10 drehbar angeordnet ist, bestehend aus einem zylindrischen
Gehäuse 18 mit Gehäusedeckel 19, zwei vom Gehäuse 18 umschlossenen, auf das Gestängeanfangsteilstück
17 aufgesteckten Kugellagern 20, die durch Jeweils beiderseits angeordnete Simmerringe
21 gegen den Gehäuseinnenraum wasserdicht abgekapselt sind, und einem fest mit dem
Gehäuse verbundenen Wasserrad 22.
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Das dem Spülkopf über den Hochdruckschlauch 8 zugeführte Druckwasser
gelangt über eine oeffnung 23 im Gehäuse 18 in einen vom Gehäuse und dem Wasserrad
22 gebildeten Ringraum 24 und von dort über Bohrungen 25 in den Gehäuseinnenraum
26, von wo es über eine radiale Bohrung 27 in das Gestängeteilstück 17 des Hochdruckbohrgestänges
10 eingeführt und über eine axiale Bohrung 28 zum Bohrwerkzeug 2 weitergeleitet
wird. Der Spülkopf wird durch einen Bund 29 und einen Sprengring 30 auf dem Gestängeteilstück
17 festgehalten.
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Die erfindungsgemäße Bohreinrichtung ist auch für das Bohren in anderen
relativ weichen Naterialien, z. B.
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Salzgestein, Ton oder dergleichen, geeignet.
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