DE19818533A1 - System zur Kupplung einer Bohrspitze mit Sprengladung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Kupplung einer Bohrspitze mit einer Sprengladung für seismischer Untersuchungen.

Bei seismischen Untersuchungen in Böden ist es üb­ lich, ein Loch mittels eines Bohrrohres zu bohren, in dessen unteres Ende eine Bohrspitze in abdichtender Weise eingesetzt ist, wobei die Bohrspitze in die für die Sprengladung erwünschte Tiefe in den Boden einge­ bracht wird. Danach läßt man die Ladung mit Zünder, beschwert mit einem Bentonitstab oder -stopfen und verbunden mit Zünddrähten, in das Bohrrohr nieder. Um zu vermeiden, daß Unbefugte später die Ladung aus dem Bohrloch heben, indem sie an den Zünddrähten ziehen, wird an der Ladung oft ein Anker befestigt, der mit Armen versehen ist, welche als Widerhaken in die Bohr­ lochwand greifen.

Nachdem die Ladung an der richtigen Stelle ange­ kommen ist, wird das Bohrrohr herausgehoben, während die Bohrspitze und die Ladung zurückbleiben und die Arme des etwaigen Ankers herausfedern können, um in die Bohrlochwand eingreifen zu können.

Beim Heben des Bohrrohres bleibt die Bohrspitze zurück infolge der vom Boden ausgeübten Kräfte, wie Ge­ gendruck und Mantelreibung. Sobald das Bohrrohr eini­ germaßen gehoben ist, wird - aufgrund des Grundwasser­ drucks - Wasser und Bodenmaterial in den Raum innerhalb des Bohrrohres und oberhalb der Bohrspitze strömen kön­ nen. Das Bodenmaterial kann dabei den Raum zwischen der Ladung und/oder dem Anker, insbesondere den Bereich zwischen den Armen, und/oder Bentonitstopfen und dem Bohrraum füllen. Beim weiteren Herausheben des Bohrroh­ res werden die Hebekräfte über das verfestigte Bodenma­ terial auf Anker und Ladung übertragen, wodurch diese mit nach oben bewegt werden, bis dies festgestellt und das Bohrrohr angehalten wird. Es ist dann meistens er­ forderlich, daß die Ladung abgeschossen wird. Danach muß man erneut ein Loch bohren und nochmals eine Ladung herunterlassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, hierfür eine einfa­ che Lösung zu finden. Zu diesem Zweck schafft die Er­ findung ein System zur Positionierung einer Sprengladung für seismischen Untersuchungen in einem im Boden ange­ ordneten Bohrloch, mit einem Bohrrohr mit einem oberen Ende und einem unteren Ende, einer Bohrspitze, die in lösbarer Weise am unteren Ende des Bohrrohres befestigt ist, und einer Sprengladung im Bohrrohr, die gegebenen­ falls mit Mitteln versehen ist, um die Ladung gegen Aufwärtsbewegung im Bohrloch zurückzuhalten, wobei fer­ ner Mittel zum Verbinden der Ladung und der Bohrspitze miteinander vorgesehen sind.

Gemäß der Erfindung werden die Rückhaltekräfte, die vom Bodenmaterial gegen Entfernung der Bohrspitze erzeugt werden, genutzt, um während des Heraushebens des Bohrrohres, die Ladung und den gegebenenfalls vor­ handenen Anker unten zu halten. Die Bohrspitze funktio­ niert dann gleichsam als ein Anker für die Ladung und wirkt den über das Bodenmaterial auf die Ladung und den Anker übertragenen Hebekräften entgegen. Aufgrund des­ sen wird es nicht mehr passieren, daß die Ladung uner­ wünscht mit dem Bohrrohr heraufgezogen wird.

Vorzugsweise haben die Verbindungsmittel Kupp­ lungsmittel zur direkten oder indirekten Kupplung der Ladung am oberen Ende der Bohrspitze, wobei die Kupp­ lungsmittel im Bohrrohr fernbetätigbar sind.

Zum Erreichen des obenerwähnten Effekts braucht die Ladung hierdurch nicht schon während des Bohrens des Bohrlochs im Bohrrohr, in der Nähe dessen Endes, vorhanden zu sein, was wichtig ist für die Sicherheit. Die Kupplungsmittel sind vorzugsweise bei einer Ge­ wichtskraft von 10 N fernbetätigbar.

Dabei hat es den Vorzug, daß die Verbindungsmittel Mittel zur Zentrierung der Ladung hinsichtlich des Bohrrohres aufweisen, damit die Kupplung schnell und zuverlässig stattfinden kann.

Es kann passieren, daß die Zünddrähte sich am Bohrrohr festhaken, insbesondere an der Stelle der Rohrübergänge. Um zu vermeiden, daß die Drähte dann zerbrechen und daß die Ladung im Bohrloch auch nicht mehr funktionell ist, ist gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung vorgesehen, daß die Kupplungsmittel eine lösbare Verbindung verwirklichen, welche mit einer Kraft, die kleiner ist als die Zugkraft der Zünddrähte, zu entkuppeln ist. Die Zugkraft der Drähte beträgt nor­ malerweise ungefähr 250 N: die Entkupplungskraft dann vorzugsweise weniger als ungefähr 200 N.

Vorzugsweise weisen die Kupplungsmittel ein Kupp­ lungsstück auf, dessen unteres Ende auf dem oberen Ende der Bohrspitze und dessen oberes Ende an dem unteren Ende der Ladung befestigt ist, wobei vorzugsweise das Kupplungsstück mit der Bohrspitze eine Schnappverbin­ dung eingeht.

Bei einer vorteilhaften, zuverlässigen Ausbildung ist das obere Ende der Bohrspitze verjüngt und mit ei­ ner radialen Verdickung versehen und ist das Kupplungs­ stück mit einer Anzahl von radial nach innen weisenden Haken ausgerüsteten Federarmen versehen, die mit den Haken über die radiale Verdickung greifen.

Die Federarme können vorzugsweise an ihrem unteren Ende mit einem Suchrand für das untere Ende der Bohr­ spitze versehen sein, damit das Ankuppeln eingeleitet wird.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Bohr­ spitze und eine Ladung, die mit Mitteln zur Kupplung aneinander versehen sind.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Kupp­ lungsteil, womit eine Bohrspitze und eine Ladung mit­ einander gekuppelt werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Anzahl von in den anliegenden Zeichnungen wiedergegebenen Aus­ führungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 zeigt ein System gemäß der Erfindung, ins­ besondere das untere Ende eines Bohrrohres mit Bohr­ spitze, während der Kupplung mit einer Sprengladung, die in das Bohrrohr heruntergelassen ist;

Fig. 2 zeigt das System von Fig. 1, nach der Kupp­ lung;

Fig. 3 bzw. 3A zeigen einen vertikalen Längs­ schnitt und eine Unteransicht in Richtung des Ansichts­ pfeiles IIIA auf ein Kupplungsstück des Systems von Fig. 1 und 2;

Fig. 4 bzw. 4A zeigen eine Ansicht und einen Quer­ schnitt entlang der Schnittlinie IVA des oberen Endes der Bohrspitze des Systems von Fig. 1;

Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführung des Sy­ stems gemäß der Erfindung, vor dem Zurückziehen des Bohrrohres, und

Fig. 6 zeigt das System von Fig. S während des Zu­ rückziehens des Bohrrohres.

In Fig. 1 ist ein Boden 1 gezeigt, bestehend zum Beispiel aus einer unterhalb des Grundwasserspiegels gelegenen Sandschicht. In den Boden 1 ist ein Bohrrohr 2 mit einer am unteren Ende angesetzten Bohrspitze 8 mittels Verdrehung des Bohrrohres 2 mit Hilfe von an der Bodenoberfläche aufgestellten Mitteln eingeführt. Die Bohrspitze 8 kann beschaffen sein wie es im Europä­ ischen Patent 0.429.130 des Anmelders beschrieben ist.

Das Bohrrohr 2 hat ein Vorlaufende 3, das auf den darüberliegenden Teil des Bohrrohres 2 geschraubt ist.

In der Nähe ihres breiten Abschnitts ist die Bohr­ spitze 8 mit zwei einander diametral gegenübergelege­ nen Aussparungen 9 versehen, in welche zwei ebenfalls einander diametral gegenüberliegende Zungen 10 auf dem Vorlaufende 3 des Bohrrohres 2 eingreifen. Hierdurch wird die Rotation des Bohrrohres 2 auf die Bohrspitze 8 übertragen. Zwischen den Aussparungen 9 hat die Bohrspitze 8 zwei einander diametral gegenüberliegende Schulterbereiche 7, die senkrecht zur Zeichnungsebene radial bis außerhalb des Vorlaufendes 3 reichen.

Hinter dem breiten Teil der Bohrspitze 8 geht diese in einen verjüngten, zylinderförmigen Abschnitt 11 über, der mit zwei Umlaufrillen versehen ist, worin Dichtungsringe 12 und 13 eingepaßt sind. Diese Dich­ tungsringe 12 und 13 bewirken die Abdichtung zwischen dem verjüngten Abschnitt 11 und der Innenwand des Vor­ laufendes 3 des Bohrrohres 2, damit - in der in Fig. 1 und 2 wiedergegebenen Situation - kein Wasser und Bo­ denmaterial in das Innere des Bohrrohres 2 eindringen können.

Der verjüngte Abschnitt 11 geht in seinem oberen Ende über einen kegelstumpfförmige Abschnitt 14 in einen verjüngten Abschnitt 15 und dann in einen ver­ breiteten Abschnitt 16 über, der eine kegelstumpfför­ mig zulaufende, gewölbte Oberfläche 18 hat und an der Stelle des Übergangs mit verjüngtem Abschnitt 15 eine radiale Schulterfläche 17 ausbildet. Die gewölbte Oberfläche 18 geht letztendlich in einen konisch zu­ laufenden Abschnitt 19 über. Dies alles ist in Fig. 4 deutlich illustriert. In Fig. 4A ist noch zu sehen, daß der verjüngte Abschnitt 15 mit zwei Abplattungen 30 versehen ist.

In Fig. 1 und 2 ist oberhalb der Bohrspitze 8 eine Sprengladung 5 abgebildet, die am oberen Ende eines Ankers 4 befestigt ist, der schematisch abgebildet ist, jedoch wie der in der Internationalen Patentan­ meldung PCT/NL95/00236 des Anmelders beschriebenen An­ kers ausgebildet sein kann (siehe auch Fig. 5 und 6). Am unteren Ende ist die Ladung 5 mit einem verjüngten Abschnitt 6 versehen, der mit einem Außengewinde 26 versehen ist. Auf dieses Außengewinde 26 ist, mit Hilfe eines Innengewindes 25, ein Kupplungsstück 20 geschraubt, um mit der Ladung 5 ein einziges handhab­ bares Ganzes zu bilden. Alternativ kann das Kupplungs­ stück 20 mit Hilfe einer Schnappverbindung mit der La­ dung 5 verbunden sein. Dieses Kupplungsstück 20 ist in den Fig. 3 und 3A näher wiedergegeben.

Das Kupplungsstück 20 ist zum Beispiel aus Poly­ propylen hergestellt und besteht aus einem Ring 21, von dem aus eine Anzahl (hier vier, drei sind bei­ spielsweise auch möglich) flexibler Arme 22 nach unten reichen. Diese Arme 22 sind mittels Längsnuten 23 von­ einander getrennt, die in runden Endabschnitte 24 be­ ginnen können, um Kerbwirkung zu vermeiden. An ihren Enden sind die flexiblen Arme 22 mit Hakenenden 27 versehen, die an der Innenstirnseite mit Suchrändern (Einführschrägen) 28 versehen sind. An der dem Ring 21 zugekehrten Seite bilden die Haken 27 jeweils eine ra­ diale Hakenfläche 29 aus.

In Fig. 1 ist die Situation wiedergegeben, wie sie besteht, nachdem das Bohrrohr 2 mit Bohrspitze 8 auf die erwünschte Tiefe gebracht worden ist. Dann läßt man die Sprengladung 5 mit dem am unteren Ende davon befe­ stigten Kupplungsstück 20 und dem am oberen Ende davon befestigten Anker 4 in Richtung A in das Bohrrohr 2 hinunter, was dadurch unterstützt wird, daß auf dem An­ ker 4 ein Bentonitstab (hier nicht wiedergegeben, je­ doch in den Fig. 5 und 6) aufgestellt wird, damit die Reibung der Arme 22 des Ankers 4 gegen die Bohrrohrwand überwunden wird. Die Zünddrähte, die mit der Ladung 5 verbunden sind, werden hierbei im Inneren des Bohrroh­ res 2 mitgeführt. Letztendlich kommt das Kupplungsstück 20 beim oberen Ende der Bohrspitze 8 an. Wenn die La­ dung 5 etwas schief steht, wie in Fig. 1 wiedergegeben, sorgt das Zusammenwirken zwischen der Suchfläche 28 an den flexiblen Armen 22 und der kegelförmigen Endfläche 19 der Bohrspitze 8 dafür, daß das Kupplungsstück 20 hinsichtlich der oberen Ende der Bohrspitze 8 zentriert wird. Die federnden Arme 20 werden dann durch den Kon­ takt zwischen der gewölbten Oberfläche 18 und den Such­ flächen 28 der flexiblen Arme 22 radial nach außen ge­ zwungen werden. Die flexiblen Arme 22 sind hierbei der­ art hergestellt, daß eine vertikale Kraft auf dem Kupp­ lungsstück 20 von 10 N zum genügenden Ausweichen bereits ausreicht.

Sobald die Hakenenden 27 am breitesten Abschnitt der kegelförmigen Oberfläche 18 vorbeigekommen sind, schnappen die Hakenenden 27 hinter der Schulterfläche 17 in den Raum, den der schmale Abschnitt 15 bietet. Die in Fig. 2 wiedergegebene Situation ist dann er­ reicht.

Wenn nun in Richtung B am Bohrrohr 2 gezogen wird, wird das Bodenmaterial die Bohrspitze 8 zurückhalten wollen. Diese Rückhaltekraft wird über die Schulterflä­ che 17 auf die Hakenenden 27, über die Hakenfläche 29 davon, über die Arme 22 auf dem Ring 21 und auf die La­ dung 5 und auf den Anker 4 übertragen. Zusammen mit der Bohrspitze 8 werden diese Bestandteile im Boden 1 am Platz bleiben, während das Bohrrohr 2 angehoben werden kann. Bodenmaterial, das während des anfänglichen Anhe­ bens des Bohrrohres 2 mit dem Grundwasser in den Innen­ raum des Bohrrohres 2 eingedrungen ist und eine Brücke zwischen Ladung 5, Anker 4 und das Bohrrohr 2 bildet, wird eine nicht ausreichende Kraft erzeugen, um Anker und Ladung mit dem Bohrrohr 2 mit nach oben zu nehmen.

Es kann sein, daß die Zünddrähte durch das Drehen des Bohrrohres 2 oder durch Bodenmaterial oder durch Bentonit am Bohrrohr 2 festgeklemmt oder fest geraten sind. Dadurch, daß die Ladung 5 nahezu an seiner Stelle bleibt, wird dann eine Zugkraft auf die Drähte ausgeübt werden, wodurch diese reißen können. Die Sprengladung 5 ist dann nicht mehr abzuschießen, was meistens im Zu­ sammenhang mit Sicherheitsvorschriften wohl erforder­ lich ist. Das Kupplungsstück 20 ist allerdings derart hergestellt, daß die flexiblen Arme 22 brechen, wenn sich die vertikale Kraft der Bruchkraft der Drähte nä­ hert. Wenn die Bruchkraft der Drähte beispielsweise 250 N ist, wie üblich, werden die flexiblen Arme 22 mit einer Brechkraft von 200 N hergestellt. Diese Kraft ist allerdings ausreichend, um dafür zu sorgen, daß der vorher erwähnte Effekt, nämlich das An-der-Stelle-Hal­ ten der Ladung 5 mittels Zusammenarbeit des Kupplungs­ stück 20 mit Bohrspitze 8, doch realisiert wird.

In den Fig. 5 und 6 ist eine alternative Ausfüh­ rungsform des Systems gemäß der Erfindung wiedergege­ ben, wobei in dem Vorlaufende 3 des Bohrrohres 102 ein verjüngtes oberes Ende 111 der Bohrspitze 108 hineinge­ steckt ist. Der verjüngte Abschnitt 111 ist auch mit zwei Dichtringen 112 und 113 zur Abdichtung gegen die Innenoberfläche des Vorlaufendes 103 versehen. Oberhalb des verjüngten Abschnitts 111 der Bohrspitze 108 befin­ det sich ein Kupplungsstück 122, das mit zylindrischem Oberendabschnitt 121 auf dem unteren Ende der Sprengla­ dung 105 geschraubt ist. Am oberen Ende der Sprengla­ dung 105 ist das untere Ende 107 des seismischen Ankers 104 geschraubt. Auf dem oberen Ende 110 des seismischen Ankers 104, dessen Arme 106 durch die Wand des Bohrroh­ res 2 eingeklappt gehalten werden, ruht ein Bentonit­ stopfen 101. Von der Sprengladung 105 reichen Zünd­ drähte 100 nach oben hin, durch geeignete Durchführöff­ nungen im Anker 104 und gegebenenfalls Bentonitstopfen geführt.

Der verjüngte Abschnitt 111 der Bohrspitze 108 ist mit einer nach oben hin offenen Bohrung 114 mit einem kegelstumpfförmig zulaufenden Bodenbereich 114a verse­ hen. Am oberen Ende der Bohrung 114 ist ein Rückhalte­ ring 130 mit einer Preßpassung eingebracht. Dieser Ring 130 bildet mit seinem Unterrand einen Anschlagrand 130a. Das Kupplungsstück 120 hat einen kegelförmigen Ab­ schnitt 122, der an dem unteren Ende in einen Schaft 123 übergeht, an dessen Ende zwei oder mehr federnde Arme 124 angeformt sind. Diese Arme 124 sind gegen die Innenoberfläche der Wand des verjüngten Abschnitts 111 verspannt, die die Bohrung 113 umgibt.

In Fig. 5 ist der Zustand wiedergegeben, nachdem das System von Bentonitstopfen 101, Anker 104, Ladung 105 und Kupplungsstück 120 in das Bohrrohr 102 nieder­ gelassen worden ist. Beim Eintreten des unteren Endes des Kupplungsstücks 120 in die Bohrung 114 sind die Arme 124 nach innen gefedert und nach Passage des Rin­ ges 130 wieder nach außen gefedert. Wenn nun am Bohr­ rohr 102 gezogen wird, um dieses anzuheben, wird der Boden auf die Abschnitte 107 der Bohrspitze 108 (siehe Pfeile C) eine Rückhaltekraft ausüben, und auch Mantel­ reibungskräfte D auf die kegelförmige Oberfläche der Bohrspitze 108 ausüben. Infolge von Reibungskräften zwischen Anker 104 und/oder Ladung 105 und dem Bohrrohr 2 können diese Bestandteile einigermaßen mit angehoben werden, bis die Enden der Arme 124 gegen den Anschlag­ rand 130a kommen, wonach die Rückhaltekräfte, die durch den Boden auf die Bohrspitze 108 ausgeübt werden, auf die Ladung 105 und den Anker 104 übertragen werden kön­ nen.

Claims (12)

1. System zur Positionierung einer Sprengladung für seismischen Untersuchungen in einem, im Boden angeord­ neten Bohrloch, mit einem Bohrrohr mit einem oberen Ende und einem unteren Ende, einer Bohrspitze, die in lösbarer Weise am unteren Ende des Bohrrohres befestigt ist, und einer Sprengladung im Bohrrohr, die gegebenen­ falls mit Mitteln versehen ist, um die Ladung gegen Aufwärtsbewegung im Bohrloch zurückzuhalten, wobei fer­ ner Mittel zum Verbinden der Ladung und der Bohrspitze miteinander vorgesehen sind.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Verbindungs­ mittel Kupplungsmittel zur direkten oder indirekten Kupplung der Ladung am oberen Ende der Bohrspitze auf­ weisen, wobei die Kupplungsmittel im Bohrrohr fernbetä­ tigbar sind.

3. System nach Anspruch 2, wobei die Verbindungs­ mittel Mittel zur Zentrierung der Ladung hinsichtlich des Bohrrohres aufweisen.

4. System nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Ladung mit Zünddrähten versehen ist und die Kupplungsmittel eine lösbare Verbindung verwirklichen, welche mit einer Kraft, die kleiner ist als die Zugkraft der Zünddrähte, zu entkuppeln ist.

5. System nach Anspruch 4, wobei die Zugkraft des Drahtes ungefähr 250 N und die Entkupplungskraft der Kupplungsmittel wenig als ungefähr 200 N betragen.

6. System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Kupplungsmittel ein Kupplungsstück aufweisen, dessen unteres Ende auf dem oberen Ende der Bohrspitze und dessen oberes Ende auf dem unteren Ende der Ladung be­ festigt ist.

7. System nach Anspruch 6, wobei das Kupplungs­ stück eine Schnappverbindung mit der Bohrspitze ein­ geht.

8. System nach Anspruch 6 oder 7, wobei das obere Ende der Bohrspitze verjüngt ist und mit einer radialen Verdickung versehen ist und das Kupplungsstück mit ei­ ner Anzahl radial nach innen reichender, mit Haken ver­ sehener Federarme versehen ist, die mit dem Haken über die radiale Verdickung greifen.

9. System nach Anspruch 8, wobei die Federarme an ihrem unteren Ende mit einem Suchrand für das untere Ende der Bohrspitze versehen sind.

10. Bohrspitze, die offensichtlich für das System nach einem der vorgehenden Ansprüche geeignet ist.

11. Kupplungsstück, das offensichtlich für das Sy­ stem nach einem der Ansprüche 6 bis 9 geeignet ist.

12. System zum Einführen einer Sprengladung zur seismischen Untersuchung in ein Bohrloch in einem Bo­ den, mit den in den Figuren abgebildeten und/oder in der Beschreibung dargelegten kennzeichnenden Merkmalen versehen.