DE2551145C2 - Hydraulisch betätigbare Vorrichtung zum Brechen oder Spalten von Gestein o.dgl. - Google Patents

Description

zu spreizen, aus dem Bohrloch heraus verläuft, und daß sich das Element zur Übertragung der Reaktionskraft vom zweiten Antrieb auf die Abstützung rind somit auf das Gestein außerhalb des Bohrloches befindet.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung, um das Gestein zu ergreifen, werden die Keile vom Bohrlochboden axial nach außen gezogen, wodurch die Greifbacken gespreizt werden. Die an die Keile angewandte Kraft wird auf die Greifmittel durch zusammenwirkende konische Oberflächen der beiden Mittel übertragen, so daß auf die Greifbacken nicht nur eine radial nach außen aber auch eine axial nach außen gerichtete Kraft wirkt.

Diese beiden Kräfte dienen zum wirkungsvollen Brechen des Gesteins. Außerdem, wenn sich einmal die Greifbacken fest gegen die Bohrlochwand abstützen, kennen sie ebenfalls axial nach außen in Richtung weg vom Bohrlochboden gezogen werden, womit das Brechverfahren des Gesteins unterstützt wird (im Gegensatz zum ersten Eindruck, daß wegen der Keilform am Ende der Greifbacken die axial nach außen gezogenen Greifbacken von den Keilen wegrutschen und so aus dem Bohrloch ausgezogen werden könnten). Es ist also zu betonen, daß bei der vorliegenden Erfindung sowohl die Keile als auch die Greifbacken einer vollen Belastung in Richtung axial nach außen vom Bohrlochboden weg ausgesetzt werden, und daß auf diese Weise die Kräfte in beiden Mitteln das Brechverfahren aktiv unterstützen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Brechen des Gesteins, mit einer Bohrmaschine und einer Brechmaschine, wobei beide auf einer Förderschiene gelagert sind,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum Brechen des Gesteins im Schnitt,

Fig.3a eine Teilansicht im Schnitt einer Ausführungsform der Vorrichtung nach der F i g. 2,

F i g. 3b eine Teilansicht im Schnitt des hinteren Teiles der Ausführungsform nach der F i g. 3 im Schnitt,

Fig.4 eine schematische Darstellung der Vorrichtung am Anfang des Bohrens,

Fig.5 eine schematische Ansicht der Vorrichtung, wobei das Loch ausgebohrt ist und die Keile in das Loch eingeführt sind,

Fig. 6 eine schematische Ansicht der Vorrichtung, wobei durch die axial nach außen auf die Keile ausgeübte Kraft die Greifbacken radial gegen die Bohrlochwand gedrückt werden,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Vorrichtung, wobei auf die Keil- und Greifbacken axial nach außen wirkende Kräfte und auf die Greifbacken zusätzlich eine radial nach außen wirkende Kraft ausgeübt werden, und

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung nach der F i g. 2.

Um ein Loch in ein Gestein zu bohren und einen Bereich des das Bohrloch umgebenden Materials zu brechen, wird eine Vorrichtung verwendet, die in den F i g. 1 und 2 schematisch und in den F i g. 3a, 3b im größeren Maßstab in bevorzugter Ausführungsform dargestellt ist. Sie umfaßt Bohr- D und Brechmaschine F, die an einer gemeinsamen Förderschiene F verschiebbar angeordnet sind. Mit G und H sind doppelwirkende hydraulische Zylinder bezeichnet, deren Kolbenstangen über eine die Bohrmaschine D tragende Platte /miteinander in Verbindung stehen. Der Zylinder G ist an der Schiene Fund der Zylinder H an der Tragplatte J der Brechmaschine F befestigt. Der Betrieb der Zylinder ist wie folgt: Durch die Betätigung des Zylinders G werden beide Maschinen D, E nach der vorherigen Einstellung deren Entfernung zur oder von der Gesteinsstirnseite gebracht. Durch die Betätigung des Zylinders H wird die Bohrstange 7 in ihre äußerste vordere Stellung oder die Brechmaschine E an die Gesteinsstirnwand gebracht.

ίο Die Bohrarbeit kann durch eine separate Bohrmaschine oder durch eine in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Bohrmaschine D vorgenommen werden. Diese Bohrmaschine umfaßt die Bohrstange 7, die sich durch ein Gehäuse 11 eines hydraulischen Zylinders der Brechmaschine Ferstreckt. Die Bohrstange 7 ist an einem Ende mit einem Antriebsmotor 1 verbunden, mittels welchem sie in eine axiale Bewegung und/oder in eine Drehbewegung um die Längsachse des Gehäuses 11 gebracht wird. Die zentrale Bohrstange 7 ist an dem dem Antriebsmotor 1 gegenüberliegenden Ende mit einem Bohrer 10 versehen. Greifbacken 8 in der Form einer geschlitzten Hülse sind am Gehäuse 11 gegenüber dem Antriebsmotor 1 befestigt.

Im Zylindergehäuse 11 sind zwei Antriebskolben 2 und 6 verschiebbar angeordnet. Beide Antriebskolben 6 und 2 sind Differentialkolben; der Hohlkörper des zweiten Antriebskolbens 2 ist im Hohlkörper des ersten Antriebskolbens 6 gleitbar angeordnet, wobei die beiden Antriebskolben 6 und 2 in der Zylinderbohrung des Zylinders gleitbar angeordnet sind. Am ersten Antriebskolben 6 ist ein hohler Dorn 9 befestigt, an dessem freien Ende ein konisches Endstück 9a angeordnet ist. Der Dorn 9 mit seinem konischen Endstück 9a ist in der geschlitzten Hülse 8 axial verschiebbar. Das konische Endstück 9a des Domes 9 ist, vom Bohrer 10 gesehen, vor der geschützen Hülse 8 angeordnet, so daß, wenn der Dorn 9 durch den Antrieb 6 in Richtung des Zylindergehäuses 11 bewegt wird, die Hülse 8 radial nach außen gespreizt wird.

Die Bohrstange 7 kann innerhalb des Domes 9 und den beiden Antriebskolben 6 und 2 frei rotieren und sich in Grenzen längsverschieben, die durch Anschläge 3 und 5 gegeben sind, die am zweiten 2 bzw. ersten Antriebskolben 6 gebildet sind. Zwischen den beiden Antriebskolben ist ein Bund 4 verschiebbar der an der Bohrstange 7 befestigt ist.

Durch die beiden Antriebskolben 6 und 2 sind Kammern A, B und C begrenzt, siehe F i g. 3a und 3b. Jede der Kammern A, B, C ist mit einer Einlaß- und

so Auslaßöffnung 12 für Druckflüssigkeit versehen.

Durch das Zuführen der Druckflüssigkeit in die Kammer A wird durch den Antriebskolben 2, der von der Bohrstange 7 getrennt ist, der Bund 4 auf der Bohrstange 7 betätigt, indem der Antriebskolben 2 zum Anliegen gegen den Bund 4 kommt. Durch das größere Volumen der in die Kammer A zugeführten Druckflüssigkeit wird der Antriebskolben 2 mit der Bohrstange 7 und dem Bohrer 10 gegen die Eingriffsfläche gebracht, d. h. gegen den Boden eines nicht dargetteilten Loches.

Auf diese Weise wird auf den Boden d«s Bohrloches eine axiale Kraft ausgeübt.

Wenn Druckflüssigkeit in die Kammer C eingeführt wird, bewegt sich der Antriebskolben 6 durch das erhöhte Volumen der Druckflüssigkeit in der Kammer C in Richtung weg von dem Boden des Loches, wobei der Dorn 9 mit dem Antriebskolben 6 bewegt wird. Auf diese Weise wird der Dorn 9 und das konische Endstück 9a in die geschlitzte Hülse 8 hineingezogen, die durch

die Keilwirkung auf das das Loch umgebende Gestein eine radiale Kraft ausübt, so daß in der Wand des Bohrloches radial verlaufende Risse entstehen. Auf diese Weise wird das Gestein ergriffen. Wenn dann in die Kammer A weitere Druckflüssigkeit zugeführt wird, wird die geschlitzte Hülse 8 mit dem eingezogenen Dorn 9 und dem Endstück 9a axial nach außen, d. h. weg von dem Boden des Bohrloches, bewegt, wobei der Bereich des ergriffenen Materials ausgerissen wird.

Druckflüssigkeit kann in die Kammer A und C gleichzeitig oder nacheinander eingeführt werden. Wenn die Kammer Cunter Druck gesetzt wird, hat dies zur Folge, daß die geschützte Hülse 8 sich in die Wand des Bohrloches hineinbeißt. Wenn der Kammer A Druckflüssigkeit zugeführt wird, hat dies zur Folge, daß die Bohrstange 7 eine auf den Bohrlochboden axial wirkende Kraft ausübt. Demnach werden in der Wand des Bohrloches Risse gebildet, die senkrecht zur Lochachse und parallel zur freien Oberfläche des Gesteins verlaufen. Wie oben erwähnt, wird dadurch ermöglicht, daß aus der Gesteinsstirnwand in Richtung der Längsachse der Vorrichtung flache Tafeln herausgebrochen werden.

Das Bohren in der Längsachse des Zylindergehäuses 11 durch die Drehbewegung der Bohrstange 7 kann gleichzeitig mit dem oben erwähnten Ergreifen des Materials erfolgen, oder beide Vorgänge können unabhängig voneinander vorangetrieben werden. Das Bohren wird so ausgeführt, daß die Bohrstange 7 im Zylindergehäuse 11 unabhängig von der Bewegung des Antriebskolbens 2 je um eine Strecke verschoben wird, die mindestens der wirklichen Länge der geschlitzten Hülse 8 entspricht.

Der Dorn 9 und die geschlitzte Hülse 8 können in das Bohrloch während des Bohrens oder nach dem Bohren eingeführt werden. Wenn sich einmal die zentrale Bohrstange 7, der Dorn 9 und die geschlitzte Hülse 8 im Bohrloch befinden, ist die Vorrichtung, abgesehen vom Bohren, vorbereitet, um auf das das Loch umgebende Gestein eine radial wirkende Kraft und axial wirkende Kräfte auszuüben.

Wenn der Kammer B. welche sich zwischen den Antriebskolben 6 und 2 befindet. Druckflüssigkeit zugeführt wird, werden die Antriebskolben voneinander gedrückt, wobei der Antriebskolben 2 aus dem Eingriff mit dem Bund 4 kommt, womit die axial auf den Bohrlochboden wirkende Kraft der Bohrstange 7 unwirksam wird. Der Antriebskolben 6 wird mit seinem Dorn 9 in Richtung des Bohrloches bewegt, womit der Keileingriff des konischen Endstückes 9a mit der Keiifiäche der Ereschützten Hülse 8 und so Ruch "¹^n Klemmgriff derselben auf die Wand des Bohrloches aufhört.

In den F i g. 4 bis 7 sind die Vorgänge des Bohrens eines Bohrloches, das Einführen der Greifbacken und Keile 8 und 9a in das fertige Bohrloch und der Wirkung der einzelnen Kräfte dargestellt. Aus der F i g. 6 ist ersichtlich, wie durch die Greifbacken 8, in welche die Keile 9a eingezogen werden, eine radial wirkende Kraft auf die Bohrlochwand ausgeübt wird. In dieser Phase stützen sich die Greifbacken 8 gegen die Wand des Bohrloches. Beim weiteren Einziehen der Keile 9a in die Greifbacken 8 werden die Keilflächen der beiden Mittel festgeklemmt. Nun werden auf die Wand des Bohrloches bei der axial nach innen wirkenden Kraft der Bohrstange 7 gleichzeitig eine radial nach außen und eine axial nach außen wirkende Kraft ausgeübt, denen die Greifbacken 8 ausgesetzt sind. Das ist die in' der F i g. 7 dargestellte Phase des Ausbrechens des Gesteins. In der Fig. 8 ist eine Ausführungsform der Vorrichtung dargestellt, in welcher anstelle der die axial nach innen gerichtete Kraft übertragenden Bohrstange 7 ein ^ri sich gegen das das Loch umgebende Gestein abstützendes Joch 7a vorgesehen ist. Durch dieses Joch wird die Reaktionskraft auf das Gestein ausgeübt. Die Keile 9a stehen in direkter Verbindung mit dem ersten Antriebskolben 6, wobei die Funktion des zweiten

ίο Antriebes mechanisch durch das Gewinde 2a am Gehäuseansatz ausgeübt wird, mit dem das Gewinde einer Mutter 13 einer Winde im Eingriff steht. Der Gehäuseansatz geht in Greifbacken 8 über.

Bei allen Ausführungsformen befindet sich die

v, Verbindung zwischen dem zweiten Antrieb 2 oder dessen Ersatz 2a und der Abstützung 7, 7a zum Übertragen der axial nach innen gerichteten Kraft außerhalb des Bohrloches.

Da die Zugkraft, die als Summe der auf den Dorn 9 und die geschlitzte Hülse 8 wirkenden Kräfte auf die Bohrlochwand ausgeübt wird, durch die axial auf den Bohrlochboden wirkende Kraft der Bohrstange 7 ausgeglichen werden muß, gleicht die Summe der Querschnittsflächen des Domes 9 und der geschlitzten Hülse 8 der Querschnittsfläche der Bohrstange 7 (dies gilt allerdings für Stähle der gleichen Qualität), wobei sowohl die Gesamtsumme der beiden Querschnittsflächen als auch die Querschniitsfläche der Bohrstange eine Hälfte der Gesamtquerschnittsfläche des Bohrloches darstellen. Bei Beachtung dieser Konstruktionspnnzipien wird die beste Ausführungsform geschaffen, bei welcher höchstmögliche Kräfte durch das Bohrloch übertragen und zu einer nutzbaren Belastung des Gesteins ausgenützt werden, weil die gesamte Querschnittsfläche des Bohrloches mit Stahl ausgefüllt wird, der bei der Erzeugung der Kräfte, die für das Brechen des Gesteins nutzbar sind, auf das Maximum beansprucht wird.

Bei der oben angeführten Vorrichtung wird in der Bohrlochwand nicht nur eine radial wirkende Druckkraft erzeugt, sondern es entsteht auch eine Zugkraft, die in einer zur Lochachse senkrechten Ebene zwischen dem Bohrer 10 und dem Boden der Greifbacken 8 erzeugt wird. Auf diese Weise wird das harte Material, wie Gestein, das viel schwächer auf Zug als auf Druck belastbar ist, durch die Bildung einer zur Lochachse senkrecht verlaufenden Tafel einfacher ausgebrochen. Die radial nach außen gerichtete Kraft übt auf die Wand des Bohrloches vorwiegend einen Druck aus, wobei die axial nach außen gerichtete Kraft vorwiegend eine Zugspannung ausübt.

Bei der Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung ist die zum Bohren des Loches notwendige Energie viel größer als diejenige, die für das Ausbrechen des Gesteins benötigt wird. In Versuchen mit hartem Gestein, wie Granit wurde gefunden, daß für das Bohren eines Loches zehnmal mehr Energie nötig ist als bei einer Vorrichtung zum Brechen und Entfernen des Gesteins. Es ist deshalb verständlich, daß eine wirkungsvolle Vorrichtung, wie oben beschrieben, eine maximale Kraft erzeugen muß, die in einem Bohrloch mit der kleinsten Querschnittsfläche anwendbar ist. Die Kräfte, die für das Brechen des Gesteins am nützlichsten sind, sind diejenigen, die axial nach außen gerichtet sind und die an die Greifbacken angesetzt werden, wobei sie durch eine radial gegen die Bohrlochwand gerichtete Kraft unterstützt werden. Diese Kraft ist außerdem deswegen notwendig, weil dadurch vermieden wird, daß

die Greifbacken an der Wand des Bohrloches rutschen. Die axial gerichtete Kraft, die auf das die Kraft übertragende Glied ausgeübt wird, ist notwendig, um das Gleichgewicht der Kräfte zu erreichen, und deswegen ist sie nützlich genau die gleiche wie die auf die Greifbacken und Keile axial nach außen einwirkenden Kräfte, jedoch in gegenläufiger Richtung.

Es ist von Vorteil, daß erstens die zentrale Bohrstange der ersten Ausführungsform zum Übertragen der Axialkraft zum Brechen des Gesteins ausgenützt wird, und zweitens daß die auf die Greifbacken wirkenden Kräfte in Gegenrichtung zu der Axialkraft der Bohrstange wirken. Durch die Anordnung der Bohrstange, die gleichzeitig als Übertragungselement der Axialkrafl dient und deren Querschnittsfläche derjenigen der Keile und der Greifbacken entspricht, wird ein minimaler Durchmesser zum Übertragen der maximalen Kräfte erreicht.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Hydraulisch betätigbare Vorrichtung zum Brechen oder Spalten von Gestein oder dergleichen, in welches ein Loch vorgebohrt wurde, mit einem ersten Antrieb, der über ein Rohr mit Keilen Greifbacken radial nach außen spreizt, so daß sie nach dem Einführen in das Bohrloch einen Bereich des das Bohrloch umgebenden Gesteins ergreifen, und einem zweiten Antrieb, der auf die gespreizten Greifbacken eine axial nach außen gerichtete Kraft ausübt, um sie aus dem Bohrloch zu ziehen und so den durch sie ergrifffenen Gesteinbereich auszubrechen, und der dabei die sich aus der Axialkraft ergebende Reaktionskraft mittels eines Elementes über eine Abstützung auf das Gestein überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenwirkenden, aufeinander anliegenden Keiloberflächen der Keile (9a) und der Greifbacken (8) in Richtung des ersten Antriebes (6) zusammenlaufen, daß die Bewegungsrichtung des ersten Antriebes (6), um die Greifbacken (8) zu spreizen, aus dem Bohrloch heraus verläuft, und daß sich das Element (4, 13) zur Übertragung der Reaktionskraft vom zweiten Antrieb (2,2a^auf die Abstützung (7,7 a)und somit auf das Gestein außerhalb des Bohrloches befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Zylindergehäuse, in welchem als erster und zweiter Antrieb zwei Kolben gleitbar angeordnet sind, wobei die Greifbacken mit dem Zylindergehäuse und das Rohr mit den Keilen mit dem ersten Kolben verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Zylindergehäuse (11) durch die zwei Kolben (6, 2) in drei Kammern (A, B, C) unterteilt ist, deren Volumen durch die Kolben (6, 2) veränderbar ist und denen jede mit einer separaten Flüssigkeitseinlaß- und Auslaßöffnung (12) versehen ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungselement ein Bund (4) ist, der an einer als Abstützung dienenden Bohrstange (7) zwischen dem ersten (6) und dem zweiten (2) Kolben befestigt ist, welche Kolben mit ihm in Eingriff bringbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (6, 2) Differenzialkolben sind, deren jeder einen ausragenden rohrförmigen Körperteil aufweist, wobei der Körperteil des zweiten Kolbens (2) im Körperteil des ersten Kolbens (6) gleitbar angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrstange (7) mit dem Bund (4) gegenüber dem zweiten Kolben (2) in Richtung des Bohrloches bewegbar ist, wobei die Bohrstange um eine Entfernung vorrückt, die mindestens der Länge des Eindringens der Greifbacken (8) in das Bohrloch entspricht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung ein Joch (7a) ist, das sich gegen das die Lochmündung umgebende Gestein von außen abstützt und der zweite Antrieb ein Gewinde (2a) am Gehäuseansatz ist, das mit dem Gewinde einer sich auf dem Joch (7a) abstützenden Mutter (13) einer Winde im Eingriff steht.

Die Erfindung betrifft eine hydraulisch betätigbare Vorrichtung zum Brechen oder Spalten von Gestein oder dergleichen, in welches ein Loch vorgebohrt wurde, mit einem ersten Antrieb, der über ein Rohr mit Keilen Greifbacken radial nach außen spreizt, so daß sie nach dem Einführen in das Bohrloch einen Bereich des das Bohrloch umgebenden Gesteins ergreifen, und einen zweiten Antrieb, der auf die gespreizten Greifbacken eine axial nach außen gerichtete Kraft ausübt, um sie aus dem Bohrloch zu ziehen und so den durch sie ergriffenen Gesteinsbereich auszubrechen, und der dabei die sich aus der Axialkraft ergebende Reaktionskraft mittels eines Elementes über eine Abstützung auf das Gestein überträgt.

Die Vorrichtung zum Brechen eines ein Loch umgebenden Gesteins nach dem UdSSR Urheberschein Nr. 2 59 010 enthält zwei doppelwirkende hydraulische Zylinder. Der erste Zylinder hat die Funktion eines das Material ergreifenden Zylinders, der mit einem Kolben und einer Kolbenstange versehen ist, die auf ihrem freien Ende eine Keiloberfläche aufweist. Der zweite Zylinder, der der eigentliche Arbeitszylinder ist, enthält einen Kolben und eine Kolbenstange, die ebenfalls mit einer Keiloberfläche versehen ist. Eine Bohrstange, an deren Ende ein Bohrer vorgesehen ist, läuft durch die beiden Kolben und deren Kolbenstangen. An der Bohrstange ist ein Aufleger mit Ansätzen mit konischen Oberflächen angeordnet, die mit der Keiloberfläche der Kolbenstange des zweiten Kolbens zusammenwirken.

Alle konischen Oberflächen laufen in Richtung des Lochbodens zusammen. Die Ansätze üben bei ihrer radialen Ausbreitung auf die Lochwand eine radial nach außen gerichtete Kraft aus.

Die Nachteile dieser Lösung bestehen darin, daß alle

J5 Keilflächen in einer Richtung ausgerichtet sind, die zu der optimalen Richtung der Ausnutzung des Metalles der Keil- und Greifmittel gegenläufig ist. In der Vorrichtung nach dem russischen Urheberschein ist die Bewegungsrichtung der Keiloberflächen der beiden Kolbenstangen eine solche, daß sie in Richtung des Bohrlochbodens gedrückt werden, wobei die Hülsenelemente einer axialen Spannung ausgesetzt werden. Dementsprechend, wenn das Gestein durch Ziehen der Hülsenelemente axial nach außen ausgebrochen wird, ist die maximale Bruchkraft verhältnismäßig klein; dies deswegen, weil die Hülsenelemente schon in axialer Richtung vorgespannt sind und eine weitere Kraft angewandt werden muß, um das Gestein zu brechen. In anderen Worten stellt die auf die Kegeloberflächen ausgeübte Kraft, um das Material zu ergreifen, eine zusätzliche Kraft für die Ausbruchwirkung dar, aber stattdessen tatsächlich eine Schwächung der radial nach außen wirkenden Kraft dar, was zu einer Verminderung der Leistung führt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine galtungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, mit welcher das Gestein aus der Wand eines Bohrloches unter optimaler Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kräfte und Metallteile ausgebrochen wird, wobei die gesamte Querschnittsfläche des Bohrloches mit einem durch die zur Verfügung stehenden Kräfte maximal beanspruchten Werkzeug ausgefüllt sein sollen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die zusammenwirkenden, aufeinander anliegenden Keiloberflächen der Keile und der Greifbacken in Richtung des ersten Antriebes zusammenlaufen, daß die Bewegungsrichtung des ersten Antriebes, um die Greifbacken