DE2829834A1

DE2829834A1 - Steinbohrmeissel und verfahren zu seiner anwendung

Info

Publication number: DE2829834A1
Application number: DE19782829834
Authority: DE
Inventors: John Norman Gladstone
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-08
Filing date: 1978-07-07
Publication date: 1979-01-25
Also published as: JPS5418403A; GB2003211A

Description

DR. INQ. HANS LICHTI ■ DIPL-INQ. HEINER LICHTI Jipl.-Phys. Dr. Klaus Leutwein

PATENTANWÄLTE 7829834

D-7S00 KARLSRUHE 41 (CROTZ[NGEN] · DURLACHER STR. 31 (HOCHHAUS)

TELEFON (0721) <8511

5. Juli 1978

John Norman Gladstone, 430, Rayners Lane, Pinner, Middlesex / England

Steinbohrmeißel und Verfahren zu seiner Anwendung

Die Erfindung bezieht sich auf Stexnbohrtneißel und ein Verfahren zu ihrer Verwendung. Sie betrifft insbesondere Bohrmeißel zur Verwendung in Bohrlöchern großen Durchmessers in einem Untergrund, der von Felsblöcken und Gesteinsschichten durchsetzt ist.

Eine bekannt Art und Weise der Herstellung von Bohrlöchern großen Durchmessers in inhomogenen Erdschichten ist die, einen zylindrischen Stahlmantel mit einer ringförmigen Schneide an seinem unteren Ende wechselweise

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in Drehung zu versetzen und abwärts zu pressen; gleichzeitig wird der Aushub innerhalb des Bohrmantels durch irgend eines von verschiedenen mechanischen Mitteln herausgefördert. Der Aushub wird aus dem Bohrloch als Suspension in einer Flüssigkeit durch das sogenannte Rückspülverfahren entfernt.

Das auf diese Art und Weise erzeugte Bohrloch ist nicht weiter als der Innendurchmesser des Stahlmantels sofern es dem Stahlmantel selbst überlassen bleibt die Schichtung unterhalb seiner eigenen Wanddicke zu durchdringen bzw. zu durchschneiden. Bei einem Boden geringer Kohärenz muß der Mantel selbst die Innenwand der gebildeten Bohrung stützen, wobei jedoch ganz allgemein nur geringe Schwierigkeiten für das Eindringen des Bohrmantels bestehen.

Wenn jedoch ein Felsblock auch von geringer Härte oder eine Gesteinsschicht den Boden geringer Kohärenz überlagert, dann ist es zumeist unmöglich oder jedenfalls gänzlich unwirtschaftlich, den Bohrmantel selbst durch ein solches Hindernis vorzutreiben.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Steinbohrmeißel vorgesehen, dessen Grundkörper eine Mehrzahl von Steinschneidewerkzeugen besitzt, wobei zumindest einige der Schneidwerkzeuge auf den Grundkörper in der Nähe dessen Bohrschneide beweglich montiert sind und wobei Mittel vorgesehen sind, um diese Schneidwerkzeuge von einer inneren Position in dem Grundkörper in eine äußere Position zu bewegen, in welcher sie bei Betätigung des Bohrers innerhalb des Mantels eine Bohrung von größerem Durchmesser als die maximale Weite des Grundkörpers ausbohren.

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Vorzugsweise besitzt der Grundkörper am schneidenden Ende des Bohrmeißels zusätzlich zu den bewegbar montierten Schneidwerkzeugen eine Mehrzahl von Schneidwerkzeugen die ortsfest auf dem Grundkörper montiert sind.

In einer zweckmäßigen Ausfiihrungsform hat der Steinbohrmeißel gewöhnlich einen Grundkörper von im allgemeinen kreisförmigem Querschnitt, der so angeordnet ist, daß er innerhalb eines Mantels von im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt aufgenommen werden kann und die Schneidwerkzeuge sind so arrangiert, daß sie beim Arbeiten in ausgefahrener Position einen Schacht erbohren, der in der Lage ist den Mantel aufzunehmen.

Vorzugsweise sind die Schneidwerkzeuge rundlaufende Steinschneider, deren jeder an einem Support montiert ist. Mindestens zwei dieser rundlaufenden Steinschneider sind vorzugsweise mit ihren Supporten bewegbar aus einer inneren Position, innerhalb des inneren Durchmessers des Mantels, nach außen in ihre Schneidposition, in welcher sie einen Schacht von mindestens gleich dem äußeren Durchmesser des Mantels erbohren. In der Praxis werden zwei oder mehr, z. B. sechs bewegliche Schneidwerkzeuge benutzt, die vorzugsweise symmetrisch um die Achse des Bohrmeißels arrangiert sind. Unter gewissen Umständen kann es indessen wünschenswert sein eine präzise Symmetrie zu vermeiden, um Vibrationen während des Bohrens zu vermindern.

Eine Kombination von ortsfest und beweglich montierten rundlaufenden Steinschneidern kann angewendet werden, deren Arrangement der Beschaffenheit des zu bohrenden Bodens angepaßt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform

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sind drei oder mehr als drei symmetrisch arrangierte ortsfest angeordnete rundlaufende Schneidwerkzeuge und drei ebenfalls symmetrisch arrangierte bewegliche rundlaufende Schneidwerkzeuge vorgesehen. Es ist von Bedeutung, daß die Schneidwerkzeuge den gesamten Planquerschnitt des Mantels, mit welchem der Bohrmeißel zusammenarbeitet bestreichen. Die beweglichen Schneidwerkzeuge können in ihre ausgefahrene Position durch irgendwelche geeigneten Mittel, wie solche 'pneumatischer, hydraulischer, mechanischer oder auch - wenn auch weniger erwünscht - elektrischer Art ausgefahren werden. Es ist jedoch vorzuziehen, einen oder mehr pneumatisch oder hydraulisch beaufschlagte in Zylindern laufende Kolben zu benutzen.

Ein Steinschneider des Rollenschneidertypus besitzt zumeist kegelförmige oder kegelstumpfförmige Gestalt und ist um seine Achse drehbar auf einem Support derartig angeordnet , daß er dem zu erbohrenden Grund eine sich abwälzende Oberfläche präsentiert. Die sich abwälzende Oberfläche des Steinschneiders ist gemeinhin versehen mit einer Kombination von Stollen, Zähnen, Messern und bzw. oder Fräsrillen, deren Zusammenstellung von der Natur des Bodens abhängt, in welchen die Bohrung einzubringen ist.

Die vorliegende Erfindung umfaßt weiterhin in ihrem Gesamtzusammenhang eine Gesteinsbohrmaschine und eine Bohrausrüstung einschließlich eines Steinbohrmeißels wie zuvor bzw. in den Ansprüchen definiert und die Anwendungsweise der Gesteinsbohrmaschine bzw. der Bohrausrüstung.

In diesem Sinne sieht die Erfindung eine Methode zum Erbohren einer Bohrung in mit Felsblöcken oder Gesteinsschichten durchsetztem Untergrund,und umfaßt folgende Schritte:

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das Einfahren eines Steinbohrmeißels mit in ihre innere Position eingezogenen Schneidwerkzeugen in einen zylindrischen Mantel; das Absenken der Bohrwerkzeuge unter das untere Ende des zylindrischen Mantels durch Relativbewegung von Mantel und Bohrer;

das Ausfahren der Schneidwerkzeuge in ihre Schneidposition; Rotieren und Vortreiben des Bohrmeißels so daß eine Bohrung entsteht, deren Durchmesser mindestens gleich dem äußeren Durchmesser des Bohr— mantels ist; Zurückfahren der Schneidwerkzeuge nach einwärts und

Vorfahren des Bohrmantels in den derart erbohrten Schacht.

Die Drehgeschwindigkeit des Steinbohrmeißels sollte vorzugsweise in Übereinstimmung mit der Beschaffenheit des zu erbohrenden Bodens einstellbar sein, jedoch wurde in der Praxis gefunden, daß eine Drehgeschwindigkeit von bis zu 60 Umdrehungen pro Minute im allgemeinen ausreichend ist. Der Vorschub des Steinbohrmeißels und folglich des Bohrmantels hängt von der Beschaffenheit des Untergrundes und der Drehgeschwindigkeit des Steinbohrmeißels ab, sowie von der auf den Bohrmeißel einwirkenden abwärts gerichteten Kraft, welch letztere im allgemeinen 400 kg/cm des Durchmessers des Bohrmeißels betragen sollte.

Der Bohrmantel kann im einfachsten Fall gleichzeitig mit dem Bohrmeißel abgesenkt werden, jedoch ist es gemäß der Erfindung vorzuziehen, daß das Bohren und das Absenken des Bohrmantels und des Bohrmeißels stufenweise erfolgt, wie nachstehend beschrieben wird.

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Der Bohrmantel kann seinerseits sich in den Untergrund einschneiden bis felsige Schichten erreicht werden, bevor der Bohrmeißel eingeführt wird, um die Bohrung durch die Felsschicht abzuteufen. Der Bohrmantel kann eine reziproke Drehbewegung um seine Längsachse ausführen und es wurde gefunden, daß eine solche Hin- und Zurückdrehung bis zu zehn Zyklen pro Minute über einen Drehwinkel von annähernd ausreichend ist.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigegebenen Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 Einen schematischen Grundriß (teilweise im Schnitt) eines Bohrmeißels, der die Erfindung verkörpert - einige Teile weggelassen;

Figur 2 einen schematischen Längsschnitt entlang der Schnittlinie A-A in Figur 1;

Figur 3 einen schematischen Aufriß eines Teils des Bohrmeißels der Figur 1, gesehen in Richtung des Pfeils B der Figur 2;

Figur k eine Untersicht eines Bohrmeißels gemäß der Erfindung zur Darstellung einer möglichen Anordnung der Schneidwerkzeuge;

Fign. 5a bis 5f die erfindungsgemäße Bohreinrichtung in verschiedenen Arbeitsphasen zur Veranschaulichung einer bevorzugten Anwendungsweise des Bohrmeißels;

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Figur 6 eine Teilansicht, teilweise im Schnitt, zur Darstellung einer Modifikation des erfindungsgemäßen Bohrmeißels.

In den Zeichnungen zeigen die Figuren 1 bis 3 einen Steinbohrmeißel, allgemein mit 1 bezeichnet, welcher besteht aus einem Grundkörper 2, drei einstellbaren kegelstumpfförmigen Steinschneidwerkzeugen 3» die in verstellbaren Supporten k drehbar montiert sind und einer Anzahl von nicht einstellbaren kegelstumpfförmigen Steinschneidwerkzeugen 3a ι die in ortsfesten Supporten ^a drehbar montiert sind, Die Schneidwerkzeuge 3 und 3a können von beliebigem handelsüblichen Typus sein.

Ein einzelnes einstellbares Schneidwerkzeug 3 und ein nicht einstellbares Schneidwerkzeug 3a sind in Figur 2 dargestellt, während Figur k in schematischer Darstellung zeigt, welche Anzahl von Schneidwerkzeugen an einem Bohrmeißel angeordnet sein können, wobei die Schneidwerkzeuge so verteilt sind, daß sie die Bearbeitung über den ganzen zu bohrenden Bereich bewirken.

Der Körper 2 des Bohrmeißels besitzt im großen und ganzen die Form einer zylindrischen Metalltrommel 7 mit einem zentralen Rohr 8, welches in der Trommel mittels bodenseitigen und stirnseitigen Stützplatten 9 und 10 koaxial gehalten ist. Das Rohr ist eine Verlängerung des hohlen Bohrerschaftes 8a (Figur 5b) durch welchen der Aushub evakuiert wird. Zwischen den Stützplatten 9 und 10 sind, wie in Figuren 1 bis 3 gezeigt, vertikale, nahezu radial befestigte Platten 11 angeordnet.

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Pneumatisch betätigte Kolben 12, die in Zylindern 13 beweglich sind, sind mit ihren Kolbenstangen im Punkt 15 an einem oberen Kragen 16 angelenkt, welcher (16) gleitbar an dem Rohr 8 montiert ist. Die Böden der Zylinder 13 sind im Punkt Ik an der bodenseitigen Stützplatte 10 angelenkt. Der Kragen 16 ist mittels eines Verbindungsgliedes 17 mit einem unteren Kragen 18 verbunden, welcher ebenfalls am Rohr 8 gleitbar montiert ist.

Jeder bewegliche Support h ist um einen an einer Platte 11 angebrachten Gelenkstift 19 schwenkbar und ebenfalls gelenkig verbunden mit dem unteren Kragen 18 über ein Verbindungsglied 20.

Die Boden-Stützplatte 10 ist mit Durchlaßöffnungen 21 versehen, die die beweglichen Supporte k aufnehmen und eine radiale Bewegung derselben im Verhältnis zu dem Grundkörper erlauben.

Die Zylinder 13 sind über Leitungen 22 mit einem fließfähigen Medium, wie Luft, beaufschlagt. Wenn der Kolben 12 im Zylinder 13 aus der in Figur 2 dargestellten Position abwärts bewegt wird, gleiten die Kragen 16 und 18 entlang dem Rohr 8 abwärts. Dadurch bewegen die Verbindungsglieder 20 die Supporte k nach auswärts aus der in Figur 2 in ausgezogenen Linien dargestellten Position in die mit unterbrochenen Linien dargestellte Position, wodurch die Steinschneidwerkzeuge 3 in ihre ausgefahrene Sehneidposition gelangen.

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Der Gesteinsbohrmeißel besitzt ebenfalls eine Anzahl von nicht einstellbaren Steinschneidwerkzeugen 3a» die in unterhalb der Platte 10 fixierten Supporten ha drehbar montiert sind.

Auf die Schneidwerkzeuge 3 und 3a wird von dem Grundkörper 2 über an diesem befestigte Druckplatten 23 und einstellbare Blocks 24, welche mit den Supporten 4 in ausgefahrener Schneidposition der Schneidwerkzeuge 3 in Eingriff stehen, eine abwärts gerichtete Bohrkraft übertragen.

Eine Konstruktion sieht vor, daß die Schneidwerkzeuge 3 aus einer inneren, eingezogenen Position, in der sie einen Durchmesser von I.O75 mm erbohren, in eine äußere, ausgefahrene Schneidposition bewegt werden können, in der sie einen Durchmesser von 1.195 "im erbohren. Der Bohrmantel 25 (Figur 5), welcher angewendet wird, könnte dann einen äußeren Durchmesser von I.I80 mm besitzen.

Der Aushub aus dem Bohrbetrieb kann mittels einer Suspension in Wasser durch das sogenannte "air lift-Pumpen" aus dem Bohrloch beseitigt werden.

Die Figur 5a zeigt einen Bohrmantel 25 in einem Bohrloch 26, das im Bodengrund 27 bis zur Erreichung eines Felsblocks 28 erbohrt worden ist. Dieses Bohrloch kann in beliebiger bekannter Weise und ohne die Benutzung des Gesteinsbohrmeißels nach der Erfindung erbohrt worden sein. Wie in Figur 5a dargestellt, besitzt der Bohrmantel 25 am unteren Ende Zähne 29 und er wird gerüttelt und abwarte gedrückt durch einen Bohrmechnniimui, allgemein mit 30 bezeichnet, welcher mittels eines auf den Bohrmantel aufgepreßten Kragens 3I mit diesem verbunden ist.

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Wenn der Bohrmantel die Oberfläche eines Felsblocks erreicht, wird ein Steinbohrmeißel gemäß der Erfindung der auf einen hohlen Bohrschaft 8a der Bohrausrüstung 32 (Figur ^h)- diese kann irgendeine bekannte Ausrüstung, z. B. von dem Wirt-Typus sein - montiert ist, durch den Bohrraantel 25 mit in ihre innere Position eingezogenen Schneidwerkzeugen 3 abgesenkt. Die Dimensionen der Teile einschließlich der Länge des Bohrschafts 8a sind so ausgewählt, daß sie der Bohrausrüstung 32 eine ausreichende Höhe (etwa 1,5 m) über dem Bohrmechanismus 30 ermöglichen.

Sobald die Schneidwerkzeuge 3 und 3a niit dem Felsblock 28 in Berührung kommen, wird der Bohrmantel 25 um einen geringen Betrag angehoben um die Schneidwerkzeuge 3 unterhalb des Bohrmantels 25 freizustellen und der Bohrmantel 25 und der Gesteinsbohrmeißel 1 werden dann in der nun erreichten Relativposition, wie sie durch die Marken 33 in der Bohrausrüstung 32 (Figur 5c) angezeigt sind, festgelegt.

Der Bohrmantel 25 und der Gesteinsbohrmeißel 1 werden dann gemeinsam um einen weiteren kleinen Betrag angehoben (s. Figur 5d um die Schneidwerkzeuge 3, 3a von der Oberfläche des Felsblocks freizustellen, wonach die Schneidwerkzeuge 3 an dem Bohrmeißel 1 in ihre äußere Arbeitsposition, wie in Figur 5e dargestellt, ausgerückt werden.

Darauf wird der Gesteinsbohrmeißel durch den Bohrmechanismus abwärts gedrückt und gerüttelt zu dem Ziel den Fels anzubohren, wobei der Bohrmantel 25 ebenfalls gerüttelt und abwärts gedrückt wird. Vorzugsweise sollte dies während des Bohrens und im gleichen Arbeitsfortschritt geschehen, in-dessen ist es auch möglich, den Bohrmantel stufenweise abzusenken.

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Der Bohraushub wird durch das Rückspülungssystem beseitigt, wobei Wasser in das Bohrloch zur Bildung einer Suspension mit dem Bohrstaub eingeführt ist, welche Suspension mittels unter Druck in den Bohrmeißel 1 eingepreßter Luft durch den Bohrerschaft 8a herausgefördert wird.

Das Bohren wird in dieser Weise fortgesetzt, falls notwendig in Stufen. Wenn der Bohrmeißel 1 nicht mehr benötigt wird, sei es, weil die vorgesehene Tiefe des Bohrlochs erreicht ist, oder weil der Felsblock 28 bzw. die Felsschicht durchdrungen ist, kann der Steinbohrmeißel entfernt werden. Zu diesem Zweck wird der Bohrmantel 25 mit dem Steinbohrmeißel 1 zunächst etwas angehoben, um das Einziehen der Schneidwerkzeuge 3 in d±e innere Position zu ermöglichen, wonach der Steinbohrmeißel 1 und die Bohrausrüstung 3² entfernt werden können und der Bohrvorgang mit dem durch den Mechanismus ^O betätigten Bohrmantel fortgesetzt werden kann. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann selbstverständlich, falls notwendig, bei dem gleichen Bohrloch wieder angewendet werden. Der Steinbohrmeißel gemäß der Erfindung und seine Anwendungsmethode ermöglichen es Bohrungen von großem Durchmesser durch einen mit Felsblöcken oder Gesteinsschichten durchsetzten Untergrund leicht und mit wesentlich geringerem Energieaufwand, als früher angenommen wurde, zu erbohr en.

In Figur 6 ist eine modifizierte Anordnung dargestellt, bei dar di« Schneidwerkzeug· hydraulisch, anstatt pneumatisch betätigt werden. Di« Kolben 12 und die Zylinder 13 sind hier er setzt durch Kolben 36, di· in Zylindern 37 gleiten, welch letzter· bei 38 an den Supporten 4 angelenkt sind« Die Supporte k sind kastenförmig ausgebildet und die Zylinder 37 sind innerhalb derselben montiert. Die Kolben 36 sind bei 39 ·η das Rohr 8 angelenkt .

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Claims

DR. INQ. HANS LICHTI -DIPL-INQ. HEINER LICHTI Uipl.-Phys. Dr. Klaus Leutwein PATENTANWÄLTE 7829834 D-75OO KARLSRUHE 41 (GROTZINGENi ■ DUR LAC H E R STR. 31 (HOCHHAUS) TELEFON (0721) 48511 5 Juli 1978 John Norman Gladstone, kjO Ryners Lane, Pinner, Middlesex / England Patentansprüche

1. Erdbohrvorrichtung bestehend aus einem Bohrmantel mit ringförmiger Schneide und einem Gesteinsbohrmeißel mit einem eine Mehrzahl von Steinschneidwerkzeugen tragenden Rumpfkörper,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Schneidwerkzeuge nahe bei dem schneidenden Ende des Gesteinsbohrmeißels bewegbar montiert sind, und daß Mittel vorgesehen sind, um diese Schneidwerkzeuge aus einer eingezogenen inneren Position in dem Rumpfkörper in eine ausgerückte, äußere Position zu bewegen, in welcher sie ein Bohrloch von größerem Durchmesser, als der maximale Durchmesser des Bohrmantels erbohren, wobei die Dimensionen des Rumpfkörpers klein genug sind, um das Einfahren des Gesteinsbohrmeißels in den Bohrmantel und sein Ausfahren aus demselben zu erlauben.

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2. Erdbohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Rumpfkörper am schneidenden Ende des Bohrmeißels zusätzlich zu den bewegbaren Schneidwerkzeugen eine Mehrzahl von ortsfest montierten Schneidwerkzeugen trägt.

3· Erdbohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbar montierten Schneidwerkzeuge in Supporten geführt sind, welche an dem Rumpfkörper angelenkt sind.

k. Vorrichtung nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, daß die Supporte gleichzeitig und gleichförmig mittels mindestens eines Zylinders mit Kolben bewegbar sind, wobei in dem Rutnpfkörper ein Betätigungsglied bewegbar montiert ist, das über ein Verbindungsglied mit dem Kolben oder dem Support verbunden ist.

5· Vorrichtung nach Anspruch 3« dadurch gekennzeichnet, daß jeder Support, durch einen eigenen Kolben-Zylindermechanismus betätigbar ist, und jeder Zylinder durch einen Support geführt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um den Bohrmeißel und den Bohrmantel miteinander zu verbinden, so daß ihr Vorschub und ihre Drehbewegung in gleichem Maße und gleichförmig erfolgt.

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Verfahren zum Erbohren eines Bohrlochs in einem von Felsblöcken und bzw. oder Gesteinsschichten durchsetzten Untergrund, unter Verwendung einer aus einem zylindrischen Bohrmantel und einem Gesteinsbohrmeißel bestehenden Erdbohrvorrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Gesteinsbohrmeißel mit in ihre innere Position eingezogenen Schneidwerkzeugen in den Bohrmantel so eingeführt wird, daß sich die bewegbaren Schneidwerkzeuge unterhalb des unteren Endes des Bohrmantels befinden, daß darauf die bewegbaren Schneidwerkzeuge in ihre äußere Schneidposition bewegt werden, worauf der Gesteinsbohrmeißel gemeinsam und gleichzeitig mit dem Bohrmantel abgesenkt und um ihre gemeinsame Achse in Drehung versetzt werden, um ein Bohrloch zu erbohren, dessen Durchmesser mindestens gleich dem äußeren Durchmesser des Bohrmantels ist und daß nach Beendigung des Bohrvorgangs die bewegbaren Schneidwerkzeuge wieder eingezogen werden, um das Ausfahren des Gesteinsbohrmexßels aus dem Bohrmantel zu ermöglichen.

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