-
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Schächten
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Herstellen von Schächten, wobei der Schacht mittels einer von oben nach unten
arbeitenden Einrichtung abgeteuft wird und der erzeugte Schachtraum mit einem Ausbau
versehen wird, der aus miteinander zu verbindenden, jeweils einen Ring bildenden
Teilen besteht.
-
Bei der Herstellung von vertikalen Schächten ist es bekannt, zuerst
ein Vorbohrloch mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser zu bohren und dann dieses
Vorbohrloch auf einen größeren Durchmesser zu erweitern, wobei das anfallende Gestein
durch das Vorbohrloch abgeführt wird. Eine solche Methode ist dann nicht anwendbar,
wenn es nicht erwünscht oder nicht möglich ist, ein Vorbohrloch zu bohren.
-
Dies gilt für alle diejenigen Fälle, in denen ein blind endender Schacht
hergestellt werden-soll. Derartige Schächte wurden bisher üblicherweise im Schildvortrieb
abgeteuft, wobei das Gestein durch Handarbeit gelöst und durch gesonderte Einrichtungen
nach oben gefördert werden muß. Eine solche Arbeitsmethode ist nicht nur aufwendig,
sondern bringt auch große Gefahren für die am Grund des Schachtes arbeitenden Leute
mit sich.
-
Das Einbringen eines Ausbaues in den Schacht geschieht bei den herkömmlichen
Verfahren meist so, daß in größerem Abstand oberhalb der Arbeitsstelle, an der die
Vortriebsarbeit ausgeführt wird, eine spezielle Bühne oder Plattform vorgesehen
wird, auf der sich diejenigen Leute befinden, die an dieser Stelle die Einzelteile
des Ausbaues zusammensetzen. Dabei werden an die bereits eingebauten Teile des Ausbaues
die weiteren Teile jeweils nach unten hin angebaut. Ein derartiges Vorgehen bedingt
erhebliche Kosten, erfordert verhältnismäßig viel Zeit und bringt Gefahren für die
Arbeiter mit sich. Außerdem ist damit normalerweise noch nicht der endgültige Ausbau
des Schachtes fertiggestellt, sondern es sind noch weitere Maßnahmen erforderlich,
beispielsweise das Hintergießen eines aus Stahlblechen bestehenden Ausbaues mit
Beton, um eine solche Auskleidung des Schachtes zu erzielen, welche die zu erwartenden
Beanspruchungen aufnehmen kann und den Schacht für den betreffenden Verwendungszweck
erst geeignet macht.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, bestehende Nachteile und Unzulänglichkeiten
zu überwinden und einen Weg aufzuzeigen, um blind endende Schächte mit einer endgültigen
Auskleidung günstig herzustellen, wobei der Einsatz von im Schacht arbeitendem Personal
so weit wie möglich bzw. vollständig vermieden werden soll.
-
Weitere Ziele der Erfindung ergeben sich aus der jeweiligen Erläuterung
der aufgezeigten Lösung.
-
Die Erfindung sieht vor, daß der Schacht mittels eines drehend antreibbaren
Bohrkopfes als Vollbohrung abgeteuft wird und daß der Ausbau als endgültige Auskleidung
des Schachtes gleichzeitig mit dem Bohrvorgang eingebracht wird, wobei das untere
Ende des untersten Teiles des Ausbaues in einer dem Bohrkopf unmittelbar benachbarten
Lage entsprechend dem Bohrfortschritt unter möglichster Verhinderung einer Drehung
abwärts bewegt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß das Abteufen des Schachtes
ohne Einsatz menschlicher Arbeitskraft im Schacht bzw. an seinem Grund erfolgen
kann und daß ein Ausbau eingebracht wird, der eine den jeweiligen Anforderungen
in vollem Maße Rechnung tragende Auskleidung des Schachtes darstellen kann, so daß
dieser praktisch in einer zusammenhängenden Arbeitsoperation zumindest weitgehend
fertiggestellt werden kann.
-
Eine vorteilhafte Ausführung des Verfahrens besteht darin, daß der
Ausbau auf einem dem Bohrkopf zugeordneten oder einen Teil desselben bildenden Element
abgestützt wird und dadurch der Bohrkopf mit wenigstens einem Anteil des Gewichts
des Ausbaues belastet wird. Hierdurch kann der Bohrkopf bei seinem Arbeiten die
notwendige Andruckkraft erhalten, ohne daß es dazu besonderer Einrichtungen bedarf.
-
Außerdem wirkt der sich auf dem Bohrkopf abstützende Ausbau wie ein
langer Stabilisator, so daß der Bohrvorgang mit großer Genauigkeit durchgeführt
werden kann.
-
Zweckmäßig wird der Bohrvorgang mit einem an seinem unteren Ende den
Bohrkopf tragenden Bohrgestänge durchgeführt, das von einem oberhalb des Schachtes
vorgesehenen Motor od.dgl. bzw. einem Kraftdrehkopf (power swivel) die Antriebs-Drehbewegung
erhalten kann. Es ist aber auch möglich, dem Bohrkopf unmittelbar einen Drehantrieb
zuzuordnen.
-
Vorteilhaft wird beim Bohrvorgang ein Bohrverfahren mit Spülung (fluid
circulation) angewendet, wobei das Spülmedium eine Flüssigkeit oder Luft sein kann.
Günstig ist z.B. das sog. Lufthebe-Bohrverfahren (air-lift drilling procedure).
-
Der die endgültige Auskleidung des Schachtes bildende, beim Bohrvorgang
mit eingebrachte Ausbau kann z.B. aus Betonringen
oder Betonsegmenten,
die sich zu Ringen zusammensetzen lassen, aus Stahlrohr-Elementen oder -Segmenten,
aus Tübbing-Teilen oder anderen geeigneten Elementen bestehen, wobei diese im Bedarfsfall
auch eine große Wandstärke haben können. Die einzelnen Teile des Ausbaues werden
insbesondere in Längsrichtung, d.h. in Höhenrichtung des Schachtes, so miteinander
verbunden, daß sie eine zusammenhängende Einheit bilden.
-
Eine vorteilhafte Ausrüstung zum Herstellen eines Schachtes nach dem
erläuterten Verfahren weist einen Bohrkopf und eine diesem zugeordnete Lagerung
für den untersten Teil des Ausbaues oder für ein an einem solchen untersten Teil
angebrachtes Abstützelement od.dgl. auf. Zweckmäßig wird der Bohrkopf mit der zugeordneten
Lagerung zum Abstützen des Ausbaues so ausgebildet, daß er am Ende des Bohrvorganges
oder auch zu einem sonstigen gewünschten Zeitpunkt aus dem Schacht herausgenommen,
d.h. nach oben gebracht werden kann. Dies läßt sich u.a. dadurch erreichen, daß
die Lagerung für den Ausbau bewegliche Teile enthält, von denen jedes aus einer
den Ausbau abstützenden Betriebs-Position in eine innere Ruheposition außer Berührung
mit dem Ausbau bewegbar ist, und daß der übrige Teil des Bohrkopfes keine größeren
äußeren Abmessungen als der freie Innenquerschnitt des Ausbaues hat. Falls erforderlich,
kann der Ausbau während des Herausnehmens des Bohrkopfes aus dem Schacht durch eine
oberhalb des Schachtes befindliche Einrichtung abgefangen und gehalten werden.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachstehenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen, aus der zugehörigen
Zeichnung und aus den Ansprüchen. Es zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zum Herstellen
eines Schachtes in Arbeitsposition, Fig. 2 eine abgewandtelte Ausführung eines Bohrkopfes,
Fig. 3 einen Teil des Bohrkopfes nach Fig. 1 in größerem Maßstab in Betriebs-Position
der Lagerung für die Abstützung des Ausbaues, Fig. 4 einen Teil des Bohrkopfes nach
Fig. 1 und 3 mit in Ruhe-Position befindlicher Lagerung für den Ausbau, Fig. 5 eine
der Fig. 3 entsprechende Betriebs-Position bei einem Bohrkopf gemäß Fig. 2, Fig.
6 eine Ruhe-Position bei dem Bohrkopf nach Fig. 2 und 5, Fig. 7 einen Teil eines
Ausbaues im Schnitt, Fig. 8 und Fig. 9 zwei abgewandelte Ausführungen der Lagerung
für die Abstützung des Ausbaues.
-
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist ein in Portalbauweise ausgebildetes
Bohrgerät 1 auf, das mit einem Raupenfahrwerk ausgestattet ist. An einem Mast 3
ist eine
Traverse 4 verschiebbar geführt, deren Enden mit Hydraulikzylindern
5 verbunden sind. Deren Kolbenstangen 6 sind mittels Zapfenverbindungen 8 dgl. an
einer Brücke des Bohrgeräts 1 befestigt. Diese Brücke 7 trägt auch den Mast 3 und
ist außerdem mit Hebezeugen 9, z.B. beweglichen Winden, Kränen, Einschienen-Hängebahnen
od.dgl. versehen, mittels derer einzelne Teile des in den Schacht S einzubringenden
Ausbaues herantransportiert und abgelassen werden können.
-
An der Traverse 4 befindet sich ein Kraftdrehkopf 10 zum drehenden
Antrieb eines als Lufthebe-Gestänge ausgebildeten Bohrgestänges 11. Oberhalb des
Kraftdrehkopfes 10 sitzt ein Spülkopf 12, dem durch eine Einlaßleitung 13 ein Splungsmedium
zugeführt werden kann, derart, daß dieses durch einen Ringraum lla des Bohrgestänges
im Sinne der eingezeichneten Pfeile nach unten geleitet werden kann. Mit der Ziffer
14 ist eine vom Spülkopf 12 wegführende Auslaßleitung bezeichnet, mittels derer
die im mittleren Innenraum llb hochsteigende, mit Bohrgut beladene Spülung abgeführt
werden kann. Die Einzelheiten eines solchen Spülkopfes und ebenso eines Kraftdrehkopfes
können in üblicher Weise ausgebildet sein, wie es dem Fachmann bekannt ist.
-
Am unteren Ende des Bohrgestänges 11 ist ein Bohrkopf 15 befestigt,
der mit Rollenmeißeln 16, von denen jeweils nur einige dargestellt sind, oder mit
anderen geeigneten Werkzeugen versehen ist. Es kann sich bei dem Bohrkopf 15
insbesondere
um einen sog. Großloch-Meißel (large diameter bit) handeln. Der Bohrkopf ist mit
Durchlässen bzw. Leitungswegen 17 für den Zulauf der Spülung aus dem Bohrgestänge
11 und mit einem mittleren Durchlaß 18 zum Abführen der mit Bohrgut beladenen Spülung
in das Bohrgestänge versehen, wie lediglich in Fig. 1 veranschaulicht ist.
-
Ein Schacht mit den gewünschten Abmessungen, z.B. mit einem Durchmesser
von 5 Metern und einer Tiefe von 40 Metern, wird in vorteilhafter Weise dadurch
hergestellt, daß der Bohrkopf 15 im vollen Gestein oder Gebirge durch drehende Bewegung
und nach unten gerichtete Vorschubbewegung ein Bohrloch der entsprechenden Größe
ausarbeitet und daß gleichzeitig mit der Abwärtsbewegung des Bohrkopfes 15 zugleich
auch ein Ausbau 20 niedergebracht wird, der die endgültige Auskleidung des Schachtes
S bildet. Je nach dem Bohrfortschritt werden auf die bereits in das Bohrloch eingebrachten
Teile 20a des Ausbaues weitere Teile von oben her aufgesetzt, was mit Hilfe der
Hebezeuge 9 geschehen kann. Bei den Teilen 20a des Ausbaues kann es sich beispielsweise
um Ringe oder Ring-Segmente aus Beton handeln.
-
Vorteilhaft werden die Teile in axialer Richtung miteinander so verbunden,
daß sich ein zusammenhängendes Ganzes ergibt.
-
Ein Ausführungsbeispiel für derartige Ausbau-Teile 20a zeigt Fig.
7. An regelmäßig über den Umfang verteilten
Stellen des Betonringes
20a sind von einer einbetonierten Hülse 21 begrenzte Durchgangsöffnungen 22 vorhanden,
durch die Verbindungsbolzen 23 hindurchgesteckt werden können. Jeder Bolzen 23 weist
am Ende ein Außengewinde 24 auf, das in ein Innengewinde 25 am Kopf 26 des anschließenden
Bolzens in dem darunter befindlichen Betonteil 20a eingeschraubt werden kann. Die
Köpfe 26 liegen auf Platten 27 auf. Mit der Ziffer 28 sind Dichtungen bezeichnet.
-
An den Bolzen des jeweils obersten Teiles 20a können an sich gegenüberliegenden
Stellen desselben Arme 29 vorübergehend befestigt sein, die an vertikalen Schienen
30 des Bohrgeräts 1 gleitend zur Anlage kommen können und dadurch den gesamten Ausbau
20 gegen Drehen sichern, so daß sich derselbe nur translatorisch abwärts bewegt.
-
Gemäß einem bevorzugten Merkmal stützt sich der Ausbau 20 auf dem
Bohrkopf 15 bzw. auf diesem zugeordneten Teilen ab. Dafür bestehen im einzelnen
verschiedene Ausführungsmöglichkeiten. Wie aus den Fig. 1, 3 und 4 ersichtlich ist,
sind am Bohrkopf 15 an mehreren über den Umfang desselben verteilt angeordneten
Stellen Lagerstücke 31 vorgesehen, die mit horizontalen Rollen 32 und vertikalen
Rollen 33 ausgerüstet sind. Die letzteren bilden eine Lagerung für die horizontale
Unterseite bzw. für die vertikale Innenseite eines Fußstückes 34, das am untersten
Ende des
untersten Ausbauteiles 20a befestigt ist oder durch dieses
selbst gebildet wird. Das Fußstück 34 kann z.B. aus Stahl bestehen. Das Lagerstück
31 kann mittels eines Druckmittel-Zylinders 35, der über nicht gezeigte Leitungen
vom Bohrgerät 1 aus versorgt und gesteuert wird, aus der in Fig. 3 gezeigten Betriebs-Position,
in der es den Ausbau 20 unterstützt, in eine Ruhe-Position gemäß Fig. 4 radial nach
innen verschoben werden, in der auch sein äußerster Punkt innerhalb des vom Ausbau
20 umschlossenen Schacht-Innenraumes liegt. Das Lagerstück 31 ist dabei auf geeigneten
Führungen am Bohrkopf 15 verschiebbar. In der Betriebs-Position gemäß Fig. 3 ruht
das Lagerstück 31 auf starren Abstützflächen am Bohrkopf, derart, daß das Gewicht
des Ausbaues 20 über die vorhandenen Lagerstücke auf den Bohrkopf 15 wirkt und diesen
belastet. Die Lagerstücke können selbst noch mit Schneidrollen 36 oder anderen geeigneten
Werkzeugen versehen sein, so daß sich die Wirkung von Unterschneidern ergibt, welche
den äußeren, unterhalb des Ausbaues liegenden Randbereich des herzustellenden Schachtes
abbohren. Auch diese Werkzeuge 36 sind an den Lagerstücken 31 so angeordnet, daß
sie in der Ruhe-Position nach Fig. 4 innerhalb der Kontur des Ausbaues 20 liegen.
Entsprechende seitliche Führungen am Bohrkopf 15 gewährleisten, daß die von den
Schneidrollen 36 herrührenden Kräfte sicher aufgenommen werden können.
-
Die äußeren Abmessungen des Bohrkopfes 15 sind ebenfalls kleiner als
der vom Ausbau 20 innenseitig umschlossene Raum. Dies bedeutet, daß der Bohrkopf
15 bei in einwärts gezogenen, sich also in der Ruhe-Position befindenden Lagerkörpern
31 ungehindert mit dem ihn tragenden Bohrgestänge durch die Auskleidung des Schachtes
hindurch nach oben und ggfs. auch wieder nach unten bewegt werden kann. Auf diese
Weise läßt sich der Bohrkopf 15 in jedem Fall nach Beendigung der Bohrarbeit, d.h.
nach Erreichen der gewünschten Tiefe des Schachtes aus diesem entfernen.
-
Wie Fig. 4 veranschaulicht, kann die Auskleidung 20 im Bedarfsfall,
so z.B. beim Einziehen der Lagerstücke 31, in der eingebrachten Lage abgefangen
und gehalten werden. Dazu dienen einige um die obere Schachtmündung herum verteilt
angeordnete hydraulische Abstützzylinder 37, die an der nach außen überstehenden
Seite einer mit den Ankerbolzen 23 verschraubten Traverse 38 angreifen. Mittels
dieser Abstützzylinder 37 kann die Auskleidung 20 auch noch weiter abgesenkt werden,
bis sie auf der Sohle des Schachtes aufruht. Mittels der Zylinder 37 lassen sich
auch Höhenunterschiede in der Umgebung der Schachtmündung ausgleichen, wenn nicht,
wie in Fig. 1 gezeigt, ein Betonfundament 39 vorhanden ist. Der Bohrkopf 15 kann
im Bedarfsfall auch mittels der Hydraulikzylinder 5 des BohrgerAtes 1 über das Bohrgestänge
11 eine Andruckkraft erhalten, z.B. dann, wenn ein solcher Andruck heu'einem vom
Ausbau 20 getrennt durchzuführenden
Arbeiten notwendig oder erwünscht
ist. Im übrigen kann mittels der Zylinder 5 der Kraftdrehkopf 10 in der zum Nachsetzen
bzw. zum Ziehen des Bohrgestänges 11 erforderlichen Weise angehoben bzw. abgesenkt
werden. Das Bohrgerät 1 kann mit einer bekannten Abfangvorrichtung für das Gestänge
versehen sein, die nicht dargestellt ist.
-
Das vorstehend Gesagte gilt sinngemäß und entsprechend auch für die
Ausführung nach Fig. 2, 5 und 6. Die hier vorgesehenen Lagerstücke 41 sind mittels
Zapfen 42 am Bohrkopf 15 angelenkt und können mit Hilfe von Drucksittelzylindern
35 aus der Betriebs-Position nach Fig. 5, in der sie sich auf einer Fläche 40 am
Bohrkopf 15 abstützen, in die Ruhe-Position nach Fig. 6 hochgeschwenkt werden, in
der wiederum die äußersten Punkte dieser Lagerstücke und des Bohrkopfes innerhalb
des vom Ausbau 20 umschlossenen Raumes liegen. Mit der Ziffer 36 sind auch hier
wieder Schneidrollen bezeichnet.
-
Anstelle einer Rollenlagerung für das untere Ende des Ausbaues 20,
wie dies in den Fig. 1 bis 6 bei den Rollen 32 und 33 angegeben ist, kann auch eine
andere Art der Lagerung vorgesehen sein. So zeigt Fig. 8 eine Gleitlagerung, bei
der am unteren Ende des untersten Teiles 20a des Ausbaues eine Gleitplatte 43 befestigt
ist, der ein Gleitkörper 44 an einem Lagerstück 45 gegenüberliegt. Die Gleitplatte
43 und der Gleitkörper 44 bestehen aus verschleißfesten
Werkstoffen
mit guten Gleiteigenschaften, so z.B.
-
einem Kunststoff, etwa PTFE. Fig. 9 läßt eine Ausführung erkennen,
die nach Art eines hydrostatischen Lagers ausgebildet ist, wobei mit den Ziffern
46 und 47 Kammern zur Aufnahme eines geeigneten Mediums, insbesondere Fett, bezeichnet
sind, denen ein solches Medium über Kanäle 48 und 49 zugeführt werden kann. Diese
befinden sich in dem betreffenden Lagerstück 51, während der zugehörige Ausbau-Teil
20a eine Lagerplatte 50 aufweisen kann.
-
Ungeachtet der Lagerausbildung im einzelnen kann die Ausführung auch
so getroffen werden, daß anstelle beweglicher Lagerstücke am Bohrkopf ein ringförmiger
Schneidschuh od.dgl. vorgesehen wird, der den unterhalb der Auskleidung 20 liegenden
Bereich abbohrt, so wie dies bei den Lagerstücken 31 und 41 durch die Schneidrollen
36 geschieht.
-
Dieser Schneidschuh oder Schneidkranz ist dann derart mit dem Bohrkopf
verbunden, daß er am Ende des Bohrvorganges, wenn die gewünschte Schachttiefe erreicht
ist, vom Bohrkopf abgekuppelt werden kann. Der Schneidschuh verbleibt dann im Schacht,
während der Bohrkopf, dessen Abmessungen kleiner als der Innendurchmesser des Ausbaues
sind, mit dem Bohrgestänge aus dem Schacht herausgehoben werden kann.
-
Die Kupplung zwischen dem Bohrkopf und dem Schneidschuh kann z.B.
als bajonettartiger Verschluß ausgebildet sein, der sich beim Drehen des Bohrgestänges
mit dem Bohrkopf
in einer der normalen Drehrichtung beim Bohren
entgegengesetzten Drehrichtung löst, so daß dann die Verbindung zwischen beiden
Körpern aufgehoben wird und der Bohrkopf gezogen werden kann.
-
Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten bzw. in der Zeichnung
dargestellten Merkmale sollen, sofern der bekannte Stand der Technik es zuläßt,
für sich allein oder auch in Kombinationen als unter die Erfindung fallend angesehen
werden.
-
L e e r s e i t e