DE3131201C2 - Bohrkopf zum Gesteinsbohren - Google Patents

Abstract

Ein Bohrkopf, insbesondere für das Großlochbohren, umfaßt einen drehend angetriebenen Träger (10) und eine Vielzahl von daran drehbar gelagerten Rollenmeißeln (24.1 bis 24.14), die unregelmäßige gegenseitige Umfangsabstände haben. Zur Erhöhung der Richtungsstabilität und zur Verbesserung der Bohrleistung sind die Rollenmeißel (24.1 bis 24.14) mit ihren untenliegenden Mantellinien (28) an einer ihnen gemeinsamen stufenlosen konkaven Tangentialfläche (44) angeordnet, und sie sind exzentrisch gelagert oder bei zentrischer Lagerung mit elliptischem Querschnitt ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf zum Gesteinsbohren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei diesem, in dem Hauptpatent beschriebenen Bohrkopf bewirken die in unregelmäßigen Umfangsabständen angeordneten Rollenmeißel eine wirksame Bearbeitung des von außen nach innen vorspringenden, der Konusfläche benachbarten Bereiches der Bohrlochsohle. Diese Bearbeitung wird dadurch verstärkt, daß die Rollenmeißel einen sich radial auswärts verjüngenden Ouerschnitt aufweisen, so daß sie auf der Bohrlochsohle nicht lediglich abrollen, sondern entsprechend ihren unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten auch eine schabende Bewegung ausführen. Die Kombination der in unregelmäßigen Umfangsabständen mit einer radial einwärts gerichteten Kraftkomponente erfolgenden Einwirkungen und dieser Schabebewegungen führt dazu, daß der zur Mitte hin nach oben vorspringende Kegelbereich der Bohrlochsohle praktisch zertrümmert wird, so daß sich eine hohe Bohrleistung ergibt Die ίο Bohrleistung kann wegen des durchgehend gleichen Kegelwinkels der Konusfläche auch dadurch erhöht werden, daß die Ringbereiche der an der Konusfläche liesenden Rollenmeißel einander überlappen. Der gleichbleibende Konuswinkel erlaubt den Einsatz von zumindest weitgehend untereinander gleichen Rollenmeißeln. Die Neigung der Lagerzapfen zu den radial innerhalb der Rollenmeißel liegenden Lagerböcken hin erleichtert eine einfache Lagerung, da trotz der von der Bohrlochsohle auf die Rollenmeißel ausgeübten radialen Kraftkomponenten zwischen den Rollenmeißeln und den Lagerböcken keine im Sinne einer Trennung dieser Teile wirkenden Kräfte auftreten, sondern die Rollenmeißel auf die Lagerböcke hin gedrängt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bohrkopf der im Hauptpatent beschriebenen Art insbesondere für die Verwendung in harten Felsformationen in konstruktiv einfacher Weise derart weiterzubilden, daß die Bohrleistung und die Richtwirkung gegenüber dem Bohrkopf nach dem Hauptpatent noch weiter erhöht werden. Diese Aufgabe wird durch das im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst.

Beispielsweise aus den US-Patentschriften 31 38 213, 20 50 988 und 20 20 625 ist es an sich bei Bohrköpfen bekannt, die Rollenmeißel exzentrisch zu lagern, so daß die Rollenmeißel eine ihrem Abrollen auf der Bohrlochsohle überlagerte periodische Auf-und-Ab-Bewegung durchführen. Bei dem Bohrkopf nach dem Hauptpatent führt diese an sich bekannte Maßnaiwne dazu, daß die Bohrleistung insbesondere beim Großlochbohren in harten Gesteinsformationen und gleichzeitig die Richtungsstabilität und Treffsicherheit noch weiter erhöht werden. Diese Wirkung dürfte darauf beruhen, daß die Rollenmeißel aufgrund der von ihnen auf die Bohrlochsohle periodisch ausgeübten, eine radial einwärts gerichtete Komponente aufweisenden Kräfte den mutigen, konvenxen Teil der Bohrlochsohle gewissermaßen hämmernd bearbeitzn und hierdurch zersprengen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigt

Fig. 1 einen teilweisen Querschnitt durch einen Bohrkopf,

Fig.2 eine Unteransicht des Bohrkopfes gemäß Fig.l,

F i g. 3 in einer einem Ausschnitt aus F i g. 1 entsprechenden Darstellung einen Teil einer demgegenüber abgewandelten Ausführungsform,

to Fig.4 einen schematischen Querschnitt durch einen Rollenmeißel des Bohrkopfes gemäß F i g. 1 und 2,

Fig.5 einen schematischen Querschnitt durch einen Rollenmeißel des Bohrkopfes gemäß F i g. 3,

Fig. 6 eitien schematischen Querschnitt durch eine b5 weitere Ausiührungsform von Rollenmeißeln für den Bohrkopf nach F i g. I und 2 oder nach F i g. 3.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Bohrkopf dient /um Bohren von Bohrlöchern eines Durchmessers von

1220 mm. Bohrlöcher solchen Durchmessers werden beispielsweise benötigt, um im Voralpenland der Bundesrepublik Deutschland bis zum Malm, einer in Teufen von annähernd 600 m und mehr liegenden, zerklüfteten Kalksteinformation, vorzustoßen und aus dem aus die-H ser Formation gewonnenen, zur Erdoberfläche geför-

% derten Wasser geothemische Energie zu gewinnen, wo-

Kj bei auch schwierig zu durch teufende Felsfonnationen

|| und die Richtungsstabilität der Bohrung negativ beein-

Ü flussende, inhomogene Schichten wie beispielsweise

^s Geröllschichten auftreten. Der gezeigte und nachstell hend beschriebene Bohrkopf ist jedoch aufgrund dieser

[si Eignung ebenfalls für Großlochbohrungen in sonstigen

|| harten und/oder inhomogenen Formationen besonders

[J geeignet

Ü; Bevor auf die Darstellung im einzelnen eingegangen

|i wird, sei bemerkt, daß in F i g. 1 zur Verdeutlichung eini-

?'? ge Rollenmeißel in eine vorgegebene Querschnittsebe-

|§ ne verschwenkt dargestellt sind, obv/ohl diese Rollen-

T-J- meißel tatsächlich in Umfangsrichtung unregelmäßig

fr verteilt angeordnet sind, und daß nur hinsichthch einiger

i". weniger Rollenmeißel deren Lagerung dargestellt ist,

um die Darstellung nicht zu komplizieren. Soweit sich -■■ die dargestellten Rollenmeißel aufgrund der gewählten

Darstellungsform überlappen, wurde jeweils das radial einwärts liegende Ende eines Rollenmeißels ausgezogen, das radial außen liegende, überlappte Ende eines Rollenmeißels dagegen gestrichelt dargestellt

Der dargestellte Bohrkopf umfaßt einen Träger 10 mit einer waagerechten Platte 12 von gegenüber dem gewünschten Bohrlochdurchmesser etwas geringeren Außenabmessungen, die an ihrem Außep.umfang mit mehreren Ausschnitten 14,16,18(Fig.2) versehen ist, um die im Bohrloch B nach unten fließende Spülflüssigkeit um die Platte 12 herum zur Bohrlochsohle 20 fließen zu lassen. Die Platte 12 ist über einen starken Blechkegel 22 mit einer oberhalb von ihr liegenden, nicht dargestellten weiteren Platte verbunden, die dem Anschluß an das ebenfalls nicht dargestellte Bohrgestänge dient Dieses kann in üblicher Weise in seinem untersten Abschnitt von Schwerstangen gebildet sein und einen unmittelbar oderhalb des Bohrkopfes liegenden Stabilisator umfassen. Ebenfalls ist es jedoch möglich, zur Belastung des Bohrkopfes eine unmittelbar oberhalb von ihm vorgesehene Vorschubvorrichtung vorzusehen, die sich an der Innenseite des Bohrloches abstützt, um eine Vorschubkraft zu erzeugen. Die Belastung durch den Rohrstrang und insbesondere die Schwerstangen bzw. die genannte Vorschubkraft sollte beim genannten Durchmesser des Bohrkopfes in der Größenordnung von 301 bis 401 liegen.

Auf der Unterseite der Platte 12 sind, wie aus F i g. 2 ersichtlich, zwölf Rollenmeißel 24.1 bis 24.12 angeordnet, von denen in F i g. 2 zur Vereinfachung der Darstellung nur die in die Darstellungsebene geschwenkt dargestellten Rollenmeißel 24.1 bis 24.6, 24.8 und 24.11 sichtbar sind. Die Bezugszeichen dieser Rollenmeißel sind derart gewählt, daß die jeweils hinter dem Punkt stehenden Zahlen (1 bis 12) die Reihenfolge der Rollenmeißel 24.1 bis 24.12 hinsichtlich des radialen Abstandes des inneren Endes ihrer unten liegenden, in Fig. 1 mit der Bohrlochsohle 20 zusammenfallenden Mantellinie von der Achse 26 des Trägers 10 bezeichnen. So ist beispielsweise der genannte Abstand des Rollenmeißels 24.4 größer als derjenige des Rollenmeißels 243, der genannte Abstand des Rollenmeißels 24.5 größer als derjenige des Rollenmeißels 24.4 usw. In F i g. 2 ist zur Verdeutlichung nur be' flem Rollenmeißel 24.3 eine der genannten Mantellinien 28 mit ihrem inneren Ende 30 gestrichelt angedeutet.

Abgesehen von dem noch gesondert zu erläuternden, mittigen Rollenmeißel 24.1 haben alle Rollenmeißel 24.2 bis 24.12 eine schwach kegelige, durch eine umlaufende Ringnut in zwei Mantelabschnitte unterteilte Grundform. Dabei sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen von Rollenmeißeln verwendet Die Rollenmeißel 24.2 bis 24.6, 24.8, 24.10 und 24.11 haben, von ihrer Stirnseite größeren Durchmessers ausgehend und wie anhand des Rollenmeißels 243 ersichtlich, einen ersten Mantelabschnitt 32 mit einer axialen Höhe von 60 mm, eine Ringnut 34 mit einer am Außendurchmesser gemessenen größten axialen Breite von 30 mm und einen zweiten Mantelabschnitt 36 mit einer axialen Höhe von ebenfalls 30 mm. Die Rollenmeißel 243, 24.7, 24.9 und 24.12 haben, von ihrer Stirnseite größeren Durchmessers ausgehend und wie anhand des Rollenmeißels 243 dargestellt einen ersten Mantelab.v-Jinitt 33 mit einer axiaien Höhe von 22 mm, eine Ringni-t 40 mit einer größten axialen Breite von 26 mm sowie einen zweiten Mantelabschnitt 42 mit einer axialen Höhe von 28 mm. Der mittlere Außendurchmesser aller Rollenmeißel 24.2 bis 24.5.2 liegt bei 170 mm. Im Bereich ihrer Mantelabschnitte 32, 36, 38, 42 sind die Rollenmeißel 24.2 bis 24.12 mit nicht dargestellten, annähernd radial gerichteten Zähnen versehen, deren als Meißelschneiden wirkende Kuppen parallel zur jeweiligen Mantellinie, beispielsweise der Mantellinie 28, verlaufen.

Die Rollenmeißel 24.2 bis 24.12 sind derart angeordnet, daß die von ihnen bearbeiteten, kegeligen Ringbereiche der Bohrlochsohle 20 ohne Stufen zumindest annähernd aneinander anschließen oder einander überlappen. So schließt, wie aus F i g. 1 ersichtlich, der radial innere, erste Mantelabschnitt 32 des Rollenmeißels 24.4 fast, nämlich unter Belassung eines nur geringen gegenseitigen Abstandes, an den von dem radial äußeren, zweiten Mantelabschnitt 36 des Rollenmeißels 24.2 bearbeiteten Ringbereich an, und die radiale Stellung des Rollenmeißels 243 ist so gewählt, daß sein radial innerer, erster Mantelabschnitt 32 einen Ringbereich bearbeitet, der den vom zweiten Mantelabschnitt 36 des Rollenmeißels 24.2 bearbeiteten Ringbereich überlappt und zudem dort liegt, wo der Rollenmeißel 24.2 seine Ringnut 34 hat und der Abstand zwischen den Rollenmeißeln 24.2 und 24.4 belassen ist. In entsprechender Weise bearbeitet der radial innere, erste Mantelabschnitt 38 des Rollenmeißels 24.5 einen Ringbereich, an dem die Ringnut 34 des Rollenmeißels 24.4 liegt, der radial innere zweite Mantelabschnitt 42 des Rollenmeißels 24.12 einen Ringbereich, an dem die Ringnut 34 des Rollenmei-CeIs 24.10 liegt usw.

Die Rollenmeißel 24.1 bis 24.12 sind in drei aneinander anschließenden Durchmesserbereichen der Bohriochsohle 20 in jeweils unterschiedlicher Weise angeordnet. Ein mittlerer Kreisbereich X in der unmittelbaren Umgebung ehr Achse 26 des Trägers 10 wird in noch zu beschreibender Weise von dem Rollenmeißel 24.1 bearbeitet. Der Durchmesser des Durchmesserbereiches X ist gering gegenüber dem Durchmesser des Bohrloches B. An den Durchmesserbereich X schließt sich nach außen ein ringförmiger Durchmesserbereich Van, dessen radial- Breite jedenfalls mehr als 50% des Radius des Bohrloches B beträgt; beim Ausführungsbeispiel beträgt der Innendurchmesser des Ringbereiches Y annähernd 15% des Bohrlochdurchmessers und der Außendurchmesser des Ringbereiches Y annähernd 80% des Bohrlochdurchmessers. Außerhalb des

bereiches Y kann noch wie beim Ausführungsbeispiel ein weiterer Ringbereich Z liegen, dessen radiale Ausdehnung gering gegenüber dem Radius des Bohrloches Ssein soll.

Im Ringbereich Y liegen die Rollenmeißel 24.2 bis 24.9 mit ihren untenliegenden Mantellinien 28 an einer ihnen gemeinsamen, konkaven Tangentialfläche 44, die beim Gebrauch mit einem hierbei gebildeten, zu seiner Mitte hin nach oben vorspringenden, konvexen Abschnitt der Bohrlochsohle 20 übereinstimmt. Beim Ausführungsbeispiel hat die Tangentialfläche die Form einer Kegelmantelfläche. Die in Richtung der Achse 26 des Trägers 10 gemessene Tiefe der Tangentialfläche 44 ist klein gegenüber dem Bohrlochdurchmesser. Sie liegt beim Ausführungsbeispiel bei 15% des Bohrlochdurchmessers. Auch bei Tiefen von bis herab zu annähernd lü°/b scheinen die oben erläutericr., vorteilhaften. Wirkungen des Bohrkopfes nicht beeinträchtigt zu werden. Größere Tiefen dürften ebenfalls möglich sein, jedoch liegen diese bei maximal 25% in Fällen, bei denen sich die Tangentialfläche 44 und damit der Ringbereich Y bis zum Innenumfang des Bohrloches Serstrecken, also ein Ringbereich Zmit noch zu erläuternder anderer Anordnung von Rollenmeißeln entfällt. Die genannte Tiefe wird beim Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß der Kegelwinkel λ der Tangentialfläche 44 zumindest annähernd 140° beträgt.

Alle Rollenmeißel 24.1 bis 24.12 sind jeweils, wie beim Rollenmeißel 24.3 in F i g. 1 angedeutet, auf einem kegelstumpfförmigen Lagerzapfen 46 gelagert, der sich von einem der Stirnseite größeren Durchmesser des Rollenmeißels 24.1 bis 24.12 benachbarten Lagerbock

48.1 bis 48.12 aus in den Rollenmeißel 24.1 bis 24.12 hinein erstreckt. Die Lagerböcke 48.2 bis 48.9 der an der konvexen TangcntialRäche 44 liegenden Rollenmeißel

24.2 bis 24.9 sind radial einwärts dieser Rollenmeißel 24.2 bis 24.9 angeordnet. Bei allen Rollenmeißeln 24. 1 bis 24.12 haben die Lagerzapfen 46 eine derartige zu ihrem freien Ende hin abwärts gerichtete Schrägstellung, daß ihre unten liegende Mantellinie 50 (siehe Lagerzapfen 46 des Rollenmeißels 243 in F i g. 1) zum Lagerbock 48.1 bis 48.12 hin ansteigt. Hierdurch wird dafür gesorgt, daß durch die zwischen Rollenmeißel 48.1 bis 48.12 und Bohrlochsohle 20 wirkenden Kräfte der Rollenmeißel 24.1 bis 24.12 zum jeweiligen Lagerbock 48.1 bis 48.12 hin gedrängt wird, also keine aufwendigen mechanischen Maßnahmen erforderlich sind, die eine Entfernung dieser beiden Teile voneinander fort in Richtung der Acnse des Lagerzapfens 46 verhindern. Andererseits ist es besonders günstig, wenn diejenige resultierende Kraft, die im Sinne eines Andrückens eines Rollenmeißels 24.! bis 24.12 an den zugeordneten Lagerbock 48. 1 bis 48.12 wirkt, nur relativ gering ist, weil hierdurch eine Abnutzung der Lagerung vermieden wird.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich, sind die Rollenmeißel 24.2 bis 24.12, wenn man sie in der Reihenfolge zunehmenden Abstandes von der Achse 26 des Trägers und damit in den Reihenfolge ihrer hinter dem Punkt des Bezugszeichens stehenden Zahl betrachtet, in unregelmäßigen Umfangsabständen angeordnet Bei grober Betrachtung bilden jedoch die an der konkaven Tangeniialfläche 44 (F i g. 1) liegenden Rollenmeißel 48.2 bis 48.9 zusammen mit dem mittigen Rollenmeißel 48.1 eine sich entgegen der von einem Pfeil 52 bezeichneten Drehrichtung des Trägers 10 erweiternde Spirale. Dies hat zur Folge, daß gewissermaßen zwischen zwei Gängen der Sniraie. nämlich zwischen dem Rollenmeißel 24.2 einerseits und den Rollenmeißeln 24.6 und 24.7 andererseits, ein etwas vergrößerter, von Rollenmeißeln freier Raum auf der Unterseite des Trägers 10 zur Unterbringung eines Rohres 54 freigelassen ist, das zur Abführung der Spülflüssigkeit dient. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, liegt das an seiner Mündung 56 parallel zur Tangentialfläche 44 abgeschnittene Rohr 54 an seiner Mündung 56 in einem vorgegebenen Abstand von der Tangentialfläche 44 nahe deren Außenumfang. Nach oben erstreckt sich das Rohr 54 durch die Platte 12 hindurch zu der oberhalb von dieser, nicht dargestellten weiteren Platte des Trägers 10, wo das Rohr 54 an den Innenraum des hohlen, den Bohrkopf drehenden Rohrgestänges angeschlossen ist.

Wie bereits erwähnt, können sich die konkave Tangentialfläche 44 des Bohrkopfes und der Ringbereich Y hi« zum Innenumfang des Bohrloches B erstrecken. Beim Ausführungsbeispiel und anderen Ausführungsformen, insbesondere für Bohrlochdurchmesser zwi- sehen 600 mm und 1500 mm, kann es jedoch zur Unterbringung von möglichst vielen Rollenmeißeln auf gedrängtem Raum zweckmäßig sein, wenn wie beim Ausführungsbeispiel an den Ringbereich Y nach außen ein Ringbereich Zanschließt, in dem mindestens ein Rollenmeißel — beim Ausführungsbeispiel die drei Rollenmeißel 24.10 bis 24.12 — mit seiner unten liegenden Mantellinie 28 an einer bezüglich des Bohrkopfes konvexen Tangentialfläche 58 liegt. Die konvexe Tangentialfläche 58 des Bohrkopfes bildet im Betrieb einen zur lnnenseite des Bohrloches B hin ansteigenden Ringbereich der Bohrlochsohle 20. Zweckmäßig hat die konvexe Tangentialfläche 58 die Form eines Kegelmantelabschnittes, da hierdurch zylindrische Rollenmeißel oder wegen der dann leichteren Unterbringung der Lagerböcke 48.10 bis 48.12 verwendet werden können. Als günstig hat es sich erwiesen, wenn der Kegeiwinkei β der konkaven Tangentialfläche 58 etwas kleiner als derjenige der konvexen Tangentialfläche 44 ist. So wird zweckmäßig dann, wenn der Kegelwinkel λ der konkaven Tangentialfläche 44 140° beträgt, der Kegelwinkel β der konvexen Tangentialfläche 58 zu annähernd 130° gewählt.

Der Lagerbock 48.1 des noch zu beschreibenden mittigen Rollenmeißels 24.1 sitzt unmittelbar auf der Platte 12, und zwar in einer Vertiefung 60. Die Lagerböcke 48.2 bis 48.12 aller übrigen Rollenmeißel 24.2 bis 24.12 sind je nach der erforderlichen Stellung bezüglich des Trägers 10 von Abstandhalten! 62.2 bis 62.12 unterschiedlicher Höhe getragen, die ihrerseits auf dem Träger 12 befestigt sind. Da, wie anhand des Rollenrr -rißels

so 243 in F i g. 1 erkennbar, die Achsen der Lagerzapfen 46 der Rollenmeißel 48.2 bis 48.9 eine genügende Schrägstellung gegenüber einem zur Befestigungsfläche des jeweiligen Lagerbocks parallelen Verlauf haben, um die erforderliche Schrägstellung der Rollenmeißel 24.2 bis 24.9 an der Tangentialfläche 44 zu erreichen, können vorteilhafterweise die Abstandhalter 62.2 bis 62.9, an denen die der konkaven Tangentialfläche 44 benachbarten Rollenmeißel 24JJ bis 24.9 gehalten sind, zueinander parallele Stirnseiten zur Anlage an der Platte 12 und zur

Anlage des Lagerbocks 48.2 bis 48.9 aufweisen. Als Beispiel sei auf die zueinander parallelen, genannten Stirnseiten 64, 66 des Abstandhalters 623 hingewiesen, der dem Rollenmeißel 243 zugeordnet ist.

Im Ringbereich Z liegen die Lagerböcke 48.10 bis 48.12 der Rollenmeißel 24.10 bis 24.12 radial außerhalb dieser Rollenmeißel, so daß auch bei deren Stellung eine Kraftkomponente auftritt die im Sinne einer Verschiebung der Rollenmeißel 24.10 bis 24.12 auf den zugeord-

neten Lagerbock 48.10 bis 48.12 hin wirkt. Damit die Lagerböcke 48.1C bis 48.12 mit ihren untersten Enden relativ weit nach außen in die Nähe des lnnenumfanges des Bohrloches B reichen können, andererseits aber doch noch einen gewissen Abstand vom Innenumfang des P».>5irloches B aufweisen, um eine Abnutzung am Innenucilfang des Bohrloches ßzu vermeiden und einen Flüssigkeitsdurchtritt zu belassen, wird für die Lagerböcke 48.10 bis 48.12 zweckmäßig ein Abstandhalter 62.10 bis 62.12 gewählt, der sich zwar senkrecht von der Platte 12 nach unten erstreckt, jedoch eine untere, gegenüber einem zur Platte 12 parallelen Verlauf schräg gestellte Stirnfläche 68 aufweist, an der der zugeordnete Lagerbock, im Beispiel der Lagerbock 48.11, aufsitzt. Die Schrägstellung ist dabei derart, daß das radial äußere Ende der Stirnfläche 68 höher liegt als das radial innere Ende.

Diejenigen Rollenmeißel 24.10 bis 24.12, die im äußeren Ringbereich Z an der Tangentialfläche 58 liegen, könnten einem relativ hohen Verschleiß verglichen mit den übrigen Rollenmeißeln 24.1 bis 24.9 ausgesetzt sein, da sie mit größerer Umfangsgeschwindigkeit des Trägers 10 abgerollt werden. Um einen weitgehend gleichmäßigen Verschleiß aller Rollenmeißel 24.1 bis 24.12 zu erzielen, ist es zweckmäßig, daß an der konvexen Tangentialfläche 58 mehrere Rollenmeißel liegen. Beim Ausführungsbeispiel sind dies die drei Rollenmeißel 24.10 bis 24.12. Weiter ist es zweckmäßig, wenn die untej liegenden Mantellinien 28 dieser Rollenmeißel 24.10 bis 24.12 wie beim Ausführungsbeispiel jeweils zumindest annähernd an einem vorgegebenen, dem Bohrlochdurchmesser gleichen Durchmesser enden. Hierdurch wird einer Verringerung des Bohrlochdurchmessers bei einer Abnutzung der Rollenmeißel 24.10 bis 24,12 vorgebeugt, so daß nach einer aufgrund der Abnutzung erfolgenden Erneuerung dieser Rollenmeißel 24.10 bis 24.12 keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen beim erneuten Absenken des Bohrkopfes auf die Bohrlochsohle 20 erforderlich sind.

Wie bereits oben erläutert, wird bei dem insoweit beschriebenen Bohrkopf der konvex-kegelige Ringbereich der Bohrlochsohle 20, der im Ringbereich Y der Tangentialfläche 44 von den Rollenmeißeln 24.2 bis 24.9 bearbeitet wird, so starken radialen Kräften unterworfen, daß selbst bei relativ harten Gesteinsformationen um die Achse 26 des Trägers 10 herum im Durchmesserbereich X ein Absprengen oder Abschlagen der Bohrlochsohle 20 stattfindet, so daß grundsätzlich in diesem Bereich X keine Bearbeitung der Bohrlochsohle 20 mit Meißelelementen des Bohrkopfes erforderlich ist. Um jedoch ein Stehenbleiben eines mittigen Kernes in jedem Falle auch bei sehr harten Formationen zu vermeiden, ist sicherheitshalber der mittige Rollenmeißel 24.1 vorgesehen. Dieser weist eine kegelförmige Spitze 70 mit nicht dargestellten Zähnen, einen darin anschließenden, ebenfalls mit Zähnen versehenen, kegeligen Bereich 72 von relativ geringer Höhe und von geringerem Kegelwinkel, sowie einen daran anschließenden weiteren Abschnitt 74 von noch geringerem Kegelwinkel auf. Die nur annähernd waagerechte, nämlich vom freien Ende 76 der Spitze 70 geringfügig schräg nach unten verlaufende, unten liegende Mantellinie 78 der Spitze hat annähernd eine dem Durchmesser des !nnenbereiches X und damit dem Innendurchmesser des Ringbereiches V gleiche Länge und schneidet die Achse 26 des Trägers 10 unterhalb desjenigen Schnittpunktes 80, an dem eine imaginäre, strichpunktiert angedeutete Fortsetzung der konkaven Tangentialfläche 44 diese Achse 26 schneidet. Der Spitzenwinkel der Spitze 70 beträgt etwas weniger als 90°.

Aufgrund der guten Bohrleistung des vorstehend beschriebenen Bohrkopfcs kann man von einer Maßnahmc absehen, die sonst bei Rollenmeißel-Bohrköpfen angewandet wird, die jedoch den Widerstand des Bohrkopfes gegen seine Drehung erhöht, nämlich eine Schrägstellung der Rollenmeißel derart, daß ihre Drehachsen die Achse 26 des Trägers nicht schneiden, sondem an letzterer vorbei verlaufen. Andererseits kann diese Maßnahme jedoch auch angewendet werden. Es wird dann eine gewisse schabende Wirkung der Meißel erreicht.

Radial inneres Ende und radial äußeres Ende eines gegebenen Rollenmeißels haben zwar gleiche Winkelgeschwindigkeiten bezüglich der Achse des Rollenmeißels, jedoch unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten bezüglich der Achse 26. Dies wird beim Ausführungsbeispiel noch durch die leicht kegelige Form der sich radial nach außen verjüngenden Rollenmeißel 24.2 bis 24.9 im Ringbereich Y verstärkt. So übt der innere, erste Mantclabschnitt 42 des Rollenmeißels 243 außer einer senkrecht nach unten gerichteten Kraft auf die Bohrlochsohle 20 auch eine in Drehrichtung wirkende Tangentialkraft aus, während der zweite, radial weiter außen liegende Mantelabschnitt 36 eine in der entgegengesetzten Umfangsrichtung wirkende Tangentialkraft ausübt. Beide Tangentialkräfte erhöhen die Wirkung im Sinne einer Erhöhung der Bohrleistung. Bei dem im Ringbereich Z an der konvexen Tangentialfläche 58 des Bohrkopfes liegenden Rollenmeißeln 24.10 bis 24.12 gelten gegenüber denjenigen der Tangentialfläche 44 entgegengesetzte Überlegungen; da der Durchmesser der Rollenmeißel 24.10 bis 24.12 bezüglich der Achse 26 radial nach außen zunimmt, kompensiert diese Durchmesservergrößerung annähernd die sonst auftretenden unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten um die Achse 26, so daß beispielsweise der Rollenmeißel 24.11 an seiner unten liegenden Mantellinie annähernd ohne Ausübung von Tangentialkräften auf der Bohrlochsohle 20 abrollen kann. Dies wirkt einer übermäßigen Abnutzung der Rollenmeißel 24.10 bis 24.12 entgegen, wie sie sonst aufgrund der höheren Umfangsgeschwindigkeit des Trägers 12 zu befürchten wäre.

Abwandlungen gegenüber dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind möglich. So ist es denkbar, die konvexe Tangentialfläche 44 des Bohrkopfes nicht wie beim Ausführungsbeispiel kegelig, sondern kuppelartig gerundet auszubilden, um die näher zur Mitte hin liegenden Rollenmeißel noch stärker zur Zerstörung des mittigen Vorsprunges der Bohrlochsohle 20 heranzuziehen und damit möglicherweise auch bei sehr harten Gesteinen den mittigen Rollenmeißel 24.1 völlig überflüssig zu machen. Weiter ist es denkbar, daß man die konkave Tangentialfläche sich zumindest annähernd bis zur Achse 26 des Trägers 10 erstrecken läßt, indem im Bereich A"des Ausführungsbeispieles weitere Rollenmeißel in entsprechender Weise wie die Rollenmeißel ω 24.2 bis 24.9 angeordnet werden.

Eine weitere mögliche Abwandlung gegenüber dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt auch darin, daß in bereits erwähnter Weise der Kreisringbereich Y, der von der konvexen Tangentialfläche 44 eingenommen wird, bis zum Innenumfang des Bohrloches B erstreckt wird. Diese Lösung ist besonders dann zweckmäßig, wenn bei großen Bohrlochdurchmessern von beispielsweise 1500 mm bis 2500 mm zur Unterbringung auch

ίο

gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 größerer, trotzdem jedoch noch gegenüber dem Bohrlochdurchmesser in ihrem Durchmesser kleiner Rollenmeißel zur Verfügung steht. Eine entsprechende Abwandlung ist in F i g. 3 dargestellt.

Wie dort gezeigt, können am Umfang des Bohrlochdurchmessers Rollenmeißel nach Art des Rollenmeißels 24.13 verwendet werden, deren Mantelfläche 82 mit einem relativ großen Kegelwinkel in der Größenordnung

liegt beispielsweise der mittlere Durchmesser D des Rollenmeißels 24.2 in einem radialen Abstand von annähernd 116 mm von der Achse 26, so daß der an dieser Stelle gemessene Kreisumfang des bearbeiteten Ringbcreichcs der Bohrlochsohle 20 annähernd 365 mm beträgt, wovon der Durchmesser annähernd 46% ausmacht.

Sind bei einem Bohrkopf abweichend vom Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und 2 Rollenmeißel unter-

von 80° kegelig ausgebildet ist und die einen gegenüber io schiedlichen Durchmessers oder mittleren Durchmes-

den Rollenmeißeln 24.2 bis 24.9 (F i g. 1 und 2) größeren Durchmesser haben, wobei die Lagerung mittels eines Lagerbocks 48.13 und die Befestigung über eine Zwischenlage 62.13 an der Platte 12 in im wesentlichen gleicher Weise wie die Lagerung beispielsweise des Rollenmeißels 24.11 in F i g. 1 und 2 erfolgen kann.

Im (ihrigen entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 demjenigen nach F i g. 1 und 2, soweit dessen konstruktive Ausbildung im Bereich X und im Ringbereich Y'beschrieben wurde.

Eine weitere merkliche Erhöhung der Bohrleistung ergibt sich bei allen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch, daß die Rollenmeißel 24.1 bis 24.12 bzw. alle Rollenmeißel einschließlich des Rollenmeißels

sers verwendet, so wird trotzdem zweckmäßig die Exzentrizität bei allen Rollenmeißeln dem Betrage nach gleich gewählt. Dies gilt beispielsweise für das Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 mit dem gegenüber den auch dort vorgesehenen Rollenmeißeln 24.2 bis 24.9 größeren Rollenmeißel 24.13.

Wie F i g. 5 zeigt, ist für den Rollenmeißel 24.13 derselbe Achsabstand e zwischen Mittelachse 86 und Di ehachse 24 gewählt, der auch bei dem Rollenmeißel 24.2 gemäß F i g. 4 vorgesehen ist. Damit wird einem stärkeren Verschleiß der größeren Rollenmeißel insbesondere dann vorgebeugt, wenn diese wie beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 bezüglich der Trägerachse 26 weiter außen liegen. Auch bezüglich des Rollenmeißels 24.13

24.13 zur periodischen Änderung des Abstandes ihrer 25 gilt im übrigen, daß dessen mittlerer Durchmesser kein unten liegenden Mantellinien 28 (vgl. Rollenmeißel 24.3 geradzahliger Bruchteil des dort gemessenen Kreisumin F i g. 2) von ihrer Drehachse ausgebildet sind. Dies ist
beispielhaft und schematisch in F i g. 4 angedeutet, wo

der Rollenmeißel 24.2 in einer zwischen seinen beiden

fangs des bearbeiteten Ringbereichs der Bohrlochsohle

20 sein soll.

Eine gegenüber F i g. 4 und 5 unterschiedliche, ebenaxialen Enden liegenden mittleren Querschnittsebene 30 falls mögliche Maßnahme zur Erzielung der periodigeschnitten dargestellt ist. Es ist dabei auch der Lager- sehen Änderung des Abstandes der unten liegenden zapfen 46 geschnitten erkennbar, der die Drehachse 84 Mantellinie 28 jedes Rollenmeißels von dessen Drehdes Rollenmeißels 24.2 bildet. Bezüglich dieser Dreh- achse besteht gemäß F i g. 6 darin, daß — wie an einem achse ist der Rollenmeißel 24.2 auf dem Lagerzapfen 46 Rollenmeißel 24.14 gezeigt — die Rollenmeißel eine exzentrisch gelagert; der Achsabstand e zwischen der 35 Grundform von elliptischem Querschnitt aufweisen und Mittelachse 86 des Rollenmeißels 24.2 und der Drehach- zentrisch gelagert sind. Bezeichnet man wie in F i g. 6 se 84 ist sehr klein gegenüber dem Durchmesser des die Länge der Hauptachse des elliptischen Querschnit-Bohrloches 8 und liegt bei einem Bohrlochdurchmesser tes mit 2a und die Länge der Nebenachse mit 2b, so kann von 1200 mm zweckmäßig bei 5 mm, so daß sich beim man als mittleren Durchmesser des Rollenmeißel 24.14 Abrollen des Rollenmei^ils 24.2 auf der Bohrlochsohle 40 das Mittel der Längen dieser beiden Achsen, also a + b, 20 eine Amplitudendifferenz von 10 mm zwischen der bezeichnen. Die Amplitudendifferenz der unten liegenhöchsten Stellung der unten liegenden Mantellinie 28 den Mantellinie beim Abrollen des Rollenmeißels 24.12 und deren tiefster Stellung ergibt. Bei gegenüber dem auf der Bohrlochsohle 20 (F i g. 1) beträgt dabei 2(a—b). genannten Bohrlochmesser größeren Durchmessern Diese Amplitudendifferenz sollte in gleicher Weise

und/oder bei gegenüber dem Kegelwinkel der Tangen- 45 gewählt werden, wie dies anhand von F i g. 4 erläutert tialfläche 44 größeren Kegelwinkeln sowie bei relativ wurde, also annähernd in der Größenordnung von

10 mm bis zu 30 mm in besonderen Fällen.

Abänderungen gegenüber den anhand von Fig.4 und 5 einerseits und F i g. 6 andererseits beschriebenen

weichem Gestein können auch noch größere Exzentrizitäten bis zu einem Achsabstand e von 15 mm in Frage kommen.

Zweckmäßig wird vermieden, daß aufgrund der pe- 50 Gestaltungen zur Erzielung einer periodischen Beweriodischen Auf- und Abbewegung der unten liegenden gung sind ebenfalls möglich. Insbesondere können die

Maßnahmen nach Fig.4 und 5 einerseits und nach Fig.5 andererseits kombiniert werden in der Weise, daß Rollenmeißel von elliptischem oder auch sonst von

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Mantellinie 26 die Bohrlochsohle 20 wellenförmig gestaltet wird. Dies wird bereits weitgehend dadurch vermieden, daß die von den Rollenmeißeln 24.2 bis 24.9
einerseits und den Rollenmeißeln 24.10 bis 24.12 ande- 55 einem kreisrunden Querschnitt abweichender Grundrerseits bearbeiteten, kegeligen Ringbereiche der Bohr- körpergestalt schwach exzentrisch gelagert werden.

lochsohle 20 einander weitgehend überlappen und daß

weiter der innere, erste Mantelabschnitt eines Rollenmeißels jeweils gegenüber dem zweiten, radial weiter außen Hegenden Mantelabschnitt eine in entgegenge- bo setzter Umfangsrichtung wirkende Tangentialkraft ausübt, wie dies oben beschrieben wurde. Zusätzlich ist es zu dem genannten Zweck günstig, wenn die Rollenmeißel 24.2 bis 24.12 an jeder radialen Stelle bezüglich der Drehachse 26 des Trägers 10 einen mittleren Durchmesser D ifufweisen. der kein geradzahliger Bruchteil des an dieser radialen Stelle gemessenen Kreisumfangs des bearbeiteten Ringbereiches der Bohrlochsohle 20 ist. So

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Bohrkopf zum Gesteinsbohren, der einen drehangetriebenen Träger mit einer Vielzahl an ihm drehbar gelagerter Rollenmeißel aufweist, deren der Bohrlochsohle zugewandte Mantellinien entlang kegeliger Ringbereiche verlaufen, wobei die in einem sich über mehr als 50% des Bohrkopfdurchmessers erstreckenden Bereich angeordneten, an einem von mindestens einem Lagerbock getragenen Lagerzapfen gehaltenen Rollenmeißel mit den jeweils der Bohrlochsohle zugewandten Mantellinien auf einer ihnen gemeinsamen, von außen nach innen rückspringenden Konusfläche liegen, die durchgehend einen Kegelwinkel von zumindest annähernd 140° aufweist, wobei die an der Konusfläche liegenden Rollenmeißel in regelmäßigen Umfangsabständen angeordnet skid, eine schwach kegelige Grundform aufweisen, jeweils von einem einzelnen, radial einwärts von ihnen angeordneten Lagerbock getragen und auf einem kegelstumpfförmigen Lagerzapfen gehalten sind, dessen der Bohrlochsohle zugewandte Mantellinie zum Lagerbock hin ansteigt, und wobei die Mündung eines im Träger angeordneten Spülrohres nahe dem Außenumfang der Konusfläche und zwischen den Rollenmeißeln liegt, nach Patent 3123021, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenmeißel (24.1 bis 24.14) zur periodischen Änderung des Abstandes ihrer unten liegenden Mantellinie (23) von ihrer Drehachse (84) ausgebildet sind.

2. Bohrkopf nach Anspruch >, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Abstandsänderung gering ist gegenüber dem Durchmesser des Bohrloches (B).

3. Bohrkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenmeißel (24.1 bis 24.13) eine Grundform von kreisförmigen Querschnitt aufweisen und gegenüber der Drehachse (84) exzentrisch gelagert sind.

4. Bohrkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenmeißel (24.14) eine Grundform von elliptischem Querschnitt aufweisen und zentrisch gelagert sind.

5. Bohrkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenmeißel (24.2 bis 24.14) an jeder radialen Stelle bezüglich der Drehachse (26) des Trägers (10) einen Durchmesser bzw. einen mittleren Durchmesser (D, D', a + b) aufweisen, der kein geradzahliger Bruchteil des an dieser radialen Stelle gemessenen Kreisumfangs des bearbeiteten Ringbereiches der Bohrlochsohle (20) ist.