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Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Senkrechtbohren
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mit drehendem Bohrgestänge und hydraulischer oder pneumatischer Hebung
des Bohrkleins gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Die Erfindung bezieht sich mit auf Bohranlagen, mit denen Bohrungen
von verhältnismäßig großem Durchmesser, wie z.B.
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beim Niederbringen von Brunnen zur Entwässerung von Deckgebirge als
Vorbereitung auf den Tagebau, aber auch Bohrungen unter Tage für verschiedene Zwecke
hergestellt werden können. solche Bohranlagen unterscheiden sich damit von Rotarybohranlagen,
wie sie hauptsächlich für die Exploration und die Produktion von Erdöl und Erdgas
benutzt werden.
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Sie unterscheiden sich ferner von Geräten zum Schachtbohren, die für
die Herstellung von Tiefbohrschächten nach dem Honigmann-Verfahren benutzt werden
durch ihren wesentlich geringeren Bohrlochdurchmesser, der ein drehendes Bohrgestänge
zum Antrieb des Bohrkopfes ermöglicht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Bohrgerät weist der Bohrkopf bevorzugt eine
Mehrzahl von Schneidrollen als Werkzeuge auf, welche infolge ihrer Anordnung auf
dem Bohrkopf konzentrische Bahnen zur Bohrlochachse beschreiben. Das hierbei von
der Bohrlochsohle hereingewonnene Bohrklein gerät bei der Drehung des Bohrwerkzeuges
in den Bereich der Saugrohrmündung, um die sich bei pneumatischer Hebung des Bohrkleins
ein birnenförmiger Saugkörper ausbildet, in dem sich von innen nach außen der Unterdruck
abbaut, während bei hydraulischer Hebung des Bohrkleins eine zur Saugrohrmündung
gerichtete
Strömung auftritt. Das hiervon erfaßte Bohrklein wird durch das Saugrohr und durch
das anschließende Bohrgestänge nach oben gehoben. Die Bohrleistung eines solchen
Bohrgerätes hängt u.a. davon ab, daß gelöstes Bohrklein frühzeitig von der Bohrlochsohle
abgehoben und abgefördert wird, um eine energieverzehrende Zerkleinerung des Bohrk-Ieins
auf der Bohrlochsohle mit den Werkzeugen zu verhindern.
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Ein weiteres Problem stellt bei solchem Bohrgerät das Durchteufen
von Gebirgsschichten dar,welche innerhalb der Bohrscheibe unterschiedliche Härten
ausbilden.
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Das ist z.B. im Deckgebirge von Braunkohlenflözen häufiger der Fall,
wenn Aort Kiese oder auch gröbere Einsprengungen in den durchteuften Schichten angetroffen
werden. In dieses Fällen entsteht für den Bohrkopf eine Tendenz, in die weichere
Schicht auszuweichen, wodurch die Bohrung verläuft, d.h. aus der Senkrechten abweicht.
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Die Erfindung geht aus von einem Gerät der als bekannt vorausgesetzten
Art. Hierbei sind die Außenwerkzeuge auf den Flanken eines Außenringes angeordnet,
welcher einen Ausschnitt aus einer Kegelfläche bildet, die in Richtung auf die Bohrachse
nach vorn konvergiert.
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Der Ring endet an einer Scheibe, welche die Innenwerkzeuge aufnimmt.
Die Mündung des Saugrohres ist zwischen den Tnnen- und den Außenwerkzeugen angeordnet.
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Es hat sich herausgestellt, daß unter schwierigen Verhältnissen die
erzielbare Absaugleistung nicht ausreicht, um das hereingewonnene Bohrklein rechtzeitig
von der Bohrlochsohle zu entfernen und daß die Bohrung häufig von dem vorgegebenen
lotrechten Verlauf abweicht, wenn in der Bohrscheibe unterschiedliche Härten
angetroffen
werden.
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Solche Schwierigkeiten ergeben sich auch bei einem weiteren, zum Stand
der Technik gehörigen Gerät der beschriebenen Art, bei dem mehrere Außenwerkzeuge
an der Stirnseite des Bohrkopfes derart angebracht sind, daß die Bohrlochsohle kegelförmig
ausfällt, wobei die als Schneidrollen ausgebildeten Außenwerkzeuge mit einem an
der Stirnseite des Bohrkopf es angeordneten Freischnittwerkzeug zusammenwirken müssen,
um die Kollision mit den Bohrlochstößen zu verhindern.
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Die Mündung des Saugrohres liegt etwa in der Mitte der Kegelmantelfläche.
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Bei stark vergrößerten Enddurchmessen der niederzubringenden Bohrung
kann es erforderlich werden, den Vortrieb zu unterteilen und eine Vorbohrung in
der Bohrmitte vorzutreiben und durch eine Erweiterungsbohrung auf den Enddurchmesser
zu bringen. Für diese Fällen ist es bekannt, die Werkzeuge des mit einer in der
Bohrachse verlaufenden Vorbohrlochführung versehenen Bohrkopfes so anzuordnen, daß
die Bohrlochsohle von den Bohrloch'stößen schräg nach unten auf das Vorbohrloch
konvergiert. In diesem Fall läßt sich das Bohrklein der Erweiterungsbohrung nicht
kontinuierlich absaugen, sondern fällt in das Vorbohrloch. Dort wird es durch das
Saugrohr abgefördert, sobald die auf die Vorbohrung gerichtete Mündung des Saugrohres
das Haufwerk im Vorbohrloch erreicht. Diese Ausbildung des Gerätes setzt ein kompliziertes
Bohrverfahren voraus, für das eine genaue Abstimmung der Erweiterungsbohrung auf
die Füllung des Vorbohrloches Voraussetzung ist. Das erzwingt
einen
außerordentlich komplizierten und entsprechend störanfälligen Bohrablauf.
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Den als bekannt vorausgesetzten Bohreinrichtungen ist gemeinsam, daß
der Saug- bzw. Strömungskörper, der zur Ab förderung des Bohrkleines dient, von
der flachen Bohrlochsohle ausgeht bzw. begrenzt wird.
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Entsprechend dem sich nach außen abbauenden Druck nimmt deswegen auch
die zur Förderung des Bohrkleines zur Verfügung stehende Energie ab, so daß das
Bohrklein auseinandergezogen wird. Das Ergebnis ist eine verhältnismäßig schlechte
Abförderleistung, die sich in der Regel in einer Verminderung des Bohrfortschrittes
wiederspiegelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem eingangs als bekannt
vorausgesetzten Gerät eine wirksamere Hebung des Bohrkleines und eine bessere Zentrierung
der Bohrung zu erreichen und darüberhinaus die Voraussetzungen für einen kontinuierlichen
und vereinfachten Betrieb von Erweiterungsbohrungen mit Vorbohrlochzentrierung zu
schaffen.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
wiedergegeben.
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Gemäß der Erfindung wird bei einem Ansaugrohr die Bohrlochsohle mit
einem ringförmigen Kanal vertieft, dessen Wände mit den auf den Keilflanken angeordneten
Werkzeugen vorgetrieben werden. In diesem Kanal bildet sich der Saugraum bzw. die
Strömung aus, weil die Keilflanken die radiale Ausbreitung der Strömung
bzw.
des Saugraumes behindern und sich deshalb das Bohrklein hauptsächlich in Richtung
der Kanalsohle bewegt. Dabei wird das Bohrklein von den hinreichend steil ausgebildeten
Flanken des Kanals in die Kanalsohle geleitet, auf die die Mündung des Ansaugrohres
gerichtet ist. Dadurch wird das Bohrklein verdichtet und deswegen in größerer Menge
abgehoben. Da die Bohrwerkzeuge bevorzugt die Kanalwände bearbeiten und diese eine
entgegengesetzte Neigung aufweisen, heben sich die Seitenkräfte des Bohrwerkzeuges
gegenseitig weitgehend auf, so daß die Bohrung auch bei unterschiedlichen
Härten
der Bohrlochsohle bevorzugt der senkrechten Richtung der Bohrachse folgt.
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Die Erfindung hat deshalb den Vorteil, daß infolge Leistungssteigerung
bei der Hebung des Bohrkleines ein günstigerer Bohrverlauf, d.h. bevorzugt eine
Steigerung der Bohrleistung eintritt und daß außerdem die Selbstzentrierwirkung
des Bohrkopfes erheblich gesteigert wird, so daß der Bohrkopf trotz des erhöhten
Bohrfortschrittes eine geringere Tendenz zur Abweichung von der Lotrechten entwickelt.
Insbesondere bei stark unterschiedlichen Härten in dem mit der Bohrung durchteuften
Bohrquerschnitt kann dadurch die bisher auftretende Abweichungstendenz der Bohrung
aufgehoben oder abgemildert werden.
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Wenn die Erfindung auf Bohrköpfe angewandt wird, mit denen Erweiterungsbohrungen
unter Zentrierung in einem Vorbohrloch aufgefahren werden, kann das Bohrklein der
Erweiterungsbohrung unter Umgehung des Vorbohrloches direkt abgefördert und ein
günstigerer Bohrverlauf erreicht werden.
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Gemäß dem Anspruch 2 können die Wirkungen der Erfindung verstärkt
bzw. bei größeren Bohrlochdurchmessern in ausreichendem Maße gewährleistet werden,
weil sie sich auf mehrere Keilkränze verteilen.
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Gemäß dem Anspruch 3 kann man das erfindungsgemäße Gerät für das Erweitern
von Vorbohrungen einsetzen.
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Die Erfindung hat außerdem den Vorteil, daß die Außenbohrwerkzeuge
sich selbst freischneiden. Daher
entfallen an der Stirnseite des
Bohrwerkzeuges besondere Freischnittwerkzeuge. Nach dem Anspruch 4 wird aber das
erfindungsgemäße Gerät beim Ziehen des Bohrkopfes durch Freischnittwerkzeuge gegen
Blockierungen im Bohrloch gesichert.
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Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung wird die durch die Formgebung
des Bohrkopfes und die dieser entsprechende Ausbildung der Bohrsohle geschaffene
Begrenzung des Saugraumes bzw. der Strömung in das Saugrohr mit zusätzlichen Mitteln
unterstützt. Dazu dienen die Merkmale der Unteransprüche 5 bis 7. Bedenkt man, daß
die sich vor der Mündung des Saugrohres ausbildende Strömung mit dem Bohrkopf entsprechend
der Gestängedrehung rotiert, so ergibt sich, daß mit Hilfe der Leisten bzw. Dichtungen
zwar der Saugraum weiter beschränkt wird, daß aber das gelöste Bohrklein im Zuge
der Drehung ohnehin in diesen Raum gelangt, wo es weitaus stärker verdichtet abgehoben
wird.
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Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der
Figuren in der Zeichnung; es zeigen Fig. 1 in abgebrochener Darstellung ein Gerät
gemäß der Erfindung mit einer ersten Ausführungsform des Bohrkopfes, Fig. 2 eine
vergrößerte Darstellung des Bohrgerätes nach Fig. l im unmittelbaren Bereich der
Bohrlochsohle,
Fig. 3 eine Stirnansicht des Bohrkopfes nach den
Fig. 1 und 2, -Fig. 4 in der Fig. 2 entsprechender Darstellung, jedoch unter Fortlassung
des Bohrgestänges einen Bohrkopf gemäß der Erfindung für eine Erweiterungsbohrung,
die in ein Vorbohrloch zentriert ist, Fig. 5 eine der Fig. 3 entsprechende Stirnansicht
des Gegenstandes der Fig. 4, Fig. 6 in der Fig. 4 entsprechender Darstellung einen
-Bohrkopf für Erweiterungsbohrungen mit vergrößertem Bohrquerschnitt und Fig. 7
eine den Figuren 3 und 5 entsprechende Stirnansicht des Gegenstandes der Fig. 6.
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Dasin Fig. 1 lediglich mit seinen im Bohrloch 1 untergebrachten Teilen
wiedergegebene Gerät dient zum Senkrechtbohren mit einem drehenden und abgebrochen
dargestellten Bohrgestänge 2 und einer hydraulischen bzw. pneumatischen Abführung
des Bohrkleins durch das hohle Bohrgestänge bei 3. Zu diesem Zweck führt ein Saugrohr
4 von der mit dem Hohlraum des Bohrgestänges 1 ausgefluchteten Aussparung 5 in der
Flanschplatte 6 eines Bohrkopfes 7 zu der allgemein mit 8 bezeichneten Bohrlochsohle.
Das Bohrgestänge 3 endet an einer Führung 9, die sich mit mehreren Kufen 10, 11
an den Stößen 12 der Bohrung 1 abstützt und einer weiteren Führung 13 entspricht,
die ebenso wie die Führung 9 bei rotierendem Gestänge stillsteht. Zwischen den beiden
Führungen
9 und 10 sitzt eine Schwerstange 14, welche den notwendigen Andruck des Bohrkopfes
7 auf der Bohrlochsohle 8 herbeiführt. Die Flanschplatte 6 ist mit einem Befestigungsring
15 verschraubt, der auf dem Ende des dem Bohrkopf 7 nächsten Bohrrohres 16 verschraubt
ist.
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Auf der Flanschplatte 6 ist ein kegelförmiger Mantel 15befestigt,
der auf der Rückseite einer Stirnplatte 17 endet. Diese dient zur Befestigung eines
Keilkranzes 18 mit einer Außenflanke 19 und einer Innenflanke 20, die nach vorn,
d.h. in Richtung auf die Bohrlochsohle konvergieren. Die Scheitel 21 der Flanken
l9 und 20 durchdringt das mit seiner Achse 23 parallel zur Bohrachse 24 verlaufende
Ende 25 des Saugrohres 4.
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Auf der Außenseite 26 der Außenflanke 19 des Keilkranzes 18 sind insgesamt
sechs-Schneidrollen angeordnet, von denen die vier äußeren Schneidrollen mit 28
bis 31 bezeichnet sind. Vier innere Schneidrollen32, 33, 37, 38 bearbeiten die Außenflanke
34 eines Ringkanals 35, dessen flache Sohle 36 von zwei Mittelrollen 42 ,43 hergestellt
wird. Die Innenflanke 39 des Kanals 35 wird von Schneidrollen 40, 41 bzw. 44,45,
46 bearbeitet, die ausgehend vom Scheitel 21 des Keilkranzes auf der Innenflanke
20 angeordnet sind. Die Wirkungdieser Schneidrollen wird ergänzt durch insgesamt
drei innere Schneidrollen 44 bis 46, wodurch im Ergebnis eine im Querschnitt etwa
W-förmige Bohrlochsohle aufgefahren wird. Die Mündung 47 des Rohrendes 25 weist
auf die flache Kanalsohle 36, in der das von den konvergierenden Kanalwänden 34
und 39
verdichtete Bohrklein abgesaugt bzw. hydraulisch abgefördert
wird.
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Auf der Rückseite 161 der Platte 17 des Bohrkopfes befinden sich Schneidrollen
49, 50, welche den zylindrischen Bohrlochstoß 51 bearbeiten und als Freischnittwerkzeuge
für die Außenwerkzeuge 28 bis 31 des Bohrkopfes dienen. Sie sind hinter dem Keilkranz
18 angeordnet.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 weist die Stirnplatte
17 des Bohrkopfes eine allgemein mit 53 bezeichnete Führung in einem Vorbohrloch
54 auf, dessen Stoß bei 55 abgebrochen dargestellt ist, so daß die Sohle des Vorbohrloches
54 nicht erscheint. Die Führung 53 besteht aus einem Rohr 56, das eine Aussparung
57 in der Stirnplatte 17 durchdringt und konzentrisch um das Saugrohr 571 angeordnet
ist, von dem ein Saugrohr 58 abzweigt, dessen Mündung 59 dem koaxial zur Bohrachse
24 angeordneten Ende 25 entspricht. Die Kanalsohle 36, welche von den drei Bohrrollen
60 bis 62 bearbeitet wird, verläuft dementsprechend konzentrisch zur Vorbohrung
54, während die Kanalinnenwand 39 den Stoß 55 der Vorbohrung 54 schneidet. Die Kanalaußenwand
34 endet am zylindrischen Stoß 63 der Erweiterungsbohrung 64. Freischnittwerkzeuge
49, 50 entsprechen denen der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 und sitzen dementsprechend
auf der Rückseite oder Stirnplatte 17.
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Wegen der vergleichsweise geringeren Abmessungen des Ringkanals 35
in der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 genügen für die Bearbeitung der Außenwand
34
insgesamt vier Schneidrollen 28 bis 31 im Zusammenwirken mit
den Rollen 65, 66 und66',während die Kanalinnenwand 39 von den restlichen Rollen
67 bis 70 bearbeitet wird.
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Auf der Außenseite der Keilkranzflanken 19, 20 sind radiale Rippen
71, 72 angeordnet, welche bis zur Aussparung 57 in der Stirnplatte 17 reichen und
den Raum 73 begrenzen, in dem sich die in die Öffnung 47 gerichtete Strömung ausbildet,
welche das-gelöste Bohrklein von der Kanalsohle 36 abhebt und durch das Bohrgestänge
fördert. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 liegen innerhalb dieses
Raumes die Rollen 29, 60, 65 und 69, und die Mündung S9 liegt in der Mitte zwischen
den Rippen 7kl72 die den Raum 73 begrenzen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist der Keilkranz 18 der innere
von zwei konzentrisch angeordneten Keilkränzen, von denen der äußere allgemein mit
75 bezeichnet ist. Der Keilkranz 75 hat zwar einen größeren Durchmesser als der
konzentrisch innere Keilkranz 18, jedoch die gleiche Neigung und die gleiche Länge
seiner Keilflanken 76 bzw. 77.
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Er führt zur Ausarbeitungeines Ringkanals 78 mit einer Außenwand 79,
die an dem zylindrischen Stoß 63 der Bohrung 64 ansetzt, einer flachen Kanalsohle
zu 6 und einer Innenwand 80, die bei 81 mit der Außenwand 34 des inneren Kanals
der flachen Kanalsohle 36 und der Innenwand 39.zusammentrifft. Die Bohrlochsohle
hat daher zwischen den beiden Kanälen eine ringförmige und im Querschnitt kegelförmige
Erhebung, die als Scheitel für das Bohrklein wirkt,
das in die
konzentrischen Kanäle gelangt und dort abgehoben wird. Dazu dient außer dem Rohr
58 mit seiner'auf die Kanalsohle 36 des konzentrisch inneren -Kanals gerichteten
Öffnung 59 ein weiteres Saugrohr 82 mit einem Saugrohrende 83, dessen Achse 84 parallel
zur Bohrachse 24 verläuft und dessen Mündung 85 auf die flache Kanalsohle 36 des
Außenkanals 78 gerichtet ist.
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Für diesen Außenkanal ist ein Saugraum 86 vorgesehen, der von radialen
Rippen 87, 88 und einer ringsegmentartigen Verbindungsrippe 89 zwischen den Rippen
87 und 88 nach innen begrenzt ist. Die Rippen dienen zum Anbringen einer elastischen
Dichtung 90, welche den Saugraum 86 abgrenzt und auf den Flanken 79,80 sowie auf
der flachen Kanal sohle 36 des Kanals 78 abdichtet.
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Auch der Saugraum 100 für den Innenkanal ist mit radialen Rippen 92,
93, sowie einer radial äußeren Ringsegmentverbindungsrippe 94 nach außen abgeschlossen,
und diese Rippen tragen ebenfalls eine elastische Dichtung 95. Die beiden Saugräume
sind gegeneinander um einen Bogenwinkel versetzt angeordnet, um das gesamte Bohrklein
abführen zu können.
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Um den zur Verfügung stehenden Unterdruck bei pneumatischer Abförderung
des Bohrkleines bzw. die hydraulische Strömung in den Rohren 58 und 82 entsprechend
dem Förderbedarf einzustellen, ist das Innenrohr 571 der Vorbohrlochführung mit
einer axialen Trennwand 96 abgeteilt, welche an einer Verschlußscheibe 97 endet
und Teilräume 98, 99 für die Saugrohre 58 und 82 abteilt.
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Im Betrieb der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3
wird
der Ringkanal 35 von den l)eschriebenen Schneidrollen bearbeitet, wobei das gelöste
Bohrklein in Richtung auf die flache Bohrlochsohle 36 rutscht und dort von der Saugrohrmündung
47 aufg ikommen wird.
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Eine entsprechende Wirkung, welche durch die elastische Dichtung 90
bzw. 95 bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 noch verstärkt wird, weicht
die Dichtung dem auch den Flanken der Kanäle 78 bzw. 35 und den Kanalsohlen 36 liegenden
Bohrklein aus, so daß die Saugräume 86 und 100 das Bohrklein überfahren können und
dessen Hebung gewährleistet ist.