DE3313396C2 - Bohrkopf zum Abbohren von Schächten aus dem vollen Querschnitt - Google Patents

Bohrkopf zum Abbohren von Schächten aus dem vollen Querschnitt

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Abstract

Das Erdbohrwerkzeug dient zum Bohren eines Schachtes in die Erde. Das Erdbohrwerkzeug hat einen zentralen Bohrwerkzeugkörper (11), der zum Bohren eines Schachtes antreibbar ist und eine äußere konische Fläche (19) hat. Ein äußerer Ringabschnitt (19), der auf dem zentralen Bohrwerkzeugkörper (11) sitzt, hat eine konische Fläche (51), die mit der konischen Fläche (19) des Bohrwerkzeugkörpers zusammenpaßt, wodurch auf den äußeren Ringabschnitt übertragenes Drehmoment über die aufeinanderliegenden konischen Flächen übertragen wird, um den Bohrwerkzeugkörper (11) anzutreiben und einen Schacht zu bohren. Die aufeinanderliegenden konischen Flächen (19, 51) sind vorgespannt, um Antriebskontakt zwischen ihnen zu gewährleisten. Der effektive Schneiddurchmesser des Erdbohrwerkzeuges kann verändert werden, indem der äußere Ringabschnitt (19) gegen einen Ringabschnitt anderen Durchmessers ausgetauscht wird.

Description

der Ansatzelemente zu einem umfangsmäßig vergrößerten Bohrkopf diesen so zu gestalten, daß er an verschiedene geforderte Schachtdurchmesser anpaßbar bzw. für das Bohren dieser Durchmesser auslegbar ist, und es ist auch bereits die Möglichkeit bekannt (DE-OS 27 09 030), bei einer Drehbohrkrone für Erd- und Gesteinsformationen den Bohrdurchmesser durch ausschwenkbare Meißelträger ?u variieren. Diese bekannten Konstruktionen sind jedoch einerseits nicht auf einen Flachbohrkopf der gattungsgemäßen Art ohne weiteres übertragbar und andererseits hinsichtlich der Anpassung an verschieden große Bohrlochdurchmesser ebenfalls kosten- und/oder arbeitsaufwendig.
Aufgabe der Erfindung 3t es, eine relativ einfache und robuste Konstruktion zu schaffen, die es ermöglicht, den gattungsgemäßen Bohrkopf auf Arbeit und Kosten sparende Weise für verschieden große Bohrlochdurchmesser auszulegen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst.
Der Bohrkopf nach der Erfindung besteht cus einem zentralen Bohrwerkzeugträger und aus einem auswechselbaren äußeren Ringabschnitt der als Bohrwerkzeugträger ausgebildet ist Der Durchmesser des Bohrkopfes nach der Erfindung kann durch Austauschen des Ringabschnittes gegen einen anderen Ringabschnitt vergrößert oder verkleinert werden, ohne daß der zentrale Bohrwerkzeugträger ausgetauscht zu werden braucht Durch Verwendung der aufeinanderliegender) konischen Umfangsflächen an dem zentralen Bohrwerkzeugträger und dem äußeren Ringabschnitt kann das Drehmoment vom Bohrgestänge über den äußeren Ringabschnitt auf den zentralen Bohrwerkzeugträger übertragen werden. Der Benutzer braucht deshalb lediglich einen zentralen Bohrwerkzeugträger zu kaufen, den er dann mit einer Reihe von äußeren Ringabschnitten benutzen kann, um Schächte unterschiedlichen Durchmessers zu bohren. Da der zentrale Bohrwerkzeugträger d^r teuerste Teil des Bohrkopfes ist, ergeben sich entsprechende Kosteneinsparungen. Da zur Anpassung des Bohrkopfes an einen anderen Schachtdurchmesser lediglich ein äußerer Ringabschnitt mit dem zentralen Bohrwerkzeugträger verbunden werden muß, ergibt sich eine entsprechende Arbeitsersparnis.
Vorteilhafte Ausgestaltungen def Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine Längsschnittansicht eines äußeren Ringabschnitts des Bohrkopfes nach der Erfindung,
F i g. 2 eine Längsschnittansicht eines zentralen Bohrwerkzeugträgers des Bohrkopfes nach der Erfindung, der in dem äußeren Ringabschnitt von F i g. 1 aufgenommen ist, wie es in F i g. 1 mit gestrichelten Linien angedeutet ist, und
F i g. 3 eine Längsschnittansicht eines äußeren Ringabschnitts ähnlich dem in Fig. 1, der aber einen größeren Durchmesser hat und in dem der zentrale Bohrwerk2eugträger nach F i g. 2 aufgenommen ist.
Die F i g. 1 und 2 zeigen einen Flachbohrkopf zum Bohren von Schächten aus dem vollen Querschnitt. Der Bohrkopf besteht aus einem in Fig.2 insgesamt mit 11 bezeichneten zentralen Bohrwerkzeugträger, der antreibbar ist, um einen Schacht zu bohren. Der zentrale Bohrwerkzeugträger 11 hat eine obere Ringfläche 13, eine untere Ringfläche 15 und dazwischen einen Zwischenteil 17. Der Zwischenteil 17 hat eine konische Umfangsfläche 19. Bohrmeißel 21, 23 sind an der unteren Ringfläche 15 in Haltern 25 angebracht.
Gemäß F i g. 2 ist der Zwischenteil 17 des Bohrwerkzeugträgers 11 innen hohl und hat abgesetzte zylindrische Kammern, nämlich eine obere Kammer 27 und eine untere Kammer 29, die über eine Öffnung 31 in der oberen Ringfläche 13 mit dem unteren Ende des Bohrgestängedorns (nicht dargestellt) in Verbindung stehen, wenn der Bohrwerkzeugträger mit diesem zusammengebaut ist. Eine zentrale Öffnung 33 in der unteren Ringfiäche 15 dient zum Hindurchieiten von Spülfluids, z. B. Luft/Flüssigkeil-Gemischen, die über die Öffnung 31 eintreten und über die Öffnung 33 und weitere öffnungen 35,37 austreten, um die Bohrmeißel 21,23 zu kühlen und Bohrgut zur Erdoberfläche abzuführen.
Gemäß F i g. 1 hat der Bohrkopf außerdem einen äußeren Ringabschnitt, der in F i g. 1 insgesamt mit 39 bezeichnet ist und eine Öffnung 41 zur Aufnahme des zentralen Bohrwerkzeugträgers 11 hat (der in F i g. 1 gestrichelt dargestellt ist). Der äußere Ringabschnitt 39 ist mit dem Bohrgestänge verbindbar, beispielsweise durch Verschrauben des Schwerstangendorns mit der oberen Ringfläche 43 des Ringabschnitts 39 unter Verwendung einer Reihe von umfangsmäßig angeordneten Gewindebohrungen 45 und von Muttern unterhalb derselben. Der nicht dargestellte Schwerstangendorn hat einen Längsteil mit einem oberen Ende, das zur Verbindung mit dem Bohrgestänge mit Gewinde versehen ist und mit einem unteren Ende, das einen kreisförmigen Flansch aufweist der eine Reihe von Umfangslöchern enthält, die den Gewindebohrungen 45 in der oberen Ringfläche 43 entsprechen und zur Aufnahme von Schrauben dienen. Auf diese Weise wird ein auf das Bohrgestänge übertragenes Drehmoment über den Schwerstangendorn auf den äußeren Ringabschnitt 39 übertragen.
Das Innere des äußeren Ringabschnitts 39 zwischen der unteren Ringfläche 47 und der oberen Ringfläehe 43 ist in eine obere, insgesamt zylindrische Kammer 49 und eine untere Kammer 51 unterteilt. Die Seitenwände der unteren Kammer 51 sind konisch und bilden eine konische Paßfiäche 53, die auf der koniscnen Umfangsfläche 19 des zentralen Bohrwerkzeugträgers 11 (Fig.2) zu liegen kommt die in Fig. 1 mit gestrichelten Linien 55 gezeigt ist.
Die obere Ringfläehe 43 des äußeren Ringabschnitts 39 hat eine zentrale Öffnung 57, die mit dem Inneren des Bohrgestänges in Verbindung kommt, wie oben beschrieben, und außerdem mit der oberen Kammer 27 in dem zentralen Bohrwerkzeugträger 11 in Verbindung steht, wenn der ßohrwerkzeugträger 11 in der Öffnung 41 aufgenommen ist. Dit zentrale öffnung 57 der oberen Ringfläche 43 hat einen kleineren Innendurchmesser als die den zentralen Bohrwerkzeugträger 11 aufnehmende öffnung 41 in der unteren Ringfläche 47 und einen kleineren Durchmesser als der Innendurchmesser der zylindrischen Seitenwände der oberen Kammer 49. Infolgedessen verbindet die obere Ringfläche 43 des Ringabschnitts 39 die zylindrischen Seitenwände der oberen Kammer 49 und bildet einen Umfangsf'ansch 59 über der Kammer 49.
Wenn gemäß Fig. 1 der zentrale Bohrwerkzeugträger 11 in der Öffnung 41 in dem äußeren Ringabschnitt 39 aufgenommen is', berührt die obere Ringfläche 13 des Bohrwerkzeugträgers 11 beinahe den Umfangsflansch 59, der zwischen der zentralen öffnung 57 und den zylindrischen Seitenwänden der oberen Kammer 49
gebildet ist. Eine Reihe von in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten Gewindebohrungen 61 ist in der oberen Ringfläche 13 vorgesehen. Die Gewindebohrungen 61 passen mit entsprechenden Schraubenaufnahmeöffnungen 63 in der oberen Ringfläche 43 des äußeren Ringabschnitts 39 zusammen. Die öffnungen 63 und die Gewindebohrungen 61 bilden gemeinsam Vorspannvorrichtungen, mittels welchen der äußere Ringabschnitt 39 mit dem zentralen Bohrwerkzeugträger 11 lösbar verbunden ist, wenn Schrauben in die Gewindebohrungen 61 eingeschraubt werden, um dadurch einen Antriebskontakt zwischen den aufeinanderliegender! konischen Umfangsflächen 53,19 zu gewährleisten.
Gemäß Fig. 1 hat der äußere Ringabschnitt 39 zwei Stabilisierungsrollen 65, 67, in die Lagern 69 bzw. 70 gelagert sind. Solche Stabiüsierungsrollen sind bekannt und laufen bekanntlich an der Schachtinnenwand, um den Bohrwerkzeugträger 11 während Bohrarbeiten zu zentrieren.
F i g. 3 zeigt einen Bohrkopf veränderbaren Durchmessers, der einen zentralen Bohrwerkzeugträger 11 mit einer oberen Ringfläche 13, einer unteren Ringfläche 15 und einem Zwischenteil 17 hat, die mit den in F i g. 2 gezeigten übereinstimmen. Der zentrale Bohrwerkzeugträger 11 hat außerdem eine Reihe von Bohrmeißeln 21,23, die antreibbar sind, um einen Schacht zu bohren. Der Bohrkopf nach F i g. 3 unterscheidet sich von dem Bohrkopf nach den F i g. 1 und 2 dadurch, daß der äußere Ringabschnitt 39' einen größeren Durchmesser hat und eine Reihe von Bohrmeißeln 73 aufweist, die an ihm mittels Haltern 74 angebracht sind. Der äußere Ringabschnitt 39' hat in seiner oberen Ringfläche 71 Gewindebohrungen 75 zum Verbinden des äußeren Ringabschnitts 39' mit einem Schwerstangendorn in einem Bohrgestänge, die mit den Gewindebohrungen 45 nach F i g. 1 übereinstimmen, wodurch ein auf das Bohrgestänge übertragenes Drehmoment auf den äußeren Ringabschnitt 39' übertragen wird. Die Gewindebohrungen 75 und/oder 45 könnten auch Löcher sein, wenn unterhalb derselben Muttern benutzt werden. Der außere Ringabschnitt 39' hat innen eine konische Umfangsfläche 77 und einen zylindrischen Zwischenteil 78. Gemäß F i g. 3 sind die Halter 74 an einer Reihe von abgestuften vorspringenden Rippen 76· befestigt, die mit der konischen Umfangsfläche 77 bzw. dem Zwischenteil 78 verschweißt sind. Die konische Umfangsfläche 77 des äußeren Ringabschnitts 39' ist der konischen Umfangsfläche 19 des zentralen Bohrwerkzeugträgers 11 angepaßt, wodurch ein auf den äußeren Ringabschnitt 39' übertragenes Drehmoment über die aufeinanderliegenden konischen Umfangsflächen 19, 77 übertragen wird, um den zentralen Bohrwerkzeugträger 11 anzutreiben und einen Schacht in die Erde zu bohren. In dem äußeren Ringabschnitt 39' sind Schraubenaufnahmeöffhungen 79 vorgesehen, die den Gewindebohrungen 61 in der oberen Ringfläche 13 des Bohrweirkzeugträgers 11 entsprechen. Wenn Schrauben 81 in die öffnungen 79 eingeführt und in die Bohrungen 61 eingeschraubt sind, bilden sie Vorspannvorrichtungen, mit denen der äußere Ringabschnitt 39* mit dem zentralen Bohrwerkzeug- ω körper 11 lösbar verbunden werden kann, um Antriebskontakt zwischen den aufeinanderliegender! konischen Umfangsflächen 19, 77 herzustellen. Der äußere Ringabschnitt 39 weist ebenfalls Stabilisierungsrollen 83,85 ähnlich den StabilisierungsroUen 65,67 nach F i g. 1 auf, es die an dem äußeren Ringabschnitt 39 durch Stege 87,89 abgestützt sind
Die Arbeitsweise des Bohrkopfes wird nun beschrieben. Der Bohrkopf kann gemäß der Darstellung in den F i g. I und 2 zusammengebaut werden, indem der äußere Ringabschnitt 39 über den zentralen Bohrwerkzeugträger U gesetzt wird, wobei die obere Ringfläche 13 des Bohrwerkzeugträgers 11 in der öffnung 41 in dem äußeren Ringabschnitt 39 aufgenommen wird. Der äußere Ringabschnitt 39 wird über dem zentralen Bohrwerkzeugträger 11 abgesenkt. Die zusammenpassenden konischen Umfangsflächen 19,53 werden in Berührung gebracht, woraufhin die obere Ringfläche 13 den Umfangsflansch 59 beinahe berührt. Die Gewindebohrungen 61 in der oberen Ringfläche 13 werden mit den Schraubenaufnahmeöffnungen 63 in dem äußeren Ringabschnitt 39 in Deckung gebracht, und Schrauben werden in die Öffnungen 63 eingeführt und angezogen. Wenn die Schrauben angezogen sind, sind die konischen Umfangsflächen 19, 53 gegeneinander verspannt, wodurch eine Reibberührung zwischen den beiden Flächen sichergestellt wird. Der Bohrkopf kann dann mit einem herkömmlichen Bohrgestänge verbunden werden, indem die obere Ringfläche 43 des äußeren Ringabschnitts 39 an den Umfangsflansch des Schwerstangendorns angeschraubt wird, der seinerseits mit dem Bohrgestänge verbunden wird. Das Drehmoment, das auf das Bohrgestänge übertragen wird, wird dann über den Schwerstangendorn und über die Schrauben in den Bohrungen 45 auf den äußeren Ringabschnitt 39 übertragen. Das Drehmoment, das auf den Ringabschnitt 39 übertragen wird, wird über die aufeinanderliegenden konischen Umfangsflächen 19, 53 auf den zentralen Bohrwerkzeugträger 11 übertragen, wodurch dieser angetrieben wird und die Bohrmeißel 21, 23, die an der unteren Ringfläche 15 angebracht sind, in Bewegung versetzt werden.
Gemäß Fig.3 kann der Bohrkopf leicht vergrößert oder verkleinert werden, um ihn an die vielfältigsten Bohrsituationen anzupassen, indem er mit äußeren Ringabschnitten, wie dem Ringabschnitt 39', lösbar verbunden wird oder nicht, um den effektiven Schneiddurchmesser des Bohrkopfes zu verändern. Der äußere Ringabschnitt 39' in F i g. 3 trägt die zusätzlichen Bohrmeißel 73, die mit den Bohrmeißeln 21, 23 an der unteren Ringfläche 15 des zentralen Bohrwerkzeugträgers 11 zusammen eine größere wirksame Schneidfläche zum Bohren eines Schachtes größeren Durchmessers schaffen. Weitere äußere Ringabschnitte, die den gleichen Aufbau wie der Ringabschnitt 39' haben, könnten mit größerem, kleinerem oder dazwischen liegendem Schneiddurchmesser vorgesehen werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Flachbohrkopf zum Bohren von Schächten aus dem vollen Querschnitt bestehend aus mindestens einem mit mehreren Bohrmeißeln bestückten Bohrwerkzeugträger, der zumindest mittelbar mit einem Bohrgestänge verbindbar ist, wobei der Bohrkopf durch Anbau von zusätzlichen. Bohrmeißel tragenden Zusatzelementen für das Abbohren verschieden großer Schachtquerschnitte auslegbar ist dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrwerkzeugträger (11) auf der den Bohrmeißeln (21, 23) abgewandten Seite eine sich konisch verengende Umfangsfläche (19) aufweist auf der ein äußerer, als Bohrwerkzeugträger ausbildbarer Ringabschnitt (39) mit einer der konischen Umfangsfläche (19) des zentralen Bohrwerkzeugträgers (11) angepaßten konischen Umfangsfläche (53, 77) drehfest verbindbar ist undxkß der äußere Ringabschnitt (39) mit dem Bohrgestänge verbindbar ist
2. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringabschnitt (39) mit dem zentralen Bohrwerkzeugträger (11) unter Vorspannung verbindbar ist
3. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß der zentrale Bohrwerkzeugträger (11) eine obere Ringfläche (13) sowie eine untere Ringfläche (15) aufweist, die über einen die konische Umfangsfläche (19) aufweisenden, hohlen Zwischenteil (17) verbunden sind, wobei die Bohrmeißelhalter an der unteren Fläche (15) angeordnet-sind, und deß der äußere Ringabschnitt (39) zur Aufnahme des zentralen Bohrwerkzeugträgers (11) eine untere öffnung (41 ) aufweist und die Umfangsfläche seines Hohlraumes (53,77) der Konizität des zentralen Bohrwerkzeugträgers (11) angepaßt ist
4. Bohrkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der äußere Ringabschnitt (39,39') eine mit dem Bohrgestänge verbindbare obere Ringfläche (43, 71) sowie eine untere, mit der Öffnung (41) zur Aufnahme des zentralen Bohrwerkzeugträgers (11) versehene Ringfläche (47) aufweist, wobei der zwischen den Ringflächen (43/71 und 47) liegende Innenraum des äußeren Ringabschnittes (39) in eine obere (49) und eine untere Kammer (51) unterteilt ist, deren Konizität derjenigen des zentralen Bohrwerkzeugträgers (11) angepaßt ist.
5. Bohrkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Ringfläche (43) des äußeren Ringabschnittes (39) eine mit dem Inneren des Bohrgestänges verbindbare öffnung (57) aufweist, deren Durchmesser kleiner ist als der der unteren öffnung (41) und der der zylindrischen oberen Kammer (49), deren Seitenwände durch die obere Ringfläche (43) unter Bildung eines äußeren Umfangsflansches (59) verbunden sind.
6. Bohrkopf nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Ringfläche (13) des zentralen Bohrwerkzeugträgers (11) nach Aufnahme des letzteren in den äußeren Ringabschnitt (39) dessen Umfangsflansch (59) berührt und beide mittels an ihnen vorgesehenen, miteinander korrespondierenden Vorspannvorrichtungen (61, 63, 79, 81) unter Verspannung der konischen Wandungen (19,77) gegeneinander miteinander verbindbar sind.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Bohrkopf der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Gegenwärtig werden Bohrköpfe im Bergbau und in der Bauindustrie benutzt die im Gesamtdurchmesser von etwa 61 bis 610 cm oder mehr variieren. Üblicherweise wird ein Bohrgestänge über einen Schwerstangendorn mit dem Bohrwerkzeugträger eines Bohrkopfes verbunden. In manchen Fällen ist das zum Bohrgestange entgegengesetzte Dornende mit einem kreisförmigen Flansch versehen, der mit der oberen Fläche des Bohrwerkzeugträgers zusammenpaßt Der Bohrwerkzeugträger ist mit mehreren Bohrmeißeln in Form von Rollenmeißeln versehen, die mittels dauerhafter Halter
rs an der unteren Fläche des Bohrwerkzeugträgers befestigt sind. Oft wird eine Reihe von Gewichten über dem Dornflansch gestapelt um die nach unten weisenden Rollenmeißel zu belasten, die an dem Bohrwerkzeugträger angebracht sind, und es sind eine oder mehrere Stabilisierungsvorrichtungen häufig oberhalb des Bohrwerkzeugträgers um den Dorn und/oder um den Bohrwerkzeugträger selbst vorgesehen.
Das Antriebsdrehmoment für die Bohrmeißel wird dabei über das Bohrgestänge, den Schwerstangendom und dessen Flansch übertragen, der üblicherweise mit der oberen Fläche des Bohrwerkzeugträgers verschraubt ist um dea Bohrwerkzeugtriiger und damit die Rollenmeißel in Drehung zu versetzen.
Solche Bohrköpfe können zwar zum Bohren von Schächten großen Durchmessers, der mehrere Meter betragen kann, benutzt werden, die bekannten Bohrköpfe großen Durchmessers sind jedoch extrem teuer. Weil die Bohrmeißel bei den bekannten Bohrköpfen mittels dauerhafter Halter an dem Bohrwerkzeugträger befestigt sind, ist es notwendig, einen gesonderten Bohrkopf für jeden Durchmessereines zu bohrenden Loches oder Schachtes bereitzustellen.
Bei einem bekannten gattungsgemäßeri Bohrkopf (DE-AS 10 66 161) ist der Bohrwerkzeugträger mit dem Bohrgestänge verschraubt und durch Anschrauben von zusätzlichen, Bohrmeißel tragenden Zusatzelementen in Form von ringförmigen Platten für das Abbohren verschieden großer Schachtquerschnitte auslegbar. Der Bohrwerkzeugträger besteht aus einem Rohrstutzen mit einer Anzahl von sich nach unten und außen erstrekkenden Zweigleitungen, an welchen mittels Verbindungsstücken Rohrleitungen angeschlossen sind, die sich durch die ringförmigen Platten des Bohrkopfes hindurch erstrecken. Mittels durch das Bohrgestänge und die Leitungen hindurchgepumpter Spülflüssigkeit kann das Bohrklein vom Bohrlochboden um das Bohrgestänge herum an die Oberfläche gespült werden. Nachteilig ist, daß bei Entfernung einer der ringförmigen Platten ein anderer Rohrstutzen verwendet werden muß, bei dem die Anzahl der Leitungen und deren Anordnung dem verringerten Durchmesser des Bohrkopfes angepaßt sind. Das gleiche gilt, wenn eine weitere ringförmige Platte mit ihren zugehörigen Bohrmeißeln entfernt werden soll. Deswegen und wegen der Vielzahl von Schraubverbindungen, die beim Hinzufügen oder Entfernen einer ringförmigen Platte hergestellt bzw. gelöst werden müssen, ist diese bekannte Bohrkopfkonstruktion kosten- und arbeitsaufwendig.
Bei sogenannten Erweiterungsbohrköpfen (GB-PS 14 81 546) und bei sogenannten Stufenbohrköpfen (DE-AS 1119 !94 und 12 16 822 sowie »Glückauf« 1982/Nr. 8, S. 386) besteht zwar bereits die Möglichkeit, durch das Hinzufügen mehrerer, Bohrmeißel aufweisen-
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