DE3610015C2

DE3610015C2 -

Info

Publication number: DE3610015C2
Application number: DE19863610015
Authority: DE
Inventors: Heinz-Werner Dipl.-Ing. 4300 Essen De Kleinert; Klaus Dipl.-Ing. 4150 Krefeld De Ketterer
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: RAG AG
Priority date: 1986-03-25
Filing date: 1986-03-25
Publication date: 1988-08-11
Also published as: DE3610015A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Bohreinrichtung zum Herstellen von Bohrlöchern beliebigen Durchmessers mit einer auf oder in dem Bohrkopf angeordneten Hochdruckwasserdüse.

Das Herstellen von Hohlräumen im Gestein, wie z. B. das Abbohren von Bohrlöchern oder das Auffahren einer Strecke bzw. eines Tunnels, erfordert die Einleitung mechanisch zugeführter Energie zur Zerkleinerung des Gesteins mittels eines Bohrkopfes sowie weiterhin die Energie zum Abtransport des zerkleinerten Materials. Das Einleiten der Energie erfolgt unter Aufbringung großer Kräfte schlagend, reißend oder schneidend mit Hilfe von hartmetallbewehrten Bohrköpfen oder Meißeln. Die Bohrkronen werden zumeist über ein Gestänge mit hohem Andruck drehend, drehschlagend oder schlagend in das zu bearbeitende Mineral eingefüht, wobei das durch die Bohrtätigkeit entstehende Bohrklein über Luft- oder Wasserspülung oder aber auch durch Bohrgestänge mit aufgeformten Spiralen aus dem Bohrloch abtransportiert wird.

Es ist ebenfalls bekannt, größere Bohrlochdurchmesser mit dem Bohrlochdurchmesser angepaßten Bohrköpfen, die mit schneidenden oder zerdrückenden Werkzeugen, wie Diskenschei ben oder -rollen, versehen sind, herzustellen.

Bei allen bekannten Verfahren zur Herstellung von Bohr löchern geschieht die Überleitung der Energie auf das bzw. in das Mineral durch direkten Materialkontakt über die Bohr- oder Schneidwerkzeuge. Die wesentlichen Nachteile der zur Zeit bekannten Bohrverfahren sind in dem Auftreten von hohen Temperaturen, da die Umwandlung der mechanischen Energie in Wärmeenergie nicht mit einer ausreichend schnellen Ableitung der Wärmeenergie gekoppelt werden kann, sowie in einem hohen Materialverschleiß über Reibung der Werkzeuge am Mineral und durch die Weiterleitung von in das Schneidmaterial reflektierten Hochenergieschwingungen zu sehen. Darüber hinaus ist eine erhebliche Lärm- und Staubentwicklung beim Bohrvorgang in Kauf zu nehmen.

Andererseits ist es bekannt, zur Kühlung sowie zur Verringe rung der Reibung, zur Staubbekämpfung und zum Abtransport von zerkleinertem Material sowie ebenfalls zum Schneiden des Minerals Flüssigkeiten, vorzugsweise Wasser, zu verwenden. Zum Zweck der Kühlung und zur Verringerung zur Reibung wird die Flüssigkeit unmittelbar an die Lösewerkzeuge gespritzt. So wird z. B. beim Bohren von Gestein Wasser durch eine zentrale Wasserzuführung im Bohrgestänge oder beim Schneiden von Gestein mit meißelbestückten Maschinen durch in den Schneid köpfen verlegte Wasserkanäle bis unmittelbar an die Schneid meißel geführt.

Darüber hinaus ist es auch bekannt, Flüssigkeit - vorzugs weise Wasser - als Schneidmittel für Gestein zu verwenden.

So werden u. a. die Schneidköpfe, wie in der Zeitschrift "Bergbau 82", Seite 466, Fig. 12 beschrieben, mit Hochdruck wasser versorgt und die Schneidarbeit im Mineral, vornehm lich im Gestein, wird durch Düsen mit einem Druck bis zu 4000 bar vorgenommen.

In dem Aufsatz der genannten Zeitschrift ist unter Hinweis auf Fig. 15 auch die Kombination von Hochdruckwasserstrahlen und Hartmetallschneiden erwähnt. Jedoch hat eine solche Kom bination keine Verbesserung bei der Bohrgeschwindigkeit er bracht, da die in einem feststehenden Winkel auf dem Bohr kof angeordneten Wasserdüsen sich in der Wirkung nicht an ders verhalten haben als die übrigen Schneidwerkzeuge.

In der DE-PS 34 10 981 ist ein Verfahren und eine Vorrich tung zum Schneiden bzw. Schlitzen von Gestein mit Hilfe eines unter hohem Druck aus einem Düsenkopf unter festgeleg tem Schneidwinkel ausströmenden Mediums beschrieben, wobei der am Ende eines Druckschlauchs befindliche Düsenkopf durch Ausströmen des Mediums in eine freischlagende Bewegung ver setzt wird.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Bohreinrichtung zum Herstellen von Bohrlöchern beliebi gen Durchmessers zu schaffen, bei dem die bisher auftreten den Nachteile, wie hohe Temperaturen, starker Materialver schleiß sowie der mit den herkömmlichen Verfahren verbundene hohe maschinelle Aufwand hinsichtlich der Dimensionierung der Bohreinrichtungen und der starke Andruck in kostenspa render Weise verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hochdruckwasserdüse eine die Bewegung des Bohrkopfes überla gernde, je nach Lage und Ausrichtung auf oder in diesem Bohr kopf radiale oder tangentiale Eigenbewegung durchführt.

Das Herstellen von Bohrlöchern ist abgestellt auf die Wechselbeanspruchung des Gesteins durch Lösewerkzeuge, wie Rolle und Meißel einerseits, und die Wirkung der Was serstrahlen, deren Düsen nicht statisch auf der Schneid fläche eines Bohrkopfes angeordnet sind.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß der mit mindestens einer Hochdruckwasserdüse bestück te Bohrkopf eine Hin- und Rückdrehung um einige Grade, beispielsweise 20° bis 30°/min, durchführt.

Der wesentliche mit einer Hin- und Rückdrehung des Bohr kopfes um wenige Grade verbundene Vorteil liegt darin, daß für die Zuführung des Hochdruckwassers keine aufwendigen teuren und verschleißanfälligen Drehdurchführungen für die Einleitung in drehende Maschinenteile benötigt wer den.

Die am Ende einer Hochdruckwasserzuführung in Verbindung mit einer Düse durch das Austreten eines Wasserstrahls mit entsprechend hohem Druck entstehenden Kräfte werden durch in Abstand von der Schneidfläche angeordnete ver schiedenartig auszuführende Führungen so gelenkt, daß eine überlagernde Wasserstrahlbewegung geschaffen wird. So ist es möglich, die Wasserdüsen als unterstützende Lö sewerkzeuge so anzuordnen, daß mit der Überlagerung der Bewegung des Bohrkopfes planmäßig nicht nur die gesamte Gesteinsfläche bearbeitet wird, sondern daß sich die Be arbeitung auf konzentrische Ringe beschränkt, zwischen denen eventuell stehengebliebene ringförmige Rippen me chanisch durch Keilwirkung herausgebrochen werden. So ist es vorstellbar, auf einer Schneidfläche eines Bohrkopfes für Bohrungen großen Durchmessers, beispielsweise auf der Schneidfläche eines Bohrkopfes einer Streckenvortriebsma schine, neben einer Anzahl von als Lösewerkzeuge ausge bildeten Wasserdüsen, mechanische Lösewerkzeuge, wie Rol len, Disken oder Meißel anzubringen. Es ist auch vor stellbar, die mechanischen Lösewerkzeuge, wie Rollen und Meißel, die sich neben den Wasserdüsen auf der Schneid fläche befinden, pendelnd auf der Schneidfläche anzulen ken, wodurch bei einer Hin- und Rückdrehung des Bohrkop fes in beiden Richtungen eine Bearbeitung des Minerals stattfinden kann. Die im wesentlichen als unterstützende Wirkung zu bezeichnende Einwirkung von Wasserstrahlen ist auch bei Kleinkaliberbohrungen ausnutzbar, wenn auf die mit zentraler Spülbohrung versehenen Bohrstangen Bohrkro nen spezieller ausführungen aufgebracht werden. Dazu ist es erforderlich, die an einem lose geführten Ende einer Wasserzuführung anzuordnende Wasserdüse in einer Führung derart anzuordnen, daß auch hier eine überlagernde Bewe gung erfolgt.

Die gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung ist im we sentlichen dadurch gewährleistet, daß derartige Bohrein richtungen im Gegensatz zu heutigen Bohreinrichtungen mit sehr geringer Drehzahl oder gar hin- und rückdrehend ar beiten können und trotzdem mit Hilfe der zusätzlichen Werkzeuge einen ausreichenden Bohrfortschritt erzielen. Darüber hinaus können die Andruckkräfte der Bohrköpfe ge gegen das Mineral erheblich niedriger sein als bei einer rein mechanischen Bearbeitung des Minerals, so daß ein wesentlich geringerer Verschleiß von Lösewerkzeu gen auftritt oder teilweise ganz entfällt, und daß weiter hin die überhöhten Temperaturen mit den entsprechenden Nachteilen an den Werkzeugen nicht mehr auftreten. Die Vermeidung hoher Schneidtemperaturen gilt insbesondere dem Kampf gegen die im Steinkohlen bergbau latent vorhandene Gefahr einer Entzün dung von CH₄-Luftgemischen und Kohlenstaub.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher er läutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Bohrkopfes zum Herstel len von Bohrlöchern großen Durchmessers, und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Bohrkopfes für die Herstellung von Bohrlöchern kleinen Durchmessers.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Bohrkopf 1, beispielswei se einer Vollschnittmaschine zum Auffahren von untertägi gen Strecken und Tunnels, ist die Schneidfläche 2 neben Lösewerkzeugen herkömmlicher Art, beispielsweise Meißeln 6 und Rollenwerkzeugen 7, mit die Schneidwirkung unter stützenden Hochdruckwasserdüsen 3 bestückt. Die Hoch druckwasserdüsen 3 sind in dem dargestellten Ausführungs beispiel in schlitzartigen Führungen 5 unterhalb der Schneidfläche 2 verlagert und führen die Schneidwirkung der Schneidwerkzeuge 6, 7 überlagernde Bewegungen aus.

Wie aus dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel zu entnehmen ist, ist innerhalb eines Bohrkopfes 1 für kleine Bohrlochdurchmesser unterhalb der Schneidfläche 2, die beispielsweise in der Vorderansicht kreisförmig aus gebildet ist, eine Führung 5 vorgesehen, in welcher die am Ende einer beispielsweise als Schlauch ausgebildeten Hochdruckwasserzuführung 4 angebrachten Hochdruckwasserdü se 3 in der entsprechenden Richtung zwangsweise hin- und herpendeln kann. Die Hochdruckwasserdüse 3 ist zur Ver schleißminderung mit einem entsprechenden Dämpfungsele ment 10 versehen. Der Bohrkopf 1 ist, wie das Ausfüh rungsbeispiel weiter zeigt, mit einem Gewinde 9 versehen und auf das mit einer zentralen Wasserzuführung ver sehene Bohrgestänge aufschraubbar.

1 Bohrkopf
2 Schneidfläche
3 Hochdruckwasserdüse
4 Hochdruckwasserzuführung
5 Führung
6 Meißel
7 Rollen
8 Wasserstrahl
9 Gewinde
10 Dämpfungselement

Claims

1. Bohreinrichtung zum Herstellen von Bohrlöchern beliebigen Durchmessers mit mindestens einer auf oder in dem Bohr kopf angeordneten Hochdruckwasserdüse, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hochdruckwasserdüse (3) eine die Bewe gung des Bohrkopfes (1) überlagernde, je nach Lage und Ausrichtung auf oder in dem Bohrkopf (1) radiale oder tangentiale Eigenbewegung durchführt.

2. Bohreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit mindestens einer Hochdruckwasserdüse (3) be stückte Bohrkopf (1) eine Hin- und Rückdrehung um einige Grade durchführt.

3. Bohreinrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Bohrkopf (1) zusätzlich mit mecha nisch wirkenden Schneidwerkzeugen (6, 7) versehen ist.