DE361367C - Verfahren zur Ausschaltung der Knickbeanspruchung des Bohrgestaenges von Bohreinrichtungen und Vorrichtung fuer Aufbruchbohrarbeiten - Google Patents

Description

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Bei der Herstellung von Bohrlöchern, namentlich solchen, 'die von imten nach oben gerichtet -sind (Aufibrurihbohrlöcher), beschränkt die mit der Bohrlochtiefe schnell wachsende Knickbeansprucbung das Gestänges in unerwünschtem Maße die Lochtiefe. Im Gegensatz zur gewöhnlichen Tiefbohrung, bei der das Eigengewicht das Bohrwerkzeuges und Gestänges streckend auf dieses

ίο wirkt, ergibt sich bei den bisherigen Vorrichtungen zum Aufwärtslbohren unter dem Einfluß der Knickbeanspruchung des Gestänges 'dessen Verbiiegung· und damit das Bestreben, von der anfänglich vertikalen Achse des Bohrloches abzuweichen, zu verlaufen. Da das Gestänge nur in engen Grenzen verstärkbar ist, muß 'entweder zu umständlichen und unwirtschaftlichen Bohrverfahren übergegangen oder überhaupt auf die gewünschte Bohrlochtiefe verzichtet werden. Nachstehend wird' ein Verfahren angegeben, welches gestattet, durch Zuführung inneren Preßmittels unter einem ganz bestimmten Mindestdruck ein Rohrgestänge derart zu !beanspruchen, daß seine Knickfestigkeit bis zu jedem gewünschten Maß erhöht wird, wodurch auch die vorbeschriebene Neigung zum Verlaufen des Bohrloches nicht nur wegfällt, sondern in beliebig verstärktem Maße von selbst das Bestreben zur Beibehaltung der vertikalen Achse des Bohrloches eintritt. Die Zeichnung zeigt Ausfülirungisbeispiele der Erfindung.

Alhb. ι zeigt ein völlig abgeschlossenes knickfestes Hohlgestänge.

AIbIb. 2 zeigt ein knickfestes Hohlgestänge mit unterer Stopfbuchse.

Abb. 3 zeigt die Rückhaltevorrichtung eines derartigen Gestänges.

Abb. 4 zeigt im Schnitt die Arbeitsmittelzuführung durch konzentrisches Rohr.

Abb. 5 zeigt im Schnitt einen Fußkörper mit Hilfszylindern.

Abb. 6 zeigt im Schnitt einen Bohrkopf nach besonderem Vorschlag.

Das Verfahren gründet sich auf zwei aus

der Festigkeitslehre bekannte Wirkungen < inneren Preßmittels in einem Rohr. Zunächst verändert jedes gebogene Rohr seinen Querschnitt in dem Sinne, daß ein bisher kreisförmiger Querschnitt nach der irgendwie verursachten Biegung 'des Rohres elliptisch wird. Diesem Verhalten wirkt ein innerer ' Druck rlurch sein Bestreben, den Kreisquerschnitt zu erhalten, auch dann entgegen, j ίο wenn das Rohr im übrigen an beiden Enden j geöffnet und frei beweglich ist, und zwar ' wirkt dieser innere Überdruck im Sinne einer Streckung des gekrümmten Rohres und im Zusammenhang damit im Sinne erhöhter Widerstandsfähigkeit gegen knickende Beanspruchungen.

Man hat es zugleich in der Hand, durch Zuführung inneren Druckes bei geeigneter Wahl der Endabschlüsse und bei Anordnung j geeigneter Erweiterungen einzelner Rohrabschnitte gegenüber den Rohrenden willkürlich gewählte Rohrabschnitte dauernd unter eine Zugspannung zu bringen, welche bei ent- , sprechend gewähltem Mindestdruck durch achsial gerichtete knickende Kräfte nicht aufgehoben werden kann. Die grundsätzlich wertvollen Beispiele zu einer derartigen Ausschaltung der Knickbeanspruchung eines Rohres durch Zuführung eines inneren Preßmittels unter bestimmten Mindestdruck sind in den Abb. ι bis 3 dargestellt.

In Abb. ι ist das Rohr 2 beiderseitig druckfest abgeschlossen dargestellt. Zur A'erwendung als Bohrgestänge wird es oben mit einem Bohrkopf 1 mit beliebiger Energiezuführung versehen. Es wird ferner durch die beliebig angeoridnete Preßmittelzuführung-6 einem inneren Überdruck ausgesetzt. Dabei werden seine Wandungen in der Längsrichtung auf Zug beansprucht und, solange diese Bugbeanspruchung größer ist als die Beanspruchung auf Druck, infolge einer | knickenden Kraft sein würde, kann das Rohr nicht ausiknicken. Das. Rohrgestänge wird im übrigen beispielweise durch einen Spindelbock 8 bei aufwärts gerichteter Anordnung des Bohrloches nachgesetzt und in der Führung 3 gehalten. Eine Umsetzvorrichtung ist nicht 'besonders gezeichnet, obwohl sie im allgemeinen vorzusehen ist. Das ganze Gestänge nach Abb. 1 kann in jeder Richtung und überall da angewandt werden, wo die Ausschaltung der Knickbeanspruchung als wesentliches Erfordernis angesehen werden muß. Bei einer Bohreinrichtung in der Anordnung der Abb. 2 ist man daran gebunden, daß das Gestänge im wesentlichen nach aufwärts gerichtet arbeitet.

Die wesentlichen Teile einer derartigen Bohreinrichtung sind Bohrkopf 1, das einseitig offene Rohrgestänge 2, der Fußkessel4 mit der Stopfbüchse 5 und der Preßmittelzuführung 6. Das Gestängeunterteil 14 wird im allgemeinen zur besseren Führung in der Stopfbüchse 5 (besonders ausgebildet sein und kann im Durchmesser gegenüber dem übrigen Gestänge Abweichungen zeigen.

Der am Bohrkopf 1 nach oben wirkende Druck des inneren Preßmittels findet seine Gegenkraft in dem Gewicht der ganzen Vorrichtung einschließlich des frei schwebenden Gestänges, so daß bei dieser Anordnung das Gestänge dauernd durch sein Eigengewicht unter Zugbeanspruchung gehalten wird, wobei eine nach oben gerichtete Restkraft verbleiben kann, welche den Bohrkopf an das Gestein andrückt. Ein Unterschied findet sich gegenüber der Anordnung nach Abb. 1 nur darin, als die Gestängezuigkraft nicht über das Eigengewicht des Gestänges hinaus gesteigert werden kann.

Wird ein Gestänge nach Abb. 3 gewählt, so fällt diese Einschränkung weg, ebenso wie das Gestänge auch in beliebiger Neigung verwendet werden kann. Hier ist außer den Teilen der Abb. 2 eine in der Längsrichtung des Gestänges entgegen dem Preßimitteldruck wirkende Rückhaltvorricbtung 7 zur Anwendung· gebracht, welche durch Einwirkung von Gewichten, Federn, steifer Abstützung oider durch Einwirkung besonderer anderartiger Vorrichtungen die obenerwähnte Preßfcraft aufzunehmen vermag. Eine für zweckmäßig gehaltene Ausbildung dieser Rückhaltvorrichtung mit Hilfskolben ist nachstehend besonders beschrieben.

Das Verfahren bleibt auch dann gültig, wenn dem Preßmittel neben seiner, ins Auge gefaßten Wirkung erhöhter Knickfestigkeit noch andere Aufgaben ztigewiesen werden. Bei den Anordnungen 'der Abb. 2 und 3 kann beispielsweise das Preßimittel zwanglos als Gestängehubmittel benutzt werden. Die Begrenzung des Gestängehubes kann durch die Bohrlochsohle oder durch die Rückhaltvor- i°5 richtung 7 geschehen. Im letzteren Fall wird man diese Rückhaltvorrichtung zur Erzielung eines beliebigen Hubes willkürlich einstellbar machen. Eine willkürliche Senkung kann dann durch Nachlassen des Druckes erzielt werden.

Das Verfahren ist in seiner allgemeinen Form nicht an unbedingt zylindrische Form oder an die Art der bereits erwähnten Abschlüsse an beiden Enden gebunden. Allge- mein bewirkt jede Erweiterung des Rohres gegenüber seinen übrigen Teilen an der erweiterten Stelle das Auftreten, einer Zugbeanspruchung unter innerem Druck, wobei die beabsichtige Wirkung eintritt. Die Wirkung und die Gültigkeit des Verfahrens bleiben auch dann erhalten, wenn der Druck oder die

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Substanz des Preßmittels während des Druckvorganges wechselt. Dies kann ausgenutzt werden, um das Preßmittel gleichzeitig als Arbeitsmittel im Bohrkopf zu verwenden. Dazu ist nur eine zweckmäßige Dimensionierung· des Rohrinhaltes und des Preßmittelverbrauches im Bohrkopf nötig, damit nicht während des Arbeitsvorganges der Mindestdruck unterschritten wird.

Um jedoch für Gestänge und Bohrkopf bei Betätigung des Bobrkopfes durch ein Preßmittel jeweils die günstigsten Druckverhältnisse herstellen zu können, wird vorgesehen, ein besonderes Arbeitsmittel dem Bohrkopf durch ein unabhängig· vom Gestängerohr innerhalb desselben liegendes konzentrisches Rohr 9 zuzuführen. In Abb. 4 ist dieses Bohrkopfzuführungsrohr 9 gezeichnet, welches unten in der Stopfbuchse 10 in einem Fußbehälter 11 offen endigt, wobei ihm das Preßmittel durch das Absperrventil 12 und die Druckzuführung 13 von der Druckpumpe oder einem Druckbehälter" zugeführt wird. Diese Anordnung eines konzentrischen Rohres ist im übrigen unabhängig von der Art, wie das Hauptverfahren zur Knicksicherung des Gestängerohres in Anwendung gebracht wird. Das Preßmittölzuführungsrohr hängt einfach am Bohrkopf und · ist knickenden Kräften nicht ausgesetzt. AiIs Beispiel für die Gesamtausibildungf des Gestängefußes bei einem knicksicheren Gestänge mit konzentrischem Bohrkopfrohr ist Abb. 5 gegeben. Die dort dargestellten Teile sind bisher schon beschrieben.

In dieser Abbildung ist auch, eine besondere Art der Rückhaltvorrichtung ausgebildet. Eine Rüddialtvorrichtung mit beiderseitiger Hubbegrenzung ist ohnehin vorteilharter, weil aus irgendeinem Grunde der Innendruck im Gestänge pötzlich zu gering wenden oder ganz aufhören kann und dann das Gestänge plötzlich zurückfällt. Zur Sicherung dagegen unld zur Ausbildung als

⁴S Rüökhaltvorrichtung in diesem Sinne ist in Abb. 5 dargestellt, wie das untere Teil des Gestänges 14, welches ohnehin besonders ausgebildet ist und an seinem oberen Ende durch zugfeste Verbindung in das normale Gestänge übergeht, mit zwei Bunden 15 ausgerüstet ist. Zwischen diese beiden Bunde greift drehbar ein Querhatipt 16, dessen beide Enden die Plungerstange 17 tragen. Sie sind· mit den Kolben 26 verbunden und gelangen durch die Stopfbuchsen 18 in die Hllfszylinder 19, welche durch Rückschlagventil 20 und Absperrventil 21 mit einer Preßmittelzuführung 22 verbunden sind. Beim Anheben oder Nachsetzen des Gestänges kann das Absperrventil 21 geöffnet bleiben. Bei plötzlichem Nachlassen des Druckes im Haupigestänge fällt isödann das Gestänge durch (das Querhaupt 16 auf die Plungerstangen 17, welche sich nur ganz unwesentlich senken können, weil das Rückschlagventil 20 ein Entweichen, der Preßflüssigkeit aus den Hilfszylindern : 19 verhindert. Durch eine besondere _Aus- ! '.aßvorrichtung 24 hat man es in der Hand, in solchem Fall das Gestänge willkürlich nachzulassen. Übrigens sind die verschiedenen 7» Hiilfsizylinder durch ■ Ausgleichleitungen 25 zur Erzielung gleichen Druckes untereinander verbunden.

Zur Regelung des Druckes oberhalb der Kolben 26 ist der Dreiwegehahn 27 ange- ⁷S bracht. Dieser gestattet einmal die Einführung von Preßmittel zur Erzeugung etwa gewünschten Druckes, weiter völligen Abschluß des oberen Raumes, worauf die Hilfszylinder als Rückhaltevorrichtung 7 (Abb. 3) wirken, und weiterhin Ablassen des Druckes, worauf sich das Gestänge um regelbare Strecken hebt. Die Beherrschung des Gestänges 2 und des Unterteiles 14 ist wichtig beim Ein- und Ausbauen von Gestängeschüssen. Auch kann man beim Umsetzen, wenn "nötig, mit dem Gestänge etwas nachgeben.

Das Umsetzen geschieht in bekannter Weise durch Drehkrückel 23 am Gestänge 2 oder dessen Unterteil 14. Es ist auch möglich, maschinelle Umsatzvorrichfungen anzubringen.

Abb. 6 zeigt einen in Verbindung mit dem knicksicheren Gestänge als zweckmäßig vorgesehenen Bohrkopf, welcher zugleich als Beispiel für die praktische Ausführung eines Bohrkopfes bei dem angedeuteten Verfahren dienen soll. Dieser besteht aus dein Arbeitszylinder 28, dem darin laufenden schweren Fiammerkörpeibär 29, der Druckzuführung 30, welche an das konzentrische erwähnte Bohrkopfzuführungsrohr 9 angeschlossen ist. Auf dem Arbeitszylinder befindet sich das Bohrkopf obergehäuse 31 mit dem in einer Buchse 32 geführten Meißel 33, welcher beispielsweise durch die Nutfeder 34 verhindert wird, sich gegenüber dem Bohrkopfoberq-ehäuse 31 zu drehen. Der Meißel 33 ist mit Hilfe des Bundes 35 und der Federn 36 und 37 gegen den Bobrkopfkörper abgefedert.
Der Arbeitvorgang ist folgender:
Im Arbeitszylinder 28 und im Rohr 9 sowie in den weiterhin anschließenden Teilen für die Führung des Bohrkopfarbeitsmittels befindet sich ein Arbeitsmittel, z. B. Preßwasser, in der Ruhelage unter einem Druck, welcher nicht imstande ist, gegenüber dem Eigengewicht des Bären diesen aus einer Ruhelage nach oben zu verschieben. Durch ein zweckmäßiges Verfahren, wofür Beispiel unten angegeben wind, wird der Druck des

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1. Arbeitsmittels sehr schnell derartig erhöht, daß der Bär bis zu einem willkürlichen Maß beschleunigt nach oben bewegt wird. Die lebendige Energie desselben wird beim Auftreffen seines zylindrischen Oberteiles auf den Schaft des Meißels 33 an diesen abgegeben und dadurch eine Schlagwirkung auf das Gestein atisgeübt. Die Druckerhöhung im Arbeitsmittelraum bleibt nur kurze Zeit wirksam, so daß der Bär nach dem Auftreffen in die Ruhelage, welche in AIbIb. 6 dargestellt ist, zurückfallen kann. Zur Abschwächung des Flüssigkeitsschlages am Ende des Meißelhubes kann der Arbeitsflüssigkeit in bekannter Weise durch Nuten 38 und Löcher 39 Abfluß gewährt werden. Die Federn 36 und 37 sind angeordnet, um ein Durchgehen des Meißels zu verhüten und die unvermeidlichen schlaigartigen Reaktionen auf dem Bohrkopfkörper abzuschwächen. Zur Entlüftung des Arbeitsizylinders 28 ist im übrigen ein Schnüffelventil 40 angebracht.

   Eine 'besondere Art, die zum Arbeiten des Bären 29 erforderlichen Druckänderungen herbeizuführen, ist in Abb. 4 dargestellt. Der Fußbehälter 11 ist durch das'Albsperrventil 12 und die Druckzuführung 13 mit einem Druckspeicher 41 verbunden, welcher zweckmäßig in der gezeidmeten Art als Windkessel ausgebildet ist, und auf welchen die Drudkpumpe 42 wirkt. Ein gesteuertes Ventil 43, welches z. B. 'durch eine Steuerstange 44 vom Krückelführer beherrscht werden oder in regelmäßigen Zeitabschnitten gesteuert werden kann, sendet bei jeder Öffnung eine bestimmte Menge Preßflüssigkeit stoßartig in den Bohrkopf, worauf jedesmal ein Meißelspiel beginnt. Die Druckerhöhungen in der Preßrnittelzuleitung 9 und 13 erscheinen unvermeidlich und können durch entsprechende Ausbildung beherrscht werden, dagegen .sind Schläge in Druckspeicher 41 und in der Druckpumpe 42 wegen 'des Luftraumes im Druckspeicher 41 ungefährlich.

   Ein besonderer Vorteil des Bohrkopfes ist die konstruktiv einfache Ausbildung ohne bewegte Steuerungsteile. Der vorbeschriebene Bohrkopf kann auch ohne Verbindung mit einem knickfesten Gestänge dort verwendet wenden, wo ein solches nicht erforderlich erscheint.

   Paten τ-An Sprüche: i. Verfahren zur Ausschaltung der Knickbeanspruchung des Bohrgestänges von Böhreinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrgestänge (2) ■dauernd einem solchen Mindestdruck eines Preßmittels ausgesetzt wind, daß ■ dieses die vom Arbeitsvorgang und j Eigengewicht herrührenden knickenden ί Kräfte aufnimmt.
2. 2. Vorrichtung zur Ausübung des Ver-

   :' fahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die zugfeste Verbindung eines • Bohrkopfes (1) mit dem Rohrgestänge (2), welches an seinem unteren offenen Ende in der Stopfbuchse (5) eines Fußbehälters (4) geführt und mit einem Preßmittel gefüllt ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückhaltevorrichtung (7) zwecks beherrschbarer Hubbegrenzung und Aufnahme nach oben gerichteter Kräfte des Bohrgestänges am unteren Ende dieses Gestänges angeordnet ist.
4. 4. Vorrichtung, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch τ, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer aus Bohrkopf (1) und Rohrgestänge (2) bestehenden Bohrvorrichtung ein konzentrisch im ersten Rohr liegendes Rohr (9) die Zuführung eines von dem Gestängepreßmittel unabhängigen Arbeitsmittels zum Bohrkopfibetrieb usw. ermöglicht.
5. 5. Rüdchaltvorriöhtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Rückhaltskräfte und zum Verhindern unvermuteten Zurüdkfallens des Rohrgestänges das Gestänge durch zwei öder mehrere im Hilfszylinder (19) laufende Hilfskolben (26) abgestützt ist, welche durch ein Querhaupt (16) das Rohrgestänge (2) frei drehbar abfangen. .
6. 6. Bohrkopf zum Aufwärtslbohren, dadurch gekennzeichnet, daß ein schwerer Schlagkörper (29) durch stoßweise in den Arbeitszylinder (28) zugeführte Druckflüssigkeit beschleunigt wird und seine lebendige Energie auf den zweckmäßig 'doppelt gefederten Bohrmeißel (33) abgibt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.