DE3852548T2

DE3852548T2 - Hydraulische gesteinsbohrmaschine im bohrloch.

Info

Publication number: DE3852548T2
Application number: DE3852548T
Authority: DE
Inventors: Per Gustafsson
Original assignee: G Drill AB
Current assignee: G Drill AB
Priority date: 1987-07-14
Filing date: 1988-07-06
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2008-07-07
Also published as: AU2079088A; US5107944A; NO900176L; JP2766655B2; KR890701867A; DE3852548D1; RU2032807C1; SE500654C2; FI90582C; ATE116035T1; EP0394255B1; AU606194B2; FI900206A0; JPH02504657A; NO178673B; SE8702860D0; NO178673C; NO900176D0; SE8702860L; FI90582B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydraulischen Gesteinsbohrer mit einem Gehäuse, das am vorderen Ende eines Bohrrohres angebracht werden kann, einer Bohrspitze, die verschiebbar im vorderen Ende des Gehäuses sitzt und von ihm festgehalten wird und durch die sich ein Durchflutungskanal hindurcherstreckt, einem Ventilgehäuse, das im hinteren Ende des Gehäuses eingebaut ist, einer Anschlußöffnung, die so angeordnet ist, daß sie vom Bohrrohr mit Wasser hohen Druckes beliefert werden kann, einem Hammer, der so ausgelegt ist, daß er wiederholt auf die Bohrspitze aufschlagen kann, einem Steuerventil im Ventilgehäuse, einem Durchflutungskanal, der sich vom Steuerventil bis zum vorderen Ende der Bohrspitze erstreckt und den Durchflutungskanal in der Bohrspitze einschließt, wobei der Hammer eine erste Kolben-Stirnfläche in einer ersten Druckkammer hat, um den Hammer dann nach vorne anzutreiben, wenn die erste Kammer unter Druck gesetzt wird sowie eine zweite Kolbenantriebsstirnfläche in einer zweiten Kammer, um den Hammer dann zurückzuführen, wenn die erste Kammer drucklos gemacht wird, wobei das Steuerventil so ausgelegt ist, daß es alternativ die erste Druckkammer mit der Anschlußöffnung oder mit dem Durchflutungs- Flüssigkeitskanal verbindet, um auf diese Weise den Hammer hin- und herzubewegen.
Ein solcher, hydraulischer Gesteinsbohrer, der von einer zugeführten, hydraulischen Antriebsflüssigkeit als Spülflüssigkeit Gebrauch macht, ist aus der DE-A-3 343 565 bekannt.
Hydraulische Spitzen-Hämmer haben ein geschlossenes System, so daß sie auf diese Weise als Antriebsflüssigkeit ein Hydrauliköl verwenden können. Bei einem offenen, hydraulichen System wie bei dem Bohrer, der in der DE-A-3 343 565 dargestellt ist, muß eine Antriebsflüssigkeit verwendet werden, die für die Umwelt nicht gefahrbringend ist. Die geeignetste Antriebsflüssigkeit ist dabei Wasser, das Fehlen jeder Schmierung stellt jedoch ein erhebliches Problem dar, das die Lebensdauer vermindern und eine gewerbliche Anwendung verhindern kann. Das Fehlen der Schmierung kann durch ein weites Spiel zwischen den gleitenden Flächen kompensiert werden; die geringe Viskosität des Wassers führt jedoch zu einer erheblichen Leckage und ferner dazu, daß die Antriebs- Effektivität gering ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gesteinsbohrer der oben beschriebenen Art anzugeben, bei dem eine hohe Antriebs-Effektivität, kraftvolle Schläge und eine lange Lebensdauer miteinander kombiniert sind. Diese Aufgabe wird bei dem genannten Gesteinsbohrer dadurch gelöst, daß daß der Flüssigkeitsdurchflutungskanal einen Kanal umfaßt, der sich in Längsrichtung durch den gesamten Hammer hindurch erstreckt, daß das Ventilgehäuse für den hinteren Endabschnitt des Hammers, das seinerseits die erste Kolbenstirnfläche aufweist, einen Zylinder bildet, und daß der Hammer mit seinem hinteren Endabschnitt im Ventilgehäuse geführt ist und daß auch sein vorderes Ende geführt ist, wohingegen sein Hauptteil ungeführt ist und zum Gehäuse einen Abstand aufweist.
Ein hydraulischer Gesteinsbohrer, wie er in den Ansprüchen definiert ist, macht es einem schweren Kolbenhammer möglich, schwere Schläge abzugeben und er hat eine Führungsanordnung, die ein enges Spiel zwischen den gleitenden Flächen ermöglicht, so daß die Antriebs-Effektivität hoch ist. Die erwartete Lebensdauer ist daher hoch.
Die Erfindung wird nun im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1a und 1b zeigen einen Teil-Längsschnitt von jeweils dem vorderen und hinteren Teil des erfindungsgemäßen Gesteinsbohrers, wobei sich der Hammer im Bohrer in seiner vorne liegenden Stellung befindet. Der Schnitt ist dabei so genommen worden, wie er durch die Linie I-I in Fig. 3 dargestellt ist;
Fig. 2 zeigt einen abgekürzten Teilschnitt einer entsprechenden Ansicht, wobei der Hammer jedoch in seiner hinteren Stellung steht,
Fig. 3 ist ein Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 1a, und
Fig. 4 ist ein Querschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 1a.
Gemäß den Fig. 1a, 1b ist für den Gesteinsbohrer 10 ein Gehäuse 18 vorgesehen, das aus einem langgestreckten, zylindrischen Rohr gleichmäßiger Dicke besteht, das einen inneren, kreisförmigen Anschlag 13 hat. Ein Zylinder 11, der vorzugsweise mit einem Ventilgehäuse 12 einstückig ausgebildet ist, liegt innerhalb des Gehäuses 18 und wird durch einen radial geteilten Ring 14, 15 abgestützt, der in Fig. 3 erkennbar ist und der am Anschlag 13 anliegt. Der Zylinder 11 ist im Gehäuse 18 in axialer Richtung durch eine Auskleidung 16 festgelegt, die sich zwischen der Rückseite des Ventilgehäuses 12 und einem nicht dargestellten, hinteren Kopf erstreckt, der in das hintere Ende des Gehäuses 18 fest eingeschraubt und so ausgelegt ist, daß er in üblicher Weise die Drehung auf das Gehäuse 18 übertragen kann. Das Innere der Auskleidung 16 bildet eine Anschlußöffnung 17, der über den hinteren Kopf und die üblichen Bohrrohre unter hohem Druck eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, zugeführt wird, die dazu dient, den Gesteinsbohrer anzutreiben. Wie dies teilweise dargestellt ist, wird eine Bohrspitze 20 verschiebbar in einem Kragen 21 festgehalten, der in das vordere Ende des Gehäuses 18 eingeschraubt ist. Der Amboß 19 der Bohrspitze 20 ragt in eine ringförmige Nut 22 des Kragens 21 hinein. Hinter der Nut 22 befindet sich im Kragen 21 ein Führungslager 23. Innerhalb der Bohrspitze 20 verläuft der übliche Durchflutungskanal 24, der zur Arbeitsspitze führt und zwischen dem Kragen 21 und der Bohrspitze 20 ist die übliche, nicht dargestellte Keilwellenverbindung vorhanden, wodurch die Drehung vom Gehäuse 18 auf die Bohrspitze übertragen wird. Zwischen dem Führungslager 23 des Kragens 21 für die Bohrspitze und dem geteilten Ring 14, 15 des Zylinders 11 erstreckt sich eine langgestreckte Kammer 25, die durch das Gehäuse 18 gebildet wird. Die Kammer 25 wird aufgrund von einer oder von mehreren Entlastungsbohrungen 26, die die Kammer 25 mit der Ringnut 22 verbinden, die ihrerseits mit dem Durchflutungskanal 24 in der Bohrspitze 20 in Verbindung steht, dauernd auf einem niedrigen Flüssigkeitsdruck gehalten, das heißt auf einem Entlastungsdruck. Im Gehäuse 18 ist ein Hammer 28 hin- und herverschiebbar, um auf den Amboß 19 der Bohrspitze 20 aufeinanderfolgende Stöße aufzubringen. Am hinteren Abschnitt und vorzugsweise am tatsächlichen hinteren Ende des Hammers 28 ist ein Antriebskolben 29 angebracht. Das vordere Aufschlagende des Hammers wird durch einen Zapfen 30 gebildet, der verschiebbar im Führungslager 23 des Kragens 21 sitzt.
In der Kammer 25 ist ein im Durchmesser vergrößerter, zylindrischen Abschnitt 32 vorgesehen, der hin- und herbewegbar ist. Die Durchmesservergrößerung 32 dient dazu, die Schlagenergie des Hammers 28 zu erhöhen und dieser Hammerabschnitt hat ihnerhalb der Kammer 25 einen so großen Freiraum, daß die Bewegung der Niederdruck-Flüssigkeit zwischen den Wänden der Kammer 25 dann im wesentlichen unbehindert bleibt, wenn sich der Hammer 28 hin- und herbewegt. Zwischen dem Kolben 29 und dem durchmesservergrößerten Hammerabschnitt 32 ist ein durchmesserverminderter Hals 31 vorgesehen, der vorzugsweise einen Durchmesser hat, der mit dem Durchmesser des Zapfens 30 übereinstimmt. Der Hals 31 ist abdichtet durch den radial unterteilten Ring 14, 15 umgeben und ist in diesem Ring frei hin- und herbewegbar. Durch den Hammer 28 hindurch erstreckt sich ein axialer Mittelkanal 34, der an seinem hinteren Ende innerhalb des Kolbens 29 eine durchmesservergrößerte Bohrung 35 hat, die auf einer mittigen Niederdruck- oder Entlastungsleitung 38 gleitend verschiebbar ist, die ihrerseits einen Teil des Zylinders 11 bildet oder an ihm befestigt ist. Die Leitung 38 steht mit dem Kolben- Mittelkanal 34 sowie mit dem Inneren des Ventilgehäuses 12 in offener Verbindung.
Der Kolben 29 sitzt verschiebbar und abgedichtet im Zylinder 11 und bildet in diesem eine Antriebskammer 39, die der hinteren Stirnfläche des Kolbens 29 gegenüberliegt, wobei die Antriebskammer 38 dazu dient, den Hammer 28 bei seinem Arbeitshub nach vorne anzutreiben. Um den durchmesserverminderten Hals 31 herum ist eine gegenüberliegende Zylinderkammer 41 vorgesehen, die durch die gegenüberliegende, ringförmige Antriebsfläche 42 begrenzt wird, die kleiner ist als die gesamte Antriebsfläche 42 und die so ausgelegt ist, daß sie den Kolben 29 dann nach hinten zu drücken, wenn der Hammer 28 seinen Rückwärtshub durchführt.
Das Ventilgehäuse 12 hat eine axiale Bohrung 45, in der ein rohrförmiges Steuerventil 46 hin- und herverschiebbar ist. Das Innere des Steuerventils 4G ist dauernd zur Leitung 38 hin offen und wird auf diese Weise auf dem niedrigen Flüssigkeitsdruck der Durchflutungskanäle 34, 24 gehalten. Das Steuerventil 46 hat einen Differentialkolben 47, der abdichtend in der Bohrung 45 verschiebbar ist, die ihrerseits durch eine Kappe 48 abgeschlossen ist, die in das Ventilgehäsue 12 eingeschraubt ist.
Die Kappe 48 nimmt in sich gleitend und abdichtend den oberen Rand 49 des Steuerventils 46 auf. Das gegenüberliegende Ende des Steuerventiles 46 bildet einen unteren Rand 51. Zwischen dem unteren Rand 51 und dem Differentialkolben 47 ist eine durchmesserverminderte Taille 52 vorgesehen. Der Außendurchmesser des unteren Randes 51 ist etwas größer als der Außendurchmesser des oberen Randes 49 und etwas kleiner als der Durchmesser der Bohrung 45. Die Bohrung 45 wird durch einen dazwischenliegenden Steg 50 begrenzt, dem eine innere, ringförmige Nut 55 folgt sowie ein unterer Steg 55, der den gleichen Durchmesser hat wie der mittlere Steg 50. An der axialen Stirnfläche des unteren Randes 51 sind gemäß Fig. 2 vorspringende Führungslappen 54 angebracht, die dann als Führungen wirken, wenn das Steuerventil 46 zwischen der Stellung in Fig. 1a, in der der untere Rand 51 gegen den unteren Steg 53 abdichtet und einer Stellung gemäß Fig. 2 hin- und hergeht, in der der Rand 51 gegen den mittleren Steg 50 abdichtet.
Flüssigkeitsdurchlässe 58, die auch in Fig. 4 erkennbar sind, verbinden über Abzweigungsdurchlässe 59 die Hochdruck- Anschlußöffnung 17 mit der Ventilbohrung 45 so, daß die Unterseite des Differentialkolbens 47 dauernd beaufschlagt wird, wodurch das Steuerventil 46 in Richtung auf die rückwärtige Stellung gemäß Fig. 2 beaufschlagt wird. Die genannten Durchlässe 58 erstrecken sich weiterhin bis zur gegenüberliegenden Zylinderkammer 41 im Zylinder 11, wodurch der Hammer 28 in gleicher Weise dauernd in Richtung auf seine hintere Stellung gemäß Fig. 2 beaufschlagt wird. Flüssigkeitsdurchlässe 60 verbinden den oberen Teil der zylindrischen Antriebskammer 39 mit der ringförmigen, inneren Nut 55 im Ventilgehäuse 12.
Im Betrieb ist das Steuerventil 46 so ausgelegt, daß es sich bei der Bewegung des Hammers 28 hin- und herbewegt und insbesondere bei der Bewegung der Steuernut 33 auf dem Kolben 29 des Hammers. Zu diesem Zweck verlaufen die Flüssigkeitsdurchlässe 61 gemäß den Fig. 1a und 2 so, daß sie das obere Ende der Bohrung 45 mit der Zylinderwand zwischen den Kammern 39 und 41 miteinander verbinden, die mit der Kolben-Steuernut 33 ausgerichtet sind, die in der Stellung gemäß Fig. 1a die Flüssigkeitsdurchlässe 61 mit den Flüssigkeitsdurchlässen 62 verbindet, die zur Niedrigdruckkammer 25 führen. Bei der Entlastung des oberen Endes der Ventilbohrung 45 bringt die nach oben gerichtete Ventilbeaufschlagung das Steuerventil 46 nach oben in seine Stellung gemäß Fig. 2, wobei der untere Ventilrand 51 gegen den mittleren Steg 50 abdichtet.
Wenn der Hammer gemäß Fig. 1b demzufolge auf den Amboß 19 auf schlägt und wenn das obere Ende der Ventilbohrung 45 entlastet wird, dann bringt der hohe Druck, der über die Durchlässe 58 und 59 von der Anschlußöffnung 17 zum unteren Ende der Ventilbohrung 45 übertragen wird, das Steuerventil in die Stellung nach Fig. 2. Zu diesem Zeitpunkt und solange, bis der Hammer 28 sich unter seiner nach aufwärts gerichteten Beaufschlagung sich in die Stellung gemäß Fig. 2 bewegt hat, wird die Antriebskammer 39 über die Durchlässe 60 und den geöffneten, unteren Steg 53 in die Leitung 38 hin entleert.
Die abströmende Flüssigkeit wird über die Kanäle 34, 24 so geleitet, daß sie in das gebohrte Loch strömt.
Wenn die Steuernut 33 des Kolbens 29 die hintere Stellung gemäß Fig. 2 erreicht, dann verbindet sie die Abzweigungsdurchlässe 33 statt mit den Hochdruckdurchlässen 58 mit den Durchlässen 61, um auf diese Weise das hintere Ende der Ventilbohrung 45 unter Druck zu setzen. Aufgrund des Durchmesserunterschiedes zwischen den Rändern 49 und 51 des Ventils ist die Rückseite des Differentialkolbens 47 größer als die gegenüberliegende Nettofläche, wodurch eine dauernde Beaufschlagung des Differential-Ventilkolbens nach hinten erzeugt wird und als Folge davon wird das Steuerventil in die Stellung nach Fig. 1a zurückgebracht. In dieser Stellung ist der mittlere Ventilsteg 50 offen und die Antriebs- Zylinderkammer 39 ist über die Durchlässe 58 und 59, die Ventiltaille 52 und die Durchlässe 60 mit dem Flüssigkeitshochdruck verbunden. Als Folge davon wird der Hammer 28 so beaufschlagt, daß er seinen Arbeitshub durchführt und auf den Amboß 19 der Bohrspitze aufschlägt, wie dies in Fig. 1b dargestellt ist. Der beschriebene Arbeitszyklus wird dann wiederholt.
In der angehobenen Stellung des Gesteinsbohrers sinkt die Bohrerspitze aus der Stellung gemäß Fig. 1b etwas nach vorne ab. Der durchmesservergrößerte Teil 32 des Hammers 28 wird zu diesem Zeitpunkt in der vorderen Bohrung 66 in der Kammer 25 festgehalten und der Hammer wird dabei in abgesenkter Stellung festgesetzt. Gleichzeitig werden die Abzweigungsdurchlässe 63 zu der Antriebskammer 39 geöffnet, die ihrerseits zu einer intensiven Flüssigkeitsspülung der Bohrungen 67 in die Leitung 38 hinein entlastet wird.
Um die Aufprallenergie des erfindungsgemäßen Gesteinsbohrers zu variieren, kann die Kammer 25 mit Hämmern kombiniert werden, die durchmesservergrößerte Teile 32 mit verschiedener Länge aufweisen. Eine solche Möglichkeit ist in Fig. 1b für einen Hammer 68 mit gestrichelten Linien angedeutet. Der Druck des Wassers, das der Anschlußöffnung 17 zugeleitet wird, liegt in der Größenordnung von 180 bar. Ein unterschiedlicher Flüssigkeitsbedarf während der Hin- und Herbewegung des Hammers wird normalerweise durch eine Zusammendrückung und Wiederausdehnung der Wassersäule ausgeglichen, die in der Rohrleitung liegt, die den Gesteinsbohrer 10 mit Flüssigkeit versorgt, wodurch die Verwendung von Gas enthaltenden Akkumulatoren im Bohrloch vermieden werden kann.
Bei einem Wasserdruck von 180 bar und einem Gehäusedurchmesser des Bohrers von 96 mm, ermöglicht es die neue Ventilkonstruktion, daß Schlagenergien zwischen 25 und 30 kW erreicht werden und Schlagfrequenzen, die nahe bei 60 Hz liegen. Der Wassserverbrauch von etwa 150 bis 200 l/min erzeugt eine Strömungsgeschwindigkeit des Wassers von mehr als 0,6 m/sek, die bei einem erzeugten Lochdurchmesser von 116 mm dazu ausreicht, den Bohrschutt bei einer vertikalen Bohrung wirkungsvoll abzufördern.

Claims

1. Hydraulischer Gesteinsbohrer mit einem Gehäuse (18), das am vorderen Ende eines Bohrrohres angebracht werden kann, einer Bohrspitze (20), die verschiebbar im vorderen Ende des Gehäuses sitzt und von ihm festgehalten wird und durch die sich ein Durchflutungskanal (24) hindurcherstreckt, einem Ventilgehäuse (11, 12), das im hinteren Ende des Gehäuses (18) eingebaut ist, einer Anschlußöffnung (17) die so angeordnet ist, daß sie vom Bohrrohr mit Wasser hohen Druckes beliefert werden kann, einem Hammer (28), der so ausgelegt ist, daß er wiederholt auf die Bohrspitze (20) aufschlagen kann, einem Steuerventil (46) im Ventilgehäuse (11, 12), einem Durchflutungskanal (38, 34, 24), der sich vom Steuerventil bis zum vorderen Ende der Bohrspitze erstreckt und den Durchflutungskanal (24) in der Bohrspitze einschließt, wobei der Hammer (28) eine erste Kolben-Stirnfläche (40) in einer ersten Druckkammer (39) hat, um den Hammer dann nach vorne anzutreiben, wenn die erste Kammer unter Druck gesetzt wird sowie eine zweite Kolbenantriebsstirnfläche (42) in einer zweiten Kammer (41), um den Hammer dann zurückzuführen, wenn die erste Kammer (39) drucklos gemacht wird, wobei das Steuerventil (46) so ausgelegt ist, daß es alternativ die erste Druckkammer (39) mit der Anschlußöffnung (17) oder mit dem Durchflutungs- Flüssigkeitskanal (38, 34, 24) verbindet, um auf diese Weise den Hammer hin- und herzubewegen,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Flüssigkeitsdurchflutungskanal (38, 34, 24) einen Kanal (34) umfaßt, der sich in Längsrichtung durch den gesamten Hammer (28) hindurch erstreckt,

daß das Ventilgehäuse (11, 12) für den hinteren Endabschnitt (29, 31) des Hammers (28), das seinerseits die erste Kolbenstirnfläche (40) aufweist, einen Zylinder bildet, und

daß der Hammer mit seinem hinteren Endabschnitt (29, 31) im Ventilgehäuse geführt ist und daß auch sein vorderes Ende (30) geführt ist, wohingegen sein Hauptteil ungeführt ist und zum Gehäuse (18) einen Abstand aufweist.

2. Gesteinsbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende (30) des Hammers (28) in einem Führungslager (23) im Gehäuse (18) geführt ist.

3. Gesteinsbohrer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Endabschnitt (29, 31) des Hammers (28) ein im Durchmesser verminderter Teil des Hammers ist.

4. Gesteinsbohrer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das geführte Vorderende (30) des Hammers ein im Durchmesser verkleinerter Teil des Hammers ist.

5. Gesteinsbohrer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (11, 12) ein Rohr (38) umfaßt, das einen Teil des Flüssigkeitsdurchflutungskanals (38, 34, 24) bildet und das sich dichtend in den Kanal (34) im Hammer (28) hinein erstreckt und daß ferner die erste Kolben- Stirnfläche (40) aus der ringförmigen Stirnfläche des hinteren Endteils (29, 31) des Hammers besteht.

6. Gesteinsbohrer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (46) mit dem Rohr (38) koaxial ist und eine hintere Stellung hat, in der es die erste Kammer (39) mit dem Rohr (38) verbindet sowie eine vordere Stellung, in der es die erste Kammer (39) mit der Anschlußöffnung (17) verbindet.

7. Gesteinsbohrer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb die zweite Kammer (41) ständig unter Druck steht und daß die zweite Kolbenstirnfläche (42) einen kleineren, wirksamen Bereich hat als die erste Kolbenstirnfläche (40).

8. Gesteinsbohrer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer (41) von einer dritten Kammer getrennt ist, die den Hauptteil (32) des Hammers aufnimmt und daß die zweite Kammer (41) zwischen der ersten Kammer (39) und der dritten Kammer (25) liegt.

9. Gesteinsbohrer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Kammer (25) mit dem Flüssigkeitsdurchflutungskanal (38, 34, 24) über einen engen Durchlaß (26) mit der dritten Kammer (25) in Verbindung steht.

10. Gesteinsbohrer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (46) in einer Richtung druckbeaufschlagt und so ausgelegt ist, daß es sich in Abhängigkeit von der Stellung des Hammers (28) hin- und herbewegt, und zwar durch Vermittlung einer ringförmigen Steuernut (33) am durchmesserverminderten Abschnitt (29) des Hammers, die ihrerseits das Steuerventil (46) abwechselnd in den Durchflutungskanal (24) entlastet, um es auf diese Weise in eine Richtung zu bewegen und das Steuerventil (46) dann unter Druck zu setzen, um es in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen.