DE3935897A1 - Verfahren und vorrichtung zum gesteinsbohren - Google Patents

Description

Bei Bauarbeiten ist es oft erwünscht, waagerechte Löcher in Gestein unter Straßen oder Gebäudefundamenten hindurch zu bohren, ohne diese Konstruktionen zu beein­ trächtigen. Solche waagerechten Löcher können verwendet werden für Versorgungs­ zwecke, zum Entwässern oder dergleichen. Für diesen Zweck ist es erwünscht, ein geradliniges Loch wirtschaftlich mit einem Minimum von Störung des Untergrunds bohren zu können.

Um solche Löcher herzustellen, ist es üblich, einen Schacht an jeder Seite der Konstruktion zu graben oder auszubaggern und, bei weichem Grund mit Hilfe eines Stangenbohrers oder eines Schneckenbohrers und bei hartem Grund mit Hilfe eines Gesteinsbohrers, ein Loch von einem Schacht zum anderen vorzutreiben. Dies wird durch herkömmliche Bohrtechniken erreicht, die den Schneckenbohrer oder den Ge­ steinsbohrer unter Verwendung eines drehbaren Bohrstrangs vorwärts schieben oder drücken. Der Schneckenbohrer oder Gesteinsbohrer und der nachlaufende Bohrstrang werden in Abschnitten eingesetzt und von einem der Schächte zu dem anderen vor­ getrieben.

Für Löcher mit kleinem Durchmesser wurden Kernbohrer entwickelt, die für das Bohren von genauen, geradlinigen Löchern zwischen zwei Stellen vernältnismäßig wirksam sind. Jedoch ist ein wirksames Kernbohren auf Löcher von etwa 100 bis 200 mm oder kleinere Löcher beschränkt, weil die Kerne in Abschnitten gebohrt werden müssen, die im allgemeinen eine maximale Länge von etwa 6 m (20 Fuß) haben, worauf die Kerne entfernt werden müssen.

Bei größeren Löchern würde das Verfahren langsam arbeiten, und die Kerne würden mehr und mehr schwierig zu entfernen sein, insbesondere bei hartem Gestein.

Infolgedessen hat sich eine übliche Praxis für das Bohren von Löchern mit größerem Durchmesser entwickelt, wobei zunächst ein Kernloch gebohrt wird und danach eine Reihe von drehbaren ringförmigen Bohrlochräumern durch das Loch hindurchgeführt wird, um die Größe des Lochs auf den gewünschten Durchmesser aufzuweiten.

Das Räumen ist ebenfalls zeitaufwendig und erzeugt im allgemeinen ein Loch, das rauh und/oder korkenzieherartig geformt ist, und mit zunehmender Größe des Lochs wird es immer schwieriger, den Vortrieb aufrechtzuerhalten, ohne den Bohrstrang zu stauchen oder zu knicken, der den Drehantrieb und die Kraft für die ringfömigen Schneidelemente liefert. Eine Verbesserung dieses Verfahrens besteht darin, die ringförmigen Schneidelemente durch das Loch zurückzuziehen, aber da dies eine schrittweise fortschreitende Betriebsweise darstellt, bleibt die Schwierigkeit bestehen, daß das Räumwerkzeug um den Lochdurchmesser herum wandert, obwohl eine gewisse Verbesserung zu verzeichnen ist.

Gemäß der Erfindung wird ein horizontales Loch dadurch hergestellt, daß zu­ nächst an jeder Seite des Lochs ein Schacht niedergebracht wird, um den Zugang zu ermöglichen. Danach wird ein Loch mit kleinem Durchmesser von etwa 100 mm durch Kernbohren zwischen den Schächten hergestellt. Anschließend wird ein Bohrstrang in das Loch eingeführt. Ein abgewandelter gebündelter Bohrer oder Bündelbohrer, wie er allgemein in US-PS 47 29 439 dargestellt und be­ schrieben ist, wird an dem Bohrstrang befestigt. Für die Zwecke der Erfin­ dung wird der zentrale Bohrer entfernt und ersetzt durch einen Abschnitt einer Bohrstange oder einer zentralen Vorschubstange, die den Satz der Mehr­ fachbohrer des Bündelbohrers von dessen entgegengesetztem Ende her mit Druckfluid versorgt, d.h. von demjenigen Ende her, das normalerweise die Gesteinsschneideinsätze enthält. Dies gestattet es dem Bündelbohrer, entge­ gengesetzt zu dem Bohrstrang montiert zu werden, der in das durch Kernbohren erzeugte Bohrloch eingesetzt ist. Der Mehrfachbohrer wird dann mit Druckfluid versorgt, um die am Umfang angeordneten Gesteinsschlagbohrer zu betätigen. Der Bohrstrang wird dann gedreht und durch das Loch zurückgezogen, wobei der Bündelbohrer nachläuft und sich dreht. Das Druckfluid und die ausgebohrten Gesteinsteilchen verlassen das Loch mit dem großen Durchmesser in herkömm­ licher Weise. Zusätzlich können Abschnitte eines Schneckenbohrers oder einer Förderschnecke an der Rückseite des Bündelbohrers angebracht werden, um eine zusätzliche Reinigung des waagerechten Lochs zu bewirken, während der Bündel­ bohrer durch das Loch gezogen und verdreht wird. Hierdurch wird der Bedarf an insgesamt nötiger Luft vermindert, die für das Reinigen des Lochs zuge­ führt werden muß.

Demgemäß wird durch die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bohren genauer waagerechter Löcher von großem Durchmesser in Gestein, insbe­ sondere in hartem Gestein, geschaffen. Gemäß der Erfindung lassen sich solche Löcher auch in hartem Gestein wirksam und mit minimalem Luftverbrauch mit hoher Geschwindigkeit bohren. Durch die Erfindung ist es möglich, das Bohren von waagerechten Löchern mit großem Durchmesser in hartem Gestein durch Ver­ wendung von leicht abgewandelten und leicht verfügbaren Bündelbohrern zu erreichen, wobei eine einfache, widerstandsfähige und zuverlässige Bohraus­ rüstung kleiner Größe im Vergleich zu ähnlichen Verfahren verwendet werden kann, die zur Herstellung von Löchern ähnlicher Größe in hartem Gestein bis­ her verwendet wurden.

Die Vorrichtung zum Bohren von Löchern mit großem Durchmesser in Gestein um­ faßt erfindungsgemäß im wesentlichen folgende Teile: Einen gebündelten Bohrer oder Bündelbohrer, der zur Aufnahme von Druckfluid und zur Ableitung einer Drehbewegung von einem Bohrgestänge her an seinem mit dem Gestein in Berührung kommenden Ende ausgebildet ist, wobei Einrichtungen zur Aufnahme von Druckfluid und zur Verbindung des Bündelbohrers mit einem Bohrstrang an dem Arbeitsende des Bündelbohrers an dessen Mittellinie vorgesehen sind, wobei ein Bohrstrang mit diesen Verbindungseinrichtungen verbunden ist, wo­ bei der Bohrstrang außerdem den Bündelbohrer verdreht und ihn in ein ge­ bohrtes Loch hineinzieht, das den Bohrstrang enthält, wobei das Loch während des Voranschreitens des Bündelbohrers aufgeweitet wird.

Gemäß der Erfindung können zusätzlich fakultativ am rückwärtigen Ende des Bündelbohrers schneckenförmige Einrichtungen (Bohrschnecke, Förderschnecke) angebracht sein, um zum Entfernen von Gesteinsteilchen beizutragen, während der Bündelbohrer durch das Loch voranschreitet. Das Entfernen der Gesteinsteil­ chen wird erreicht durch eine Kombination des schneckenförmigen Elements, das dem Bohrer nachläuft und sich mit diesem dreht, mit einem unter Druck stehenden Austriebsfluid, wodurch der Verbrauch von Druckfluid bei der Ent­ fernung der ausgebohrten Gesteinsteilchen auf ein Minimum gebracht wird.

Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be­ schreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Bündelbohrers, der zur Versorgung mit Druckfluid von vorn und zur Drehung ausgebildet ist;

Fig. 2 ist eine Endansicht des Bündelbohrers;

Fig. 3 ist eine bildliche Darstellung des waagerechten, umkehrbaren Bohr­ systems gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt des Bündelbohrers 1 dargestellt. Der Bohrer ist in einem zylindrischen Gehäusekörper 2 untergebracht, der einen Endver­ schluß 3 an seinem vorderen oder Arbeitsende und einen hinteren Kopf 4 an seinem rückwärtigen Ende aufweist. Eine Vielzahl von Bohrern 5 ist in dem Gehäusekörper 2 in der Art untergebracht, wie es in US-PS 47 29 439 offen­ bart ist, auf die für die allgemeine Beschreibung von Bündelbohrern Bezug genommen wird.

Jeder der einzelnen Bohrer 5 ist in einem Durchgang 6 in dem Endverschluß 3 und in einem sich verjüngenden Durchgang 7 in dem hinteren Kopf 4 gelagert. Der verjüngende Durchgang 7 wirkt mit einer Abschrägung an jedem der einzel­ nen Bohrer 5 zusammen. Jeder der Bohrer 5 ist in dem entsprechenden ver­ jüngenden Durchgang 7 mittels einer Abdeckmutter 8 gehalten. Druckfluid wird jedem der umfangsmäßig angeordneten Bohrer 5 mit Hilfe radialer Verteil­ bohrungen 9 zugeführt.

Bei dem Bündelbohrer nach dem Stand der Technik ist der Bohrstrang an dem hinteren Kopf befestigt und liefert Druckfluid zu den radialen Verteilboh­ rungen. Nach der Erfindung wird der beim Stand der Technik vorhandene zen­ trale Bohrer entfernt und ist durch eine Kernstange 10 ersetzt. Die Kern­ stange 10 ist mit einer zentralen Bohrung 11 versehen, die Druckfluid dem hinteren Kopf zuführt. Die Kernstange 10 ist mit einem Gewinde 12 an ihrem vorderen Ende 13 versehen und sie ist mit dem hinteren Kopf durch ein Ge­ winde 14 oder andere geeignete Einrichtungen verbunden.

An dem hinteren Kopf 4 ist ein Muffenflansch 15 befestigt, der das Anbringen eines Schneckenbohrers oder eines Schneckenförderers an dem hinteren Kopf­ ende des Bohrers gestattet. An jedem der Bohrer 5 ist ein Gesteinsbohreinsatz 16 befestigt, der in Fig. 1 in gestrichelten Linien dargestellt ist und der durch den Bohrer 5 beaufschlagt ist, wodurch Gesteinsteilchen herausgeschla­ gen und entfernt werden. Fig. 2 zeigt die Orientierung der Bohrer 5 um die Mittelachse herum, die durch die Kernstange 10 gebildet ist. Druckfluid, im allgemeinen Druckluft, kann durch die Kernstange 10 und durch die radialen Verteilbohrungen 9 in dem hinteren Kopf 4 jedem der einzelnen Bohrer 5 zuge­ führt werden. Das Druckfluid schafft eine hämmernde Betriebsweise, die auf die Bohreinsätze 16 übertragen wird.

Wie Fig. 3 zeigt, ist der umgekehrte Bündelbohrer 1 an einem Bohrstrang 20 befestigt, der in ein zuvor gebohrtes Kernbohrloch 21 eingeführt ist, das etwa den gleichen Durchmesser hat wie der Bohrstrang. Der Bohrstrang 20 ist seinerseits mit einer Bohrmaschine 26 der dargestellten Art verbunden, bei­ spielsweise einer Bohrmaschine, wie sie von der NLC Company Limited, Tokio, Japan, hergestellt und unter dem Warenzeichen "Longyear Boring Machine" vertrieben wird. Die Bohrmaschine 26 liefert sowohl den Drehantrieb als auch die Zugkraft für den Bohrstrang zur Herstellung eines gebohrten Lochs 24.

Um ein waagerechtes Bohrloch herzustellen, werden Schächte 25 und 25 A an jedem Ende des beabsichtigten Bohrlochs gegraben. Eine Bohrmaschine 26 wird dann in einen der Schächte, z.B. den Schacht 25, eingesetzt und auf einem Fundament 27 befestigt. Die Bohrmaschine wird verwendet, um ein gebohrtes Loch im allgemeinen durch einen Kernbohrer in einem Durchmesserbereich von 100 bis 150 mm zwischen den Schächten 25 und 25 A in herkömmlicher Weise herzustellen, wobei Bohrstrangsegmente verwendet werden, um den Kernbohrer vorzuschieben.

Nach Fertigstellung des Kernlochs wird der Kernbohrer entfernt und durch den Bündelbohrer 1 nach der Erfindung ersetzt. Dann wird der Bohrstrang 20 zu­ rückgezogen und verdreht, wobei er den Bündelbohrer 1 mit sich zieht, und wobei er auch einen daran angebrachten Schneckenbohrer oder Schneckenför­ derer 30 mitzieht, der in einzelnen Abschnitten 30 A mittels eines Hilfskrans 32 oder dergleichen eingesetzt werden kann und dem Bündelbohrer 1 folgt.

Dem Bündelbohrer 1 wird beispielsweise durch einen Luftkompressor 31 Druckfluid durch die Bohrmaschine 26 und den Bohrstrang 20 hindurch zugeführt, um eine auf die Gesteinsschneideinsätze 16 wirkende, das Gestein schneidende oder zertrümmernde Schlagwirkung zu erzeugen. Während der Bohrer durch das Loch gezogen wird, vergrößert er dieses auf den gewünschten Durchmesser D ₂. Der Bohrstrang 20 mit dem kleineren Durchmesser D ₁ dient dazu, den Kernbohrer zu zentralisieren und zu stabilisieren, während dieser in das Loch mit größerem Durchmesser hineingezogen wird, welches er erzeugt. Da der Bohr­ strang auf Zug beansprucht ist und als Zentralisierung und Stabilisierung wirkt, wird zusammen mit dem Bündelbohrer 1 ein gerades Durchgangsloch ge­ bildet.

Das aus dem Bündelbohrer 1 austretende Druckfluid und die Wirkung der ro­ tierenden Förderschnecke 30, die dem Bündelbohrer 1 nachfolgt und an diesem mittels der Gewinde des Muffenflanschs 15 befestigt ist, trägt die Bruchstücke, die aus dem Loch mit großem Durchmesser herauskommen, aus und legt diese in dem Schacht 25 A ab, von wo die Bruchstücke entfernt werden können, so daß auf diese Weise das Bohrloch gereinigt wird. Wenn der Bündelbohrer 1 den Schacht 25 erreicht, wird er entfernt, und die Segmente der Förderschnecke 30 werden ebenfalls entfernt, womit die Herstellung des Lochs beendet ist. Die Verwen­ dung der Förderschnecke 30 bzw. eines entsprechenden Schneckenbohrers ver­ mindert wesentlich die Luftmenge, die zum Reinigen des Lochs benötigt wird. Jedoch kann auch Luft allein zum Reinigen des Lochs verwendet werden.

Das Bohrsystem gemäß der Erfindung wurde zum Bohren von Löchern von 500 bis 800 mm (20 bis 32 Zoll) Durchmesser in hartem Gestein verwendet, wobei Loch­ längen von 78 m (230 Fuß) mit Bohrgeschwindigkeiten erreicht wurden, die wesentlich höher als bei bekannten Bohrverfahren lagen. Das erfindungsgemäße Bohrsystem kann auch längere und größere Löcher herstellen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Bohren von Löchern in Gestein gekennzeichnet durch einen Bündelbohrer (1) zum Bohren des Gesteins der einen Vielzahl von schla­ gend arbeitenden Gesteinsbohrern (5) aufweist, die um seinen Umfang herum angeordnet sind, und der Einrichtungen zur Aufnahme eines Druck­ fluids und einer Drehkraft von einem Bohrstrang (20) her an seinem auf das Gestein einwirkenden Ende an der Mittellinie der Drehung aufweist.

2. Mehrfachbohrer zum Vergrößern des Durchmessers von gebohrten Löchern in Gestein, gekennzeichnet durch eine Anordnung einer Mehrzahl einzelner, eine Schlagwirkung erzeugender Gesteinsbohrer (5), die in einem zylin­ drischen Bohrkörper oder Gehäuse (2) aufgenommen sind, das ein rückwär­ tiges Ende (4) und ein vorderes Ende (3) aufweist, wobei das vordere Ende (3) die Bohrkronen (16) der Vielzahl der einzelnen Bohrer (5) trägt, die zum Schneiden des Gesteins um den Umfang des Gehäuses (2) herum angeordnet sind, sowie durch einen Bohrstrang (20), der an der Mittellinie der Gesteinsbohrer (5) angeschlossen ist, um die Vielzahl der einzelnen Bohrer (5) durch ein zuvor gebohrtes Bohrloch (21) hin­ durchzuziehen und die Bohrer (5) zu drehen, um das zuvor gebohrte Loch (21) aufzuweiten.

3. Mehrfachbohrer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrge­ häuse (2) die Gesteinsbohrer (5) vollständig umgibt und darüber hinaus mit Ausrichtmitteln, Sicherungs- oder Befestigungsmitteln sowie Mitteln zum Zuführen von Druckfluid zu jedem der Bohrer der Vielzahl der Bohrer (5) versehen ist, wobei das Druckfluid in die Bohrer (5) innerhalb des Gehäuses (2) eintritt und aus den Bohrern (5) außerhalb des Gehäuses (2) an dessen vorderem Ende (3) austritt, wodurch das Gehäuse (2) einen umfangsmäßigen Durchgang zum Austragen von Gesteinsteilchen bildet und Schutz für die einzelnen Bohrer (5) bietet.

4. Mehrfachbohrer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) mit einem zentralen Durchgang (11) zur Aufnahme von Druckfluid von dem vorderen Ende (3) des Gehäuses (2) versehen ist.

5. Mehrfachbohrer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zu­ führung von Druckfluid von dem vorderen Ende (3) des Gehäuses (2) eine zentrale Kernstange (10) vorgesehen ist, die etwa die gleichen Dimen­ sionen hat wie ein einzelner Bohrer (5) und die somit gegen diesen aus­ tauschbar ist, so daß eine Umkehrung der normalen Funktion und der nor­ malen Arbeitsrichtung des Bohrens des Mehrfachbohrers ermöglicht ist.

6. Mehrfachbohrer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zen­ trale Kernstange (10) den zentralen Bohrer (5) ersetzt und daß die Kern­ stange (10) an ihrem vorderen Ende (3) mit einem Gewinde (12) zur Be­ festigung eines Bohrstrangs (20) versehen ist, und daß die Kernstange (10) mit dem hinteren Ende (4) des Gehäuses (2) durch Befestigungsmit­ tel (7, 8) verbunden ist.

7. Mehrfachbohrer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an seinem rückwärtigen Ende (4) eine Schneckeneinrichtung (30) befestigt ist, die zum Austragen der ausgebohrten Teilchen beiträgt, wobei die Schnecken­ einrichtung (30) zusammen mit dem Bohrergehäuse (2) verdreht wird.

8. Mehrfachbohrer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecken­ einrichtung (30) mit dem rückwärtigen Ende (4) des Gehäuses (2) durch einen Muffenflansch (15) verbunden ist, der an einer Endplatte (4) des Gehäuses (2) befestigt werden kann, wobei die Befestigungsmit­ tel ferner als Abdichtung und Endkappe für die Endplatte (4) dienen.

9. Verfahren zum Vergrößern des Durchmessers eines gebohrten Lochs in Ge­ stein, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Absenken eines Schachts (25, 25 A) an jedem Ende des zu bohrenden Lochs (24);
• - Anordnen einer Bohrmaschine (26) in einem der Schächte (25);
• - Verwendung der Bohrmaschine (26) zur Herstellung eines gebohrten Lochs (21) mit relativ kleinem Durchmesser zwischen den Schächten (25, 25 A);
• - Befestigen eines umgekehrt montierten Bündelbohrers (1) an dem Bohr­ strang (20);
• - Verdrehen und Zurückziehen des Bohrstrangs (20) und des Bündelbohrers (1) durch das vorgebohrte Loch (21), um dieses aufzuweiten.