EP0131771B1 - Bohreinrichtung, insbesondere zur Verwendung im untertägigen Grubenbetrieb - Google Patents

Bohreinrichtung, insbesondere zur Verwendung im untertägigen Grubenbetrieb Download PDF

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EP0131771B1
EP0131771B1 EP84106927A EP84106927A EP0131771B1 EP 0131771 B1 EP0131771 B1 EP 0131771B1 EP 84106927 A EP84106927 A EP 84106927A EP 84106927 A EP84106927 A EP 84106927A EP 0131771 B1 EP0131771 B1 EP 0131771B1
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EP
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drilling
pressure
high pressure
drilling device
feed
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EP84106927A
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Klaus Prof. Dr.-Ing. Spies
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/18—Drilling by liquid or gas jets, with or without entrained pellets
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/20—Flexible or articulated drilling pipes, e.g. flexible or articulated rods, pipes or cables
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B19/00—Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables
    • E21B19/08—Apparatus for feeding the rods or cables; Apparatus for increasing or decreasing the pressure on the drilling tool; Apparatus for counterbalancing the weight of the rods
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B19/00—Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables
    • E21B19/22—Handling reeled pipe or rod units, e.g. flexible drilling pipes

Definitions

  • the invention relates to a drilling device, in particular for use in underground mining operations, the drill bit of which is arranged deepest in the borehole for cutting the rock and has high-pressure water jet nozzles and is connected to a high-pressure pump by a flexible high-pressure hose line.
  • Such a drilling device known from the prior art (DE-A-3 141 856) has the particular advantage that no rigid boring bars are required.
  • the flexible high-pressure hose line allows holes of any length to be produced in one direction from narrow spaces in a mine, the length of the holes being limited only by the length of the high-pressure hose.
  • the previously known drilling device of the type mentioned has the disadvantage that the boreholes produced with it must have a very large caliber and can only be held in a directionally stable manner with difficulty.
  • the relatively large caliber is necessary because in the known drilling device the rotary drive and the feed drive are arranged deepest in the borehole and require appropriate space. Due to the relatively large caliber, the previously known drilling device can only be used economically in easily drilled rock, for example for drilling in coal seams for the production of impregnation holes, but not in hard rock for the production of small-caliber rock anchor holes or blast holes.
  • the directional stability is poor because the high-pressure hose line cannot provide the drill bit with any guidance.
  • a drilling device is also known, the small-caliber drill bit for cutting the rock is provided with high-pressure water jet nozzles.
  • hollow, rotatably driven rigid boring bars are used for supplying the high-pressure water, so that this device has no significant advantages over conventional drilling devices with a rigid drill pipe.
  • the flexible shaft As the drill pipe, which stiffens when a torque is applied to form a rigid rod.
  • the flexible shaft consists of a flexible inner element and an outer helical spring element, which is also flexible and, when a correspondingly strong torque is transmitted, reduces its diameter in such a way that it presses onto the flexible inner element from the outside and stiffens with it Unity forms.
  • this flexible shaft is grasped immediately below the mouth of the borehole by the rotary and feed drive arranged there, so that only the section of the flexible shaft located in the borehole is rigid, while the section of the flexible shaft behind the rotating and feed device is flexible remains.
  • This drilling device therefore allows the flexible boron rod to be angled in any direction.
  • the invention proposes, starting from a drilling device of the type mentioned at the outset, that the high-pressure hose line is designed to be torsionally rigid, is connected in a rotationally fixed manner to the drill bit and the rotary drive of the drilling machine, and is mounted in a non-rotatable jacket tube which can be deflected elastically from the extended position, which is rigid in the radial direction, is guided in the region of the mouth of the borehole in a deflection device and can be displaced in its longitudinal direction together with the high-pressure hose line.
  • the invention is based on the knowledge that when drilling with high-pressure water jet nozzles, relatively low feed forces and torques have to be transmitted from the boron rod.
  • the torque to be transmitted only needs to overcome the friction resulting from the rotation of the nozzle drill bit and the high-pressure hose.
  • the feed force only has to compensate for the weight of the nozzle drill bit, the high pressure hose and the cladding tube as well as the recoil force of the nozzles.
  • neither torques nor feed forces need to be transmitted.
  • a torsionally rigid high-pressure hose line is completely sufficient for the transmission of the relatively weak torque.
  • a sufficiently rigid cladding tube that can be deflected elastically from the extended position is also sufficient for the transmission of the relatively low feed forces.
  • the cladding tube cannot be rotated, it can be guided in a particularly simple manner in a deflection device in the region of the borehole mouth and, due to its elastic restoring forces in the borehole, forms a sufficiently precise guide for the drill bit, so that a directionally stable drilling is ensured.
  • anchor drill holes of any length can be produced with the drilling device according to the invention, the direction of which runs at an angle to the longitudinal direction of the line. In the same way, it is possible to produce angled boreholes angled from the edge of the route on the face.
  • a preferred embodiment of the drilling device according to the invention provides that the cladding tube consists of a helical spring wound from spring steel wire with adjoining screw threads.
  • Such a cladding tube is cheap and easy to manufacture, has relatively great rigidity in the extended position and can nevertheless be angled as desired in the region of the deflection device without changing its diameter.
  • the high-pressure hose is surrounded by a wear jacket, in particular in the form of a helical spring that is tightly wound around the high-pressure hose.
  • This coil spring protects the high-pressure hose from wear and is also suitable to a certain extent to support the torsional rigidity of the high-pressure hose.
  • the cladding tube is lined liquid-tight on the inner wall and / or the outer wall and the annular space between the cladding tube and the high-pressure hose is filled with grease.
  • the deflection device In order to give the cladding tube exact guidance over a sufficiently large length in the deflection area, the deflection device has a deflection roller and a link chain-like, angularly adjustable guide equipped with guide rollers, which guides the cladding tube behind the deflection roller.
  • the deflection device has a tapping guide, which can be shifted and locked to change the deflection angle on a guide curve and is connected to the link chain-like guide, the guide curve being designed such that the link chain-like guide is always tensioned and one forms the optimum bending radius for the cladding tube.
  • This deflection device allows the cladding tube and the high-pressure hose guided therein, to the extreme end of which the nozzle drill bit is attached, to be brought into the correct position during drilling and to be pushed in the correct angular position during the entire drilling process.
  • the deflection device In order to ensure a straight course of the cladding tube outside the borehole, the deflection device contains drive rollers which keep the cladding tube stretched in the longitudinal direction between the deflection device and the drilling machine.
  • the drilling machine is expediently mounted on a drill carriage and can be moved in the longitudinal direction of the drill carriage by means of a controllable feed drive by advancing the cladding tube and the high-pressure hose rotatably mounted therein. Since the longitudinal axis of the drill carriage can run at any angle to the longitudinal axis of the borehole, such a drill carriage can easily be set up, for example, on the faceplate or in the edge region of a line.
  • a rotatable pressurized water supply is expediently arranged at the beginning of the high pressure hose.
  • a hollow shaft is provided which is connected to the high-pressure hose and is driven by the rotary drive of the drilling machine, which is rotatably mounted in a pressurized water pressure housing, is provided in the center with openings for the pressurized water inlet and on both sides through the center symmetrically arranged sealing sleeves is sealed against the pressure housing.
  • the invention further provides that the sealing sleeves are acted upon on the rear side by a second pressure medium of high viscosity, the pressure of which is slightly higher than that of the pressurized water.
  • This highly viscous second pressure medium prevents high-pressure water from passing through the sealing sleeves, but due to its high viscosity only reaches the pressure water in very small quantities.
  • a pressure intensifier is switched on between the high-pressure water and the high viscosity medium, the transmission ratio of which is between 1: 1.1 and 1: 2.
  • the feed speeds of the drive rollers of the deflection device, the speed of rotation of the drilling machine and the operating pressure of the high-pressure pump are advantageously regulated in such a way that an optimal drilling progress results depending on the hardness of the rock to be drilled.
  • Such a control device enables optimal drilling results, even if the hardness of the rock to be drilled changes.
  • the feed speed of the feed drive of the drill and the feed speed of the drive rollers of the deflection device are expediently coordinated with one another in such a way that the cladding tube between the drill and the deflection device is always kept tight. On the one hand, this prevents the feed drive of the drive rollers from pulling the heavy drilling machine. On the other hand, it is avoided that the cladding tube between the drill and the deflection device is bent laterally.
  • Fig. 1 it can be seen that the device for angled drilling is arranged on a normal drill carriage 1 with a pivotable boom 2 and a drill carriage 3.
  • a different type of manipulator can also accommodate the drill carriage 3, for example a device suitable for mechanized tunneling or the production of anchor drill holes in extraction struts.
  • a nozzle drill bit 4 is arranged at the free end of a pressure supply system, which is designated in its entirety with the reference number 5 and can be deflected by a deflection device 7 directly in front of the borehole mouth 6.
  • a drill 8 can be moved in the longitudinal direction of the drill carriage.
  • the high-pressure water is fed to the drilling machine 8 from a high-pressure pump 10 via a connection high-pressure hose line 9.
  • Rotating and swiveling cylinders 11 and a locking device 12 for fixing the drill carriage 3 complete the device.
  • the drilling machine 8 moves on the drill carriage 3 towards the borehole, while the deflection of the pressure supply system 5 takes place in the deflection device 7.
  • the length of the angled borehole is not determined by the narrowness of the pit space, but only by the movement stroke of the drilling machine 8 on the drilling mount 3 and the total length of the pressure supply system 5.
  • the pressure supply system 5 shown in Fig. 2 consists of a torsionally rigid high-pressure hose 13, the clear cross section of which is dimensioned such that the amount of water required for the nozzle core bit 4 can be passed through without too great a pressure loss, and the bursting pressure of which is so high that there is sufficient security compared to the maximum operating pressure.
  • a helical spring 14 is firmly wound around this high-pressure hose line 13, which serves as wear protection and additionally increases the torsional rigidity.
  • the high-pressure hose line 13 and the helical spring 14 are arranged in a cladding tube 15 with a sufficiently large amount of play, which is also designed as a tightly wound helical spring with adjoining screw threads.
  • the annular space 16 between the helical spring 14 and the cladding tube 15 is filled with lubricant, preferably with grease, in order to reduce the mutual friction when the high-pressure hose line 13 is rotated in the cladding tube 15 arranged in a rotationally fixed manner.
  • lubricant preferably with grease
  • the inner wall of the casing tube 15, which is designed as a helical spring, is of course formed with a corresponding liquid-tight covering.
  • the design of the cladding tube 15 as a helical spring with adjoining screw threads means that the cladding tube is relatively stable in the extended position and can nevertheless be deflected by appropriate deflecting forces.
  • Fig. 3 shows the basic structure and operation of the device for angled high pressure water drilling.
  • a tapping guide 17 which gives the cladding tube 15 and the high-pressure hose line arranged therein and carrying the nozzle drill bit 4 the required exact guidance at the desired angle during tapping.
  • the tapping guide 17 has a bore 18 which also leads the cladding tube 15 in the desired direction during the normal drilling process.
  • the tapping guide is covered by a sleeve 19 which ensures that the drilling water and cuttings emerging from the borehole mouth 6 do not contaminate the tapping guide 17 and the other mechanical devices or stick after drying out.
  • the tapping guide 17 can be displaced and locked on a guide curve 20 of the deflection device 7 by movement mechanisms which are not shown in detail.
  • the drilling machine 8 can be moved on the drill carriage 3 by means of a feed drive 23, the feed drive being a hydraulic, electric or compressed air motor with a controllable rotational speed in order to generate a variable feed speed which automatically adapts to the needs of the drilling process.
  • Another motor 24, which is also controllable, generates the rotary movement necessary for drilling via a countershaft 25, the high-pressure water being fed into the high-pressure hose line 13 from the high-pressure pump 10 via the rotatable pressurized water feed 26.
  • the control motors for the drive rollers 27 as well as the propulsion drive 23 and the motor 24 can be linked to one another by a control system, measured values relating to the progress of the drilling being entered into the control system and automatically ensuring an optimal interaction of the drives and thus an optimal drilling process via its logic circuit.
  • the water pressure of the high pressure pump 10 can also be influenced by this control mechanism.
  • the guide 22 constructed in the manner of a link chain is connected to the tapping guide 17 in such a way that the tapping guide 17 and the link chain-like guide 22 simultaneously move with one another when the articulation angle changes.
  • This pressurized water feed 26 has a hollow shaft 38 which is rotatably mounted in a pressure housing 39 and has openings 37 in the center for the passage of the high pressure water and a connection 40 at one end for the connection of the high pressure hose line 13 having.
  • the shaft is driven at its opposite end 41 by the motor 24 shown in FIG. 3 and the countershaft 25.
  • the sealing elements for the hollow shaft 38 are constructed symmetrically. The main sealing takes place on the two sealing sleeves 42.
  • the sealing sleeves 42 are pressurized from their rear side via chambers 43 with a slightly higher pressure than the one to be sealed with a highly viscous second pressure medium .
  • a pressure intensifier 44 which is pressurized with the high-pressure water on its full piston surface 45 and with the highly viscous second pressure medium on its annular surface 46, ensures that the sealing sleeves 42 are each subjected to a slightly higher pressure than the operating pressure on their rear side, thereby providing an absolute seal of the high pressure water is achieved.
  • Two further sealing sleeves 47 seal the highly viscous medium. Because of the considerably higher viscosity compared to the high pressure water and the lubricity of the second pressure medium, there are no sealing problems at this sealing point.
  • the sealing sleeves 48 only serve to avoid pressure losses of the highly viscous medium and the ingress of dust.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Bohreinrichtung, insbesondere zur Verwendung im untertägigen Grubenbetrieb, deren im Bohrlochtiefsten angeordnete Bohrkrone zum Schneiden des Gesteins Hochdruckwasserstrahldüsen aufweist und durch eine biegsame Hochdruckschlauchleitung mit einer Hochdruckpumpe in Verbindung steht.
  • Eine derartige, nach dem Stande der Technik (DE-A-3 141 856) bekannte Bohreinrichtung hatden besonderen Vorteil, dass keine starren Bohrstangen benötigt werden. Die biegsame Hochdruckschlauchleitung gestattet es, aus beengten Grubenräumen heraus in beliebigen Richtungen beliebig lange Bohrlöcher in einem Zuge herzustellen, wobei die Länge der Bohrlöcher nur durch die Länge des Hochdruckschlauches begrenzt ist.
  • Die vorbekannte Bohreinrichtung der genannten Art hat jedoch den Nachteil, dass die damit hergestellten Bohrlöcher ein sehr grosses Kaliber haben müssen und nur schwer richtungsstabil gehalten werden können. Das verhältnismässig grosse Kaliber ist notwendig, weil bei der bekannten Bohreinrichtung der Drehantrieb und der Vorschubantrieb im Bohrlochtiefsten angeordnet sind und entsprechenden Raum benötigen. Aufgrund des relativ grossen Kalibers kann die vorbekannte Bohreinrichtung wirtschaftlich nur in leicht bohrbarem Gestein, beispielsweise zum Bohren in Kohleflözen zur Herstellung von Tränklöchern, nicht aber im Hartgestein zum Herstellen von kleinkalibrigen Gebirgsankerlöchern oder Sprenglöchern verwendet werden. Die Richtungsstabilität ist mangelhaft, weil die Hochdruckschlauchleitung der Bohrkrone keinerlei Führung vermitteln kann.
  • Nach dem Stande der Technik (DE-A-3 029 963) ist weiterhin eine Bohreinrichtung bekannt, deren kleinkalibrige Bohrkrone zum Schneiden des Gesteins mit Hochdruckwasserstrahldüsen versehen ist. Dort werden jedoch zur Zuleitung des Hochdruckwassers hohl ausgebildete, drehend angetriebene starre Bohrstangen verwendet, so dass diese Einrichtung keine wesentlichen Vorteile gegenüber herkömmlichen Bohreinrichtungen mit starrem Bohrgestänge hat.
  • Schliesslich sind nach dem Stande der Technik (US-A-4 057 115 und DE-A-3 043 512) Bohreinrichtungen bekannt, die als Bohrgestänge eine flexible Welle verwenden, die sich beim Aufbringen eines Drehmomentes zu einer starren Stange versteift. Zu diesem Zweck besteht die flexible Welle aus einem flexiblen inneren Element und einem äusseren schraubengangförmigen Federelement, welches ebenfalls flexibel ist und bei Übertragung eines entsprechend starken Drehmomentes seinen Durchmesser derart verringert, dass es sich von aussen auf das flexible innere Element aufpresst und mit diesem eine verstarrte Einheit bildet. Diese biegsame Welle wird bei dieser vorbekannten Bohreinrichtung unmittelbar unterhalb des Bohrlochmundes von dem dort angeordneten Dreh-und Vorschubantrieb erfasst, so dass nur der im Bohrloch befindliche Abschnitt der biegsamen Welle verstarrt ist, während der hinter der Dreh- und Vorschubeinrichtung liegende Abschnitt der biegsamen Welle biegsam bleibt. Diese Bohreinrichtung gestattet es also, das biegsame Borgestänge in beliebigen Richtungen abzuwinkeln.
  • Die zuletzt diskutierten Bohreinrichtungen haben sich jedoch in der Praxis nicht bewährt, weil die Steifigkeit der verstarrbaren biegsamen Welle nicht ausreicht, die für den Bohrvorgang erforderlichen Schubkräfte und Drehmomente zu übertragen. Ausserdem ist durch Reibung der nicht ganz steifen biegsamen Welle an der Bohrlochwandung der Verschleiss ausserordentlich gross. Schliesslich ist auch hier die Richtungsstabilität wegen der starken zu übertragenden Schubkräfte und den damit verbundenen Auslenkungen des versteiften Abschnittes der biegsamen Welle schlecht.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, die Bohreinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass sie zum abgewinkelten Bohren von richtungsstabilen kleinkalibrigen Bohrlöchern, beispielsweise zur Herstellung von Ankerlöchern oder Sprenglöchern geeignet ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einer Bohreinrichtung der eingangs genannten Art vor, dass die Hochdruckschlauchleitung torsionssteif ausgebildet ist, drehfest mit der Bohrkrone und dem Drehantrieb der Bohrmaschine verbunden ist und in einem nicht verdrehbaren, aus der Streckstellung elastisch ablenkbaren Hüllrohr gelagert ist, welches in radialer Richtung steif ausgebildet ist, im Bereich des Bohrlochmundes in einer Ablenkeinrichtung geführt ist und zusammen mit der Hochdruckschlauchleitung in seiner Längsrichtung verschiebbar ist.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass beim Bohren mit Hochdruckwasserstrahldüsen von dem Borgestänge verhältnismässig geringe Vorschubkräfte und Drehmomente übertragen werden müssen. Das zu übertragende Drehmoment braucht lediglich die aus der Drehung der Düsenbohrkrone und des Hochdruckschlauches resultierende Reibung zu überwinden. Die Vorschubkraft hat lediglich das Gewicht der Düsenbohrkrone, des Hochdruckschlauches und des Hüllrohres sowie die Rückstosskraft der Düsen zu kompensieren. Für den eigentlichen Bohrvorgang brauchen hingegen weder Drehmomente noch Vorschubkräfte übertragen zu werden. Aus diesem Grunde reicht hier für die Übertragung des verhältnismässig schwachen Drehmomentes eine torsionssteif ausgebildete Hochdruckschlauchleitung vollständig aus. Ebenso reicht für die Übertragung der verhältnismässig geringen Vorschubkräfte ein hinreichend steifes, aus der Streckstellung elastisch ablenkbares Hüllrohr aus. Dadurch, dass das Hüllrohr nicht verdrehbar ist, lässt es sich im Bereich des Bohrlochmundes auf besonders einfache Weise in einer Ablenkvorrichtung führen und bildet aufgrund seiner elastischen Rückstellkräfte im Bohrloch eine hinreichend genaue Führung für die Bohrkrone, so dass ein richtungsstabiles Bohren sichergestellt ist.
  • Mit der Bohreinrichtung gemäss der Erfindung ist es beispielsweise möglich, aus einem engen Strebraum heraus in einem Zuge beliebig lange Ankerbohrlöcher in die Dachschichten einzubringen, deren Länge einem mehrfachen der Flözmächtigkeit entspricht. Beim maschinellen Streckvortrieb, wo die Gewinnungsmaschine den wesentlichen Teil des Streckenquerschnittes einnimmt, können mit der Bohrvorrichtung gemäss der Erfindung aus dem Streckenrandbereich heraus beliebig lange Ankerbohrlöcher hergestellt werden, deren Richtung im Winkel zur Streckenlängsrichtung verläuft. In gleicher Weise ist es möglich, vom Streckenrandbereich her an der Ortsbrust abgewinkelt Sprengbohrlöcher herzustellen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Bohreinrichtung gemäss der Erfindung sieht vor, dass das Hüllrohr aus einer aus Federstahldraht gewickelten Schraubenfeder mit aneinander anliegenden Schraubengängen besteht. Ein derartiges Hüllrohr ist billig und einfach herzustellen, hat in der Streckstellung verhältnismässig grosse Steifigkeit und lässt sich dennoch im Bereich der Ablenkvorrichtung beliebig abwinkeln, ohne seinen Durchmesser zu verändern.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass der Hochdruckschlauch von einem Verschleissmantel umgeben ist, insbesondere in Form einer eng um den Hochdruckschlauch gewickelten Schraubenfeder. Diese Schraubenfeder schützt den Hochdruckschlauch vor Verschleiss und ist darüber hinaus in gewissem Umfange dazu geeignet, die Torsionssteifigkeit des Hochdruckschlauches zu unterstützen.
  • Um die Reibung zwischen dem Hüllrohr und dem Hochdruckschlauch möglichst gering zu halten, ist das Hüllrohr an der Innenwand und/oder der Aussenwand flüssigkeitsdicht verkleidet und der Ringraum zwischen dem Hüllrohr und dem Hochdruckschlauch mit Fett gefüllt.
  • Um dem Hüllrohr im Ablenkbereich über eine ausreichend grosse Länge eine exakte Führung zu geben, weist die Ablenkvorrichtung eine Ablenkrolle und eine laschenkettenartige, mit Führungsrollen bestückte winkelverstellbare Führung auf, die das Hüllrohr hinter der Ablenkrolle führt.
  • Zum Zwecke des Ansetzens eines neuen Bohrloches weist die Ablenkvorrichtung eine Anbohrführung auf, die zur Veränderung des Ablenkwinkels an eine Führungskurve verschiebbar und feststellbar ist und mit der laschenkettenartigen Führung verbunden ist, wobei die Führungskurve so ausgebildet ist, dass die laschenkettenartige Führung immer gespannt ist und einen für das Hüllrohr optimalen Biegeradius bildet. Diese Ablenkeinrichtung gestattet es, das Hüllrohr und den darin geführten Hochdruckschlauch, an dessen äusserstem Ende die Düsenbohrkrone befestigt ist, beim Anbohren in die richtige Position zu bringen und das Hüllrohr während des gesamten Bohrvorganges in der richtigen Winkelstellung nachzuschieben.
  • Um zu verhindern, dass die Anbohrführung und die damit verbundene Ablenkvorrichtung durch aus dem Bohrloch austretenden Bohrschlamm verschmutzt wird, sind diese Teile durch eine über der Anbohrvorrichtung angeordnete Manschette geschützt.
  • Um einen geradlinigen Verlauf des Hüllrohres ausserhalb des Bohrloches sicherzustellen, enthält die Ablenkvorrichtung Antriebsrollen, die das Hüllrohr zwischen der Ablenkvorrichtung und der Bohrmaschine in Längsrichtung gespannt halten.
  • Die Bohrmaschine ist zweckmässig auf einer Bohrlafette gelagert und mittels eines regelbaren Vorschubantriebes unter Vorschub des Hüllrohres und des darin drehbar gelagerten Hochdruckschlauches in Längsrichtung der Bohrlafette verfahrbar. Da die Längsachse der Bohrlafette in beliebigen Winkeln zur Längsachse des Bohrloches verlaufen kann, kann eine solche Bohrlafette ohne weiteres beispielsweise auf der Strebsohle oder im Randbereich einer Strecke aufgestellt werden.
  • Zur Einleitung des Hochdruckwassers in den Hochdruckschlauch ist am Anfang des Hochdruckschlauches zweckmässig eine drehbare Druckwassereinspeisung angeordnet. Um diese Druckwassereinspeisung von axial gerichteten Druckkräften freizuhalten, ist eine mit dem Hochdruckschlauch verbundene, vom Drehantrieb der Bohrmaschine drehend angetriebene Hohlwelle vorgesehen, die in einem mit dem Druckwasser beaufschlagten Druckgehäuse drehbar gelagert ist, mittig mit Öffnungen für den Druckwassereintritt versehen ist und beiderseits der Mitte durch symmetrisch angeordnete Dichtungsmanschetten gegen das Druckgehäuse abgedichtet ist.
  • Um die Dichtmanschetten trotz der sehr hohen Wasserdrücke dichtzuhalten, sieht die Erfindung weiterhin vor, dass die Dichtmanschetten auf ihrer Rückseite durch ein zweites Druckmedium hoher Viskosität beaufschlagt sind, dessen Druck geringfügig höher als der des Druckwassers ist. Dieses hochviskose zweite Druckmedium verhindert den Durchtritt von Hochdruckwasser durch die Dichtungsmanschetten, gelangt aber aufgrund seiner hohen Viskosität nur in sehr geringen Mengen in das Druckwasser.
  • Um den Druck in dem zweiten Druckmedium hoher Viskosität automatisch immer im richtigen Verhältnis zu dem momentanen Druck des Druckwassers zu halten, ist zwischen dem Hochdruckwasser und dem Medium hoher Viskosität ein Druckübersetzer eingeschaltet, dessen Übersetzungsverhältnis zwischen 1:1,1 und 1:2 liegt.
  • Schliesslich sind in vorteilhafter Weise die Vorschubgeschwindigkeiten der Antriebsrollen der Ablenkeinrichtung, die Drehgeschwindigkeit der Bohrmaschine und der Betriebsdruck der Hochdruckpumpe so geregelt, dass sich in Abhängigkeit von der Härte des zu bohrenden Gesteins ein optimaler Bohrfortschritt ergibt. Eine solche Regeleinrichtung ermöglicht optimale Bohrergebnisse, auch wenn die Härte des zu bohrenden Gesteins sich ändert.
  • Zweckmässig sind weiterhin die Vorschubgeschwindigkeit des Vorschubantriebes der Bohrmaschine und die Vorschubgeschwindigkeit der Antriebsrollen der Ablenkeinrichtung so aufeinander abgestimmt, dass das Hüllrohr zwischen der Bohrmaschine und der Ablenkeinrichtung stets strammgehalten wird. Hierdurch wird einerseits vermieden, dass der Vorschubantrieb der Antriebsrollen die schwere Bohrmaschine ziehen muss. Andererseits wird vermieden, dass das Hüllrohr zwischen der Bohrmaschine und der Ablenkeinrichtung seitlich abgebogen wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine Bohreinrichtung gemäss der Erfindung schematisch im Aufbau;
    • Fig. 2 in perspektivischer Darstellung den Aufbau der Hochdruckschlauchleitung und des Hüllrohres;
    • Fig. 3 eine Prinzipskizze der gesamten maschinellen Einrichtung;
    • Fig. 4 den Aufbau des Ablenksystems im einzelnen;
    • Fig. 5 die für die Bohreinrichtung gemäss der Erfindung unbedingt erforderliche Druckwassereinspeisung schematisch im Längsschnitt.
  • In Fig. 1 ist erkennbar, dass die Einrichtung für das abgewinkelte Bohren auf einem normalen Bohrwagen 1 mit einem schwenkbaren Ausleger 2 und einer Bohrlafette 3 angeordnet ist. Anstelle des Bohrwagens kann auch ein andersgearteter Manipulator die Bohrlafette 3 aufnehmen, beispielsweise ein für den maschinellen Streckenvortrieb oder das Herstellen von Ankerbohrlöchern in Gewinnungsstreben geeignetes Gerät.
  • Eine Düsenbohrkrone 4 ist am freien Ende eines Druckzuleitungssystems angeordnet, welches in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet ist und unmittelbar vor dem Bohrlochmund 6 durch eine Ablenkeinrichtung 7 ablenkbar ist. Auf der Bohrlafette 3 ist eine Bohrmaschine 8 in Längsrichtung der Bohrlafette verschiebbar. Das Hochdruckwasser wird der Bohrmaschine 8 über eine Anschluss-Hochdruckschlauchleitung 9 von einer Hochdruckpumpe 10 zugeführt. Dreh- und Schwenkzylinder 11 sowie eine Arretierungseinrichtung 12 zum Festlegen der Bohrlafette 3 ergänzen die Einrichtung. Während des Bohrvorganges bewegt sich die Bohrmaschine 8 auf der Bohrlafette 3 auf das Bohrloch zu, während die Ablenkung des Druckzuleitungssystems 5 in der Ablenkeinrichtung 7 erfolgt. Nicht die Enge des Grubenraumes, sondern lediglich der Bewegungshub der Bohrmaschine 8 auf der Bohrlafette 3 sowie die Gesamtlänge des Druckzuleitungssystems 5 bestimmen die Länge des abgewinkelten Bohrloches.
  • Das in Fig. 2 dargestellte Druckzuleitungssystem 5 besteht aus einer torsionssteif ausgebildeten Hochdruckschlauchleitung 13, deren lichter Querschnitt so bemessen ist, dass die für die Düsenbohrkrone 4 erforderliche Wassermenge ohne allzu grossen Druckverlust hindurchgeleitet werden kann, und deren Berstdruck so hoch ist, dass eine hinreichende Sicherheit gegenüber dem maximalen Betriebsdruck besteht. Um diese Hochdruckschlauchleitung 13 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Schraubenfeder 14 fest aufgewikkelt, die als Verschleissschutz dient und zusätzlich die Torsionssteifigkeit verstärkt. Die Hochdruckschlauchleitung 13 und die Schraubenfeder 14 sind in einem Hüllrohr 15 mit ausreichend grossem Bewegungsspiel angeordnet, welches ebenfalls als enggewickelte Schraubenfeder mit aneinanderliegenden Schraubengängen ausgebildet ist. Der Ringraum 16 zwischen der Schraubenfeder 14 und dem Hüllrohr 15 ist mit Schmiermittel, vorzugsweise mit Fett, ausgefüllt, um die gegenseitige Reibung beim Drehen der Hochdruckschlauchleitung 13 in dem drehfest angeordneten Hüllrohr 15 herabzusetzen. Zu diesem Zweck ist natürlich die Innenwand des als Schraubenfeder ausgebildeten Hüllrohres 15 mit einer entsprechenden flüssigkeitsdichten Verkleidung ausgebildet. Die Ausbildung des Hüllrohres 15 als Schraubenfeder mit aneinander anliegenden Schraubengängen bewirkt, dass das Hüllrohr in der Strecklage verhältnismässig stabil ist und dennoch durch entsprechende Ablenkkräfte abgelenkt werden kann.
  • Fig. 3 zeigt den grundsätzlichen Aufbau und die Funktionsweise der Einrichtung für das abgewinkelte Hochdruckwasserbohren. Vor dem Bohrloch befindet sich eine Anbohrführung 17, die dem Hüllrohr 15 und der darin angeordneten, die Düsenbohrkrone 4 tragenden Hochdruckschlauchleitung beim Anbohren die erforderliche exakte Führung in dem gewünschten Winkel erteilt. Die Anbohrführung 17 weist eine Bohrung 18 auf, die auch während des normalen Bohrvorganges das Hüllrohr 15 in der gewünschten Richtung führt. Abgedeckt ist die Anbohrführung von einer Manschette 19, welche bewirkt, dass das aus dem Bohrlochmund 6 austretende Bohrwasser und Bohrklein die Anbohrführung 17 und die übrigen maschinellen Einrichtungen nicht verschmutzen bzw. nach Austrocknen verkleben. Die Anbohrführung 17 ist durch nicht im einzelnen dargestellte Bewegungsmechanismen auf einer Führungskurve 20 der Ablenkeinrichtung 7 verschiebbar und feststellbar. Eine Ablenkrolle 21 und eine laschenkettenartige Führung 22, die in ihrem Krümmungsradius und Ablenkwinkel mit der Anbohrführung 17 verstellt werden kann, gewährleistet die eigentliche Umlenkung, wobei sämtliche Rollenlaufbahnen so ausgebildet sind, dass sie das Hüllrohr 15 optimal umfassen.
  • Die Bohrmaschine 8 kann mittels eines Vorschubantriebes 23 auf der Bohrlafette 3 bewegt werden, wobei zur Erzeugung einer veränderbaren, den Bedürfnissen des Bohrvorganges sich automatisch anpassenden Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubantrieb ein Hydraulik-, Elektro- oder Druckluftmotor mit regelbarer Drehgeschwindigkeit ist. Ein weiterer ebenfalls regelbarer Motor 24 erzeugt über ein Vorgelege 25 die zum Bohren notwendige Drehbewegung, wobei das Hochdruckwasser von der Hochdruckpumpe 10 aus über die drehbare Druckwassereinspeisung 26 in die Hochdruckschlauchleitung 13 eingegeben wird.
  • Ebenfalls durch einen nicht dargestellten Regelantrieb angetriebene Antriebsrollen 27, die eine einstellbare geringe Zugkraft auf das Hüllrohr 15 ausüben, sind in der Ablenkeinrichtung 7 angeordnet. Die Regelmotoren für die Antriebsrollen 27 sowie der Vortriebsantrieb 23 und der Motor 24 können durch ein Regelungssystem miteinander verknüpft sein, wobei Messwerte über den Bohrfortschritt in das Regelsystem eingegeben werden und über dessen Verknüpfungsschaltung automatisch ein optimales Zusammenwirken der Antriebe und damit einen optimalen Bohrvorgang gewährleisten. Der Wasserdruck der Hochdruckpumpe 10 kann ebenfalls durch diesen Steuer- und Regelmechanismus beeinflusst werden.
  • In Fig. 4 sind die wichtigsten Einzelheiten der Ablenkeinrichtung 7 dargestellt. Eine Ablenkrolle mit grossem Durchmesser, die in ihrer Formgebung dem Aussenumfang des Hüllrohres 15 angepasst ist, und jeweils Einlaufrollen am Einlauf 28 und Auslaufrollen am Auslauf 29 sorgen für das einwandfreie Einlaufen und Auslaufen des Hüllrohres 15. Die eigentliche winkelveränderbare Umlenkung erfolgt durch die laschenkettenartige Führung 22 (Fig. 3), die Führungsrollen 31 bis 34 aufweist, die auf laschenartig durch Gelenke 35 miteinander verbundenen Lagerelementen 36 angeordnet sind. Die laschenkettenartig aufgebaute Führung 22 ist mit der Anbohrführung 17, wie bereits erwähnt, in einer solchen Form verbunden, dass die Anbohrführung 17 und die laschenkettenartige Führung 22 sich bei Veränderung des Anlenkwinkels gleichzeitig miteinander bewegen.
  • Fig. 5 zeigt die wesentlichen Teile der Druckwassereinspeisung 26. Diese Druckwassereinspeisung 26 weist eine Hohlwelle 38 auf, die drehbar in einem Druckgehäuse 39 gelagert ist und mittig Öffnungen 37 für den Durchtritt des Hochdruckwassers und an einem Ende einen Anschluss 40 für den Anschluss der Hochdruckschlauchleitung 13 aufweist. Der Drehantrieb der Welle erfolgt an ihrem entgegengesetzten Ende 41 durch den in Fig. 3 dargestellten Motor 24 und das Vorgelege 25. Um einen axialen Kräfteausgleich zu schaffen, sind die Abdichtungselemente für die Hohlwelle 38 symmetrisch aufgebaut. Die Hauptabdichtung erfolgt an den beiden Dichtungsmanschetten 42. Da jedoch auf Dauer bei sehr hohen Wasserdrücken radiale Abdichtungen keine einwandfreie und absolute Dichtung gewährleisten, sind die Dichtungsmanschetten 42 von ihrer Rückseite über Kammern 43 mit einem etwas höheren als dem abzudichtenden Druck über ein hochviskoses zweites Druckmedium beaufschlagt. Ein Druckübersetzer 44, der auf seiner vollen Kolbenfläche 45 mit dem Hochdruckwasser und auf seiner Ringfläche 46 mit dem hochviskosen zweiten Druckmedium beaufschlagt ist, sorgt dafür, dass die Dichtungsmanschetten 42 auf ihrer Rückseite jeweils mit etwas höherem als dem Betriebsdruck beaufschlagt sind und dadurch eine absolute Abdichtung des Hochdruckwassers erzielt wird. Zwei weitere Dichtungsmanschetten 47 dichten das hochviskose Medium ab. Wegen der gegenüber dem Hochdruckwasser erheblich höheren Viskosität und der Schmierfähigkeit des zweiten Druckmediums treten an dieser Dichtstelle keine Abdichtungsprobleme auf. Die Dichtungsmanschetten 48 dienen lediglich dazu, Druckverluste des hochviskosen Mediums und das Eindringen von Staub zu vermeiden.

Claims (15)

1. Bohreinrichtung, insbesondere zur Verwendung im untertägigen Grubenbetrieb, deren im Bohrlochtiefsten angeordnete Bohrkrone (4) zum Schneiden des Gesteins Hochdruckwasserstrahldüsen aufweist und durch eine biegsame Hochdruckschlauchleitung (13) mit einer Hochdruckpumpe (10) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckschlauchleitung (13) torsionssteif ausgebildet ist, drehfest mit der Bohrkrone (4) und dem Drehantrieb (24, 25) der Bohrmaschine (8) verbunden ist und in einem nicht verdrehbaren, aus der Streckstellung elastisch ablenkbaren Hüllrohr (15) gelagert ist, welches in radialer Richtung steif ausgebildet ist, im Bereich des Bohrlochmundes (6) in einer Ablenkvorrichtung (7) geführt ist und zusammen mit der Hochdruckschlauchleitung (13) in seiner Längsrichtung verschiebbar ist.
2. Bohreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (15) aus einer aus Federstahldraht gewickelten Schraubenfeder mit aneinander anliegenden Schraubengängen besteht.
3. Bohreinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckschlauchleitung (13) von einem Verschleissmantel umgeben ist, insbesondere in Form einer eng um die Hochdruckschlauchleitung (13) gewickelten Schraubenfeder (14).
4. Bohreinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (15) an der Innenwand und/oder der Aussenwand flüssigkeitsdicht verkleidet ist und der Ringraum (16) zwischen dem Hüllrohr (15) und der Hochdruckschlauchleitung (13) mit Fett gefüllt ist.
5. Bohreinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung (7) eine Ablenkrolle (21) und eine laschenkettenartige, mit Führungsrollen (31 bis 34) bestückte, winkelverstellbare Führung (22) aufweist.
6. Bohreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung (7) eine Anbohrführung (17) aufweist, die zur Veränderung des Ablenkwinkels an einer Führungskurve (20) verschiebbar und feststellbar ist und mit der laschenkettenartigen Führung (22) verbunden ist, wobei die Führungskurve (20) so ausgebildet ist, dass die laschenkettenartige Führung (22) immer gespannt ist und einen optimalen Biegeradius bildet.
7. Bohreinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung (7) durch eine über der Anbohrführung (17) angeordnete Manschette (19) gegen aus dem Bohrloch kommende Verschmutzung geschützt ist.
8. Bohreinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung (7) Antriebsrollen (27) enthält, die das Hüllrohr (15) zwischen der Ablenkeinrichtung (7) und der Bohrmaschine (8) in Längsrichtung gespannt halten.
9. Bohreinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrmaschine (8) auf einer Bohrlafette (3) gelagert ist und mittels eines regelbaren Vorschubantriebes (23) unter Vorschub des Hüllrohres (15) und der darin drehbar gelagerten Hochdruckschlauchleitung (13) in Längsrichtung der Bohrlafette (3) verfahrbar ist.
10. Bohreinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Anfang der Hochdruckschlauchleitung (13) eine drehbare Druckwassereinspeisung (26) angeordnet ist.
11. Bohreinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwassereinspeisung (26) eine mit der Hochdruckschlauchleitung (13) verbundene, vom Drehantrieb (24, 25) der Bohrmaschine (8) drehend angetriebene Hohlwelle (38) aufweist, die in einer mit dem Druckwasser beaufschlagbaren Druckgehäuse (39) drehbar gelagert ist, mittig mit Öffnungen (37) für den Druckwassereintritt versehen ist und beiderseits der Mitte durch symmetrisch angeordnete Dichtungsmanschetten (42) gegen das Druckgehäuse (39) abgedichtet ist.
12. Bohreinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsmanschetten (42) auf ihrer Rückseite durch ein zweites Druckmedium hoher Viskosität beaufschlagt sind, dessen Druck geringfügig höher als der des Druckwassers ist.
13. Bohreinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hochdruckwasser und dem Medium hoher Viskosität ein Druckübersetzer (44) angeordnet ist.
14. Bohreinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit der Antriebsrolren (27) der Ablenkeinrichtung (7), die Drehgeschwindigkeit der Bohrmaschine (8) und der Betriebsdruck der Hochdruckpumpe (10) so geregelt sind, dass sich in Abhängigkeit von der Härte des zu bohrenden Gesteins ein optimaler Bohrfortschritt ergibt.
15. Bohreinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Vorschubantriebes (23) der Bohrmaschine (8) und die Vorschubgeschwindigkeit derAntriebsrollen (27) der Ablenkeinrichtung (7) so aufeinander abgestimmt sind, dass das Hüllrohr (15) zwischen der Bohrmaschine (8) und der Ablenkeinrichtung (7) stets strammgehalten wird.
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