EP0141117B2

EP0141117B2 - Verfahren zum Bohren von Gesteins- und Kiesböden sowie Gesteinsbohrer zur Ausführung des Verfahrens

Info

Publication number: EP0141117B2
Application number: EP84110110A
Authority: EP
Inventors: Walter Weber
Original assignee: Schwarz Guenter
Current assignee: Schwarz Guenter
Priority date: 1983-08-31
Filing date: 1984-08-24
Publication date: 1993-09-22
Anticipated expiration: 2004-08-24
Also published as: EP0141117A1; EP0141117B1; DE3472641D1; ATE35640T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gesteinsbohrer, versehen mit mindestens einer Austrittsöffnung zur Erzeugung eines im wesentlichen axial nach oben, entgegen dem Bohrvorschub gerichteten Druckluftstrahles.
Es ist bekannt, beim Bohren von Gesteins- oder Kiesböden das anfallende Bohrgut, den sog. Bohrklein, mittels Druckluft aus dem Bohrloch zu fördern. Zu diesem Zwecke wurde bisher ausser aus zwei relativ kleinen Blasöffnungen in Bohrrichtung auch entgegen der Bohrrichtung aus zwei relativ kleinen Blasöffnungen mit einer relativ starken seitlichen Komponente Druckluft aus dem Bohrerausgeblasen. Dieses Vorgehen hat den Nachteil, dass die seitliche Komponente, insbesondere in Kiesböden, dazu neigt, gegenüber den Düsen liegende Aushöhlungen freizulegen. Dies behindert nicht nur den Fördervorgang, sondern kann zusätzliches Gesteinsmaterial in den Bohrschacht bringen, was unerwünscht ist. Auch genügt diese Austragung nicht, grössere Körner, z.B. in Zentimetergrösse, zu fördern. Mit diesem Verfahren gelingt es kaum, insbesondere in kiesigem Boden, Bohrlöcher von über 10m Tiefe zu bohren. Dieser Nachteil bringt es mit sich, dass gewisse Kiesgruben nicht mehr abbaubar wurden und dass insbesondere zum Erstellen tieferer Bohrlöcher in gewissen Gesteinen ganz einfach die Mittel fehlten. (GB-A 1 071418)
In der US-A 3 011 571 wird ein Gesteinsbohrer beschrieben, welcher zur Entfernung des Bohrkleins aus dem Bohrloch Druckluft benützt. Diese wird durch entgegen dem Bohrvorschub gerichtete Kanäle parallel zur Bohrlochachse ausgestossen, was grundsätzlich das Aushöhlen der Bohrwandungen verhütet. Bedingt durch eine örtlich begrenzte Beaufschlagung mit Förderluft wird selbst beim Drehen des Bohrkopfes der Wegtransport, insbesondere auch grösserer Teilchen von Bohrklein, nicht sichergestellt, so dass bei Verwendung eines derartigen Gesteinsbohrers die Gefahr besteht, das Bohrklein nicht fortwährend mittels pneumatischen Transportes aus dem Bohrbereich zu entfernen.
Die Druckluftkanäle im Bohrkopf sind strömungstechnisch nicht optimal ausgebildet, was zur Folge hat, dass die Austrittsgeschwindigkeiten der Förderluft nicht die dem Druck entsprechenden optimalen Werte erreichen, was ebenfalls das Herausfördern des Bohrkleins aus dem Bohrloch negativ beeinflusst.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung eines Gesteinsbohrers, welcher erlaubt, grosse spezifische Bohrleistungen zu erreichen, mühelos grössere Bohrtiefen von einigen 10m zu bohren, und welche gestattet, auch grössere Körner von beispielsweise 20mm Durchmesser pneumatisch aus dem Bohrloch zu fördern.
Diese Aufgabe löst der erfindungsgemässe Gesteinsbohrer, der sich dadurch auszeichnet, dass zur Erzeugung des im Querschnitt ringförmigen, in sich geschlossenen Druckluftstrahles der Bohrer mindestens eine Düse mit in sich ringförmig geschlossenem, das Bohrgestänge umgebenden Düsenmund aufweist, welchem Düsenmund eine Druckkammer vorgelagert ist, wobei der Düsenmund den engsten Querschnitt des Druckluftsystems bildet und die Druckkammer als ein zur Bohrerachse ungefähr paralleler, zum Düsenmund führender, hohlzylinderförmiger Luftkanal ausgebildet ist, der auf seiner ganzen Länge von einer zylindrischen Aussenwand und einem Innenmantel mit einem sich in Strömungsrichtung gegen den Düsenmund hin radial erweiterenden Teil ummantelt ist.
Die Erfindung wird anschliesend beispielsweise anhand einer Figur erläutert, welche einen Längsschnitt durch einen derartigen Gesteinsbohrer in rein schematischer Weise darstellt.
Ein Aufsatz 1 für einen Gesteins- bzw. Kiesbohrhammer ist an beiden Enden mit je einem Schraubnippel 3 bzw. 4 versehen, welche in einen Mantel 9 eingeschweisst sind. Am Mantel 9 ist eine Ringdüse 10 gebildet, welche über vier Zuspeisebohrungen 11 einer mittigen Druckluft bohrung 7 gespiesen werden. Die Druckluftbohrung 7 durchsetzt die beiden Schraubnippel 3 und 4 sowie den sie haltenden Mittelteil 6.
Die Zuspeisebohrungen 11 sind geknickt und bilden eine Fangtasche 13. Die entgegen der Bohrrichtung ausblasende Ringdüse 10 weist einen inneren Düsenmantel 14 auf mit einem sich nach oben erweiternden Teil 15. Die äussere Begrenzung der Ringdüse 10 erfolgt mittels eines äusseren Düsenmantels 17, an dessen Ende derengste Bereich dieses Druckluftsystems als Düsenmund 18 ausgebildet ist. Es läuft m.a.W. die Düsenkammer 19 gegen den Düsenmund 18 zusammen, so dass die Düsenkammer 19 eine eigentliche Druckkammer bildet. Im Betrieb wird eine derartige Spüleinrichtung in Form des Aufsatzes 1 z.B. auf einen Senkhammer aufgesetzt. Die mittige Druckluftbohrung 7 versorgt den Senkhammer mit der zum Schlagbohren nötigen Druckluft, wie dies an und für sich bekannt ist. Während des Betriebes wird der Druckluftbohrung 7 durch vier Zuspeisebohrungen 11 Druckluft entnommen und damit die Düsenkammer 19 mit Druckluft aufgeladen, welche, sich beschleunigend, durch den ringförmigen Düsenmund 18 entweicht und damit den sich erweiternden Teil 15 des Mantels 9 ringförmig umspült. Die Austrittsgeschwindigkeit ist sehr gross, da das Druckverhältnis über dem kritischen liegt. Es kann mithin theoretisch Schallgeschwindigkeit der austretenden Luft erreicht werden. Dadurch, dass die Hauptströmungsrichtung eindeutig in Richtung der Bohrstangenachse nach oben führt, ist ein seitliches Auswaschen der Bohrwände nicht möglich und ein Fördern recht grosser Teile von einigen cm gegeben. So werden kugelige Steine von 20mm Durchmesser mühelos auf einige 10m Bohrlochtiefe nach oben gefördert.
Es ist natürlich auch möglich, anstelle der dargestellten Ringdüse eine oder mehrere eng aneinanderliegende Lochreihen auf dem Umfang des Mantels 9 anzuordnen, auf welche Weise ebenfalls eine ringförmige Verteilung der pneumatischen Förderluft erreicht werden kann.
Das Anordnen von Fangtaschen ist für einen mühelosen Betrieb wichtig, damit bei abgestellter Druckluft nicht feines Bohrgut, insbesondere bei Unterdruckbildung, in den Düsenmund bzw. die Düsenkammer 19 fliesst und durch die Zuspeisebohrungen 11 in die mittige Druckluftbohrung 7 gelangt, denn dadurch würde der darunterliegende Senkhammer einem raschen Verschleiss ausgesetzt. Auch wäre die Gefahr der Verstopfung der Düsen wesentlich vergrössert.
Im erläuterten Beispiel ist ein besonderer Aufsatz 1 für bestehende Senkhämmer dargestellt. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Ringdüse 10 oder gegebenenfalls einzelne ringförmig angeordnete Düsenlöcher unmittelbar nch der Bohrkrone anzuordnen, um damit das Bohrloch kontinuierlich und unverzüglich nach dem Ausbrechen des Gesteins vom Bohrgut zu befreien und damit nicht nur die Bohrleistung optimal zu gestalten, sondern auch einen entsprechenden Vorschub beim Bohren sicherzustellen.
Es hat sich gezeigt, dass bei einem Förderdruck von beispielsweise 7 bar, je nach Grösse der Bohrkrone variierend, für eine Bohrkrone von 76mm Durchmesser ca. 5m³ Pressluft/min gebraucht werden. Es ist aber auch mögllich, je nach Grund, mit zwei bis drei m³/min zu fahren. Entsprechend andere Pressluftmengen, nämlich ungefähr mit dem Bohrkronendurchmesser quadratisch steigend, verlangen grössere Bohrkronen. Die Spaltbreite von verwendeten Ringdüsen 10 kann zwischen 0,2 und 1mm gewählt werden, vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 0,6mm liegend. Die Speisung erfolgt durch mindestens vier Zuspeisebohrungen 1 mit 5mm Durchmesser. Da eine Düsenkammer 19 mit Druckaufbau vorgesehen ist, liegt die einzige Bedingung darin, dass der Gesamtdurchgangsquerschnitt der Zuspeisebohrungen 11 wesentlich grösser ist als der Austrittsquerschnitt des Düsenmundes 18.
Zwecks stufenweiser Beschleunigung können bei grossen Bohrtiefen die Bohrgestänge mit mehreren Spülauf- bzw. -einsätzen 1 versehen werden.

Claims

1. Gesteinsbohrer, versehen mit mindestens einer Austrittsöffnung (18) zur Erzeugung eines im wesentlichen axial nach oben, entgegen dem Bohrvorschub gerichteten Druckluftstrahles, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des im Querschnitt ringförmigen, in sich geschlossenen Drucklufstrahles der Bohrer mindestens eine Düse (10) mit in sich ringförmig geschlossenem, das Bohrgestänge umgebenden Düsenmund (18) aufweist, welchem Düsenmund (18) eine Druckkammer (19) vorgelagert ist, wobei der Düsenmund (18) den engsten Querschnitt des Druckluftsystems bildet und die Druckkammer (19) als ein zur Bohrerachse ungefähr paralleler, zum Düsenmund (18) führender, hohlzylinderförmiger Luftkanal ausgebildet ist, der auf seiner ganzen Länge von einer zylindrischen Aussenwand (9) und einem Innenmantel (14) mit einem sich in Strömungsrichtung gegen den Düsenmund hin radial erweiternden Teil (15) ummantelt ist.

2. Gesteinsbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich radial erweiternde Teil (15) sich über den äusseren Düsenmantel (17) hinaus erstreckt und einen Teil des Bohrers bildet.

3. Gesteinsbohrer nach Anspruch 1 oder2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (10) im Bohrgestänge oder im Bohrkopf selbst, vorzugsweise unmittelbar nach der Bohrkrone, angeordnet ist.

4. Gesteinsbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkammer (19) vorgelagerte, die Druckluft umlenkende, Abscheiderwirkung aufweisende Fangtaschen (13) vorgesehen sind, um das Gestängeinnere (7) vor bei abgestellter Druckluft aus dem Bohrloch zurückfallendem Bohrstaub zu schützen.