EP1600602A2 - Vorrichtung und Verfahren zum hydraulischen Bohren - Google Patents

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EP1600602A2
EP1600602A2 EP05010058A EP05010058A EP1600602A2 EP 1600602 A2 EP1600602 A2 EP 1600602A2 EP 05010058 A EP05010058 A EP 05010058A EP 05010058 A EP05010058 A EP 05010058A EP 1600602 A2 EP1600602 A2 EP 1600602A2
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EP
European Patent Office
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tubular body
liquid
jet
pivot arm
bore
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EP05010058A
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English (en)
French (fr)
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EP1600602A3 (de
EP1600602B1 (de
Inventor
Dominik Hartmann
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Bauer Spezialtiefbau GmbH
Original Assignee
Bauer Spezialtiefbau GmbH
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Publication date
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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
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/29—Obtaining a slurry of minerals, e.g. by using nozzles
    • E21B43/292—Obtaining a slurry of minerals, e.g. by using nozzles using steerable or laterally extendable nozzles
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for working the soil.
  • a drill head points a surrounding duct on, at the end radially outwardly hinged pivot arms, which in the Rest position rest in recesses of the drill head. Becomes a drilling fluid is introduced under high pressure into the duct, the arms are unfolded.
  • DE 2 035 934 discloses a hydraulic-pneumatic method for removing a solid wall in liquids disclosed. To reduce the density is at the mining site injected gas into the surrounding liquid.
  • the object of the invention is to provide a device and a method with which soil material of certain soil layers can be processed efficiently.
  • At least one pivoting arm is arranged with a jet pipe at a bottom end of the tubular body, which is movable from a rest position on the tubular body in a Ausstellposition in which the pivot arm projects laterally on the tubular body, and that for generating a liquid cutting jet, the jet pipe opens substantially straight into a jet nozzle.
  • Due to the swivel cutting beam arm can be shown in a defined soil layer within the soil through a cutting jet soil material targeted solved and processed become. For the exhibition of the swivel arm this can not only pivotable but also for example telescopic be extendable.
  • a basic idea of the invention is due to the arrangement of a substantially straight, long Beam tube, which opens straight into the jet nozzle. In contrast to nozzles inserted transversely into a pipe leads a jet pipe with a length of at least 10 cm a precise, highly effective cutting jet.
  • the pivot arm suitably in a lower, bottom-side Area of the tubular body is arranged can on the one hand in a rest position on him supporting tubular body to be brought.
  • the swivel arm lie flat against the green body, in a receiving recess provided on the outside of the tubular body be included or arranged inside the tubular body be.
  • the swivel arm forms in the Rest position with the tubular body a continuous surface.
  • the longitudinal axis of the swivel arm approximately parallel to the longitudinal axis of the tubular body be arranged.
  • a fluid passage through to lock the swivel arm it may be advantageous to have a fluid passage through to lock the swivel arm. It may be useful, too in the rest position of the arm a fluid passage to provide thereby, wherein a generated liquid jet then, for example, a propulsion of the tubular body can assist in the soil.
  • the pivot arm From the rest position on the tubular body of the swivel arm according to the invention is pivotable in a Ausstellposition in which it protrudes laterally from the tubular body.
  • the longitudinal axis of the pivot arm with the longitudinal axis of the tubular body in the deployed position ⁇ include a deployment angle, which is suitably 45 ° to 120 °, in particular about 90 °.
  • the pivot arm can be released for a fluid passage and thereby at least approximately radially directed to the tubular body liquid jet can be generated.
  • the swivel arm of the liquid jet occurs only at a certain radial distance from the tubular body, which is why a particularly high range of the liquid jet is achieved in the soil and thus a particularly large mining area can be edited.
  • the Ausstellposition can also be provided at least one intermediate position of the pivot arm, in which the fluid passage can be released or locked.
  • the at least one Schwenkarmdüse for Generating the liquid jet so the front side of the swing arm arranged that the generated liquid jet at least approximately in the longitudinal direction of the pivoting arm, i. is directed parallel to its longitudinal axis.
  • the front side emerges from the arm, which are at the exit of the Fluid from the swing arm occurring reaction forces also mainly in the longitudinal direction of the swivel arm directed and thus can be particularly well received by this become.
  • reaction forces in the pivoting direction of the pivot arm whereby a pivot drive of the swing arm is relieved.
  • the design of the swivel arm for an approximately longitudinal Fluid jet thus allows the use of extra high liquid pressures for liquid jet generation, thus a particularly high beam range and a particularly large mining area.
  • the pivot drive For pivoting the swivel arm between the Ausstellposition and the rest position, the pivot drive basically both bottom side of the tubular body, in particular near the swivel arm, as well as on the top side of the tubular body, i.e. near its end spaced from the bottom end, be arranged.
  • the rotary actuator can, for example at least one hydraulic cylinder and / or at least have a pneumatic cylinder, in particular can be articulated directly on the swivel arm.
  • the pivot drive at least one drive rod which are parallel to the longitudinal axis of the Pipe body runs upwards.
  • the rotary actuator can in particular axially displaceable, suitably have concentrically arranged tubes, of which in particular may be one of the tubular body.
  • the rotary actuator can also be a rotary gear, a rotary motor and / or have a rack with pinion. advantageously, is the swivel drive from, from above controllable. If provided a hydraulic rotary actuator is, hydraulic lines can be provided, the in the tube body upwards. In a pneumatic Part-turn actuators can be used in accordance with pneumatic lines Be provided tubular body.
  • the jet pipe is advantageously straight, i. with straighter Longitudinal axis executed.
  • Jet pipe in particular with approximately circular outer cross section executed.
  • the different ones Swivel arms preferably have different lengths, so that the respective Schwenkarmdüsen in Ausstellposition different have radial distances from the tubular body.
  • the at least one Swing arm a length of about 50 cm to 4 m, in particular has a length of about 2 m, with much of the Length is formed by the jet pipe.
  • At least one pre-cutting device for producing a further pre-cutting liquid jet is provided on the tubular body, in particular above the swivel arm.
  • This pre-cutting device can be offset by, for example, 180 ° to Be arranged swivel arm.
  • the pre-cutting area is dimensioned in this way, that the pivot arm is received therein in its raised position can be. This will be a particularly simple and little forceful swinging the swing arm in Floor in the raised position allows.
  • the suitably Pre-cutting device arranged outside of the tubular body may have a Vorschneidüse, in particular arranged directly on the outer wall of the tubular body can be.
  • the pre-cutting nozzle can also be used on a pre-cutting pipe be arranged radially out of the tubular body protrudes.
  • the pre-cutting tube a shorter length than the swivel arm.
  • the Vorschneide driving is designed so that the Pre-cutting liquid jet approximately radially to the tubular body runs.
  • the arrangement of the pre-cutting device above the Swing arm may in particular include that the pre-cutting nozzle and thus the exit point of the further precut liquid jet above the swivel arm nozzle is arranged.
  • Such an arrangement is especially then beneficial if the liquid when pulling the tubular body injected into the ground via the pre-cutting device becomes.
  • the liquid in the sense of the method according to the invention can be understood in particular that the liquid first by means of the pre-cutting and then injected additionally or alternatively by means of the swivel arm becomes.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention Device is characterized in that the outside on the tubular body, in particular above the pivoting arm and / or the pre-cutting device, at least one Centering device for centering the tubular body in Borehole is provided.
  • a configured device is designed to absorb reaction forces when exiting the liquid jet arise, particularly well suited.
  • the training thus allows the use of special high liquid pressures and thus very high Ray ranges.
  • the centering device suitably a spacer radially from the tubular body protrudes, and the tube body on the borehole wall supported.
  • a centering device can in particular then be provided if compared with the tubular body larger diameter borehole prior to introduction of the Pipe body in the ground by means of a drilling tool or Cutting beam is produced.
  • a particularly useful device is further characterized characterized in that the swivel arm an elastic line provided for supplying the Schwenkarmdüse with liquid is.
  • This elastic line is suitably in Inside of the tubular body arranged where they are particularly good protected by the pending soil.
  • Alternatively or in addition to the elastic line can supply the Schwenkarmdüse also a hinge connection and / or a deflection connection be provided.
  • the line connects in a single arc the pipe body with the jet pipe, so that only a small pressure loss arises.
  • a particularly reliable device can thereby be obtained be that a position sensor for determining the Pivoting position of the pivot arm is provided, wherein the Position sensor, in particular with a control device connected, with which a liquid supply is controllable by means of a pump for Schwenkarmdüse.
  • the Control means is suitably at the top of the tubular body intended.
  • the position sensor can in particular for Determination of the swivel angle ⁇ and / or for detection serve the Ausstellposition.
  • the controller is designed so that the hydration is given to Schwenkarmdüse only if the swivel arm is in the raised position.
  • to Control of the fluid supply may be the controller for example with the pump or with a control valve keep in touch.
  • the device can be used for special civil engineering to create Foundations or for particularly effective extraction of raw materials be used. It may be useful for this that at the bottom surface of a discharge device for Abzu ACn raw material-containing suspension from the tubular body to Tube extraction is provided.
  • the discharge for sucking off suspension formed the borehole.
  • the extraction of raw materials can a separation of the raw material grains from the liquid include.
  • a particularly advantageous device for the degradation of solid mineral raw materials is further characterized that at least one pipe to the pipe body to common or separate supply the Vorschneide driven and the Schwenkarmdüse provided with liquid is.
  • the line provided for common provision is, the Vorschneide driving and / or the Swivel arm preferably have a liquid valve.
  • the line is designed for separate supply, suitably have the pre-cutter and the swing arm separate lines.
  • the at least one line has the elastic line on.
  • the tillage method according to the invention is characterized characterized in that in a first step a hole is made, at least until one to be processed soil layer is enough, and that into the hole the tillage device is introduced, with which soil material of the soil layer is dissolved.
  • a basic idea of the invention can be seen therein by means of the device, a liquid in soil layers bring soil material targeted from the ground is solved. With further supply of liquid is the so solid-enriched liquid displaced from the soil and discharged to the soil surface.
  • the method according to the invention is in addition to Use for special civil engineering also for the dismantling of a multiplicity of solid mineral raw materials.
  • Especially useful is the process for the mining of clay minerals, especially of kaolin. But also other clay minerals such as. Bentonite, talc, smectite or mica can be reduced.
  • clay minerals especially of kaolin.
  • other clay minerals such as. Bentonite, talc, smectite or mica can be reduced.
  • mineral raw materials it can in particular phyllosilicates.
  • the process for the degradation of ceramic raw materials is chosen so that the degraded raw material grains are insoluble therein. It but can also be provided that the raw material grains at least partially soluble in the liquid.
  • a suspension according to the invention in particular a slurry of insoluble solid particles in the liquid be understood.
  • the suspension can also be called Körnersuspension be designated from a conglomerate.
  • the inventive method for the mining of mineral deposits that are located at a depth of approx. 20 to 100 m are stored.
  • the layer thickness of the raw material deposit can be for example 40 m and the Raw material content in the soil approx. 10 to 30% by volume.
  • the invention Method allows in a particularly simple way the Dismantling of such deeper deposits of raw materials without basically a costly Schachtewolf necessary would.
  • the degradation rate basically from the earth's surface into the ground be introduced.
  • the degradation boom starting from a tunnel or a shaft of a To bring civil engineering into the ground.
  • the degradation boom can from the bottom of an open pit into the ground be, thereby increasing the depth of excavation without Diameter enlargement of the mining vessel can be achieved can.
  • the degradation rod according to the invention designed so that the injected fluid has a reach in the radial direction to the degradation boom from 2 to 8 m, in particular of about 10 m, with respect to the longitudinal axis of Has degradation support or an outlet opening.
  • Raw material grains can be found in an approximately cylindrical mining area degraded with a radius of the order of magnitude become.
  • the raw material-containing suspension becomes suitable removed on the outside of the degradation rod. This is especially advantageous if the degradation boom in a bore is introduced, the diameter larger than the degradation string itself is. Basically, it is synonymous possible, the raw material-containing suspension in the interior of the mining line to the top, i. in the direction of the earth's surface.
  • the removal of the raw material-containing suspension along the Degradation rod can basically only due to a displacement effect through which continues to be injected into the ground Liquid done.
  • pumping means may be provided which facilitate the removal support the raw material-containing suspension upwards.
  • a particularly suitable development of the invention Method is characterized in that an injection rate for the liquid is adjusted so that a flow rate of the suspension along the Degradation rate less than a rate of descent undesirable Bad grains is.
  • the sinking rate can as well as the return flow velocity and the flow velocity be referred to as ascending speed.
  • the injection rate i. the per unit time in the ground supplied amount of liquid, that is chosen so that the undesirable Bad grains fall faster than they do be removed above and thus remain in the soil.
  • the bad grains may be in particular Coarse parts act. Basically, it can be at the Bad grains but also other unwanted admixtures and impurities, such as foreign material Commodity additions act. These can be, for example due to a different density or different surface properties one of the Descent rate of desired raw material grains different Falling rate.
  • the injection rate is such is set that grains of raw material with a grain size, which is above a certain maximum particle size, remain in the ground. This can be ensured that only fines are removed from the ground, By contrast, coarse particles remain behind in the ground or back again sink down and one at the mining of raw materials in the mining area support emerging cavity. Be under fines understood raw material grains whose particle size below the largest grain size is.
  • the largest grain size can be in particular 1000 .mu.m, preferably 500 .mu.m.
  • the injection rate for the Liquid adjusted so that the sinking rate of particles with a size above the largest grain size greater than the flow rate of the suspension and the Rate of descent of particles of a size below the largest particle size is smaller than the flow velocity of the Suspension along the degradation boom is. It was recognized that it is at the flow rate and at the sinking rate can be around mean values, so that optionally also a small amount of unwanted unwanted Get bad grains and / or coarse parts up can.
  • the liquid can be chosen arbitrarily.
  • the liquid is around water.
  • An injection rate for the liquid is appropriate 100 to 2500 1 per minute, in particular 400 to 2000 1 per minute.
  • the degradation boom repeatedly lowered and at least partially pulled is, in particular, an outlet characteristic of the Liquid from the degradation boom is changed. hereby becomes a particularly thorough and complete resource extraction guaranteed.
  • the liquid may, for example, at least the shape a cutting beam to be changed. alternative or additionally, the fluid pressure and / or the injection rate will be changed.
  • at least an exit point of the liquid from the degradation boom may change. For example, this may be a first injection nozzle opened for a fluid passage and a second injection nozzle are blocked.
  • for Changing the exit characteristic also includes additional exit points be released to the liquid.
  • a particularly complete extraction of raw materials can according to the invention be achieved by the degradation boom during the injection of the liquid is rotated. hereby In particular, an at least approximately cylindrical Set raw material removal area in the ground. suitably The degradation boom will also turn in during rotation Axial direction moves, in particular pulled. The rotation can be done with the same direction of rotation or alternately.
  • the tubular body and / or the Swing arm via a vibration exciter in vibrations brought.
  • the applied vibrations are preferred in a range between 10 and 100 Hz.
  • the degradation boom directly in the unprocessed soil, and then suitably frontally at the lower end of the mining rod provided a drilling device for releasing the upcoming soil is.
  • a particularly useful method exists However, in that first by means of a drilling tool a preferably at least partially cased borehole in Soil is produced, then in the subsequent degradation boom is introduced. In this case, the hole becomes So not by the mining boom itself, but by the drilling tool or prepared by pre-cutting.
  • the Drilling tool can in particular a drill pipe with have a bottom side arranged drill head.
  • the least partial piping of the bore can in particular be provided in burglary-vulnerable soils.
  • FIG. 1 A device 60 according to the invention with a degradation rod 50 is shown in FIG.
  • the degradation rod 50 has a tubular body 2, which in a borehole 18 is placed in the floor 40. face side is arranged on the tubular body 2, a drilling device 3, the For example, as a drill bit, as a drill head and / or as Displacer can be formed.
  • the drilling device 3 is not mandatory in all cases.
  • the swivel arm is in an open position, at reference numeral 8a in a rest position on Tube body 2 shown. While in the resting position a Longitudinal axis of the pivot arm 9 approximately parallel to a longitudinal axis 26 of the tubular body 2 extends, closes the longitudinal axis of the pivot arm 9 in the Ausstellposition with the Longitudinal axis 26 of the tubular body 2 a pivot angle ⁇ of 90 °.
  • the pivot arm 9 For pivoting the pivot arm 9 is at a pivot axis 13 hinged.
  • the pivot axis 13 extends approximately radially to the longitudinal axis 26 of the tubular body 2.
  • the degradation rod 50 has a rotary actuator with a hydraulic cylinder 11 on one side is hinged to the tubular body 2.
  • piston-side Side is the hydraulic cylinder 11 at one rearward lever arm 14 of the pivot arm 9 beyond the Pivot axis 13 attached.
  • the hydraulic cylinder 11 For swinging out the swivel arm 9, the hydraulic cylinder 11 is extended, whereby the swing arm 9 with the Schwenkarmdüse 10, as with the interrupted Arrow shown, in a circular path to the top is swung.
  • a pre-cutter 46 is provided above the pivot arm 9 is on the outside of the tubular body. 2 .
  • the pre-cutting device 46 has a radial to the longitudinal axis 26 of the tubular body 2 extending Vorschneiderohr 6, on the front side a Vorschneidüse 7 is arranged.
  • Swing arm 9 With swung out Swing arm 9, i. in the presence of the display position, is the Schwenkarmdüse 10 radially further from the Longitudinal axis 26 of the tubular body 2 spaced as the Vorschneidüse 7.
  • a first line 4 arranged.
  • This line 4 is over as Hose piece running elastic line 12 with the relative long, straight jet pipe 8 connected.
  • liquid, especially water introduced in the direction of arrow 16 in the line 4.
  • a second conduit 5 for the supply of liquid to the pre-cutting device 46 forms. Will be in this second line 5 liquid supplied in the direction of arrow 15, so comes out the Vorschneidüse 7 a in Fig. 1, not shown Pre-cutting liquid jet off.
  • the length of Vorschneiderohrs 6 is chosen so that these is smaller than a borehole radius 23 of the borehole 18 and the degradation rod 50 thus unhindered in the borehole 18th can be introduced.
  • the rough cutting area radius 24 is suitably chosen so that in Vorschneide Scheme 34 a pivoting of the pivot arm 9 in the raised position is possible, i. the roughing area radius 24 will suitably be greater than a radial distance the Schwenkarmdüse 10 from the longitudinal axis 26 of the tubular body 2 elected.
  • the drilling device 3 can in particular be designed in this way be that they on the swing arm 9 in its rest position protrudes in the radial direction and thus before pending Soil protects.
  • FIG. 1 Different process stages of an embodiment a method according to the invention using the in Fig. 1 illustrated mining rod 50 are shown in Figs. 2 to 6 shown.
  • a first step of the illustrated method is by means of a drilling tool, not shown in the ground 40 first drilled down a well 18 to a final depth 38.
  • the hole 18 can thereby be formed cased in an upper area.
  • the Drill hole 18 becomes larger in diameter than the tube body 2 designed that this with the radially projecting Pre-cutting device 46 with pivoted swivel arm 9 in a next step unimpeded centric in the borehole 18 are inserted and lowered therein can.
  • the tubular body 2 After the inserted tubular body 2 with its bottom side arranged drilling device 3 at the bottom of the borehole 18 rests, the tubular body 2 is initially as long as pushed into the ground until the pre-cutting device 46 is located just above the final depth 38.
  • the drilling device 3 at the bottom of the hole in particular generated by a rotation of the tubular body 2 can be, is here in the middle and smaller diameter to the borehole 18 generates a feed hole 31.
  • liquid via the line 4 to the pivoted Swivel arm 14 are supplied, wherein the liquid then near the drilling device 3 from the Schwenkarmdüse 10 stands out.
  • the tubular body 2 is then without further fluid as long as pushed back into the ground until the issued swing arm 9 reaches about the final depth 38 Has. To facilitate the feed of the tubular body. 2 thereby also be turned. Subsequently, both the Vorschneide recognized 46 and the jet pipe 8 liquid fed under pressure, resulting in the Vorschneide liked 46 again the precut liquid jet 43 and the jet pipe 8, a liquid jet 41st established. At the same time, the tubular body 2 is returned to Rotation offset and pulled in the axial direction. This process stage is shown in Fig. 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten des Bodens. Dabei wird ein Abbaugestänge in den Boden eingebracht. Über einen ausstellbaren Schwenkarm wird eine Flüssigkeit in den Boden injiziert, wodurch Bodenmaterial gelöst wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten des Bodens.
Es ist bekannt, Kaolin und sonstige Tonvorkommen im Tagebau abzubauen. Bei tiefer liegenden Tonvorkommen ist der Tageabbau jedoch nur bedingt geeignet, da in diesem Fall entsprechend durchmessergroße Abbaukessel benötigt werden. Darüber hinaus ist es bekannt, tiefer liegende Tonvorkommen im Tiefbau aus Schächten zu fördern. Dieses Verfahren ist jedoch vergleichsweise aufwändig und kostenintensiv.
In der US 5,363,927 A ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum hydraulischen Bohren offenbart. Ein Bohrkopf weist einen umgebenden Leitungskanal auf, an dessen Ende befinden sich radial nach außen klappbare Schwenkarme, die in der Ruhestellung in Aussparungen des Bohrkopfes anliegen. Wird ein Bohrfluid unter Hochdruck in den Leitungskanal eingeleitet, werden die Arme ausgeklappt.
In der DE 2 035 934 wird ein hydraulisch-pneumatisches Verfahren zum Abtragen einer Feststoffwand in Flüssigkeiten offenbart. Zur Verringerung der Dichte wird an der Abbaustelle in die umgebende Flüssigkeit Gas eingeblasen.
Dadurch soll ein durch hohen Druck beschleunigter Wasserstrahl auch bei großen Abstand zwischen Düse und Abbaustelle noch Material abtragen. Diese Verringerung der Dichte wird durch Verschluss des Schachtes erhöht, wodurch ein Entweichen des Gases in die Umgebung verhindert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit welchen Bodenmaterial bestimmter Bodenschichten effizient abgearbeitet werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist an einem bodenseitigen Ende des Rohrkörpers mindestens ein Schwenkarm mit einem Strahlrohr angeordnet,
der aus einer Ruheposition am Rohrkörper in eine Ausstellposition bewegbar ist, in welcher der Schwenkarm seitlich am Rohrkörper vorsteht, und dass zum Erzeugen eines Flüssigkeitsschneidstrahles das Strahlrohr im Wesentlichen geradlinig in eine Strahldüse mündet.
Durch den ausstellbaren Schwenk-Schneidstrahlarm kann in einer definierten Bodenschicht innerhalb des Bodens durch einen Schneidstrahl Bodenmaterial gezielt gelöst und abgearbeitet werden. Zur Ausstellung des Schwenkarmes kann dieser nicht nur verschwenkbar sondern auch beispielsweise teleskopartig ausfahrbar sein. Ein Grundgedanke der Erfindung beruht in der Anordnung eines im Wesentlichen geraden, langen Strahlrohres, welches geradlinig in die Strahldüse mündet. Im Gegensatz zu quer in ein Rohr eingebrachten Düsen führt ein Strahlrohr mit einer Länge von zumindest 10 cm zu einem exakten, hochwirksamen Schneidstrahl.
Der Schwenkarm, der geeigneterweise in einem unteren, bodenseitigen Bereich des Rohrkörpers angeordnet ist, kann zum einen in eine Ruheposition am ihn tragenden Rohrkörper gebracht werden. In dieser Ruheposition am Rohrkörper kann der Schwenkarm beispielsweise flach am Rohkörper anliegen, in einer außenseitig am Rohrkörper vorgesehenen Aufnahmemulde aufgenommen sein oder im Inneren des Rohrkörpers angeordnet sein. Nützlicherweise bildet der Schwenkarm in der Ruheposition mit dem Rohrkörper eine durchgängige Oberfläche. Insbesondere kann in der Ruheposition die Längsachse des Schwenkarms etwa parallel zur Längsachse des Rohrkörpers angeordnet sein. Mit dem Schwenkarm in seiner Ruheposition kann der Rohrkörper somit in besonders einfacher Weise unmittelbar in den Boden oder in ein im Boden vorgegesehenes Bohrloch eingebracht werden.
Solange sich der Schwenkarm in der Ruheposition befindet, kann es vorteilhaft sein, einen Flüssigkeitsdurchgang durch den Schwenkarm zu sperren. Es kann aber nützlich sein, auch in der Ruheposition des Schwankarms einen Flüssigkeitsdurchgang hierdurch vorzusehen, wobei ein erzeugter Flüssigkeitsstrahl dann beispielsweise einen Vortrieb des Rohrkörpers in den Boden unterstützen kann.
Von der Ruheposition am Rohrkörper ist der Schwenkarm erfindungsgemäß in eine Ausstellposition schwenkbar, in welcher dieser seitlich vom Rohrkörper hervorsteht. Insbesondere kann die Längsachse des Schwenkarms mit der Längsachse des Rohrkörpers in der Ausstellposition einen Ausstellwinkel α einschließen, der geeigneterweise 45° bis 120°, insbesondere etwa 90° beträgt. In dieser Ausstellposition kann der Schwenkarm für einen Flüssigkeitsdurchgang freigegeben und dabei ein zumindest annähernd radial zum Rohrkörper gerichteter Flüssigkeitsstrahl erzeugt werden.
In der Ausstellposition des Schwenkarms tritt der Flüssigkeitsstrahl dabei erst in einem gewissen radialen Abstand vom Rohrkörper hervor, weshalb eine besonders hohe Reichweite des Flüssigkeitsstrahls im Boden erzielt wird und somit ein besonders großer Abbaubereich bearbeitet werden kann. Neben der Ruheposition und der Ausstellposition kann zudem auch mindestens eine Zwischenposition des Schwenkarms vorgesehen sein, in welcher der Flüssigkeitsdurchgang freigegeben oder auch gesperrt sein kann.
Erfindungsgemäß ist die mindestens eine Schwenkarmdüse zum Erzeugen des Flüssigkeitsstrahls so stirnseitig am Schwenkarm angeordnet, dass der erzeugte Flüssigkeitsstrahl zumindest annähernd in Längsrichtung des Schwenkarms, d.h. parallel zu dessen Längsachse gerichtet ist. Bei einem solchen längsgerichteten Flüssigkeitsstrahl, der stirnseitig aus dem Schwenkarm hervortritt, sind die beim Austritt der Flüssigkeit aus dem Schwenkarm auftretenden Reaktionskräfte ebenfalls hauptsächlich in Längsrichtung des Schwenkarms gerichtet und können somit von diesem besonders gut aufgenommen werden. Insbesondere treten im Wesentlichen keine Reaktionskräfte in Schwenkrichtung des Schwenkarms auf, wodurch ein Schwenkantrieb des Schwenkarms entlastet wird. Die Ausführung des Schwenkarms für einen etwa längsgerichteten Flüssigkeitsstrahl erlaubt somit die Verwendung besonders hoher Flüssigkeitsdrücke zur Flüssigkeitsstrahlerzeugung, mithin eine besonders hohe Strahlreichweite und einen besonders großen Abbaubereich.
Zum Verschwenken des Schwenkarms zwischen der Ausstellposition und der Ruheposition kann der Schwenkantrieb grundsätzlich sowohl bodenseitig am Rohrkörper, insbesondere nahe dem Schwenkarm, als auch obenseitig am Rohrkörper, d.h. nahe seinem vom bodenseitigen Ende beabstandeten Ende, angeordnet sein. Der Schwenkantrieb kann beispielsweise mindestens einen Hydraulikzylinder und/oder mindestens einen Pneumatikzylinder aufweisen, der insbesondere direkt am Schwenkarm angelenkt sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Schwenkantrieb mindestens eine Antriebsstange aufweisen, die parallel zur Längsachse des Rohrkörpers nach oben verläuft. Der Schwenkantrieb kann insbesondere axial zueinander verschiebbare, geeigneterweise konzentrisch angeordnete Rohre aufweisen, von denen insbesondere eines der Rohrkörper sein kann. Bevorzugterweise kann der Schwenkantrieb auch ein Drehgetriebe, einen Drehmotor und/oder eine Zahnstange mit Ritzel aufweisen. Vorteilhafterweise ist der Schwenkantrieb von, oben aus steuerbar. Sofern ein hydraulischer Schwenkantrieb vorgesehen ist, können Hydraulikleitungen vorgesehen sein, die im Rohrkörper nach oben laufen. Bei einem pneumatischen Schwenkantrieb können entsprechend Pneumatikleitungen im Rohrkörper vorgesehen sein.
Das Strahlrohr ist vorteilhafterweise gerade, d.h. mit gerader Längsachse ausgeführt. Nützlicherweise ist das Strahlrohr, insbesondere mit etwa kreisförmigem Außenquerschnitt ausgeführt. Insbesondere zur Vergrößerung des Abtragungsbereiches und/oder zur Erhöhung der Abbaugeschwindigkeit können mehrere Schwenkarme mit Strahlrohren vorgesehen sein. In diesem Fall können die unterschiedlichen Schwenkarme bevorzugt unterschiedliche Längen aufweisen, so dass die jeweiligen Schwenkarmdüsen in Ausstellposition unterschiedliche radiale Abstände vom Rohrkörper aufweisen. Besonders brauchbar ist es, dass der mindestens eine Schwenkarm eine Länge von etwa 50 cm bis 4 m, insbesondere eine Länge von ca. 2 m aufweist, wobei ein Großteil der Länge durch das Strahlrohr gebildet ist.
Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass am Rohrkörper, insbesondere oberhalb des Schwenkarms, mindestens eine Vorschneideeinrichtung zum Erzeugen eines weiteren Vorschneide-Flüssigkeitsstrahls vorgesehen ist. Diese Vorschneideeinrichtung kann um beispielsweise 180° versetzt zum Schwenkarm angeordnet sein. Mittels dieser Vorschneideeinrichtung kann insbesondere Bodenmaterial in einem Vorschneidebereich gelockert und/oder gelöst werden. Geeigneterweise ist der Vorschneidebereich dabei so dimensioniert, dass der Schwenkarm darin in seiner Ausstellposition aufgenommen werden kann. Hierdurch wird ein besonders einfaches und wenig kräfteaufwendiges Ausschwenken des Schwenkarms im Boden in die Ausstellposition ermöglicht. Die geeigneterweise außen am Rohrkörper angeordnete Vorschneideeinrichtung kann eine Vorschneidedüse aufweisen, die insbesondere unmittelbar an der Außenwand des Rohrkörpers angeordnet sein kann. Die Vorschneidedüse kann aber auch an einem Vorschneiderohr angeordnet sein, das radial aus dem Rohrkörper hervorsteht. Vorteilhafterweise weist das Vorschneiderohr eine geringere Länge als der Schwenkarm auf. Nützlicherweise ist die Vorschneideeinrichtung so ausgeführt, dass der Vorschneide-Flüssigkeitsstrahl etwa radial zum Rohrkörper verläuft.
Die Anordnung der Vorschneideeinrichtung oberhalb des Schwenkarms kann insbesondere beinhalten, dass die Vorschneidedüse und somit der Austrittspunkt des weiteren Vorschneide-Flüssigkeitsstrahls oberhalb der Schwenkarmdüse angeordnet ist. Eine solche Anordnung ist besonders dann von Vorteil, wenn die Flüssigkeit beim Ziehen des Rohrkörpers über die Vorschneideeinrichtung in den Boden injiziert wird. Unter einer Veränderung der Austrittscharakteristik der Flüssigkeit im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere verstanden werden, dass die Flüssigkeit zunächst mittels der Vorschneideeinrichtung und daraufhin zusätzlich oder alternativ mittels des Schwenkarms injiziert wird.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass außenseitig am Rohrkörper, insbesondere oberhalb des Schwenkarmes und/oder der Vorschneideeinrichtung, mindestens eine Zentriereinrichtung zum Zentrieren des Rohrkörpers im Bohrloch vorgesehen ist. Eine derart ausgestaltete Vorrichtung ist zur Aufnahme von Reaktionskräften, die beim Austreten des Flüssigkeitsstrahls entstehen, besonders gut geeignet. Die Weiterbildung erlaubt somit die Verwendung besonders hoher Flüssigkeitsdrücke und somit besonders hoher Strahlreichweiten. Die Zentriereinrichtung weist geeigneterweise einen Abstandshalter auf, der radial vom Rohrkörper hervorsteht, und der den Rohrkörper an der Bohrlochwandung abstützt. Eine Zentriereinrichtung kann insbesondere dann vorgesehen sein, wenn ein verglichen mit dem Rohrkörper durchmessergrößeres Bohrloch vor dem Einbringen des Rohrkörpers in den Boden mittels eines Bohrwerkzeuges oder Schneidstrahles hergestellt wird.
Eine besonders brauchbare Vorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass am Schwenkarm eine elastische Leitung zur Versorgung der Schwenkarmdüse mit Flüssigkeit vorgesehen ist. Diese elastische Leitung ist geeigneterweise im Inneren des Rohrkörpers angeordnet, wo sie besonders gut vom anstehenden Boden geschützt ist. Alternativ oder zusätzlich zur elastischen Leitung können zur Versorgung der Schwenkarmdüse auch eine Gelenkverbindung und/oder eine Umlenkungsverbindung vorgesehen sein. Die Leitung verbindet in einem einzigen Bogen den Rohrkörper mit dem Strahlrohr, so dass nur ein geringer Druckverlust entsteht.
Eine besonders zuverlässige Vorrichtung kann dadurch erhalten werden, dass ein Stellungssensor zur Bestimmung der Schwenkposition des Schwenkarmes vorgesehen ist, wobei der Stellungssensor insbesondere mit einer Steuerungseinrichtung verbunden ist, mit welcher eine Flüssigkeitszufuhr mittels einer Pumpe zur Schwenkarmdüse steuerbar ist. Die Steuerungseinrichtung ist geeigneterweise oben am Rohrkörper vorgesehen. Der Stellungssensor kann insbesondere zur Bestimmung des Schwenkwinkels α und/oder zum Feststellen der Ausstellposition dienen. Geeigneterweise ist die Steuerungseinrichtung so ausgebildet, dass die Flüssigkeitszufuhr zur Schwenkarmdüse lediglich dann gegeben ist, wenn sich der Schwenkarm in der Ausstellposition befindet. Zur Steuerung der Flüssigkeitszufuhr kann die Steuereinrichtung beispielsweise mit der Pumpe oder mit einem Steuerungsventil in Verbindung stehen.
Die Vorrichtung kann zum Spezialtiefbau zur Erstellung von Gründungen oder auch zur besonders effektiven Rohstoffgewinnung eingesetzt werden. Hierzu kann es nützlich sein, dass an der Bodenoberfläche eine Abfördereinrichtung zum Abfördern rohstoffhaltiger Suspension vom Rohrkörper zur Rohrstoffextraktion vorgesehen ist. Vorteilhafterweise ist die Abfördereinrichtung zum Absaugen von Suspension aus dem Bohrloch ausgebildet. Die Rohstoffextraktion kann insbesondere eine Abtrennung der Rohstoffkörner von der Flüssigkeit beinhalten.
Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung für den Abbau von festen mineralischen Rohstoffen ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass am Rohrkörper mindestens eine Leitung zum gemeinsamen oder getrennten Versorgen der Vorschneideeinrichtung und der Schwenkarmdüse mit Flüssigkeit vorgesehen ist. Sofern die Leitung zum gemeinsamen Versorgen vorgesehen ist, kann die Vorschneideeinrichtung und/oder der Schwenkarm bevorzugt ein Flüssigkeitsventil aufweisen. Sofern die Leitung zum getrennten Versorgen ausgebildet ist, weisen die Vorschneideeinrichtung und der Schwenkarm geeigneterweise getrennte Leitungen auf. Geeigneterweise weist die mindestens eine Leitung die elastische Leitung auf.
Das erfindungsgemäße Bodenbearbeitungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Arbeitsschritt eine Bohrung hergestellt wird, die mindestens bis in eine zu bearbeitende Bodenschicht reicht, und dass in die Bohrung die Bodenbearbeitungsvorrichtung eingebracht wird, mit welcher Bodenmaterial der Bodenschicht gelöst wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Bodenbearbeitungsverfahren ergeben sich die Vorteile beim Einsatz der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, mittels der Vorrichtung eine Flüssigkeit in Bodenschichten einzubringen, wodurch Bodenmaterial gezielt aus dem Boden gelöst wird. Unter weiterer Zufuhr von Flüssigkeit wird die so feststoffangereicherte Flüssigkeit aus dem Boden verdrängt und zur Bodenoberfläche abgeführt.
Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren neben dem Einsatz zum Spezialtiefbau auch für den Abbau einer Vielzahl von festen mineralischen Rohstoffen geeignet. Besonders nützlich ist das Verfahren für den Abbau von Tonmineralien, insbesondere von Kaolin. Aber auch andere Tonmineralien wie z.B. Bentonit, Talk, Smektit oder Glimmer können abgebaut werden. Bei den mineralischen Rohstoffen kann es sich insbesondere um Schichtsilikate handeln. Besonders nützlich ist das Verfahren zum Abbau keramischer Rohstoffe. Vorteilhafterweise wird die Flüssigkeit so gewählt, dass die abzubauenden Rohstoffkörner darin unlöslich sind. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Rohstoffkörner zumindest teilweise in der Flüssigkeit löslich sind.
Unter einer Suspension kann erfindungsgemäß insbesondere eine Aufschlämmung unlöslicher Feststoffkörner in der Flüssigkeit verstanden werden. Die Suspension kann auch als Körnersuspension aus einem Konglomerat bezeichnet werden.
Besonders brauchbar ist das erfindungsgemäße Verfahren für den Abbau von Rohstoffvorkommen, die in einer Tiefe von ca. 20 bis 100 m gelagert sind. Die Schichtstärke des Rohstoffvorkommens kann dabei beispielsweise 40 m betragen und der Rohstoffanteil im Boden ca. 10 bis 30 Vol%. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt in besonders einfacher Weise den Abbau solch tiefer liegender Rohstoffvorkommen, ohne dass grundsätzlich eine kostenintensive Schachterstellung notwendig wäre.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Abbaugestänge grundsätzlich von der Erdoberfläche aus in den Boden eingebracht werden. Es ist aber auch möglich, das Abbaugestänge ausgehend von einem Stollen oder einem Schacht eines Tiefbaus in den Boden einzubringen. Auch kann das Abbaugestänge vom Grund eines Tagebaus in den Boden eingebracht werden, wodurch eine Vergrößerung der Abbautiefe ohne Durchmesservergrößerung des Abbaukessels erreicht werden kann.
Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Abbaugestänge so ausgebildet, dass die injizierte Flüssigkeit eine Reichweite in Radialrichtung zum Abbaugestänge von 2 bis 8 m, insbesondere von etwa 10 m, bezüglich der Längsachse des Abbaugestänges oder einer Austrittsöffnung hat. Hierdurch können Rohstoffkörner in einem etwa zylindrischen Abbaubereich mit einem Radius in der genannten Größenordnung abgebaut werden. Die rohstoffhaltige Suspension wird geeigneterweise außenseitig am Abbaugestänge abgeführt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Abbaugestänge in eine Bohrung eingebracht wird, die durchmessergrößer als das Abbaugestänge selbst ist. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die rohstoffhaltige Suspension im Inneren des Abbaugestänges nach oben, d.h. in Richtung Erdoberfläche, abzuführen.
Das Abführen der rohstoffhaltigen Suspension entlang dem Abbaugestänge kann grundsätzlich allein aufgrund einer Verdrängungswirkung durch die weiterhin in den Boden injizierte Flüssigkeit erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können jedoch Pumpeinrichtungen vorgesehen sein, die das Abführen der rohstoffhaltigen Suspension nach oben unterstützen.
Eine besonders geeignete Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Injektionsrate für die Flüssigkeit derart eingestellt wird, dass eine Fließgeschwindigkeit der Suspension entlang dem Abbaugestänge kleiner als eine Sinkgeschwindigkeit unerwünschter Schlechtkörner ist. Die Sinkgeschwindigkeit kann dabei auch als Rückstromgeschwindigkeit und die Fließgeschwindigkeit als Aufsteiggeschwindigkeit bezeichnet werden. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Injektionsrate, d.h. die pro Zeiteinheit in den Boden zugeführte Flüssigkeitsmenge, also so gewählt, dass die unerwünschten Schlechtkörner schneller absinken als sie nach oben abgeführt werden und diese somit im Boden zurückbleiben. Bei den Schlechtkörnern kann es sich insbesondere um Grobteile handeln. Grundsätzlich kann es sich bei den Schlechtkörnern aber auch um andere unerwünschte Beimischungen und Verunreinigungen, beispielsweise um materialfremde Rohstoffbeimengungen handeln. Diese können beispielsweise aufgrund einer unterschiedlichen Dichte oder unterschiedlicher Oberflächeneigenschaften eine von der Sinkgeschwindigkeit erwünschter Rohstoffkörner unterschiedliche Sinkgeschwindigkeit aufweisen.
Besonders vorteilhaft ist es, dass die Injektionsrate derart eingestellt wird, dass Rohstoffkörner mit einer Korngröße, die oberhalb einer bestimmten Größtkorngröße liegt, im Boden verbleiben. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass lediglich Feinteile aus dem Boden abgefüht werden, Grobteile hingegen im Boden zurückbleiben oder wieder nach unten sinken und einen beim Rohstoffabbau im Abbaubereich entstehenden Hohlraum abstützen. Unter Feinteilen werden dabei Rohstoffkörner verstanden, deren Teilchengröße unterhalb der Größtkorngröße liegt. Die Größtkorngröße kann dabei insbesondere 1000µm, bevorzugterweise 500µm betragen. Vorteilhafterweise wird die Injektionsrate für die Flüssigkeit so eingestellt, dass die Sinkgeschwindigkeit von Teilchen mit einer Größe oberhalb der Größtkorngröße größer als die Fließgeschwindigkeit der Suspension und die Sinkgeschwindigkeit von Teilchen mit einer Größe unterhalb der Größtkorngröße kleiner als die Fließgeschwindigkeit der Suspension entlang dem Abbaugestänge ist. Dabei wurde erkannt, dass es sich bei der Fließgeschwindigkeit und bei der Sinkgeschwindigkeit um mittlere Werte handeln kann, so dass gegebenenfalls auch ein geringer Restanteil unerwünschter Schlechtkörner und/oder Grobteile nach oben gelangen kann. Bei der vorteilhaften Ausführungsform kann die bei einer bestimmten Größtkorngröße zu wählende Injektionsrate insbesondere auch von einem Außendurchmesser des Abbaugestänges und/oder einem Innendurchmesser eines Bohrlochs, in dem das Abbaugestänge aufgenommen ist, abhängen.
Grundsätzlich kann die Flüssigkeit beliebig gewählt werden. Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Flüssigkeit jedoch um Wasser. Ein besonders schneller und wirkungsvoller Rohstoffabbau kann dadurch gewährleistet werden, dass die Flüssigkeit unter hohem Druck, der insbesondere zwischen 300 und 1500 bar liegen kann, in den Boden injiziert wird. Eine Injektionsrate für die Flüssigkeit beträgt geeigneterweise 100 bis 2500 1 pro Minute, insbesondere 400 bis 2000 1 pro Minute.
Grundsätzlich ist es möglich, die Flüssigkeit beim Eindringen des Abbaugestänges in den Boden, d.h. bei dessen axialer Vorschubbewegung, und/oder bei axialem Stillstand des Abbaugestänges in den Boden zu injizieren. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, dass die Flüssigkeit beim Ziehen des Abbaugestänges in den Boden injiziert wird. In diesem Fall können bereits gelöste Bodenteile, die nicht mit der Suspension nach oben abgefördert werden, in einen Bereich unterhalb eines Schneidstrahls der injizierten Flüssigkeit sinken, wo sie den Schneidstrahl nicht weiter behindern. Hierdurch wird ein besonders wirkungsvoller Rohstoffabbau gewährleistet.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, dass das Abbaugestänge wiederholt abgesenkt und zumindest teilweise gezogen wird, wobei insbesondere eine Austrittscharakteristik der Flüssigkeit aus dem Abbaugestänge geändert wird. Hierdurch wird ein besonders gründlicher und vollständiger Rohstoffabbau gewährleistet. Zum Verändern der Austrittscharakteristik der Flüssigkeit kann beispielsweise die Form mindestenst eines Schneidstrahles verändert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Flüssigkeitsdruck und/oder die Injektionsrate geändert werden. Zum Ändern der Austrittscharakteristik ist es aber auch möglich, mindestens einen Austrittspunkt der Flüssigkeit aus dem Abbaugestänge zu verändern. Beispielsweise kann hierzu eine erste Injektionsdüse für einen Flüssigkeitsdurchgang geöffnet und eine zweite Injektionsdüse gesperrt werden. Ferner können zum Ändern der Austrittscharakteristik auch zusätzliche Austrittspunkte der Flüssigkeit freigegeben werden.
Ein besonders vollständiger Rohstoffabbau kann erfindungsgemäß dadurch erzielt werden, dass das Abbaugestänge während der Injektion der Flüssigkeit gedreht wird. Hierdurch kann sich insbesondere ein zumindest annähernd zylindrischer Rohstoffabbaubereich im Boden einstellen. Geeigneterweise wird das Abbaugestänge während der Drehung auch in Axialrichtung bewegt, insbesondere gezogen. Die Drehung kann mit gleichbleibender Drehrichtung oder alternierend erfolgen.
In einer weitere Variante wird der Rohrkörper und/oder der Schwenkarm über einen Schwingungserreger in Schwingungen gebracht. Die aufgebrachten Schwingungen liegen dabei bevorzugt in einem Bereich zwischen 10 und 100 Hz. Hierdurch kann die Abtragungswirkung des Schneidstrahls erhöht werden und der Rohrkörper läßt sich, insbesondere bei ausgeschwenktem Schwenkarm, unter geringerem Kraftaufwand drehen.
Grundsätzlich ist es möglich, das Abbaugestänge unmittelbar in den unbearbeiteten Boden einzubringen, wobei dann geeigneterweise stirnseitig am unteren Ende des Abbaugestänges eine Bohreinrichtung zum Lösen des anstehenden Bodens vorgesehen ist. Ein besonders brauchbares Verfahren besteht jedoch darin, dass zunächst mittels eines Bohrwerkzeuges ein vorzugsweise zumindest teilweise verrohrtes Bohrloch im Boden hergestellt wird, in das anschließend das Abbaugestänge eingebracht wird. In diesem Fall wird die Bohrung also nicht durch das Abbaugestänge selbst, sondern durch das Bohrwerkzeug oder durch Vorschneiden hergestellt. Das Bohrwerkzeug kann dabei insbesondere ein Bohrgestänge mit einem bodenseitig angeordneten Bohrkopf aufweisen. Die zumindest teilweise Verrohrung der Bohrung kann insbesondere bei einbruchsgefährdeten Böden vorgesehen sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, die schematisch in den Figuren dargestellt sind. In den Figuren zeigen:
Fig. 1
einen schematischen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 2 bis Fig. 6
die Vorrichtung aus Fig. 1 in verschiedenen Stadien des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 60 mit einem Abbaugestänge 50 ist in Fig. 1 dargestellt.
Das Abbaugestänge 50 weist einen Rohrkörper 2 auf, der in ein Bohrloch 18 im Boden 40 eingebracht ist. Stirnseitig ist am Rohrkörper 2 eine Bohreinrichtung 3 angeordnet, die beispielsweise als Bohrkrone, als Bohrkopf und/oder als Verdrängerkopf ausgebildet sein kann. Die Bohreinrichtung 3 ist dabei nicht in allen Fällen zwingend erforderlich.
Bodenseitig am Rohrkörper 2, d.h. nahe seinem unteren Ende, ist ein Schwenkarm 9 mit einem endseitigen Strahlrohr 8 vorgesehen, welches in einer Schwenkarmdüse 10 mündet. Beim Bezugszeichen 9 ist der Schwenkarm dabei in einer Ausstellposition, beim Bezugszeichen 8a in einer Ruheposition am Rohrkörper 2 dargestellt. Während in der Ruheposition eine Längsachse des Schwenkarms 9 etwa parallel zu einer Längsachse 26 des Rohrkörpers 2 verläuft, schließt die Längsachse des Schwenkarms 9 in dessen Ausstellposition mit der Längsachse 26 des Rohrkörkörpers 2 einem Schwenkwinkel α von 90° ein.
Zum Verschwenken ist der Schwenkarm 9 an einer Schwenkachse 13 angelenkt. Die Schwenkachse 13 verläuft dabei etwa radial zur Längsachse 26 des Rohrkörpers 2. Zum angetriebenen Verschwenken weist das Abbaugestänge 50 einen Schwenkantrieb mit einem Hydraulikzylinder 11 auf, der an einer Seite am Rohrkörper 2 angelenkt ist. Auf seiner anderen, kolbenseitigen Seite ist der Hydraulikzylinder 11 an einem rückwärtigen Hebelarm 14 des Schwenkarms 9 jenseits der Schwenkachse 13 angebracht. Zum Ausschwenken des Schwenkarms 9 wird der Hydraulikzylinder 11 ausgefahren, wodurch der Schwenkarm 9 mit der Schwenkarmdüse 10, wie mit dem unterbrochenen Pfeil dargestellt, in einer Kreisbahn nach oben augeschwenkt wird.
Oberhalb des Schwenkarms 9 ist außenseitig am Rohrkörper 2 eine Vorschneideeinrichtung 46 vorgesehen. Die Vorschneideeinrichtung 46 weist ein radial zur Längsachse 26 des Rohrkörpers 2 verlaufendes Vorschneiderohr 6 auf, an dem stirnseitig eine Vorschneidedüse 7 angeordnet ist. Bei ausgeschwenktem Schwenkarm 9, d.h. bei Vorliegen der Ausstellposition, ist die Schwenkarmdüse 10 radial weiter von der Längsachse 26 des Rohrkörpers 2 beabstandet als die Vorschneidedüse 7. Dabei ist ein Austrittspunkt für Flüssigkeit aus der Vorschneideeinrichtung 46 gegenüber einem Austrittspunkt für Flüssigkeit aus dem Schwenkarm 9 zurückversetzt.
Zur Versorgung des Strahlrohres 8 und der Schwenkarmdüse 10 mit Flüssigkeit ist koaxial im Rohrkörper 2 eine erste Leitung 4 angeordnet. Diese Leitung 4 ist über eine als Schlauchstück ausgeführte elastische Leitung 12 mit dem relativ langen, geraden Strahlrohr 8 verbunden. Zum Erzeugen eines in Fig. 1 nicht dargestellten Flüssigkeitsstrahls aus der Schwenkarmdüse 10 wird Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in Pfeilrichtung 16 in die Leitung 4 eingeleitet. Zwischen der Wandung der Leitung 4 und der Wandung des Rohrkörpers 2 ist im Rohrkörper 2 ein Ringraum ausgebildet, der eine zweite Leitung 5 für die Flüssigkeitszufuhr zur Vorschneideeinrichtung 46 bildet. Wird in diese zweite Leitung 5 Flüssigkeit in Pfeilrichtung 15 zugeführt, so tritt aus der Vorschneidedüse 7 ein in Fig. 1 nicht dargestellter Vorschneide-Flüssigkeitsstrahl aus.
Zur Zentrierung des Rohrkörpers 2 im Bohrloch 18 und insbesondere zur Aufnahme von radial gerichteten Reaktionskräften beim Austritt von Flüssigkeitsstrahlen aus der Vorschneidedüse 7 oder aus der Schwenkarmdüse 10 sind außenseitig am Rohrkörper 2 oberhalb der Vorschneideeinrichtung 46 Zentriereinrichtungen 21 vorgesehen. Diese als Abstandshalter mit außenliegendem Gleitschuh ausgebildeten Zentriereinrichtungen 21 stützen den Rohrkörper 2 radial an einer Bohrlochwandung 1 des Bohrlochs 18 ab.
Die Länge des Vorschneiderohrs 6 ist so gewählt, dass diese kleiner als ein Bohrlochradius 23 des Bohrlochs 18 ist und das Abbaugestänge 50 somit ungehindert in das Bohrloch 18 eingeführt werden kann. Durch Flüssigkeitsausstoß aus der Vorschneidedüse 7 und gleichzeitiger axialer Bewegung und Drehung des Rohrkörpers 2 in Drehrichtung 28 wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung Boden in einem zylindrischen Vorschneidebereich 34 mit einem Vorschneidebereichradius 24 gelockert und/oder gelöst. Der Vorschneidebereichradius 24 wird dabei geeigneterweise so gewählt, dass im Vorschneidebereich 34 ein Ausschwenken des Schwenkarms 9 in die Ausstellposition möglich ist, d.h. der Vorschneidebereichradius 24 wird geeigneterweise größer als ein radialer Abstand der Schwenkarmdüse 10 von der Längsachse 26 des Rohrkörpers 2 gewählt.
Durch Flüssigkeitsausstoß aus der ausgeschwenkten Schwenkarmdüse 10 bei gleichzeitiger Axialbewegung und Drehung des Rohrkörpers 2 in Drehrichtung 28 wird in einem etwa zylindrischen Abbaubereich 35 mit einem Abbaubereichradius 25 und einer Höhe 20 Bodenmaterial gelockert und/oder gelöst. Wird beim Ziehen des Rohrkörpers 2 gleichzeitig Wasser aus dem Strahlrohr 8 und aus der Vorschneideeinrichtung 46 ausgestoßen, so besteht aufgrund der obenseitigen Anordnung der Vorschneideeinrichtung 46 bezüglich dem Schwenkarm 9 zwischen dem Vorschneidebereich 34 und dem Abbaubereich 35 eine Höhendifferenz 19.
Die Flüssigkeit, die über das Strahlrohr 8 und/oder die Vorschneideeinrichtung 46 in den Boden 40 injiziert wird, wird dabei mit Bodenmaterial, insbesondere mit Rohstoffteilchen, angereichert und sodann außenseitig am Rohrkörper 2 im Ringraum zwischen Bohrlochwandung 1 und der Wandung des Rohrkörpers 2 in Pfeilrichtung 17 nach oben abgeführt.
Die Bohreinrichtung 3 kann insbesondere so ausgebildet sein, dass sie über den Schwenkarm 9 in dessen Ruheposition in Radialrichtung hervorsteht und diesen somit vor anstehendem Bodenmaterial schützt.
Verschiedene Verfahrensstadien eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung des in Fig. 1 dargestellten Abbaugestänges 50 sind in den Fig. 2 bis 6 dargestellt. Dabei werden dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet.
In einem ersten Schritt des dargestellten Verfahrens wird mittels eines nicht dargestellten Bohrwerkzeuges im Boden 40 zunächst ein Bohrloch 18 bis zu einer Endtiefe 38 abgeteuft. Zur Stützung von Rollkies kann das Bohrloch 18 dabei in einem oberen Bereich verrohrt ausgebildet werden. Das Bohrloch 18 wird derart durchmessergrößer als der Rohrkörper 2 ausgestaltet, dass dieser mit der radial vorstehenden Vorschneideeinrichtung 46 bei eingeschwenktem Schwenkarm 9 in einem nächsten Schritt ungehindert zentrisch in das Bohrloch 18 eingeführt und hierin abgesenkt werden kann.
Nachdem der eingeschobene Rohrkörper 2 mit seiner bodenseitig angeordneten Bohreinrichtung 3 am Grund des Bohrlochs 18 aufliegt, wird der Rohrkörper 2 zunächst solange weiter in den Boden eingeschoben, bis sich die Vorschneideeinrichtung 46 knapp oberhalb der Endtiefe 38 befindet. Durch Abtragungswirkung der Bohreinrichtung 3 am Bohrlochgrund, die insbesondere durch eine Drehung des Rohrkörpers 2 erzeugt werden kann, wird hierbei mittig und durchmesserkleiner zum Bohrloch 18 ein Vorschubbohrloch 31 erzeugt. Zur Unterstützung der Wirkung der Bohreinrichtung 3 kann dabei gegebenenfalls Flüssigkeit über die Leitung 4 an den eingeschwenkten Schwenkarm 14 zugeführt werden, wobei die Flüssigkeit dann nahe der Bohreinrichtung 3 aus der Schwenkarmdüse 10 hervortritt.
Nachdem die Vorschneideeinrichtung 46 auf der Endtiefe 38 angelangt ist, wird über die Leitung 5 Flüssigkeit unter Druck zur Vorschneideeinrichtung 46 zugeführt und dabei ein Vorschneide-Flüssigkeitsstrahl 43 in Radialrichtung zur Längsachse 26 des Rohrkörpers 2 erzeugt. Gleichzeitig wird der Rohrkörper 2 gedreht und in Pfeilrichtung 30 gezogen. Durch die Wirkung des Vorschneide-Flüssigkeitsstrahls 43 wird Bodenmaterial im Vorschneidebereich 34 gelöst und/oder gelockert. Dieses Verfahrensstadium ist in Fig. 2 dargestellt. Während des gesamten Verfahrens wird die über die Leitungen 4, 5 in den Boden 40 eingebrachte und dort mit Bodenmaterial angereicherte Flüssigkeit in Pfeilrichtung 17 außen am Rohrkörper 2 nach oben abgeführt.
Unter Höhenzunahme des Vorschneidebereichs 34 wird der Rohrkörper 2 unter Drehung um seine eigene Achse weiter gezogen, bis der Schwenkarm 9 vollständig aus dem Vorschubbohrloch 31 herausgezogen ist. Dieser Zustand ist in Fig. 3 dargestellt.
Im Anschluss wird der Schwenkarm 9 aus seiner Ruheposition in seine Ausstellposition ausgeschwenkt, wobei gleichzeitig der Vorschneide-Flüssigkeitsstrahl 43 deaktiviert wird. Dieses Verfahrensstadium ist in Fig. 4 dargestellt. Während des Ausschwenkens des Schwenkarms 9 wird vorteilhafterweise eine Drehung des Rohrkörpers 2 gestoppt.
Der Rohrkörper 2 wird daraufhin ohne weitere Flüssigkeitszufuhr solange wieder in den Boden eingeschoben, bis der ausgestellte Schwenkarm 9 etwa die Endtiefe 38 erreicht hat. Zur Erleichterung des Vorschubs kann der Rohrkörper 2 dabei auch gedreht werden. Anschließend werden sowohl der Vorschneideeinrichtung 46 als auch dem Strahlrohr 8 Flüssigkeit unter Druck zugeführt, wodurch sich an der Vorschneideeinrichtung 46 wieder der Vorschneide-Flüssigkeitsstrahl 43 und am Strahlrohr 8 ein Flüssigkeitsstrahl 41 einstellt. Gleichzeitig wird der Rohrkörper 2 wieder in Drehung versetzt und in Axialrichtung gezogen. Dieses Verfahrensstadium ist in Fig. 5 dargestellt.
Der etwa radial zum Rohrkörper 2 gerichtete Flüssgkeitsstrahl 41 weist eine größere Reichweite als der Vorschneide-Flüssigkeitsstrahl 43 auf und lockert und/oder löst rohstoffhaltiges Bodenmaterial im verglichen mit dem Vorschneidebereich 34 durchmessergrößeren Abbaubereich 35. Durch weiteres Ziehen des Rohrkörpers 2 wird, wie in Fig. 6 dargestellt, die Höhe des Abbaubereiches 35 vergrößert. Aufgrund der in Axialrichtung vorauseilenden Vorschneideeinrichtung 46 wird dabei sichergestellt, dass sich der Schwenkarm 9 stets im Vorschneidebereich 34 befindet. Hierzu kann es insbesondere nützlich sein, dass das Vorschneiderohr 6 und/oder die Vorschneidedüse 7 in Umfangsrichtung des Rohrkörpers 2 versetzt bezüglich dem ausgeschwenkten Schwenkarm 9 angeordnet ist.
Das Ziehen bei aktiviertem Flüssigkeitsstrahl 41 und gleichzeitig aktiviertem Vorschneide-Flüssigkeitsstrahl 43 kann insbesondere solange fortgeführt werden, bis der Schwenkarm 9 am oberen Ende einer rohstoffhaltigen Bodenschicht angelangt ist, wobei kontinuierlich angereicherte Flüssigkeit in Pfeilrichtung 17 abgeführt wird. Nach Erreichen des oberen Endes der rohstoffhaltigen Bodenschicht werden der Flüssigkeitsstrahl 41 und der Vorschneide-Flüssigkeitsstrahl 43 deaktiviert, der Schwenkarm 9 in Ruheposition eingeschwenkt und das Abbaugestänge 50 vollständig gezogen.

Claims (16)

  1. Bodenbearbeitungsvorrichtung, insbesondere zum Abbau von festen mineralischen Rohstoffen, mit einem in den Boden einbringbaren Rohrkörper (2), wobei an einem bodenseitigen Ende des Rohrkörpers (2) mindestens ein Schwenkarm (9) mit einem Strahlrohr (8) angeordnet ist, der aus einer Ruheposition am Rohrkörper (2) in eine Ausstellposition bewegbar ist, in welcher der Schwenkarm (9) seitlich vom Rohrkörper (2) vorsteht, und zum Erzeugen eines Flüssigkeitsschneidstrahls das Strahlrohr (8) im Wesentlichen geradlinig in eine Strahldüse (10) mündet,
    dadurch gekennzeichnet, dass am Rohrkörper (2)beabstandet von dem mindestens einen Schwenkarm (9) mindestens eine Vorschneideeinrichtung (46) zum Erzeugen eines Vorschneide-Flüssigkeitsstrahls (43) vorgesehen ist, welcher quer zur Achse des Rohrkörpers (2) gerichtet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass außenseitig am Rohrkörper (2), insbesondere oberhalb des Schwenkarmes (9, 14) und/oder der Vorschneideeinrichtung (46), mindestens eine Zentriereinrichtung (21) zum Zentrieren des Rohrkörpers (2) in einem Bohrloch (18) vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Vorschneide-Flüssigkeitsstrahls (43) der Vorschneideeinrichtung (46) im Grundriss gegenüber der Richtung des Flüssigkeitsschneidstrahls (41) des Strahlrohres (8) verschwenkt ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass am Schwenkarm (9) eine elastische Leitung (12) zur Versorgung der Schwenkarmdüse (10) mit Flüssigkeit vorgesehen ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor in dem Schwenkarm (9) angeordnet ist, welcher Daten, insbesondere zur Stellung des Schwenkarmes (9), zur Bodenoberfläche überträgt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Ausschwenken des Schwenkarmes (9) durch eine Verstellvorrichtung (11) am unteren Teil des Rohrkörpers (2) erfolgt, die von der Bodenoberfläche aus betätigbar ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Ausschwenken des Schwenkarmes (9) dadurch erfolgt, dass parallel zum Rohrkörper (2) eine Antriebsstange oder ein umhüllendes Rohr relativ verschoben wird.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkwinkel α des Flüssigkeitsschneidstrahles (41) in einem Bereich von 45° -120° liegt und insbesondere einen Winkel von etwa 90° einnimmt.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass an der Bodenoberfläche eine Abfördereinrichtung zum Abfördern rohstoffhaltiger Suspension vom Rohrkörper (2) zur Rohstoffextraktion vorgesehen ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwingungserreger vorgesehen ist, mit dem der Rohrkörper (2) und/oder der Schwenkarm (9) in Schwingung versetzbar ist.
  11. Bodenbearbeitungsverfahren mit einer Bodenbearbeitungsvorrichtung (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem
    in einem ersten Arbeitsschritt eine Bohrung (18) hergestellt wird, die mindestens bis in eine zu bearbeitende Bodenschicht reicht, und
    in der Bohrung (18) durch Ausschwenken mindestens eines Schwenkarmes (9) einer Bodenbearbeitungsvorrichtung (60) mit einem Flüssigkeitsstrahl (41) Bodenmaterial der Bodenschicht gelöst wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass vor dem Ausschwenken des Schwenkarmes (9) ein Radius (23) der Bohrung (18) durch einen Vorschneide-Flüssigkeitsstrahl (43) einer Vorschneideeinrichtung (46) auf einen Zwischenradius (24) aufgeschnitten wird, der so groß ist, dass der Schwenkarm (9) in eine Querstellung zur Achse des Rohrkörpers (2) gebracht werden kann.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass spätestens nach Erreichen einer Querstellung des Schwenkarmes (9) mit einem Flüssigkeitsstrahl (41) der Durchmesser der Bohrung auf einen Abbauradius (25) vergrößert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass zum Abbau und zur Gewinnung mineralischer Rohstoffe, insbesondere Tonmineralien, die Suspension aus Schneidflüssigkeit und gelösten, mineralischen Rohstoffen durch die Bohrung (18) zur Bodenoberfläche gefördert wird, wobei der Förderstrom dadurch aufrecht erhalten wird, dass über die Schwenkarmdüse (10) und/oder die Vorschneideeinrichtung (46) weitere Schneidflüssigkeit nachgefüllt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper (2) in der Bohrung (18) zum Zwecke der Aufnahme von Rückstoßkräften und Vergrößerung des Abbauradiuses (25) des Flüssigkeitsschneidstrahles (41) zentriert wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (23) der Bohrung (18) im Verhältnis zur Querschnittsfläche des Rohrkörpers (2) so gewählt wird, dass sich eine Strömungsgeschwindigkeit nach oben in der Bohrung (18) einstellt, die so groß ist, dass nur ein vorbestimmter Feinkorndurchmesser aus dem abgebauten mineralischen Rohstoff in Suspension nach oben gefördert wird, während das unerwünschte Großkorn in den unteren Bereich der Bohrung (18) absinkt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass zunächst mittels eines Bohrwerkzeuges ein zumindest teilweise verrohrtes Bohrloch (18) im Boden (40) hergestellt wird, in das anschließend das Abbbaugestänge (50) eingebracht wird.
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