EP2029851B1

EP2029851B1 - Spülwelle für das bohrgestänge einer drehschlagbohranlage, prallpaket für eine spülwelle und drehschlagbohranlage

Info

Publication number: EP2029851B1
Application number: EP07720159.8A
Authority: EP
Inventors: Marcel Dell'anna
Original assignee: Btd Bohrtechnik AG
Current assignee: BTD BOHRTECHNIK AG
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: WO2007134478A1; EP2029851A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Spülwelle für das Bohrgestänge einer Drehschlagbohranlage gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Prallpaket für eine Spülwelle und eine mit einer Spülwelle ausgestattete Drehschlagbohranlage.
Im Tiefbau und im Tunnelbau werden Bohranlagen eingesetzt, die eine möglichst hohe Bohrleistung erzielen. Dabei kommen Drehbohranlagen mit Bohrschnecken, oder Drehschlagbohranlagen mit Aussenhammer oder mit Innenhammer oder auch Doppelkopfbohranlagen zum Einsatz. Die meisten dieser Tiefbohranlagen weisen einen zentralen Bohrmeissel auf, der gegenüber einer den Bohrmeissel umgebenden zylindrischen Bohrkrone vorauseilt. Der zentrale Bohrmeissel und die Bohrkrone sind drehangetrieben. Die Drehrichtung kann gleich oder gegenläufig (Doppelkopfbohranlagen) sein. Das von den beiden Bohrköpfen zerkleinerte Bohrgut wird durch ein im Gestänge in die Tiefe gepumptes Spülmedium, beispielsweise Luft, Wasser, Suspensionen, etc., aufgenommen und zur Oberfläche gebracht. Eine Variante der aus dem Stand der Technik bekannten Bohranlagen sieht vor, dass zur Verbesserung der Abbauleistung . die beiden Bohrköpfe von einem ausserhalb des Bohrlochs angeordneten Hydaulikhammer beaufschlagt sind. Die axialen Schläge des hydraulischen Aussenhammers werden über eine koaxiale Bohrgestängeanordnung auf die beiden drehangetriebenen Bohrköpfe übertragen. Die Bohrleistung derartiger Drehschlagbohranlagen sind beschränkt. Insbesondere bei tiefen Bohrungen von 200 m und mehr ist die Bohrleistung dieser Bohranlagen nicht besonders hoch, da von der ausserhalb des Bohrlochs hydraulisch aufgebrachten Schlagenergie nur ein Teil an den beiden Bohrköpfen ankommt und überdies auf den zentralen Bohrmeissel und die umgebende Bohrkrone aufgeteilt wird.
Eine andere Variante von Drehschlagbohranlagen sieht vor, dass der zentrale Meissel zusätzlich zum Drehantrieb von einem pneumatisch betriebenen Imlochhammer beaufschlagt wird, während die äussere zylindrische Bohrkrone drehangetrieben ist. Der Vorteil des Imlochhammers besteht darin, dass die Schlageinleitung immer im selben axialen Abstand vom zentralen Bohrmeissel erfolgt und von der Bohrlochtiefe abhängige Übertragungswege entfallen. Drehschlagbohranlagen mit Imlochhammer kommen vor allem in mittelhartem bis sehr hartem Gestein zur Anwendung und weisen bereits akzeptable Bohrgeschwindigkeiten auf.
Aus der WO 93/09328 ist beispielsweise eine Überlagerungsbohrvorrichtung bekannt, die einen Imlochhammer und einen Aussenhammer aufweist, der das Aussengestänge mit Schlägen beaufschlagt. Das Innengestänge mit dem Imlochhammer ist durch ein Dämpfungselement von den Schlägen des Aussenhammers entkoppelt, um ein Beschädigung des Imlochhammers durch diese Schläge zu vermeiden. Als Dämpfungselement ist eine elastische Scheibe oder ein pneumatisches Dämpfungsorgan, welches wie ein Stossdämpfer ausgebildet sein kann, vorgeschlagen. Das pneumatische Dämpfungsorgan ist relativ aufwendig, bedingt eine komplizierte Konstruktion und ist daher wenig praxistauglich. Eine elastische Scheibe als Dämpfungsorgan erweist sich ebenfalls als nicht praktikabel, da diese sich durch die Schlageinwirkung soweit erwärmen kann, dass sie verflüssigt. Dadurch geht die Dämpfwirkung in relativ kurzer Zeit verloren. Ohne Dämpfung kann es aber relativ bald zu Beschädigungen des Imlochhammers oder des Bohrgestänges kommen.
Das Dokument US 4,257,245 offenbart in Figur 6 ein Prallpaket für ein Bohrgestänge mit Elastomerscheiben 64 und Metallscheiben 67. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Drehschlagbohranlagen mit Überlagerungsbohrvorrichtungen dahingehend zu verbessern, dass sie höhere Standzeiten aufweisen und die Bohrleistungen verbessert sind. Insbesondere sollen Brüche des innerhalb des Bohrlochs angeordneten Bohrgestänges oder Beschädigungen des Imlochhammers vermieden werden können.
Zur Lösung dieser Aufgaben ist eine Spülwelle für das Bohrgestänge einer Drehschlagbohranlage vorgeschlagen, welche die im kennzeichnenden Abschnitt des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale aufweist. Die Aufgaben werden weiters gelöst durch ein Prallpaket für eine Spülwelle für das Bohrgestänge einer Drehschlagbohranlage mit den im Kennzeichen des entsprechenden Anspruchs angeführten Merkmalen. Weiterbildungen und/oder vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
Die erfindungsgemässe Spülwelle ist für den Einbau in ein äusseres Bohrgestänge einer Drehschlagbohranlage mit einem Überlagerungsschlagwerk ausgebildet. Dabei weist die Drehschlagbohranlage einen an einem inneren Bohrgestänge angeordneten zentralen Bohrmeissel auf, der drehangetrieben ist und von einem Imlochhammer mit axialen Schlägen beaufschlagt wird, sowie eine drehangetriebene und von einem Aussenhammer mit axialen Schlägen beaufschlagte Bohrkrone, die derart an dem das innere Bohrgestänge aufnehmenden äusseren Bohrgestänge angeordnet ist, dass sie gegenüber dem zentralen Bohrmeissel nacheilt. Die Spülwelle weist einen zylindrischen Körper auf, an dessen axialen Endbereichen genormte Anschlussgewinde für die Verbindung mit dem äusseren Bohrgestänge bzw. mit dem Aussenhammer vorgesehen sind, und der an seinem im montierten Zustand dem Imlochhammer zugewandten Endbereich eine sacklochartige Aufnahme aufweist, die mit einer Versorgungsbohrung für den Imlochhammer in Verbindung steht. In der Aufnahme ist ein Prallpaket angeordnet, das eine Anzahl kreisringförmiger Stahlscheiben und, vorzugsweise vulkanisierter, Elastomerscheiben umfasst. Dabei ist immer jeweils eine Elastomerscheibe zwischen zwei Stahlscheiben angeordnet.
Die erfindungsgemässe Spülwelle dient zur Entkopplung der von den Schlagsystemen (Imlochhammer bzw. Aussenhammer) erzeugten Schläge. Die Spülwelle mit dem Prallpaket ist bezogen auf eine Bohrrichtung hinter dem Imlochhammer angeordnet und mit dem äusseren Bohrgestänge verbunden ist. Die erfindungsgemässe Spülwelle ist ein modulares Bauteil, das bei Bedarf und Wunsch in die Drehschlagbohranlage einbaubar ist. Dadurch bleibt für den Anwender die Flexibilität erhalten. Falls er die Drehschlagbohranlage als eine konventionelle, aus dem Stand der Technik bekannte Anlage betreiben will, die beispielsweise nur einen, gemeinsam auf den zentralen Bohrmeissel und die Bohrkrone wirkenden Aussenhammer aufweist oder nur mit einem Imlochhammer ausgestattet ist, kann an Stelle der erfindungsgemässen Spülwelle mit Prallpaket eine konventionelle Spülwelle in das Bohrgestänge eingebaut werden. Soll die Drehschlagbohranlage mit zwei unabhängig voneinander wirkenden Schlagsystemen arbeiten, wird einfach die erfindungsgemässe Spülwelle mit Prallpaket bezogen auf die Bohrrichtung hinter dem Imlochhammer in das äussere Bohrgestänge eingefügt. Bei dem Prallpaket handelt es sich um einen in der Aufnahme der Spülwelle eingespannten Verbund aus Stahlscheiben und Elastomerscheiben. Die Elastomerscheiben sind dabei immer jeweils zwischen zwei Stahlscheiben angeordnet. Die Stahlscheiben dienen einerseits zur mechanischen Versteifung des Prallpakets und gewährleisten eine gute Verteilung der Schlagenergie über die gesamte Fläche einer Elastomerscheibe. Andererseits dienen sie zur Ableitung der bei der Dämpfung der Schläge auftretenden Wärme. Dadurch wird eine übermässige Erhitzung der Elastomerscheiben, die sogar zu einem Fliessen des Materials und zur Zerstörung des Prallpakets führen könnte, zuverlässig verhindert. Durch die eingespannte Anordnung des Prallpakets in der Aufnahme der Spülwelle ist bei der Schlagdämpfung eine kontrollierte Deformation gewährleistet.
Die Spülwelle ist zylindrisch ausgebildet und weist an seinen beiden Endbereichen Anschlussgewinde für die Kopplung an das äussere Bohrgestänge auf. Die Anschlussgewinde können genormte Innen- und/oder Aussengewinde sein, damit das Zwischenstück modulartig in das Bohrgestänge einbaubar ist. Im Inneren der Spülwelle ist in einer Aufnahme das axial elastisch deformierbare Prallpaket untergebracht. Das elastisch deformierbare Prallpaket dient zur Entkopplung der von den beiden Schlagsystemen in das innere bzw. das äussere Bohrgestänge eingeleiteten axialen Schläge. Die Aufnahme für das Prallpaket ist an dem dem Imlochhammer zugewandten Endbereich der Spülwelle angeordnet und steht mit einer Versorgungsbohrung für den Imlochhammer in Verbindung. Ein im Bereich der Versorgungsbohrung angeordneter Spülring dient zur Einleitung des Spülmedium, beispielsweise eines Gemischs aus Druckluft und Wasser, und zur Versorgung des Imlochhammers mit Druckluft. Die Versorgungsbohrung mündet dabei derart in die Aufnahme für das Prallpaket, dass sich im Betrieb an der vom Imlochhammer abgewandten Seite ein Luftpolster ausbilden kann, welches für eine zusätzliche Entkopplung der axialen Schläge der beiden Schlagsysteme sorgt.
Die Elastomerscheiben des in der Aufnahme der Spülwelle angeordneten Prallpakets haben einen etwas kleineren Aussendurchmesser als die Stahlscheiben. Dadurch ist sichergestellt, dass sich die Elastomerscheiben bei einer axialen Stauchung radial ungehindert elastisch ausdehnen können. Das Prallpaket weist mit Vorteil eine zentrale Durchgangsöffnung für den ungehinderten Durchtritt des Spülmediums auf.
Die Stahlscheiben dienen zur mechanischen Versteifung des Prallpakets. Die eigentliche Dämpf- und Entkopplungsfunktion wird hingegen von den Elastomerscheiben wahrgenommen. Die axiale Höhe der Elastomerscheiben beträgt etwa das Einfache bis etwa das Zweieinhalbfache der axialen Höhe der Stahlscheiben. Das Prallpaket weist mit Vorteil eine axiale Gesamthöhe von etwa 35 mm bis etwa 105 mm auf. Diese Dimensionierung des Prallpakets in Verbindung mit einem im Betrieb in der Aufnahme ausgebildeten Luftpolster sorgt im Betrieb dafür, dass bei den üblichen Einzelschlagenergien der beiden Schlagsysteme eine zuverlässige Entkopplung der axialen Schläge gewährleistet ist.
Das Prallpaket weist mit Vorteil eine den zentralen Durchgang der kreisringförmigen Stahl- und Elastomerscheiben durchsetzende, mit einer zentralen Bohrung versehene Büchse auf, deren Fussteil sich am Boden der Aufnahme in der Spülwelle abstützt. Die Büchse schliesst das Prallpaket radial nach innen ab und sorgt für einen noch weiter verbesserten Abtransport der bei der Kompression der Elastomerscheiben auftretenden Wärme. Zusätzlich begrenzt die Büchse die Ausdehnung der Elastomerscheiben bei Belastung.
Aus Festigkeitsgründen besteht die Büchse des Prallpakets vorzugsweise ebenfalls aus Stahl.
Eine erfindungsgemässe Drehschlagbohranlage mit einem an einem inneren Bohrgestänge angeordneten zentralen Bohrmeissel, der drehangetrieben und von einem Imlochhammer beaufschlagt ist, und einer Bohrkrone, die drehangetrieben und von einem eigenen Aussenhammer mit Axialschlägen beaufschlagt ist und derart an einem das innere Bohrgestänge aufnehmenden äusseren Bohrgestänge angeordnet ist, dass sie gegenüber dem zentralen Bohrmeissel nacheilt, ist zur Entkopplung der vom Imlochhammer und der vom Aussenhammer erzeugten Axialschläge mit einem eingespannten Prallpaket, das aus einem Verbund aus Stahlscheiben und Elastomerscheiben besteht, ausgestattet. Das Prallpaket ist dabei in einer erfindungsgemäss ausgebildeten Spülwelle angeordnet.
Die erfindungsgemässe Drehschlagbohranlage ist mit zwei Schlagsystemen ausgestattet. Ein Imlochhammer beaufschlagt den zentralen Bohrmeissel. Der vorauseilende zentrale Bohrmeissel muss einen Grossteil der Abbauarbeit leisten. Der Imlochhammer bietet dabei eine optimale Unterstützung der Abtragarbeit. Die vom Imlochhammer auf den zentralen Bohrmeissel übertragene Schlagenergie ist nicht abhängig von der Bohrlochtiefe bzw. der Länge des inneren Bohrgestänges. Vielmehr werden die axialen Schläge des Imlochhammers immer im gleichen Abstand von der Bohrsohle über das innere Bohrgestänge in den zentralen Bohrmeissel eingeleitet. Die gegenüber dem zentralen Bohrmeissel nacheilende Bohrkrone wird durch den Aussenhammer über das äussere Bohrgestänge mit axialen Schlägen beaufschlagt. Die axialen Schläge des zusätzlichen Schlagsystems dienen ausschliesslich zur Unterstützung der Abbauarbeit der mit dem äusseren Bohrgestänge verbundenen Bohrkrone. Die Schlagenergie des zusätzlichen Schlagsystems muss nicht wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Drehschlagbohranlagen auf die Bohrkrone und den zentralen Bohrmeissel verteilt werden. Vielmehr dient das Prallpaket dazu, die vom Aussenhammer erzeugten Axialschläge von den auf den zentralen Bohrmeissel einwirkenden axialen Schläge des Imlochhammers entkoppeln. Die Schlagenergien der beiden Schlagsysteme sind unabhängig voneinander auf den jeweiligen Anwendungszweck und Untergrund abstimmbar. Dadurch ist eine sehr hohe Bohrleistung erzielbar. Durch die erfindungsgemässe Entkopplung der Schlagsysteme ist die Standzeit der Drehschlagbohranlage deutlich verbessert. Brüche des Bohrgestänges innerhalb des Bohrloches, beispielsweise in Gewindebereichen des modular aufgebauten Bohrgestänges können dadurch weitgehend verhindert werden. Die Anordnung des Prallpakets in einer Spülwelle erhöht die Modularität der Anlage, die bei Bedarf auch ohne diese Spülwelle betrieben werden kann. Dadurch bleibt für den Anwender die Flexibilität erhalten. Fall er die Drehschlagbohranlage als eine konventionelle, aus dem Stand der Technik bekannte Anlage betreiben will, die beispielsweise nur einen, gemeinsam auf den zentralen Bohrmeissel und die Bohrkrone wirkenden Aussenhammer aufweist oder nur mit einem Imlochhammer ausgestattet ist, kann an Stelle der erfindungsgemässen Spülwelle mit Prallpaket eine konventionelle Spülwelle in das Bohrgestänge eingebaut werden. Soll die Drehschlagbohranlage hingegen wieder mit zwei unabhängig voneinander wirkenden Schlagsystemen arbeiten, wird einfach die erfindungsgemässe Spülwelle mit dem Prallpaket bezogen auf die Bohrrichtung hinter dem Imlochhammer in das äussere Bohrgestänge eingefügt.
Der Aussenhammer ist vorzugsweise hydraulisch betrieben. Der hydraulische Antrieb ist erprobt und kann beispielsweise vom hydraulischen Drehantrieb der Bohrgestänge abgeleitet werden.
Der Imlochhammer ist mit Vorteil pneumatisch betrieben. Die Versorgung des pneumatischen Imlochhammers mit Druckluft ist auch bei grossen Bohrtiefen bzw. Bohrlängen im allgemeinen einfacher zu bewerkstelligen als eine Hydraulikversorgung. Undichtigkeiten der pneumatischen Versorgungsleitungen sind weit weniger problematisch als solche bei hydraulischen Systemen.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren zum Betrieb einer Drehschlagbohranlage mit einem an einem inneren Bohrgestänge angeordneten zentralen Bohrmeissel, der drehangetrieben wird und von einem Imlochhammer mit axialen Schlägen beaufschlagt wird, und mit einer drehangetriebenen und von einem Aussenhammer mit axialen Schlägen beaufschlagten Bohrkrone, die derart an einem das innere Bohrgestänge aufnehmenden äusseren Bohrgestänge angeordnet ist, dass sie gegenüber dem zentralen Bohrmeissel nacheilt, werden die axialen Schläge des Imlochhammers und des Aussenhammers weitgehend voneinander entkoppelt. Zur Entkopplung der axialen Schläge des Imlochhammers und des Aussenhammers wird ein eingespanntes Prallpaket verwendet, das aus einem eingespannten Verbund aus kreisringförmigen Stahlscheiben und Elastomerscheiben zusammengesetzt wird, wobei jeweils eine Elastomerscheibe zwischen zwei Stahlscheiben angeordnet wird.
Die mit dem Imlochhammer erzeugten und an den zentralen Bohrmeissel abgegebenen und die vom Aussenhammer erzeugten und auf die Bohrkrone übertragenen Schläge werden durch das Prallpaket voneinander entkoppelt. Das Prallpaket dient dabei einerseits zur Dämpfung der Axialschläge und andererseits zur Ableitung der bei der Dämpfung auftretenden Wärme. Das Betreiben der Drehschlagbohranlage mit zwei voneinander unabhängigen Schlagsystemen erlaubt eine auf die jeweiligen Anforderungen und den Untergrund angepasste Einzelschlagenergie der jeweiligen axialen Schläge. Dadurch ist eine sehr hohe Bohrleistung erzielbar. Durch die Entkopplung der Schlagsysteme voneinander ist eine höhere Standzeit der Drehschlagbohranlage erreichbar und können Brüche des Bohrgestänges innerhalb des Bohrloches weitgehend vermieden werden.
Die an die Bohrkrone übertragenen axialen Schläge werden bevorzugt mit einem hydraulisch betriebenen Aussenhammer erzeugt und in das äussere Bohrgestänge eingeleitet. Dies erlaubt eine einfache Verstellung der Einzelschlagenergie.
Die auf den zentralen Bohrmeissel übertragenen axialen Schläge werden mit Vorteil mit einer pneumatisch angetriebenen Imlochhammer erzeugt. Der pneumatische Betrieb des Imlochhammers ist einfacher zu bewerkstelligen als beispielsweise ein hydraulischer Betrieb. Undichtigkeiten der Pneumatik innerhalb des Bohrlochs sind weniger kritisch als bei hydraulischem Betrieb.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer Darstellung:

Fig. 1: eine Darstellung einer Drehschlagbohranlage gemäss der Erfindung;
Fig. 2: eine auseinandergezogene Darstellung einer erfindungsgemässen Spülwelle mit Prallpaket, die mit einer mit einer Ausgleichsstange versehenen Auswurfglocke verbindbar ist;
Fig. 3: die Spülwelle und die Auswurfglocke gemäss Fig. 2 im zusammenmontierten Zustand; und
Fig. 4: ein Prallpaket mit Büchse.

Die schematische Darstellung in Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäss ausgebildete Drehschlagbohranlage, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Die Drehschlagbohranlage 1 besitzt ein inneres Bohrgestänge 2 und ein das innere Bohrgestänge 2 aufnehmendes äusseres Bohrgestänge 5. Das bezogen auf eine Bohrrichtung D vordere Ende des inneren Bohrgestänges 2 trägt einen zentralen Bohrmeissel 3, beispielsweise eine Stiftbohrkrone mit Diamant und/oder Hartmetallstiften. Am vorderen Ende des äusseren Bohrgestänges 5 ist eine ringförmige Bohrkrone 6 mit Hartmetallkörpern oder dergleichen montiert. Das innere und das äussere Bohrgestänge 2, 5 sind über einen vorzugsweise hydraulischen Antrieb 15 drehangetrieben. Der mit dem inneren Bohrgestänge 2 verbundene zentrale Bohrmeissel 3 eilt der am äusseren Bohrgestänge 5 montierten Bohrkrone 6 voraus und leistet im Betrieb die grösste Abbauarbeit. Das innere Bohrgestänge 2 weist unmittelbar hinter dem zentralen Bohrmeissel 3 einen sogenannten Imlochhammer 4 auf, der pneumatische betreibbar ist. Der Imlochhammer 4 wird über eine zentrale Bohrung 10 mit der erforderlichen Druckluft versorgt und beaufschlagt im Betrieb den zentralen Bohrmeissel 3 mit axialen Schlägen. Die Druckluft bildet zugleich auch das Spülmedium, das für den Abtransport des an der Bohrsohle von den Bohrköpfen zerkleinerten Bohrguts erforderlich ist. Gegebenenfalls ist das Spülmedium ein Gemisch aus Druckluft und Wasser. Am rückwärtigen Ende ist das Bohrgestänge 2, 5 über eine Auswurfglocke 13 und eine Spülwelle 8 mit dem hydraulischen Drehantrieb 15 verbunden. An der Auswurfglocke 13 wird das vom Spülmedium aus der Bohrlochtiefe transportierte zerkleinerte Bohrgut ausgeworfen. Die Spülwelle 8 wird über einen darum montierten Spülring 11 mit einem Anschluss 12 mit dem Spülmedium versorgt. Im Betrieb befinden sich die Auswurfglocke 13 und alle dahinter anschliessenden Bauteile ausserhalb des Bohrlochs. Die an die Auswurfglocke 13 in Bohrrichtung D anschliessenden Abschnitte des Bohrgestänges 2, 5 befinden sich innerhalb des Bohrlochs. Das Bohrgestänge 2, 5 ist modular aufgebaut und beliebig verlängerbar, was in Fig. 1 durch Unterbrechungslinien angedeutet ist.
Zum Unterschied vom Stand der Technik ist die erfindungsgemässe Drehschlagbohranlage mit einem zusätzlichen Schlagsystem 7 ausgestattet, welches im Betrieb axiale Schläge auf das Bohrgestänge ausübt. Entkopplungsmittel sorgen dafür, dass die axialen Schläge des zusätzlichen Schlagsystems 7 nur auf das äussere Bohrgestänge 5 übertragen werden. Die Entkopplungsmittel bestehen aus einer speziell ausgebildeten Spülwelle 8 mit einem axial elastisch deformierbaren Prallpaket 9. Die axialen Schläge des zusätzlichen Schlagsystems 7 werden vorzugsweise hydraulisch erzeugt. Beispielsweise handelt es sich um einen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannten Aussenhammer dessen hydraulischer Betrieb aus dem hydraulischen Antrieb 15 für die Drehbewegung des Bohrgestänges 2, 5 abgeleitet ist. Die Axialschläge des zusätzlichen Schlagsystems 7 dienen ausschliesslich zur Unterstützung der Abbauarbeit der am äusseren Bohrgestänge 5 montierten Bohrkrone 6. Die Schlagenergie des zusätzlichen Schlagsystems 7, das vorzugsweise hydraulisch betrieben ist, muss nicht wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Drehschlagbohranlagen auf die Bohrkrone 6 und den zentralen Bohrmeissel 3 verteilt werden. Vielmehr sorgen die vorgesehenen Entkopplungsmittel 8, 9 dafür, dass die vom zusätzlichen Schlagsystem 7 ausgeübten Axialschläge von den auf den zentralen Bohrmeissel 3 einwirkenden axialen Schlägen des Imlochhammers 4 entkoppelt sind. Der zentrale Bohrmeissel 3, der gegenüber der am äusseren Bohrgestänge 5 montierten Bohrkrone 6 vorauseilt und einen Grossteil der Abbauarbeit leistet, wird nur vom Imlochhammer 4 beaufschlagt und bietet dabei eine optimale Unterstützung der Abtragarbeit. Die vom Imlochhammer 4 auf den zentralen Bohrmeissel 3 übertragene Schlagenergie ist nicht abhängig von der Bohrlochtiefe bzw. der Länge des inneren Bohrgestänges 2. Vielmehr werden die axialen Schläge des Imlochhammers 4 immer im gleichen Abstand von der Bohrsohle in den zentralen Bohrmeissel 3 eingeleitet. Die Schlagenergien der beiden Schlagsysteme 4, 7 sind unabhängig voneinander auf den jeweiligen Anwendungszweck und Untergrund abstimmbar. Dadurch ist eine sehr hohe Bohrleistung erzielbar. Durch die Entkopplung der Schlagsysteme 4, 7 ist auch die Standzeit der Drehschlagbohranlage deutlich verbessert. Brüche des Bohrgestänges 2, 5 innerhalb des Bohrloches, beispielsweise in Gewindebereichen des modular aufgebauten Bohrgestänges 2, 7, können dadurch weitgehend verhindert werden.
In den Fig. 2 - 4 sind Details einer erfindungsgemässen Drehschlagbohranlage dargestellt. Die dargestellten Komponenten tragen dabei zum besseren Verständnis die gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Komponenten in der Übersichtsdarstellung in Fig. 1, auch wenn sie in einzelnen, für die Erfindung nicht wesentlichen Merkmalen, beispielsweise Aussendurchmesser, unterschiedlich ausgebildet sein können. In Fig. 2 und 3 sind eine erfindungsgemässe Spülwelle 8 mit einem Prallpaket 9 und eine Auswurfglocke 13 mit einer Ausgleichsstange 14 in auseinandergezogenem Zustand (Fig.2) und im zusammengebauten Zustand (Fig. 3) dargestellt. Die Spülwelle 8 weist einen insgesamt zylindrischen Körper auf, an dessen beiden axialen Endbereichen genormte Anschlussgewinde 81, 82 für die Verbindung mit dem äusseren Bohrgestänge 5 bzw. mit dem zusätzlichen Schlagsystem 7 vorgesehen sind. Der dem zusätzlichen Schlagsystem zugewandte Endabschnitt weist dazu eine Sacklochbohrung mit einem Innengewinde auf. Der in Bohrrichtung weisende Endabschnitt ist mit einem Aussengewinde 82 versehen. Der im montierten Zustand dem Imlochhammer zugewandte Endbereich der Spülwelle 8 weist eine sacklochartige Aufnahme 83 auf. Die Aufnahme 83 steht mit einer Versorgungsbohrung 84 in Verbindung, die sich vom Grund 85 der Aufnahme zum Umfang der Spülwelle 8 erstreckt. Der in Fig. 1 dargestellte Spülring umgibt die Spülwelle im Bereich der Mündung und sorgt für die Zufuhr des Spülmediums, beispielsweise ein Gemisch aus Druckluft und Wasser, über die Versorgungsbohrung 84 in den zentralen Kanal des inneren Bohrgestänges.
Das gesamthaft mit dem Bezugszeichen 9 versehene Prallpaket ist in die Aufnahme 83 einsetzbar. Es besteht aus einer Abfolge von kreisringförmigen Stahl- und vorzugsweise vulkanisierten Elastomerscheiben 91 bzw. 92. Jede Elastomerscheibe 92 ist zwischen zwei Stahlscheiben 91 angeordnet. Die beiden äussersten Scheiben des Prallpakets 9 sind Stahlscheiben 91. Das Prallpaket weist einen zentralen Durchgang 93 auf, der eine Büchse 94 aufnimmt. Die Büchse 94 ragt von einem Fussteil 95 ab, das sich im montierten Zustand am Grund 85 der Aufnahme 83 abstützt. Die Büchse 94 ist mit einer zentralen Bohrung 96 versehen.
Die Spülwelle 8 ist mit Ihrem mit dem Aussengewinde 82 versehenen Endbereich mit einem korrespondierend mit einem Innengewinde 131 versehenen Endbereich der Auswurfglocke 13 einschraubbar. Der zweite Endbereich der Auswurfglocke 13 weist einen beispielsweise mit einem Aussengewinde 132 versehenen Anschlussbereich für die Verbindung mit dem äusseren Bohrgestänge auf. In der Auswurfglocke 13 ist eine Ausgleichsstange 14 gelagert, die mit einem Anschlussbereich 141 zu dem inneren Bohrgestänge ausgestattet ist. Der gegenüberliegende kopfartige erweiterte Endabschnitt 142 der Ausgleichsstange 14 ragt im zusammengebauten Zustand in die Aufnahme 83 der Spülwelle 8. Die Ausgleichsstange 14 weist im Anschluss an den kopfartigen Endabschnitt 142 einen Abschnitt 143 mit einem polygonalen Querschnitt auf. Beispielsweise ist die Ausgleichsstange 14 in diesem Abschnitt 143 achteckig ausgebildet. Die Auswurfglocke 13 weist im Inneren einen korrespondierenden Bereich 133 auf, der ebenfalls polygonal, beispielsweise achteckig, ausgebildet ist. Die zusammenwirkenden Flächen am polygonalen Abschnitt 143 der Ausgleichsstange 14 und am polygonalen Bereich 133 der Auswurfglocke 13 dienen zur Drehmomentübertragung vom äusseren Bohrgestänge an das innere Bohrgestänge.
Fig. 3 zeigt die mit der Auswurfglocke 13 zusammenmontierte Spülwelle 8. Das Prallpaket 9 ist in der Aufnahme 83 untergebracht und zwischen dem Grund 85 der Aufnahme 83 und dem kopfartigen Endabschnitt 142 der Ausgleichsstange 14 gehalten. Das derart eingespannte Prallpaket 9 verhindert, dass axiale Schläge des Aussenhammers 7, die über die Spülwelle 8 eingeleitet werden, auf die Ausgleichsstange 14 und das innere Bohrgestänge übertragen werden. Die vom Aussenhammer erzeugten Axialschläge werden somit nur über das äussere Bohrgestänge übertragen. Gleichzeitig verhindert das Prallpaket auch, dass Schläge des pneumatisch betriebenen Imlochschlagwerks über das innere Bohrgestänge auf das äussere Bohrgestänge übertragen werden. Das Prallpaket gewährleistet somit eine weitgehend vollständige Entkopplung der beiden Schlagwerke. Die Entkopplung wird noch dadurch unterstützt, dass die Versorgungsbohrung 84 am Grund der Aufnahme 83 in die Spülwelle 8 mündet. Wegen des hohen Druckes, mit dem das Spülmedium eingespeist wird, bildet sich im Betrieb zwischen dem Grund 85 der Aufnahme 83 und dem Prallpaket ein Luftpolster, welches für eine zusätzliche Entkopplung der Schlagsysteme sorgt.
Fig. 4 zeigt schematisch das Prallpaket 9. Es besteht aus einer Abfolge von kreisringförmigen Stahlscheiben 91 und Elastomerscheiben 92. Die äusseren Scheiben des Prallpakets 9 sind Stahlscheiben. Die Elastomerscheiben 92 weisen eine Dicke r auf, die etwa das Einfache bis etwa das Zweieinhalbfache der Dicke t der Stahlscheiben 91 beträgt. Die axiale Gesamthöhe h des Prallpakets beträgt etwa 35 mm bis etwa 105 mm. Die Elastomerscheiben 92 weisen einen Aussendurchmesser auf, der kleiner ist als derjenige der Stahlscheiben 91. Dadurch können sie sich bei der axialen Komprimierung ungehindert radial ausdehnen. Durch die kreisringförmige Ausbildung der Stahl- und Elastomerscheiben 91, 92 bleibt im Prallpaket ein zentraler Durchgang 93 frei. Dieser dient zur Aufnahme der Büchse 94, die sich vom Fussteil 95 axial erstreckt. Im montierten Zustand liegt das Fussteil 95 am Grund der Aufnahme in der Spülwelle an. Die Büchse 94 samt Fussteil besteht vorzugsweise aus Stahl. Eine axiale Bohrung 96 in der Büchse 94 gewährleistet den Durchtritt des Spülmediums durch das Prallpaket 9. Die Stahlscheiben und die Büchse dienen zur mechanischen Versteifung des Prallpakets und zur Ableitung der bei der Schlagdämpfung auftretenden Wärme. Durch die vollständig eingespannte Anordnung der Elastomerscheiben des in die Aufnahme der Spülwelle eingesetzten Prallpakets können sich die Elastomerscheiben bei der Schlagdämpfung nur kontrolliert deformieren. Die Wärmeableitung über die Stahlscheiben gewährleistet, dass die Elastomerscheiben nicht in einem fliessfähigen Zustand übergeführt werden.
Durch die Erfindung werden eine Drehschlagbohranlage mit zwei voneinander unabhängigen, entkoppelten Schlagwerken und erfindungswesentliche Komponenten vorgeschlagen. Der Betrieb einer derartigen Drehschlagbohranlage erlaubt höhere Bohrgeschwindigkeiten bei grösseren Standzeiten der Komponenten. Wegen des modularen Aufbaus der Anlage und der Komponenten sind auch bereits bestehende Drehschlagbohranlagen ohne grössere Schwierigkeiten gemäss der Erfindung umrüstbar.

Claims

Spülwelle für den Einbau in ein äusseres Bohrgestänge (5) einer Drehschlagbohranlage (1), die einen an einem inneren Bohrgestänge (2) angeordneten zentralen Bohrmeissel (3) aufweist, der drehangetrieben ist und von einem imlochhammer (4) mit axialen Schlägen beaufschlagt wird, und eine drehangetriebene und von einem Aussenhammer (7) mit axialen Schlägen beaufschlagte Bohrkrone (6) besitzt, die derart an dem das innere Bohrgestänge (2) aufnehmenden äusseren Bohrgestänge (5) angeordnet ist, dass sie gegenüber dem zentralen Bohrmeissel (3) nacheilt, welche Spülwelle (8) einen zylindrischen Körper aufweist, an dessen axialen Endbereichen genormte Anschlussgewinde (81, 82) für die Verbindung mit dem äusseren Bohrgestänge (5) bzw. mit dem Aussenhammer (7) vorgesehen sind, und ein Prallpaket aufweist für Entkopplung des Imlochhammers (4) vom Aussenhammer (7), dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Körper an seinem im montierten Zustand dem Imlochhammer (4) zugewandten Endbereich eine sacklochartige Aufnahme (83) aufweist, die mit einer Versorgungsbohrung (84) für die Zufuhr eines Spülmediums für den Imlochhammer (4) in Verbindung steht, und in der das Prallpaket (9) angeordnet ist, und dass das Prallpaket (9) einen Verbund aus kreisringförmigen Stahlscheiben (91) und Elastomerscheiben umfasst, wobei jeweils eine Elastomerscheibe (92) zwischen zwei Stahlscheiben (91) angeordnet ist.
Spülwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Aufnahme (83) versehene Endbereich des Körpers einen mit einem genormten Aussengewinde (82) ausgestatteten zylindrischen Fortsatz aufweist, der zur Verbindung mit einer Auswurfglocke (13) des äusseren Bohrgestänges (13) ausgebildet ist, und am entgegengesetzten Endbereich des Körpers eine Sacklochbohrung mit einem genormten Innengewinde (81) vorgesehen ist.
Spülwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallpaket (9) einen zentralen Durchgang (93) aufweist.
Spülwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallpaket (9) eine den zentralen Durchgang (93) der kreisringförmigen Stahl- und Elastomerscheiben (91, 92) durchsetzende, mit einer zentralen Bohrung (96) versehene Büchse (94) aufweist, deren Fussteil (95) sich am Boden (85) der Aufnahme (83) in der Spülwelle (8) abstützt.
Spülwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerscheiben (92) einen kleineren Aussendurchmesser aufweisen als die Stahlscheiben (91).
Prallpaket für den Einsatz in eine sacklochartige Aufnahme in einer Spülwelle eines Bohrgestänges einer Drehschlagbohranlage mit Aussenhammer und Imlochhammer, welche Aufnahme mit einer Versorgungsbohrung (84) für die Zufuhr eines Spülmediums für den Imlochhammer (4) in Verbindung steht, umfassend eine Abfolge einer Anzahl kreisringförmiger Stahlscheiben (91) und vorzugsweise vulkanisierter Elastomerscheiben (92), wobei jeweils eine Elastomerscheibe (92) zwischen zwei Stahlscheiben (91) angeordnet ist.
Prallpaket nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerscheiben (92) einen kleineren Aussendurchmesser aufweisen als die Stahlscheiben (91).
Prallpaket nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe (r) der Elastomerscheiben (92) etwa das Einfache bis etwa das Zweieinhalbfache der axialen Höhe der Stahlscheiben (91) beträgt.
Prallpaket nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallpaket (9) eine axiale Gesamthöhe (h) von etwa 35 mm bis etwa 105 mm aufweist.
Prallpaket nach einem der Ansprüche 6 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass das
Prallpaket nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Prallpaket (9) eine den zentralen Durchgang (93) der kreisringförmigen Stahl- und Elastomerscheiben (91, 92) durchsetzende, mit einer zentralen Bohrung (96) versehene metallische Büchse (94) aufweist, deren Fussteil (95) deren Fussteil eine äussere Stahlscheibe bildet.
Drehschlagbohranlage mit einem an einem inneren Bohrgestänge (2) angeordneten zentralen Bohrmeissel (3), der drehangetrieben und von einem Imlochhammer (4) beaufschlagt ist, und einer Bohrkrone (6), die drehangetrieben und von einem eigenen Aussenhammer (7) mit Axialschlägen beaufschlagt ist und derart an einem das innere Bohrgestänge (2) aufnehmenden äusseren Bohrgestänge (5) angeordnet ist, dass sie gegenüber dem zentralen Bohrmeissel (3) nacheilt, wobei Mittel (8, 9) zur Entkopplung der vom Imlochhammer (4) und der vom Aussenhammer (7) erzeugten Axialschläge vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Entkopplung der Axialschläge von einem Prallpaket gemäss einem der Ansprüche 6-11 gebildet sind.
Drehschlagbohranlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallpaket in einer Spülwelle gemäss einem der Ansprüche 1 - 4 angeordnet ist.
Drehschlagbohranlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenhammer (7) hydraulisch betrieben ist.
Drehschlagbohranlage nach einem der Ansprüche 12 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Imlochhammer (4) pneumatisch betrieben ist.
Verfahren zum Betrieb einer Drehschlagbohranlage (1) mit einem an einem inneren Bohrgestänge (2) angeordneten zentralen Bohrmeissel (3), der drehangetrieben wird und von einem Imlochhammer (4) mit axialen Schlägen beaufschlagt wird, und mit einer drehangetriebenen und von einem Aussenhammer (7) mit axialen Schlägen beaufschlagten Bohrkrone (6), die derart an einem das innere Bohrgestänge aufnehmenden äusseren Bohrgestänge angeordnet ist, dass sie gegenüber dem zentralen Bohrmeissel nacheilt, wobei die axialen Schläge des Imlochhammers (4) und des Aussenhammers (7) weitgehend voneinander entkoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass für die Entkopplung der axialen Schläge des Imlochhammers (4) und des Aussenhammers (7) ein eingespanntes Prallpaket (9) verwendet wird, das aus einem Verbund aus kreisringförmigen Stahlscheiben (91) und Elastomerscheiben (92) zusammengesetzt wird, wobei jeweils eine Elastomerscheibe (92) zwischen zwei Stahlscheiben (91) angeordnet wird, und wobei das Prallpaket (9) in einer sacklochartigen Aufnahme (83) in einer Spülwelle (8) im äußeren Bohrgestänge (5) angeordnet ist, welche Aufnahme (83) mit einer Versorgungsbohrung (84) für die Zufuhr eines Spülmediums für den Imlochhammer (4) in Verbindung steht.