EP2933380A1 - Injektionskopf für eine Hochdruckinjektion von Suspension in einen Boden - Google Patents

Injektionskopf für eine Hochdruckinjektion von Suspension in einen Boden Download PDF

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EP2933380A1
EP2933380A1 EP14165047.3A EP14165047A EP2933380A1 EP 2933380 A1 EP2933380 A1 EP 2933380A1 EP 14165047 A EP14165047 A EP 14165047A EP 2933380 A1 EP2933380 A1 EP 2933380A1
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EP
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injection
air
injection head
connection region
suspension
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EP14165047.3A
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EP2933380B1 (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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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
    • E02D3/12—Consolidating by placing solidifying or pore-filling substances in the soil

Definitions

  • the invention relates to an injection head for a high-pressure injection of suspension into a floor area, comprising a tubular base body, an upper connection area, a lower connection area, at least one radially directed injection nozzle, at least one injection line, which is suitable for supplying a suspension of injection from the upper connection area to the at least one an injection nozzle, at least one air conduit extending for supplying air from the upper port region to the at least one injection nozzle, at least one purge fluid channel extending to direct a purge fluid to the lower port region, and valve means for opening and closing the purge fluid channel , according to the preamble of claim 1.
  • Such injection heads are usually used on a drill pipe.
  • the drill pipe is used first to create a borehole in the ground.
  • a flushing fluid is usually passed through the drill pipe to the lower drilling tool to cool it.
  • the flushing fluid serves to convey excavated soil along the outside of the drill string up the wellbore.
  • a sealing and / or hardening injection suspension is introduced into the bottom area via the at least one radially directed injection nozzle.
  • a disc-shaped or rotational injection body can thus be created in the soil.
  • sealing material can so for example by a Variety of adjacent holes to create a so-called seal base in the soil.
  • a generic injection head is from the DE 20 2007 002 177 U1 known.
  • a central channel is used both for supplying the rinsing fluid and for supplying the injection suspension. Due to the process, the rinsing suspension is first supplied via the central channel, which is required until the desired drilling depth is reached. The flushing fluid is passed through the injection head at a relatively low pressure of a few bar. Subsequently, to form the injection body through the central channel at a high pressure of up to several 100 bar, the suspension of injection is initiated.
  • a valve device is arranged with a spring-loaded valve disk. Due to the high injection pressure, the valve disk is pressed downwards against the action of the spring, thus sealing the channel which continues downwards. In this way, the injection suspension is now injected radially outwardly into the surrounding soil through the radially directed injection nozzles. At the same time, compressed air can be fed into the area around the injection nozzles via lateral supply channels.
  • valve device is arranged in the injection channel in the region of the injection nozzles. This results in a very abrupt transition between the axial injection line and the radial injection nozzles. This is unfavorable in terms of flow and leads to a noticeable pressure loss. This pressure loss means a smaller spread of the injection beam at an increased energy consumption and thus a lower overall efficiency of the injection head.
  • Another injection head goes out of the EP 1 527 235 B1 out. However, in this injection head, no purge passage is provided to direct purge fluid through the injection head to the underlying drilling tool.
  • the invention has for its object to provide an injection head for a high pressure injection of suspension in a soil, by which on the one hand efficiently flushing fluid can be passed through and on the other hand particularly injection suspension can be supplied to the injection nozzles.
  • the injection head according to the invention is characterized in that the flushing fluid duct is conductively connected to the air duct via a connection region, that the valve device is arranged in the connection region between the flushing fluid duct and the air duct and that the valve device is designed to block the flushing fluid duct when air enters the connection region has flowed.
  • the flushing fluid is passed partly through the air line and partly through the flushing fluid channel through the injection head.
  • the injection line can be kept free from a valve device in the region of the at least one injection nozzle and streamlined. This allows a particularly low pressure loss delivery of the suspension for injection to the at least one injection nozzle. Due to the very high pressure of the injection suspension, which can be up to several 100 bar, means a streamlined design a saving of energy to reach the desired pressure level. In addition, with the same pump performance due to the streamlined design, an improved injection width for the suspension of injection into the soil can be achieved.
  • connection area is formed as a receiving area in which a valve body is movably mounted.
  • the flushing fluid channel can thus be closed by the valve body when the compressed air flows in, so that the compressed air flows into the region of the injection nozzle.
  • the valve body can be adjusted so that the air line is closed to the injection nozzle and at the same time the flushing fluid channel is open down to the drilling tool.
  • the valve body can be controlled and adjusted by an adjusting element, such as an actuating cylinder, from the outside.
  • an advantageous embodiment of the injection head according to the invention is that the receiving space has an upper outlet opening for directing the air to the injection nozzle and a lower outlet opening for guiding the rinsing fluid to the lower connection area.
  • the flushing fluid which is usually water or a suspension based on water, discharged down, while for the lighter air, an upper outlet opening is provided in the receiving space. Via this upper outlet opening, the air can flow to the injection nozzle via an air channel, which is part of the air line.
  • valve body has a density which is higher than that of the air and which is smaller than that of the flushing fluid.
  • the freely movable valve body floats on the flushing fluid due to the low density.
  • the valve body can close an overhead opening, through which air can flow to the injection nozzle. By floating the valve body can be released and opened at the same time a lower outlet opening for Spülfluidkanal.
  • the valve body can have any suitable shape, such as conical, double-cone or disk-shaped.
  • a particularly robust and reliable for the valve function embodiment is achieved according to the invention in that the valve body is designed as a ball which is freely floating stored in the receiving space. In a spherical shape, a possible tilting of the valve body in the receiving space is generally avoided.
  • the ball can be made of metal, plastic or other material. To achieve the desired density, the ball may be provided with a cavity.
  • a further preferred embodiment according to the invention is that the receiving space in the region of the upper outlet opening and / or the lower outlet opening has a conical wall portion, which is formed as a valve seat for the valve body.
  • conical wall section is to be understood that this not only pure conical but also may have a certain arcuate shape in cross-sectional view.
  • the design of the wall section is adapted to the valve body, that a reliable annular contact and sealing surface between the respective wall portion and the valve body is formed.
  • a particularly compact embodiment of the injection head is achieved according to a preferred embodiment in that the at least one air duct is formed at least in sections for the passage of air and flushing fluid.
  • a particularly streamlined design of the injection head is achieved according to an embodiment of the invention in that the injection line is arranged centrally in the base body and is connected via a manifold section with the injection nozzle.
  • the manifold section is designed to be aerodynamically favorable, so that as low-pressure as possible a diversion of the injection fluid flowing in under high pressure into the radial direction to the injection nozzle is ensured.
  • a further embodiment variant of the invention consists in that an air duct of the air duct opens into an annular nozzle which surrounds the injection nozzle.
  • the liquid jet from the injection nozzle is covered by an air jet, so that friction and energy losses of the injection jet are reduced.
  • the air duct as part of the air line extends between the annular nozzle and the receiving space.
  • valve device is arranged below the injection nozzle. This provides for the formation of the injection line a great deal of creative freedom.
  • the valve device can be easily arranged below the injection nozzle, since then only the high pressure air to the injection nozzle must flow from the valve device, while the flushing fluid can be directed down to the drilling tool.
  • the invention further comprises an injection device for carrying out a high-pressure injection of suspension into a soil, with an injection linkage, wherein the injection device is characterized in that at least one injection head, as previously described, is arranged on the injection linkage.
  • an injection head can have a single injection nozzle or several injection nozzles.
  • the injection device is preferably further developed in that a pumping device is provided for supplying an injection suspension, of air and / or flushing fluid to the injection head through the drill pipe.
  • the pumping device can in each case a single pump for the different fluids exhibit.
  • the injection device can be arranged in a known manner on a drill, so that a drill hole can be created in a known manner with the injection rod and a drill attached to the lower end.
  • the single figure shows a schematic cross-sectional view through part of an injection head according to the invention.
  • the injection head 10 shown in the drawing comprises a tubular base body 12, which has an upper connection region 14 and a lower connection region 16 for connection to an injection or drill string.
  • the actual connection areas 14, 16 with a well-known threaded connection are not shown in the partial figure representation.
  • the tubular base body 12 Approximately centrally in the tubular base body 12 extends a channel-like injection line 22, which is passed via an arcuate manifold section 24 radially into an injection nozzle 20.
  • the manifold portion 24 is designed aerodynamically to avoid unnecessary pressure losses.
  • the injection nozzle 20 is formed as a sleeve-shaped component, which is inserted into the base body 12.
  • an air line 28 For supplying compressed air and also a flushing fluid, which is required during the drilling process, an air line 28 is provided, which opens via an inlet opening 29 in an enlarged, cavity-like connection region 32.
  • the air line 28 is formed radially offset from the injection line 22 up to the lateral inlet opening 29 and extends downwards from the upper connection region 14.
  • the air line 28 may be partially annular and surround the injection line 22. In the section between the upper connection region 14 and the inlet opening 29, the air line 28 serves both to conduct the compressed air and the rinsing fluid.
  • a valve device 50 is formed, which uses the connection region 32 as a receiving space 52 for receiving a spherical valve body 54.
  • the receiving space 52 has in its upper ceiling area above the inlet opening 29, an upper outlet opening 56, from which an approximately transverse air duct 60 as part of the air line 28 extends from the receiving space 52 to the injection nozzle 20.
  • the air channel 60 opens into an annular channel 61, which surrounds the injection nozzle 20 in an annular manner.
  • the radial outer side of the injection nozzle 20 is surrounded by a nozzle ring disk 27 at a defined distance. Between the injection nozzle 20 and the nozzle ring disk 27, an annular gap is formed, which forms an annular nozzle 26 for the outflow of compressed air around the jet of the injection suspension from the injection nozzle 20.
  • flushing fluid channel 30 extends from the lower outlet opening 58 to the lower connection region 16 of the injection head 10.
  • flushing fluid can be conducted from the upper connection region 14 to the lower connection region 16 in the direction of the drilling tool via the first section of the air line 28, the connection region 32 and the flushing fluid channel 30 ,
  • rinsing fluid is first supplied via the air line 28, which can also be called a supply line, from the upper connection region 14 into the receiving space 52 of the valve device 50. Due to the lower density of the valve body 54, this floats on the liquid flushing fluid. Due to a throttle-like constriction of the Spülfluidkanales 30 following the lower outlet opening 58, the receiving space 52 fills with flushing fluid, so that the spherical valve body 54 is pressed against an upper conical wall portion 62 of the receiving space 52. As a result, the transversely directed air channel 60 is closed in a fluid-tight manner with respect to the receiving space 52 by the valve body 54.
  • the air line 28 can also be called a supply line
  • the upper conical wall portion 62 serves as a valve seat for the valve body 54. In this state, therefore flushing fluid can flow unhindered via the air line 28 into the receiving space 52 and flow down through the lower outlet port 58 to the Spülfluidkanal 30 and the drilling tool.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Injektionskopf für eine Hochdruckinjektion von Suspension in einen Boden, mit einem rohrförmigen Grundkörper, einem oberen Anschlussbereich, einem unteren Anschlussbereich, mindestens einer radial gerichteten Injektionsdüse, mindestens einer Injektionsleitung, welche sich zum Zuführen einer Injektionssuspension von dem oberen Anschlussbereich zu der mindestens einen Injektionsdüse erstreckt, mindestens einer Luftleitung, welche sich zum Zuführen von Luft von dem oberen Anschlussbereich zu der mindestens einen Injektionsdüse erstreckt, mindestens einem Spülfluidkanal, welcher sich zum Leiten eines Spülfluides zu dem unteren Anschlussbereich erstreckt, und einer Ventileinrichtung zum Öffnen und Schließen des Spülfluidkanales. Eine robuste Ventileinrichtung wird dadurch erreicht, dass der Spülfluidkanal mit der Luftleitung über einen Verbindungsbereich leitungsverbunden ist, dass die Ventileinrichtung in dem Verbindungsbereich zwischen dem Spülfluidkanal und der Luftleitung angeordnet ist und dass die Ventileinrichtung ausgebildet ist, den Spülfluidkanal zu sperren, wenn Luft in den Verbindungsbereich eingeströmt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Injektionskopf für eine Hochdruckinjektion von Suspension in einen Bodenbereich, mit einem rohrförmigen Grundkörper, einem oberen Anschlussbereich, einem unteren Anschlussbereich, mindestens einer radial gerichteten Injektionsdüse, mindestens einer Injektionsleitung, welche sich zum Zuführen einer Injektionssuspension von dem oberen Anschlussbereich zu der mindestens einen Injektionsdüse erstreckt, mindestens einer Luftleitung, welche sich zum Zuführen von Luft von dem oberen Anschlussbereich zu der mindestens einen Injektionsdüse erstreckt, mindestens einem Spülfluidkanal, welcher sich zum Leiten eines Spülfluides zu dem unteren Anschlussbereich erstreckt, und einer Ventileinrichtung zum Öffnen und Schließen des Spülfluidkanales, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Derartige Injektionsköpfe werden üblicherweise an einem Bohrgestänge eingesetzt. Mit dem Bohrgestänge wird zunächst im Boden ein Bohrloch erstellt. Dabei wird in der Regel über das Bohrgestänge ein Spülfluid zu dem unteren Bohrwerkzeug geleitet, um dieses zu kühlen. Weiterhin dient das Spülfluid dazu, abgetragenes Bodenmaterial entlang der Außenseite des Bohrgestänges nach oben aus dem Bohrloch zu fördern.
  • Nach Erreichen der gewünschten Bohrtiefe wird eine dichtende und/oder aushärtende Injektionssuspension über die mindestens eine radial gerichtete Injektionsdüse in den Bodenbereich eingeleitet. Durch Drehung des Bohrgestänges bei der Hochdruckinjektion kann so ein scheiben- oder rotationsförmiger Injektionskörper im Boden erstellt werden. Bei der Injektion von Dichtmaterial kann so beispielsweise durch eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Bohrungen eine sogenannte Dichtsohle im Boden erstellt werden.
  • Zur Erhöhung der radialen Injektionsweite ist es bekannt, den Hochdruckinjektionsstrahl mit Druckluft zu ummanteln. Hierdurch wird die Effizienz des Hochdruckverfahrens deutlich verbessert. Ein derartiger Injektionskopf muss also zur Durchleitung von drei unterschiedlichen Fluiden, nämlich der Injektionssuspension, der Druckluft und des Spülfluides ausgebildet sein.
  • Ein gattungsgemäßer Injektionskopf ist aus der DE 20 2007 002 177 U1 bekannt. Zu einer verbesserten Ausnutzung des begrenzten Bauraumes in dem rohrförmigen Injektionskopf wird ein mittiger Kanal sowohl zur Zuführung des Spülfluides als auch zur Zuführung der Injektionssuspension verwendet. Verfahrensbedingt wird dabei zunächst über den mittigen Kanal die Spülsuspension zugeleitet, welche bis zum Erreichen der gewünschten Bohrtiefe benötigt wird. Das Spülfluid wird dabei mit einem relativ geringen Druck von wenigen bar durch den Injektionskopf geleitet. Anschließend wird zum Bilden des Injektionskörpers durch den mittigen Kanal unter einem hohen Druck von bis zu mehreren 100 bar die Injektionssuspension eingeleitet.
  • Auf der Höhe der Injektionsdüsen ist eine Ventileinrichtung mit einem federgelagerten Ventilteller angeordnet. Durch den hohen Injektionsdruck wird der Ventilteller gegen die Federwirkung nach unten gedrückt und so der weiter nach unten führende Kanal dicht verschlossen. Auf diese Weise wird nunmehr die Injektionssuspension durch die radial gerichteten Injektionsdüsen radial nach außen in den umgebenden Boden gespritzt. Gleichzeitig kann über seitliche Zuführkanäle Druckluft in den Bereich um die Injektionsdüsen geleitet werden.
  • Bei diesem bekannten Injektionskopf ist die Ventileinrichtung im Injektionskanal im Bereich der Injektionsdüsen angeordnet. Hierdurch ergibt sich ein sehr abrupter Übergang zwischen der axialen Injektionsleitung und den radialen Injektionsdüsen. Dies ist strömungstechnisch ungünstig und führt zu einem merklichen Druckverlust. Dieser Druckverlust bedeutet eine geringere Ausbreitung des Injektionsstrahles bei einem erhöhten Energieaufwand und somit insgesamt eine geringere Effizienz des Injektionskopfes.
  • Aus der EP 2 271 808 B1 geht ein weiterer Injektionskopf für ein Hochdruckinjektionsverfahren hervor. Bei diesem bekannten Injektionskopf ist die Ventileinrichtung mit einem federgelagerten Tellerkörper oberhalb der Injektionsdüse angeordnet. Hierdurch lässt sich zwar ein verbesserter Übergang zur radial gerichteten Injektionsdüse erreichen. Aber auch bei diesem bekannten Injektionskopf stellt die Ventileinrichtung ein strömungstechnisches Hindernis dar, durch welchen ein merklicher Druckverlust bei einer Hochdruckinjektion der Injektionssuspension verursacht wird. Zudem ist dieser Injektionskopf nicht zur zusätzlichen Zuführung von Druckluft geeignet.
  • Ein weiterer Injektionskopf geht aus der EP 1 527 235 B1 hervor. Allerdings ist bei diesem Injektionskopf kein Spülkanal vorgesehen, um Spülfluid durch den Injektionskopf zu dem darunter liegenden Bohrwerkzeug zu leiten.
  • Der Erfindung liegt Aufgabe zugrunde, einen Injektionskopf für eine Hochdruckinjektion von Suspension in einen Boden anzugeben, durch welchen einerseits effizient Spülfluid hindurch geleitet werden kann und andererseits besonders effizient Injektionssuspension den Injektionsdüsen zugeführt werden kann.
  • Die Aufgabe wird nach der Erfindung durch einen Injektionskopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Der erfindungsgemäße Injektionskopf ist dadurch gekennzeichnet, dass der Spülfluidkanal mit der Luftleitung über einen Verbindungsbereich leitungsverbunden ist, dass die Ventileinrichtung in dem Verbindungsbereich zwischen dem Spülfluidkanal und der Luftleitung angeordnet ist und dass die Ventileinrichtung ausgebildet ist, den Spülfluidkanal zu sperren, wenn Luft in den Verbindungsbereich eingeströmt ist.
  • Gemäß der Erfindung wird das Spülfluid teilweise über die Luftleitung und teilweise über den Spülfluidkanal durch den Injektionskopf geleitet. Somit kann die Injektionsleitung frei von einer Ventileinrichtung im Bereich der mindestens einen Injektionsdüse gehalten und strömungsgünstig gestaltet werden. Dies ermöglicht ein besonders druckverlustarmes Zuleiten der Injektionssuspension zu der mindestens einen Injektionsdüse. Aufgrund des sehr hohen Druckes der Injektionssuspension, welcher bis zu mehreren 100 bar betragen kann, bedeutet eine strömungsgünstige Gestaltung eine Einsparung von Energie zum Erreichen des gewünschten Druckniveaus. Zudem kann bei gleicher Pumpenleistung aufgrund der strömungsgünstigen Gestaltung eine verbesserte Injektionsweite für die Injektionssuspension in den Boden erreicht werden.
  • Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass der Verbindungsbereich als ein Aufnahmebereich ausgebildet ist, in welchem ein Ventilkörper beweglich gelagert ist. Durch den Ventilkörper kann so bei einem Einströmen der Druckluft der Spülfluidkanal geschlossen werden, so dass die Druckluft in den Bereich der Injektionsdüse strömt. Zudem kann bei einem Einströmen von Spülfluid der Ventilkörper so verstellt werden, dass die Luftleitung zur Injektionsdüse verschlossen und gleichzeitig der Spülfluidkanal nach unten zum Bohrwerkzeug geöffnet ist. Grundsätzlich kann der Ventilkörper durch ein Stellelement, etwa einen Stellzylinder, von außen gesteuert und verstellt werden.
  • Für die Leitung der unterschiedlichen Fluide besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Injektionskopfes darin, dass der Aufnahmeraum eine obere Auslassöffnung zum Leiten der Luft zur Injektionsdüse und eine untere Auslassöffnung zum Leiten des Spülfluides zum unteren Anschlussbereich aufweist. Damit wird das Spülfluid, welches üblicherweise Wasser oder eine auf Wasser basierende Suspension ist, nach unten abgeführt, während für die leichtere Luft eine obere Auslassöffnung im Aufnahmeraum vorgesehen ist. Über diese obere Auslassöffnung kann über einen Luftkanal, welcher ein Teil der Luftleitung ist, die Luft zur Injektionsdüse strömen.
  • Eine besonders einfache und robuste Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass der Ventilkörper eine Dichte aufweist, welche höher ist als die der Luft und welche kleiner ist, als die des Spülfluides. Strömt also zunächst über die Luftleitung Spülfluid in den Aufnahmeraum ein, so schwimmt der frei bewegliche Ventilkörper auf dem Spülfluid aufgrund der geringen Dichte auf. Auf diese Weise kann der Ventilkörper eine oben liegende Öffnung verschließen, über welche Luft zur Injektionsdüse strömen kann. Durch das Aufschwimmen des Ventilkörpers kann gleichzeitig eine untere Auslassöffnung zum Spülfluidkanal freigegeben und geöffnet werden. Wird anschließend nach Abschluss des Bohrens zur Durchführung der Hochdruckinjektion Luft über die Luftleitung in den Aufnahmeraum eingeleitet, wird das verbliebene Spülfluid im Aufnahmeraum verdrängt und der Ventilkörper sinkt aufgrund der höheren Dichte gegenüber der Luft im Aufnahmeraum nach unten und kann dabei eine untere Auslassöffnung zum Spülfluidkanal verschließen. Gleichzeitig wird der Abschnitt der Luftleitung zur Injektionsdüse freigegeben, so dass die Druckluft zur Injektionsdüse strömen kann. Es wird also keine gesteuerte Verstellung des Ventilkörpers benötigt. Vielmehr nimmt der Ventilkörper von sich aus je nach dem Einströmen des Spülfluides in den Aufnahmeraum die jeweils richtige gewünschte Verschlussposition ein. Dieser Ventilaufbau ist einfach, robust und verschleißarm.
  • Grundsätzlich kann der Ventilkörper jede geeignete Form aufweisen, etwa konusförmig, doppelkonusförmig oder scheibenförmig sein. Eine besonders robuste und für die Ventilfunktion zuverlässige Ausgestaltung wird nach der Erfindung dadurch erreicht, dass der Ventilkörper als eine Kugel ausgebildet ist, welche frei schwimmend in dem Aufnahmeraum gelagert ist. Bei einer Kugelform wird ein mögliches Verkanten des Ventilkörpers im Aufnahmeraum grundsätzlich vermieden. Die Kugel kann dabei aus Metall, Kunststoff oder einem sonstigen Material ausgebildet sein. Zum Erreichen der gewünschten Dichte kann die Kugel mit einem Hohlraum versehen sein.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht nach der Erfindung darin, dass der Aufnahmeraum im Bereich der oberen Auslassöffnung und/oder der unteren Auslassöffnung einen konischen Wandabschnitt aufweist, welcher als ein Ventilsitz für den Ventilkörper ausgebildet ist. Unter konischer Wandabschnitt ist zu verstehen, dass dieser nicht nur rein kegelförmig sondern auch eine gewisse bogenförmige Form in Querschnittsansicht aufweisen kann. Die Gestaltung des Wandabschnittes ist dabei so auf den Ventilkörper abgestimmt, dass eine zuverlässige ringförmige Kontakt- und Dichtfläche zwischen dem jeweiligen Wandabschnitt und dem Ventilkörper gebildet wird.
  • Eine besonders kompakte Ausgestaltung des Injektionskopfes wird nach einer bevorzugten Ausführungsform dadurch erreicht, dass die mindestens eine Luftleitung zumindest abschnittsweise zur Durchleitung von Luft und Spülfluid ausgebildet ist. Eine besonders strömungsgünstige Ausgestaltung des Injektionskopfes wird nach einer Ausführungsvariante der Erfindung dadurch erreicht, dass die Injektionsleitung mittig in dem Grundkörper angeordnet ist und über einen Krümmerabschnitt mit der Injektionsdüse verbunden ist. Der Krümmerabschnitt ist dabei strömungsgünstig gestaltet, so dass ein möglichst druckverlustarmes Umleiten des unter Hochdruck einströmenden Injektionsfluides in die radiale Richtung zur Injektionsdüse gewährleistet ist.
  • Zum Erreichen einer möglichst großen Injektionsweite besteht eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung darin, dass ein Luftkanal der Luftleitung in einer Ringdüse mündet, welche die Injektionsdüse umgibt. Somit wird der Flüssigkeitsstrahl aus der Injektionsdüse von einem Luftstrahl ummantelt, so dass Reibungs- und Energieverluste des Injektionsstrahles verringert werden. Der Luftkanal als Teil der Luftleitung erstreckt sich dabei zwischen der Ringdüse und dem Aufnahmeraum.
  • Für eine besonders kompakte Ausgestaltung des Injektionskopfes ist es nach der Erfindung vorteilhaft, dass die Ventileinrichtung unterhalb der Injektionsdüse angeordnet ist. Damit besteht für die Ausbildung der Injektionsleitung ein großer Gestaltungsfreiraum. Die Ventileinrichtung kann dabei problemlos unterhalb der Injektionsdüse angeordnet werden, da von der Ventileinrichtung dann lediglich die Hochdruckluft zur Injektionsdüse strömen muss, während das Spülfluid nach unten zum Bohrwerkzeug geleitet werden kann.
  • Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Injektionsvorrichtung zum Durchführen einer Hochdruckinjektion von Suspension in einen Boden, mit einem Injektionsgestänge, wobei die Injektionsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass an dem Injektionsgestänge mindestens ein Injektionskopf angeordnet ist, wie er vorausgehend beschrieben wurde. An einem Bohrgestänge können auch mehrere Injektionsköpfe axial hintereinander angeordnet sein. Ein Injektionskopf kann dabei eine einzelne Injektionsdüse oder auch mehrere Injektionsdüsen aufweisen.
  • Die Injektionsvorrichtung ist in bevorzugter Weise dadurch weitergebildet, dass eine Pumpeinrichtung zum Zuführen einer Injektionssuspension, von Luft und/oder von Spülfluid zum Injektionskopf durch das Bohrgestänge vorgesehen ist. Die Pumpeinrichtung kann dabei für die unterschiedlichen Fluide jeweils eine einzelne Pumpe aufweisen. Zudem kann die Injektionsvorrichtung in bekannter Weise an einem Bohrgerät angeordnet sein, so dass mit dem Injektionsgestänge und einem am unteren Ende angebrachten Bohrwerkzeug ein Bohrloch in bekannter Weise erstellt werden kann.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben, welches schematisch in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist.
  • Die einzige Figur zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Injektionskopfes.
  • Der in der Zeichnung dargestellte Injektionskopf 10 umfasst einen rohrförmigen Grundkörper 12, welcher einen oberen Anschlussbereich 14 und einen unteren Anschlussbereich 16 zum Anschließen an ein Injektions- oder Bohrgestänge aufweist. Die eigentlichen Anschlussbereiche 14, 16 mit hinlänglich bekannter Gewindeverbindung sind in der teilweisen Figurendarstellung nicht gezeigt.
  • Etwa mittig im rohrförmigen Grundkörper 12 verläuft eine kanalartige Injektionsleitung 22, welche über einen bogenförmigen Krümmerabschnitt 24 radial in eine Injektionsdüse 20 geleitet wird. Der Krümmerabschnitt 24 ist strömungsgünstig gestaltet, um unnötige Druckverluste zu vermeiden. Die Injektionsdüse 20 ist als hülsenförmiges Bauteil ausgebildet, welche in den Grundkörper 12 eingesetzt ist.
  • Zur Zuführung von Druckluft und auch eines Spülfluides, welches während des Bohrvorganges benötigt wird, ist eine Luftleitung 28 vorgesehen, welche über eine Einlassöffnung 29 in einen vergrößerten, hohlraumartigen Verbindungsbereich 32 mündet. Die Luftleitung 28 ist bis zur seitlichen Einlassöffnung 29 radial versetzt zur Injektionsleitung 22 ausgebildet und erstreckt sich vom oberen Anschlussbereich 14 nach unten. Die Luftleitung 28 kann bereichsweise ringförmig ausgebildet sein und die Injektionsleitung 22 umschließen. In dem Abschnitt zwischen dem oberen Anschlussbereich 14 und der Einlassöffnung 29 dient die Luftleitung 28 sowohl zum Leiten der Druckluft als auch des Spülfluides.
  • Im Verbindungsbereich 32 ist eine Ventileinrichtung 50 ausgebildet, welche den Verbindungsbereich 32 als einen Aufnahmeraum 52 zur Aufnahme eines kugelförmigen Ventilkörpers 54 nutzt. Der Aufnahmeraum 52 weist in seinem oberen Deckenbereich oberhalb der Einlassöffnung 29 eine obere Auslassöffnung 56 auf, von welcher ein etwa quer verlaufender Luftkanal 60 als Teil der Luftleitung 28 sich von dem Aufnahmeraum 52 zur Injektionsdüse 20 erstreckt. Dabei mündet der Luftkanal 60 in einen Ringkanal 61, welcher die Injektionsdüse 20 ringförmig umgibt. Die radiale Außenseite der Injektionsdüse 20 ist mit einem definierten Abstand von einer Düsenringscheibe 27 umgeben. Zwischen der Injektionsdüse 20 und der Düsenringscheibe 27 ist ein ringförmiger Spalt gebildet, welcher eine Ringdüse 26 für das Ausströmen der Druckluft um den Strahl der Injektionssuspension aus der Injektionsdüse 20 bildet.
  • In einem unteren Bodenbereich des Aufnahmeraumes 52 ist unterhalb der seitlichen Einlassöffnung 29 eine untere Auslassöffnung 58 ausgebildet, an welche sich der Spülfluidkanal 30 anschließt. Der Spülfluidkanal 30 erstreckt sich von der unteren Auslassöffnung 58 zum unteren Anschlussbereich 16 des Injektionskopfes 10. Somit kann über den ersten Abschnitt der Luftleitung 28, den Verbindungsbereich 32 und dem Spülfluidkanal 30 Spülfluid vom oberen Anschlussbereich 14 zum unteren Anschlussbereich 16 in Richtung zum Bohrwerkzeug geleitet werden.
  • Für den Spülvorgang wird zunächst Spülfluid über die Luftleitung 28, welche auch Zuführleitung genannt werden kann, vom oberen Anschlussbereich 14 in den Aufnahmeraum 52 der Ventileinrichtung 50 zugeführt. Aufgrund der geringeren Dichte des Ventilkörpers 54 schwimmt dieser auf dem flüssigen Spülfluid auf. Aufgrund einer drosselartigen Verengung des Spülfluidkanales 30 im Anschluss an die untere Auslassöffnung 58 füllt sich der Aufnahmeraum 52 mit Spülfluid, so dass der kugelförmige Ventilkörper 54 gegen einen oberen konischen Wandabschnitt 62 des Aufnahmeraumes 52 gedrückt wird. Hierdurch wird der quer gerichtete Luftkanal 60 fluiddicht gegenüber dem Aufnahmeraum 52 durch den Ventilkörper 54 verschlossen. Insofern dient der obere konische Wandabschnitt 62 als ein Ventilsitz für den Ventilkörper 54. In diesem Zustand kann also Spülfluid ungehindert über die Luftleitung 28 in den Aufnahmeraum 52 einströmen und nach unten durch die untere Auslassöffnung 58 zum Spülfluidkanal 30 und zum Bohrwerkzeug strömen.
  • Nach Abschluss des Spülvorganges wird vom oberen Anschlussbereich 14 über die Luftleitung 28 Luft in den Aufnahmeraum 52 geleitet. Die einströmende Druckluft verdrängt dabei von oben her die Spülflüssigkeit nach unten zur unteren Auslassöffnung 58. Aufgrund der höheren Dichte des Ventilkörpers 54 gegenüber der einströmenden Luft sinkt der Ventilkörper 54 entsprechend dem abnehmenden Flüssigkeitspegel in dem Aufnahmeraum 52 nach unten, bis der Ventilkörper 54 an dem als Ventilsitz dienenden unteren konischen Wandabschnitt 64 zur Anlage kommt. In dieser Position verschließt der Ventilkörper 54 die untere Auslassöffnung 58 dicht gegenüber dem Aufnahmeraum 52. Somit kann nunmehr ungehindert Druckluft über die Luftleitung 28 mit dem quer gerichteten Luftkanal 60 zur Injektionsdüse 20 und die umgebende Ringdüse 26 strömen.

Claims (12)

  1. Injektionskopf für eine Hochdruckinjektion von Suspension in einen Boden, mit
    - einem rohrförmigen Grundkörper (12),
    - einem oberen Anschlussbereich (14),
    - einem unteren Anschlussbereich (16),
    - mindestens einer radial gerichteten Injektionsdüse (20),
    - mindestens einer Injektionsleitung (22), welche sich zum Zuführen einer Injektionssuspension von dem oberen Anschlussbereich (14) zu der mindestens einen Injektionsdüse (20) erstreckt,
    - mindestens einer Luftleitung (28), welche sich zum Zuführen von Luft von dem oberen Anschlussbereich (14) zu der mindestens einen Injektionsdüse (20) erstreckt,
    - mindestens einem Spülfluidkanal (30), welcher sich zum Leiten eines Spülfluides zu dem unteren Anschlussbereich (16) erstreckt, und
    - einer Ventileinrichtung (50) zum Öffnen und Schließen des Spülfluidkanales (30),
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Spülfluidkanal (30) mit der Luftleitung (28) über einen Verbindungsbereich (32) leitungsverbunden ist,
    - dass die Ventileinrichtung (50) in dem Verbindungsbereich (32) zwischen dem Spülfluidkanal (30) und der Luftleitung (28) angeordnet ist und
    - dass die Ventileinrichtung (50) ausgebildet ist, den Spülfluidkanal (30) zu sperren, wenn Luft in den Verbindungsbereich (32) eingeströmt ist.
  2. Injektionskopf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Verbindungsbereich (32) als ein Aufnahmeraum (52) ausgebildet ist, in welchem ein Ventilkörper (54) beweglich gelagert ist.
  3. Injektionskopf nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Aufnahmeraum (52) eine obere Auslassöffnung (56) zum Leiten der Luft zur Injektionsdüse (20) und eine untere Auslassöffnung (58) zum Leiten des Spülfluides zum unteren Anschlussbereich (16) aufweist.
  4. Injektionskopf nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Ventilkörper (54) eine Dichte aufweist, welche höher ist als die der Luft und welche kleiner ist als die des Spülfluides.
  5. Injektionskopf nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Ventilkörper (54) als eine Kugel ausgebildet ist, welche frei schwimmend in dem Aufnahmeraum (52) gelagert ist.
  6. Injektionskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Aufnahmeraum (52) im Bereich der oberen Auslassöffnung (56) und/oder der unteren Auslassöffnung (58) einen konischen Wandabschnitt (62, 64) aufweist, welcher als ein Ventilsitz für den Ventilkörper (54) ausgebildet ist.
  7. Injektionskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die mindestens eine Luftleitung (28) zumindest abschnittsweise zur Durchleitung von Luft und Spülfluid ausgebildet ist.
  8. Injektionskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Injektionsleitung (22) mittig in dem Grundkörper (12) angeordnet ist und über einen Krümmerabschnitt (24) mit der Injektionsdüse (20) verbunden ist.
  9. Injektionskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Luftkanal (60) der Luftleitung (28) in einer Ringdüse (26) mündet, welche die Injektionsdüse (20) umgibt.
  10. Injektionskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ventileinrichtung (50) unterhalb der Injektionsdüse (20) angeordnet ist.
  11. Injektionsvorrichtung zum Durchführen einer Hochdruckinjektion von Suspension in einen Boden, mit einem Injektionsgestänge,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an dem Injektionsgestänge mindestens ein Injektionskopf (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet ist.
  12. Injektionsvorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Pumpeinrichtung zum Zuführen einer Injektionssuspension, von Luft und/oder von Spülfluid zum Injektionskopf (10) durch das Bohrgestänge vorgesehen ist.
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