EP4455445A1 - Bohrwerkzeug und verfahren zum erstellen einer bohrung im boden - Google Patents

Bohrwerkzeug und verfahren zum erstellen einer bohrung im boden Download PDF

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EP4455445A1
EP4455445A1 EP23169878.8A EP23169878A EP4455445A1 EP 4455445 A1 EP4455445 A1 EP 4455445A1 EP 23169878 A EP23169878 A EP 23169878A EP 4455445 A1 EP4455445 A1 EP 4455445A1
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EP
European Patent Office
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drilling tool
drilling
receiving space
passage
channel opening
Prior art date
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EP23169878.8A
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English (en)
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EP4455445B1 (de
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Matthias Semel
Andreas Stimpfle-Ziegler
Michael Stohl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bauer Maschinen GmbH
Original Assignee
Bauer Maschinen GmbH
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Publication date
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Priority to US18/644,740 priority patent/US20240360726A1/en
Publication of EP4455445A1 publication Critical patent/EP4455445A1/de
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    • E21B10/44—Bits with helical conveying portion, e.g. screw type bits; Augers with leading portion or with detachable parts
    • 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
    • E21B27/00—Containers for collecting or depositing substances in boreholes or wells, e.g. bailers, baskets or buckets for collecting mud or sand; Drill bits with means for collecting substances, e.g. valve drill bits
    • E21B27/04—Containers for collecting or depositing substances in boreholes or wells, e.g. bailers, baskets or buckets for collecting mud or sand; Drill bits with means for collecting substances, e.g. valve drill bits where the collecting or depositing means include helical conveying means
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    • E21B34/00—Valve arrangements for boreholes or wells
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    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
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    • E21B7/005—Drilling with mechanical conveying means with helical conveying means
    • E21B7/006—Drilling with mechanical conveying means with helical conveying means combined with a bucket-type container

Definitions

  • the invention relates to a drilling tool, in particular for discontinuous earth drilling, with a soil removal device which is arranged in a lower region of the drilling tool and is designed to remove soil material, a receiving space which is designed to receive the removed soil material above the soil removal device on the drilling tool, at least one passage which is designed for the removed soil material to pass from the soil removal device into the receiving space during drilling, a closure device for closing the at least one passage when the drilling tool is pulled out of the borehole and a connection device in the upper region of the drilling tool for detachable connection to a drill rod, according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a method for creating a borehole in the ground according to claim 12.
  • the borehole can be made as a cased or uncased borehole.
  • a support fluid must be provided to support the borehole against collapse.
  • drilling When using a drilling bucket, drilling must be carried out discontinuously. During drilling, the drilling bucket fills with removed soil material, in particular until it is completely or at least largely full. The drilling bucket must then be pulled out of the liquid-filled hole, with a drilling device swinging above the surface to an emptying position at which the drilling bucket is emptied. The drilling bucket is then swung back and retracted into the borehole to carry out another drilling step.
  • Another drilling bucket with an approximately ring-shaped outer passage gap for a fluid flow along the drilling bucket emerges from the DE 34 40 727 A1 out.
  • the invention is based on the object of specifying a drilling tool and a method with which a hole in the ground can be created in a particularly efficient manner.
  • the drilling tool according to the invention is characterized in that a tubular central shaft is formed with a compensation channel which extends from at least one lower channel opening, which is arranged below or on the closure device, to at least one upper channel opening, which is arranged above the receiving space, wherein the compensation channel is designed for a medium to flow through between the lower region and the upper region of the drilling tool when pulling and/or lowering the drilling tool in the borehole.
  • a basic idea of the invention is to provide a compensation channel in a tubular central shaft in a drilling tool with a lower closure device with which at least one passage to the receiving space can be closed downwards, which has at least one lower channel opening in the lower region of the drilling tool and an upper channel opening in an upper region of the drilling tool.
  • a targeted central compensation flow can take place between the top and bottom of the drilling tool, particularly when pulling, but also in principle when lowering the drilling tool in a hole filled in particular with suspension or liquid, when the passage of the receiving space is closed.
  • pressure can in particular be equalized between the area below the drilling tool and the area above the drilling tool. This counteracts an undesirable suction effect when pulling the drilling tool, which can damage a hole wall.
  • a central compensation channel in a tubular central shaft with at least one lower channel opening and at least one upper channel opening achieves an efficient central flow around or through the drilling tool to equalize pressure or flow when moving vertically in the borehole. This allows the drilling tool to be moved in the borehole more quickly and with less effort.
  • a particularly preferred embodiment of the invention is that the lower channel opening and/or the upper channel opening can be closed.
  • it can be useful to close the lower channel opening. This prevents soil material from penetrating the channel opening and possibly clogging the compensation channel.
  • Closing the upper channel opening can also be useful in order to prevent soil material from settling in a drilling suspension from penetrating or settling in and possibly clogging the upper channel opening from above.
  • a particularly useful design of the drilling tool is achieved according to a further development of the invention in that the closure device for closing the passage to the receiving space is also designed to close/open the lower channel opening.
  • the closure device serves in a basically known manner, for example in a pipe bucket or in a discontinuously operating auger, to keep a passage open during drilling for the removed soil material to pass through into the receiving space and to close the passage after the drilling step has been completed. In the closed position, for example when the drilling tool is pulled out of the borehole, loose removed soil material is prevented from falling back into the borehole from the receiving space of the drilling tool.
  • the closure device can be designed in such a way that it is not only used to close and open the passage to the receiving space, but also for closing and opening the lower channel opening.
  • the lower channel opening can be arranged in particular close to the at least one passage to the receiving space, in particular in an area below the passage to the receiving space.
  • the closure device has a closure element which can be adjusted between a closure position in which the passage to the receiving space is closed by the closure element and a drilling position in which the passage is open for the passage of soil material into the receiving space during drilling.
  • the lower channel opening is closed in the drilling position of the closure element and that the lower channel opening is open in the closing position of the closure element.
  • the passage and the lower channel opening can thus be operated alternately by the closure element. This means that when drilling in the drilling position of the closure element, the passage is open and the lower channel opening is closed at the same time, while in the closing position of the closure element, the passage to the receiving space is closed, while the lower channel opening is open for flow and/or pressure equalization through the equalization channel.
  • the closure element can basically be designed in any suitable way. According to one embodiment of the invention, a particularly robust arrangement is achieved in that the closure element is designed as a rotating base which can be rotated between the closed position and the drilling position. An axis of rotation of the rotating base is in particular coaxial with the center and drilling axis of the drilling tool.
  • a further preferred embodiment of the drilling tool according to the invention consists in that a cover, in particular a cover plate, is arranged on an upper region of the receiving space, which closes off the receiving space at the top and separates it from the upper channel opening.
  • a cover in particular a cover plate
  • this can be the upper housing cover of the box-like drilling bucket.
  • the cover can also be formed in particular on a drilling auger, so that the receiving space of at least one screw flight is limited at the top by the cover plate.
  • At least one upper channel opening is located above the cover plate. This ensures that if the receiving space is filled to excess, removed soil material cannot penetrate into the upper receiving opening.
  • the drilling tool is basically attached to a drill rod or drive rod of a drilling device in a way that can be changed.
  • the connecting device has a Kelly connection.
  • a Kelly connection comprises in particular a polygonal, in particular a square connection, wherein a connecting sleeve with a polygonal or square receiving hole for a complementary connecting pin on the drill rod is preferably formed on the drilling tool.
  • This polygonal plug connection achieves a rotationally fixed connection.
  • Axial securing and connection can be achieved using one or more insertable cross bolts.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention is that the drilling tool is designed as a drilling bucket with a peripheral wall which encloses the receiving space like a housing.
  • the tubular central shaft of the drilling bucket according to the invention extends centrally through the preferably cylindrically enclosed receiving space.
  • the upper channel opening of the central compensation channel is located above the cover or the upper cover plate of the drilling bucket.
  • a drilling bucket can also be referred to as a box drill.
  • the drilling tool can be designed as a drilling auger with at least one screw spiral, which is arranged helically around the central shaft.
  • the closure device is arranged on the underside of the drilling auger, with which the at least one passage to the at least one screw spiral and thus to the receiving space between the spiral turns can be opened and closed.
  • the invention further comprises a drilling device in which the drilling tool according to the invention is arranged.
  • a drilling device can in particular have a carrier unit, which can preferably comprise a chassis, in particular a crawler chassis, and an upper carriage rotatably mounted thereon.
  • a mast which is essentially vertical during operation can be attached to the upper carriage, preferably via an adjustment mechanism.
  • a rotary drive for rotatingly driving a drill rod can be arranged on the carrier unit.
  • the drilling tool according to the invention can be detachably attached to the underside of the drill rod.
  • the drilling drive can preferably be moved and/or guided along the mast.
  • the drilling device is designed in particular for drilling into the ground and preferably for creating boreholes for foundation piles in the ground.
  • the invention furthermore includes a method for creating a borehole in the ground, in particular for discontinuous drilling, wherein the drilling tool according to the invention or the drilling device according to the invention is used.
  • the drilling tool is used to remove soil material by rotating it, thus creating the borehole.
  • a receiving space on the drilling tool is filled with the removed soil material and, after closing the passage, is withdrawn from the borehole for emptying.
  • Drilling can be carried out as a cased drilling with a support pipe or as an uncased drilling.
  • One embodiment of the method according to the invention consists in that when removing soil material during drilling, the passage to the receiving space is opened and the lower channel opening is closed. The removed soil material can thus be received in the receiving space while at the same time the lower channel opening is closed so that no soil material can penetrate into the channel opening.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the passage to the receiving space is closed and the lower channel opening is opened in order to pull the drilling tool. This ensures that when pulling of the drilling tool, no more soil material can fall through the passage downwards out of the exception space.
  • the undesirable suction effect caused by the free channel opening can be largely avoided during pulling. Overall, this allows the drilling tool to be pulled out more quickly and the borehole to be created more efficiently. In addition, the risk of the borehole wall collapsing and a ground failure is reduced.
  • the compensation channel is opened when lowering the drilling tool into the borehole.
  • the passage can be either closed or open.
  • the open compensation channel when lowering also enables a faster workflow and thus more efficient drilling.
  • FIG. 1 An embodiment of a drilling tool 10 according to the invention, which is designed as a drilling auger with a screw spiral 14, is shown in the Figures 1 to 5
  • the drilling tool 10 has a tubular central shaft 30 which extends along a drilling or central axis 12.
  • a soil removal device 20 is arranged at a lower end region of the drilling tool 10.
  • the soil removal device 20 can have holders 22 on which in which removal elements 24 are detachably inserted.
  • the removal elements 24 are designed as round shank chisels.
  • a centering or pilot tip 26 can be arranged at the lower end of the central shaft 30.
  • a plate-shaped base 51 with a passage 28 can be formed at the lower end of the screw flight 14.
  • a plate-shaped closure element 52 can be mounted so as to be pivotable about the central axis 12 immediately below the base 51.
  • the passage 28 can be closed by pivoting or rotating the closure element 52 relative to the fixed base 51.
  • the drilling tool 10 is shown with the closure device 50 in an opening or drilling position, in which the passage 28 is released or opened.
  • removed soil material can enter from the removal device 20 through the passage 28 into a receiving space 40 located above.
  • the drilling tool 10 can have a connecting device 45 with a receiving sleeve 47 at its upper end, wherein the connecting device 45 can be designed in a known manner as a Kelly connection.
  • a complementary connecting pin of a drill rod of a drilling device can be inserted into the receiving sleeve 47 with a square hole to create a rotationally fixed connection.
  • An axially fixed connection can be formed via locking bolts (not shown) which can be inserted into transverse bores 49 on the receiving sleeve 47.
  • the drilling tool 10 is driven in rotation about the central axis 12, whereby soil material removed by the removal device 20 can enter upwards through the passage 28 into a receiving space 40 which is formed by the free space between the turns of the screw flight 14 on the central shaft 30.
  • a compensating channel 32 extends along the central axis 12, which at its lower end passes through a side opening 33 into a downwardly directed opening channel section 35, which opens into a lower channel opening 34.
  • the lower Channel opening 34 is closed and thus covered by the closure element 52 in the opening or drilling position.
  • the compensation channel 32 opens into an upper channel opening 36, which emerges laterally from the central shaft 30, as clearly shown in Fig. 2 shown.
  • the receiving space 40 on the screw flight 14 can be closed off at the top by a plate-shaped cover 42, which can be held and stiffened by means of stiffening plates 43 at the upper end of the central shaft 30 or at the closure device 50.
  • the receiving space 40 is filled with removed soil material, which enters the receiving space 40 from the removal device 20 through the passage 28.
  • the auger spiral 14 above is visible through the open passage 28.
  • the plate-shaped closure element 52 which can also be referred to as a rotating base, can be rotated by an opposite rotational movement relative to the base 51, thereby closing the passage 28.
  • the closure element 52 can release the lower channel opening 34, so that the compensation channel 32 is open and extends from the lower region of the drilling tool 10 below the closure device 50 to the upper channel opening 36 above the cover 42.
  • the filled drilling tool 10 can now be pulled vertically out of a borehole, with the closed closure device 50 ensuring that removed soil material from the receiving space 40 cannot fall back into the borehole.
  • the open compensation channel 32 which runs largely along the central shaft 30, ensures that no or at most only a slight negative pressure can arise between the underside of the drilling tool 10 and the top when pulling. This applies in particular when an outer diameter D of the drilling tool 10, as in Fig. 5 is indicated, largely corresponds to a bore diameter.
  • the drilling tool 10 can be gently and quickly pulled out of the borehole. Outside the borehole, the drilling tool 10 can be emptied of the soil material and then retracted into the borehole for a new drilling step.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bohrwerkzeug, insbesondere zum diskontinuierlichen Erdbohren, mit einer Bodenabtragseinrichtung, welche an einem unteren Bereich des Bohrwerkzeuges angeordnet und zum Abtrag von Bodenmaterial ausgebildet ist, einem Aufnahmeraum, welcher zum Aufnehmen des abgetragenen Bodenmaterials oberhalb der Bodenabtragseinrichtung an dem Bohrwerkzeug ausgebildet ist, mindestens einem Durchgang, welcher zum Hindurchtreten des abgetragenen Bodenmaterials von der Bodenabtragseinrichtung in den Aufnahmeraum beim Bohren ausgebildet ist, einer Verschlusseinrichtung zum Verschließen des mindestens einen Durchgangs bei einem Ziehen des Bohrwerkzeuges aus dem Bohrloch und einer Verbindungseinrichtung am oberen Bereich des Bohrwerkzeuges zum lösbaren Verbinden mit einem Bohrgestänge. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein rohrförmiger Mittenschaft mit einem Ausgleichskanal ausgebildet ist, welcher sich von mindestens einer unteren Kanalöffnung, welche unterhalb oder an der Verschlusseinrichtung angeordnet ist, bis zu mindestens einer oberen Kanalöffnung erstreckt, welche oberhalb des Aufnahmeraums angeordnet ist, wobei der Ausgleichskanal zum Durchströmen eines Mediums zwischen dem unteren Bereich und dem oberen Bereich des Bohrwerkzeuges beim Ziehen und/oder Absenken des Bohrwerkzeuges im Bohrloch ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bohrwerkzeug, insbesondere zum diskontinuierlichen Erdbohren, mit einer Bodenabtragseinrichtung, welche an einem unteren Bereich des Bohrwerkzeuges angeordnet und zum Abtrag von Bodenmaterial ausgebildet ist, einem Aufnahmeraum, welcher zum Aufnehmen des abgetragenen Bodenmaterials oberhalb der Bodenabtragseinrichtung an dem Bohrwerkzeug ausgebildet ist, mindestens einem Durchgang, welcher zum Hindurchtreten des abgetragenen Bodenmaterials von der Bodenabtragseinrichtung in den Aufnahmeraum beim Bohren ausgebildet ist, einer Verschlusseinrichtung zum Verschließen des mindestens einen Durchgangs bei einem Ziehen des Bohrwerkzeuges aus dem Bohrloch und einer Verbindungseinrichtung am oberen Bereich des Bohrwerkzeuges zum lösbaren Verbinden mit einem Bohrgestänge, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden gemäß dem Anspruch 12.
  • Beispielsweise zur Erstellung von Gründungspfählen im Boden ist es bekannt, mit einem Bodenbearbeitungswerkzeug, etwa einem Bohreimer, ein Loch im Boden zu erstellen. Abhängig von der Art des umgebenden Bodens kann die Bohrung als eine verrohrte oder unverrohrte Bohrung hergestellt werden. Insbesondere im Falle einer unverrohrten Bohrung ist eine Stützflüssigkeit vorzusehen, welche das Bohrloch gegen ein Kollabieren abstützt.
  • Beim Einsatz eines Bohreimers ist ein diskontinuierliches Bohren durchzuführen. Beim Abbohren füllt sich der Bohreimer mit abgetragenem Bodenmaterial, insbesondere bis er vollständig oder zumindest weitgehend gefüllt ist. Sodann ist der Bohreimer aus dem mit Flüssigkeit gefüllten Loch herauszuziehen, wobei über der Oberfläche ein Bohrgerät zu einer Entleerposition schwenkt, an welcher der Bohreimer entleert werden kann. Anschließend wird der Bohreimer zurückgeschwenkt und wieder in das Bohrloch eingefahren, um einen weiteren Bohrschritt durchzuführen.
  • Bei der Erstellung eines Lochs im Boden, welches mit einer Stützflüssigkeit befüllt ist, besteht das Problem, dass beim Rückziehen der Bodenbearbeitungsvorrichtung unterhalb der Bodenbearbeitungsvorrichtung im Loch ein Unterdruck entstehen kann. Wird dieser Unterdruck zu groß, kann Bodenmaterial von den Seitenwänden in das Loch stürzen. Dieses eingestürzte Bodenmaterial bedeutet nicht allein eine zusätzliche Arbeit, um dieses aus dem Loch zurückzuholen. Vielmehr besteht bei einem derartigen Einstürzen die Gefahr eines sogenannten Grundbruches, wobei durch das in das Loch eingestürzte Material der umgebende Boden derart geschwächt und destabilisiert wird, dass es zu größeren Setzungsbewegungen im Umgebungsbereich des Lochs kommt. Hierdurch können bestehende Baukörper beschädigt oder auch Baumaschinen zum Umsturz gebracht werden. Ein Grundbruch stellt eine erhebliche Gefahr für Menschen und Gegenstände dar, so dass umfassende Vorkehrungen gegen einen solchen Grundbruch zu treffen sind.
  • Zur Vermeidung einer solchen Gefahr durch Entstehung eines Unterdrucks unter eine Bodenbearbeitungsvorrichtung bei einem Ziehen nach oben ist es bekannt, die Rückzugsgeschwindigkeit des Bodenbearbeitungswerkzeuges gering zu halten, so dass ein ausreichender Druckausgleich zwischen der Oberseite und der Unterseite der Bodenbearbeitungsvorrichtung im Loch erfolgen kann.
  • Weiter ist es etwa aus der EP 3 879 064 A1 bekannt, an einem Bohreimer eine seitliche Ausnehmung vorzusehen, welche eine Fluidströmung entlang des Bohreimers zwischen der Oberseite und der Unterseite ermöglicht. Hierdurch wird der mögliche Aufnahmeraum beschränkt. Zudem kann bei einer partiellen seitlichen Umströmung am Umfang des Bohreimers dieser aus seiner Mittenlage in der Bohrung ausgelenkt werden. Dies kann zu unerwünschten Verkantungen im Bohrloch und zu einem erhöhten Verschleiß am Bohrwerkzeug und einer Verrohrung sowie zu einem erhöhten Kraftaufwand beim Ziehen des Bohrwerkzeuges aus dem Bohrloch führen.
  • Ein weiterer Bohreimer mit einem etwa ringförmigen äußeren Durchtrittsspalt für eine Fluidströmung entlang des Bohreimers geht aus der DE 34 40 727 A1 hervor.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrwerkzeug und ein Verfahren anzugeben, mit welchen in besonders effizienter Weise ein Loch im Boden erstellt werden kann.
  • Die Aufgabe wird zum einen durch ein Bohrwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und zum anderen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Bohrwerkzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass ein rohrförmiger Mittenschaft mit einem Ausgleichskanal ausgebildet ist, welcher sich von mindestens einer unteren Kanalöffnung, welche unterhalb oder an der Verschlusseinrichtung angeordnet ist, bis zu mindestens einer oberen Kanalöffnung erstreckt, welche oberhalb des Aufnahmeraums angeordnet ist, wobei der Ausgleichskanal zum Durchströmen eines Mediums zwischen dem unteren Bereich und dem oberen Bereich des Bohrwerkzeuges beim Ziehen und/oder Absenken des Bohrwerkzeuges im Bohrloch ausgebildet ist.
  • Eine Grundidee der Erfindung liegt darin, bei einem Bohrwerkzeug mit einer unteren Verschlusseinrichtung, mit welcher mindestens ein Durchgang zum Aufnahmeraum nach unten geschlossen werden kann, in einem rohrförmigen Mittenschaft einen Ausgleichskanal vorzusehen, welcher mindestens eine untere Kanalöffnung im unteren Bereich des Bohrwerkzeuges und eine obere Kanalöffnung in einem oberen Bereich des Bohrwerkzeuges aufweist. Durch den Ausgleichskanal kann insbesondere beim Ziehen, aber grundsätzlich auch beim Absenken des Bohrwerkzeuges in einer insbesondere mit Suspension oder Flüssigkeit gefüllten Bohrung bei einem verschlossenen Durchgang des Aufnahmeraums eine gezielte mittige Ausgleichsströmung zwischen der Oberseite und der Unterseite des Bohrwerkzeuges erfolgen. Bei einem Ziehen eines Bohrwerkzeuges, welches weitgehend den Bohrungsdurchmesser abdeckt und bei verschlossenem Durchgang wie ein Verschlusspropfen wirken kann, kann so insbesondere ein Druckausgleich zwischen dem Bereich unter dem Bohrwerkzeug und dem Bereich oberhalb des Bohrwerkzeuges erfolgen. Damit wird einem unerwünschten Saugeffekt beim Ziehen des Bohrwerkzeuges entgegengewirkt, durch welchen eine Bohrlochwandung beschädigt werden kann.
  • Durch eine bewirkte mittige Durchströmung durch den Mittenschaft wird gegenüber seitlichen Strömungskanälen der Gefahr eines Verkantens des Bohrwerkzeuges im Bohrloch beim vertikalen Bewegen besonders zuverlässig entgegengewirkt. Dies ist schonend für das Bohrwerkzeug und die Bohrlochwandung. Insgesamt wird mit einem mittigen Ausgleichskanal in einem rohrförmigen Mittenschaft mit mindestens einer unteren Kanalöffnung und mindestens einer oberen Kanalöffnung eine effiziente mittige Umströmung oder Durchströmung des Bohrwerkzeuges zu einem Druckausgleich oder Strömungsausgleich beim vertikalen Bewegen im Bohrloch erreicht. Dies erlaubt ein kraftsparendes und schnelleres Bewegen des Bohrwerkzeuges im Bohrloch.
  • Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die untere Kanalöffnung und/oder die obere Kanalöffnung verschließbar ist. Insbesondere während des eigentlichen Bohrvorganges, bei welchem Bodenmaterial im unteren Bereich des Bohrwerkzeuges abgetragen wird, kann es sinnvoll sein, die untere Kanalöffnung zu verschließen. Hierdurch wird ein Eindringen von Bodenmaterial in die Kanalöffnung und ein mögliches Verstopfen des Ausgleichskanals verhindert. Auch ein Verschließen der oberen Kanalöffnung kann sinnvoll sein, um ein Eindringen oder Einsedimentieren von sich absetzendem Bodenmaterial aus einer Bohrsuspension und ein mögliches Verstopfen der oberen Kanalöffnung von oben zu vermeiden.
  • Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung des Bohrwerkzeuges wird nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erzielt, dass die Verschlusseinrichtung zum Verschließen des Durchgangs zum Aufnahmeraum auch zum Verschließen/Öffnen der unteren Kanalöffnung ausgebildet ist. Die Verschlusseinrichtung dient in grundsätzlich bekannter Weise etwa bei einem Rohreimer oder bei einer diskontinuierlich arbeitenden Bohrschnecke dazu, beim Bohren einen Durchgang zum Durchtritt des abgetragenen Bodenmaterials in den Aufnahmeraum offenzuhalten und nach einem Abschluss des Bohrschrittes den Durchgang zu verschließen. In der Verschlussstellung wird so etwa beim Ziehen des Bohrwerkzeuges aus dem Bohrloch verhindert, dass lockeres abgetragenes Bodenmaterial wieder aus dem Aufnahmeraum des Bohrwerkzeuges zurück in das Bohrloch fallen kann.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Verschlusseinrichtung so ausgebildet sein, dass diese nicht allein zum Schließen und Öffnen des Durchgangs zum Aufnahmeraum, sondern auch zum Schließen und Öffnen der unteren Kanalöffnung ausgebildet ist. Die untere Kanalöffnung kann dabei insbesondere nahe an dem mindestens einen Durchgang zum Aufnahmeraum, insbesondere in einen Bereich unterhalb des Durchgangs zum Aufnahmeraum angeordnet sein.
  • Besonders zweckmäßig ist es nach einer Ausführungsform der Erfindung, dass die Verschlusseinrichtung ein Verschlusselement aufweist, welches zwischen einer Verschlussstellung, in welcher der Durchgang zum Aufnahmeraum durch das Verschlusselement verschlossen ist, und einer Bohrstellung verstellbar ist, in welcher der Durchgang zum Durchtritt von Bodenmaterial in den Aufnahmeraum beim Bohren offen ist.
  • Dabei ist es insbesondere bevorzugt, dass in der Bohrstellung des Verschlusselementes die untere Kanalöffnung verschlossen ist und dass in der Verschlussstellung des Verschlusselementes die untere Kanalöffnung offen ist. Somit können der Durchgang und die untere Kanalöffnung durch das Verschlusselement wechselweise betätigt werden. Dies bedeutet, dass beim Bohren in der Bohrstellung des Verschlusselementes der Durchtritt offen und gleichzeitig die untere Kanalöffnung verschlossen ist, während in der Verschlussstellung des Verschlusselementes der Durchtritt zum Aufnahmeraum verschlossen ist, während die untere Kanalöffnung für einen Strömungs- und/oder Druckausgleich durch den Ausgleichskanal offen ist.
  • Das Verschlusselement kann in grundsätzlich jeder geeigneten Weise ausgebildet sein. Eine besonders robuste Anordnung wird nach einer Ausführung der Erfindung dadurch erzielt, dass das Verschlusselement als ein Drehboden ausgebildet ist, welcher zwischen der Verschlussstellung und der Bohrstellung verdrehbar ist. Eine Drehachse des Drehbodens ist insbesondere koaxial zur Mitten- und Bohrachse des Bohrwerkzeuges.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges besteht darin, dass an einem oberen Bereich des Ausnahmeraumes eine Abdeckung, insbesondere eine Abdeckplatte, angeordnet ist, welche den Aufnahmeraum nach oben abschließt und von der oberen Kanalöffnung abtrennt. Bei einem Bohreimer kann dies die obere Gehäuseabdeckung des kastenartigen Bohreimers sein. Die Abdeckung kann insbesondere auch an einer Bohrschnecke ausgebildet sein, so dass der Aufnahmeraum der mindestens einen Schneckenwendel nach oben durch die Abdeckplatte begrenzt ist.
  • Oberhalb der Abdeckplatte befindet sich die mindestens eine obere Kanalöffnung. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei einer übermäßigen Füllung des Aufnahmeraumes abgetragenes Bodenmaterial nicht in die obere Aufnahmeöffnung eindringen kann.
  • Das Bohrwerkzeug ist grundsätzlich wechselbar an einem Bohrgestänge oder Antriebsgestänge eines Bohrgerätes angebracht. Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die Verbindungseinrichtung eine Kelly-Verbindung aufweist. Eine Kelly-Verbindung umfasst insbesondere eine Mehrkant-, insbesondere eine Vierkant-Verbindung, wobei vorzugsweise an dem Bohrwerkzeug eine Verbindungshülse mit einem mehr- oder vierkantigen Aufnahmeloch für einen komplementären Verbindungszapfen an dem Bohrgestänge ausgebildet ist. Durch diese Mehrkant-Steckverbindung wird eine drehfeste Verbindung erzielt. Durch ein oder mehrere einsteckbare Querbolzen kann eine axiale Sicherung und Verbindung erfolgen.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass das Bohrwerkzeug als ein Bohreimer mit einer Umfangswand ausgebildet ist, welche den Aufnahmeraum gehäuseartig umschließt. Dabei erstreckt sich der rohrförmige Mittenschaft bei dem erfindungsgemäßen Bohreimer mittig durch den vorzugsweise zylindrisch umschlossenen Aufnahmeraum. Die obere Kanalöffnung des mittigen Ausgleichskanals befindet sich dabei oberhalb der Abdeckung oder der oberen Deckplatte des Bohreimers. Ein Bohreimer kann auch als Kastenbohrer bezeichnet werden.
  • Alternativ kann das Bohrwerkzeug als eine Bohrschnecke mit mindestens einer Schneckenwendel ausgebildet sein, welche helixartig um den Mittenschaft herum angeordnet ist. An der Unterseite der Bohrschnecke ist die Verschlusseinrichtung angeordnet, mit welcher der mindestens eine Durchgang zu der mindestens einen Schneckenwendel und damit zum Aufnahmeraum zwischen den Wendelwindungen geöffnet und verschlossen werden kann.
  • Die Erfindung umfasst weiter ein Bohrgerät, bei dem das erfindungsgemäße Bohrwerkzeug angeordnet ist. Ein Bohrgerät kann insbesondere eine Trägereinheit aufweisen, welche vorzugsweise ein Fahrwerk, insbesondere ein Raupenfahrwerk, und einen darauf drehbar gelagerten Oberwagen umfassen kann. An dem Oberwagen kann vorzugsweise über einen Anstellmechanismus ein im Betrieb im Wesentlichen vertikaler Mast angebracht sein. An der Trägereinheit kann ein Drehantrieb zum drehenden Antreiben eines Bohrgestänges angeordnet sein. Das erfindungsgemäße Bohrwerkzeug kann an der Unterseite des Bohrgestänges lösbar angebracht sein.
  • Der Bohrantrieb kann vorzugsweise entlang des Mastes verfahrbar und/oder geführt sein. Das Bohrgerät ist insbesondere zum Erdbohren und vorzugsweise zur Erstellung von Bohrlöchern für Gründungspfähle im Boden ausgebildet.
  • Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden, insbesondere zum diskontinuierlichen Bohren, wobei das erfindungsgemäße Bohrwerkzeug beziehungsweise das erfindungsgemäße Bohrgerät verwendet wird. Mit dem Bohrwerkzeug wird durch drehendes Antreiben Bodenmaterial abgetragen und so das Bohrloch erstellt. Bei einem diskontinuierlichen Bohren wird ein Aufnahmeraum an dem Bohrwerkzeug mit dem abgetragenen Bodenmaterial verfüllt und nach Verschließen des Durchtritts zum Entleeren aus dem Bohrloch rückgezogen.
  • Anschließend wird das geleerte Bohrwerkzeug wieder zurück in das Bohrloch zum Durchführen eines weiteren Bohrschrittes rückgeführt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die gewünschte Endtiefe des Bohrloches erreicht ist. Das Bohren kann dabei als ein verrohrtes Bohren mit einem Stützrohr oder als unverrohrtes Bohren durchgeführt werden.
  • Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass beim Abtragen von Bodenmaterial beim Bohren der Durchgang zum Aufnahmeraum geöffnet und die untere Kanalöffnung geschlossen werden. Somit kann das abgetragenen Bodenmaterial in dem Aufnahmeraum aufgenommen werden, während gleichzeitig die untere Kanalöffnung geschlossen ist, so dass kein Bodenmaterial in die Kanalöffnung eindringen kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung liegt darin, dass zum Ziehen des Bohrwerkzeuges der Durchgang zum Aufnahmeraum geschlossen und die untere Kanalöffnung geöffnet werden. Somit ist sichergestellt, dass beim Ziehen des Bohrwerkzeuges kein Bodenmaterial mehr durch den Durchgang nach unten aus dem Ausnahmeraum fallen kann.
  • Durch die Öffnung des Ausgleichskanals kann beim Ziehen der unerwünschte Saugeffekt durch die freie Kanalöffnung weitgehend vermieden werden. Insgesamt ist so ein schnelleres Ziehen des Bohrwerkzeuges und damit ein effizienteres Erstellen des Bohrloches möglich. Zudem wird die Gefahr eines Einbrechens der Bohrlochwandung und eines Grundbruches vermindert.
  • Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, dass zum Absenken des Bohrwerkzeuges in das Bohrloch der Ausgleichskanal geöffnet wird. Dabei kann der Durchgang entweder geschlossen oder geöffnet sein. Durch den geöffneten Ausgleichskanal beim Absenken kann ebenfalls ein schnellerer Arbeitsablauf und damit ein effizienteres Bohren erreicht werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles weiter erläutert, welches schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    eine erste Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges, welches als eine Bohrschnecke ausgebildet ist;
    Fig. 2
    eine Seitenansicht des Bohrwerkzeuges von Fig. 1 in einer um 90° gedrehten Ansicht;
    Fig. 3
    eine perspektivische Ansicht des Bohrwerkzeuges der Figuren 1 und 2;
    Fig. 4
    eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht gemäß dem Schnitt A-A von Fig. 1; und
    Fig. 5
    eine Ansicht des Bohrwerkzeuges der Figuren 1 bis 4 von unten.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges 10, welches als eine Bohrschnecke mit einer Schneckenwendel 14 ausgebildet ist, ist in den Figuren 1 bis 5 dargestellt. Das Bohrwerkzeug 10 weist einen rohrförmigen Mittenschaft 30 auf, welcher sich entlang einer Bohr- oder Mittenachse 12 erstreckt. An einem unteren Endbereich des Bohrwerkzeuges 10 ist eine Bodenabtragseinrichtung 20 angeordnet. Die Bodenabtragseinrichtung 20 kann Halterungen 22 aufweisen, an welchen lösbar Abtragselemente 24 eingesetzt sind. In der dargestellten Ausführung sind die Abtragselemente 24 beispielhaft als Rundschaftmeißel ausgeführt. Desweiteren kann am unteren Ende des Mittenschaftes 30 eine Zentrier- oder Pilotspitze 26 angeordnet sein.
  • Am unteren Ende der Schneckenwendel 14 kann ein plattenförmiger Boden 51 mit einem Durchgang 28 ausgebildet sein. Zum Bilden einer Verschlusseinrichtung 50 kann unmittelbar unterhalb des Bodens 51 ein plattenförmiges Verschlusselement 52 schwenkbar um die Mittenachse 12 gelagert sein. Durch ein Verschwenken oder Verdrehen des Verschlusselementes 52 gegenüber dem festen Boden 51 kann der Durchgang 28 verschlossen werden.
  • In den Figuren ist das Bohrwerkzeug 10 mit der Verschlusseinrichtung 50 in einer Öffnungs- oder Bohrstellung dargestellt, bei welcher der Durchgang 28 freigegeben oder geöffnet ist. So kann abgetragenes Bodenmaterial von der Abtragseinrichtung 20 durch den Durchgang 28 in einen darüberliegenden Aufnahmeraum 40 eintreten.
  • Das Bohrwerkzeug 10 kann an seinem oberen Endbereich eine Verbindungseinrichtung 45 mit einer Aufnahmehülse 47 aufweisen, wobei die Verbindungseinrichtung 45 in bekannter Weise als eine Kelly-Verbindung ausgebildet sein kann. In die Aufnahmehülse 47 mit einem Vierkantloch kann ein komplementärer Verbindungszapfen eines Bohrgestänges eines Bohrgerätes zur Herstellung einer drehfesten Verbindung eingesteckt werden. Über nicht dargestellte Verriegelungsbolzen, welche in Querbohrungen 49 an der Aufnahmehülse 47 eingesteckt werden können, kann eine axial feste Verbindung gebildet werden.
  • Beim Bohren wird das Bohrwerkzeug 10 um die Mittenachse 12 drehend angetrieben, wobei von der Abtragseinrichtung 20 abgetragenes Bodenmaterial durch den Durchgang 28 nach oben in einen Aufnahmeraum 40 eintreten kann, welcher durch den Freiraum zwischen den Windungen der Schneckenwendel 14 am Mittenschaft 30 gebildet ist.
  • Innerhalb des rohrförmigen Mittenschaftes 30 erstreckt sich entlang der Mittenachse 12 ein Ausgleichskanal 32, welcher an seinem unteren Ende über eine Seitenöffnung 33 in einen nach unten gerichteten Öffnungskanalabschnitt 35 übergeht, welcher in einer unteren Kanalöffnung 34 mündet. In der gezeigten Ausführungsform ist die untere Kanalöffnung 34 durch das Verschlusselement 52 in der Öffnungs- oder Bohrstellung geschlossen und damit verdeckt.
  • An seinem oberen Ende mündet der Ausgleichskanal 32 in eine obere Kanalöffnung 36, welche seitlich aus dem Mittenschaft 30 heraustritt, wie anschaulich in Fig. 2 gezeigt ist.
  • Der Aufnahmeraum 40 an der Schneckenwendel 14 kann nach oben durch eine plattenförmige Abdeckung 42 abgeschlossen sein, welche mittels Versteifungsplatten 43 am oberen Ende des Mittenschaftes 30 oder an der Verschlusseinrichtung 50 gehaltert und versteift sein kann.
  • Beim Bohren füllt sich der Aufnahmeraum 40 mit abgetragenem Bodenmaterial, welches von der Abtragseinrichtung 20 durch den Durchgang 28 in den Aufnahmeraum 40 eintritt. In Fig. 5 ist durch den offenen Durchgang 28 die darüberliegende Schneckenwendel 14 sichtbar. Nach einer Füllung des Aufnahmeraums 40 kann das plattenförmige Verschlusselement 52, welches auch als Drehboden bezeichnet werden kann, durch eine entgegengesetzte Drehbewegung gegenüber dem Boden 51 verdreht und dabei der Durchgang 28 verschlossen werden. Gleichzeitig kann das Verschlusselement 52 die untere Kanalöffnung 34 freigeben, so dass der Ausgleichskanal 32 geöffnet ist und sich von dem unteren Bereich des Bohrwerkzeuges 10 unterhalb der Verschlusseinrichtung 50 bis zur oberen Kanalöffnung 36 oberhalb der Abdeckung 42 erstreckt.
  • Nunmehr kann das gefüllte Bohrwerkzeug 10 vertikal aus einem Bohrloch gezogen werden, wobei die geschlossene Verschlusseinrichtung 50 sicherstellt, dass abgetragenes Bodenmaterial aus dem Aufnahmeraum 40 nicht wieder zurück in das Bohrloch fallen kann. Gleichzeitig sorgt der geöffnete Ausgleichskanal 32, welcher weitgehend entlang des Mittenschaftes 30 verläuft, dafür, dass beim Ziehen kein oder allenfalls nur ein geringer Unterdruck zwischen der Unterseite des Bohrwerkzeuges 10 und der Oberseite entstehen kann. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn ein Außendurchmesser D des Bohrwerkzeuges 10, wie es in Fig. 5 angezeigt ist, einem Bohrungsdurchmesser weitgehend entspricht. In diesem Zustand kann ein schonendes und schnelles Ziehen des Bohrwerkzeuges 10 aus dem Bohrloch erfolgen. Außerhalb des Bohrloches kann das Bohrwerkzeug 10 von dem Bodenmaterial entleert werden und dann für einen neuen Bohrschritt wieder in das Bohrloch eingefahren werden.

Claims (15)

  1. Bohrwerkzeug, insbesondere zum diskontinuierlichen Erdbohren, mit
    - einer Bodenabtragseinrichtung (20), welche an einem unteren Bereich des Bohrwerkzeuges (10) angeordnet und zum Abtrag von Bodenmaterial ausgebildet ist,
    - einem Aufnahmeraum (40), welcher zum Aufnehmen des abgetragenen Bodenmaterials oberhalb der Bodenabtragseinrichtung (20) an dem Bohrwerkzeug (10) ausgebildet ist,
    - mindestens einem Durchgang (28), welcher zum Hindurchtreten des abgetragenen Bodenmaterials von der Bodenabtragseinrichtung (20) in den Aufnahmeraum beim Bohren ausgebildet ist,
    - einer Verschlusseinrichtung (50) zum Verschließen des mindestens einen Durchgangs bei einem Ziehen des Bohrwerkzeuges (10) aus dem Bohrloch und
    - einer Verbindungseinrichtung (45) am oberen Bereich des Bohrwerkzeuges (10) zum lösbaren Verbinden mit einem Bohrgestänge,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass ein rohrförmiger Mittenschaft (30) mit einem Ausgleichskanal (32) ausgebildet ist, welcher sich von mindestens einer unteren Kanalöffnung (34), welche unterhalb oder an der Verschlusseinrichtung (50) angeordnet ist, bis zu mindestens einer oberen Kanalöffnung (36) erstreckt, welche oberhalb des Aufnahmeraums (40) angeordnet ist, wobei der Ausgleichskanal (32) zum Durchströmen eines Mediums zwischen dem unteren Bereich und dem oberen Bereich des Bohrwerkzeuges (10) beim Ziehen und/oder Absenken des Bohrwerkzeuges (10) im Bohrloch ausgebildet ist.
  2. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 ,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die untere Kanalöffnung (34) und/oder die obere Kanalöffnung (36) verschließbar ist.
  3. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verschlusseinrichtung (50) zum Verschließen des Durchgangs (28) zum Aufnahmeraum (40) auch zum Verschließen/Öffnen der unteren Kanalöffnung (36) ausgebildet ist.
  4. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verschlusseinrichtung (50) ein Verschlusselement (52) aufweist, welches zwischen einer Verschlussstellung, in welcher der Durchgang (28) zum Aufnahmeraum (40) durch das Verschlusselement (52) verschlossen ist, und einer Bohrstellung verstellbar ist, in welcher der Durchgang (28) zum Durchtritt von Bodenmaterial in den Aufnahmeraum (40) beim Bohren offen ist.
  5. Bohrwerkzeug nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in der Bohrstellung des Verschlusselementes (52) die untere Kanalöffnung (36) verschlossen ist und
    dass in der Verschlussstellung des Verschlusselementes (52) die untere Kanalöffnung (34) offen ist.
  6. Bohrwerkzeug nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Verschlusselement (52) als ein Drehboden ausgebildet ist, welcher zwischen der Verschlussstellung und der Bohrstellung verdrehbar ist.
  7. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an einem oberen Bereich des Aufnahmeraums (40) eine Abdeckung (42), insbesondere eine Abdeckplatte, angeordnet ist, welche den Aufnahmeraum (40) nach oben abschließt und von der oberen Kanalöffnung (36) abtrennt.
  8. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verbindungseinrichtung (40) eine Kelly-Verbindung aufweist.
  9. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Bohrwerkzeug (10) als ein Bohreimer mit einer Umfangswand ausgebildet ist, welche den Aufnahmeraum (40) gehäuseartig umschließt.
  10. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Bohrwerkzeug (10) als eine Bohrschnecke mit mindestens einer Schneckenwendel (14) ausgebildet ist, welche helixartig um den Mittenschaft (30) herum angeordnet ist.
  11. Bohrgerät,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Bohrwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet ist.
  12. Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden, insbesondere zum diskontinuierlichen Bohren,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Bohrwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder ein Bohrgerät nach Anspruch 11 verwendet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass beim Abtragen von Bodenmaterial beim Bohren der Durchgang (28) zum Aufnahmeraum (40) geöffnet und die untere Kanalöffnung (34) geschlossen werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Ziehen des Bohrwerkzeuges (10) der Durchgang (28) zum Aufnahmeraum (40) geschlossen und die untere Kanalöffnung (34) geöffnet werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Absenken des Bohrwerkzeuges (10) in das Bohrloch der Ausgleichskanal (32) geöffnet wird.
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