WO2002055830A2 - Verfahren zum felsmeisseln - Google Patents

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Franz-Josef Püttmann
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Tracto-Technik Gmbh
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B1/00—Percussion drilling
    • E21B1/12—Percussion drilling with a reciprocating impulse member

Definitions

  • the invention relates to a method for chiseling rock or rock, in particular for producing a rock hole for light to medium-sized rock formations, and claims the priority of German patent application 101 01 708.1, to which reference is made in terms of content.
  • MOD motors are usually used for drilling in lighter to medium-sized rock formations. These are screw motors that work according to the Moineau principle.
  • Drilling with MUD motors is technically complex and expensive, so that there is a cost factor of 5 to 10 compared to drilling in loose rock formations, which is possible without the use of MUD motors.
  • controllable, asymmetrical hard rock drill heads with so-called double wedge drill rods developed by FlowTex were used.
  • the height-asymmetrical wing blades of the drilling Heads were moved during steering so that the longer front cutting edge worked into the rock by short left / right swiveling movements in the desired direction.
  • the diameter of the borehole is then worked out by pre-cutters and reamers by rotating the entire drill head.
  • the pre-cutter represents the longer front cutting edge and the reamer the shorter front cutting edge.
  • This method is also associated with high costs, since the required double wedge drill rods are expensive.
  • the drilling device has a poor efficiency, so that only short drilling distances can be realized with a high expenditure of time.
  • the pre-cutting to change the direction is complex and the wear of the pre-cutter is high. In practice, the pre-cutter must be changed after each drilling operation.
  • the invention is based on the object of creating a method for rock or rock drilling with which inexpensive and efficient rock or rock drilling is possible.
  • the method according to the invention is based on the idea of using a combination of turning and striking with the aid of an asymmetrical rock boring head with preferably integrated asymmetrically arranged jet nozzles and a beating and rotating propelling drilling device in such a way that - preferably high-frequency - impact pulse rock pieces of a certain circular section of the working face are broken out and after a certain - preferably short - time period or a certain - preferably small - penetration depth of the asymmetrical chisel, the asymmetrical chisel is rotated by a certain angle in order to move the chisel head into a new circular section of the working face move and then use the impact impulses to break rock pieces out of the new angular range.
  • the asymmetry can also be realized by a specific (eg geometric) nozzle arrangement or jet alignment, without the tool as such being asymmetrical.
  • This procedure allows a surprisingly quick drilling in rock or rock with a simple asymmetrical drill head to be achieved with a simple rod drilling device and an additional percussion drive and by varying the drilling parameters, such as the dwell time in a certain angular section, and thus uneven distribution of the driving force to implement directional drilling on the face.
  • the device according to the invention makes it possible to avoid a wedging effect and the associated undesired distribution of the introduction of force away from the tip of the drill head.
  • the tip of the drill head can be designed to be movable, so that the entire impact pulse is introduced into the drill head tip without energy being used to accelerate the remaining drill head.
  • the impact unit is preferably operated at a high impact frequency - particularly preferably at more than 1000 impacts / min.
  • a variable thrust force is preferably applied to the drill head via a linkage.
  • the steps of turning and turning can take place in a clocked change.
  • the angle ⁇ can be 0 ° or 360 ° for steering, while it is otherwise preferably 0 ° and 90 °.
  • Asymmetric drill heads have proven to be particularly advantageous for use according to the method according to the invention.
  • drilling media for cooling or cutting or discharging the cuttings can be arranged via nozzles arranged asymmetrically in the drill head or chisel.
  • Fig. 1 is a representation of the working face with the drill head lying therein in three drilling steps and
  • FIG. 2 shows a detailed view of the drill head of FIG. 1.
  • the drilling device 1 has a striking unit 2, an asymmetrical drilling head 4 and a connection for a rod 6. Both a torque and a variable axial pressure can be transmitted to the drilling device 1 via the linkage 6.
  • the drilling device 1 with the drilling head 4 is located in the working face 8.
  • the chisel tip 10 of the drilling head 4 is movably mounted, so that the complete impact pulse of the striking unit 2 is transmitted to the chisel tip.
  • a channel 12 for a drilling medium emerges in the front region of the chisel tip 10.
  • the axis of the chisel tip 10 has an angle ⁇ with respect to the axis of the drill.
  • an area of the rock is broken out of the working face 8 with the chisel tip 10 (FIG. 1).
  • a variable pushing force is exerted on the drilling device via the linkage 6.
  • the drilling device and thus the drilling head is rotated by an angle ⁇ in order to knock out a piece of rock from the working face in this position in a new area of the working face 8 using the impact drive 2.
  • the angle for steering is 0 ° or 360 °, with the latter achieving particularly good propulsion.

Abstract

Die ERfindung betrifft ein Verfahren zum Aufmeisseln von Gestein oder Fels, insbesondere zum Erzeugen einer Felsbohrung mit einer Bohrvorrichtung mit einem Schlagantrieb, einem Dreh-/Schubgestänge, wobei die Schlageinheit über den Bohrkopf in einem Kreisflächenabschnitt der Ortsbrust eine Schlagimpuls auf die Ortsbrust ausübt, um Gestein aus der Ortsbrust herauszubrechen und in einem nächsten Schritt über das Gestänge um einen Winkel α gedreht wird und in dem entsprechenden neuen Kreisflächenabschnitt der Ortsbrust wiederum durch Schlagimpulse über den Bohrkopf und die Meisselspitze Gesteinsstücke aus der Ortsbrust herausgebrochen werden.

Description

"Verfahren zum Felsmeißeln"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufmeißeln von Gestein oder Fels, insbesondere zum Erzeugen einer Felsbohrung für leichte bis mittelere Felsformationen und nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 101 01 708.1 in Anspruch, auf die inhaltlich Bezug genommen wird.
Beim Bohren in leichteren bis mittleren Felsformationen werden üblicherweise sog. "MUD-Motoren" eingesetzt. Dabei handelt es sich um Schraubenmotoren, die nach dem Moineau-Prinzip arbeiten.
Das Bohren mit MUD-Motoren ist betriebstechnisch aufwendig und teuer, so daß gegenüber dem Bohren in Lockergesteinsformationen, welches ohne den Einsatz von MUD-Motoren möglich ist, ein Kostenfaktor von 5 bis 10 gegeben ist.
Um den Einsatz der teuren MUD-Motoren zu vermeiden, wurden kleinere Hartgesteinsbohrköpfe aus dem Bergbau und der Ankertechnik eingesetzt, die jedoch keinen gesteuerten Vortrieb erlauben.
Daneben wurden von der Fa. FlowTex entwickelte steuerbare, asymmetri- sehe Hartgesteinsbohrköpfe mit sog. Doppelkeilbohrgestänge eingesetzt.
Die höhenasymmetrischen Flügelschneiden der dabei verwendeten Bohr- köpfe wurden beim Steuern so bewegt, daß die längere Frontschneide sich durch kurze Links/Rechts-Schwenkbewegungen in der gewünschten Richtung in den Fels hineinarbeitet. Nach entsprechender Vorbohrtiefe wird dann durch Rotation des gesamten Bohrkopfes der Bohrlochdurchmesser durch Vorschneider und Nachräumer herausgearbeitet. Der Vorschneider stellt dabei die längere Frontschneide und der Nachräumer die kürzere Frontschneide dar.
Auch dieses Verfahren ist mit einem hohen Kostenaufwand verbunden, da die erforderlichen Doppelkeilbohrgestänge teuer sind. Zudem weist die Bohrvorrichtung einen schlechten Wirkungsgrad auf, so daß mit hohem Zeitaufwand nur kurze Bohrstrecken realisierbar sind. Dabei ist das Vorschneiden zur Richtungsänderung aufwendig und der Verschleiß des Vorschneiders hoch. In der Praxis ist ein Vorschneiderwechsel nach jedem Bohrvor- gang erforderlich.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Gesteinsoder Felsbohren zu schaffen, mit dem ein kostengünstiges und leistungsfähiges Gesteins- oder Felsbohren möglich ist.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine für das Verfahren geeignete Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patent- ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf dem Gedanken, unter Zuhilfenahme eines asymmetrischen Felsbohrkopfes mit vorzugsweise integrierten asymmetrisch angeordneten Strahldüsen und einer schlagend und drehend vortreibbaren Bohrvorrichtung eine Kombination von Drehen und Schlagen derart einzusetzen, daß durch - vorzugsweise hochfrequente - Schlagim- pulse Gesteinsstücke eines bestimmten Kreisabschnitts der Ortsbrust herausgebrochen werden und nach einem gewissen - vorzugsweise kurzen - Zeitabschnitt oder einer gewissen - vorzugsweise geringen - Eindringtiefe des asymmetrischen Meißels eine Rotation des asymmetrischen Meißels um einen bestimmten Winkel erfolgt, um den Meißelkopf in einen neuen Kreisabschnitt der Ortsbrust zu bewegen und dann mit Hilfe der Schlagimpulse Gesteinsstücke aus dem neuen Winkelbereich herauszubrechen. Die Asymmetrie kann auch durch eine bestimmte (z.G. geometrische) Düsenanordnung oder Strahlausrichtung verwirklicht sein, ohne daß das Werkzeug als solches asymmetrisch ist.
Diese Verfahrensweise erlaubt es, mit einer einfachen Gestängebohrvorrichtung und einem zusätzlichen Schlagantrieb einen überraschend zügigen Bohrvortrieb in Fels oder Gestein mit einem einfachen asymmetrischen Bohrkopf zu verwirklichen und dabei durch Variation der Bohrparameter, wie beispielsweise die Verweilzeit in einem bestimmten Winkelabschnitt, und damit ungleichmäßiger Verteilung der Vortriebskraft auf die Ortsbrust ein Richtungsbohren zu verwirklichen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, einen Verkeilungseffekt und die damit verbundene ungewünschte Verteilung der Krafteinleitung von der Spitze des Bohrkopfes weg zu vermeiden. Um die Schlagkraft weiter zu erhöhen, kann die Spitze des Bohrkopfes beweglich ausgebildet sein, so daß der gesamte Schlagimpuls in die Bohrkopfspitze eingeleitet wird, ohne daß Energie zur Beschleunigung des restlichen Bohrkopfes verbraucht wird.
Vorzugsweise wird die Schlageinheit mit hoher Schlagfrequenz - besonders bevorzugt mit mehr als 1000 Schlägen/min - betrieben.
Bevorzugt wird eine variable Schubkraft über ein Gestänge auf den Bohrkopf gebracht. Die Schritte des Schiagens und des Drehens können in einem getaktetem Wechsel erfolgen. Der Winkel ß kann zum Lenken 0° oder 360° betragen, während er ansonsten bevorzugt 0° und 90° beträgt.
Für den Einsatz nach dem erfindungsgemäßen Verfahren haben sich asymmetrische Bohrköpfe als besonders vorteilhaft erwiesen.
Um den Vortrieb weiter zu forcieren, können über im Bohrkopf bzw. Meißel asymmetrisch angeordnete Düsen Bohrmedien zum Kühlen bzw. Schneiden oder Austragen des Bohrkleins angeordnet sein.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung der Ortsbrust mit darin liegendem Bohrkopf in drei Bohrschritten und
Fig. 2 eine Detailansicht des Bohrkopfes der Fig. 1.
Die Bohrvorrichtung 1 weist eine Schlageinheit 2, einen asymmetrischen Bohrkopf 4 und einen Anschluß für ein Gestänge 6 auf. Über das Gestänge 6 kann sowohl ein Drehmoment als auch ein variabler Axialdruck auf die Bohrvorrichtung 1 übertragen werden. Beim Bohren (wie in Fig. 1 dargestellt) befindet sich die Bohrvorrichtung 1 mit dem Bohrkopf 4 in der Ortsbrust 8. Die Meißelspitze 10 des Bohrkopfes 4 ist beweglich gelagert, so daß der vollständige Schlagimpuls der Schlageinheit 2 auf die Meißelspitze übertragen wird. lm vorderen Bereich der Meißelspitze 10 tritt ein Kanal 12 für ein Bohrmedium aus. Die Achse der Meißelspitze 10 weist einen Winkel α in Bezug auf die Achse des Bohrgeräts auf.
Durch Betrieb der Schlageinheit 2 wird mit der Meißelspitze 10 ein Bereich des Gesteins aus der Ortsbrust 8 herausgebrochen (Fig. 1 ). Dabei wird über das Gestänge 6 eine variable Schubkraft auf die Bohrvorrichtung ausgeübt. In einem nächsten Schritt wird die Bohrvorrichtung und damit der Bohrkopf um einen Winkel ß gedreht, um in dieser Position in einem neuen Bereich der Ortsbrust 8 ein Gesteinsstück aus der Ortsbrust mit Hilfe des Schlagantriebs 2 herauszuschlagen. Zum Lenken beträgt der Winkel 0° oder 360°, wobei mit letzterem ein besonders guter Vortrieb erreicht wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Aufmeißeln von Gestein oder Fels, insbesondere zum Erzeugen einer Felsbohrung mit einer Bohrvorrichtung mit einem Schlagantrieb, einem Dreh-/Schubgestänge, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlageinheit (2) über den Bohrkopf (4) in einem Kreisflachenabschnitt der Ortsbrust (8) einen Schlagimpuls auf die Ortsbrust ausübt, um Gestein aus der Ortsbrust herauszubrechen und der Bohrkopf (4) in einem nächsten Schritt über das Gestänge (6) um einen Winkel ß gedreht wird und in dem entsprechenden neuen Kreisflachenabschnitt der Ortsbrust (8) wiederum durch Schlagimpulse über den Bohrkopf (4) und die Meißelspitze (10) Gesteinsstücke aus der Ortsbrust (8) herausgebrochen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (4) zum Erreichen des neuen Kreisflächenabschnitts entgegen der Vortriebsrichtung zurückbewegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlageinheit (2) hochfrequent, vorzugsweise mit einer Frequenz von mehr als 1000 Schlägen/min betrieben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über das Gestänge (6) ein Anpressdruck auf die Bohrvorrichtung und damit auf den Bohrkopf (4) ausgeübt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anpressdruck variabel ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Schiagens und des Drehens in einem getakteten Wechsel erfolgen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel ß 0° bis 90° beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel ß 360° beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Variation von Bohrparameter wie Winkel und/oder Anpressdruck und/oder Taktdauer zum Erreichen einer bestimmten Bohrrichtung eingesetzt wird.
10. Bohrvorrichtung zum Bohren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (4) eine asymmetrische Geometrie aufweist.
11. Bohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (4) eine bewegliche Meißelspitze (10) aufweist.
12. Bohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Meißelspitze (10) in Lenkrichtung einen Schlagimpuls auf die Ortsbrust ausübt.
13. Bohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meißelspitze (10) eine Achse mit einen Winkel α in Bezug auf das Bohrgerät aufweist.
14. Bohrvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α = 0 bis 20° beträgt.
5. Bohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf eine asymmetrische Düsenanordnung aufweist.
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