WO2018028748A1 - Bohrkopf zum abbau von gestein, bohrmaschine und verfahren zum abbau von gestein - Google Patents

Bohrkopf zum abbau von gestein, bohrmaschine und verfahren zum abbau von gestein Download PDF

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WO2018028748A1
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rock
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pressure water
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mining
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Gerhard Dorandt
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Gerhard Dorandt
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    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/10—Making by using boring or cutting machines
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    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/06—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining
    • E21D9/08—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining with additional boring or cutting means other than the conventional cutting edge of the shield
    • E21D9/0875—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining with additional boring or cutting means other than the conventional cutting edge of the shield with a movable support arm carrying cutting tools for attacking the front face, e.g. a bucket
    • E21D9/0879—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining with additional boring or cutting means other than the conventional cutting edge of the shield with a movable support arm carrying cutting tools for attacking the front face, e.g. a bucket the shield being provided with devices for lining the tunnel, e.g. shuttering

Definitions

  • Drilling head for mining rock drilling machine and method for mining rock
  • the invention relates to a boring head for mining rock, in particular hard rock, in tunnel construction, wherein the boring head has at least one excavating tool. Furthermore, the invention relates to a drilling machine and a method for the degradation of rock.
  • tunnel boring machines also tunnel boring machines
  • the boring head in each case has a multiplicity of removal tools, such as rotating roller bits.
  • a disadvantage of existing drill heads is the very high tool wear of about 2 - 3cm per day by friction and pressure forces on the chisel. This requires a complex and frequent removal of the chisel and correspondingly long downtime of the drill. For example, it takes three to four hours to manually change a single bit.
  • high-pressure nozzles are located in a pressure wall behind a cutting wheel of an earth pressure shield arranged to trigger at a pressure of 600 to 800 bar fines from the rock (working face) and sealed with the obtained fines in the working face existing flow paths against loss of water.
  • the exit angles of the nozzle jets are adjusted so that the jet direction of the nozzles counteracts the rotational movement of the cutting degree.
  • the object of the invention is to improve the state of the art.
  • a drill head for the mining of rock, especially hard rock, in tunneling wherein the drill head has at least one mining tool, and the drill head at least a first Bolliganstrahldüse in a direction of movement of the mining tool locally in front of the mining tool and / or with a Has effective range before the removal tool, so that means of
  • Ultra-high pressure water jet nozzle a pre-processing of the rock is feasible.
  • the auger head of the present invention can be operated at an increased feed rate compared to prior art bits.
  • An essential idea of the invention is based on the fact that the rock is loosened and / or removed in advance in its complete composition by means of the high-pressure water jet nozzle, before the further mechanical removal of the rock takes place by the following mining tool and at the same time cooling of the rock by means of the high-pressure water jet nozzle Removal tool and the drill head is feasible.
  • a drill bit is a bit carrier having rotating roller bits, the drill head conveying broken rock backwards
  • a drill head has in particular a diameter of 10cm to 30m on different mining tools and scrapers for transporting the eroded rock.
  • Rock is understood to mean, in particular, a solid, naturally occurring, generally microscopically heterogeneous combination of minerals, rock fragments, glasses and / or residues of organisms. Sedimentary rocks and / or metamorphic rocks The rock may in particular consist of hard rocks and / or loose rocks.
  • a hard rock can not be scratched and / or scratched with a commercially available knife, especially in hard rock especially granites, slates, gneisses and basalt.
  • tunnel is used in particular for the construction of underground caverns (tunnels, tunnels, shafts, caverns, power lines and the like) for traffic and / or supply facilities . These can be constructed in open construction with low coverage or underground construction in closed construction.
  • the tunnel construction is used in particular for the creation of elongate, horizontal and / or only slightly inclined underground cavities, the tunnel in particular having a cross section of ⁇ Im 2.
  • the cross section may in particular also be> In 2 , preferably> 10m 2 ,
  • a "mining tool” is in particular a tool for dismantling and / or removing rock, in particular hard rock, and a mining tool may in particular be a roller bit, drill bit, cutting bit and / or another type of drilling and / or removal tool
  • the drilling tool has, in particular, a number of movable rollers, wherein the abrasion of the rotating rollers results in the erosion of the rock
  • the removal tool can be additionally occupied in particular with hard metal pins (warts).
  • a "high-pressure water jet nozzle” is in particular a nozzle, which is designed for maximum water jet pressure through the high-pressure water jet nozzle, in particular a water jet under extreme pressure out, in particular rock and / or hard rock to loosen up and / or remove
  • High pressure water jet nozzle in particular connected to a water supply and a high pressure pump.
  • the high-pressure water jet nozzle in particular promotes water without the addition of liquid and / or gaseous chemicals to improve the removal (water jet).
  • a hard powdery material abrasive water jet
  • the high pressure of the water jet which leaves the high-pressure water jet, causes in particular a rock and / or hard rock erosion. By the Extreme pressure may additionally cause cracks in the rock and / or hard rock.
  • the high-pressure water jet nozzle in particular has a nozzle diameter between 0.1 and 10 mm, preferably between 0.4 mm and 2.0 mm.
  • the high-pressure water jet nozzle in particular has a sapphire nozzle with a V4A steel sleeve.
  • the high-pressure water jet nozzle has an internal thread on the inside or an external thread for the water connection on the outside.
  • the high-pressure water jet nozzle particularly promotes a water volume flow of 5 to 50 L / min.
  • the high-pressure water jet nozzle is in particular rotatable and has a rotational speed of 1 to 300 rpm.
  • the high-pressure water jet nozzle has a water pressure between 900 bar and 6,000 bar, with this pressure in particular being controllable.
  • a "direction of movement” is, in particular, the direction in which the drill head and / or the removal tool moves.
  • “Locally" in front of the mining tool means that the high-pressure water jet nozzle is located in a spatial position in front of the mining tool, so that the water jet of the high-pressure water jet nozzle on the rock hits before the mining tool comes in contact with this rock.
  • Rea of action means the area of the rock on which the water jet of the high-pressure water jet nozzle directly or indirectly strikes and / or acts, in particular in front of the removal tool, so that first the water jet impinges on the rock before the impact
  • the nozzle does not necessarily have to be located locally in front of the removal tool, but can also be arranged in a different spatial position, for example next to the removal tool
  • Removal tool be arranged and align its water jet from there into the effective range in front of the removal tool.
  • a "pre-processing” is in particular a loosening, cutting, rinsing and / or removal of the rock by the water jet of the high-pressure water jet nozzle before a mechanical removal by the removal tool.
  • the wellhead includes a second high pressure water jet nozzle and / or a third high pressure water jet nozzle and / or a fourth high pressure water jet nozzle and / or another high pressure water jet nozzle and / or a second degradation tool and / or a third removal tool and / or a fourth Removal tool and / or another removal tool.
  • a drill head with an optimal number and arrangement of mining tools and high-pressure water jet nozzles can be provided.
  • the high-pressure water jet nozzle In order to achieve an optimal pre-processing and a pre-removal of the rock, has or point in the operating case, the high-pressure water jet nozzle or
  • High-pressure water jet nozzles each have a water pressure between 900 bar and 6000 bar, preferably between 10000 bar and 3000 bar.
  • the high-pressure water jet nozzle or the high-pressure water jet nozzles have a rotating device, so that one water jet from the high-pressure water jet nozzle or several water jets from several
  • the effective range of the water jet can be adjusted depending on the direction of movement of the removal tool and / or the rotational movement of the drill head and the corresponding movement and / or rotational speeds.
  • a "rotation device” is in particular a device which permits rotation and / or rotational movement of a high-pressure water jet nozzle or several
  • Rotational device may in particular be an air circulation around the nozzle.
  • High-pressure water jet nozzle can be mounted in particular rotatably or connected to a drive shaft.
  • each angle of a 360 ° circle can be adjusted and / or regulated by means of the rotation device.
  • a "jet of water” is in particular a stream of water from one
  • the Bayerstrahldüse or the high-pressure water jet nozzles using the Rotation device performed such that a linear, round, circular, oval and / or teardrop-shaped Vorbearbeitungs Complex is realized in the rock.
  • tool-dependent pre-removal and / or cutting can take place in the rock, so that the removal tool following in the direction of movement can be better centered in particular with its role and / or intervene with more efficient force transmission in the pre-machined rock.
  • Cuts and / or removes pre-processing area Cuts and / or removes pre-processing area.
  • a "pre-treatment area” is in particular an effective area of the ultrahigh-pressure water jet nozzle in the rock, where the water jet strikes the rock directly and processes it in a defined shape the subsequent removal tool can optimally intervene in this form in the rock and continue to break off and erode the rock.
  • the high-pressure water jet nozzle or the high-pressure water jet nozzles have a Abstandseinstell noticed, so that a distance of
  • High-pressure water jet nozzles to the rock is adjustable.
  • the water jet can be applied at the optimum distance and thus with optimal pressure against the rock, and an optimal water drain can be achieved.
  • a typical value for the distance is 10cm.
  • Pre-processing area as well as the distance can be adjusted and / or regulated.
  • a “sensor” is in particular a detector (sensor and / or sensor), which detects certain physical and / or chemical properties of the rock
  • a sensor for rock detection detects, in particular, the color, texture and / or hardness of a rock
  • a rock detection sensor can distinguish between soft rock and hard rock, and a rock detection sensor uses, for example, UV, near-infrared, and / or laser-induced fluorescence spectroscopy.
  • the object is achieved by a drilling machine for mining rock, in particular hard rock, in tunnel construction, wherein the drilling machine has a previously described drill head.
  • a drill with a low wear of the mining tools, low downtime, small tool changes and expansion times and consequently longer operating times of the drill are provided.
  • the drill has built-in cooling of the mining tools and drill bit through the high-pressure water jet nozzles or high-pressure water jet nozzles, saving cooling water while reducing the risk of explosion and fire.
  • a "drill" is in particular a
  • Tunnel boring machine or tunnel boring machine which is used for the construction of tunnels.
  • a drilling machine has a boring head and / or demounting plate with tools, feed and tensioning devices, supporting and dismounting systems, devices for removing material, a supply unit for electricity, compressed air and water, as well as transport facilities for the removed material.
  • the object is achieved by a method for the degradation of rock, in particular hard rock, in tunneling by means of a previously described drill head or a previously described drilling machine with the following steps:
  • Figure 1 is a highly schematic representation of a
  • Figure 2 is a highly schematic representation of a
  • a high-pressure water jet nozzle 103 has a V4A steel nozzle 107 and an inner sapphire nozzle 105. At the V4A steel sleeve 107 is internally threaded inside 109. About the internal thread 109, the Glatigstrahldüse is connected by means of a pipe connection, not shown, with a high-pressure pump, not shown. During operation, the water jet exits from the high-pressure water jet nozzle 103 on the side of the V4A steel sleeve 107 opposite the internal thread 109.
  • a 10m diameter drill head 101 has three central roller bits 115, 16 roller bits 117, 16 high pressure water jet nozzles 103, four lateral ones
  • the drill head 101 rotates in a rotational direction 113.
  • the high-pressure water jet nozzles 103 are arranged in the direction of rotation 113 spatially in front of the roller bit 117.
  • the lateral Baytigstrahldüsen 104 are additionally arranged on both sides opposite one another with two roller bits 117.
  • the high-pressure water jet nozzles 103 and the high-pressure side water jet nozzles 104 are completely rotatable due to air circulation, not shown.
  • An effective range of the lateral high pressure water jet nozzles 104 is also directed to the spatial area in the direction of rotation 113 in front of the respective roller bits 117 due to the air circulation, not shown.
  • the detection sensors 121 detect the ablated rock by means of laser-induced fluorescence and recognize it as gneiss.
  • the average distance of the high pressure water jet nozzles 103 and 104 is set to 10cm to the gneiss 123 to be broken.
  • the high-pressure water jet nozzles 103 and 104 are each set to a water pressure of 10000 bar, a flow rate of 25 L / min and a rotation speed of 60 rpm.
  • the drill head 101 rotates at a speed of 6 rpm.
  • the water jets of the high-pressure water jet nozzles 103 and 104 hit first on the gneiss 123 to be crushed, causing cuts and cracks in the pre-treatment area in the rock.
  • the roller bits 117 are moved into the preprocessing area and engage in the cuts and cracks in the respective preprocessing area and remove the gneiss 123. Due to the lateral water drainage of each impinging water jet of the high-pressure water jet nozzles 103 and 104 and the rotational movement 113, the ablated gneiss material is moved outwardly to the scrapers 119 and cleared.
  • Roller bit 117 and integrated water cooling provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf (101) zum Abbau von Gestein (123), insbesondere Hartgestein, im Tunnelbau, wobei der Bohrkopf mindestens ein Abbauwerkzeug (115, 117) aufweist, und der Bohrkopf mindestens eine erste Höchstdruckwasserstrahldüse (103, 104) in einer Bewegungsrichtung (113) des Abbauwerkzeuges örtlich vor dem Abbauwerkzeug und/oder mit einem Wirkbereich vor dem Abbauwerkzeug aufweist, sodass mittels der Höchstdruckwasserstrahldüse eine Vorbearbeitung des Gesteins realisierbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Bohrmaschine und ein Verfahren zum Abbau von Gestein.

Description

Bohrkopf zum Abbau von Gestein, Bohrmaschine und Verfahren zum Abbau von Gestein
[Ol] Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf zum Abbau von Gestein, insbesondere Hartgestein, im Tunnelbau, wobei der Bohrkopf mindestens ein Abbauwerkzeug aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Bohrmaschine und ein Verfahren zum Abbau von Gestein.
[02] Zum Bau von Tunneln werden Tunnel-Bohrmaschinen (auch Tunnel-Vortriebsmaschinen) eingesetzt, bei denen der Bohrkopf jeweils eine Vielzahl von Abbauwerkzeugen wie rotierende Rollenmeißel aufweist. Nachteilig bei bestehenden Bohrköpfen ist der sehr hohe Werkzeugverschleiß von circa 2 - 3cm pro Tag durch Reib- und Druckkräfte auf die Meißel. Dieser bedingt einen aufwändigen und häufigen Ausbau der Meißel und entsprechend lange Stillstandzeiten der Bohrmaschine. Beispielsweise werden für das händische Auswechseln eines einzelnen Meißels drei bis vier Stunden benötigt. Derzeit geht man davon aus, dass ein Viertel der Arbeitszeit einer Bohrmaschine für einen Wechsel der Meißel und Wartungsarbeiten aufgebracht werden muss.
[03] Zudem besteht bei Betrieb eines Bohrkopfes eine hohe Feuer- und Explosionsgefahr, da sich der Bohrkopf auf über 80°C und die Meißel bis zu 300°C während des Betriebes erwärmen .
[04] In der DE 196 12 743 Cl sind Hochdruckdüsen in einer Druckwand hinter einem Schneidrad eines Erddruckschildes angeordnet, um mit einem Druck von 600 bis 800 bar Feinanteile aus dem Gestein (Ortsbrust) auszulösen und mit den gewonnenen Feinanteilen in der Ortsbrust vorhandene Fließwege gegen Wasserverlust zu versiegeln. Um zudem einen permanenten Spüleffekt des Schneidrades zu erzielen, werden die Austrittswinkel der Düsenstrahlen so eingestellt, dass die Strahlrichtung der Düsen der Drehbewegung des Schneidgrades entgegenwirkt.
[05] Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern .
[06] Gelöst wird die Aufgabe durch einen Bohrkopf zum Abbau von Gestein, insbesondere Hartgestein, im Tunnelbau, wobei der Bohrkopf mindestens ein Abbauwerkzeug aufweist, und der Bohrkopf mindestens eine erste Höchstdruckwasserstrahldüse in einer Bewegungsrichtung des Abbauwerkzeuges örtlich vor dem Abbauwerkzeug und/oder mit einem Wirkbereich vor dem Abbauwerkzeug aufweist, sodass mittels der
Höchstdruckwasserstrahldüse eine Vorbearbeitung des Gesteins realisierbar ist.
[07] Somit werden die Höchstdruckwasserstrahldüsen mit ihrer lokalen Position und/oder Ausrichtung
(Auftreffposition der Höchstdruckwasserstrahlen) vor dem Abbauwerkzeug für eine vorgelagerte Bearbeitung und/oder einen vorgelagerten Abbau des Gesteins genutzt. Durch die abbrechende Vorbearbeitung des Gesteins mittels der Höchstdruckwasserstrahldüse wird die Belastung auf das nachfolgende Abbauwerkzeug vermindert, die Lebensdauer des Abbauwerkzeuges dadurch erhöht und die Stillstandzeiten des Bohrkopfes verringert.
[08] Zudem erfolgt gleichzeitig eine Kühlung des Abbauwerkzeuges und durch Vermeidung einer zu starken Erhitzung wird ebenfalls der Verschleiß des Abbauwerkzeuges vermindert. Gleichzeitig wird die Explosions- und/oder Feuergefahr verringert und Kühlwasser eingespart. Folglich kann der erfindungsgemäße Bohrkopf mit erhöhter VorSchubsgeschwindigkeit im Vergleich zu Bohrköpfen nach dem Stand der Technik betrieben werden.
[09] Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass mittels der Höchstdruckwasserstrahldüse das Gestein in seiner kompletten Zusammensetzung vorab gelockert und/oder abgetragen wird, bevor durch das nachfolgende Abbauwerkzeug der weitere mechanische Abtrag des Gesteins erfolgt sowie dass gleichzeitig mittels der Höchstdruckwasserstrahldüse eine Kühlung des Abbauwerkzeuges und des Bohrkopfes realisierbar ist.
[10] Ein „Bohrkopf" ist insbesondere ein Träger, auf dem Abbauwerkzeuge angebracht sind. Insbesondere handelt es sich bei einem Bohrkopf um einen Meißelträger mit rotierenden Rollenmeißeln, wobei der Bohrkopf ausgebrochenes Gestein nach hinten befördert. Ein Bohrkopf weist insbesondere eine Vielzahl von gleichartigen oder unterschiedlichen Abbauwerkzeugen sowie Räumer zum Abtransport des ausgebrochenen Gesteins auf. Ein Bohrkopf weist insbesondere einen Durchmesser von 10cm bis 30m auf. [11] Als „Gestein" wird insbesondere eine feste, natürlich auftretende, in der Regel mikroskopisch heterogene Vereinigung von Mineralen, Gesteinsbruchstücken, Gläsern und/oder Rückständen von Organismen verstanden. Bei Gestein handelt es sich insbesondere um Gesteine der Erdkruste, wie magmatische Gesteine, Sedimentgesteine und/oder metamorphische Gesteine. Das Gestein kann insbesondere aus Festgesteinen und/oder Lockergesteinen bestehen.
[12] Ein „Hartgestein" ist insbesondere ein Festgestein mit sehr schwerer Bearbeitbarkeit . Ein Hartgestein kann insbesondere im üblichen Gebrauch nicht mit einem handelsüblichen Messer geritzt und/oder zerkratzt werden. Ein Hartgestein muss insbesondere mit einem speziellen Hartgesteinwerkzeug bearbeitet werden. Zu den Hartgesteinen zählen insbesondere Granite, Schiefer, Gneise und Basalt.
[13] Der „Tunnelbau" dient insbesondere zur Herstellung eines unterirdischen Hohlraums (Tunnel, Stollen, Schächte, Kavernen, Stromtrassen und ähnliches) für Verkehrsund/oder Versorgungseinrichtungen. Der Tunnelbau kann insbesondere in offener Bauweise bei geringer Bedeckung oder im Untertagebau in geschlossener Bauweise erfolgen. Der Tunnelbau dient insbesondere der Erstellung von langgestreckten, horizontalen und/oder nur wenig geneigt verlaufenden unterirdischen Hohlräumen, wobei der Tunnel insbesondere einen Querschnitt von < Im2 aufweist. Je nach Tunnelart kann der Querschnitt insbesondere auch > Im2, bevorzugt > 10m2 betragen. [14] Ein „Abbauwerkzeug" ist insbesondere ein Werkzeug zum Abbau und/oder Abtrag von Gestein, insbesondere von Hartgestein. Bei einem Abbauwerkzeug kann es sich insbesondere um einen Rollenmeißel, Bohrmeißel, Schneidmeißel und/oder ein andersartiges Bohr- und/oder Abtragswerkzeug handeln. Das Bohrwerkzeug weist insbesondere mehrere bewegliche Rollen auf, wobei durch Andruck der sich drehenden Rollen der Gesteinsabtrag erfolgt. Zum Abtrag von Hartgestein kann das Abbauwerkzeug insbesondere zusätzlich mit Hartmetallstiften (Warzen) besetzt sein.
[15] Eine „Höchstdruckwasserstrahldüse" ist insbesondere eine Düse, welche für höchsten Wasserstrahldruck ausgelegt ist. Durch die Höchstdruckwasserstrahldüse wird insbesondere ein Wasserstrahl unter Höchstdruck geführt, um insbesondere Gestein und/oder Hartgestein zu lockern und/oder abzutragen. Dazu ist die
Höchstdruckwasserstrahldüse insbesondere mit einer Wasserversorgung und einer Hochdruckpumpe verbunden. Durch die Höchstdruckwasserstrahldüse wird insbesondere Wasser ohne Zusatz von flüssigen und/oder gasförmigen Chemikalien zur Verbesserung des Abtrages gefördert (Wasserstrahl) . Im Falle eines erforderlichen hohen Abtrages und/oder sehr beständigen Hartgesteins, kann dem Wasser ein hartes pulverförmiges Material (Abrasivwasserstrahl ) zugesetzt werden. Der hohe Druck des Wasserstrahls, welcher die Höchstdruckwasserstrahldüse verlässt, bewirkt insbesondere einen Gesteins- und/oder Hartgesteinsabtrag. Durch den Höchstdruck können zusätzlich Risse im Gestein und/oder Hartgestein auftreten.
[16] Durch das im Wirkbereich des Wasserstrahls quer abfließende Wasser werden zusätzlich ein seitlicher Gesteinsabtrag sowie eine Kühlung des Abbauwerkzeuges und des Bohrkopfes erzielt. Die Höchstdruckwasserstrahldüse weist insbesondere einen Düsendurchmesser zwischen 0,1 und 10mm, bevorzugt zwischen 0,4mm und 2,0mm auf.
[17] Die Höchstdruckwasserstrahldüse weist insbesondere eine Saphirdüse mit einer V4A-Stahlhülse auf. Die Höchstdruckwasserstrahldüse weist innenliegend ein Innengewinde oder außenliegend ein Außengewinde für den Wasseranschluss auf. Durch die Höchstdruckwasserstrahldüse wird insbesondere ein Wasservolumenstrom von 5 bis 50 L/min gefördert. Die Höchstdruckwasserstrahldüse ist insbesondere drehbar und weist eine Umdrehungsgeschwindigkeit von 1 bis 300 U/min auf. Die Höchstdruckwasserstrahldüse weist insbesondere einen Wasserdruck zwischen 900 bar und 6.000bar auf, wobei dieser Druck insbesondere regelbar ist.
[18] Eine „Bewegungsrichtung" ist insbesondere die Richtung, in welche sich der Bohrkopf und/oder das Abbauwerkzeug bewegt. Bei der Bewegungsrichtung handelt es sich insbesondere um die Drehrichtung des Bohrkopfes.
[19] Unter „örtlich" vor dem Abbauwerkzeug ist zu verstehen, dass die Höchstdruckwasserstrahldüse an einer räumlichen Position vor dem Abbauwerkzeug angeordnet ist, sodass der Wasserstrahl der Höchstdruckwasserstrahldüse auf das Gestein trifft, bevor das Abbauwerkzeug mit diesem Gestein in Kontakt kommt.
[20] Unter einem „Wirkbereich" ist der Bereich des Gesteins zu verstehen, auf den der Wasserstrahl der Höchstdruckwasserstrahldüse direkt oder indirekt trifft und/oder einwirkt. Der Wirkbereich liegt insbesondere vor dem Abbauwerkzeug, sodass zunächst der Wasserstrahl auf das Gestein auftrifft, bevor das Abbauwerkzeug dieses vorbearbeitete Gestein weiter abträgt. Für diesen vorgelagerten Wirkbereich vor dem Abbauwerkzeug muss die Düse nicht zwingend örtlich vor dem Abbauwerkzeug angeordnet sein, sondern kann auch an einer anderen räumlichen Position, beispielsweise neben dem
Abbauwerkzeug, angeordnet sein und seinen Wasserstrahl von dort in den Wirkbereich vor dem Abbauwerkzeug ausrichten.
[21] Eine „Vorbearbeitung" ist insbesondere ein Lockern, Schneiden, Abspülen und/oder Abtragen des Gesteins durch den Wasserstrahl der Höchstdruckwasserstrahldüse bevor ein mechanischer Abtrag durch das Abbauwerkzeug erfolgt.
[22] In einer weiteren Ausführungsform des Bohrkopfes weist der Bohrkopf eine zweite Höchstdruckwasserstrahldüse und/oder eine dritte Höchstdruckwasserstrahldüse und/oder eine vierte Höchstdruckwasserstrahldüse und/oder eine weitere Höchstdruckwasserstrahldüse und/oder ein zweites Abbauwerkzeug und/oder ein drittes Abbauwerkzeug und/oder ein viertes Abbauwerkzeug und/oder ein weiteres Abbauwerkzeug auf. [23] Dadurch kann durch die Anordnung von mehreren Höchstdruckwasserstrahldüsen um ein Abbauwerkzeug der Vorabtrag und/oder die Vorbearbeitung des Gesteins erhöht und somit der Verschleiß des Abbauwerkzeuges weiter erniedrigt werden.
[24] Zudem kann ein Bohrkopf mit einer optimalen Anzahl und Anordnung von Abbauwerkzeugen und Höchstdruckwasserstrahldüsen bereitgestellt werden.
[25] Es ist insbesondere vorteilhaft, bei der Anordnung von zwei oder mehreren Höchstdruckwasserstrahldüsen den definierten Wirkbereich oder mehrere definierte Wirkbereiche festzulegen.
[26] Um eine optimale Vorbearbeitung und einen Vorabtrag des Gesteins zu erzielen, weist oder weisen im Betriebsfall die Höchstdruckwasserstrahldüse oder die
Höchstdruckwasserstrahldüsen jeweils einen Wasserdruck zwischen 900bar und 6.000bar, bevorzugt zwischen l.OOObar und 3.000bar auf.
[27] In einer weiteren Ausführungsform des Bohrkopfes weist die Höchstdruckwasserstrahldüse oder weisen die Höchstdruckwasserstrahldüsen eine Rotationseinrichtung auf, sodass ein Wasserstrahl aus der Höchstdruckwasserstrahldüse oder mehrere Wasserstrahlen aus mehreren
Höchstdruckwasserstrahldüsen definiert führbar ist oder sind .
[28] Somit kann der Wirkbereich einer
Höchstdruckwasserstrahldüse oder mehrerer Höchstdruckwasserstrahldüsen definiert festgelegt und/oder während der Vorbearbeitung verändert und gezielt abgefahren werden. Mittels der Rotationseinrichtung kann insbesondere der Wirkbereich des Wasserstrahls in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Abbauwerkzeuges und/oder der Drehbewegung des Bohrkopfes sowie der entsprechenden Bewegungs- und/oder Drehgeschwindigkeiten angepasst werden.
[29] Es ist besonders vorteilhaft, dass bei der Anordnung von zwei oder mehreren Höchstdruckwasserstrahldüsen bei deren Rotation die wirkenden Drehmomente ausgenutzt und als Düsenantrieb verwendet werden können.
[30] Eine „Rotationseinrichtung" ist insbesondere eine Einrichtung, welche eine Rotation und/oder Drehbewegung einer Höchstdruckwasserstrahldüse oder mehrerer
Höchstdruckwasserstrahldüsen aufprägt. Bei einer
Rotationseinrichtung kann es sich insbesondere um einen Luftumtrieb um die Düse handeln. Die
Höchstdruckwasserstrahldüse kann insbesondere drehbeweglich gelagert oder mit einer Antriebswelle verbunden sein. Mittels der Rotationseinrichtung lässt sich insbesondere jeder Winkel eines 360°-Kreises einstellen und/oder regeln.
[31] Bei einem „Wasserstrahl" handelt es sich insbesondere um einen Wasserstrahl aus einer
Höchstdruckwasserstrahldüse .
[32] Um einen optimalen Eingriff in das Gestein und/oder Abtrag des Gesteins durch das nachfolgende Abbauwerkzeug zu ermöglichen, wird die Höchstdruckwasserstrahldüse oder werden die Höchstdruckwasserstrahldüsen mittels der Rotationseinrichtung derart geführt, dass ein linearer, runder, kreisförmiger, ovaler und/oder tropfenförmiger Vorbearbeitungsbereich im Gestein realisiert ist.
[33] Dadurch kann ein werkzeugabhängiger Vorabtrag und/oder Schnitt im Gestein erfolgen, sodass das in Bewegungsrichtung folgende Abbauwerkzeug insbesondere mit seiner Rolle besser zentriert und/oder mit effizienterer Kraftübertragung in das vorbearbeitete Gestein eingreifen kann .
[34] Es ist besonders vorteilhaft, wenn die
Höchstdruckwasserstrahldüse unter leicht oszillierender Bewegung des Wasserstrahls einen definierten
Vorbearbeitungsbereich einschneidet und/oder abträgt.
[35] Ein „Vorbearbeitungsbereich" ist insbesondere ein Wirkbereich der Höchstdruckwasserstrahldüse im Gestein, bei dem der Wasserstrahl direkt auf das Gestein trifft und dieses in einer definierten Form bearbeitet. Insbesondere ist der Vorbearbeitungsbereich in Gestein so in seiner Form und/oder Tiefe ausgeführt, dass das nachfolgende Abbauwerkzeug optimal in diese Form im Gestein eingreifen und das Gestein weiter abbrechen und abtragen kann.
[36] In einer weiteren Ausführungsform des Bohrkopfes weist die Höchstdruckwasserstrahldüse oder weisen die Höchstdruckwasserstrahldüsen eine Abstandseinstelleinrichtung auf, sodass ein Abstand der
Höchstdruckwasserstrahldüse oder der
Höchstdruckwasserstrahldüsen zum Gestein einstellbar ist. [37] Dadurch kann der Wasserstrahl im optimalen Abstand und somit mit optimalem Druck gegen das Gestein aufgebracht sowie ein optimaler Wasserablauf erreicht werden. Ein typischer Wert für den Abstand sind 10cm.
[38] Um die Höchstdruckwasserstrahldüse angepasst an die
Gesteinsart und/oder -härte zu betreiben, weist der Bohrkopf einen Sensor zur Gesteinserkennung auf.
[39] Somit kann je nach vorliegendem Gestein der Wasserdruck, der Wirkbereich und/oder der
Vorbearbeitungsbereich sowie der Abstand eingestellt und/oder geregelt werden.
[40] Ein „Sensor" ist insbesondere ein Detektor (Messaufnehmer und/oder -fühler), welcher bestimmte physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Gesteins erfasst. Ein Sensor zur Gesteinserkennung erfasst insbesondere die Farbe, Textur und/oder Härte eines Gesteins. Mittels eines Sensors zur Gesteinserkennung kann insbesondere zwischen Weich- und Hartgesteinen unterschieden werden. Ein Sensor zur Gesteinserkennung nutzt beispielweise UV-, Nahinfrarot- und/oder laserinduz ierte Fluores zenz Spektroskopie .
[41] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Bohrmaschine zum Abbau von Gestein, insbesondere Hartgestein, im Tunnelbau, wobei die Bohrmaschine einen zuvor beschriebenen Bohrkopf aufweist.
[42] Somit kann eine Bohrmaschine mit einem geringen Verschleiß der Abbauwerkzeuge, geringen Stillstandzeiten, geringen Werkzeugwechseln und Ausbauzeiten und folglich längeren Betriebs zeiten der Bohrmaschine bereitgestellt werden. Zudem weist die Bohrmaschine durch die Höchstdruckwasserstrahldüse oder Höchstdruckwasserstrahldüsen bereits eine integrierte Kühlung der Abbauwerkzeuge und des Bohrkopfes auf, sodass Kühlwasser eingespart und gleichzeitig die Explosions- und Feuergefahr vermindert wird.
[43] Eine „Bohrmaschine" ist insbesondere eine
Tunnelbohrmaschine oder Tunnelvortriebsmaschine, welche zum Bau von Tunneln eingesetzt wird. Eine Bohrmaschine weist insbesondere einen Bohrkopf und/oder Abbauschild mit Werkzeugen, Vorschub- und Verspanneinrichtungen, Abstützt- und Ausbausysteme, Einrichtungen zum Materialabtransport, eine Versorgungseinheit für Strom, Druckluft und Wasser sowie Transporteinrichtungen für das abgetragene Material auf .
[44] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Abbau von Gestein, insbesondere Hartgestein, im Tunnelbau mittels eines zuvor beschriebenen Bohrkopfes oder einer zuvor beschriebenen Bohrmaschine mit folgenden Schritten:
- Vortreiben und/oder Drehen des Bohrkopfes,
- Einbringen eines Schnittes in das Gestein mittels einer Höchstdruckwasserstrahldüse örtlich vor einem Abbauwerkzeug, - Eingreifen des Abbauwerkzeuges in den Schnitt und Abbau des Gesteins und/oder
- Räumen des abgebauten Gesteins.
[45] Somit wird ein Verfahren zum Abbau von Gestein, insbesondere Hartgestein, im Tunnelbau bereitgestellt, bei dem aufgrund geringen Werkzeugverschleißes eine hohe Ausnutzung und lange Arbeitszeiten des Bohrkopfs und/oder der Bohrmaschine erfolgen.
[46] Dadurch, dass das Abbauwerkzeug spezifisch in den zuvor eingebrachten Schnitt des Wasserstrahls der Höchstdruckwasserstrahldüse in das Gestein eingreift, erfolgt ein kosten- und krafteffizienter Abbau des Gesteins .
[47] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine stark schematische Darstellung einer
Höchstdruckwasserstrahldüse ,
Figur 2 eine stark schematische Darstellung eines
Bohrkopfes mit Höchstdruckwasserstrahl- düsen, Rollenmeißeln, Räumern und
Erkennungssensoren, und
Figur 3 alternative Schnitttormen einer
Höchstdruckwasserstrahldüse in ein Gneis.
[48] Eine Höchstdruckwasserstrahldüse 103 weist eine V4A- Stahldüse 107 und eine innenliegende Saphirdüse 105 auf. An der V4A-Stahlhülse 107 ist innenliegend ein Innengewinde 109 angeordnet. Über das Innengewinde 109 wird die Höchstdruckwasserstrahldüse mittels einer nicht gezeigten Rohrverbindung mit einer nicht gezeigten Hochdruckpumpe verbunden. Auf der dem Innengewinde 109 gegenüberliegenden Seite der V4A-Stahlhülse 107 tritt im Betrieb der Wasserstrahl aus der Höchstdruckwasserstrahldüse 103 aus.
[49] Ein Bohrkopf 101 mit einem Durchmesser von 10m weist drei zentrale Rollenmeißel 115, 16 Rollenmeißel 117, 16 Höchstdruckwasserstrahldüsen 103, vier seitliche
Höchstdruckwasserstrahldüsen 104, zwei Erkennungssensoren 121 und acht Räumer 119 auf.
[50] Der Bohrkopf 101 rotiert in einer Drehrichtung 113. Die Höchstdruckwasserstrahldüsen 103 sind in Drehrichtung 113 räumlich vor dem Rollenmeißel 117 angeordnet. Die seitlichen Höchstdruckwasserstrahldüsen 104 sind zusätzlich bei zwei Rollenmeißeln 117 seitlich beidseitig gegenüberliegend angeordnet. Die Höchstdruckwasserstrahldüsen 103 und die seitlichen Höchstdruckwasserstrahldüsen 104 sind aufgrund eines nicht gezeigten Luftumtriebes vollständig drehbar. Ein Wirkbereich der seitlichen Höchstdruckwasserstrahldüsen 104 ist aufgrund des nicht gezeigten Luftumtriebes ebenfalls auf den räumlichen Bereich in Drehrichtung 113 vor den jeweiligen Rollenmeißeln 117 gerichtet.
[51] Folgende Arbeitsvorgänge werden mit dem Bohrkopf realisiert : [52] Die Erkennungssensoren 121 erfassen mittels laserinduz ierter Fluoreszenz das abzutragende Gestein und erkennen dieses als Gneis.
[53] Mittels einer nicht gezeigten Abstandsmess- und Einsteilvorrichtung wird der mittlere Abstand der Höchstdruckwasserstrahldüsen 103 und 104 auf 10cm zum zu brechenden Gneis 123 eingestellt.
[54] Anschließend werden die Höchstdruckwasserstrahldüsen 103 und 104 auf jeweils einen Wasserdruck von l.OOObar, einen Durchflussvolumenstrom von jeweils 25 L/min und eine Rotationsgeschwindigkeit von 60 U/min eingestellt.
[55] Unter leichtem Vortrieb dreht der Bohrkopf 101 mit einer Drehgeschwindigkeit von 6 U/min. Hierbei treffen die Wasserstrahlen der Höchstdruckwasserstrahldüsen 103 und 104 als erste auf den zu brechenden Gneis 123 und bewirken Schnitte und Risse im Vorbearbeitungsbereich im Gestein. Durch die weitere Drehbewegung 113 und den Vortrieb des Bohrkopfes 101 werden die Rollenmeißel 117 in den Vorbearbeitungsbereich bewegt und greifen in die Schnitte und Risse des jeweiligen Vorbearbeitungsbereiches ein und tragen den Gneis 123 ab. Aufgrund des seitlichen Wasserabflusses von jedem auftreffenden Wasserstrahl der Höchstdruckwasserstrahldüsen 103 und 104 und der Drehbewegung 113 wird das abgetragene Gneismaterial nach außen zu den Räumern 119 bewegt und geräumt.
[56] Durch den seitlichen Wasserabfluss werden gleichzeitig die Rollenmeißel 117 und der Bohrkopf 101 gekühlt. [57] In Abhängigkeit von der Drehrichtung 113 des Bohrkopfes 101 und dessen Drehgeschwindigkeit, sowie einem Oszillieren und dem Rotieren der
Höchstdruckwasserstrahldüsen 103, 104 aufgrund des Luftumtriebes sind in den Vorbearbeitungsbereich alternativ ein linearer Schnitt 125, ein Punktschnitt 127, ein ovaler Schnitt 129 oder ein Pendeloque-Schnitt 131 in den Gneis eingebracht .
[58] Somit wird ein Bohrkopf 101 mit hoher Vortriebsgeschwindigkeit, geringem Verschleiß der
Rollenmeißel 117 und integrierter Wasserkühlung bereitgestellt .
Bezugs zeichenliste
101 Bohrkopf
103 Höchstdruckwasserstrahldüse
104 seitliche Höchstdruckwasserstrahldüse
105 Saphirdüse
107 V4A-Stahlhülse
109 Innengewinde
113 Drehrichtung des Bohrkopfes
115 Zentraler Rollenmeißel
117 Rollenmeißel
119 Räumer
121 Erkennungssensor
123 Gneis
125 linearer Schnitt
127 Punktschnitt
129 Ovaler Schnitt
131 Pendeloque-Schnitt

Claims

Patentansprüche :
1. Bohrkopf (101) zum Abbau von Gestein (123), insbesondere Hartgestein, im Tunnelbau, wobei der Bohrkopf mindestens ein Abbauwerkzeug (115, 117) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf mindestens eine erste Höchstdruckwasserstrahldüse (103, 104) in einer Bewegungsrichtung (113) des Abbauwerkzeuges örtlich vor dem Abbauwerkzeug und/oder mit einem Wirkbereich vor dem Abbauwerkzeug aufweist, sodass mittels der Höchstdruckwasserstrahldüse eine Vorbearbeitung des Gesteins realisierbar ist.
2. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf eine zweite Höchstdruckwasserstrahldüse und/oder eine dritte Höchstdruckwasserstrahldüse und/oder eine vierte Höchstdruckwasserstrahldüse und/oder eine weitere Höchstdruckwasserstrahldüse und/oder ein zweites Abbauwerkzeug und/oder ein drittes Abbauwerkzeug und/oder ein viertes Abbauwerkzeug und/oder ein weiteres Abbauwerkzeug aufweist.
3. Bohrkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebsfall die Höchstdruckwasserstrahldüse oder die Höchstdruckwasserstrahldüsen jeweils einen
Wasserdruck zwischen 900bar und 6.000bar, bevorzugt zwischen l.OOObar und 3.000bar aufweist oder aufweisen.
4. Bohrkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höchstdruckwasserstrahldüse oder die Höchstdruckwasserstrahldüsen eine Rotationseinrichtung aufweist oder aufweisen, sodass ein Wasserstrahl aus der Höchstdruckwasserstrahldüse oder mehrere Wasserstrahlen aus den Höchstdruckwasserstrahldüsen definiert führbar ist oder sind .
5. Bohrkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höchstdruckwasserstrahldüse oder die
Höchstdruckwasserstrahldüsen mittels der
Rotationseinrichtung derart geführt wird oder werden, dass ein linearer (125), runder, kreisförmiger (127), ovaler (129) und/oder tropfenförmiger (131)
Vorbearbeitungsbereich im Gestein realisiert ist.
Bohrkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höchstdruckwasserstrahldüse oder die Höchstdruckwasserstrahldüsen eine Abstandseinstelleinrichtung aufweist oder aufweisen, sodass ein Abstand der Höchstdruckwasserstrahldüse oder der Höchstdruckwasserstrahldüsen zum Gestein einstellbar ist.
Bohrkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf einen Sensor zur Gesteinserkennung aufweist.
Bohrmaschine zum Abbau von Gestein, insbesondere Hartgestein, im Tunnelbau gekennzeichnet durch einen Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Abbau von Gestein, insbesondere Hartgestein, im Tunnelbau mittel eines Bohrkopfes nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder einer Bohrmaschine nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Schritte
- Vortreiben und/oder Drehen des Bohrkopfes,
- Einbringen eines Schnittes in das Gestein mittels einer Höchstdruckwasserstrahldüse örtlich vor einem Abbauwerkzeuges ,
- Eingreifen des Abbauwerkzeuges in den Schnitt und Abbauen des Gesteins und/oder
- Räumen des abgebauten Gesteins.
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