DE10101708B4

DE10101708B4 - Verfahren zum Felsmeißeln

Info

Publication number: DE10101708B4
Application number: DE10101708A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Püttmann
Original assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2001-01-15
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2021-01-16
Also published as: WO2002055830A2; DE10101708A1; US20040099442A1; EP1354119B1; DE50208535D1; WO2002055830A3; EP1354119A2

Abstract

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 Kreisflächenabschnitt 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 β gedreht wird und in dem entsprechenden neuen Kreisflächenabschnitt der Ortsbrust (8) wiederum durch Schlagimpulse über den Bohrkopf (4) und die Meißelspitze (10) Gesteinsstücke aus der Ortsbrust (8) herausgebrochen werden, wobei die Schritte des Schlagens und des Drehens in einem getakteten Wechsel erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufmeißeln von Gestein oder Fels, insbesondere zum Erzeugen einer Felsbohrung für leichte bis mittlere Felsformationen.

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, asymmetrische Hartgesteinsbohrköpfe mit sog. Doppelkeilbohrgestänge eingesetzt. Die höhenasymmetrischen Flügelschneiden der dabei verwendeten Bohrköpfe 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 Bohrvorgang erforderlich.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Gesteins- oder Felsbohren zu schaffen, mit dem ein kostengünstiges und leistungsfähiges Gesteins- oder Felsbohren möglich ist.

Die Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. 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 – Schlagimpulse 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.B. 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.

Das erfindungsgemäße Verfahren 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. Gleichzeitig ist es vorteilhaft, eine variable Schubkraft über ein Gestänge auf den Bohrkopf aufzubringen.

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:
1 eine Darstellung der Ortsbrust mit darin liegendem Bohrkopf in drei Bohrschritten und
2 eine Detailansicht des Bohrkopfes der 1.
Eine für das erfindungsgemäße Verfahren verwendbare 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 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.
Im 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 (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 β 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

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 Kreisflächenabschnitt 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 β gedreht wird und in dem entsprechenden neuen Kreisflächenabschnitt der Ortsbrust (8) wiederum durch Schlagimpulse über den Bohrkopf (4) und die Meißelspitze (10) Gesteinsstücke aus der Ortsbrust (8) herausgebrochen werden, wobei die Schritte des Schlagens und des Drehens in einem getakteten Wechsel erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (4) zum Erreichen des neuen Kreisflächenabschnitts entgegen der Vortriebsrichtung zurückbewegt wird.
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.
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.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anpressdruck variabel ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf um einen Winkel β gedreht wird, der 0° bis 90° beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf um einen Winkel β gedreht wird, der 360° beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Bohrvorrichtung mit einem eine asymmetrische Geometrie aufweisenden Bohrkopf (4).
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Bohrkopfs (4) mit einer beweglichen Meißelspitze (10).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch die bewegliche Meißelspitze (10) in Lenkrichtung ein Schlagimpuls auf die Ortsbrust ausgeübt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meißelspitze (10) verwendet wird, die eine Achse mit einen Winkel α in Bezug auf das Bohrgerät aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkel α = 0 bis 20° ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Bohrkopfs mit einer asymmetrischen Düsenanordnung.