DE3011449A1

DE3011449A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines vertikalen oder geneigten bohrloches

Info

Publication number: DE3011449A1
Application number: DE19803011449
Authority: DE
Inventors: Georg Hurtz; Willi 5140 Erkelenz Steufmehl
Original assignee: Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH
Current assignee: Mhwirth GmbH
Priority date: 1980-03-25
Filing date: 1980-03-25
Publication date: 1981-10-01
Also published as: DE3011449C2; ZA811680B; US4396072A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines vertikalen oder geneigten Bohrloches

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines vertikalen oder geneigten Bohrloches in einem Gebirge, einer Lagerstätte od.dgl. durch von unten nach oben erfolgende Vollprofil-Bohrung von einer Strecke, Startkammer od.dgl. aus unter Verwendung eines drehbaren und vorschiebbaren Bohrwerkzeuges und eines zu diesem führenden Gestängestranges.

Es besteht vielfach der Wunsch oder die Notwendigkeit, von einem Ausgangsraum aus nach oben ins Volle hinein zu bohren, z.H. weil es die örtlichen Verhältnisse oder betriebsbedingte Forderungen nicht zulassen, ein Bohrloch von oben nach unten niederzubringen oder zunächst ein bis zum Ziel gehendes Pilotloch herzustellen, das dann erweitert werden könnte. Das

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Herstellen einer Vollbohrung von unten nach oben bringt nun aber große Schwierigkeiten mit sich und stellt Probleme sowohl hinsichtlich des Arbeitsverfahrens als auch bezüglich der Bohrausrüstung.

Es ist bekannt, am oberen Ende eines sich nicht drehenden Gestängestranges einen Bohrkopf vorzusehen, dem unmittelbar ein elektrischer Drehantrieb zugeordnet ist. Weil dieser Antriebsmotor im Bohrloch arbeitet und sich mit dem Bohrkopf bewegt, muß von der Startkammer aus eine durch das Bohrloch zum Bohrkopf führende elektrische Energiezuleitung vorgesehen werden. Dies bedeutet, daß sich mit dem Antriebsmotor und seiner Versorgung hochwertige und empfindliche Teile im Bohrloch befinden. Muß ein Bohrloch infolge Gestängebruches, hereinfallenden Gebirges oder sonstige Einflüsse aufgegeben werden, so geht dann nicht nur der Bohrkopf allein, sondern mit ihm auch der wertvolle Antrieb verloren. Die Vorschubbewegung wird bei einer solchen Vorrichtung in der Startkammer erzeugt und muß durch den Gestängestrang auf den Bohrkopf übertragen werden. Das Gestänge wird also mit der gesamten Vorschubkraft belastet und dadurch in hohem Maße auf Knickung beansprucht. Dies bedingt ein schweres Gestänge und außerdem die Verwendung einer größeren Zahl von Stabilisatoren.

Weiterhin ist es bekannt, in der Startkammer sowohl die Vorschubbewegung als auch das Drehmoment für den Bohrkopf zu erzeugen. Dazu ist ein anheb&arer Drehtisch vorgesehen. Beide

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Bewegungen müssen dann mittels des Gestängestranges zum Bohrkopf geleitet werden. Das Bohrgestänge wird somit nicht nur auf Knickung, sondern zugleich auch auf Verdrehung beansprucht. Wegen der Rotation bei gleichzeitiger Druckbelastung ergibt sich hierbei eine Wechselbiegebeanspruchung.

Aufgabe der Erfindung ist es, bestehende Schwierigkeiten, Nachteile und Unzulänglichkeiten zu überwinden und einen Weg zum günstigen Herstellen eines vertikalen oder geneigten Bohrloches durch Vollbohren von unten nach oben aufzuzeigen. Auch soll mit der Erfindung eine vorteilhafte Vorrichtung zum Herstellen einer solchen Bohrung geschaffen werden. Die Erfindung strebt weiterhin an, eine solche Vorrichtung in ihren Einzelheiten besonders zweckmäßig auszubilden. Weitere Probleme, mit denen sich die Erfindung befaßt, ergeben sich aus der jeweiligen Erläuterung der beschriebenen Lösung.

Die Erfindung sieht vor, daß das Bohrwerkzeug mit dem Gestängestrang im Bereich des oberen Endes des letzteren einer Kraft in Vorschubrichtung unterworfen wird, daß zumindest ein Teil der Reaktion dieser Kraft in ein im Bohrloch lösbar festlegbares Widerlager eingeleitet wird und daß das Antriebsdrehmoment für das Bohrwerkzeug in der Startkammer erzeugt und von dort mechanisch zum Bohrwerkzeug geleitet wird.

Bei diesem Verfahren werden im Bohrloch keine kostspieligen und empfindlichen Motoren für den Drehantrieb des Bohrwerk-

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zeuges benötigt, und es wird andererseits die axiale Belastung des Gestangestränges vermindert/ so daß keine Gefahr eines Knickens besteht und auch der Einsatz von Stabilisatoren verringert werden kann oder sogar überflüssig wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein zumindest weitgehend normales Schraubgestänge verwendet werden kann, das sich einfach handhaben läßt. Das Gestänge kann im übrigen verhältnismäßig leicht sein und auch im. Durchmesser relativ klein gehalten werden.

Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß der Bewegungs- und/oder Belastungszustand des Gestängestranges wenigstens zeitweise durch Krafteinwirkung auf sein unteres Ende beeinflußt wird. Dies kann in vielfältiger Weise je nach den Anforderungen geschehen und schließt das Aufbringen von Kräften in Richtung des Gestängestranges sowohl nach oben als auch nach unten ein, ebenso wie das Festhalten des unteren Endes des Gestängestranges, wenn auf diesen an anderer Stelle Kräfte einwirken oder wenn derselbe in Ruhe bleiben soll. Dadurch lassen sich in Verbindung mit auf das obere Ende des Gestängestranges ausgeübten oder von außen her zur Einwirkung gelangenden Kräften auch bei unterschiedlichsten Einsatzfällen günstige Arbeitsbedingungen und Beanspruchungsverhältnisse erreichen.

Insbesondere wird, namentlich beim Bohren, auf das untere Ende des Gestängestranges eine nach oben gerichtete Kraft aus-

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geübt, deren Größe einem Teil der vom Gewicht des Gestängestranges und sich mit ihm bewegender Teile hervorgerufenen, nach unten gerichteten Kraft entspricht, während der übrige Teil der letztgenannten Kraft durch die auf das obere Ende des Gestängestranges ausgeübte Kraft ausgegleichen wird. Es kann z.B. ein Anteil von 2/3 oder 3/4 des Gewichts des Gestängestranges mit Bohrwerkzeug und zugehörigen Teilen unten und der verbleibende Anteil oben aufgenommen werden, wodurch der Gestängestrang unter einer Zugbelastung oder Vorspannung von gewünschter Größe gehalten werden kann, was in vielen Fällen besonders günstig ist.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens sieht die Erfindung vor, daß die lösbare Festlegung des Widerlagers und die Aufbringung der auf den Gestängestrang im Bereich seines oberen Endes wirkenden Kraft in Vorschubrichtung gemeinsam durch ein von der Startkammer aus über einen einzigen Weg zugeleitetes Medium durchgeführt wird. Dies hat u.a. den Vorteil der Einfachheit und bietet zugleich weitere Möglichkeiten für ein günstiges Arbeiten.

Es kann zweckmäßig sein, das Widerlager dann zu lösen, wenn die Drehung des Bohrwerkzeuges beendet oder unterbrochen wird.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zum Vollprofil-Bohren von unten nach, oben weist eine in einer Strecke, Startkammer od.dgl.

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anzuordnende Grundeinheit, einen Bohrkopf od.dgl., einen Drehantrieb für den Bohrkopf, eine Einrichtung zur Erzeugung einer Kraft in Vorschubrichtung und ein aus mehreren Teilen zusammensetzbares Gestänge zwischen dem Bohrkopf und der Grundeinheit auf und kennzeichnet sich gemäß der Erfindung durch einen mit einem Lagergehäuse für den Bohrkopf verbundenen Tragkörper, durch den ein Element hindurchgeht, das zur Drehmomentübertragung von dem duroh einen der Grundeinheit zugeordneten Antrieb drehbaren Gestänge auf den Bohrkopf bestimmt ist, durch einen relat.lv zum Tragkörper undrehbar, aber axial verschiebbar geführten Schlitten, eine am Schlitten angeordnete Verspannvorrichtung mit durch ein Druckmittel betätigbaren, zur Anlage an der Bohrlochwand bringbaren Schilden od.dgl. und durch einerseits mit dem Bohrkopf-Lagergehäuse und andererseits mit dem Schlitten verbundene, beidseitig druckmittelbeaufschlagbare Kolben enthaltende Vorschubzylinder.

Die in Verbindung mit der Erläuterung des Verfahrens angegebenen Vorteile gelten sinngemäß auch für eine solche Vorrichtung und ihre Ausgestaltungen, wobei auch noch andere günstige Besonderheiten gegeben sind.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung können z.B. im Bergbau, im Tunnelbau und in weiteren Fällen mit Vorteil eingesetzt werden, in denen jeweils vertikale oder geneigte Bohrlöcher herzustellen sind.

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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergehen sich aus der nachstehenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen, aus der zugehörigen Zeichnung und aus den Ansprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Aufstellposition in Ansicht,

Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1 in einer Arbeitspositon,

Fig. 3 und 4 den im Bohrloch arbeitenden Teil der Vorrichtung in teilweise prinzipieller Darstellung z.T. im Schnitt, in zwei verschiedenen Stellungen der Vorschubvorrichtung und

Fig. 5 und 6 ein Druckmittelschaltbild der Vorrichtung mit schematisch. eingezeichneten wichtigen Teilen zur Veranschaulichung verschiedener Betriebszustände.

Die dargestellte Vorrichtung weist im wesentlichen eine unter Tage in einer Strecke, einer Startkamraer od.dgl. aufstellbare Grundeinheit 1, einen das Bohrloch B herstellenden Vortriebsteil 2 mit Bohrkopf 3 und ein den Vortriebsteil 2 mit der Grundeinheit 1 verbindendes Gestänge 4 (Fig. 2, 5, 6) auf. Das letztere besteht aus einzelnen Gestängeteilen 4a (Fig.2), insbesondere Rohren, die mittels Gewinden an den Enden ähnlich wie bei einem Tiefbohrgestänge miteinander verschraubt sind oder auch auf andere Weise lösbar verbunden sein können. Das Innere des Gestänges 4 bildet einen durchgehenden Hohlraum als Leitungsweg für ein Druckmittel, das zur Versorgung

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von Elementen des Vortriebsteiles 2 dient und über eine in der Grundeinheit 1 vorgesehene Drehdurchführung an sich bekannter Art in das Gestänge 4 eingeleitet wird. Das Druckmittel wird von einer in Fig. 1 und 2 nicht dargestellten Druckini ttelquelle, namentlich einer Pumpe, geliefert und über einen Schlauch 5 od.dgl. (Fig. 1) zugeführt. Auch sonstige Betriebs- und Energieversorgungsaggregate sind in den Fig. 1 und 2 nicht besonders wiedergegeben. Sie können ebenso.wie ein Bedienungsstand neben oder in der Nähe der Grundeinheit in der Startkammer aufgestellt sein. Die Gestängeteile 4a sind an ihren Enden jeweils mit Vierkantflächen 4b versehen (Fig. 2), an denen im Kopfteil 6 der Grundeinheit 1 eingebaute Organe einer nach bekanntem Prinzip arbeitenden Vorrichtung zum Abfangen, Brechen und Nachsetzen bzw. Ausbauen einzelner Gestängeteile angreifen, wenn das Gestänge 4 je nach dem Bohrfortschritt verlängert oder am Ende der Bohrarbeit ausgebaut werden soll. Je nach Bedarf können ein oder mehrere Gestängeteile 4a mit einem eine Drehlagerung und Abstützarme od.dgl. aufweisenden Stabilisator 7 ausgerüstet werden, wie er in Fig. 2 angedeutet ist. Soll außer dem Betriebsmedium für Elemente.des Vortriebsteiles 2 noch ein weiteres Medium in den Bereich des Vortriebsteiles oder zur Bohrstelle geleitet werden, etwa zu Kühlzwecken, zur Spülung, zum Staubniederschlag od.dgl., so kann ein Doppelwandgestänge oder auch ein Gestänge mit mehr als zwei Leitungswegen eingesetzt werden.

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Die z.B. als Rahmenkonstruktion ausgebildete Grundeinheit 1 weist einen an Säulen 8 geführten Hubschlitten 9 auf, an dem sich zwei oder vier vorzugsweise in ihrer Drehzahl veränderbare und ggfs. in der Drehrichtung umkehrbare Antriebsmotoren 10, insbesondere Hydraulikmotoren, befinden, die ihr Drehmoment z.B. über Zahnräder auf einen zentralen Antriebsteil übertragen, der das untere Ende des Gestangestranges 4 formschlüssig aufnimmt bzw. ein Kupplungsstück für das jeweils unterste Gestängeteil aufweist oder bildet, derart, daß das Gestänge 4 von den Motoren 10 mit den jeweils gewünschten Werten drehend angetrieben werden kann.

Mit dem Hubschlitten 9 sind zwei Stützzylinder 11 fest verbunden, wobei die Kolbenstange 12a der darin verschiebbaren, beidseitig über in Fig. 1 und 2 nicht dargestellte Leitungen mit Druckmittel beaufschlagbaren Kolben 12 an unteren Rahmenteilen 13 der Grundeinheit gelenkig befestigt sind. In den Fig. 5 und 6 ist eine umgekehrte Anbringung dargestellt. Mittels dieser Stützzylinder 3 3 kann somit der Hubschlitten 9 und dadurch das von ihm aus nach oben gehende Gestänge 4 beim Bohren, beim Nachsetzen von Gestängeteilen, beim Ausbau des Gestänges und in anderen Fällen auf oder ab bewegt bzw. mit einer gewünschten Kraft In der einen oder anderen Richtung belastet werden oder auch feststehend gehalten werden.

Die Grundeinheit 3 kann vertikal oder aber in einem Winkel gegenüber der Vertikalen aufgestellt werden. Letzteres veran-

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schaulichen die Fig. 1 und 2, wobei die Schrägstellung durch gelenkig mit einer Grundplatte 14 angreifende Gewindespindeln 15 eingestellt und gehalten werden kann, in die an unteren Rahmenteilen 13 gelenkig angebrachte Muttern 16 eingreifen. Mit der Ziffer 17 ist eine Achse bzw. eine Zapfenlagerung bezeichnet, um die die Grundeinheit bzw. die gesamte Vorrichtung geschwenkt werden kann. Als Hilfsmittel zum Aufstellen der Vorrichtung kann ein3 Erektor-Einrichtung 18 (Fig. 1) dienen, die an der Achse 17 der Grundeinheit anlenkbar ist und eine Auflagerung 19 für den Vortriebsteil und einen oder mehrere Aufrichtezylinder 20 aufweist.

Der Bohrkopf 3 des Vortriebsteiles 2 kann in einer dem jeweiligen Einsatzfall entsprechenden Weise ausgebildet und mit geeigneten Werkzeugen versehen sein, insbesondere mit Rollenmeißeln, Disken- oder Warzenrollen od.dgl. Am Bohrkopf oder zusätzlich zu diesem kann auch ein vorspringender Teil oder eine Verlängerung mit Werkzeug zum Herstellen einer kleineren voreilenden Bohrung vorhanden sein. Mit der Ziffer 21 ist ein die Drehlagerung des Bohrkopfes 3 enthaltendes, sich also nicht drehendes Lagergehäuse bezeichnet. Mit diesem ist ein Tragkörper 22 (vgl. besonders Fig. 3 und 4) starr verbunden, der außenseitig als Mehrkant, z.B. Vierkant, ausgebildet ist und durch dessen Inneres ein die Fortsetzung des Gestängestranges 4 bildendes: Rohr oder eine Hohlwelle 24 hindurchgeht, die mit dem Bohrkopf 3 verbunden ist und an ihrem unteren Ende einen konischen Gewindeteil 23 zum Verschrauben mit einem

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sich, anschließenden, entsprechend ausgebildeten Gestängeteil 4a aufweist. Der Tragkörper 22 endet in einem Gehäuse 25, das eine Drehdurchführung für Druckmittel sowie zu einem Druckmittelsystem gehörende Teile enthalten kann, etwa die in Fig. 5 innerhalb des mit strichpunktierten Linien D umgrenzten Bereiches dargestellten Elemente.

Auf dem Tragkörper 22 ist ein Schlitten 26 verschiebbar, dessen Gehäuse 27 den Mehrkantteil des Tragkörpers 22 umgibt und seiner Form angepaßt ist. Mit der Ziffer 28 sind zwei beiderseits der Mittelachse M der Vorrichtung angeordnete Vorschubzylinder bezeichnet (in Fig. 3 und 4 ist jeweils nur einer dargestellt), deren untere Enden am Schlitten 26 angelenkt sind, während die oberen Enden der Kolbenstangen 29a der darin verschiebbaren Kolben 29 am Lagergehäuse 21 angelenkt sind. Zu den Ringräumen 28R der Vorschubzylinder 28 führt eine Druckmittelleitung 32 und zu den Vollräumen 28y eine Druckmittelleitung 31.

Der Schlitten 26 ist ferner mit einer Verspannvorrichtung 40 ausgerüstet, die z.B. vier an die Bohrlochwand W anpreßbare und von dieser zurückziehbare Schilde 41 aufweist. Wie Fig. 3 und 4 sowie auch Fig. 5 und 6 erkennen lassen, sind jedem Schild 41 zwei Spannzylinder 42 mit Kolben 43 zugeordnet, deren Kolbenstangen 43a die Spannschilde 41 tragen. Die Zylinder 42 enthalten Druckfedern 44, die auf die Ringflächen der Kolben 43 wirken und somit die Kolben mit den Spannschilden

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radial einwärts zu drücken suchen. Die Vollflächen der Kolben sind über Leitungen 45 mit Druckmittel beaufschlagbar, um die Spannschilde 41 entgegen der Kraft der Federn 44 nach außen zu bewegen. In verspanntem Zustand bildet die Vorrichtung 40 mit dem Schlitten 26 ein Widerlager für die Vorschubzylinder 28.

Die Ausbildung ist so getroffen, daß der Schlitten 26 und der Tragkörper 22 relativ zueinander aus der Position nach Fig. 3 in diejenige nach Fig. 4 bewegt werden können, was insbesondere bei an die Bohrlochwand W angepreßten Schilden 41 einem Bohrhub unter Vorschubkraft entspricht, während die Bewegung aus der Position nach Fig. 4 in diejenige nach. Fig. 3 bei an seiner Stelle verbleibendem Bohrkopf 3 und gelösten Spannschilden 41 ein Nachholen der Verspannvorrichtung ergibt.

Die Betätigung der Vorschubzylinder 28 und der Spannzylinder der Verspannvorrichtung 40 kann durch gesonderte Druckmittelzuleitungen bzw. -systeme erfolgen, wobei an der Grundeinheit 1 oder an einem dieser benachbarten Steuerstand geeignete Schalt- und/oder Steuerelemente vorgesehen sind. Besonders vorteilhaft wird jedoch für die Vorschubzylinder 28 und für die Verspannvorrichtung 40 ein aus einer gemeinsamen Versorgungsleitung zu speisendes Druckraittelsystem vorgesehen. Eine zweckmäßige Ausführung eines solchen ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Das verwendete Druckmittel ist dabei vorzugsweise Wasser oder eine Flüssigkeit auf der Basis von Wasser.

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Das System enthält eine von einem Motor 34 antreibbare Hauptpumpe 33, die das Wasser aus einem Tank 35 in die gemeinsame Versorgungsleitung 30 fördert. Ein großer Teil dieser Leitung wird von dem inneren Hohlraum des Gestänges 4 gebildet. In dem Schema der Fig. 5 und 6 ist lediglich der Übersichtlichkeit wegen die Leitung 30 getrennt von dem angedeuteten . Gestänge 4 gezeichnet. Der gewünschte Wasserdruck kann an einem zugleich ein Sicherheitsventil für die Pumpe 33 bildenden Ventil 36 eingestellt werden. Die genannten Elemente befinden sich z.B. in einem der Grundeinheit 1 zugeordneten Betriebsund Versorgungsaggregat. In der Leitung 30 ist wenigstens ein Rückschlagventil 37 angeordnet. Vorteilhaft weist jeder Gestängeteil 4a ein solches Rückschlagventil 37 auf.

In demjenigen Zweig des Systems, der die zu den Vorschubzylindern 28 führenden Leitungen 31 und 32 enthält, ist ein Umschaltventil 50 als Wegeventil vorgesehen, mittels dessen die Ringräume 28R der Vorschubzylinder 28 oder die Vollräume 28V derselben an die Versorgungsleitung 30 anschließbar sind, während die jeweils anderen Räume 28V bzw. 28R zu einem Ablauf 38 (sei es zu einem Auffangbehälter, sei es unmittelbar in das Bohrloch) freigebbar sind, wobei zweckmäßig noch ein auf geringe Vorspannung eingestelltes Ventil 39 vorhanden ist. Bei der dargestellten Ausführung wird das- Umschaltventil 50 durch eine Rückstellfeder od.dgl. in der Position nach Fig. 5 gehalten bzw. in diese überführt, während die Position nach Fig. 6 durch, hydraulische Betätigung erreicht wird. Dazu ist eine in

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eine Leitung 54 fördernde Steuerpumpe 51 vorgesehen, die sich zusammen mit einem Behälter für Hydrauliköl od.dgl. z.B. in oder am Gehäuse 25 am unteren Ende des Tragkörpers 22 befinden kann (vgl. Fig. 3 und 4) und die ihren Antrieb von der Drehung des Gestängestranges 4 erhält, also nur dann arbeitet, wenn sich der Bohrkopf 3 dreht. Mit der Ziffer 52 ist ein Sicherheitsventil für die Steuerpumpe 51 und mit der Ziffer eine Drossel od.dgl. bezeichnet, wobei die letztere einen bestimmten Durchfluß zum Abbau des Druckes beim Aufhören des Arbeitens der Pumpe ermöglicht.

In einem von der Versorgungsleitung 30 zu den Zylinders 42 der Verspannvorrichtung 40 führenden Leitungsweg 39 ist ein Gegendruckventil 46, z.B. ein federbelastetes Rückschlagventil, und parallel zu diesem ein einfaches Rückschlagventil 4 mit umgekehrter Strömungsrichtung vorgesehen. Das Gegendruckventil 46 kann z.B. auf einen Gegendruck von 10 oder 15 bar eingestellt sein.

Die Versorgung und Steuerung der in der Grundeinheit 1 befindlichen Steuerzylinder 11 kann auf verschiedene Weise geschehen. Eine zweckmäßige und einfache Ausführung hierfür zeigen ebenfalls die Fig. 5 und 6. Das gezeigte System weist eine zu den Ringräumen 11R der Stützzylinder 11 führende Leitung mit einem Druckeinstellventil 58 in einem abgehenden Zweig und eine zu den Vollräumen 31V der Stützzylinder 11 führenden Leitung 55 mit ebenfalls einem Druckeinstellventil .56 in einem

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abgehenden Zweig auf. Mit der Ziffer 60 ist ein als 4/3-Wegeventil ausgebildetes, von Hand oder auch durch Fernsteuerung bzw. automatisch oder im Rahmen eines Programms zu betätigendes Umschaltventil und mit der Ziffer 48 eine Ablaufleitung bezeichnet. Zu dem System gehört ferner eine Pumpe 59 und ein Tank 49 für Hydrauliköl od.dgl.

Nachstehend wird eine von mehreren möglichen Arbeitsweisen zur Herstellung einer Bohrung unter Verwendung einer Vorrichtung und der Druckmittelsysteme nach den beschriebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es sei angenommen, daß der Schlitten 26 mit der Verspanneinrichtung 40 sich in einer Ausgangsposition befindet bzw. nachgeholt ist und nun gebohrt werden soll. Das Schaltventil 60 für die Stützzylinder 11 befindet sich z.B. in einer mittleren Sperrstellung. Beim Einschalten des Antriebs 10 für den Bohrkopf 3 beginnt die Steuerpumpe 51 zu arbeiten und bringt das Umschaltventil 50 In die Position gemäß Fig. 6. Außerdem wird die Hauptpumpe 33 eingeschaltet, die somit Wasser zu den Vollräumen 28V der Vorschubzylinder 28 fördert, so daß die Vollflächen der Kolben 29 darin beaufschlagt werden. Weil der Bohrkopf an der Ortsbrust anliegt (vgl. Fig. 2), steigt der Druck In den Zylinderräumen 28V an, so daß das Gegendruckventil 46 öffnet und die Kolben 43 der Spannzylinder 42 mit entsprechendem Druck, der etwas geringer als der In den Zylinderräumen der Vorschubzy/llnder wirkende Druck Ist, beauf-

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schlagt werden. Die Spannschilde 41 werden dadurch fest an die Bohrlochwand W angepreßt. Der Bohrkopf 3 kann nun zu arbeiten beginnen, wobei er durch die Vorschubzylinder 28 vorwärts bewegt wird. Die Vorschubkraft kann dabei durch Verändern des Druckes des in das System geförderten Wassers den Gegebenheiten entsprechend gewählt bzw. angepaßt werden/ insbesondere durch Einstellen des Ventils 36. Nachdem zuvor auch das Umschaltventil 60 in diejenige Position gebracht worden ist, in der die unteren Zylinderräume 11V mit Druckmittel versorgt werden, folgen die· Kolben 12 dieser auf den Hubschlitten 9 wirkenden Zylinder der Vorschubbewegung, wobei der Druck mittels des Ventils 56 auf den gewünschten Wert eingestellt werden kann, insbesondere so, daß auch während dieser Bewegung ein bestimmter Anteil des Gewichts des Gestängestranges 4 und der sich mit diesem im Bohrloch bewegenden Teile von den Stützzylindern 11 getragen wird, z.B. ein Anteil von 2/3, während der verbleibende Anteil sowie die Vorschubkraft selbst von den Vorschubzylindern 28 aufgebracht wird. Durch Einstellen der Drücke im oberen und unteren System bzw. durch Verstellung der betreffenden Ventile kann damit allen Bedarfsfällen optimal Rechnung getragen werden.

Lag in einem Ausnahmefall beim Bohrbeginn der Bohrkopf noch nicht fest an der Ortsbrust an, so findet die erläuterte Steigerung mit dem Wirfcsramwrerden der Verspannvorrichtung 40 lediglich, etwas verzögert statt. Falls gewünscht, kann der Tragkörper 22 mit dem Gestänge 4 dabei vorübergehend auch, an einer

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Vorwärtsbewegung dadurch gehindert werden, daß das Umschaltventil 60 zunächst noch in der mittleren Sperrstellung" verbleibt oder in diese verstellt wird, bis dann zum beabsichtigten Zeitpunkt die Beaufschlagung der Kolben der Stützzylinder 11 durch Umschalten des Ventils 60 eingeleitet wird. Durch Beeinflussung der Wirkungsweise der Stützzylinder 11 mittels der angegebenen hydraulischen Elemente oder auch anderer bzw. zusätzlicher Steuerorgane läßt sich auch während des Bohrvorganges ein für dessen Durchführung besonders günstiger Zustand erreichen.

Am Ende des Bohrhubes wird die Hauptpumpe 33 abgestellt, wobei ein statischer Druck im System wegen des Rückschlagventils 37 erhalten bleibt, und es wird der Drehantrieb 10 ausgeschaltet. Dadurch hört auch die Steuerpumpe 51 zu fördern auf, so daß das Umschaltventil 50 in die Position gemäß Fig.5 zurückgeführt wird. Dadurch sind die Zylinderräume der Verspannvorrichtung 40 über das sich in dieser Richtung Öffnende Rückschlagventil 47 mit den Ringräumen 28R der Vorschubzylinder 28 verbunden. Weil die Vollflächen der Kolben 29 in diesen Zylindern 28 dabei über das Ventil 39 fast vollständig zum Ablauf 38 entlastet sind, können sich der Gestängestrang und der Tragkörper 22 unter ihrem Eigengewicht geringfügig gegenüber dem Schlitten 26 absenken. Dadurch findet wegen der Inkompressibilität des Wassers ein sofortiger völliger Wegfall des Druckes statt, so daß sich die Spannschilde 41 unter der Kraft der Federn 44 in den Spannzylindern 42 von der Bohr-

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lochwand W lösen, wobei die Federn 44 die Kolben 43 dieser Zylinder radial nach innen drücken. Dadurch kann ein Teil des Wassers aus diesen Zylindern über das Rückschlagventil 47 in die Ringräume 28R der Vorschubzylinder 28 gedrückt werden. Beim Abstellen der Hauptpumpe 33 und Ausschalten des Drehantriebs 10 können die Stützzylinder 11 zusätzlich so beeinflußt werden, etwa durch Umschalten des Ventils 60 in die Sperrstellung unter Belassung der Wirksamkeit des Ventils 56, daß das Lösen der Verspannung noch beschleunigt wird. Weiterhin liegt es im Rc.hmen der Erfindung, eine zusätzliche Möglichkeit für den Druckabbau dadurch zu schaffen, daß an die Leitung 32 ein auf einen vorgegebenen öffnungsdruck einstellbares Ventil vorgesehen wird, ggfs. so, daß dieses nur für einen Entlastungsvorgang wirksam werden kann.

Nach dem Lösen der Verspannvorrichtung 40 wird durch Wiedereinschalten der Hauptpumpe 33 Wasser zu den Ringräumen 28R der Vorschubzylinder 28 gefördert, so daß der Schlitten 26 mit der Verspannvorrichtung 40 relativ zu Tragkörper 22 nach oben nachgeholt und dadurch in eine neue Ausgangsposition gebracht wird (vgl. Fig. 3). Der Gestängestrang 4 kann hierbei durch entsprechende Beeinflussung der Stützzylinder 11 bzw. durch die im Kopfteil 6 der Grundeinheit 1 befindliche Vorrichtung abgefangen werden, worauf die Stützzylinder 11 mit dem Hubschlitten 9 abgesenkt werden und ein neuer Gestängeteil 4a eingebaut wird. Hierauf bzw. in zeitlicher Überschneidung damit kann erneut das Verspannen des Schlittens 26 im

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Bohrloch und dann die Fortsetzung des Bohrens in der erläuterten Weise vonstatten gehen.

Das den Stützzylindern 11 zugeordnete Druckmittelsystem kann auch andere als die erläuterten bzw. zusätzliche Elemente enthalten. Die Erfindung umfaßt alle Ausführungen, die es ermöglichen, die Belastungen bzw. Bewegungen des Bohrstranges 4 mit den zugehörigen Teilen so zu beeinflussen, daß die grundsätzlichen Schritte des Verfahrensablaufs in der erläuterten Weise vollzogen werden können.

Die erfindungsgemaße Vorrichtung kann mit einer Steuerung ausgerüstet sein, die es erlaubt, die Bohrrichtung zu ändern. Dazu können an sich bekannte Mittel yorgesehen werden, die dem Fachmann zur Verfügung stehen.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten bzw. in der Zeichnung dargestellten Merkmale sollen, sofern der"bekannte Stand der Technik es zuläßt, für sich allein oder auch in Kombinationen als unter die Erfindung fallend angesehen werden.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines vertikalen oder geneigten Bohrloches in einem Gebirge, einer Lagerstätte od.dgl. durch von unten nach oben erfolgendes Vollprofil-Bohren von einer Strecke, einer Startkammer od.dgl. aus unter Verwendungeines drehbaren und verschiebbaren Vorhwerkzeuges und eines zu diesem führenden Gestängestranges, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrwerkzeug mit dem Gestängestrang im Bereich dessen oberen Endes einer Kraft in Vorschubrichtung unterworfen wird, daß zumindest ein Teil der Reaktion dieser Kraft in ein im Bohrloch lösbar festlegbares Widerlager eingeleitet wird und daß das Antriebsdrehmoment für das Bohrwerkzeug in der Startkammer erzeugt und von dort mechanisch zum Bohrwerkzeug geleitet wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungs- und/oder Belastungszustand des Gestängestranges wenigstens zeitweise durch Krafteinwirkung auf sein unteres Ende beeinflußt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß, namentlich beim Bohren, auf das untere Ende des Gestängestranges eine nach oben gerichtete Kraft ausgeübt wird, deren Größe einem Teil der vom Gewicht des Gestängestranges und sich mit ihm bewegender Teile hervorgerufenen, nach unten gerichteten Kraft entspricht, während der übrige Teil der letztgenannten Kraft durch die auf das obere Ende des Gestängestranges ausgeübte Kraft ausgeglichen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lösbare Festlegung des Widerlagers und die Aufbringung der auf den Gestängestrang im Bereich seines oberen Endes wirkenden Kraft in Vorschubrichtung gemeinsam durch ein von der Startkammer aus über einen einzigen Weg zugeleitetes Medium durchgeführt wird.

5. Verfahren nach, einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerlager gelöst wird, wenn die Drehung des Bohrwerkzeuges beendet oder unterbrochen wird.

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6. Vorrichtung zum Herstellen eines vertikalen oder geneigten Bohrloches in einem Gebirge, einer Lagerstätte od.dgl.

■ durch von unten nach oben erfolgendes Vollprofil-Bohren von einer Strecke, Startkammer od.dgl. aus, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer ein- oder mehrteiligen, in der Startkammer anzuordnenden Grundeinheit, einem Bohrkopf od.dgl., einem Drehantrieb für den Bohrkopf, einer Einrichtung zur Erzeugung einer Kraft in Vorschubrichtung und einem aus mehreren Teilen zusammensetzbaren Gestänge zwischen dem Bohrkopf und der Grundeinheit, gekennzeichnet durch einen mit einem Lagergehäuse (21) für den Bohrkopf (3) verbundenen Tragkörper (22), durch den ein zur Drehmomentübertragung von dem durch einen der Grundeinheit (1) zugeordneten Antrieb (10) drehbaren Gestänge (4) auf den Bohrkopf (3) bestimmtes Element (24) hindurchgeht, einen relativ zum Tragkörper (22) undrehbar, aber axial verschiebbar geführten Schlitten (26J, eine am Schlitten (26) angeordnete Verspannvorrichtung (40) mit durch ein Druckmittel betätigbaren, zur Anlage an der Bohrlochwand CW) bringbaren Schilden (41) od.dgl. und durch, einerseits mit dem Bohrkopf-Lagergehäuse (21) und andererseits mit dem Schlitten (26) verbundene, beidseitig druckinittelbeauf schlagbare Kolben (29) enthaltende Vorschubzylinder (28) .

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7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (26) ein den Tragkörper (22) umgebendes Gehäuse (27) aufweist oder bildet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verspannvorrichtung (40) Spannzylinder (42) aufweist, in denen Kolben (43), die mit den Schilden (41) verbunden sind, nach auswärts durch das Druckmittel und nach einwärts durch Federn (44) verschiebbar sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Betätigung der Vorschubzylinder (28) und der Verspannvorrichtung (40) ein aus einer gemeinsamen Versorgungsleitung (30) zu speisendes Druckmittelsystem vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch. 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium für das Druckmittelsystem eine Flüssigkeit ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium Wasser oder eine Wasser enthaltende Flüssigkeit ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Versorgungsleitung (30) durch das Gestänge (4) geführt oder durch dasselbe gebildet ist. 130040/0560

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13. Vorrichtung nach, einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Versorgungsleitung (30) wenigstens ein Rückschlagventil (37) enthält.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der das Gestänge (4) bildenden Teile (4a) ein Rückschlagventil (37) enthält.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des die gemeinsame Versorgungsleitung (30) speisenden Druckmittels einstellbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in einem den Vorschubzylindern (28) zugeordneten Teil des Druckmittelsystems ein Umschaltventil (50) vorgesehen ist, mittels dessen die Ringräume (28R) der Vorschubzylinder (28) oder die Vollräume (28V) derselben an die Druckmittel-Versorgungsleitung (30) anschließbar sind, während die jeweils anderen Räume (28V bzw. 28R) zu einem Ablauf (38) freigebbar sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltventil (50) von der Startkammer aus fernbetätigbar ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltventil (50) eine gegen eine Rückstellkraft wirkende Druckmittelbetätigung aufweist, zu deren Beaufschla-

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gung eine Steuerpumpe (51) vorgesehen ist, deren Antrieb von der Drehantriebsbewegung des Bohrkopfes (3) abgeleitet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerpumpe (51) am oder im Tragkörper (22) oder einem damit verbundenen Teil (25) angeordnet ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in einem der Verspannvorrichtung (40) zugeordneten Zweig (39) des Druckmittelsysteras ein Gegendruckventil (46) und parallel zu diesem ein Rückschlagventil (47) mit umgekehrter Strömungsrichtung vorgesehen ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundeinheit (1) beidseitig druckmittelbeaufschlagbare Kolben (12) enthaltende Stützzylinder (11) für den Gestängestrang (4) aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch. 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütz zylinder CH) einem höhenverstellbaren Körper (9) zugeordnet sind, der den Drehantrieb (10) für Gestänge (4) und Bohrkopf (3) aufweist.

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23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckmittelsystem für die Versorgung der Stützzylinder (11) eine zu deren Ringräumen (11R) führende Leitung (57),eine zu deren Vollräumen (11V) führende Leitung (55) und ein Umschaltventil (60) aufweist, mittels dessen wahlweise jeder Zylinderraum (11V bzw. 11R) mit einer Druckmittelquelle (59) und der jeweils andere Zylinderraum (11R bzw. d1V) mit einem Ablauf verbindbar ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltventil (60) eine Sperrstellung für die Leitungen (55, 57) aufweist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Druckmittels in der zu den Vollräumen (11V) der Stützzylinder (11) führenden Leitung (55) einstellbar ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Druckmittels in der zu den Ringräumen (11R) der Stützzylinder (11) führenden Leitung (57) einstellbar ist.

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