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Verfahren zur Herstellung von Großbohrlöchern und Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Großbohrlöchern im Bergbau und zur Durchführung .dieses Verfahrens bestimmte
Vorrichtungen. Sie bezweckt, die Herstellung von solchen Großbohrlöchern (wie auch
von Schlitzen) mit vergleichsweise sehr geringem Energieaufwand und entsprechend
niedrigem spezifischem Verschleiß der Schneidwerkzeuge zu ermöglichen.
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Die Erfindung baut, wie bekannte Vorrichtungen, auf der Überlegung
auf, d@aß es vorteilhafter ist, bei der Bohrarbeit die Schneidwerkzeuge vorwiegend
stoßend zur Wirkung zu bringen und damit die hohe Druckfestigkeit des Hartmetalls
der Schneidwerkzeuge auszunutzen, statt schneidend, weil die Beanspruchungen, denen
die Hartrnetallschneidwerkzeuge bei schneidender Arbeitsweise ausgesetzt sind, mit
Rücksicht auf die Eigenschaften des Hartmetalls sich viel ungünstiger im Sinne des
Verschleißes auswirken und die Werkzeuge hierbei unzulässigen Wärmebeanspruchungen
ausgesetzt werden.
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Die Schwierigkeiten, die bisher der Anwendung von stoßend arbeitenden
Bohrverfahren. für das Bohren von Großbohrlöchern entgegenstanden, ergaben sich
daraus, daß bei .der Mehrzahl der bisher üblichen Verfahren die stoßenden Impulse
dem Bohrwerkzeug in axialer Richtung des Bohrlochs in sehr energieverzehrender Weise
durch einen
hin- und hergehenden Antrieb - oder, wie verschiedentlich,
wenn auch ohne nennenswerten praktischen Erfolg, versucht worden ist, unter sehr
ungünstiger Übertragung der umlaufenden Bewegung eines Antriebsmotors in die axiale
hin-und hergehende Stoßbewegung - erteilt werden, wobei in jedem Falle die Vertiefung
des Bohrlochs vor Kopf der Werkzeuge erfolgte.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, die Schneidwerkzeuge vorwiegend stoßend
zur Wirkung zu bringen, unter sehr energiesparendem Antrieb des Werkzeugs durch
einen umlaufenden Motor dadurch, daß die stoßenden Bewegungen der auf den Gebirgskörper
einwirkenden Schneidwerkz.euge längs gekrümmte Bahnkurven mit radial und "axial
verlaufenden, sich überlagernden Bewegungskomponenten ausführen.
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Gemäß der vorzugsweisen Ausführungsform dieses Verfahrens wird die
stoßende Bewegung,der Schneidwerkzeuge in radialer Richtung durch die Einwirkung
von auf einer in der Bohrlochachse laufenden Welle angeordneten Exzentern, die exzentrisch
zur Achse :des Unterschneiders angeordnet sind, auf die Schneidwerkzeuge, die derart
intermittierende stoßende Bewegungen von hoher Frequenz ausführen, herbeigeführt.
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Es ist offensichtlich, daß die Erfindung nichts mit der Arbeitsweise
von bekannten, sogenannten Unterschneidern zum nachträglichen Aufweiten eines bereits
gebohrten Loches um ein geringes Maß zu tun hat, bei welchem durch einen Exzenterantrieb
des Unterschneiders radial gerichtete stoßende Bewegungen auf die Bohrlochwandung
ausgeübt werden. Abgesehen von dem anderen Zweck des bekannten Werkzeugs wird bei
diesem den Werkzeugen. des Unterschneiders eine axiale Bewegungskomponente nicht
erteilt.
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Ebensowenig hat aus den ,dargelegten Gründen die Erfindung mit einer
bekannten Stoßbohrmaschine mit schräg zur Bohrlochachse gerichteten stoßenden Werkzeugen
zu tun, die an einer umlaufenden Achse befestigt sind.
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Auch bei einer weiteren bekannten Vorrichtung zum maschinellen Abtragen
von Gesteinen, bei welcher das feste Material längs einer Kegelfläche stufenförmig
abgestoßen wird, deren Spitze in der Bohrrichtung nach vorn gerichtet ist, wobei
das Schneidwerkzeug nur längs seiner Schneidkanten mit den Stufen in Berührung ist,
wird offensichtlich der oben gekennzeichnete Erfindungsgedanke nicht verwendet.
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Die bei der Durchführung des neuen Verfahrens benutzten Schneidwerkzeuge
sind gemäß der vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung auf dem Umfang von kegelstumpfartigen
Tragkörpern angeordnet, die, zweckmäßig in einer Mehrzahl hintereinander und mit
zunehmenden Durchmessern, lose auf einer umlaufenden Welle angeordnet sind, an welcher,
vorzugsweise in von Tragkörper zu Tragkörper abwechselnder Anordnung; Exzenter sitzen,
oder die entsprechend abwechselnd nach der einen oder anderen Richtung ausgekröpft
ist und derart den Tragkörpern und damit den auf diesen sitzenden Werkzeugen fortlaufend
um den Umfang .der Bohrlöchwandung wandernde Schlagimpulse erteilt.
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Es ergibt sich durch die Arbeit -dieser Werkzeuge also ein kegelförmiges,
gegebenenfalls abgesetzt kegelförmiges Profil des Bohrlochs.
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Die durch die als Folge der reinen Stoßwirkung erzielte Zerkleinerung
des Gebirgskörpers kann in vorteilhafter Weise noch dadurch unterstützt werden,
daß sie gleichzeitig von einer scherend wirkenden Komponente überlagert wird. Besonders
günstig wirkt sich dies im Falle von nicht spröden bzw. milden Gesteinen aus, bei
welchen derart gewissermaßen eine spanabhebende Bearbeitung erfolgen kann.
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Diese Arbeitsweise läßt sich gemäß der Erfindung in einfachster Weise
dadurch erzielen, daß die Exzenterachsen (Nocken, Auskröpfungen u. dgl.) gegenüber
der Antriebswelle verkippt sind. Dieses Verkippen erfolgt entweder mit oder entgegen
der Umlaufrichtung der Antriebswelle. Es ergibt sich hierdurch eine Taumelbewegung
der Tragkörper, durch welche den Schneidwerkzeugen außer ihrer radialen gleichzeitig
axiale Bewegungen erteilt werden.
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Eine schabende Bewegung der Schneidwerkzeuge im ähnlichen Sinne kann
auch durch eine Veränderung des Exzentrizitätswertes e innerhalb desselben Exzenterstückes
hervorgerufen werden.
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Auch als Folge des unterschiedlichen Umfanges des Schneidkegels und
des Gebirgsmantels tritt beim Abrollen der Schneidwerkzeuge auf dem Gebirgsmanteleine
gegenläufige seitliche Verschiebung der Schneidwerkzeuge.ein, durch welche den stoßend
arbeitenden Schneidwerkzeugen eine gleichzeitig scherende Wirkung erteilt wird.
Diese Rückversetzung der Schneidwerkzeuge steht in Abhängigkeit von dem Durchmesser
und dem e-Wert und wird durch das Verhältnis von Durchmesser des Gebirgsmantels
und Exzentrizität bestimmt.
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Sie wird am Kopf des Kegels einen größeren Winkelwert erhalten als
an seinem Fuß, so daß eine horizontale schabende Bewegung oberhalb und unterhalb
einer Nullinie auftritt. Falls es sich auf Grund des Schneidverschleißes als erwünscht
herausstellen sollte, .diese Bewegung zu unterdrücken, so ist der volle Kegel eines
Exzentersystemns aus Gruppen von voneinander unabhängigen losen Scheiben aufzubauen,
die auf dem Umfang Schneidwerkzeuge tragen. Jede Scheibe hat dann eine dem Durchmesser
und der Rückversetzung (dl) entsprechende Winkelgeschwindigkeit.
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Zweckmäßig ist es, die Exzentrizität so zu bemessen, daß sie sich
in Richtung der Bohrlochachse proportional zu dem Durchmesser des Schneidkegels
verringert.
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Statt auf einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Kegelmänteln, wie
vorstehend beschrieben, können gemäß einer anderen Ausführungsform bei grundsätzlich
gleicher Betriebsweise die Werkzeuge auch z. B. an den Enden von aufeinanderfolgenden
Tragarmen angeordnet sein und derart lediglich Schlitze erzeugen. Hierdurch wird
die
auftretende Zerkleinerungsarbeit verringert, wenn die zwischen
den Schlitzen stehenbleibenden Rippen anschließend durch :eine .Schlagvorrichtung,
.die z. B. nach dem Prinzip der Schlagkreuzmühle arbeitet, dem Werkzeug folgend
auf der Antriebswelle sitzt und unmittelbar von dieser angetrieben wird, zerkleinert
werden.
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In diesem Falle ist es zweckmäßig, die Tragarme bzw. -keile so auszubilden,
daß sie .durch Gewichte oder Federkraft jeweils in die Nullstellung (jeweils die
negative Stellung des Exzenters) angehoben werden. In diesem Falle ist ein Verkippen
der Exzenterachse nicht notwendig. Werden nur zwei Tragarme einander gegenüberliegend
vorgesehen, so werden sich z. B. nur .die Flügel in der Stellung jeweils in den
Kerbschlitz vorschieben und in der folgenden Druckperiode mit vollem Exzenterhub
wirksam.
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Das neue Verfahren ist sowohl zur Herstellung von runden wie von von
der kreisrunden Form abweichenden, beispielsweise ovalen Bohrlöchern anwendbar.,
wobei lediglich die Umfangskonturen des Tragkörpers dem Profil des herzustellenden
Loches entsprechen müssen. In der Regel wird das Verfahren unter Verwendung eines
Vorbohrlocbes für das Ansetzen und die Führung des Werkzeuges durchgeführt. Es kann
aber auch mit dem Werkzeug selbst ein durch die gleiche Welle angetriebenes Vorbohrwerkzeug
kombiniert werden.
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Wird mit dem Vorbohrloch aufwärts gebohrt, so wird das Werkzeug durch
ein durch das Vorbohrloch hindurchgeführtes Seil gehalten und hierdurch auch der
Vorschuldruck erzeugt. Andernfalls erfolgt der Vorschub in üblicher Weise durch
ein geeignetes . Vorschulgestänge.
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Bei taumelnder Antriebsweise der Werkzeuge ergeben sich bereits durch
diese selbst axiale Kraftkomponenten in der V orschubrichtung, die einen wesentlichen
Teil des Bohrdrucks erzeugen.
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Der. Antriebsmotor, der beispielsweise mit 375 bis 7oo Touren läuft,
wird zweckmäßig unmittelbar an das Werkzeug angeflanscht oder über ein Getriebe
an dieses artgeschlossen.
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In den Figuren sind eine .grundsätzliche Ausführungsform einer zur
Durchführung des neuen Verfahrens dienenden Vorrichtung unter Weglassen aller unwesentlichen
Einzelheiten sowie verschiedene Betriebsmöglichkeiten beispielsweise dargestellt.
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Fig. i zeigt einen Axialschnitt durch das in einem Bohrloch angesetzte
Gerät sowie Schnitte b bis d gemäß der Linie A-B der Fig. i bei verschiedenen
Ausbildungsmöglichkeiten der Tragkörper für die Schneidwerkzeuge.
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Fig. 2 zeigt schematisch in den Darstellungen a bis f eine Reihe von
verschiedenartigen Arbeitsmöglichkeiten des neuen Werkzeugs.
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In den Figuren ist mit i die .durch einen Motor 8 in Drehung versetzte
Antriebswelle des Werkzeuges bezeichnet. Auf diese sind .gemäß ,dem Ausführungsbeispiel
Exzentenbücbsen 2, und zwar fünf solche Büchsen, in abwechselnd gegeneinander versetzter
Anordnung aufgesetzt. Auf jeder dieser ' Exzenterbüchsen sitzt lose ein gemäß denn
Ausführungsbeispiel kegelstumpfartiger Tragkörper, der an seinem Umfang mit den
Schneidwerkzeugen 5 besetzt ist. Diese Tragkörper können, wie die Mehrzahl der dargestellten,
einteilig sein oder auch, wie der zweitunterste, in der Figur mit 6 bezeichnete
Tragkörper, aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten Scheiben bestehen.
Diese Ausführungsform bezweckt, wie oben erläutert, die durch die Kegelform verursachten
unterschiedlichen Rückdrehungen innerhalb eines Kegels von verhältnismäßig großer
axialer Erstreckung auszugleichen, um zu vermeiden, daß größere seitliche Spannungen
auftreten, und derart den Verschleiß der Schneidwe:rkzeuge herabzusetzen.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist auf der Welle i ferner ein drehend
wirkendes VoTbohrwerkzeug 7 angeordnet, das durch diese, ebenfalls von dem Motor
8 aus, angetrieben wird. Wenn ein Vorbohrloch bereits. vorhanden ist, kommt dieses
Werkzeug selbstverständlich in Fortfall.
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Von den Schnitten in Fig. i rechts ist der Schnitt b ein solcher durch
einen als voller Kegel ausgebildeten Tragkörper. Er läßt die Bewegungen, die der
Tragkörper unter der Wirkung des Exzenters, ausführt, erkennen.
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Der Schnitt c zeigt einen Tragkörper, der durch Tragarme in sternförmiger
Anordnung gebildet wird, so daß bei der Arbeit des Geräts zwischen den einzelnen
Armen Rippen stehenbleiben, die nachträglich durch eine nicht dargestellte, von
der Welle aus angetriebene Vorrichtung abgeheilt werden.
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Der Schnitt d zeigt die Profilierung des Tragkörpers im Falle der
Herstellung eines Loches von ellipti:schexn Querschnitt.
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In Fig. 2 sind in AxialischnLitten schematisch verschiedene der vorerwähnten
axialen Bewegungsvorgänge veranschaulicht. Die beiden Axialschnitte a und
b zeigen die Verkippung der Exzenterachse um .den Wert a gegen die Antriebswelle
in Richtung der Exzenterebene gesehen. b stellt eine Ansicht senkrecht auf die Exzenterebene
bei gleicher Verkippung dar.
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c und d in Fig. 2 sind Ansichten in der gleichen Richtung gesehen,
wobei d die Verringerung des Exzen.trizitätswertes veranschaulicht, während c die
durch diese Verringerung :des e-Wertes in Vorschulrichtung hervorgerufene Schrägstellung
erkennen läßt.
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Die Darstellungen e und f zeugen die gleichzeitige Anwendung der in
den Darstellungen a und b einerseits und c und d andererseits erläuterten
Maßnahmen, d. h. eine stufenweise Änderung der Exzentrizität, wobei der Tragkegel
in eine entsprechende Zahl von selbständigen Scheiben aufgelöst wird, die harmonisch
den durch die Verkippung hervorgerufenen Taumelbewegungen folgen.
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Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist die außerordentlich niedrige
Antriebsenergie, die für das Werkzeug aufzuwenden ist, da keine großen Massen auftreten,
so,daß es möglich ist, den weitaus
überwiegenden Teil der Antriebsenergie
in eine entsprechend starke Druckkomponente umzusetzen. Bei der neuartigen Arbeitsweise
wird die hohe Druckfestigkeit des. Hartrneta11s in besonders vorteilhafter Weise
ausgenutzt.
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Das neue Verfahren ermöglicht die Herstellung von Bohrlöchern mit
Querschnitten, die denen von kleinen Schächten entsprechen und eröffnet daher völlig
neue Möglichkeiten auf diesem Gebiet. Es ist vorstehend lediglich in seiner grundsätzlichen
Ausführungsform beschrieben und dargestellt worden und selbstverständlich nicht
auf die erläuterten Ausfühnungs- und Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.