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Die
Erfindung betrifft eine Horizontalbohranlage mit einem Bohrmast
und einem am Bohrmast verfahrbaren Bohrkopf.
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Derartige
Bohranlagen dienen zum gerichteten Anlegen von Bohrungen im Erdreich,
Gestein oder Fels, die im Wesentlichen horizontal verlaufen.
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Bei
derartigen Bohranlagen ist am Bohrmast üblicherweise ein verschiebbarer
Schlitten angeordnet, der einen Bohrkopf trägt, der ein Bohrgestänge zum
Einbringen der Bohrung antreibt.
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Horizontalbohranlagen
werden insbesondere benutzt, um Produktrohre, beispielsweise Kommunikationsleitungen,
Gasleitungen, Ölleitungen,
Wasserleitungen oder dergleichen unterirdisch dort zu verlegen,
wo sie Bahntrassen, Autobahnen, Flüsse oder dergleichen kreuzen.
Mittels derartiger Horizontalbohranlage ist es möglich, im Wesentlichen horizontal
verlaufende Bohrungen über
große
Entfernungen herzustellen. Hierdurch wird das Verlegen von Produktrohren
vereinfacht, und die Verlegekosten lassen sich erheblich vermindern.
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Mittels
einer derartigen Horizontalbohranlage lässt sich beispielsweise zunächst eine
Pilotbohrung erstellen, die im Bereich der Horizontalbohranlage
in den Boden eingebracht wird und in einer durch die zu unterbohrenden
Hindernisse bestimmten Entfernung wieder aus dem Boden austaucht.
An das ausgetauchte Bohrgestängeende
wird ein Aufweitkopf angeschlossen und die Bohrung anschließend durch
Zurückziehen
des Bohrgestänges
mittels des Aufweitkopfes aufgeweitet, wonach das zu verlegende
Produktrohr in die Bohrung eingezogen wird. Es ist auch möglich, mittels
einer Horizontalbohranlage ein Produktrohr ohne vorheriges Erstellen
einer Pilotbohrung in den Boden einzubringen.
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Eine
derartige Horizontalbohranlage ist in der
DE 102 06 646 C1 derselben
Anmelderin beschrieben.
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Bei
dieser Horizontalbohranlage ist der Bohrmast kastenförmig ausgebildet,
und der den Bohrkopf tragende Schlitten ist mittels Rollen auf der Oberseite
des Bohrmasts geführt.
Eine den Vorschub bewirkende Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit ist
innerhalb des kastenförmigen
Bohrmasts angeordnet, wobei deren Kolbenstange an einem Widerlager
am bohrlochseitigen Ende des Bohrmasts angreift, während der
Vorschubzylinder am Schlitten befestigt ist. Oberhalb des Schlittens
befindet sich der Bohrkopf, der einem damit kuppelbaren Bohrstrang
eine Dreh- und Vorschubbewegung erteilt.
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Besonders
hohe Kräfte
wirken auf den Bohrkopf und den Schlitten, wenn die Bohrung durch
Zurückziehen
des Bohrgestänges
mittels des Aufweitkopfes aufgeweitet und das zu verlegende Produktrohr
in die Bohrung eingezogen wird.
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Diese
sehr hohen Kräfte
erzeugen ein äußerst hohes
Kippmoment am Schlitten, das dadurch bedingt ist, dass die Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit
unterhalb der Schlittenführung
und der Bohrkopf oberhalb der Schlittenführung am Bohrmast angreifen.
Bei dieser bekannten Horizontalbohranlage ist die Schlittenführung als
Rollenführung
ausgebildet, die zur Aufnahme des Kippmoments eine möglichst große Längserstreckung
aufweisen muss, wodurch jedoch der Vorschub mittels der Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit
eingeschränkt
wird. Die Rollenführungen
unterliegen auf Grund der hohen auf sie wirkenden Kräfte einer
starken Abnutzung, und sowohl der Schlitten als auch der Bohrmast
müssen
zur Aufnahme der hohen Kippmomente sehr stabil und dementsprechend
schwer gebaut sein.
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In
der
DE 20110532 U1 ist
eine Richtbohranlage zum Bohren vom im Wesentlichen horizontal verlaufenden
Löchern
im Erdreich, Gestein oder Fels beschrieben, bei der ein aus parallelen
Längsträgern und
diese starr verbindenden Querträgern
bestehender Bohrmast zur Führung
eines an den Längsträgern verschiebbar
angeordneten Schlitten dient. Oberhalb des Schlittens und der Bohrmastquerebene
ist ein Schlitten für
einen darüber
angeordneten Bohrkopf für
einen Bohrstrang angeordnet, während unterhalb
der Querebene wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten
am Schlitten angreifen und dessen Vorschub bewirken. Auf Grund des
großen
senkrechten Abstandes zwischen der Achse des Bohrkopfes und des
Bohrstrangs und den Achsen der Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten
treten bei dieser bekannten Anlage dieselben Probleme auf wie bei
der Horizontalbohranlage gemäß der
DE 102 06 646 C1 .
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Horizontalbohranlage
zu schaffen, die bei vergrößerten Vorschubkräften leichter
gebaut ist und einer geringeren Abnutzung unterliegt.
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Ausgehend
von dieser Aufgabenstellung wird bei einer Horizontalbohranlage
mit einem auf einem Raupenunterwagen oder einer Gruppenplatte längs verschiebbar
und neigungseinstellbar angeordneten Bohrmast vorgeschlagen, diesen
Bohrmast aus parallelen Längsträgern und
diese starr verbindenden Querträgern
zu gestalten, wenigstens einen an den Längsträgern verschiebbar angeordneten Schlitten
mit einem mittig zwischen den Längsträgern am
Schlitten angeordneten Bohrkopf für einen Bohrstrang vorzusehen,
wobei beiderseits des Bohrkopfs am Schlitten befestigte Vorschub-Hydraulik-Zylinder und
an einem zwischen den Längsträgern angeordneten
Widerlager am bohrlochseitigen Ende des Bohrmast angreifende Kolbenstangen
angeordnet sind, deren Achsen mit der des Bohrkopfs und des Bohrstrangs
im Wesentlichen in einer Ebene liegen.
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Durch
die Anordnung von zwei Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten beiderseits
des Bohrkopfs und zwischen den Längsträgern des
Bohrmast, wodurch die Achsen der Kolben-Zylinder-Einheit, des Bohrkopfs
und des Bohrstrangs im Wesentlichen in einer Ebene liegen, wirken
auf den Schlitten keinerlei Kippmomente, sondern nur noch das aus
der Drehung des Bohrkopfs resultierende verhältnismäßig geringe Drehmoment, so
dass sich sowohl der Bohrmast als auch der Schlitten erheblich leichter
bauen lassen, da sich das erforderliche Widerstandsmoment des Bohrmasts
wesentlich kleiner wählen
lässt. Die
Gesamthöhe
der Bohranlage sinkt deutlich, dies erleichtert den Transport, de
sich die maximale, zulässige
Transporthöhe
leichter einhalten lässt.
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Die Übereinstimmung
der Wirklinien ermöglicht
es, eine nahezu symmetrische Horizontalbohranlage zu konstruieren,
somit werden einseitige Belastungen vermieden.
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Durch
die Anordnung mit Übereinstimmenden
Wirklinien liegt der Gesamtschwerpunkt der Anlage tiefer. Dies ist
von Vorteil, wenn die Anlage als anhängergestützte Anlage (LKW-Zugmaschine und Bohrmast
als Anhänger),
konzipiert wird. Der tiefere Schwerpunkt verbessert die allgemeinen
Fahreigenschaften, z. B. ein Fahren an Hängen oder Böschungen.
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Es
wurde festgestellt, dass bei einer für eine Zugkraft von 460 t vorgesehenen
Horizontalbohranlage allein am Mast, der ursprünglich 45 t wiegen sollte,
7 t Gewicht eingespart werden konnte.
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Da
bei der Horizontalbohranlage dieser Größenordnung der Abstand der
Längsträger etwa
2,5 m beträgt,
sind die durch das Drehmoment des Bohrkopfantriebs bewirkten, auf
die Führungen
wirkenden Kräfte
so gering, dass Gleitführungen
auf den Längsträgern für den Schlitten
völlig
ausreichend sind und keine Rollenführungen erforderlich sind.
Auch kann der Schlitten sehr kurz ausgeführt werden, wodurch an Vorschubweg
gewonnen wird.
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Ein
weiterer, mit der erfindungsgemäßen Horizontalbohranlage
verbundener Vorteil besteht darin, dass das bohrlochseitige Ende
des Bohrmasts, das mittels einer Ankerplatte an einem im Boden eingelassenen
Widerlager angreift, erheblich näher
an die Bodenoberfläche
herankommt, da der Mast nicht unter, sondern beiderseits neben dem
Bohrkopf liegt, wodurch eine erheblich verkürzte Strecke bis zum Eindringen
des Bohrstrangs in den Boden erreicht wird, so dass die Gefahr des Ausknickens
des Bohrstrangs beim Eintreiben in den Boden erheblich vermindert
ist. So kann der Abstand zwischen der Ankerplatte 6 und
dem Beginn des Bohrlochs im Boden bei großen Horizontalbohranlagen der
eingangs erwähnten,
bekannten Art bis zu 30 m betragen, während dieser Abstand bei der
erfindungsgemäßen Horizontalbohranlage
auf bis zur Hälfte
verkürzt
ist.
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Um
einen möglichst
großen
Vorschubweg zu erreichen, müssen
die Hydraulikzylinder entsprechend lang ausgebildet sein. Dementsprechend
ist es vorteilhaft, wenn ein zweiter, an den Längsträgern verschiebbarer Schlitten
die Vorschubhydraulikzylinder etwa im Bereich ihrer halben Länge unterstützt.
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Zum
Erleichtern des Transports der Horizontalbohranlage kann am Bohrloch
abgewandten Ende des Bohrmast eine einklappbare Bohrmastverlängerung
angeordnet sein, die als Führung
für den
zweiten Schlitten dient.
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Die
Querträger
können
oberhalb oder vorzugsweise unterhalb der Längsträger, diese untergreifend angeordnet
sein, wobei die Schlitten direkt auf den Oberflächen der Längsträger geführt sein können.
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Am
bohrlochseitigen Ende des Bohrmast kann eine schwenkbare Ankerplatte
und zwischen dieser und dem Widerlager eine Klemmvorrichtung für den Bohrstrang
angeordnet sein.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
des Näheren
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 Eine
perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Horizontalbohranlage und
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2 eine
vergrößerte Querschnittsansicht der
Horizontalbohranlage gemäß 1 in
Blickrichtung eines einen Bohrkopf tragenden Schlittens.
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Die
erfindungsgemäße Horizontalbohranlage 1 ist
mit einem Raupenunterwagen 2 dargestellt, auf dem ein Bohrmast 3 längsverschiebbar
und neigungseinstellbar angeordnet ist.
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Der
Raupenunterwagen 2 lässt
sich mittels einer Antriebseinheit 14 verfahren. Diese
Antriebseinheit 14 dient des Weiteren dazu, die Antriebsenergie
für einen
in einem Schlitten 4 angeordneten Bohrkopf 5 und
eine Vorschubeinheit aus parallelen Vorschubzylindern 13 mit
Kolbenstangen 12 zu liefern.
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Die
Horizontalbohranlage 1 kann auch nicht selbstfahrbar auf
einer Grundplatte, insbesondere einer Container-Grundplatte angeordnet
sein.
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Der
Bohrmast 3 ist mittels einer Ankerplatte 6 in
nicht dargestellter Weise am Boden verankert. In der Nähe der Ankerplatte 6 ist
am Bohrmast 3 eine Klemmvorrichtung 7, angeordnet
mittels derer sich ein Bohrstrang 22 festklemmen lässt, wenn
Bohrstrangelemente im Bereich zwischen dieser Klemmvorrichtung 7 und
dem Bohrkopf 5 eingesetzt oder entnommen werden sollen.
Am zur Ankerplatte 6 entgegengesetzten Ende des Bohrmasts 3 ist
eine um ein Gelenk 11 einklappbare Bohrmastverlängerung 8 vorgesehen.
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Der
Bohrmast 3 besteht aus parallelen Längsträgern 9, die als Doppel-T-Träger ausgebildet sind
und mittels Querträgern 10,
die unterhalb der Längsträger 9 angeordnet
sind, starr miteinander verbunden sind. Ein die Längsträger 9 verbindendes, zur
Aufnahme großer
Kräfte
geeignetes Widerlager 11 ist vor der Klemmvorrichtung 7 angeordnet.
An dem Widerlager 11 sind zwei parallele Kolbenstangen 12 befestigt,
die in am Schlitten 4 befestigte parallele Vorschubzylinder 13 eingeführt sind.
Diese Vorschubzylinder 13 sind zusätzlich mittels etwa im Bereich
ihrer halben Länge
angeordneten zweiten, an den Längsträger 9 verschiebbarem
Schlitten 4a unterstützt
und geführt,
wodurch der Überhang
der Vorschubzylinder 13 und deren Durchbiegung verringert
wird.
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Am
Schlitten 4 sind am Bohrkopf 5 angreifende Hydraulikmotoren 15 angeordnet,
die den Bohrkopf und damit den Bohrstrang 22 in Drehung
versetzen. Zum Einbringen der Pilotbohrung wird der Bohrstrang 22 mittels
der Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten 12, 13,
ohne dass am Schlitten 4 Kippmomente auftreten, in Richtung
des Widerlagers 11 bewegt. Wenn der Schlitten 4 mit
dem Bohrkopf am Widerlager 11 angelangt ist, wird der Bohrkopf
vom Bohrstrang 22 abgeschraubt, in dem der Bohrstrang 22 mittels
der Klemmvorrichtung 7 festgehalten und der Bohrkopf 5 mittels
der Hydraulikmotoren 15 gedreht wird.
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Danach
wird der Bohrkopf 5 in die in 1 dargestellte
Stellung zurückgefahren
und ein neues Bohrstrangelement wird an den Bohrstrang 22 zwischen
der Klemmvorrichtung 7 und dem Bohrkopf 5 eingeschraubt.
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Wenn
die Pilotbohrung fertig gestellt ist, wird am Austrittsende des
Bohrstrangs 22 ein Aufweitkopf angesetzt und der Bohrstrang 22 wird
unter ständiger Drehung
durch die Pilotbohrung zurückgezogen
und ein Produktrohr wird eingezogen.
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Da
beim Zurückziehen
eine erheblich größere Kolbenfläche in den
Vorschubzylindern 13 zur Wirkung kommt, ist die beim Zurückziehen
ausgeübte Kraft
auch erheblich größer und
ausreichend um die Pilotbohrung aufzuweiten und ein Produktrohr
nachzuziehen.
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Da
auf den Schlitten 4 nur das durch Hydraulikmotoren 15 entwickelte
Drehmoment jedoch kein Kippmoment wirkt, sind einfache, in 2 ersichtliche
Gleitführungen
ausreichend, die aus den Oberflächen
der Flansche der Längsträger 9 und
den Unterflächen
in dieser Flansche bestehen, die von entsprechenden Führungselementen
am Schlitten 4 untergriffen werden. Der Schlitten 4a ist ähnlich ausgebildet,
kann jedoch noch leichter gebaut sein, da hier nur die Gewichtskräfte der
Vorschubzylinder 13 aufzunehmen sind.
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Beiderseits
der Längsträger 9 sind
begehbare Laufgitter 16 angeordnet, um den Bohrvorgang von
beiden Seiten überwachen
zu können.
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Die
im Ausführungsbeispiel
dargestellte Horizontalbohranlage weist eine Bohrmastbreite von
2,5 m auf, wiegt keine 60 t und ist in der Lage eine Zugkraft beim
Aufweiten der Pilotbohrung und Einziehen des Produktrohrs von 460
t aufzubringen.
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Die
Erfindung ist nicht auf Horizontalbohranlagen zum Vorbohren von
Pilotbohrungen und Einziehen von Produktrohren in die aufgeweitete
Pilotbohrung beschränkt,
sondern umfasst auch Horizontalbohranlagen zum direkten Einbringen
von Produktrohren, wobei das Einbringen der Pilotbohrung und der
Produktrohre richtungsgesteuert oder ungesteuert erfolgen kann.