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Verfahren zum Erweitern durchschlägiger Bohrungen größerer Durchmesser
im Gestein Für das Bohren von Löchern großer Durchmesser und großer Längen in Untertagebetrieben
wird vielfach so vorgegangen, daß ein Loch kleinen Durchmessers vorgebohrt wird,
das man sodann in einem oder mehreren Arbeitsgängen auf immer größere Durchmesser
erweitert. Wenn es möglich ist, das Vorloch durchschlägig zu bohren, d. h. wenn
es zwischen zwei Sohlen, zur Verbindung zweier Schächte, zweier Strecken od. dgl.
dient, so hat es sich für die Vornahme der Erweiterungsbohrungen als zweckmäßig
erwiesen, die Erweiterungsstufen ziehend zu bohren, d. h. das Erweiterungsbohrgerät
auf das im Bohrloch eingefahrene Gestänge zu setzen und es von der durchschlägigen
Seite des Vorloches her auf die Maschine hin durchzuziehen. Der Vorteil dieser Bohrart
gegenüber der von der Maschine aus drückenden ist der, daß das Bohrgerät erheblich
geringere Neigung zu Abweichungen zeigt und das Gestänge auf Zugbeanspruchungen
weniger störanfällig ist als gegen die auf Druck. Nach dieser Art ist es heute möglich,
in Untertagebetrieben Löcher von Durchmessern bis 800 mm und mehr und bis zu Längen
von 200 m zu bohren. Solche Löcher finden Verwendung als Wetterwege, Seilkanäle,
als Ersatz für überhauen, als Rollen und insbesondere als Löcher zum Abführen der
Berge beim Abteufen von Stapeln und Schächten.
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Als Bohrgeräte finden in Kohle und weichem Gestein vorzugsweise mit
Hartmetall bestückte Kronenbohrer, wie Tannenbaum- oder Spiralkronen, Anwendung,
während in mittelharten und harten Gesteinen so gut wie ausschließlich Rollenmeißel
angewendet werden. Bei den ziehenden Erweiterungsstufen werden diese Rollenmeißel
auch allgemein Aufbohrmeißel genannt.
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Es ist von den Tannenbaumkronen her bekannt, die Schneiden stufenförmig
anzuordnen, wobei die Kränze aus Schneiden in der der Bohrrichtung entgegengesetzten
Richtung immer größere Durchmesser erhalten. Dadurch wird erreicht, daß in einem
Bohrgang mehrere Erweiterungsstufen immer größer werdenden Durchmessers gleichzeitig
gebohrt werden. Man hat diese Art Erweiterungsbohrungen durchzuführen, auch schon
mit Rollenmeißeln versucht, indem man zwei Autbohrmeißel verschiedenen Durchmessers
auf das Bohrgestänge setzte und in einem Arbeitsgang ziehend bohrte. Es ist auch
bereits ein Erweiterungsbohrgerät bekanntgeworden (USA.-Patentschrift 2 703 698),
bei dem ein Rollenmeißel als Vorbohrer in der Mitte und drei weitere Rollenmeißel
für das Erweitern des Vorbohrloches kranzförmig um den Mittelbohrer herum angeordnet
sind. Dabei steht der Mittelbohrer in axialer Richtung vor den drei Erweiterungsbohrern;
das Maß des Vorstehens kann durch Dazwischensetzen eines Rohrstückes variiert werden.
Es ist einleuchtend, daß man dadurch eine größere Bohrleistung erreicht, als wenn
man jede Erweiterungsstufe einzeln abbohrt. Diese Bohrart setzt lediglich entsprechend
stärkere Maschinen voraus.
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Es kommt beim Bohren von Löchern großer Durchmesser und großer Längen
in Untertagebetrieben recht selten vor, daß nur eine einzige, in sich homogene Gesteinsart
durchbohrt wird. Vielmehr besteht die zu durchbohrende Gebirgsformation nicht nur
aus verschieden starken Schichten verschieden harter und/oder irrhomogener Gesteinsarten,
Kohle oder Erden, auch besitzen die Schichten eine gegenüber der Bohrrichtung alle
möglichen Winkel bildende Neigung, die sogar auch im Verlaufe einer und derselben
Bohrung verschieden sein kann. Die Praxis beim Bohren derartiger Gebirgsformationen
hat nun gezeigt, daß es nicht so sehr die Härte der Gesteinsarten ist, welche das
Großlochbohren oft recht schwierig gestaltet, vielmehr ist es der Wechsel in Härte
und Homogenität unterschiedlicher Schichten, welche das Bohren bis zur Unmöglichkeit
erschweren kann. Ganz besonders schwierig gestaltet es sich
dann,
wenn die Schichten nicht rechtwinklig, sondern schräg zur Bohrrichtung stehen. Sobald
nämlich die Rollen des Aufbohrmeißels in irrhomogenen Gesteinsarten arbeiten oder
den Übergang von verschieden harten Gesteinsschichten durchlaufen, gerät der Rufbohrmeißel
in ein starkes Schlagen, das sich auf das Gestänge und die Bohrmaschine überträgt.
Gestängebrüche und Maschinenschäden sind die häufige Folge.
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Dieses Schlagen des Rufbohrmeißels tritt dann ganz besonders heftig
auf, wenn die Schichtung des Gebirges nicht senkrecht zur Bohrachse liegt. Der Übergang
von der einen zur anderen Schicht erfolgt dann nicht auf dem ganzen Bohrlochumfang
gleichzeitig, sondern beginnt erst an einem Teil des Umfangs. Da die beiden Schichten
fast immer eine unterschiedliche Bohrbarkeit besitzen, wird das leichter bohrbare
Gestein schneller gebohrt als das andere. Die Bohrebene erhält dadurch Aushöhlungen,
in welche die Rollen des Rufbohrmeißels regelrecht hereinfallen. Außer einem Schlagen
in Längsrichtung des Gestänges tritt gleichzeitig ein seitliches Ausschlagen des
Gestänges ein, welches sich in Form einer Sinuslinie über die ganze Gestängelänge
bis zur Maschine fortpflanzt. Da das Gestänge sich in drehender Bewegung befindet,
wird es dabei nicht nur auf Knickung, sondern auf wechselnden Zug und Druck beansprucht.
Die aus rein statischer Beanspruchung herrührende Belastung wird von einer Wechselbelastung
überlagert und fördert Brüche, die auf Ermüdung des Materials aus Schwingungsbeanspruchungen
herrühren.
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Die Auswirkungen des Schlagens des Rufbohrmeißels versuchte man bisher
dadurch herabzusetzen, daß man sowohl dem Gestänge wie auch dem Rufbohrmeißel Führungselemente
zuordnete. Man benutzt hierzu Führungsstangen, welche alle 10 bis 20 m im Gestängezug
eingebaut sind. Sie besitzen drei oder auch vier Flügel, welche den gleichen oder
annähernd gleichen Durchmesser des Vorloches besitzen und seitliche Schwingungen
des Gestänges stark eindämmen. Auf den Rufbohrmeißel setzte man ein gleichartiges
Führungselement,. das sich mit seinen dem Durchmesser des Erweiterungsloches angepaßten
Flügeln an der Bohrlochwandung abstützt und ein Hineinfallen einer Rolle des Rufbohrmeißels
in Aushöhlungen auf der Bohrsohle weitgehend verhindern soll.
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Diese Führungsstangen baut man nach zwei grundsätzlich unterschiedlichen
Prinzipien. Nach dem einen sind die Flügel starr. Sie können in diesem Falle nicht
den gleichen Durchmesser wie das Bohrloch besitzen, da sie sich sonst an dem nie
kreisrunden und insbesondere bei den Schichtenübergängen unebenen Wandungen verklemmen
-können. Auch könnte man Abweichungen der Bohrlochachse aus einer Richtung, wie
sie immer wieder auftreten, nicht durchfahren. Ihr Durchmesser muß also kleiner
als der Bohrlochdurchmesser sein. Führungsstangen nach dem zweiten Prinzip besitzen
nachgiebige Flügel, die federnd ausgebildet sind. Beide Arten setzen zwar das unangenehme,
zu häufigen Störungen des Bohrbetriebes führende Schlagen vom Rufbohrmeißel und
des Gestänges sowie das Knicken herab, können es indes nicht ganz beseitigen. Insbesondere
das Schlagen in Richtung der Bohrachse wird durch Führungsstangen nicht wesentlich
gedämpft.
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Sobald der Rufbohrmeißel und das Gestänge zu schlagen anfangen, muß
der Bohrmaschinenführer mit der Drehzahl und oder der Vorziehkraft variieren, um
möglichst ruhig die Übergangszone zu durchfahren. Es sind hierfür nicht nur erfahrene
Bohrmaschinenführer erforderlich, auch wird von ihnen angespannteste Aufmerksamkeit
gefordert. Zudem bedeutet das langsame Durchfahren der Übergangszonen beachtliche
Zeiteinbußen. Teueres Bohrpersonal, längere Bohrzeiten und nicht vermeidbare Schäden,
zumindest aber stärkere Abnutzung von Maschine, Gestänge, Führungsteilen und Rufbohrmeißeln
beeinflussen die Wirtschaftlichkeit des Großlochbohrens heute noch ganz beachtlich
negativ.
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Die aufgezeigten Nachteile und Schwierigkeiten beim Großlochbohren
in Untertagebetrieben zu beheben, hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt. Ihr
Wesen wird darin gesehen, daß entsprechend der bei der Vorbohrung ermittelten Gesteinsarten
und -eigenschaften sowie deren Lagerung der Abstand der einzelnen Bohrstufen des
Erweiterungsbohrgerätes, gemessen zwischen deren Bohrlochsohlen, so bemessen wird,
daß immer mindestens eine Erweiterungsstufe noch oder schon wieder innerhalb einer
gleichmäßig bohrbaren, den anderen Stufen einen ruhigen Bohrgang, bei deren Durchbohren
ungleichmäßig bohrbarer Schichtenbereiche erteilenden Schicht und nicht etwa in
einer Grenzzone bohrt, wenn eine oder mehrere der anderen Erweiterungsbohrstufen
eine Grenzzone der Gebirgsschichten durchbohren.
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Der Erfindungsgegenstand ist in der Zeichnung in einer beispielsweisen
Ausführungsform schematisch dargestellt.
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In Fig. I ist der Schnitt durch ein Großbohrloch dargestellt und zeigt
eine heute bereits bekannte Anordnung eines Aufbohrgerätes beim Durchfahren eines
aus verschiedenen Schichtungen bestehenden Gebirgsprofils. Mit 1 ist das Vorloch
bezeichnet. Bei seinem Erbohren von unten nach oben ist die Gebirgsformation mit
ihren in Härte und Dicke unterschiedlichen Gesteinsschichten 16, 2, 3, 4 und 5 bekanntgeworden.
Auf dem bis zur Bohrmaschine reichenden Gestänge 6 sitzt ein Führungselement 7,
welches annähernd den Durchmesser des Vorloches 1 besitzt. Daran schließt sich die
Bohrstange 8 an, auf welcher das Aufbohrgerät sitzt, welches aus einem Rollenmeißel
9 für die erste Erweiterungsstufe 10, einem Verbindungsnippel 11 und aus dem Rollenmeißel
12 für die zweite Erweiterungsstufe 13 besteht. Darauf ist wieder ein Führungselement
14 unter Zwischenschaltung eines Nippels 15 gesetzt. Der Rollenmeißel 9 erweitert
das Vorloch 1 auf die Stufe 10, der Rollenmeißel 12 die Stufe 10 auf die Stufe größeren
Durchmessers 13. Wie aus dieser schematischen Darstellung ersichtlich, kann es bei
diesem einfach durch Aufeinandersetzen zweier Rollenmeißel gebildeten Aufbohrgerätes
ohne weiteres der Fall sein, daß beide Rollenmeißel zu gleicher Zeit Schichtübergänge
durchbohren. So zeigt das gewählte Beispiel, daß der Rollenmeißel 9 gerade den Übergang
der Schichten 2 und 3 erreicht hat, während gleichzeitig der Rollenmeißel 12 den
Schichtenübergang 3 und 4 zu bohren beginnt. Ein starkes Schlagen der gesamten Bohreinrichtung
ist die unausbleibliche und unvermeidbare Folge.
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Dieselbe Figur zeigt weiterhin einen gleichfalls in der Bohrpraxis
häufig vorkommenden Fall. Wenn der Bohrvorgang nach unten weiter fortgeschritten
ist, gelangt das Bohrgerät in die Schicht 2-2, welche aus einer Störung, aus Mergel,
einer leicht brechenden
Kohle oder aus einem stark irrhomogenen,
bröckelnden Gestein oder gar aus auslaufenden Sanden bestehen möge. Die Dicke dieser
Schicht ist stärker als das aus den beiden Rollenmeißeln 9 und 12 und dem Zwischennippel
15 bestehende Aufbohrgerät lang ist. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß
das Aufbohrgerät in einer solch instabilen Schicht jeder ruhigen Führung beraubt,
sowohl innerhalb dieser Schicht, wie aber besonders beim Erreichen der nach unten
anschließenden Schicht 16 starke Schläge in die gesamte Bohranlage bringen wird.
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Fig. 1I zeigt einen Schnitt durch das gleiche Gebirgsprofil und gibt
eine Anordnung des Aufbohrgerätes wieder, welches dem Erfindungsgedanken entsprechend
aufgebaut ist. Der Unterschied besteht in dem gewählten Abstand der beiden Rollenmeißel
9 und 12. Hat deren Abstand in Fig. I die Größe 17 gehabt, so ist dieser hier gemäß
der Erfindung mit der Größe 18 gewählt. Der Abstand 17 zwischen den Bohrlochsohlen
der Erweiterungsstufen 10 und 13 war zufällig genau so groß wie die Dicke der Schicht
3-3 gemessen. Die Erfindung schreibt vor, daß der Abstand der beiden Rollenmeißel,
gemessen zwischen ihren Bohrsohlen, nicht der Dicke einer Schicht entsprechen darf,
sondern so groß sein muß, daß beim Durchfahren einer Grenzzone durch einen Rollenbohrer
der andere Rollenbohrer noch innerhalb einer Schicht bohren muß und seinerseits
noch keine Grenzzone erreicht haben darf. Dies ist bei dem hier gewählten Abstand
18 der Fall, indem durch eine entsprechend lang gewählte, zwischen die Rollenmeißel
9 und 12 gesetzte Abstandsstange 19, dem Erfindungsgedanken entsprochen wurde. Fig.
II zeigt weiterhin, daß der Abstand 18 der beiden Rollenmeißel größer ist als die
Dicke der Schicht 2. Während der Rollenmeißel 9 diese irrhomogene Schicht 2-2 durchfährt,
bohrt der Rollenmeißel 12 noch in der festen Schicht 3. Er tut dies auch noch, während
der Rollenmeißel 9 die kritische Übergangszone 2-16 durchbohrt. Kommt jedoch Rollenmeißel
12 in den für ihn kritischen Grenzbereich der Schichten 3-2, so ist Rollenmeißel
9 bereits in der festen Schicht 16. So übernehmen die beiden Rollenmeißel immer
abwechselnd die sichere, ruhige Führung des Aufbohrmeißels.
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In Fig. III ist ein Schema der Abstandsermittlung der einzelnen Stufen
des Aufbohrmeißels im Sinne der Erfindung dargestellt. Sie zeigt deutlich, daß der
erfindungsgemäß zu wählende Abstand der einzelnen Stufen stark von dem Einfallen
der Schichten abhängig ist. Die drei dargestellten Schichten 7, 8 und 9 haben ein
Einfallen von etwa 45°. Die Dicke der Schicht 8 wird normalerweise mit der Größe
13 angegeben, die senkrecht auf dem Einfallen steht. Für die Wahl des Abstandes
der einzelnen Erweiterungsstufen ist jedoch zunächst die Größe der übergangszone
maßgebend. Diese wiederum ist von dem jeweilig zu bohrenden Durchmesser des Bohrloches
abhängig. Die Übergangszone zwischen den Schichten 9-8 hat für den Bohrlochdurchmesser
1 die Größe 2, für den Durchmesser 3 die Größe 4 und für den Durchmesser 5 die Größe
6. Ist also lediglich eine Übergangszone wie 9-8 zu durchbohren, so wäre der Abstand
der beiden Stufen etwas größer als der aus der Darstellung zu entnehmende Wert 14
zu wählen. Die den Durchmesser 3 bohrende Stufe hat dann nämlich nach Zurücklegung
des Weges 4 bereits die Übergangszone 9-8 verlassen, während die den Durchmesser
5 bohrende Stufe die Übergangszone 9-8 noch nicht erreicht hat. Mindestens eine
Erweiterungsstufe bohrt also in einer homogenen Schicht, wenn die andere einen Übergangsbereich
durchfährt.
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Hat, wie in der Darstellung, die anschließende Schicht 8-8 jedoch
nur eine relativ geringe Stärke, so würde nach dem eben Gesagten die Stufe Durchmesser
3 nur den Weg 15 im homogenen Bereich durchfahren; dann. tritt sie bereits in den
übergangsbereich der Schichten 8-7, der für sie den Wert 16 besitzt.
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Ist gemäß dem Erfindungsgedanken daher der Abstand der Stufen des
Autbohrmeißels mit den Erweiterungsdurchmessern 3 und 5 für das Durchfahren der
Schichten 9-8-8-7 zu bestimmen, so kann man ihn ohne weiteres in dem Wert 12 ablesen.
Die Stufe mit dem Durchmesser 5 bohrt dann noch in der homogenen Schicht 9 in der
Ebene 11, während die Stufe mit dem Durchmesser 3 bereits in der Schicht 7 in der
Ebene 10 bohrt. So stützen sich die beiden Stufen gegenseitig beim Durchfahren kritisch
bohrbarer Übergangsbereiche ab.
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Daß dieser Erfindungsgedanke durch die Wahl von mehr als zwei Erweiterungsstufen
und durch zweckentsprechende Festlegung der Durchmesser der einzelnen Stufen je
nach Gebirgsformation wandelbar ist, sei hier ausdrücklich hervorgehoben.
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Der unterschiedliche Abstand zwischen je zwei Stufen des Aufbohrgerätes
wird durch die Verwendung verschieden langer Nippel oder Bohrstangen als Verbindungselement
hergestellt. Es können auch mehrere Nippel und oder Bohrstangen zu einem Verbindungselement
zusammengeschraubt werden. Der Abstand zwischen zwei Stufen kann in der Größenordnung
bis zu mehreren Metern liegen.
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Mit dem aufgezeigten Verfahren und den beschriebenen Vorrichtungen
ist es ermöglicht worden, Erweiterungsbohrungen bis zu Durchmessern von 800 und
mehr Millimeter und Längen bis zu 200 m bei bisher nicht erreichter ruhiger Bohrarbeit
in irrhomogenen und geschichteten Gebirgsformationen verschiedenen Einfallens zu
erstellen.