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Verfahren zum Bohren bzw. Erweiterungsbohren im Erdreich und Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zum Bohren bzw. Erweiterungsbohren im Erdreich. Die Erfindung ermöglicht, Bohrlöcher
von größeren Durchmessern und beliebiger Tiefe herzustellen und, falls notwendig,
zu erweitern und hat den Zweck, dieses Ziel mit möglichst einfachen und billigen
Geräten zu erreichen.
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Die bekannten Bohrverfahren sind im wesentlichen das Stoßbohrverfahren,
bei dem der Bohrmeißel eine schlagende Wirkung ausübt, und das Drehbohr- oder Rotaryverfahren,
bei dem der Meißel in drehende Bewegung versetzt wird. Beim Stoßbohrverfahren kann
der mit einer Schwerstange versehene Meißel an einem Drahtseil hängen und von einer
Schlagwinde hochgezogen und wieder fallen gelassen werden. Um ein kreisrundes Loch
zu bohren, muß die Schneide dieses Bohrmeißels jedoch versetzt werden, was zwangläufig
nicht möglich ist und durch den Drall des Drahtseiles nur zufällig und in unvollkommener
Weise erreicht werden kann. Man benutzt aus diesem Grunde vielfach ein festes Gestänge
statt des Drahtseiles, um den Meißel von oben versetzen zu können. Ein solches Gestänge
ist jedoch insbesondere bei größerer Bohrtiefe ungünstig wegen seiner Trägheit,
wegen der Bruchgefahr und wegen der Arbeit, die das Ein- und Ausbauen verursacht.
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Ferner nützen sich Schlagmeißel an der Peripherieschneide schnell
ab, und es entsteht die Gefahr, daß der unten konisch gewordene Meißel sich im Bohrloch
festklemmt.
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Bei Drehbohrgeräten, bei denen der Meißel durch ein Gestänge in Umdrehung
versetzt wird, ist nachteilig, daß das Ein- und Ausbauen viel Zeit beansprucht,
daß das Gestänge ein sehr großes Drehmoment auf den Meißel übertragen muß, insbesondere
bei größeren Bohrlochdurchmessern; und deshalb mit seinen Schraubverbindungen aus
bestem Stahl sehr sorgfältig hergestellt und gegen überbelastung mit geeigneten
Mitteln geschützt werden muß. Bei größeren Bohrtiefen ist die elastische Verdrehung
des Gestänges ein Problem, weil bei großem Bohrwiderstand im Gestänge Energie aufgespeichert
wird, die bei plötzlicher Verminderung des Bohrwiderstandes frei wird und zu übermäßigen
Belastungen führen kann. Das Bohrgestänge hat allerdings den Vorteil, daß es als
Leitung für die Spülflüssigkeit verwendet werden kann, die unter hohem Druck in
die Bohrsohle eingespritzt wird und beim Hochsteigen zwischen Gestänge und Bohrlochwand
den Bohrschmant nach oben fördert. Bei großem Bohrlochdurchmesser wird jedoch die
Geschwindigkeit der aufsteigenden Bohrflüssigkeit zu gering für eine wirksame Schmantförderung.
Eine entsprechende Vergrößerung des Gestängedurchmessers würde wegen des hohen Flüssigkeitsdruckes
und wegen der Rolle, die das Eigengewicht bei größeren Tiefen spielt, zu großen
Abmessungen und zu einer Verstärkung der Antriebsmaschinen und des Bohrturmes und
damit zu enormen Mehrkosten führen. Bei direktem Antrieb des Bohrmeißels durch eine
Turbine braucht sich das Gestänge nicht zu drehen, muß aber immer noch die Reaktion
des Drehmomentes aufnehmen und einem noch höheren Flüssigkeitsdruck standhalten.
Das sogenannte Gegenstromverfahren, wobei die Flüssigkeit im Ringraum zwischen Gestänge
und Bohrloch bzw. Bohrlochverrohrung hinab und durch das Gestänge hochgedrückt wird,
ist wohl für größere Bohrlochdurchmesser, jedoch nicht für große Tiefen geeignet,
weil bei hohen Drücken die Verrohrung entsprechend stärker sein müßte, was zu enormen
Gewichten führen würde. In einem Bohrloch ohne Verrohrung bestünde die Gefahr, daß
sich die Flüssigkeit in durchlässigen Schichten verlieren würde.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, mit einfachen Mitteln
Bohrlöcher großen Durchmessers und, wenn notwendig, großer Tiefe auszuführen. Darüber
hinaus gibt es die Möglichkeit, Bohrlocherweiterungen auf sehr einfache Weise auszuführen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die für das normale Bohren bestimmt
ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Rollmeißel aus zwei mit Zähnen bestückten
Halbkugeln besteht, die auf einer waagerechten Achse selbsttätig drehbar aufgenommen
sind und daß jede Kugelhälfte einen getrennten Seil- oder Kettenantrieb besitzt,
wobei die beiden Antriebe gegenläufig zueinander betätigbar sind.
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Ein weiteres Merkmal dieser. Vorrichtung besteht darin, daß die beiden
Kugelhälften auf einer waagerechten, an einer senkrechten als. Halterung für die
Kugelhälften
dienenden Platte befestigten Drehachse aufgenommen sind und je miit-einer parallel
zur Platte verlaufenden ringförmigen Führungsrolle für das Seil versehen sind und
daß an der Platte ein die Führungsrillen beider Kugeln abhebender Ring befestigt
ist, der mit Führungen für den Ein- lind Auslauf 'der Seile versehen ist.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist die Vorrichtung noch dadurch
gekennzeichnet; daß an der die Halbkugeln tragenden Platte eine an -sich bekannte
Schwerstange befestigt ist, die mit seitlich vorstehenden, je zwei Führungen für
die die Halbkugeln betätigenden Seile versehen ist.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens für das Erweiterungsbohren
ist dadurch gekennzeichnet,'daß beim Erweiterungsbohren der Rollmeißel aus einer
mit Zähnen bestückten Vollkugel besteht, die mittels eines Seiles oder einer Kette
um.eine waagerechte Achse drehbar ist, und daß die Zähne auf den beiden durch eine
Mittelebene geteilten Kugelhälften einander entgegengesetzt gerichtete Schneidkanten
aufweisen. -Ein weiteres Merkmal dieser Vorrichtung besteht darin, daß die Kugel
aus zwei in einer senkrechten Mittelebene aneinander anliegenden, fest miteinander
verbundenen Halbkugeln besteht, daß die Halbkugeln an der Stelle ihres größeren
Umfanges je eine sich zu einer Führungsrille für das Seil ergänzende Ausnehmung
besitzen, die durch einen drehbar auf den Halbkugeln angeordneten Führungsring abgedeckt
ist, und daß der Führungsring fest mit der die Seilrolle tragenden Halterung verbunden
ist.
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Die Zeichnungen zeigen beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtungen, und es bedeutet F i g. 1 Seitenansicht der für das normale Bohren
bestimmten Vorrichtung, F i g. 2 senkrechter Schnitt gemäß F i g. 1, F i g. 3 Seitenansicht
der für das Erweiterungsbohren geeigneten Vorrichtung und F i g. 4 senkrechter Schnitt
gemäß F i g. 3.
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Der Rollmeißel für normales Bohren gemäß F i g. 1 und 2 besteht aus
den Halbkugeln a und b, die auf dem Doppelzapfen c drehbar gelagert sind und durch
den Bolzen d zusammengehalten werden. Diese Halbkugeln sind mit den Zähnen q hestüekt.
Der Doppelzapfen c ist mit der Zwischenplatte e fest verbunden. Die Halbkugeln
a und b sind mit den Drahtseilrillen f
und g versehen. Die Drahtseilrillen
j und g sind durch die Ringe h und i überdeckt, welche mit der Zwischenplatte
e fest verbunden sind. Auf der Zwischenplatte e, die nach oben trapezförmig ausläuft,
ist eine Schwerstange j befestigt. Die Schwerstange j ist an ihrem oberen Ende mit
den Querstücken k und l verbunden. Die Querstücke k und Z haben an
ihrem Ende je zwei Seilführungen m. Auf den Ringen h und
i sind ebenfalls je zwei Seilführungen n angebracht. Das Drahtseil o treibt
die Halbkugel a und das Drahtseil p, die Halbkugel b an, und
zwar so, daß die Halbkugeln a
und b sich jeweils in entgegengesetzter Richtung
drehen. Der Antrieb der Drahtseile o und p kann z. B. durch zwei Winden besorgt
werden. Die nach oben verlängerten Drahtseile o und p werden mit den Drahtseilen
der Antriebswinden verbunden, und zwar so, daß eine Winde am rechten Ende des Drahtseiles
o und am linken Ende des Drahtseiles p zieht, während die andere Winde an den übrigen
beiden Enden der Drahtseile o und p zieht. Die Winden arbeiten abwechselnd; während
die eine zieht, gibt die andere ihr Seil frei und umgekehrt. Die jeweilige Zugperiode
hängt von der Länge der Seile o und p ab.
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'- Durch das Seil o wird also die Halbkugel a während einer Periode-
im: Uhrzeigersinn und die Halbkugel b gleichzeitig im entgegengesetzten Sinne um
den Zapfen c gedreht, und dann wird die Drehrichtung beider Halbkugeln während -einer
gleichlangen Periode umgekehrt. _ Die Halbkugeln a und b werden durch
das Gesamtgewicht des Rollmeißels und seine Schwerstange, abzüglich des Zuges der
Seile o und p auf die Bohrlochsohle gepreßt und kommen mit ihren unter der horizontalen
Mittelebene der Halbkugeln a und b gelegenen Zähne zum Eingriff in
die Bohrlochsohle. Durch die Reibung ' auf der Bohrlochsohle erzeugen die Zähne
q ein Drehmoment des Rollmeißels um die senkrechte Mittelachse. Der Beitrag jedes
einzelnen Zahnes q zum Gesamtdrehmoment ist verschieden und hängt davon ab, auf
welchem waagerechten 'Kreis um die senkrechte Achse des Rollmeißels der betreffende
Zahn q zum Eingriff kommt, wie groß die durch seinen Abstand vom Drehzapfen c gegebene
Drehgeschwindigkeit um diesen Zapfen ist, und welcher Winkel von den durch den Zahn
laufenden Tangenten des horizontalen Kreises nm die senkrechte Achse des Rollenmeißels
einerseits und des senkrechten Kreises um den Drehzapfen c andererseits gebildet
wird.
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Nimmt man an, daß ein bestimmter Zahn q auf der Bohrlochsohle abrollt,
ohne eine gleitende Bewegung auszuführen, dann müssen alle anderen nicht in derselben
Lage und Situation befindlichen Zähne q außer der rollenden Bewegung noch eine schabende
Bewegung ausführen.
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Die Summe der von den Zähnen q erzeugten Drehmomente bewirkt ein Drehen
des Rollmeißels um seine senkrechte Achse in abwechselnder Drehrichtung in Abhängigkeit
von der wechselnden Betätigungsrichtung der Seile. Durch das Drehen des Rollmeißels
werden die Antriebsseile der Antriebswinden jeweils nach rechts- und linksherum
verdreht. Da jedoch nur das nach oben ziehende Seil der einen Winde unter Spannung
steht, und das nach unten gehende der anderen kaum Spannung hat, und ferner die
Verdrehung sich auf eine große Seillänge verteilt, hat dieser Umstand keine große
Bedeutung.
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Der erfindungsgemäße Rollmeißel löst das Erdreich bzw. den Fels. Er
arbeitet entweder im Grundwasser oder in von oben zugeführtem Wasser, so daß das
Bohrgut mit dem Wasser zusammen einen Bohrschmant bildet, der durch den Rollmeißel
ständig aufgewirbelt wird und deshalb keine wesentliche Behinderung des Bohrvorganges
darstellt. Die Suspensiou des Bohrgutes im Wasser kann in bekannter Weise dadurch
verbessert werden, daß das Wasser mit Zuschlagstoffen aufbereitet wird, die sein
spezifisches Gewicht erhöhen. Von Zeit zu Zeit wird der Rollmeißel aus dem Bohrloch
herausgezogen und der Bohrschmant durch einen der bekannten Schmantlöffel entfernt,
der durch eine Schmantwinke versenkt und gehoben wird.
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Es ist also mit dem erfindungsgemäßen Rollmeißel möglich, Bohrlöcher
größter Durchmesser mit einem verhältnismäßig geringen Geräteaufwand herzustellen.
Die Kraftübertragung von Übertage auf den Rollmeißel mit Hilfe von Drahtseilen,
die keiner stoßweisen
Belastung ausgesetzt sind, ist billig und
sicher. Die hohe spezifische Festigkeit der Drahtseile und ihr verhältnismäßig geringes
Eigengewicht geben die Möglichkeit, sehr große Tiefen zu erreichen, bevor die Summe
aus Nutzgewicht und Eigengewicht die zulässige Drahtseilbeanspruchung übersteigt.
Bei Nachfall von den Bohrlochwänden kann der Rollmeißel auch in Richtung nach oben
arbeiten und sich frei machen.
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Der Rollmeißel für das Erweiterungsbohren gemäß F i g. 3 und 4 besteht
aus einer schweren Kugel r, die mit den Zähnen s bestückt ist. Nur aus Montagegründen
wird die Kugel aus zwei Halbkugeln gebildet, die durch den Bolzen t fest zusammengehalten
werden. Die Kugel r ist mit einer Seilrille u versehen. Ein Führungsring
v ist drehbar auf der Kugel r gelagert und mit den Führungsbacken w für die zweirillige
Seilrolle x fest verbunden. Das Drahtseil y läuft in der Seilrille u, und seine
Enden sind durch Löcher in dem Führungsring v über die Seilrolle x nach oben geführt.
Das Seil y wird periodisch abwechselnd an jeweils einem Ende nach oben gezogen,
wobei das andere Ende frei nach unten laufen kann.
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Die Zähne s werden so ausgebildet, daß sie in einer Drehrichtung schärfer
eingreifen als in der entgegengesetzten, was z. B. durch verschiedene Eingriffswinkel
erreicht werden kann. Die Zähne s sind auf der linken Hälfte der Kugel r in entgegengesetzter
Richtung der Zähne s der rechten Halbkugel orientiert.
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Die Kugel r wird auf die Bohrlochsohle versenkt. Dann wird ein Ende
des Seiles y nach oben gezogen und das andere Ende nach unten freigegeben. Die Kugel
r rollt dann auf der Bohrlochsohle in seitlicher Richtung bis an die Bohrlochwand.
Die auf der Bohrlochsohle eingreifenden Zähne s erzeugen einen seitlichen Schub,
so daß die seitlichen Zähne s in die Bohrlochwand eingreifen und eine Verbreiterung
des Bohrloches bewirken. Die verschiedene Orientierung der Zähne s auf den
beiden Hälften der Kugel r bewirkt, daß der Widerstand gegen das Drehen um
die waagerechte Achse auf der einen Kugelhälfte größür ist als auf der anderen.
Dadurch entsteht ein Drehmoment um die senkrechte Achse der Kugel r, so daß sie
nicht nur eine Drehung um die waagerechte Achse, sondern gleichzeitig eine solche
um die senkrechte Achse ausführt. Ohne die Drehung um die senkrechte Achse würden
die Zähne s an der dem Ring v gegenüberliegenden Fläche des Bohrloches nicht zum
Eingriff kommen.
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Nachdem das Seil y an einem Ende eine gewisse Zeit hochgezogen wurde,
wird dieses Ende freigegeben und das andere Ende hochgezogen und dadurch die Drehrichtungen
der Kugel r umgekehrt.
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Die tanzende Bewegung der Kugel r trägt dazu bei, daß sie ihre waagerechte
Bewegungsrichtung ändert und den ganzen Umfang des Bohrloches erweitert. Der Rollmeißel
für das Erweiterungsbohren ist äußerst einfach und vermeidet die Benutzung von Gestängen
und den damit verbundenen Zeitaufwand. Bei Nachfall der Bohrlochwände kann er auch
nach oben arbeiten und sich selbst frei machen.