DE2441429B2

DE2441429B2 - Vorrichtung zur erdprobenahme

Info

Publication number: DE2441429B2
Application number: DE19742441429
Authority: DE
Inventors: Alexandr D.; Gurkow Konstantin S.; Roschkow Leonid G.; Tkatsch Chaim B.; Nowosibirsk; Tanow Ewgenij L; Ploschtschadnyj Wiktor J.; Aschchabad; Kostylew (Sowjetunion)
Original assignee: Institut gornogo dela Sibirskogo otdelenija Akademii Nauk SSSR, Nowosibirsk; Uprawlenie geologii soweta ministrow Turkmenskoj SSR, Aschchabad; (Sowjetunion)
Priority date: 1973-08-29
Filing date: 1974-08-29
Publication date: 1977-02-10
Also published as: DE2441429C3; FR2242678A1; AU7227874A; FR2242678B1; DE2441429A1; GB1434680A; EG11332A; DD112488A1; US3955631A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erdprobenahme, die ein Gehäuse, in dem ein pneumati sches Schlagwerk untergebracht ist, und eine axial angeordnete, von dem Schlagwerk beaufschlagte Aufnahmehülse zur Entnahme der Erdprobe enthält.

Aus der US-PS 23 45 739 und den DT-PS 9 65 393 und 00 310 sind Vorrichtungen dieser Art bekannt, die ein von einem Schlagwerk beaufschlagtes Schlagkernrohr enthalten, das als Bohrwerkzeug dient.

Aus der DT-AS 11 60805 ist ein Gerät zur Entnahme von Bodenproben nach Art von Bohrkernen mit einem lieh beim Eindringen des Probezylinders über die Probe tegenden und ihn beim Ziehen umhüllenden Schlauch, der mit seinen Enden lösbar befestigt ist, bekannt, bei der an dem an der Bohrlochseite gelegenen Ende des Probenzylinders ein den nach außen umgelegten Abschnitt des Schlauches überdeckender Schneidschuh abnehmbar befestigt ist. Der hier für jede Bodenprobeentnahme erforderliche Schlauch erfordert für dessen Einbringen zusätzliche Arbeitsgänge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erdprobenahme der eingangs erwähnten Art anzugeben, die die zum Eintreiben und Herausnehmen der Vorrichtung aus dem Erdreich erforderlichen Kräfte herabzusetzen sowie die Funktionsgeschwindigkeit bei der Probenahme aus der Erde zu steigern gestattet.

Dies wird erfindungsgemaß bei einer Vorrichtung zur Erdprobenahme, die ein Gehäuse, in dem ein pneumatisches Schlagwerk untergebracht ist und eine axial angeordnete, von dem Schlagwerk beaufschlagte Aufnahmehülse zur Entnahme der Erdprobe enthält dadurch erreicht daß an der Seitenfläche der starr mit dem Schlagwerk verbundenen Aufnahmehülse ein ringförmiger Vorsprung ausgeführt ist welcher in einem Abstand von der vom Schlagwerk abgewandten Stirnfläche der Hülse angeordnet ist der nicht kleiner ist als die Hälfte des Hülsenaußendurchmessers und der einen größeren Durchmesser aufweist als das Gehäuse des Schlagwerks.

Durch die starr mit dem Schlagwerk verbundene Aufnahmehülse treibt das Schlagwerk letztere selbsttätig vor, wobei der ringförmige Vorsprung, wenn er in einem Abstand von der vom Schlagwerk abgewandten Stirnfläche der Hülse angeordnet ist, der nicht kleiner ist als die Hälfte des Hülsenaußendurchmessers, durch seinen größeren Durchmesser als das Gehäuse einerseits die erforderliche Reaktionskraft beim Vortreiben der Aufrahmehülse gewährleistet und andererseits die zum Herausnehmen der Vorrichtung aus der Bohrung erforderliche Kraft wesentlich verringert.

Aus der DT-AS 11 77 854 ist zwar die Verwendung von Vorsprüngen an Vorrichtungen zur Bodenprobeentnahme bekannt, jedoch dienen diese dort dazu, das Loslösen des Bodens vom Rohr zu erleichtern und beim Eintreiben die Reibung an den Wänden zu vermindern, und sie haben zu diesem Zweck konisch verjüngte Form.

Vorteilhaft ist im Boden der Aufnahmehülse eine axiale Bohrung zur Verbindung mit dem Gehäuse ausgespart, in die ein Teil des Gehäuses eingesetzt ist, wobei in diesem Teil des Gehäuses und in der Aufnahmehülse senkrecht zu deren gemeinsamer Achse durchgehende Bohrungen zum Einsetzen eines Bolzens vorgesehen sind, der die Aufnahmehülse an dem Gehäuse hält.

Eine solche Verbindung des Gehäuses des Schlagwerks mit der Aufnahmehülse ermöglicht deren Einstellung genau längs der Längsachse vom Gehäuse.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung für die Probeentnahme in weichen und wasserreichen Böden ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhütung einer Zerstörung der Bohrungswandung das pneumatische Schlagwerk und die Aufnahmehülse in einem Schutzmantel untergebracht sind, der auf der Aufnahmehülse näher als der Vorsprungring zu deren vorderer Stirnfläche hin befestigt ist, wobei Abschnitte der Außenmantelfläche der Aufnahmehülse und der Innenfläche des Schutzmantels an der Befestigungsstelle die Form eines Kegels aufweisen, der mit seiner Grundfläche dem Schlagwerk zugekehrt ist und einen Kegelwinkel hat, welcher kleiner ist als der Reibungswinkel zwischen den Werkstoffen des Schutzmantels und der Aufnahmehülse.

Die Verwendung von Schutzmänteln bei Vorrichtungen zur Entnahme von Bodenproben ist zwar aus der DT-AS 11 56 366 an sich bekannt, jedoch erfolgt dort das Vortreiben des Probeentnahmegerätes mittels des äußeren Schutzrohres, so daß dieses immer mit dem Schlagantrieb verbunden werden muß, während bei der erfindungsgemäßen Weiterbildung das Schutzrohr völlig unabhängig vom Schlagwerk in der Bohrung

verbleiben kann. Lediglich durch Herabsenken der trfindungsgemäßen Vorrichtung in das Bohrloch kann (jäher mit ein und demselben in der Bohrung verbleibenden Schutzrohr eine Vielzahl von Bodenprobenentnahmen in verschiedener Tiefe auch bei weichen und wasserreichen Böden vorgenommen werden.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erdprobenahme, teilweise im Längsschnitt;

Fig.2 eine Abwandlung in entsprechender Darstellung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Erdprobenahme auf der Erdoberfläche, aus einer in irgendweleher anderen Art niedergebrachten Bohrung sowie zum Bohren von Flachbohrungen. Die Vorrichtung kann vertikal oder schräg eingeschlagen und eingetrieben werden.

Die Vorrichtung zur Erdprobenahme enthält ein pneumatisches Schlagwerk 1 (Fig. 1) und eine mit diesem starr verbundene Aufnahmehülse 2 zur Aufnahme der Erdprobe.

Die Aufnahmehülse 2 und das pneumatische Schlagwerk I sind koaxial angeordnet. In einem Abstand von weniger als 0,5 des Außendurchmessers der Hülse 2 von dem Stirnende, das vom Schlagwerk abgelegen ist, ist auf der Mantelfläche der Aufnahmehülse 2 ein Vorsprungsring 3 befestigt, der zur Verminderung des Erdwiderstandes an der Mantelfläche der Vorrichtung bei deren Eintreiben ins Erdreich und Herausnehmen aus der Bohrung dient; daher ist der Durchmesser dieses Vorsprungsringes 3 ein wenig größer als der Durchmesser der Aufnahmehülse 2 und des Schlagwerks 1.

Die Anbringung des Vorsprungsrings 3 in dem Abstand von weniger als 0,5 des Außendurchmessers der Hülse 2 von deren Stirnende erfolgt, damit die Haftkräfte der Hülse 2 an dem Erdreich auf der Strecke von dem Stirnende bis zum Vorsprungsring 3 zum Zurückhalten der Vorrichtung gegen Rückspringen während Betriebes des Schlagwerks 1 groß genug sind. Wird dieser Abstand kleiner gewählt, so springt die Vorrichtung beim Rücklauf des Schlagwerks 1 in zur Bewegung beim Eintreiben ins Erdreich entgegengesetzter Richtung zurück.

Das pneumatische Schlagwerk 1 besitzt ein hohles Zylindergehäuse 4. In diesem Zylindergehäuse 4 ist ein Schlagkörper 5 hin- und herbeweglich untergebracht. Im unteren (gemäß der Zeichnung) Teil des Gehäuses 4 ist eine axiale Zentralkegelbohrung ausgespart, in der ein Amboß 6 eingebaut ist, welcher mit seiner kleineren Grundfläche einen nach unten gerichteten und teilweise außerhalb des Gehäuses 4 herausragenden Kegelstumpf darstellt. Auf der Außenmantelfläche des Schlagkörpers 5 sind in gewissem Abstand voneinander zwei Ringbunde 7 und 8 vorgesehen, deren Außenflächen jeweils mit der Innenfläche des Gehäuses 4 in Berührung stehen. Der Schlagkörper 5 enthält an seinem Oberende einen Zylinderraum 9 in der Mitte, in dem teilweise ein Schieber 10 untergebracht ist, der einen hohlen abgestuften Zylinder darstellt, dessen Stufe mit größtem Durchmesser in den Zylinderraum 9 des Schlagkörpers 5 hineingeht. Am oberen (gemäß der Zeichnung) Teil des Schiebers 10 ist ein Schlauch 11 zur Zuführung des Druckgases, beispielsweise aus einem nicht mit abgebildeten Verdichter, angeschlossen.

In diesem Beispiel wird ein umgekehrtes Schlagwerk 1 ausgenutzt; daher ist im gemäß der Zeichnung oberen Teil des Gehäuses 4 eine Mutter 12 eingeschraubt, in deren Zentralbohrung ein ringförmiger, eine Mutter 14 umgebender Dämpfer 13 eingelegt ist, welche in die Saife des Schiebers 10 mil kleinstem Durchmesser eingeschraubt ist Die Mutter 14 weist an ihrem Oberende einen Ringvorsprung auf, der zur Festlegung eines Ringventils 15 zwischen diesem und der Stirnfläche des Dämpfers 13 dient, durch welches das Eindringen von Fremdkörpern ins Gehäuse 4 des Schlagwerks t vermieden wird.

Auf diese Weise wird zwischen der Wandung des Innenraumes im Gehäuse 4, der Außenfläche des Schiebers 10 und den Stirnflächen des Dämpfers 13 und des Schlagkörpers 5 ein Innenraum 16 gebildet, während zwischen dem Unterteil (gemäß der Zeichnung), der Wandung der Bohrung im Gehäuse 4 und der Außenfläche des Schlagkörpers 5 ein Innenraum 17 entsteht Diese Innenräume 16 und 17 sind voneinander durch den Bund 7 getrennt, der auf der Außenfläche des Schlagkörpers 5 vorgesehen ist Ein Bund 8 weist Kanäle 18 zum Luftdurchgang auf.

Zur periodischen Verbindung des Innenraums 17 mit den Innenräumen 16 und 9 während der Bewegung des Schlagkörpers 5 werden in dessen Wandung Fenster 19 ausgespart, und der Dämpfer 13 besitzt zur Verbindung des Innenraums 16 mit der Atmosphäre eine Reihe von Bohrungen 20.

Im Boden der Aufnahmehülse 2 ist eine axiale Zentralbohrung zwecks Verbindung mit dem Gehäuse 4 des pneumatischen Schlagwerks 1 ausgeführt. Im vorliegenden Fall ist in diese Bohrung der außerhalb des Gehäuses 4 vorragende Teil des Ambosses 6 eingeführt; aus diesem Grunde ist die Bohrung im Boden der Aufnahmehülse 2 eine Kegelbohrung. Bei solcher Ausführung bildet der Amboß 6 mit dem Gehäuse 4 des Schlagwerks 1 eine Einheit. Im Ambos 6 und in der Aufnahmehülse 2 sind senkrecht zur gemeinsamen Längsachse durchgehende Bohrungen zur Unterbringung eines Bolzens 21 ausgedreht, der zur Halterung der Aufnahmehülse 2 am Gehäuse 4 dient und die Hülse 2 beim Herausnehmen der Vorrichtung aus der Erde festhält.

Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erdprobenahme in wasserreichem Erdreich angewandt, wird auch ein Schutzmantel 22 (Fig.2) benutzt, der eine Zerstörung und ein Herabfließen der Sohrungswandung während der Probenahme verhindert. Zur Befestigung des Schutzmantels 22 auf der Aufnahmehülse 2 ist ein Abschnitt 23 von deren Außenmantelfläche, welcher ein wenig unter dem erwähnten Vorsprungsring 3 (gemäß der Zeichnung) liegt, kegelig ausgeführt. Die Seitenfläche dieses Abschnitts ist mit einem Innenflächenstück 24 des Schutzmantels 22 vereint, das ebenfalls kegelig ausgeführt ist. Somit weisen die Aufnahmehülse 2 und der Schutzmantel 22 an diesen Abschnitten jeweils die Form eines mit seiner Grundfläche dem Schlagwerk 1 zugekehrten und einem etwas kleineren Kegelwinkel als der Reibungswinkel zwischen den Werkstoffen des Schutzmantels 22 und der Aufnahmehülse 2 besitzenden Kegels auf. Dieser Kegelwinkel wird entsprechend der Bedingung gewählt, nach welcher die Aufnahmehülse 2 im Schutzmantel 22 beim Eintreiben der Vorrichtung ins Erdreich festeinklemmen muß.

Vor dem Arbeitsbeginn wird die Vorrichtung in vorgegebener Richtung in bezug auf die Erdoberfläche gehalten oder in die Bohrung eingeführt. Dabei stützt sich der Schlagkörper 5 auf dem Amboß 6 ab, und die Fenster 19 verbinden die Innenräume 9 und 17

miteinander.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Druckgas aus einem nicht gezeigten Verdichter tritt in den Schlauch 11 und weiter in den Schieber 10 ein und füllt den Innenraum 9 des Schlagkörpers 5 aus. Weiter strömt das Druckgas durch die Fenster 19 in der Mantelwandung des Schlagkörpers 5 und füllt den Innenraum 17, indem es in dessen Unterteil (der Zeichnung gemäß) durch die im Bund 8 vorgesehenen Kanäle 18 eintritt.

Infolge einer Kraftdifferenz zwischen dem Gasdruck auf die in der Zeichnung untere Stirnfläche des Schlagkörpers 5 und den Boden des Innenraums 9, dessen Fläche geringer als die des Stirnendes des Schlagkörpers 5 ist, beginnt dieser sich aufwärts zu bewegen. Bei seiner Aufwärtsbewegung werden die Fenster 19 durch die Mantelfläche des Schiebers 10 abgedeckt, wodurch die Zufuhr des Gases in den Innenraum 17 aufhört. Der weitere Aufwärtsgang des Schlagkörpers 5 erfolgt infolge der Entspannung des Druckgases im Raum 17, bis dessen Fenster 19 über die Stufe des Schiebers 10 mit dem größten Durchmesser hervortreten. Hiernach tritt das Druckgas aus dem Innenraum 17 über die Fenster 19 in den Innenraum 16 und weiter durch die Bohrungen 20 im Dämpfer 13 in die Atmosphäre aus d. h. es findet der Auspuffvorgang statt, wobei der Schlagkörper 5 seinen Niedergang beginnt. Dieser Niedergang des Schlagkörpers 5 erfolgt durch den Druck des Druckgases im Innenraum 9 sowie unter der Einwirkung der Eigenschwere des Schlagkörpers 5 und endet mit dessen Schlag auf den Amboß 6. Dadurch wird die Aufnahmehülse 2 ins Erdreich eingetrieben. Im Augenblick des Aufschiagens auf den Amboß 6 verbinden die Fenster 19 des Schlagkörpers 5 von neuem dessen Innenraum 9 mit dem Innenraum 17. der mit Druckgas gefüllt wird, wodurch sich der Schlagkörper 5 hoch bewegt. Dann wiederholt sich das Arbeitsspiel des Schlagwerks 1. Diese Wiederholung der Arbeitsspiele des Schlagwerks 1 dauert so lange, bis die Aufnshmehülse 2 mit der Erdprobe gefüllt ist.

Beim Eintreiben der Aufnahmehülse 12 ins Erdreich sind die Reibungskräfte des in der Zeichnung unteren Zylinderteils und Vorsprungsringes 3 an der Bohrungswandung beträchtlich kleiner als beim Eintreiben der Vorrichtung bekannter Ausführung, was die Geschwindigkeit beim Eintreiben der Vorrichtung ins Erdreich erhöht und demzufolge die Leistung steigert.

Nach der erfolgten Füllung der Aufnahmehülse 2 mit der Erdprobe wird die Gaszufuhr zur Vorrichtung abgestellt

Zum Herausnehmen der Vorrichtung aus der Bohrung wird durch Drehung am Schlauch 11 der Schieber 10 aus der Mutter 14 etwa auf die Hälfte der Länge von dessen Stufe mit größtem Durchmesser herausgeschraubt Infolgedessen beginnt der Schlagkörper 5 nach der Zufuhr des Druckgases in den Innenraum 9 und weiter über die Fenster 19 in den Innenraum 17 infolge entstandener Kraftdifferenz von dem Gasdruck an dessen in der Zeichnung unterer Stirnfläche und am Boden des Innenraumes 9, welche unterschiedliche Flächengrößen besitzen, sich aufwärts zu bewegen. Dieser Aufwärtsgang des Schlagkörpers 5 dauert so lange, bis sich dessen Fenster 19 über die Stufe des Schiebers 10 mit größtem Durchmesser bewegt haben. Durch den Umstand, daß der Schieber 10 jetzt eine neue Stellung im Gehäuse 4 einnimmt, tritt der Innenraum 17 über das Fenster 19 mit dem Innenraum 16 und demzufolge auch mit der Atmosphäre etwas später in

ίο Verbindung als beim Eintreiben der Vorrichtung ins Erdreich. Daher wird der Schlagkörper 5 wegen der kurzen Zeitdauer durch den Gasdruck im Innenraum 9 nicht abgebremst und übt einen Schlag auf die in der Zeichnung untere Stirnfläche der Mutter 12 aus.

Der Niedergang des Schlagkörpers 5 erfolgt infolge des Druckes des Druckgases im Innenraum 9 sowie unter der Einwirkung von dessen Eigenschwere. Infolge der neuen Stellung des Schiebers 10 tritt der Innenraum 18 über die Fenster 19 und den Innenraum 9 mit der Druckgasquelle etwas früher als beim Eintreiben der Vorrichtung ins Erdreich in Verbindung; daher wird der Schlagkörper 5 abgebremst, ohne einen Schlag auf den Amboß 6 ausgeübt zu haben. Sodann wiederholt sich das Arbeitsspiel des pneumatischen Schlagwerkes 1, bis die Vorrichtung aus der Bohrung heraustritt. Das Vorhandensein des Vorsprungsringes 3 auf der Mantelfläche der Aufnahmehülse 2 verkürzt bedeutend die Oberfläche der Vorrichtung, die mit der Bohrungswandung in Berührung tritt, wodurch die Schnelligkeit des Herausnehmens aus der Bohrung ansteigt.

Beim Betrieb in lockeren und nachgiebigen Böden wird der Schutzmantel 22 benutzt. Er wird auf der Aufnahmehülse 2 bis zur vollkommenen Vereinigung der Kegelflächen auf der Hülse 2 und am Schutzmantel 22 an den Abschnitten 23 und 24 montiert. Dabei werden Schlagwerk 1 und im wesentlichen auch die Aufnahmehülse 2 von diesem Schutzmantel 22 umhüllt. Während des Betriebes des pneumatischen Schlagwerks 1 wird die Aufnahmehülse 2 ins Erdreich eingetrieben und zieht den Schutzmantel 22 hinter sich her, der sich je nach der Niederbringung der Bohrung mit der Vorrichtung zusammen bewegt und eine Zerstörung und ein Herabfließen von der Wandung verhindert.

Beim Herausnehmen der Vorrichtung aus der Bohrung muß der Schutzmantel 22 in dieser steckenbleiben, da die Haftkräfte mit der Erde an dessen Außenfläche im wesentlichen die des Schutzmantels 22 mit der Aufnahmehülse 2 an deren Abschnitten 23 und 24 übersteigen. Dadurch entsteht die Möglichkeit, die Erdproben aus ein und derselben Bohrung unabhängig von Art und Zustand des Erdreichs in einer Reihenfolge zu nehmen.

Der Betrieb des pneumatischen Schlagwerks 1 unterscheidet sich dabei sowohl bei dem Eintreiben der Vorrichtung ins Erdreich als auch bei deren Herausnehmen nicht von der oben beschriebenen Methode.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erdprobenahme, die ein Gehäuse, in dem ein pneumatisches Schlagwerk untergebracht ist und eine axial angeordnete, von dem Schlagwerk beaufschlagte Aufnahmehülse zur Entnahme der Erdprobe enthält dadurch gekennzeichnet, daß an der Seitenfläche der starr mit dem Schlagwerk verbundenen Aufnahmehülse (2) ein ringförmiger Vorsprung (3) ausgeführt ist welcher in einem Abstand von der vom Schlagwerk (1) abgewandten Stirnfläche der Hülse (2) angeordnet ist der nicht kleiner ist als die Hälfte des Hülsenaußendurchmessers und der einen größeren Durchmesser aufweist als das Gehäuse (4) des Schlagwerks (1).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß im Boden der Aufnahmehülse (2) eine axiale Bohrung zur Verbindung mit dem Gehäuse (4) ausgespart ist, in die ein Teil des Gehäuses eingesetzt ist wobei in diesem Teil des Gehäuses (4) und in der Aufnahmehülse (2) senkrecht zu deren gemeinsamer Achse durchgehende Bohrungen zum Einsetzen eines Bolzens (21) vorgesehen sind, der die Aufnahmehülse (2) an dem Gehäuse (4) hält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhütung einer Zerstörung der Bohrungswandung das pneumatische Schlagwerk(l) und die Aufnahmehülse (2) in einem Schutzmantel (22) untergebracht sind, der auf der Aufnahmehülse (2) näher als der Vorsprungring (3) zu deren vorderer Stirnfläche hin befestigt ist, wobei Abschnitte (23 und 24) der Außenmantelfläche der Aufnahmehülse (2) und der Innenfläche des Schutzmantels (22) an der Befestigungsstelle die Form eines Kegels aufweisen, der mit seiner Grundfläche dem Schlagwerk (1) zugekehrt ist und einen Kegelwinkel hat. welcher kleiner ist als der Reibungswinkel zwischen den Werkstoffen des Schutzmantels (22) und der Aufnahmehülse (2).