DE3908646C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bohrgestänge der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Beim Bohren von Ankerlöchern im Erdreich oder in Ge­ stein verwendet man Bohrgestänge, die an einem auf einer Lafette verfahrbaren Bohrgerät befestigt werden. Dieses Bohrgerät weist einen Drehantrieb und ggf. einen Schlagantrieb, auf und es ist auf einem Schlitten be­ festigt, der von einem Vorschubantrieb gegen das Bohr­ loch gedrückt wird. Wenn mit einer einzigen Bohrstange gearbeitet wird, ist die Länge der verwendbaren Bohr­ stange abhängig von dem Vorschubweg, den der Schlitten auf der Lafette durchlaufen kann, also von der Länge der benutzten Bohrlafette. Bei Anwendungen untertage ist die Länge der benutzbaren Bohrlafetten durch den Querschnitt des Tunnels, in dem die Bohrlafette benutzt wird, begrenzt. Bohrlöcher, in die Zuganker eingebracht werden, müssen häufig eine Tiefe haben, die größer ist als der Vorschubweg, weil einerseits die erforderliche Verankerungskraft eine entsprechend große Ankerlänge erfordert und weil andererseits die Möglichkeit be­ steht, daß im Anschluß an die Tunnelwand zunächst brüchiges Gebirge vorhanden ist, das durchbohrt werden muß, bevor in hinreichend festes Gestein vorgedrungen wird. Es ist daher häufig erforderlich, mit einer ersten Bohrstange vorzubohren und dann an das rück­ wärtige Ende einer ersten Bohrstange eine zweite Bohr­ stange anzusetzen, um weiterzubohren. Das Ankuppeln zweiter Bohrstangen ist sehr zeitaufwendig und behin­ dert die Bohrarbeiten. Auch beim Bohren übertage be­ steht der Wunsch, möglichst tiefe Verankerungslöcher bohren zu können, ohne an die Bohrstange eine zweite Bohrstange ankuppeln zu müssen.

Eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art ist bekannt aus DE-OS 27 31 170. Bei der bekannten Vorrichtung besteht der Bohrstrang aus mehreren teleskopisch ineinanderschiebbaren Rohren, deren Auszugslängen durch Anschläge begrenzt sind. Der von den Rohren umschlossene Innenraum kann mit hydraulischem Druck beaufschlagt werden, um das Teleskopgestänge auszufahren. Für den Vorschub dient ein Lafettenantrieb mit reversibler Drehvorrichtung, wobei jedoch kein Bohrhammer vorgesehen ist. Ein Bohrhammer wäre wegen der hydraulischen Kopplung der Teleskoprohre auch weitgehend wirkungslos, weil die Schlagenergie durch das Hydraulikmedium gedämpft würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrge­ stänge der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ange­ gebenen Art zu schaffen, mit dem bei Beibehaltung der Möglichkeit tiefe Bohrlöcher ohne Ankuppeln zusätzlicher Bohrstangen zu bohren, eine höhere Bohrleistung erzielbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Bohrgestänge sind die koaxial ineinander angeordneten Bohrstangen durch Gewindeeingriff gekoppelt, wobei die Ausschublänge und die Rückzugslänge jeweils durch Anschläge begrenzt sind. Bei zurückgezogener zweiter Bohrstange kann mit einer ersten Drehrichtung gebohrt werden, in der die zweite Bohrstange gegen ihren rückwärtigen Anschlag gedrückt wird. Bei ausgefahrener zweiter Bohrstange kann dagegen in einer zweiten Drehrichtung gedreht werden, in der die zweite Bohrstange gegen ihren vorderen Endanschlag gedrückt wird. Bei beiden Endanschlägen ist eine Übertragung der Schläge des Bohrhammers von der ersten Bohrstange auf die zweite Bohrstange über den Gewindeeingriff möglich. Da die Schläge über den Gewindeeingriff bzw. die Anschläge weitgehend ungedämpft übertragen werden, ist eine hohe Bohrleistung und ein schneller Bohrvortrieb möglich. Durch geeignete Wahl der Drehrichtung wird in Verbindung mit dem Gewindeeingriff und den Anschlägen ein Arbeiten mit drehfester und in Längsrichtung starrer Ankopplung der Bohrstangen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Längsverschiebbarkeit der Bohrstangen dadurch erreicht, daß diese Bohrstangen über Gewinde miteinander in Eingriff stehen, wobei die Schraubbewegung durch Endanschläge begrenzt ist. Diese Gewinde sollten so ausgebildet sein, daß der Gewindeeingriff ein gegenseitiges Spiel zuläßt und möglichst leichtgängig ist. Im Gegensatz zu üblichen Gewindeverbindungen besteht der Zweck des Gewindeeingriffs nicht darin, beide Rohrstangen fest mit­ einander zu kuppeln; vielmehr hat der Gewindeeingriff die Funktion eines Spindelantriebs zum Bewegen der einen Bohrstange relativ zur anderen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet die unmittelbar mit dem Drehantrieb verbundene erste Bohrstange die Außenstange, während die zweite Bohrstange die Innenstange bildet, die einen geringeren Außendurchmesser hat. Alternativ ist es auch möglich, als erste Bohrstange eine Innenstange und als zweite Bohrstange eine hohle Außenstange zu benutzen.

Das Bohrgestänge erlaubt auch die Durchführung von Spülbohrungen, wenn beide Bohrstangen hohl sind und das Zuführen eines Spülmediums vom Bohrgerät zur Bohrkrone ermöglichen.

Die Erfindung betrifft ferner ein Bohrverfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Bohrgestänges. Bei diesem Bohrverfahren wird zunächst mit in der Rückzugs­ position befindlicher zweiter Bohrstange gearbeitet, wobei die Bohrkrone der zweiten Bohrstange das Loch vortreibt. Dieses Loch kann durch eine eventuell nach­ folgende Ringbohrkrone der ersten Bohrstange aufgewei­ tet werden. Nach Beendigung dieses Bohrschritts wird die zweite Bohrstange zurückgezogen und gleichzeitig oder danach wird die erste Bohrstange in die Vorschub­ position ausgefahren. Anschließend wird mit in der Vor­ schubposition verbleibender zweiter Bohrstange weiter­ gebohrt. Während des Ausfahrens der zweiten Bohrstange aus der ersten Bohrstange kann die zweite Bohrstange in ihrer Position im Bohrloch verbleiben, wo sie sich in der Regel durch die Reibung der Bohrkrone und durch Wandreibung gegen Drehung festhält. Während des Zurück­ ziehens des Bohrgerätes wird die erste Bohrstange unter Drehung zurückgezogen. Das Bohrgestänge verbleibt also im Bohrloch, während es verlängert wird.

Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, das Bohrge­ stänge nach dem ersten Bohrschritt nahezu vollständig aus dem Bohrloch herauszuziehen, dann das Ausfahren der zweiten Bohrstange in das schon gebohrte Bohrloch hinein vorzunehmen und anschließend weiterzubohren.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläu­ tert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des Bohrgestänges, teilweise geschnitten, im eingefahrenen Zustand,

Fig. 2 in gleicher Darstellung wie Fig. 1 den ausge­ fahrenen Zustand,

Fig. 3 eine Gesamtdarstellung einer Bohrvorrichtung beim Ausführen des ersten Bohrschrittes,

Fig. 4 das Ausfahren des Bohrgestänges nach Beendigung des ersten Bohrschrittes durch Zurückfahren des Bohrgerätes,

Fig. 5 die Durchführung des zweiten Bohrschrittes mit ausgefahrenem Bohrgestänge,

Fig. 6 das Zurückziehen der zweiten Bohrstange vor dem Entfernen des Bohrgestänges,

Fig. 7 und 8 in gleichem Maßstab wie Fig. 1 und 2 eine weitere Ausführungsform des Bohrgestänges mit kurzer erster Bohrstange bei zurückgezogener und ausgefahrener zweiter Bohrstange,

Fig. 9 die Benutzung des Bohrgestänges nach Fig. 7 und 8 zur Herstellung unterschiedlich tiefer Bohrlöcher untertage von einem Tunnel aus und

Fig. 10 eine Teildarstellung des vorderen Endes eines anderen Bohrgestänges, das keine Ringbohrkrone aufweist.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Bohrgestänge weist eine erste Bohrstange 10 auf, die als hohle Außenstange ausgebildet ist, und eine zweite Bohrstange 11, die koaxial in der ersten Bohrstange 10 verläuft. Die zweite Bohrstange 11 überragt das vordere Ende der ersten Bohrstange 10 und weist außerhalb dieser ersten Bohrstange eine Bohrkrone 12 auf. Die Bohrkrone 12 ist eine Stiftbohrkrone oder Schneidenbohrkrone und sie ist derart ausgebildet, daß sie in beiden Drehrichtungen bohren kann und einen Materialabtrag liefert. Am vorde­ ren Ende der ersten Bohrstange 10 befindet sich eine Ringbohrkrone 13, die ebenfalls in beiden Drehrich­ tungen bohren kann und die das von der Bohrkrone 12 vorgebohrte Bohrloch aufweitet.

Im vorderen Endabschnitt der ersten Bohrstange 10 ist ein Innengewinde 14 vorgesehen, das mit einem Gewinde 15 zusammengreift, welches sich im wesentlichen über die gesamte Länge der zweiten Bohrstange 11 erstreckt. Das rückwärtige Ende des Endabschnitts 16 bildet einen Anschlag 17, gegen den die Vorderkante eines zylindri­ schen Kopfstücks 18 stoßen kann, welches am rückwärti­ gen Ende der Bohrstange 11 vorgesehen ist. Der Anschlag 17 bildet den vorderen Endanschlag zur Begrenzung der Ausfahrbewegung der Bohrstange 11. Hinter dem Anschlag 17 ist der Innendurchmesser der Bohrstange 10 erwei­ tert, so daß das zylindrische Kopfstück 18 in diesem Bereich gleiten kann.

Am rückwärtigen Ende der ersten Bohrstange 10 ist eine Kupplungseinrichtung 19 befestigt, die diese Bohrstange drehfest und schlagfest mit einem Anschlußstück 20 kop­ pelt, welches mit dem Bohrgerät verbunden ist. Das An­ schlußstück 20 weist einen Gewindeabschnitt 21 und einen davon abstehenden Mehrkant 22 auf. Dieser Mehr­ kant 22 sitzt in einem Innenmehrkant 23 am rückwärtigen Ende der Bohrstange 10, so daß diese Bohrstange in bei­ den Drehrichtungen drehfest mit dem Anschlußstück 20 verbunden ist. Die Kupplungseinrichtung 19 weist ferner eine Muffe 24 auf, die mit ihrem einen Ende auf einem Außenkegel 25 am rückwärtigen Ende der Bohrstange 10 sitzt und deren anderes Ende ein Innengewinde 26 auf­ weist, in welches der Gewindeabschnitt 21 des Anschluß­ stücks 20 eingeschraubt ist. Durch Festziehen der Muffe 24 auf dem Gewindeabschnitt 21 wird die Kupplungsein­ richtung 19 derart gespannt, daß sie die Bohrstange 10 gegen Längsbewegung relativ zu dem Anschlußstück 20 fixiert. Auf diese Weise ist die erste Bohrstange 10 drehfest und schlagfest mit dem Bohrgerät verbunden, wobei Schläge über die Stirnwand 27 des Anschlußstücks 20 auf das rückwärtige Ende der Bohrstange 10 übertra­ gen werden. Der Kopf 18 der Bohrstange 11 stößt in der Rückzugsposition gegen die Stirnwand des Mehrkants 22, so daß Schläge von diesem Mehrkant auf den Kopf 18 und somit auf die Bohrstange 11 übertragen werden.

Beim Bohren mit eingezogener zweiter Bohrstange 11 wird die erste Bohrstange 10 in der einen Drehrichtung 28, z.B. in Linksdrehung, angetrieben. Die ineinandergrei­ fenden Gewinde 14 und 15 haben einen solchen Drehsinn, daß die zweite Bohrstange beim Drehen in der einen Drehrichtung 28 eingezogen bzw. fest gegen den rück­ wärtigen Anschlag 29 der Kupplungseinrichtung 19 ge­ drückt wird. In dieser Rückzugsposition der Bohrstange 11 wird die Drehung der Bohrstange 10 auf die Bohr­ stange 11 übertragen, so daß diese mitdreht.

Zum Verlängern des Bohrgestänges wird die Bohrstange 10 entgegengesetzt zur ersten Drehrichtung 28 in einer zweiten Drehrichtung 30 gedreht. Wenn dabei die Bohr­ krone 12 gegen Drehung festgehalten wird, z.B. durch Andruck gegen die Bohrlochsohle, schiebt sich die Bohr­ stange 10 unter Drehung über der Bohrstange 11 zurück, bis der Kopf 18 gegen den Anschlag 17 stößt. Nun kann in der zweiten Drehrichtung 30 weitergedreht werden, um den Bohrvortrieb fortzusetzen. Dabei werden Drehung und Schläge vom Bohrstrang 10 auf den Bohrstrang 11 über­ tragen.

Die Fig. 3-6 zeigen die Herstellung eines Bohrlochs mit dem Bohrgestänge. Dabei ist das Bohrgerät 31 darge­ stellt, das auf einem Schlitten 32 befestigt ist, wel­ cher auf einer Lafette 33 verfahrbar ist. Am vorderen Ende der Lafette 33 befindet sich eine Anbauführung 34 zur Positionierung des Bohrgestänges bzw. der Lafette. Das Bohrgerät 31 weist einen Bohrhammer 35 auf, welcher Schläge auf das Bohrgestänge ausübt, und einen rever­ siblen Drehantrieb 36 zum Drehen des Bohrgestänges in beiden Drehrichtungen 28 und 30.

Zunächst wird gemäß Fig. 3 mit eingefahrener Bohrstange 11 gebohrt, wobei das Bohrgestänge in der ersten Dreh­ richtung 28 angetrieben wird, in der die Bohrstange 11 gegen den Anschlag 29 (Fig. 1) gedrückt wird. Wenn bei diesem ersten Bohrschritt das Bohrloch eine Tiefe er­ reicht hat, die der Länge der ersten Bohrstange 11 ent­ spricht, wird gemäß Fig. 4 das Bohrgestänge in der zweiten Drehrichtung 30 gedreht. Da die Bohrkrone 12 hierbei gegen die Bohrlochsohle drückt, wird das Drehen der Bohrstange 11 verhindert. Durch den Eingriff der Gewinde 14 und 15 wird die Bohrstange 10 unter Drehung zurückgedrückt, wobei das Bohrgerät 31 auf der Lafette 33 ebenfalls zurückweicht. Wenn der Kopf 18 gegen den vorderen Anschlag 17 (Fig. 1) stößt, wird der Schlitten 32 mit dem Bohrgerät 31 auf der Lafette 33 durch einen (nicht dargestellten) Vorschubantrieb vorgeschoben, wobei die Drehung des Bohrgestänges in der zweiten Drehrichtung 30 gemäß Fig. 5 fortgesetzt wird. Das Bohrloch wird nun mit der ausgefahrenen Bohrstange 11 weitergebohrt, wobei eine Bohrlochtiefe erreichbar ist, die bis zu 80% der Länge der zweiten Bohrstange 11 betragen kann.

Zum Zurückziehen des Bohrgestänges aus dem Bohrloch wird das Bohrgestänge in der ersten Drehrichtung 28 gedreht, so daß die Bohrstange 11 in die Bohrstange 10 eingezogen wird. Wenn dabei die Wandreibung am Bohrloch nicht ausreicht, um die Bohrstange 11 gegen Drehung festzuhalten, kann das Bohrgestänge geringfügig gekippt werden, um einen Andruck der Bohrkrone 12 an die Bohr­ lochwand zu erreichen.

Anhand der Fig. 7-9 wird eine geringfügig modifi­ zierte Ausführungsform des Bohrgestänges erläutert, die insbesondere für Anwendungen untertage geeignet ist, um von einem Tunnel 37 aus Ankerlöcher in das Gebirge zu bohren. Dabei steht wegen der beengten Platzverhältnis­ se nur eine begrenzte Länge für die Lafette 33 zur Ver­ fügung. Unter Berücksichtigung des Platzes, den das Bohrgerät 31 mit dem Schlitten 32 auf der Lafette 33 benötigt, beträgt der zur Verfügung stehende Vorschub­ weg S. Es sei angenommen, daß die Bohrungen, die mit dem Bohrgerät durchgeführt werden sollen, eine Länge haben, die größer ist als die Vorschublänge S. Die maximale Länge der zu verwendenden ersten Bohrstange 11 beträgt etwa S. Wenn das Bohrgestänge der Fig. 1 und 2 benutzt wird, kann ein Bohrloch 38 gebohrt werden, das einen ersten Bereich 38a größeren Durchmessers und daran anschließend einen zweiten Bereich 38b kleineren Durchmessers aufweist, wobei beide Bereiche 38a und 38b etwa gleiche Länge haben, weil die Bohrstangen 10 und 11 ebenfalls annähernd gleich lang sind.

Die Bohrlochtiefe wird entsprechend den statischen An­ forderungen sehr genau berechnet. Soll ein Bohrloch 39 gebohrt werden, dessen Tiefe größer ist als der Vor­ schubweg S, jedoch kleiner als etwa das Doppelte dieses Vorschubweges, dann wird zweckmäßigerweise mit einer Bohrstange 11 gearbeitet, deren Länge dem Vorschubweg S entspricht und somit den größtmöglichen Wert hat. Eine solche zweite Bohrstange 11 wird in Verbindung mit einer relativ kurzen Bohrstange 10 benutzt. Die Verkür­ zung des Bohrlochs 39 gegenüber der maximal möglichen Länge wird also ausschließlich durch Verkürzung der äußeren Bohrstange 10 bewirkt, während die innere Bohr­ stange 11 die aufgrund des verfügbaren Vorschubweges S maximal mögliche Länge hat. Der Grund dafür, daß ein möglichst großer Abschnitt 39b mit der inneren Bohr­ stange und ein möglichst kleiner Abschnitt 39a mit der äußeren Bohrstange erzeugt wird, liegt darin, daß ein engeres Bohrloch schneller herstellbar ist und weniger Energie erfordert und daß ein solches engeres Bohrloch zur Verankerung eines Zugankers normalerweise aus­ reicht.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 und 8 unterschei­ det sich aufgrund der vorstehenden Erläuterungen von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß die zweite Bohrstange 11 in ihrer Rückzugsposition um mindestens 30% ihrer Länge über das vordere Ende der ersten Bohr­ stange 10 hinausragt und somit wesentlich länger ist als die erste Bohrstange. Bei dem dargestellten Aus­ führungsbeispiel beträgt derjenige Anteil der Bohr­ stange 11, der in der Rückzugsposition aus der Bohr­ stange 10 herausragt, etwa 60%.

Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem anstelle der Bohrkrone 12, deren Bohrloch anschließend noch durch eine Ringbohrkrone aufgeweitet wird, am vorderen Ende der inneren Bohrstange 11 eine Bohrkrone 12a be­ festigt ist, deren Bohrdurchmesser mindestens gleich dem Außendurchmesser der ersten Bohrstange 10 ist. Aus diesem Grund wird am vorderen Ende der ersten Bohr­ stange 10 keine Ringbohrkrone benötigt. Dieses vordere Ende ist mit einer Abschrägung 40 versehen. Auch die Bohrkrone 12a ist derart ausgebildet und derart an der Bohrstange 11 befestigt, daß mit ihr in beiden Dreh­ richtungen gebohrt werden kann.

Claims (8)

1. Bohrgestänge mit einer an einem Bohrgerät (31) mit reversiblem Drehantrieb (36) zu befestigenden ersten Bohrstange (10) und einer koaxial zu der ersten Bohrstange (10) verlaufenden zweiten Bohrstange (11), die drehfest mit der ersten Bohrstange kuppelbar ist und am vorderen Ende eine Bohrkrone (12) aufweist, wobei die zweite Bohrstange (11) im Verlaufe der ersten Bohrstange abgestützt und die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung der zweiten Bohrstange (11) durch Anschläge (17, 27) begrenzt ist und wobei beide Bohrstangen (10, 11) in der Rückzugsposition der zweiten Bohrstange (11) auf mindestens 30% der Länge der ersten Bohrstange (10) ineinanderliegen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste und die zweite Bohrstange (10, 11) über Gewinde (14, 15) miteinander in Eingriff stehen und daß das Bohrgerät (31) einen Bohrhammer (35) aufweist, der Schläge auf die erste Bohrstange (10) ausübt.

2. Bohrgestänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eines der Gewinde (14) nur im vorderen Endabschnitt (16) der ersten Bohrstange (10) vorgesehen ist und daß andere Gewinde (15) im wesentlichen über die gesamte Länge der zweiten Bohrstange (11) verläuft.

3. Bohrgestänge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Bohrstange (10) eine hohle Außenstange ist, in der die zweite Bohrstange (11) verläuft.

4. Bohrgestänge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am vorderen Ende der ersten Bohrstange (10) eine Ringbohrkrone (13) vorgesehen ist.

5. Bohrgestänge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Bohrdurchmesser der Bohrkrone (12a) am vorderen Ende der zweiten Bohrstange (11) min­ destens gleich dem Außendurchmesser der ersten Bohrstange (10) ist.

6. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine am rückwärtigen Ende der ersten Bohrstange (10) vorgesehene Kupplungseinrichtung (19) für den Anschluß an das Bohrgerät (31) derart ausgebildet ist, daß sie nicht durch Drehung in einer der beiden Drehrichtungen gelöst werden kann.

7. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Bohrstange (11) in ihrer Rückzugsposition um mindestens 30% ihrer Länge über das vordere Ende der ersten Bohrstange (10) hinausragt.

8. Bohrverfahren unter Verwendung eines Bohrgestänges nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem in einem ersten Bohrschritt mit in der Rückzugsposition befindlicher zweiter Bohrstange (11) beide Bohrstangen (10, 11) gedreht und vorgeschoben werden, bis das Bohrloch eine der Länge der zweiten Bohrstange (11) entsprechende Tiefe erreicht, daß danach das Bohrgestänge zurückgezogen und die erste Bohrstange (10) relativ zur zweiten Bohrstange (11) vorbewegt wird und anschließend in einem zweiten Bohrschritt mit aus­ gefahrener zweiter Bohrstange (11) weitergebohrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Zurückziehen des Bohrgeräts (31) in der Weise erfolgt, daß die Bohrkrone (12) gegen die Bohrlochsohle gedrückt gehalten wird, während die Drehung in gegenläufiger Richtung zum ersten Bohrschritt erfolgt, und daß der zweite Bohrschritt ebenfalls in gegenläufiger Drehung zum ersten Bohrschritt ausgeführt wird.