DE3935897A1 - Verfahren und vorrichtung zum gesteinsbohren - Google Patents
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Description
Bei Bauarbeiten ist es oft erwünscht, waagerechte Löcher in Gestein unter Straßen
oder Gebäudefundamenten hindurch zu bohren, ohne diese Konstruktionen zu beein
trächtigen. Solche waagerechten Löcher können verwendet werden für Versorgungs
zwecke, zum Entwässern oder dergleichen. Für diesen Zweck ist es erwünscht, ein
geradliniges Loch wirtschaftlich mit einem Minimum von Störung des Untergrunds
bohren zu können.
Um solche Löcher herzustellen, ist es üblich, einen Schacht an jeder Seite der
Konstruktion zu graben oder auszubaggern und, bei weichem Grund mit Hilfe eines
Stangenbohrers oder eines Schneckenbohrers und bei hartem Grund mit Hilfe eines
Gesteinsbohrers, ein Loch von einem Schacht zum anderen vorzutreiben. Dies wird
durch herkömmliche Bohrtechniken erreicht, die den Schneckenbohrer oder den Ge
steinsbohrer unter Verwendung eines drehbaren Bohrstrangs vorwärts schieben oder
drücken. Der Schneckenbohrer oder Gesteinsbohrer und der nachlaufende Bohrstrang
werden in Abschnitten eingesetzt und von einem der Schächte zu dem anderen vor
getrieben.
Für Löcher mit kleinem Durchmesser wurden Kernbohrer entwickelt, die für das
Bohren von genauen, geradlinigen Löchern zwischen zwei Stellen vernältnismäßig
wirksam sind. Jedoch ist ein wirksames Kernbohren auf Löcher von etwa 100 bis
200 mm oder kleinere Löcher beschränkt, weil die Kerne in Abschnitten gebohrt
werden müssen, die im allgemeinen eine maximale Länge von etwa 6 m (20 Fuß)
haben, worauf die Kerne entfernt werden müssen.
Bei größeren Löchern würde das Verfahren langsam arbeiten, und die Kerne würden
mehr und mehr schwierig zu entfernen sein, insbesondere bei hartem Gestein.
Infolgedessen hat sich eine übliche Praxis für das Bohren von Löchern mit
größerem Durchmesser entwickelt, wobei zunächst ein Kernloch gebohrt wird
und danach eine Reihe von drehbaren ringförmigen Bohrlochräumern durch das
Loch hindurchgeführt wird, um die Größe des Lochs auf den gewünschten
Durchmesser aufzuweiten.
Das Räumen ist ebenfalls zeitaufwendig und erzeugt im allgemeinen ein Loch,
das rauh und/oder korkenzieherartig geformt ist, und mit zunehmender Größe
des Lochs wird es immer schwieriger, den Vortrieb aufrechtzuerhalten, ohne
den Bohrstrang zu stauchen oder zu knicken, der den Drehantrieb und die
Kraft für die ringfömigen Schneidelemente liefert. Eine Verbesserung dieses
Verfahrens besteht darin, die ringförmigen Schneidelemente durch das Loch
zurückzuziehen, aber da dies eine schrittweise fortschreitende Betriebsweise
darstellt, bleibt die Schwierigkeit bestehen, daß das Räumwerkzeug um den
Lochdurchmesser herum wandert, obwohl eine gewisse Verbesserung zu verzeichnen
ist.
Gemäß der Erfindung wird ein horizontales Loch dadurch hergestellt, daß zu
nächst an jeder Seite des Lochs ein Schacht niedergebracht wird, um den
Zugang zu ermöglichen. Danach wird ein Loch mit kleinem Durchmesser von etwa
100 mm durch Kernbohren zwischen den Schächten hergestellt. Anschließend wird
ein Bohrstrang in das Loch eingeführt. Ein abgewandelter gebündelter Bohrer
oder Bündelbohrer, wie er allgemein in US-PS 47 29 439 dargestellt und be
schrieben ist, wird an dem Bohrstrang befestigt. Für die Zwecke der Erfin
dung wird der zentrale Bohrer entfernt und ersetzt durch einen Abschnitt
einer Bohrstange oder einer zentralen Vorschubstange, die den Satz der Mehr
fachbohrer des Bündelbohrers von dessen entgegengesetztem Ende her mit
Druckfluid versorgt, d.h. von demjenigen Ende her, das normalerweise die
Gesteinsschneideinsätze enthält. Dies gestattet es dem Bündelbohrer, entge
gengesetzt zu dem Bohrstrang montiert zu werden, der in das durch Kernbohren
erzeugte Bohrloch eingesetzt ist. Der Mehrfachbohrer wird dann mit Druckfluid
versorgt, um die am Umfang angeordneten Gesteinsschlagbohrer zu betätigen.
Der Bohrstrang wird dann gedreht und durch das Loch zurückgezogen, wobei der
Bündelbohrer nachläuft und sich dreht. Das Druckfluid und die ausgebohrten
Gesteinsteilchen verlassen das Loch mit dem großen Durchmesser in herkömm
licher Weise. Zusätzlich können Abschnitte eines Schneckenbohrers oder einer
Förderschnecke an der Rückseite des Bündelbohrers angebracht werden, um eine
zusätzliche Reinigung des waagerechten Lochs zu bewirken, während der Bündel
bohrer durch das Loch gezogen und verdreht wird. Hierdurch wird der Bedarf
an insgesamt nötiger Luft vermindert, die für das Reinigen des Lochs zuge
führt werden muß.
Demgemäß wird durch die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Bohren genauer waagerechter Löcher von großem Durchmesser in Gestein, insbe
sondere in hartem Gestein, geschaffen. Gemäß der Erfindung lassen sich solche
Löcher auch in hartem Gestein wirksam und mit minimalem Luftverbrauch mit
hoher Geschwindigkeit bohren. Durch die Erfindung ist es möglich, das Bohren
von waagerechten Löchern mit großem Durchmesser in hartem Gestein durch Ver
wendung von leicht abgewandelten und leicht verfügbaren Bündelbohrern zu
erreichen, wobei eine einfache, widerstandsfähige und zuverlässige Bohraus
rüstung kleiner Größe im Vergleich zu ähnlichen Verfahren verwendet werden
kann, die zur Herstellung von Löchern ähnlicher Größe in hartem Gestein bis
her verwendet wurden.
Die Vorrichtung zum Bohren von Löchern mit großem Durchmesser in Gestein um
faßt erfindungsgemäß im wesentlichen folgende Teile: Einen gebündelten
Bohrer oder Bündelbohrer, der zur Aufnahme von Druckfluid und zur Ableitung
einer Drehbewegung von einem Bohrgestänge her an seinem mit dem Gestein in
Berührung kommenden Ende ausgebildet ist, wobei Einrichtungen zur Aufnahme
von Druckfluid und zur Verbindung des Bündelbohrers mit einem Bohrstrang an
dem Arbeitsende des Bündelbohrers an dessen Mittellinie vorgesehen sind,
wobei ein Bohrstrang mit diesen Verbindungseinrichtungen verbunden ist, wo
bei der Bohrstrang außerdem den Bündelbohrer verdreht und ihn in ein ge
bohrtes Loch hineinzieht, das den Bohrstrang enthält, wobei das Loch während
des Voranschreitens des Bündelbohrers aufgeweitet wird.
Gemäß der Erfindung können zusätzlich fakultativ am rückwärtigen Ende des
Bündelbohrers schneckenförmige Einrichtungen (Bohrschnecke, Förderschnecke)
angebracht sein, um zum Entfernen von Gesteinsteilchen beizutragen, während der
Bündelbohrer durch das Loch voranschreitet. Das Entfernen der Gesteinsteil
chen wird erreicht durch eine Kombination des schneckenförmigen Elements,
das dem Bohrer nachläuft und sich mit diesem dreht, mit einem unter Druck
stehenden Austriebsfluid, wodurch der Verbrauch von Druckfluid bei der Ent
fernung der ausgebohrten Gesteinsteilchen auf ein Minimum gebracht wird.
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be
schreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Bündelbohrers, der zur Versorgung
mit Druckfluid von vorn und zur Drehung ausgebildet ist;
Fig. 2 ist eine Endansicht des Bündelbohrers;
Fig. 3 ist eine bildliche Darstellung des waagerechten, umkehrbaren Bohr
systems gemäß der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Querschnitt des Bündelbohrers 1 dargestellt. Der Bohrer
ist in einem zylindrischen Gehäusekörper 2 untergebracht, der einen Endver
schluß 3 an seinem vorderen oder Arbeitsende und einen hinteren Kopf 4 an
seinem rückwärtigen Ende aufweist. Eine Vielzahl von Bohrern 5 ist in dem
Gehäusekörper 2 in der Art untergebracht, wie es in US-PS 47 29 439 offen
bart ist, auf die für die allgemeine Beschreibung von Bündelbohrern Bezug
genommen wird.
Jeder der einzelnen Bohrer 5 ist in einem Durchgang 6 in dem Endverschluß 3
und in einem sich verjüngenden Durchgang 7 in dem hinteren Kopf 4 gelagert.
Der verjüngende Durchgang 7 wirkt mit einer Abschrägung an jedem der einzel
nen Bohrer 5 zusammen. Jeder der Bohrer 5 ist in dem entsprechenden ver
jüngenden Durchgang 7 mittels einer Abdeckmutter 8 gehalten. Druckfluid wird
jedem der umfangsmäßig angeordneten Bohrer 5 mit Hilfe radialer Verteil
bohrungen 9 zugeführt.
Bei dem Bündelbohrer nach dem Stand der Technik ist der Bohrstrang an dem
hinteren Kopf befestigt und liefert Druckfluid zu den radialen Verteilboh
rungen. Nach der Erfindung wird der beim Stand der Technik vorhandene zen
trale Bohrer entfernt und ist durch eine Kernstange 10 ersetzt. Die Kern
stange 10 ist mit einer zentralen Bohrung 11 versehen, die Druckfluid dem
hinteren Kopf zuführt. Die Kernstange 10 ist mit einem Gewinde 12 an ihrem
vorderen Ende 13 versehen und sie ist mit dem hinteren Kopf durch ein Ge
winde 14 oder andere geeignete Einrichtungen verbunden.
An dem hinteren Kopf 4 ist ein Muffenflansch 15 befestigt, der das Anbringen
eines Schneckenbohrers oder eines Schneckenförderers an dem hinteren Kopf
ende des Bohrers gestattet. An jedem der Bohrer 5 ist ein Gesteinsbohreinsatz
16 befestigt, der in Fig. 1 in gestrichelten Linien dargestellt ist und der
durch den Bohrer 5 beaufschlagt ist, wodurch Gesteinsteilchen herausgeschla
gen und entfernt werden. Fig. 2 zeigt die Orientierung der Bohrer 5 um die
Mittelachse herum, die durch die Kernstange 10 gebildet ist. Druckfluid, im
allgemeinen Druckluft, kann durch die Kernstange 10 und durch die radialen
Verteilbohrungen 9 in dem hinteren Kopf 4 jedem der einzelnen Bohrer 5 zuge
führt werden. Das Druckfluid schafft eine hämmernde Betriebsweise, die auf
die Bohreinsätze 16 übertragen wird.
Wie Fig. 3 zeigt, ist der umgekehrte Bündelbohrer 1 an einem Bohrstrang 20
befestigt, der in ein zuvor gebohrtes Kernbohrloch 21 eingeführt ist, das
etwa den gleichen Durchmesser hat wie der Bohrstrang. Der Bohrstrang 20 ist
seinerseits mit einer Bohrmaschine 26 der dargestellten Art verbunden, bei
spielsweise einer Bohrmaschine, wie sie von der NLC Company Limited, Tokio,
Japan, hergestellt und unter dem Warenzeichen "Longyear Boring Machine"
vertrieben wird. Die Bohrmaschine 26 liefert sowohl den Drehantrieb als
auch die Zugkraft für den Bohrstrang zur Herstellung eines gebohrten Lochs
24.
Um ein waagerechtes Bohrloch herzustellen, werden Schächte 25 und 25 A an
jedem Ende des beabsichtigten Bohrlochs gegraben. Eine Bohrmaschine 26 wird
dann in einen der Schächte, z.B. den Schacht 25, eingesetzt und auf einem
Fundament 27 befestigt. Die Bohrmaschine wird verwendet, um ein gebohrtes
Loch im allgemeinen durch einen Kernbohrer in einem Durchmesserbereich von
100 bis 150 mm zwischen den Schächten 25 und 25 A in herkömmlicher Weise
herzustellen, wobei Bohrstrangsegmente verwendet werden, um den Kernbohrer
vorzuschieben.
Nach Fertigstellung des Kernlochs wird der Kernbohrer entfernt und durch den
Bündelbohrer 1 nach der Erfindung ersetzt. Dann wird der Bohrstrang 20 zu
rückgezogen und verdreht, wobei er den Bündelbohrer 1 mit sich zieht, und
wobei er auch einen daran angebrachten Schneckenbohrer oder Schneckenför
derer 30 mitzieht, der in einzelnen Abschnitten 30 A mittels eines Hilfskrans
32 oder dergleichen eingesetzt werden kann und dem Bündelbohrer 1 folgt.
Dem Bündelbohrer 1 wird beispielsweise durch einen Luftkompressor 31 Druckfluid
durch die Bohrmaschine 26 und den Bohrstrang 20 hindurch zugeführt, um eine
auf die Gesteinsschneideinsätze 16 wirkende, das Gestein schneidende oder
zertrümmernde Schlagwirkung zu erzeugen. Während der Bohrer durch das Loch
gezogen wird, vergrößert er dieses auf den gewünschten Durchmesser D 2. Der
Bohrstrang 20 mit dem kleineren Durchmesser D 1 dient dazu, den Kernbohrer
zu zentralisieren und zu stabilisieren, während dieser in das Loch mit
größerem Durchmesser hineingezogen wird, welches er erzeugt. Da der Bohr
strang auf Zug beansprucht ist und als Zentralisierung und Stabilisierung
wirkt, wird zusammen mit dem Bündelbohrer 1 ein gerades Durchgangsloch ge
bildet.
Das aus dem Bündelbohrer 1 austretende Druckfluid und die Wirkung der ro
tierenden Förderschnecke 30, die dem Bündelbohrer 1 nachfolgt und an diesem
mittels der Gewinde des Muffenflanschs 15 befestigt ist, trägt die Bruchstücke,
die aus dem Loch mit großem Durchmesser herauskommen, aus und legt diese in
dem Schacht 25 A ab, von wo die Bruchstücke entfernt werden können, so daß auf
diese Weise das Bohrloch gereinigt wird. Wenn der Bündelbohrer 1 den Schacht
25 erreicht, wird er entfernt, und die Segmente der Förderschnecke 30 werden
ebenfalls entfernt, womit die Herstellung des Lochs beendet ist. Die Verwen
dung der Förderschnecke 30 bzw. eines entsprechenden Schneckenbohrers ver
mindert wesentlich die Luftmenge, die zum Reinigen des Lochs benötigt wird.
Jedoch kann auch Luft allein zum Reinigen des Lochs verwendet werden.
Das Bohrsystem gemäß der Erfindung wurde zum Bohren von Löchern von 500 bis
800 mm (20 bis 32 Zoll) Durchmesser in hartem Gestein verwendet, wobei Loch
längen von 78 m (230 Fuß) mit Bohrgeschwindigkeiten erreicht wurden, die
wesentlich höher als bei bekannten Bohrverfahren lagen. Das erfindungsgemäße
Bohrsystem kann auch längere und größere Löcher herstellen.
Claims (9)
1. Vorrichtung zum Bohren von Löchern in Gestein gekennzeichnet durch einen
Bündelbohrer (1) zum Bohren des Gesteins der einen Vielzahl von schla
gend arbeitenden Gesteinsbohrern (5) aufweist, die um seinen Umfang
herum angeordnet sind, und der Einrichtungen zur Aufnahme eines Druck
fluids und einer Drehkraft von einem Bohrstrang (20) her an seinem auf
das Gestein einwirkenden Ende an der Mittellinie der Drehung aufweist.
2. Mehrfachbohrer zum Vergrößern des Durchmessers von gebohrten Löchern in
Gestein, gekennzeichnet durch eine Anordnung einer Mehrzahl einzelner,
eine Schlagwirkung erzeugender Gesteinsbohrer (5), die in einem zylin
drischen Bohrkörper oder Gehäuse (2) aufgenommen sind, das ein rückwär
tiges Ende (4) und ein vorderes Ende (3) aufweist, wobei das vordere
Ende (3) die Bohrkronen (16) der Vielzahl der einzelnen Bohrer (5)
trägt, die zum Schneiden des Gesteins um den Umfang des Gehäuses (2)
herum angeordnet sind, sowie durch einen Bohrstrang (20), der an der
Mittellinie der Gesteinsbohrer (5) angeschlossen ist, um die Vielzahl
der einzelnen Bohrer (5) durch ein zuvor gebohrtes Bohrloch (21) hin
durchzuziehen und die Bohrer (5) zu drehen, um das zuvor gebohrte Loch
(21) aufzuweiten.
3. Mehrfachbohrer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrge
häuse (2) die Gesteinsbohrer (5) vollständig umgibt und darüber hinaus
mit Ausrichtmitteln, Sicherungs- oder Befestigungsmitteln sowie Mitteln
zum Zuführen von Druckfluid zu jedem der Bohrer der Vielzahl der Bohrer
(5) versehen ist, wobei das Druckfluid in die Bohrer (5) innerhalb des
Gehäuses (2) eintritt und aus den Bohrern (5) außerhalb des Gehäuses
(2) an dessen vorderem Ende (3) austritt, wodurch das Gehäuse (2) einen
umfangsmäßigen Durchgang zum Austragen von Gesteinsteilchen bildet und
Schutz für die einzelnen Bohrer (5) bietet.
4. Mehrfachbohrer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse
(2) mit einem zentralen Durchgang (11) zur Aufnahme von Druckfluid von
dem vorderen Ende (3) des Gehäuses (2) versehen ist.
5. Mehrfachbohrer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zu
führung von Druckfluid von dem vorderen Ende (3) des Gehäuses (2) eine
zentrale Kernstange (10) vorgesehen ist, die etwa die gleichen Dimen
sionen hat wie ein einzelner Bohrer (5) und die somit gegen diesen aus
tauschbar ist, so daß eine Umkehrung der normalen Funktion und der nor
malen Arbeitsrichtung des Bohrens des Mehrfachbohrers ermöglicht ist.
6. Mehrfachbohrer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zen
trale Kernstange (10) den zentralen Bohrer (5) ersetzt und daß die Kern
stange (10) an ihrem vorderen Ende (3) mit einem Gewinde (12) zur Be
festigung eines Bohrstrangs (20) versehen ist, und daß die Kernstange
(10) mit dem hinteren Ende (4) des Gehäuses (2) durch Befestigungsmit
tel (7, 8) verbunden ist.
7. Mehrfachbohrer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an seinem
rückwärtigen Ende (4) eine Schneckeneinrichtung (30) befestigt ist, die
zum Austragen der ausgebohrten Teilchen beiträgt, wobei die Schnecken
einrichtung (30) zusammen mit dem Bohrergehäuse (2) verdreht wird.
8. Mehrfachbohrer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecken
einrichtung (30) mit dem rückwärtigen Ende (4) des Gehäuses (2)
durch einen Muffenflansch (15) verbunden ist, der an einer Endplatte
(4) des Gehäuses (2) befestigt werden kann, wobei die Befestigungsmit
tel ferner als Abdichtung und Endkappe für die Endplatte (4) dienen.
9. Verfahren zum Vergrößern des Durchmessers eines gebohrten Lochs in Ge
stein, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- - Absenken eines Schachts (25, 25 A) an jedem Ende des zu bohrenden Lochs (24);
- - Anordnen einer Bohrmaschine (26) in einem der Schächte (25);
- - Verwendung der Bohrmaschine (26) zur Herstellung eines gebohrten Lochs (21) mit relativ kleinem Durchmesser zwischen den Schächten (25, 25 A);
- - Befestigen eines umgekehrt montierten Bündelbohrers (1) an dem Bohr strang (20);
- - Verdrehen und Zurückziehen des Bohrstrangs (20) und des Bündelbohrers (1) durch das vorgebohrte Loch (21), um dieses aufzuweiten.
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