DE602004012884T2

DE602004012884T2 - Verfahren und vorrichtung zum installieren eines selbstbohrenden expandierenden gebirgsankers und selbstbohrender gebirgsanker

Info

Publication number: DE602004012884T2
Application number: DE602004012884T
Authority: DE
Inventors: Fredrik ÖBERG; Morgan Kanflod
Original assignee: Atlas Copco Rock Drills AB
Current assignee: Epiroc Rock Drills AB
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: JP4411324B2; SI1682748T1; ES2303109T3; EP1682748A1; ATE391225T1; WO2005047649A1; JP2007511686A; DK1682748T3; US20070122238A1; SE0302997L; AU2004289935B2; KR101160707B1; PL1682748T3; CA2542261C; EP1682748B1; SE0302997D0; CN1878930A; KR20060109433A; SE526132C2; PT1682748E

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbauen eines selbstbohrenden erweiterbaren Gesteinsankers gemäß den entsprechenden Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7 und einen selbstbohrenden erweiterbaren Gesteinsanker gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Beschreibung des Standes der Technik
Röhrenförmige erweiterbare Gesteinsanker werden in Minen und Tunneln verwendet, um die Gesteinsfläche zu stabilisieren und/oder um Ankervorrichtungen für die Verwendung als Stütze für unterschiedliche Ausrüstungen, die an der Gesteinsoberfläche aufgehängt werden, bereitzustellen. Das Fixieren eines derartigen Gesteinsankers innerhalb eines Bohrlochs wird durch Unterdrucksetzen eines röhrenförmigen Körpers erreicht, um eine permanente Fixierung des Gesteinsankers gegen die Bohrlochfläche zu erhalten.
Bekannte röhrenförmige erweiterbare Gesteinsanker dieser Art werden typischerweise in vorgebohrte Bohrlöcher eingebracht und in Folge unter Druck gesetzt.
Im Speziellen in Anwendungen, wo ein Gesteinsanker in instabiles Gestein installiert werden soll, wird beobachtet, dass Gesteinsfragmente von der Bohrlochfläche dazu tendieren, sich nach innen zu bewegen, sodass das Einführen des Gesteinsankers in das Loch verhindert wird.
Die Patentanmeldung JP 2-373505 (Kumaigai et al) beschreibt einen selbstbohrenden erweiterbaren Typ von Gesteinsanker mit einer Bohrkrone am vorderen Ende des Bolzens selbst. Diese Maßnahme ermöglicht es, die Notwendigkeit des Vorbohrens eines Ankerlochs für den darin einzusetzenden Gesteinsanker zu vermeiden. Die Vorrichtung gemäß dieser Patentschrift schafft jedoch keine praktische Lösung für das Problem des Bereitstellens effizienter Mittel zum erfolgreichen Durchführen des Erweiterungsschritts.
Die DE 40 24 869 A1 beschreibt einen selbstbohrenden Gesteinsanker beinhaltend einen Verbindungsabschnitt für das Zusammenwirken mit einem Bohrmaschineneingriffsmittel. Das Eingriffsmittel hat eine Bohrung zur Aufnahme des Verbindungsabschnitts darin. Der Verbindungsabschnitt hat an seiner Außenseite eine Öffnung für einen Erweiterungskanal. Nachdem das Eingriffsmittel, wenn der Bohrvorgang fertiggestellt ist, entfernt wurde, kann ein Hochdruckkopf über den Verbindungsabschnitt angeordnet werden.
Ziel und wichtigste Merkmale der Erfindung
Es ist ein Ziel dieser Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dem oben Genannten anzubieten, wobei eine Lösung für das Problem des Standes der Technik bereitgestellt wird.
Es ist ein anderes Ziel dieser Erfindung einen erweiterbaren Gesteinsanker gemäß dem oben Genannten zu schaffen, der das Problem von Gesteinsankern des Standes der Technik löst.
Diese Ziele werden in einem Verfahren und in einer Vorrichtung gemäß dem oben Genannten durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der jeweiligen Ansprüche 1, 7 und 13 erreicht.
In dieser Weise wurde es ermöglicht, eine weitaus schnellere und sicherere Installation von Gesteinsankern zu schaffen, welche drastisch die Installationskosten für jeden Gesteinsanker reduziert und insgesamt die Kosten des gesamten Tunnel- und Minenbauvorgangs reduziert.
Durch das Bereitstellen einer Gesteinsbohrmaschine, welche irgendeine Standardgesteinsbohrmaschine sein kann, mit einer Drehvorrichtung, ist es möglich, den Bohrschritt durchzuführen und in Folge den Gesteinsanker zu erweitern, ohne die Notwendigkeit des Zurückziehens der Gesteinsbohrmaschine, um eine separate Erweiterungsfluidquelle anzuschließen.
Dies beschleunigt den Installationsvorgang und stellt eine weitaus sicherere Installation dar, da der Gesteinsanker nicht von der Gesteinsbohrmaschine gelöst werden muss, welche stattdessen auch während des Erweiterungsschrittes fortwährend mit dem Gesteinsanker verbunden sein kann, wodurch die Notwendigkeit für andere externe Maßnahmen und Vorrichtungen zum Verhindern des Herausfallens des Gesteinsankers aus dem gebohrten Loch vermieden wird.
Es ist bevorzugt, dass die Drehvorrichtung eine druckfluidbewirkte Dichtvorrichtung beinhaltet, um den dichten Kanal im Erweiterungsschritt zu erhalten. Diese Lösung macht es einfach den Dichtvorgang in einem Abstand von dem Ort des Gesteinsankers sicher zu steuern. Im Speziellen ist es bevorzugt und effizient, dass die Dichtung auf zwei axialen Seiten eines Fluideinlasses vorgesehen ist, da dies die relative Drehposition der Drehvorrichtung und des Gesteinsankers optional macht.
Die Verwendung von Erweiterungsfluid für Festspannzwecke ist bevorzugt, weil dies zusätzliche Fluidquellen unnötig macht.
Andere Vorteile werden durch andere Merkmale der Erfindung erhalten, welche weiter unten beschrieben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun vor dem Hintergrund einer Ausführungsform und mit Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, worin:
1 schematisch eine Bohrmaschine beim Installationsvorgang eines selbstbohrenden Gesteinsankers unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt,
2 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung im Zusammenwirken mit einem erfinderischen Gesteinsanker in einem axialen Schnitt zeigt,
3 ein Diagramm ist, dass das Verfahren gemäß der Erfindung illustriert, und
4 ein axialer Schnitt eines erweiterbaren Gesteinsankers gemäß der Erfindung ist.
Beschreibung der Ausführungsform
1 zeigt eine konventionelle Bohrmaschine 1, welche auf einem Schlitten vor- und zurückbewegbar ist, welcher wiederum auf einer Bohranlage (nicht gezeigt) gestützt ist. Die Bohrmaschine 1 stellt gesteinsbrechende Bewegung und Energie für einen selbstbohrenden Gesteinsanker 2 bereit, welcher in einem Bohrloch 4 zu installieren ist, welches in eine Gesteinwand oder -decke mit einer Gesteinsoberfläche 3 zu bohren ist. Im Speziellen wird das Bohrloch 4 mittels einer Bohrkrone 5 hergestellt, die an dem Ende des selbstbohrenden Gesteinsankers 2 positioniert ist.
Nachdem der Vorgang des Herstellens des Bohrloches für den gesamten Gesteinsanker abgeschlossen ist, wird die relative Position der Gesteinsoberfläche zu dem Gesteinsanker wie mit den unterbrochenen Linien angezeigt bei 3' sein, d. h. am äußerst proximalen Ende des Gesteinsankers 2.
Eine Drehvorrichtung 6 ist mittels einer Halterung 7 mit der Bohrmaschine starr verbunden.
Nach dem Abschluss des Bohrschrittes, wird die Drehvorrichtung 6 in solch einer Weise aktiviert, dass ein dichter Kanal zwischen einer Erweiterungsfluidquelle 8 und einem erweiterbaren Abschnitt des selbstbohrenden Gesteinsankers 2 in einer Weise gebildet wird, welche weiter unten beschrieben wird. Dies ermöglicht es, den gesamten Installationsvorgang, beinhaltend den Bohrschritt und den Erweiterungsschritt, durchzuführen ohne die Bohrmaschine vom Gesteinsanker entfernen zu müssen.
In 2 wird die Drehvorrichtung 6 detaillierter im Zusammenwirken mit einem erweiterbaren selbstbohrenden Gesteinsanker 2 gezeigt, welcher von seinem distalen Ende aus gesehen einen Bohrkronenabschnitt 5, gebildet aus einer Bohrkrone und einem Bohrkronenhalter, beinhaltet. Der Bohrkronenhalter ist mit einem erweiterbaren Abschnitt 9 verbunden, welcher wiederum an seinem proximalen Ende mit einem Verbindungsabschnitt 10 verbunden ist. Der Verbindungsabschnitt 10 ist an seiner Innenseite mit Gewinden 12 ausgestattet, um an einen Bohrmaschinenadapter 11, welcher sich von einer nicht gezeigten Bohrmaschine erstreckt und die entsprechenden Gewinde hat, montiert zu werden.
Die Drehvorrichtung stellt ein Drehgehäuse 13 bereit, welches an einem Endbereich ein Paar Dichtungsringe 14 und 15 einschließt, welche durch einen Distanzring 16 mit ein oder mehreren radialen Durchtritten für Fluid getrennt sind. An einem anderen Bereich innerhalb des Drehgehäuses 13, vorzugsweise gegenüber der Position der Dichtungsringe 14 und 15, ist ein Kolben 17 angeordnet, welcher zusammen mit einem Zylinder 19, gebildet im Inneren des Drehgehäuses 13, eine Arbeitskammer 18 bildet, welche mit ringförmigen Kolbendichtungen 20 und 21 abgedichtet ist.
Der Kolben 17 bewegt sich bei Unterdrucksetzung der Arbeitskammer 18 axial nach links, wie in der Figur gezeigt, und stellt einen axialen Druck auf die Dichtringe 14 und 15 über eine Distanzhülse 22 bereit. Dabei werden die Dichtringe 14 und 15 einem axialen Druck einer Größe ausgesetzt, die ausreichend ist, um sie radial nach innen erweitern zu lassen, sodass sie eine zuverlässige und sichere Dichtung gegenüber der Außenseite einer ringförmigen zylindrischen Oberfläche des Verbindungsabschnitts des erweiterbaren Gesteinsankers 2 bereitstellen.
In der gezeigten Ausführungsform tritt das Erweiterungsfluid über einen Stutzen 23 in das Drehgehäuse, welcher mit einer nicht gezeigten Druckfluidquelle verbunden ist.
Der Stutzen 23 ist in einen Raum innerhalb des Drehgehäuses geschraubt, welcher einerseits mit der Arbeitskammer 18, über einen Festspannfluidkanal 24 in Verbindung steht. Andererseits steht der Raum mit einem Drucksteuerventil 25 in Verbindung, welches einen Ventilkörper 26 beinhaltet, welcher durch eine Spiralfeder 27 gegen einen Ventilsitz 28 vorgespannt ist.
Wenn der Fluiddruck im Raum an der Innenseite des Stutzens 23 eine vorherbestimmte Grenze überschreitet, wird der Druck den Ventilkörper nach links, wie in 2 gezeigt, zwingen, um eine Verbindung zwischen der Erweiterungsfluidquelle (nicht gezeigt) und dem erweiterbaren Abschnitt 9 des Gesteinsankers 2 zu erreichen.
Die Grenze ist derart festgesetzt, dass bei Unterdrucksetzung des Raums innerhalb des Stutzens 23, der Fluiddruck in die Arbeitskammer 18 einzutreten beginnt, um den Kolben 17 in die Richtung nach links, wie in 2 gezeigt, zu drücken. Wenn diese Verschiebung abgeschlossen ist, steigt der Druck innerhalb der Arbeitskammer 18, sowie der Druck innerhalb des Raumes. Dabei wird der gleiche erhöhte Druck auf eine axiale Oberfläche des Ventilkörpers 26 innerhalb des Ventilsitzes 8 wirken, sodass die Kraft vom Fluid in Folge den Ventilkörper 26 bewegen wird.
Dies wird eine Möglichkeit für Erweiterungsfluid schaffen, durch das Ventil entlang der Ventilbohrung durchzutreten und von da in radialer Richtung durch die Öffnung (Öffnungen) im Distanzring 16, ferner durch einen Erweiterungsfluideinlass 29 im Verbindungsabschnitt 10, durch eine schräge Bohrung, welche vom Erweiterungsfluideinlass 29 durch den Verbindungsabschnitt 10 zur Innenseite des Erweiterungsabschnitts 9 führt, durchzutreten.
In 3 wird der Vorgang des Installierens eines erfinderischen Gesteinsankers bei 30 eingeleitet. 31 bezeichnet das Abschließen des Gesteinsbohrschrittes, 32 das Festspannen der Drehvorrichtung gegen den Gesteinsanker, 33 das Erweitern des Gesteinsankers mit der immer noch verbundenen Bohrmaschine, 34 das Lösen der Drehvorrichtung und das Lösen der Bohrmaschine und 35 das Beenden des Installationsvorganges.
In 4 ist der selbstbohrende erweiterbare Gesteinsanker 2 in einem axialen Schnitt getrennt von der Drehvorrichtung gezeigt, um seine Merkmale klarer zu erklären. Am distalen Ende des Gesteinsankers ist ein Bohrkronenabschnitt 5, bestehend aus einer Bohrkrone 5' und einem Bohrkronenhalter 5'' mit ineinandergreifenden Gewinden oder anderen Verbindungsmitteln.
Der Erweiterungsabschnitt 9 funktioniert konventionell, wohingegen der Verbindungsabschnitt 10 eine ringförmige zylindrische Oberfläche 36 zum Zusammenwirken mit der Drehvorrichtung 6 (2) bereitstellt und einen Erweiterungsfluideinlass 29, der mit der Innenseite des Erweiterungsabschnitts 9 in Verbindung steht, hat.
Beim Bohren wird Spülfluid wie herkömmlich von der Bohrmaschine zugeführt und fließt durch eine Spülfluidröhre 37, die zentral innerhalb des Erweiterungsabschnitts 9 angeordnet ist und an dem Ende des Bohrkronenhalters 5'' endet, von wo Spülfluid durch ein oder mehrere Auslasskanäle 38 fließt, um das Spülen an der Bohrkronenoberfläche zu gewährleisten.
Die Erfindung kann modifiziert werden ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Als ein Beispiel kann die Drehvorrichtung unterschiedlich konstruiert sein, z. B. derart, dass das Festspannen gegen den Gesteinsanker durch separate Mittel erreicht wird, z. B. durch eine separate Fluidverbindung mit einem Kolben entsprechend dem Kolben 17 in 2. Auch können andere Mittel oder Motoren zur Erreichung eines dichten Kanals bereitgestellt sein.
Als ein Beispiel öffnet das Ventil 25 bei einem Druck von etwa 150 bar.
Die Dichtanordnung kann in anderer Weise konstruiert sein, aber es ist bevorzugt, dass das Dichten an zwei axial beabstandeten Positionen erreicht wird, welche mit der Position eines Erweiterungsfluideinlasses des Gesteinsankers übereinstimmen. Der Verbindungsabschnitt 10 des Gesteinsankers kann in anderer Weise konstruiert und gestaltet sein, aber es ist notwendig eine Oberfläche und einen Erweiterungsfluideinlass(-einlässe) zu haben, welche mit der Drehvorrichtung in jeder relativen Drehposition des Gesteinsankers und der Drehvorrichtung zusammenwirken. Es ist bevorzugt, dass die Oberfläche 36 ringförmig zylindrisch ist, aber andere Formen können auch funktionsfähig sein, wie etwa z. B. teilzylindrisch, kegelförmig etc.
Die Drehvorrichtung ist vorzugsweise befestigt an und gestützt durch irgendeine konventionelle Gesteinsbohrmaschine. Die Stütze kann von irgendeiner geeigneten Art sein, wie etwa irgendein starres Stahlprofil, welches auf die Bohrmaschine sowie auf die Drehvorrichtung geschraubt ist.
Der Gesteinsanker kann auch anders konstruiert sein, unter anderem mit einer konventionelleren Konstruktion der Schnittstelle zwischen dem Verbindungsabschnitt und dem Erweiterungsabschnitt. Der Bohrkronenabschnitt 5 kann aus einer einstückigen Einheit anstelle von zwei separaten Teilen bestehen. Der Erweiterungsfluideinlass kann auch separat von dem Verbindungsabschnitt angeordnet sein, z. B. in einer separaten Hülse außerhalb des Erweiterungsabschnitts benachbart zum Verbindungsabschnitt.

Claims

Verfahren zum Einbauen eines selbstbohrenden erweiterbaren Gesteinsankers (2) in eine Gesteinswand oder -decke mit einem Bohrkronenabschnitt (5), einem erweiterbaren Abschnitt (9) und einem Verbindungsabschnitt (10), • bereitstellend in einem gesteinsbrechenden Schritt, den selbstbohrenden Gesteinsanker (2) mit einer gesteinsbrechenden Bewegung und Spülfluid zur Herstellung eines Bohrlochs, und • einbringend in einem Erweiterungsschritt, unter Druck gesetztes Erweiterungsfluid in den erweiterbaren Abschnitt (9), um ihn zu erweitern, sodass er im Inneren des Bohrloches fixiert ist, gekennzeichnet durch das Einbringen des Erweiterungsfluids mittels einer Drehvorrichtung (6), welche geeignet ist mit einer äußeren Oberfläche (36) im Bereich des Verbindungsabschnitts (10) während des Einbauens des Gesteinsankers zusammenzuwirken, sodass in einem inaktiven Stadium der Drehvorrichtung der Gesteinsanker (2) während des gesteinsbrechenden Schrittes frei beweglich ist, und in einem aktiven Stadium der Drehvorrichtung sie gegen den Gesteinsanker (2) in dem Erweiterungsschritt in solch einer Weise festgespannt ist, dass ein dichter Kanal für das Erweiterungsfluid zwischen einer Erweiterungsfluidquelle und dem erweiterbaren Abschnitt (9) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Festspannen der Drehvorrichtung (6) gegen den Gesteinsanker (2) durch auf eine Dichtvorrichtung (14, 15, 17, 18) wirkendes Druckfluid erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Dichtvorrichtung (14, 15, 17, 18) auf zwei axialen Seiten eines Gesteinsankererweiterungsfluideinlasses (29) dichtet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, worin das Erweiterungsfluid zum Festspannen verwendet wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, worin das Festspannen durch Wirken eines Druckfluids auf eine Kolbenvorrichtung (17) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, worin die Kolbenvorrichtung (17) mit einer Dichtvorrichtung (14, 15, 17, 18) mit zwei getrennten Dichtringen zusammenwirkt.
Vorrichtung zum Einbauen eines selbstbohrenden erweiterbaren Gesteinsankers (2) in eine Gesteinswand oder -decke mit einem Bohrkronenabschnitt (5), einem erweiterbaren Abschnitt (9) und einem Verbindungsabschnitt (10), beinhaltend • Mittel zum Einbringen von unter Druck gesetztem Erweiterungsfluid in den erweiterbaren Abschnitt, um ihn zu erweitern, sodass er an der Innenseite des Bohrlochs in einem Erweiterungsschritt fixiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einbringen von unter Druck gesetztem Erweiterungsfluid eine Drehvorrichtung (6) beinhalten, welche angeordnet ist, um mit einer äußeren Oberfläche (36) im Bereich des Verbindungsabschnitts (10) während des Einbauens zusammenzuwirken, sodass in einem inaktiven Stadium der Drehvorrichtung (6) der Gesteinsanker (2) frei ist sich während eines gesteinsbrechenden Schrittes zu bewegen, und welche in einem aktiven Stadium der Drehvorrichtung (6) gegen den Gesteinsanker (2) im Erweiterungsschritt in solch einer Weise festspannbar ist, dass ein dichter Kanal für Erweiterungsfluid zwischen einer Erweiterungsfluidquelle und dem erweiterbaren Abschnitt (9) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die Drehvorrichtung (6) eine Dichtvorrichtung (14, 15, 17, 18) beinhaltet, auf welche beim Festspannen der Drehvorrichtung (6) Druckfluid wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, worin die Dichtvorrichtung (14, 15, 17, 18) angeordnet ist, um auf zwei axialen Seiten eines Gesteinsankererweiterungsfluideinlasses (29) zu dichten.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, worin die Dichtvorrichtung (14, 15, 17, 18) mittels Erweiterungsfluid festspannbar ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 10, worin beim Festspannen auf eine Kolbenvorrichtung (17) eingewirkt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, worin die Kolbenvorrichtung (17) mit einer Dichtvorrichtung (14, 15, 17, 18) mit zwei getrennten Dichtringen zusammenwirkt.
Selbstbohrender Gesteinsanker (2) mit einem Bohrkronenabschnitt (5), einem erweiterbaren Abschnitt (9) und einem Verbindungsabschnitt (10), und beinhaltend einen Spülfluidkanal (37) und einen Erweiterungsfluideinlass (29), worin der Erweiterungsfluideinlass (29) auf einer äußeren Oberfläche (36) im Bereich des Verbindungsabschnittes (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, • dass der Erweiterungsfluideinlass (29) an einer bestimmten Stelle auf der äußeren Oberfläche (36) positioniert ist, sodass die Oberfläche radiale und axiale Abmessungen hat, die geeignet sind, um mit einer Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 12 während eines vollständigen Einbauvorgangs, beinhaltend einen Bohrschritt und einen Erweiterungsschritt zusammenzuwirken, ohne dass der Gesteinsanker entfernt werden muss, wobei der Gesteinsanker (2) sich frei bewegen kann in Bezug auf die Drehvorrichtung während eines gesteinsbrechenden Schrittes, und in einem Erweiterungsschritt ein dichter Kanal für Erweiterungsfluid zwischen einer Erweiterungsfluidquelle und dem erweiterbaren Abschnitt (9) durch den Erweiterungsfluideinlass (29) gebildet werden kann, dadurch, dass die Drehvorrichtung (6) gegen die Oberfläche des Gesteinsankers (2) festspannbar ist.
Selbstbohrender Gesteinsanker nach Anspruch 13, worin die Mittel zum Anpassen an einen Bohrmaschinenadapter Gewinde zum Anpassen an entsprechende Gewinde des Bohrmaschinenadapters sind.
Selbstbohrender Gesteinsanker nach Anspruch 13 oder 14, worin die Oberfläche (36) kreiszylindrisch ist.