EP0138820B1 - Vorrichtung zum einbringen von bohrlöchern in die seitenwände von unterirdischen abbauräumen geringer breite - Google Patents
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- EP0138820B1 EP0138820B1 EP84900268A EP84900268A EP0138820B1 EP 0138820 B1 EP0138820 B1 EP 0138820B1 EP 84900268 A EP84900268 A EP 84900268A EP 84900268 A EP84900268 A EP 84900268A EP 0138820 B1 EP0138820 B1 EP 0138820B1
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- E21B7/061—Deflecting the direction of boreholes the tool shaft advancing relative to a guide, e.g. a curved tube or a whipstock
Definitions
- the invention relates to a device for introducing boreholes, in particular into the lateral mining front of underground mining spaces of small width, with a drilling unit which can optionally be moved within the mining space and can be supported for absorbing reaction forces, for driving and advancing a drilling unit provided with and at least provided with a passage channel for a flushing liquid Drill bit partially formed from a flexible steel spiral drill bit, a drive unit forming part of the drill unit for rotating the drill shaft and advancing the drill shaft in the direction of the driveability of the drill unit and with a deflection unit for the flexible part of the drill shaft arranged behind the drive unit on the drill unit , by means of which the flexible shaft with the drill bit can be deflected in a working direction at an angle to the direction of travel of the drilling unit.
- a drilling machine has also become known which can be moved relatively quickly to the place of use on the tracks laid for the coal planer or other conveying means, in order to be used there for drilling the boreholes.
- the same space limitation applies to these machines, so that the drilling process must be interrupted continuously in order to lengthen the boring bar in short sections.
- a number of devices are known from the field of deep drilling technology, in particular in the petroleum and natural gas sector, with which secondary holes can be drilled into the vertical walls of the main borehole.
- the devices known for this already use flexible drill shaft sections with which the drill shaft can be deflected in a direction perpendicular to the wall of the main borehole. Since the problem that arises here is related to the problem on which the invention is based, reference is made to FR-A-2 232 669 which, although it describes a device which is not quite of the same type, was used as the prior art for delimiting claim 1.
- FR-A-2 232 669 which, although it describes a device which is not quite of the same type, was used as the prior art for delimiting claim 1.
- a flexible shaft carrying a drill bit is lowered in a guide tube by means of a feed and drive unit.
- the deflection unit for the flexible shaft consists of a bend of the guide tube with a constant diameter, which is directed perpendicular to the borehole wall by means of a right-angled bend.
- the flexible shaft itself consists of a relatively complicated structure, and the flushing liquid is passed through a jacket surrounding the actual steel spiral of the shaft, which is not intended to rotate with the shaft, and by means of sealing ball bearing rings on the rigid parts adjoining the flexible part of the shaft is rotatably mounted.
- the feed speed of the drill should be about 2 m / min, for which a feed load at a drill speed of about 800 rpm of up to a ton is required.
- a flushing liquid is required, which is pressed through the passage channel inside the boring bar with a pressure of at least 25 bar.
- the borehole should have a diameter of approximately 42 mm for introducing the explosive charges, the diameter of the drill pipe must not exceed approximately 30 mm, so that there is still sufficient backflow space for flushing out the borehole.
- the invention has for its object to provide a device of the type mentioned, with which it is possible, under the required conditions and under the spatial conditions of a narrow strut in a direction perpendicular to the course of the strut without interruptions about 2 m deep holes to bring in the rock.
- the flexible part of the shaft is wound from a steel profile with two opposing flattened surfaces with which the individual turns of the flexible shaft abut one another, and then the passage channel for the rinsing liquid in the area the flexible shaft consists of a pressure hose running inside the flexible shaft, which is provided at its ends with tube extensions which are inserted into coupling pieces which are screwed into the ends of the flexible shaft, and in each case from the side of the coupling pieces facing away from the flexible shaft are sealed in these.
- a flexible drill shaft wound from a special steel profile is used, which is deflected within the unit from the drilling direction, which is generally perpendicular to the strut, in the direction of the strut, so that the entire feed movement for the introduction of the bore takes place in the longitudinal direction of the strut can.
- the drive unit which is displaceable in the direction of the strut in accordance with the progress of the borehole depth, is essentially intended to generate the rotational movement of the drill.
- the drive unit can also be designed to generate the feed movement of the drill with the required feed force. In such a case, however, the entire feed force in the deflection unit for the flexible shaft must also be deflected, which places considerable demands on the design of the flexible shaft and the deflection unit. It may therefore be more appropriate to provide the sole or an additional feed drive behind the deflection unit at a point at which the flexible shaft already runs in the direction of the borehole.
- Such a feed drive can take place, for example, by means of clamping jaws which can be closed around the rotating flexible shaft, with the aid of which the shaft can be subjected to a feed force under rotation and which, after a certain feed movement, can be opened, pulled back and brought into engagement with the flexible shaft for a further feed can.
- a clamping jaw unit can be used, as is protected by German Patent 27 14124 in connection with a pipe cleaning device.
- the largest part of the flexible shaft is still in front of the deflection unit, running in the direction of movement of the displaceable drive unit.
- a corresponding pipe guide for the shaft is required in front of the deflection unit, the length of which corresponds at least to the great depth of the boreholes to be drilled.
- the back and forth movement stroke of the drive unit required before the entry end of this pipe guide itself must in turn correspond to the maximum borehole depth that can be carried out by advancing the drive unit.
- the drilling shaft can consist of a rigid section, to which the flexible shaft then adjoins.
- the drilling shaft can be extended accordingly to carry out a second stroke.
- the deflection unit preferably contains a turntable with rollers arranged along its circumference, which are arranged in pairs one above the other in relation to the deflection plane of the flexible shaft and whose axes form two superimposed tangent polygons with respect to the turntable.
- These rollers are expediently spherical along their surface lines, so that the curve of the surface lines approximates the circular shape.
- Known flexible shafts wound from a steel spiral are generally made from a steel profile with a circular cross-section.
- a steel profile flattened on opposite sides so that the individual windings of the shaft lie flat against one another not only along a circular line, as in the case of a round profile, but along the flattened regions.
- the risk of transverse misalignment of the windings can be further reduced by providing a groove in the longitudinal direction in one surface and a bead on the other surface, which engage when the windings of the shaft lie against one another.
- the flexible shaft is provided at each of its ends with coupling pieces which are screwed into the shaft ends by means of a thread extension corresponding to the spiral windings of the shaft.
- this possibility no longer exists.
- the pressure hose provided at its end with a tubular extension is inserted into a bore in the shaft coupling piece and is sealingly connected to the shaft coupling piece from the other side.
- a pipe screw connection with a conical ring for example by a REMETO type screw connection
- the shaft coupling piece being designed as a union nut.
- the pipe extension of the pressure hose can also be glued inside the shaft coupling piece.
- FIG. 1 the overall arrangement of a device for introducing boreholes is shown schematically.
- the direction of the strut course is indicated by arrow 1.
- the device consists of a drive unit 2, a deflection unit 3 and an additional feed unit 4 for the drilling shaft 5, which is essentially designed as a flexible shaft, with which a drill bit (not shown) for driving a borehole into a rock wall is driven in the direction of the arrow 6.
- the entire device is arranged on a common frame (not shown) which can be moved in the direction of the strut course 1 on the provided travel paths.
- the drive unit 2 contains the rotary drive for the drilling shaft 6 and can be moved relative to the deflection unit 3 in the direction of arrow 1 on the common frame (not shown).
- the drive unit 2 and the deflection unit 3 are each provided with a pipe guide 7 or 8 for the flexible shaft 5, which can be telescopically pushed over one another when the drive unit 2 is moved relative to the deflection unit 3.
- the deflection path 9 of the flexible shaft 5 is only indicated by dashed lines.
- the additional feed unit 4 like the deflection unit 3, is mounted stationarily on the common frame (not shown) and contains a feed drive for the flexible shaft 5 that works with rotating clamping jaws, which is not shown in detail.
- FIG. 1 An embodiment of the deflection unit is shown schematically in FIG.
- the course of the flexible shaft 5, which, coming from the drive unit, is introduced into the deflection unit 3 through the pipe guide 7 shown only with its end section. It leaves the deflection unit 3 after a deflection by 90 ° through a guide piece 10, which guides the flexible shaft 5 in the direction of a borehole to be drilled.
- the guide piece 10 and the feed unit 4 which may be connected thereto can be made changeable in their angular position with respect to the pipe guide 7, since it may be necessary under certain circumstances to also drill holes at an angle which is different from the direction of movement of the device vertical direction deviates.
- the flexible shaft 5 is supported on the outside of its curved course by a turntable 11, which is shown in vertical section in FIG. 3.
- the turntable 11 is provided along its circumference with a number of rollers 12 arranged one above the other in pairs, which are rotatably mounted in bearing blocks 13 arranged in a ring shape.
- the rollers 12 are designed such that they are connected in series so that the connection of their outer surface lines approximates the circular shape.
- the bearing blocks 13 are set back with respect to the outer circumferential line circle of the rollers 12 and are made as small as possible in order to have the circumference of the turntable 11 as far as possible covered with roller surfaces.
- the height of the pairs of rollers 12 is such that the flexible shaft 5 is supported in the recess 14 (FIG. 3) between the rollers 12 of a pair and is held up and down against evasion.
- the rollers 12 follow the rotation of the flexible shaft 5 and the turntable 11 continues to rotate in accordance with the advance of the shaft.
- the turntable 11 is designed such that it absorbs the entire reaction force for deflecting the feed force applied in the direction of the pipe guide 7 in the direction of the guide piece 10.
- the type of design of the turntable 11 prevents friction of the flexible shaft 5 at its deflection support under the pressure of the applied axial feed forces.
- FIGS. 4 to 6 show different embodiments for the flexible shaft 5.
- a shaft with a circular steel profile in cross section is limited in its use to feed forces up to a certain height and also to a torque to be transmitted up to a certain height. It is therefore expedient and in some cases indispensable to choose a cross-sectional profile of the steel turns of the flexible shaft, which on the one hand ensures that the individual turns rest as flatly as possible on the one hand and on the other hand a lateral deflection or bending of individual turns under the applied torque and the applied feed force prevented.
- Figure 4 shows a section of a flexible shaft, the steel profile of which is only flattened on opposite sides, in order to achieve a flat contact of the turns against each other and to avoid the risk of lateral shear of turns, as is the case with the only circular contiguity at the highest points circular Profiles is possible.
- Figure 5 shows a profile in which a transverse offset between the individual turns is additionally prevented by interlocking beads and grooves.
- the shaft shown in FIG. 6 shows a particularly advantageous embodiment.
- the steel windings point in their Cross-sectional profile a cranked training so that the individual turns overlap each other. This creates both axial mutual contact surfaces 15 and radial contact surfaces 16 which, even with a certain spreading of the flexible shaft on the outside of its deflection path, still ensure mutual engagement, thereby avoiding a transverse offset between the turns or a twisting of a single turn.
- FIG. 7 shows the coupling ends of a flexible shaft which, for the sake of simplicity, is drawn with a circular steel profile. To connect the flexible shaft nit the connecting elements, this is provided at each end with a coupling piece 17. These coupling pieces 17 are each screwed into the end of the flexible shaft 5 with a threaded extension 18, the thread of the threaded extension 18 corresponding to the turns of the flexible shaft. The direction of rotation is such that the coupling pieces 17 turn further into the ends in the positive direction of rotation of the shaft.
- a high-pressure hose 19 Arranged within the flexible shaft 5 is a high-pressure hose 19 which, in the illustration in FIG. 7, as well as the flexible shaft 5 itself is shown broken off.
- the high-pressure hose 19 is provided at its ends with a tubular extension 20 with which it is inserted into a bore 21 of the coupling piece 17.
- a wedge ring 23 Within an internally threaded extension 22 within the coupling piece 17, a wedge ring 23 is pushed onto the tubular extension 20 of the high-pressure hose 19 from the side of the coupling piece 17 facing away from the flexible shaft 5, which is clamped against a shoulder 25 in the coupling piece 17 by means of a screw nipple 24 .
- the end of the tubular extension 20 of the high-pressure hose 19 lies against a shoulder 26 within the nipple 24.
- the tubular extension 20 is designed such that it rests with a further shoulder 27 against the front edge of the coupling piece 17 and is supported there.
- This configuration makes it possible to connect the ends of the high-pressure hose 19 to the coupling pieces 17 after they have been screwed into the ends of the flexible shaft 5.
- the nipple 24 is shown in FIG. 7 with an external sextant for screwing in.
- the diameter of the nipple can also be selected smaller at this point in order to have even more space available for a further embedded thread on the outside of the coupling piece 17, with which this then connects with the adjacent elements, for example a piece of a rigid, hollow drilling shaft or to connect the drill bit.
- These subsequent, hollow elements themselves serve as flow channels for the rinsing liquid, so that it is generally not necessary to continue the high-pressure hose provided in the flexible shaft into these elements.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen von Bohrlöchern insbesondere in die seitliche Abbaufront von unterirdischen Abbauräumen geringer Breite mit einem gegebenenfalls schienengebunden innerhalb des Abbauraumes verfahrbaren und zur Aufnahme von Reaktionskräften abstützbaren Bohraggregat zum Antreiben und Vorschieben einer an einer mit einem Durchtrittskanal für eine Spülflüssigkeit versehenen und zumindest teilweise aus einer flexiblen Stahlspirale gebildeten Bohrwelle angeordneten Bohrkrone, einer einen Teil des Bohraggregates bildenden Antriebseinheit für den Drehantrieb der Bohrwelle und den Vorschub der Bohrwelle in Richtung der Verfahrbarkeit des Bohraggregates und mit einer hinter der Antriebseinheit auf dem Bohraggregat angeordneten Umlenkeinheit für den flexiblen Teil der Bohrwelle, mittels derer die flexible Welle mit der Bohrkrone in eine Arbeitsrichtung unter einem Winkel zur Verfahrbarkeitsrichtung des Bohraggregates umlenkbar ist.
- Im Steinkohlenbergbau werden zur Gewinnung der Kohle zunehmend mechanische Abbaugeräte wie Schremmaschinen und Kohlenhobel eingesetzt. Diese Maschinen werden meist in einem langen, schmalen und oft auch sehr niedrigen Abbauraum, der auch als Streb bezeichnet wird, entlang der an der einen Seite des Strebs anstehenden Kohlenfront bewegt, um die Kohle mechanisch zu gewinnen. Auf der der anstehenden Kohle gegenüberliegenden Seite ist das Streb durch den jeweils nachgeführten Strebausbau begrenzt. So ergeben sich lange, schmale Strebräume, die in vielen Füllen nur eine Breite won etwa 0,5 m und, je nach Flözstärke, eine Höhe von 0,65 m aufweisen.
- Beim Abbau kommt es nun vor, daß beispielsweise der Kohlenhobek, der in dem Streb entlangbewegt wird, auf Stellen harten Gesteins stößt, das für den weiteren Abbau durch Schienen entfernt werden muß.
- Hierfür müßten im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Strebs bis zu etwa 2 m tiefe Löcher in das Gestein gebohrt werden, die einen Durchmesser von ca. 42 mm haben. Bisher wurden diese Bohrlöcher im allgemeinen mit Handbohrgeräten ausgeführt, da der enge, oft nur einen halben Meter breite zur Verfügung stehende Raum den Einsatz von maschinellen Bohrgeräten nicht gestattet. Bei fortschreitender Tiefe des Bohrloches ist es aus gleichem Grund erforderlich, die Bohrstange stufenweise zu verlängern. Diese Arbeitsweise ist sehr zeitaufwendig und stellt für das eingesetzte Personal eine hohe Belastung dar. Der Zeitfaktor ist deshalb so entscheidend, weil während des Beseitigens der harten Gesteinsbereiche der Kohlenhobel außer Betrieb genommen werden muß und ein entsprechender Produktionsausfall eintritt.
- Es ist auch schon eine Bohrmaschine bekanntgeworden, die auf den für den Kohlenhobel verlegten Gleisen oder anderen Fördermitteln verhältnismäßig schnell an den Einsatzort bewegt werden kann, um dort für das Ausführen der Bohrlöcher eingesetzt zu werden. Für diese Maschinen gilt jedoch die gleiche Raumbegrenzung, so daß der Bohrvorgang ständig unterbrochen werden muß, um die Bohrstange jeweils in kurzen Abschnitten zu verlängern.
- Aus dem Gebiet der Tiefbohrtechnik, insbesondere im Erdöl- und Erdgasbereich sind eine Reihe von Vorrichtungen bekannt, mit denen sich Sekundärbohrungen in die senkrechten Wände des Hauptbohrloches einbringen lassen. Die hierfür bekannten Vorrichtungen verwenden ebenfalls bereits flexible Bohrwellenabschnitte, mit denen die Bohrwelle in eine Richtung senkrecht zur Wand des Hauptbohrloches umgelenkt werden kann. Da die hierbei auftretende Problematik der der Erfindung zugrundeliegenden Problematik verwandt ist, wird stellvertretend auf die FR-A-2 232 669 verwiesen, die, obwohl sie eine nicht ganz gattungsgleiche Vorrichtung beschreibt, als Stand der Technik zur Abgrenzung des Patentanspruches 1 zugrunde gelegt wurde. Bei der aus der französischen Patentschrift bekannten Vorrichtung wird eine flexible, eine Bohrkrone tragende Welle mittels einer Vorschub- und Antriebseinheit in einem Führungsrohr abgesenkt. Die Umlenkeinheit für die flexible Welle besteht aus einem mit konstantem Durchmesser weitergeführten Krümmer des Führungsrohres, der durch rechtwinklige Abwinkelung senkrecht auf die Bohrlochwand gerichtet ist. Die flexible Welle selbst besteht aus einem verhältnismäßig komplizierten Aufbau, und die Spülflüssigkeit ist durch einen, die eigentliche Stahlspirale der Welle umgebenden Mantel geführt, der nicht mit der Welle rotieren soll und mittels abdichtenden Kugellagerringen auf den sich an den flexiblen Teil der Welle anschließenden starren Teilen drehbar gelagert ist.
- Aus der US-A-4 149 391 ist auch bereits eine aus einem runden Stahlprofil gewickelte flexible Bohrwelle bekannt, bei der ein Schlauch zum Transport der Spülflüssigkeit durch das Innere der Welle geführt ist. Die Welle weist aber zwischen dem gewickelten Stahlprofil und dem Schlauch weitere Stützelemente auf. Die aus der US-Patentschrift bekannte Bohrwelle wie auch diejenige gemäß der genannten französischen Patentschrift sind ihrer Konstruktion nach für größere Bohrlochdurchmesser vorgesehen, und es wäre nicht möglich, die bekannten Konstruktionen auf Vorrichtungen zu übertragen, mit denen Bohrlöcher von nur etwa 42 mm Durchmesser in Gestein eingebracht werden sollen, und bei denen das Bohrgestänge wegen des noch erforderlichen Rücklaufraumes für die Spülflüssigkeit lediglich einen Durchmesser von ca. 30 mm aufweisen soll.
- Im übrigen sind der US-A-4 149 391 keine weiteren Angaben für eine Vorrichtung der hier beanspruchten Art zu entnehmen, da diese Druckschrift lediglich auf die Ausbildung einer flexiblen Bohrwelle gerichtet ist, die für den hier angestrebten Einsatzzweck jedoch nicht verwendbar ist.
- Um im Falle des Auftretens von hartem Gestein den Produktionsausfall des Kohlenhobels in vertretbaren Grenzen zu halten, werden folgende Forderungen an das Ausführen der Bohrlöcher gestellt: Die Vorschubgeschwindigkeit des Bohrers soll etwa 2 m/min betragen, wofür bei einer Bohrerdrehzahl von etwa 800 upm eine Vorschubbelastung von bis zu einer Tonne erforderlich ist. Für das Freispülen der Bohrlöcher ist die Verwendung einer Spülflüssigkeit erforderlich, die mit einem Druck von mindestens 25 bar durch den Durchtrittskanal innerhalb der Bohrstange gedrückt wird. Während das Bohrloch, wie bereits erwähnt, zum Einführen der Sprengladungen einen Durchmesser von etwa 42 mm haben soll, darf der Durchmesser des Bohrgestänges ca. 30 mm nicht überschreiten, damit noch ein genügender Rückströmraum für das Freispülen des Bohrloches verbleibt.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, mit der es möglich ist, unter den geforderten Bedingungen und unter den räumlichen Verhältnissen eines engen Strebs in einer Richtung senkrecht zum Verlauf des Strebs ohne Unterbrechung etwa 2 m tiefe Bohrlöcher in das anstehende Gestein einzubringen.
- Diese Aufgabe wird für die bezeichnete Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der flexible Teil der Welle aus einem Stahlprofil mit zwei sich gegenüberliegenden abgeflachten Flächen gewickelt ist, mit denen die einzelnen Windungen der flexiblen Welle gegenseitig aneinander anliegen, und dan der Durchtrittskanal für die Spülflüssigkeit im Bereich der flexiblen Welle aus einem innerhalb der flexiblen Welle verlaufenden Druckschlauch besteht, der an seinen Enden mit Rohrfortsätzen versehen ist, die in Kupplungsstücke eingeführt sind, welche in die Enden der flexiblen Welle eingeschraubt sind, und jeweils von der der flexiblen Welle abgewandten Seite der Kupplungsstücke her abdichtend in diesen befestigt sind.
- Es bereitet im allgemeinen keine besonderen Schwierigkeiten, ein entsprechend schweres Aggregat, das die erforderliche Leistungsfähigkeit aufweist, und das entsprechend gegen die Reaktionskräfte des Bohrens abstützbar ist, in kurzer Zeit auf den für den Kohlenhobel vorgesehenen Gleisen oder anderen Fortbewegungsbahnen an den benötigten Einsatzort zu verbringen. Das Problem liegt darin, mit einem solchen Aggregat die verhältnismäßig tiefen erforderlichen Bohrungen in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Erstreckung des schmalen Strebraumes in das seitlich anstehende Gestein einzubringen. Gemäß der Erfindung wird eine aus einem speziellen Stahlprofil gewickelte flexible Bohrwelle benutzt, die innerhalb des Aggregates aus der im allgemeinen senkrecht zum Streb verlaufenden Bohrrichtung in die Richtung des Strebs umgelenkt wird, so daß die gesamte Vorschubbewegung für das Einbringen der Bohrung in Längsrichtung des Strebs erfolgen kann.
- Die in Richtung des Strebs entsprechend dem Fortschreiten der Bohrlochtiefe verschiebbare Antriebseinheit ist im wesentlichen dafür vorgesehen, die Rotationsbewegung des Bohrers zu erzeugen. Die Antriebseinheit kann dabei aber auch zusätzlich dafür ausgebildet sein, die Vorschubbewegung des Bohrers mit der erforderlichen Vorschubkraft zu erzeugen. In einem solchen Fall muß jedoch die gesamte Vorschubkraft in der Umlenkeinheit für die biegsame Welle mit umgelenkt werden, was erhebliche Anforderungen an die Ausführung der biegsamen Welle und der Umlenkeinheit stellt. Es kann daher zweckmäßiger sein, hinter der Umlenkeinheit an einer Stelle, an der die biegsame Welle bereits in Richtung des Bohrloches verläuft, den alleinigen oder einen zusätzlichen Vorschubantrieb vorzusehen.
- Ein solcher Vorschubantrieb kann beispielsweise mittels um die rotierende biegsame Welle schließbarer Klemmbacken erfolgen, mit deren Hilfe die Welle unter Rotation mit einer Vorschubkraft beaufschlagt werden kann, und die nach einer bestimmten Vorschubbewegung geöffnet, zurückgezogen und für erneuten Vorschub mit der biegsamen Welle in Eingriff gebracht werden können. Bevorzugt kann hierfür eine Klemmbackeneinheit Verwendung finden, wie sie durch das Deutsche Patent 27 14124 in Verbindung mit einem Rohrreinigungsgerät geschützt ist.
- Bei Beginn einer Bohrung befindet sich der größte Teil der biegsamen Welle noch vor der Umlenkeinheit, in Bewegungsrichtung der verschiebbaren Antriebseinheit verlaufend. Um bereits in diesem Zustand eine Druckkraft auf die biegsame Welle ausüben zu können, ist vor der Umlenkeinheit eine entsprechende Rohrführung für die Welle erforderlich, deren Länge mindestens der größen Tiefe der einzubringenden Bohrlöcher entspricht. Der vor dem Eintrittsende dieser Rohrfürung erforderliche Hin- und Herbewegungshub des Antriebsaggregates muß selbst wiederum der mittels eines Vorschubes der Antriebseinheit ausfürbaren maximalen Bohrlochtiefe entsprechen. Im Bereich dieser Bewegungsstrecke der Antriebseinheit kann die Bohrwelle aus einem starren Abschnitt bestehen, an den sich dann die biegsame Welle anschließ. Es kann aber unter Umständen auch auf einen solchen starren Wellenabschnitt verzichtet werden, wenn die Antriebseinheit ihrerseits mit einem entsprechend langen Führungsrohr versehen ist, welches sich teleskopisch über das vor der Umlenkeinheit befindliche Fürungsrohr schieben läßt. Selbstverständlich können diese Rohrführungen in Anpassung an die Ausfürung von Bohrlöchern unterschiedlicher Tiefe auch austauschbar ausgeführt werden.
- Ebenso kann vorgesehen sein, daß für das Ausführen besonders tiefer Bohrlöcher, für die ein einziger Hub der Antriebseinheit nicht ausreicht, die Bohrwelle zum Ausführen eines zweiten Hubes entsprechend verlängert werden kann.
- Besondere Anforderungen werden an die Umlenkeinheit insbesondere dann gestellt, wenn die gesamte Vorschubkraft von der Antriebseinheit aufzubringen ist, ohne daß hinter der Umlenkeinheit eine weitere Vorschubeinheit vorgesehen ist. Eine einfache Rohrführung ist hier im allgemeinen nicht ausreichend, da sie unter Rotation der biegsamen Welle und gleichzeitiger Umlenkung der Vorschubkraft in kurzer Zeit verschleißen und auch die Bohrwelle entsprechend beeinträchtigen würde. Es ist daher gemäß der Erfindung eine Abstützung der biegsamen Welle im Umlenkpunkt vorgesehen, an der die Welle sowohl in ihrer Vorschubbewegung als auch in ihrer Rotation abrollen kann, ohne daß eine nennenswerte Reibung auftritt. Dies ist grundsätzlich durch Abstützelemente in Form eines Kugelbettes möglich, in denen jeweils Paare von Kugeln abrollbar gelagert sind, wobei die Kugeln eines Paares in Bezug auf die Umlenkebene der flexiblen Welle übereinander angeordnet sind, so daß die Welle in der Vertiefung zwischen den beiden ihr zugewandten höchsten Kugelpunkten abgestützt wird.
- Vorzugsweise enthält die Umlenkeinheit jedoch einen Drehteller mit entlang seines Umfanges angeordneten Rollen, die in Bezug auf die Umlenkebene der flexiblen Welle jeweils paarweise übereinander angeordnet sind und deren Achsen zwei übereinanderliegende Tangentenvielecke in Bezug auf den Drehteller bilden. Diese Rollen sind zweckmäßigerweise entlang ihrer Mantellinien noch ballig ausgebildet, so daß die Kurve der Mantellinien der Kreisform angenähert ist.
- Bekannte aus einer Stahlspirale gewickelte flexible Wellen sind im allgemeinen aus einem Stahlprofil mit kreisförmigem Querschnitt hergestellt. Für den Fall, daß hohe axiale Kräfte aufgenommen werden müssen, besteht bei derartigen Wellen jedoch die Gefahr, daß die einzelnen Windungen der Welle aufeinander seitlich abgleiten. Es ist daher ein Merkmal der Erfindung, ein an gegenüberliegenden Seiten abgeflachtes Stahlprofil zu verwenden, so daß die einzelnen Windungen der Welle nicht nur entlang einer Kreislinie, wie bei rundem Profil, sondern längs der abgeflachten Bereiche flächig aneinander anliegen. Die Gefahr eines Querversatzes der Windungen kann noch dadurch vermindert werden, daß jeweils in der einen Fläche in Längsrichtung eine Nut und an der anderen Fläche eine Wulst vorgesehen ist, die bei Aneinanderliegen der Windungen der Welle ineinandergreifen.
- Noch vorteilhafter ist ein Profil, welches im Querschnitt eine gekröpfte Ausbildung zeigt, so daß die einzelnen Windungen der biegsamen Welle sich gegenseitig übergreifen können und sowohl in axialer wie auch in radialer Richtung gegenseitige Anlageflächen aufweisen. Bei genügend starkem Übergreifen der einzelnen Windungen bleiben die radialen Abstützflächen auch noch dann wirksam, wenn die biegsame Welle innerhalb der Umlenkeinheit an ihrer Außenseite gespreizt wird. Eine solche Ausführung verhindert auch in wirksamer Weise die Gefahr, daß bei der Übertragung hoher Drehmomente eine beispielsweise geschwächte Windung in sich zusammengebogen wird und die Welle für den weiteren Bohrvorgang unbrauchbar macht.
- Eine weitere Schwierigkeit besteht in der Anordnung des die Spülflüssigkeit führenden Druckschlauches innerhalb der biegsamen Welle. Die biegsame Welle ist an jedem ihrer Enden mit Kupplungsstücken versehen, die mittels eines den Spiralwindungen der Welle entsprechenden Gewindefortsatzes in die Wellenenden eingedreht werden. Grundsätzlich wäre es möglich, das eine Ende des Druckschlauches mit dem Gewindefortsatz eines Wellenkupplungestückes durch Verschrauben oder dergleichen zu verbinden, um den Druckschlauch dann in die biegsame Welle einzuführen und das Kupplungsstück in das Wellenende einzuschrauben. Am zweiten Ende der biegsamen Welle ist diese Möglichkeit jedoch nicht mehr gegeben. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß der an seinem Ende mit einem Rohrfortsatz versehene Druckschlauch, wie dies bei Hydraulikschläuchen beispielsweise handelsüblich ist, in eine Bohrung des Wellenkupplungsstückes eingeführt und von der anderen Seite her abdichtend mit dem Wellenkupplungsstück verbunden wird. Dies erfolgt zweckmäßigerweise durch eine Rohrverschraubung mit Konusring, beispielsweise durch eine Verschraubung vom Typ REMETO, wobei das Wellenkupplungsstück als Überwurfmutter ausgebildet ist. Grundsätzlich kann aber auch ein Verkleben des Rohrfortsatzes des Druckschlauches innerbalb des Wellenkupplungsstückes erfolgen.
- Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen beansprucht.
- Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen noch näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:
- Figur 1 eine schematische Darstellung der Gesamtanordnung der Vorrichtung,
- Figur 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Umlenkeinheit in Draufsicht,
- Figur 3 einen Schnitt durch den Drehteller der Umlenkeinheit nach Figur 2,
- Figuren 4-6 Ausführungsformen der biegsamen Welle und
- Figur 7 eine Darstellung der Kupplungsstücke
- einer biegsamen Welle mit der Befestigung der Enden des Druckschlauches für die Spülflüssigkeit darin.
- In Figur 1 ist schematisch die Gesamtanordnung einer Vorrichtung zum Einbringen von Bohrlöchern dargestellt. Die Richtung des Strebverlaufes ist durch den Pfeil 1 angedeutet. Die Vorrichtung besteht aus einer Antriebseinheit 2, einer Umlenkeinheit 3 und einer zusätzlichen Vorschubeinheit 4 für die im wesentlichen als biegsame Welle ausgeführte Bohrwelle 5, mit der eine (nicht dargestellte) Bohrkrone zum Einbringen eines Bohrloches in eine Gesteinswand in Richtung des Pfeiles 6 vorgetrieben wird. Die gesamte Vorrichtung ist auf einem (nicht gezeigten) gemeinsamen Rahmen angeordnet, der auf vorgesehenen Fortbewegungsbahnen in Richtung des Strebverlaufes 1 verfahrbar ist.
- Die Antriebseinheit 2 enthält den Drehantrieb für die Bohrwelle 6 und ist relativ zur Umlenkeinheit 3 in Richtung des Pfeiles 1 auf dem (nicht gezeigten) gemeinsamen Rahmen verfahrbar. Die Antriebseinheit 2 und die Umlenkeinheit 3 sind je mit einer Rohrführung 7 bzw. 8 für die biegsame Welle 5 versehen, die bei der Vorschubbewegung der Antriebseinheit 2 gegenüber der Umlenkeinheit 3 teleskopisch übereinanderschiebbar sind. Innerhalb der Umlenkeinheit 3 ist der Umlenkweg 9 der biegsamen Welle 5 lediglich gestrichelt angedeutet. Die zusätzliche Vorschubeinheit 4 ist, wie die Umlenkeinheit 3, stationär auf dem (nicht gezeigten) gemeinsamen Rahmen angebracht und enthält einen mit rotierenden Klemmbacken arbeitenden Vorschubantrieb für die biegsame Welle 5, der im einzelnen nicht dargestellt ist.
- In Figur 2 ist eine Ausführungsform der Umlenkeinheit schematisch dargestellt. Zu erkennen ist der Verlauf der biegsamen Welle 5, die, von der Antriebseinheit kommend, durch die nur mit ihrem Endabschnitt dargestellte Rohrführung 7 in die Umlenkeinheit 3 eingeführt ist. Sie verläßt die Umlenkeinheit 3 nach einer Umlenkung um 90° durch ein Führungsstück 10, das die biegsame Welle 5 in Richtung auf ein einzubringendes Bohrloch führt.
- Es sei darauf hingewiesen, daß das Führungsstück 10 und die sich daran eventuell anschließende Vorschubeinheit 4 in ihrer Winkelstellung zur Rohrführung 7 veränderbar ausgeführt sein können, da es unter Umständen erforderlich sein kann, auch Bohrlöcher unter einem Winkel auszuführen, der von der zur Bewegungsrichtung der Vorrichtung senkrechten Richtung abweicht.
- Auf ihrem Umlenkweg innerhalb der Umlenkeinheit 3 ist die biegsame Welle 5 an der Außenseite ihres gekrümmten Verlaufes durch einen Drehteller 11 gestützt, der im senkrechten Schnitt in Figur 3 dargestellt ist. Der Drehteller 11 ist entlang seinem Umfang mit einer Anzahl von paarweise übereinander angeordneten Rollen 12 versehen, die in kranzförmig angeordneten Lagerböcken 13 drehbar gelagert sind. Die Rollen 12 sind derart ballig ausgeführt, daß die Hintereinanderverbindung ihrer äußeren Mantellinien der Kreisform angenähert ist. Die Lagerböcke 13 sind gegenüber den äußeren Mantellinienkreis der Rollen 12 zurückgesetzt und so klein wie möglich ausgeführt, um den Umfang des Drehtellers 11 möglichst weitgehend mit Rollenoberflächen besetzt zu haben. Die Paare von Rollen 12 sind in ihrer Höhe derart angeordnet, daß sich die biegsame Welle 5 in der Vertiefung 14 (Figur 3) zwischen den Rollen 12 eines Paares abstützt und gegen ein Ausweichen nach oben und unten gehalten wird.
- Die Rollen 12 folgen der Rotation der biegsamen Welle 5 und der Drehteller 11 dreht sich entsprechend dem Vorschub der Welle weiter. Der Drehteller 11 ist derart ausgeführt, daß er die gesamte Reaktionskraft für die Umlenkung der in Richtung der Rohrführung 7 aufgebrachten Vorschubkraft in die Richtung des Führungsstückes 10 aufnimmt. Außerdem wird durch die Art der Ausführung des Drehtellers 11 eine Reibung der biegsamen Welle 5 an ihrer Umlenkungsabstützung unter dem Druck der aufgebrachten axialen Vorschubkräfte vermieden.
- Neben den Drehteller 11 können erforderlichenfalls auch noch weitere mit abrollenden Elementen versehene Umlenkeinrichtungen innerhalb der Umlenkeinheit 3 vorgesehen werden, falls dies zu einer sicheren Führung der biegsamen Welle 5 erforderlich ist.
- In den Figuren 4 bis 6 eind unterschiedliche Ausführungsformen für die biegsame Welle 5 dargestellt. Eine Welle mit im Querschnitt kreisförmigem Stahlprofil ist in ihrer Verwendung auf Vorschubkräfte bis zu einer bestimmten Höhe und ebenfalls auf ein zu übertragendes Drehmoment bis zu einer bestimmten Höhe begrenzt. Es ist daher zweckmäßig und in manchen Fällen unerläßlich, ein Querschnittprofil der Stahlwindungen der biegsamen Welle zu wählen, welches einerseits eine möglichst flächige Anlage der einzelnen Windungen aneinander gewährleistet und andererseits auch ein seitliches Ausscheren oder ein Zusammenbiegen einzelner Windungen unter dem aufgebrachten Drehmoment und der angewandten Vorschubkraft verhindert.
- Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus einer biegsamen Welle, deren Stahlprofil lediglich an gegenüberliegenden Seiten abgeflacht ist, um eine flächige Anlage der Windungen gegeneinander zu erreichen und die Gefahr eines seitlichen Ausscherens von Windungen zu vermeiden, wie das bei der nur kreislinienförmigen Aneinanderlage an den Höchstpunkten kreisförmiger Profile möglich ist.
- Figur 5 zeigt eine Profilgebung, bei dem ein Querversatz zwischen den einzelnen Windungen zusätzlich durch ineinandergreifende Wulste und Nuten verhindert ist. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zeigt die in Figur 6 dargestellte Welle. Hier weisen die Stahlwindungen in ihrem Querschnittsprofil eine abgekröpfte Ausbildung auf, so daß die einzelnen Windungen sich gegenseitig übergreifen. Dadurch entstehen sowohl axiale gegenseitige Anlageflächen 15 wie auch radiale Anlageflächen 16, die selbst bei einer gewissen Aufspreizung der biegsamen Welle an der Außenseite ihrer Umlenkbahn noch ein gegenseitiges Hintergreifen gewährleisten, wodurch ein Querversatz zwischen den Windungen oder ein Zusammendrehen einer einzelnen Windung vermieden wird.
- In Figur 7 sind die Kupplungsenden einer biegsamen Welle dargestellt, die der Einfachheit halber mit einem kreisförmigen Stahlprofil gezeichnet ist. Zur Verbindung der biegsamen Welle nit den Anschlußelementen ist diese an jedem Ende mit einem Kupplungsstück 17 versehen. Diese Kupplungsstücke 17 sind mit einen Gewindefortsatz 18 jeweils in das Ende der biegsamen Welle 5 eingedreht, wobei das Gewinde des Gewindefortsatzes 18 den Windungsgängen der biegsamen Welle entspricht. Die Drehrichtung ist derart, daß die Kupplungsstücke 17 sich bei positiver Drehrichtung der Welle in deren Enden weiter hineindrehen.
- Innerhalb der biegsamen Welle 5 ist ein Hochdruckschlauch 19 angeordnet, der in der Darstellung der Figur 7 wie auch die biegsame Welle 5 selbst abgebrochen gezeichnet ist. Der Hochdruckschlauch 19 ist an seinen Enden mit einem Rohrfortsatz 20 versehen, mit dem er in eine Bohrung 21 des Kupplungsstückes 17 eingeführt ist. Innerhalb einer mit Innengewinde versehenen Ausweitung 22 innerhalb des Kupplungsstückes 17 ist von der der biegsamen Welle 5 abgewandten Seite des Kupplungsstückes 17 her ein Keilring 23 auf den Rohrfortsatz 20 des Hochdruckschlauches 19 aufgeschoben, der mittels eines Schraubnippels 24 gegen eine Schulter 25 im Kupplungsstück 17 verspannt ist. Der Rohrfortsatz 20 des Hochdruckschlauches 19 liegt mit seinem Ende gegen eine Schulter 26 innerhalb des Nippels 24 an. Außerdem ist der Rohrfortsatz 20 so ausgebildet, daß er mit einer weiteren Schulter 27 gegen die Vorderkante des Kupplungsstückes 17 anliegt und dort abgestützt ist.
- Durch diese Ausbildung ist es möglich, die Enden des Hochdruckschlauches 19 mit den Kupplungsstücken 17 zu verbinden, nachdem diese in die Enden der biegsamen Welle 5 eingeschraubt worden sind.
- Der Nippel 24 ist in der Figur 7 mit einem Außensextant zum Einschrauben dargestellt. Der Durchmesser des Nippels kann an dieser Stelle auch geringer gewählt werden, um noch mehr Platz für ein weiteres eingelassenes Gewinde an der Außenseite des Kupplungsstückes 17 zur Verfügung zu haben, mit dem dieses dann mit den angrenzenden Elementen, beispielsweise einem Stück einer starren, hohlen Bohrwelle oder der Bohrkrone zu verbinden. Diese anschließenden, hohl ausgeführten Elemente dienen selbst als Strömungskanal für die Spülflüssigkeit, so daß eine Fortführung des in der biegsamen Welle vorgesehenen Hochdruckschlauches in diese Elemente hinein im allgemeinen nicht erforderlich ist.
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