"Verfahren zum Felsbohren" "Rock drilling method"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren von Gestein oder Fels, insbesondere zum Erzeugen einer Felsbohrung für leichte bis mittelere Felsformationen.The invention relates to a method for drilling rock or rock, in particular for producing a rock hole for light to medium-sized rock formations.
Beim Bohren in leichteren bis mittleren Felsformationen werden üblicherweise sog. "MUD-Motoren" eingesetzt. Dabei handelt es sich um Schraubenmotoren, die nach dem Moineau-Prinzip arbeiten.So-called "MUD motors" are usually used for drilling in lighter to medium-sized rock formations. These are screw motors that work according to the Moineau principle.
Das Bohren mit MUD-Motoren ist betriebstechnisch aufwendig und teuer, so daß gegenüber dem Bohren in Lockergesteinsformationen, welches ohne den Einsatz von MUD-Motoren möglich ist, ein Kostenfaktor von 5 bis 10 gegeben ist.Drilling with MUD motors is technically complex and expensive, so that there is a cost factor of 5 to 10 compared to drilling in loose rock formations, which is possible without the use of MUD motors.
Um den Einsatz der teuren MUD-Motoren zu vermeiden, wurden kleinere Hartgesteinsbohrköpfe aus dem Bergbau und der Ankertechnik eingesetzt, die jedoch keinen gesteuerten Vortrieb erlauben.In order to avoid the use of the expensive MUD motors, smaller hard rock drilling heads from mining and anchor technology were used, which, however, do not allow controlled propulsion.
Daneben wurden von der Fa. FlowTex entwickelte steuerbare, asymmetrische Hartgesteinsbohrköpfe mit sog. Doppelkeilbohrgestänge eingesetzt. Die höhenasymmetrischen Flügelschneiden der dabei verwendeten Bohrköpfe wurden beim Steuern so bewegt, daß die längere Frontschneide sich durch kurze Links/Rechts-Schwenkbewegungen in der gewünschten Rieh-
tung in den Fels hineinarbeitet. Nach entsprechender Vorbohrtiefe wird dann durch Rotation des gesamten Bohrkopfes der Bohrlochdurchmesser durch Vorschneider und Nachräumer herausgearbeitet. Der Vorschneider stellt dabei die längere Frontschneide und der Nachräumer die kürzere Front- schneide dar.In addition, controllable, asymmetrical hard rock drill heads with so-called double wedge drill rods developed by FlowTex were used. The height-asymmetrical wing blades of the drill heads used were moved during control so that the longer front cutting edge can be moved in the desired cattle by short left / right swiveling movements. tion works into the rock. After the appropriate pre-drilling depth, the diameter of the borehole is then worked out by pre-cutters and reamers by rotating the entire drill head. The pre-cutter represents the longer front cutting edge and the post-reamer the shorter front cutting edge.
Auch dieses Verfahren ist mit einem hohen Kostenaufwand verbunden, da die erforderlichen Doppelkeilbohrgestänge teuer sind. Zudem weist die Bohrvorrichtung einen schlechten Wirkungsgrad auf, so daß mit hohem Zeit- aufwand nur kurze Bohrstrecken realisierbar sind. Dabei ist das Vorschneiden zur Richtungsänderung aufwendig und der Verschleiß des Vorschneiders hoch. In der Praxis ist ein Vorschneiderwechsel nach jedem Bohrvorgang erforderlich.This method is also associated with high costs, since the required double wedge drill rods are expensive. In addition, the drilling device has poor efficiency, so that only short drilling distances can be realized with a high expenditure of time. The pre-cutting to change the direction is complex and the wear of the pre-cutter is high. In practice, the pre-cutter must be changed after each drilling operation.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem ein kostengünstiges und leistungsfähiges Gesteins- oder Felsbohren möglich ist und welches insbesondere zum Drehen in einer Richtung geneigt ist.The invention has for its object to provide a method with which an inexpensive and efficient rock or rock drilling is possible and which is particularly inclined to rotate in one direction.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine leistungsfähige Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.It is also an object of the invention to provide a powerful device.
Die Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprü- ehe.The invention is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous further developments are the subject of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf dem Gedanken, mit einem asymmetrischen rotierenden Bohrkopf im Verlauf der Rotation den Anpreßdruck so zu variieren, daß mindestens ein Kreisabschnitt α stärker abgetra- gen wird als die übrige Ortsbrust. Das Bohrgerät wird dabei eine Richtungsabweichung in Richtung des Kreisabschnitts α ausgehend von der Rotationsachse vollziehen.
Der erfindungsgemäße asymmetrische Bohrkopf kann eine schräge Steuerfläche, wie herkömmliche Bohrköpfe für leichte Böden, aufweisen. Die Steuerfläche kann konkav ausgebildet sein. Hierdurch wird die Steuerfunktion verbessert und der Kantenabrieb kompensiert. Dieser Effekt kann auch durch Verwendung von Leisten - vorzugsweise aus Hartmetall - erreicht werden, die im Bereich der Steuerkanten angeordnet sind. Ferner kann eine asymmetrische oder asymmetrisch angeordnete Frontschneide vorgesehen sein. Das Bohrgerät kann des weiteren mit einem Schlagwerk ausgestattet sein, das vorzugsweise mit hoher Schlagfrequenz arbeitet. Die Druckbeaufschlagung des Bohrkopfes beträgt vorzugsweise mehr als 2 Tonnen.The method according to the invention is based on the idea of using an asymmetrical rotating drill head to vary the contact pressure in the course of the rotation in such a way that at least one circular segment α is removed more than the rest of the working face. The drill will make a directional deviation in the direction of the circular section α starting from the axis of rotation. The asymmetrical drill head according to the invention can have an inclined control surface, such as conventional drill heads for light soils. The control surface can be concave. This improves the control function and compensates for edge wear. This effect can also be achieved by using strips - preferably made of hard metal - which are arranged in the area of the control edges. Furthermore, an asymmetrical or asymmetrically arranged front cutting edge can be provided. The drill can also be equipped with a hammer mechanism, which preferably works with a high impact frequency. The pressurization of the drill head is preferably more than 2 tons.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform verfügt der Bohrkopf über einen in steiler Schrägachse asymmetrisch angebrachten einfach oder zweifach rotierenden Kleinbohrkopf mit Hartmetallbesatz oder über einen versetzt, achsenparallel oder steilschräg angebrachten Schlagkopf, der beispielsweise die in den Figuren dargestellten Geometrien aufweisen kann. Der Kleinbohrkopf dient dabei zur Richtungsvorschneidung in dem Kreisabschnitt α der Ortsbrust. Der Bohrlochquerschnitt kann nachrückend von dem Gesamtbohrkopf aufgefahren werden.In a preferred embodiment, the boring head has a single or double rotating small boring head with hard metal trimmings which is asymmetrically mounted in a steep inclined axis or an offset, parallel to the axis or steeply inclined beating head which can have, for example, the geometries shown in the figures. The small boring head serves for pre-cutting the direction in the circular section α of the working face. The cross-section of the borehole can be moved up from the entire drill head.
Beim schlagenden Vortrieb kann der ganze Kopf oder auch nur ein Teil des Bohrkopfes beschleunigt werden. Dabei kann auch ein Meißel, der auf einem Rotationselement (Rolle) angeordnet ist, von einem Schlagkolben in Lenkrichtung getrieben werden. Das Rotationselement kann dabei, entkoppelt vom Meißelschaft, die Ortsbrust durch Rotation abtragen.When driving, the whole head or just a part of the drill head can be accelerated. A chisel, which is arranged on a rotary element (roller), can also be driven in the steering direction by a percussion piston. Decoupled from the chisel shaft, the rotary element can remove the working face by rotation.
Der Kopf kann aber auch als Stufenkonus ausgebildet sein, wobei Meißel und Stößel in einer Achse aber in bezug auf die Achse des Schlagkolbens oder des Bohrkopfes oder des Bohrgerätes achsparallel versetzt oder in einem Winkel angeordnet sein können. Diese Anordnung läßt sich auch mit anderen Kopfformen verwirklichen. Bei Bohrkopfvarianten mit schräger
Steuerfläche können die Kanten der Steuerfläche abgerundet sein, um das in der Ortsbrust entgegenwirkende Drehmoment zu verringern. Dabei kann mittig eine konische Nut eingesenkt sein, um die Stabilität und Steuerschärfe beim Lenken zu erhöhen. In die Schrägfläche können Hartmetallbits eingearbeitet sein.However, the head can also be designed as a step cone, whereby the chisel and plunger can be offset in an axis parallel to one another or arranged at an angle with respect to the axis of the percussion piston or the drilling head or the drilling device. This arrangement can also be realized with other head shapes. For drill head variants with angled Control surface, the edges of the control surface can be rounded to reduce the torque counteracting in the face. A conical groove can be countersunk in the middle to increase stability and steering sharpness when steering. Carbide bits can be worked into the sloping surface.
Der Bohrkopf wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise in einer Richtung drehend vorgetrieben. Der Kreisabschnitt α besitzt vorzugsweise ein Winkelmaß von 10 bis 25 Grad.In the method according to the invention, the drill head is preferably driven to rotate in one direction. The circular section α preferably has an angular dimension of 10 to 25 degrees.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment shown in the drawing.
In der Zeichnung zeigen:The drawing shows:
Fig. 1 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Vortriebs in der Ortsbrust,1 shows the tunneling according to the invention in the working face,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie ll-ll der Fig. 1 ,2 shows a section along the line II-II of FIG. 1,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie lll-lll der Fig. 2,3 shows a section along the line III-III of FIG. 2,
Fig. 4 eine Darstellung verschiedener erfindungsgemäßer Bohrköpfe,4 shows a representation of various drill heads according to the invention,
Fig. 5 weitere erfindungsgemäße Bohrköpfe undFig. 5 further drill heads according to the invention and
Fig. 6 verschiedene erfindungsgemäße Frontschneidengeometrien.Fig. 6 different front cutting edge geometries according to the invention.
Die Bohrvorrichtung 1 weist eine Schlageinheit 2, einen asymmetrischen Bohrkopf 4 und einen Anschluß für ein Gestänge 6 auf. Über das Gestänge 6 kann sowohl ein Drehmoment als auch ein variabler Axialdruck auf die Bohrvorrichtung 1 übertragen werden. Beim Bohren (wie in Fig. 1 dargestellt) befindet sich die Bohrvorrichtung 1 mit dem Bohrkopf 4 in der Orts-
brust 8. Zum Geradeausbohren wird der Bohrkopf 4 gleichmäßig mit Druck beaufschlagt.The drilling device 1 has a striking unit 2, an asymmetrical drilling head 4 and a connection for a rod 6. Both a torque and a variable axial pressure can be transmitted to the drilling device 1 via the linkage 6. During drilling (as shown in FIG. 1), the drilling device 1 with the drilling head 4 is in the local chest 8. To drill straight ahead, the drill head 4 is pressurized evenly.
Beim Richtungsbohren wird in einem Kreisabschnitt α ein erhöhter oder im Kreisabschnitt ß ein verminderter Druck auf den Bohrkopf 4 aufgebracht, so daß in diesem Bereich ein vermehrtes oder vermindertes Abtragen erfolgt, was schließlich zu einer Verlagerung der Bohrachse führt.During directional drilling, an increased or in the circular section β a reduced pressure is applied to the drill head 4 in a circular section α, so that an increased or reduced removal takes place in this area, which ultimately leads to a displacement of the drilling axis.
Die in Fig. 4 und 5 dargestellten Bohrköpfe weisen sämtlich eine mehrstu- fige Schneidenverteilung mit Vorschneiden und Räumschneiden auf. Die Frontschneide kann aus einer Vorschneide 72 und einer Räumschneide 74, wie bei den Bohrköpfen 10, 15, 40, 50 oder als reine Frontschneide 73, wie bei den Bohrköpfen 20, 30 ausgebildet sein. Am Bohrkopf 10 ergibt sich die Asymmetrie aus den unterschiedlichen Geometrien der Schneidenflächen sowie aus der Längendifferenz Δxn zwischen Vorschneidefläehe 72, 93, 91 und Räumschneidefläche 74, 94, 92. Eine ähnliche Anordnung weisen die Bohrköpfe 15, 40, 50 auf. Die Bohrköpfe 20, 30 bilden die zum Richtungsbohren erforderliche Asymmetrie durch eine asymmetrische Frontschneidengeometrie 73 sowie durch eine versetzte Anordnung der Räumschnei- den 91 , 92 aus. Im Bereich der Schneidenflächen sind Hochdruckdüsen 81 , 82, 83, 84 angeordnet. Die Asymmetrie des Bohrkopfes 50 kann aber auch durch einflankige Düsenanordnung 85, 87 oder wie bei Bohrkopf 40 durch die Düsenanordnung 85 erreicht werden.The drill heads shown in FIGS. 4 and 5 all have a multi-stage cutting distribution with pre-cutting and broaching. The front cutting edge can be formed from a pre-cutting edge 72 and a broaching cutting edge 74, as in the case of the drilling heads 10, 15, 40, 50 or as a pure front cutting edge 73, as in the case of the drilling heads 20, 30. At the drill head 10, the asymmetry results from the different geometries of the cutting surfaces and from the length difference Δx n between the pre-cutting surface 72, 93, 91 and the broaching cutting surface 74, 94, 92. The drilling heads 15, 40, 50 have a similar arrangement. The drill heads 20, 30 form the asymmetry required for directional drilling through an asymmetrical front cutting edge geometry 73 and through an offset arrangement of the clearing blades 91, 92. High-pressure nozzles 81, 82, 83, 84 are arranged in the area of the cutting surfaces. However, the asymmetry of the drill head 50 can also be achieved by single-flanked nozzle arrangement 85, 87 or, as in the case of drill head 40, by the nozzle arrangement 85.
Über Düsenkanäle 181 , 182, 183, 184, 185, 187 wird dem Bohrkopf Bohrmedium zur Kühlung und zum Abtransport von Bohrklein über den zentralen Kanal 180 zugeführt.Nozzle channels 181, 182, 183, 184, 185, 187 feed drilling medium to the drilling head for cooling and for the removal of cuttings via the central channel 180.
Die Schneidenflächen können PCD besetzt oder als Hartmetallschneiden ausgebildet sein.
Der Versatz Δy kann ebenfalls zur Ausbildung der Asymmetrie herangezogen werden, indem das Δy für die unterschiedlichen Schneiden unterschiedlich ausgebildet ist.The cutting surfaces can be filled with PCD or designed as hard metal cutting edges. The offset Δy can also be used to form the asymmetry in that the Δy is designed differently for the different cutting edges.
Die Bohrköpfe besitzen ein Gewinde 200 und können mit herkömmlichen Rechts- oder Linksgewinde aufweisenden Gestängeschüssen betrieben werden.The boring heads have a thread 200 and can be operated with conventional right or left-hand rod sections.
In Fig. 6 sind unterschiedliche Schneidengeometrien 61 , 62, 63, 64 darge- stellt. Die Schneidengeometrie 61 ist bevorzugt für Sandstein und Kalk, die Geometrie 62 für Kalk, Gips und Dolomit, die Geomtrie 63 für Granit, Gneis und Basalt und die Geometrie 64 für Kalk, Dolomit und Granit.6 shows different cutting edge geometries 61, 62, 63, 64. The cutting edge geometry 61 is preferred for sandstone and lime, the geometry 62 for lime, gypsum and dolomite, the geometry 63 for granite, gneiss and basalt and the geometry 64 for lime, dolomite and granite.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich eine herkömmliche Boh- reinrichtung oder eine Erdrakete mit Schub/Drehgestänge ohne weiteres im lockeren bis festen Gestein zum Richtungsbohren einsetzen. Dabei erfolgen beim Steuervorgang vorzugsweise schnell getaktete Vor/Rückwärtsschritte nach Art einer Pleuelbewegung. Hierdurch wird das Gesteinsgefüge gebrochen und abgetragen, wobei der Vorwärtsschritt vorzugsweise eine gleich- mäßige nur geringe Bewegung beinhaltet.
With the method according to the invention, a conventional drilling device or an earth rocket with thrust / rotating rod can be used easily in loose to firm rock for directional drilling. In the control process, fast-paced forward / backward steps are preferably carried out in the manner of a connecting rod movement. As a result, the rock structure is broken and removed, the forward step preferably including a uniform, only slight movement.