[0001] Die Erfindung betrifft ein direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] Derartige Werkzeuge können für Kernbohrarbeiten von allen üblichen Tiefbohranlagen
verwendet werden. Zum Entnehmen des Kerns muß nicht der gesamte Bohrstrang ausgebaut
werden.
[0003] Aus der US PS 4,518,050 ist ein Kernbohrwerkzeug der eingangs genannten Art bekannt,
welches ein Ziehen der Kernbohreinrichtung bei im Bohrloch verbleibendem Außenrohr
gestattet, und bei welchem die Kernbohreinrichtung während der Kernens im Außenrohr
axial verschiebbar ist. Der Motor dieses Werkzeuges bleibt während des Kernens im
Außenrohr axial gesichert und ist über verschiebbare Kupplungsglieder mit der verschiebbaren
Kernbohreinrichtung drehgekoppelt. Die Kernbohreinrichtung bietet der Spülungsflüssigkeit
Reaktionsflächen dar, die ihr als Folge des über ihr anstehenden Bohrspülungsdrucks
in Verbindung mit der Ausdehnung der Flächen eine Axialvorschubkraft aufprägen. Der
über der Kernbohreinrichtung anstehende Bohrspülungsdruck wird durch die Drosselwirkung
der Ringräume und Spalte der Kernbohreinrichtung auf die durchströmende Bohrspülung
hervorgerufen. Ein erster durchströmter Raum wird zwischen einem Kernrohr und einem
eine Bohrkrone tragenden Innenrohr gebildet. Ein zweiter durchströmter Raum befindet
sich zwischen dem erwähnten Innenrohr und einem dieses umgebenden Mantelrohr. Während
die Drosselwirkung des ersten Raumes konstant bleibt, nimmt die Drosselwirkung des
zweiten Raumes mit zunehmender Exposition der Kernbohreinrichtung aus dem Mantelrohr
ab. Der Bohrspülungsdruck und damit die Axialvorschubkraft sind proportional der Summe
der Drosselwirkungen beider Räume. Neben der starken Abhängigkeit der Axialvorschubkraft
von der Exposition der Kernbohreinrichtung ist weiter nachteilig, daß der maximale
Wert der Axialvorschubkraft verhältnismäßig niedrig und die Kraft zudem nicht in
ihrer Größe beeinflußbar ist.
[0004] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein direktangetriebenes
Kernbohrwerkzeug so zu verbessern, daß auf die Kernbohreinrichtung eine ausreichend
große, von der Exposition der Kernbohreinrichtung im wesentlichen unabhängige und
in ihrer Größe wählbare Axialvorschubkraft aufprägbar ist.
[0005] Diese Aufgabe wird bei einem direktangetriebenen Kernbohrwerkzeug nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch die im kennzeichenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.
[0006] Durch die Vereinigung der Kernbohreinrichtung mit dem Motor zu einer gemeinsam verschiebbaren
Einheit läßt sich zusätzlich der über dem Motor anstehende, erheblich höhere Bohrspülungsdruck
für die Erzeugung einer Axialvorschubkraft nutzen. Da dieser Druck von der Exposition
der Kernbohreinrichtung unabhängig ist, werden die expositionsabhängigen Einflüsse
auf den gesamten über der Einheit anstehenden Bohrspülungsdruck vermindert. Durch
die Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft kann diese auch an andere Arbeitsbedingungen,
wie z.B. ein anderes Spülungsgewicht oder eine andere Bohrkrone angepaßt werden. Die
Erfindung ermöglicht damit die universelle Einsetzbarkeit des Werkzeugs ohne eine
versehentliche Überlastung des Motors und erzielt demzufolge optimale Bohrfortschritte.
[0007] Weiterbildung und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den
Ansprüchen 2-5 sowie der Beschreibung und der Zeichnung.
[0008] Die Zeichnung veranschaulicht Ausführungsbeispiele der Erfindung, die nachfolgend
erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kernbohrwerkzeug,
Fig. 2 als Ausschnitt aus Fig. 1 eine erste Abwandlung der Erfindung,
Fig. 3 eine zweite Abwandlung der Erfindung und
Fig. 4 eine dritte Abwandlung der Erfindung.
[0009] Das in Fig. 1 dargestellte Kernbohrwerkzeug besitzt ein Außenrohr 1, welches mit
einem nichtdargestellten Bohrstrang verbindbar ist. Am unteren Ende ist eine Rollenbohrkrone
2 angebracht, die zum Aufbohren eines Ringraums und Nachsetzen des Außenrohrs 1 dient,
wenn der Expositionsbereich des Kernrohrs erschöpft ist. Innerhalb des Außenrohrs
1 befindet sich eine Einheit 3 aus einem Motor 4 und einer Kernbohreinrichtung 5.
Diese Einheit 3 ist axial verschiebbar. Während der Motor 4 gegen Mitdrehen gesichert
ist, ist die Kernbohreinrichtung 5 drehbar angeordnet. Die Kernbohreinrichtung 5
selbst besteht aus einem eine Bohrkrone 6 tragenden Kernrohr 7 und einem darin drehbar
abgestützten Innenrohr 8. Zwischen dem Motor 4 und der Kernbohreinrichtung 5 ist
ein Bohrspülungsverzweiger 9 angeordnet, der die aus dem Motor 4 austretende Bohrspülung
in einen ersten Strom aufteilt, der zwischen dem Außenrohr 1 und dem Kernrohr 7 fließt
und in einem weiteren Strom zwischen dem Kernrohr 7 und dem Innenrohr 8. Der zwischen
dem Außenrohr 1 und dem Kernrohr 7 fließende Strom wird durch ein federbelastetes
Ventil 10 so gesteuert, daß er trotz abnehmender Drosselwirkung des Strömungsweges
infolge zunehmender Exposition der Kernbohreinrichtung 5 gleich bleibt.
[0010] Um eine unerwünschte Umgehung des Motors 4 durch die Bohrspülung zu verhindern, ist
der Motor 4 mit einen Kragen 11, der den Ringraum zwischen seinem Gehäuse und dem
Außenrohr 1 ausfüllt, versehen. Der Kragen 11 ist gegenüber dem Außenrohr 1 abgedichtet
und bildet mit weiteren Gehäusebereichen des Motors 4 Teilflächen, die die Querschnittsfläche
eines inneren Durchgangsbereichs 12 des Außenrohrs 1 ausfüllen. Diese Teilflächen
ergeben die Reaktionsflächen des über der Einheit 3 anstehenden Bohrspülungsdrucks
und erzeugen die Axialvorschubkraft für die Einheit 3.
[0011] Im oberen Bereich des Motors 4 ist eine Fangeinrichtung 13 ausgebildet, die zum Heraufziehen
der gesamten Einheit 3 nach Erbohren eines Kerns dient. Die Fangeinrichtung 13 dient
bei der ersten Ausführung nach der Erfindung als Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft,
indem sie der Kernbohrbohreinrichtung 5 eine Rückhaltekraft entgegensetzt, die ihr
über ein durch den Bohrstrang führendes Seil 14 mittels einer am Bohrturm befindlichen
Winde zugeführt wird. Je nach Höhe der Rückhaltekraft sind für die resultierende
Axialvorschubkraft Werte zwischen einem Maximalwert und Null einstellbar. Der Maximalwert
ergibt sich dann, wenn die Axialvorschubkraft in voller Höhe durch den über der Einheit
3 anstehenden Bohrspülungsdruck in Verbindung mit den Reaktionsflächen bestimmt wird.
[0012] Bei der in Fig. 2 dargestellten abgewandelten Ausführungsform sind die druckbeaufschlagten
Reaktionsflächen als Querschnittsfläche eines mit dem Motor verbundenen Spülungsdorns
15 ausgebildet. Für den Spülungsdorn 15 wird hierfür der für die Fangeinrichtung 13
vorgesehene Dorn verwendet, der jedoch innen hohl ausgebildet ist und Einlauföffnungen
16 aufweist. Die Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft umfassen eine Hülse
17, die im Außenrohr 1 angestützt und abgedichtet ist, eine Öffnung 18 aufweist und
vom Spülungsdorn 15 durchdrungen ist.
[0013] Der Spülungsdorn 15 ist dabei gegen die Hülse 17 abgedichtet. Die Einstellung der
Axialvorschubkraft erfolgt dadurch, daß vor Einlassen der Einheit 3 in das Außenrohr
1 eine Hülse 17 mit einem bestimmten Querschnitt der Öffnung 18 sowie ein darauf abgestimmter
Dorn 15 ausgewählt und vormontiert werden.
[0014] Die in Fig. 3 dargestellte Abwandlung des erfindungsgemäßen Kernbohrwerkzeugs baut
auf der Ausführungsform nach Fig. 2 auf. Zusätzlich zu den bereits dort erwähnten
Mitteln zur Einstellung der Axialvorschubkraft trägt der Spülungsdorn 15 einen Kolben
19, der die Querschnittsfläche eines weiteren Durchgangsbereichs 20 aufweist und
Düsen 21 beinhaltet. Die Einlaßöffnungen 22 des Spülungsdorns 15 befinden sich unterhalb
des Kolbens 19 in Form radialer Schlitze. Der Kolben 19 schafft einen zusätzlichen
Anteil an der Axialvorschubkraft, indem der über den Düsen 21 anstehende Differenzdruck
ausgenutzt wird. Dieser Differenzdruck beaufschlagt die von dem Kolben 19 abzüglich
des Düsenquerschnitts eingenommene Querschnittsfläche des inneren Durchgangsbereichs
20 des Außenrohrs 1. Der zusätzliche Anteil an Axialvorschubkraft ist durch die Auswahl
der Düsen 21 sowie den Volumenstrom der Bohrspülung einstellbar. Der Vorteil dieser
Ausführung besteht darin, daß ein Satz verschieden großer Düsen 21 weniger aufwendig
als ein solcher verschieden großer Spülungsdorne 15 und Hülsen 17 ist, wie ihn die
Ausführung nach Fig. 2 erfordert, und auch der Zeitaufwand beim Austausch geringer
ist.
[0015] Fig. 4 zeigt schließlich noch eine dritte Abwandlung der Erfindung, bei der die Mittel
zur Einstellung der Axialvorschubkraft durch ein Ventil 23 gebildet werden, welches
durch das Rückdrehmoment des Motors 4 gesteuert ist. Dieses Ventil 23 besteht im einzelnen
aus einem feststehenden Ventilsitz 24 und einem mit dem Motorgehäuse gekoppelten
gegen eine Drehmomentfeder 25 begrenzt schwenkbaren Ventilkörper 26. Als Reaktionsflächen
für die Axialvorschubkraft dienen wieder dieselben Teilflächen, wie sie auch in der
Ausführung gemäß Fig. 1 erwähnt sind.
[0016] Im unbelasteten Zustand, d.h. wenn der Motor 4 kein Rückdrehmoment aufbringt, befinden
sich die Öffnungen 27, 28 von Ventilkörper 26 und Ventilsitz 24 in Flucht. Die Bohrspülung
kann dann bis in den Bereich des Kragens 11 vordringen und die gesamte Teilfläche
des Motors 4 druckbeaufschlagen. Wird durch die Axialvorschubkraft die Kernbohreinrichtung
5 nun gegen das Gestein gedrückt, so muß der Motor 4 das Bohrdrehmoment der Bohrkrone
6 überwinden, wodurch er ein Rückdrehmoment erfährt. Dieses gegen die Kraft der Feder
25 gerichtete Rückdrehmoment bewirkt, daß der Motor 4 und damit der Ventilkörper
26 gegenüber dem Ventilsitz 24 geschwenkt wird, wodurch die Öffnungen 27, 28 im Ventilkörper
26 und Ventilsitz 24 teilweise oder ganz außer Verbindung gelangen. Der Bohrspülungsdruck
kann sich dann nicht mehr in voller Höhe oder gar nicht mehr bis in den Bereich des
Kragens 11 fortpflanzen und steht nur noch an im Querschnitt geringen Teilflächen
des Motorgehäuses an. Dadurch tritt eine Ver minderung der Axialvorschubkraft ein.
Im stationären Betrieb wird sich eine Winkelstellung zwischen dem Ventilkörper 26
und Ventilsitz 24 ergeben, in der das Drehmoment der Bohrkrone 6 und die damit in
Verbindung stehende Axialvorschubkraft einen Gleichgewichtszustand einnehmen. Die
dritte Abwandlung der Erfindung bietet damit eine selbständige Einstellmöglichkeit
auch innerhalb eines großen Volumenstrom- und Druckbereiches der Bohrspülung.
1. Direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug, bestehen aus einem mit einem Bohrstrang verbindbaren
Außenrohr (1), einer in dem Außenrohr (1) dreh- und axial verschiebbar angeordneten
Kernbohreinrichtung (5), die ihrerseits ein eine Bohrkrone (6) tragendes Kernrohr
(7) und ein darin drehbar abgestütztes Innenrohr (8) umfaßt, einem mit der Kernbohreinrichtung
(5) gekoppelten und im Außenrohr (1) gegen Mitdrehen gesicherten, bohrspülungsgetriebenen
Motor (4), durchbeaufschlagbaren Reaktionsflächen zur Erzeugung einer auf die Kernbohreinrichtung
(5) in Sohlenrichtung wirkenden Axialvorschubkraft, sowie einer Fangeinrichtung
(13) zum Heraufziehen des Motors (4) mitsamt der Kernbohreinrichtung (5), dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (4) mit der Kernbohreinrichtung (5) zur Bildung einer gemeinsam verschiebbaren
Einheit (3) verbunden ist und daß Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft vorgesehen
sind.
2. Direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckbeaufschlagbaren Reaktionsflächen als Teilflächen des Motors (4) ausgebildet
sind, die die Querschnittsfläche eines inneren Durchgangsbereichs (12) des Außenrohrs
(1) ausfüllen, und daß die Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft durch die
Fangeinrichtung (13) gebildet sind, über die mittels eines durch den Bohrstrang führenden
Seils (14) und einer am Bohrturm befindlichen Winde eine Rückhaltekraft aufbringbar
ist.
3. Direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckbeaufschlagbaren Reaktionsflächen als Querschnittsfläche eines mit
dem Motor (4) verbundenen Spülungsdorns (15) ausgebildet sind und daß die Mittel zur
Einstellung der Axialvorschubkraft eine in dem Außenrohr (1) abgestützte und abgedichtete,
mit einer Öffnung (18) versehene Hülse (17) umfassen, deren Öffnung (18) von dem Spülungsdorn
(15) abdichtend durchdrungen ist, und daß die gemeinsame Querschnittsfläche der Öffnung
(18) und des Spülungsdorns (15) auf der Grundlage des über der Einheit (3) anstehenden
Bohrspülungsdrucks nach der gewünschten Axialvorschubkraft bemessen ist.
4. Direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, das die Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft zusätzlich einen auf dem Spülungsdorn
(15) angeordneten und die Querschnittsfläche eines weiteren inneren Durchgangsbereichs
(20) des Außenrohrs (1) ausfüllenden Kolben (19) sowie in dem Kolben (19) angeordnete
Düsen (21) umfassen.
5. Direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckbeaufschlagbaren Reaktionsflächen als Teilflächen des Motors (4) ausgebildet
sind, die die Querschnittsflächen des inneren Durchgangsbereichs (12) des Außenrohrs
(1) ausfüllen, und daß die Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft ein durch
das Rückdrehmoment des Motors (4) gesteuertes Ventil (23) umfassen, durch welches
der Spülungsdurchtritt zu den die Reaktionsflächen bildenden Teilflächen des Motors
(4) in Abhängigkeit des Rückdrehmoments drosselbar ist.