Die Erfindung betrifft ein Bohrgerät zum Erstellen einer vertikalen Bohrung mit einem Grundkörper, einer an einer Rückseite des Grundkörpers angeordneten Aufhängeeinrichtung zum Aufhängen des Bohrgerätes in der Bohrung, einer um eine Exzenterachse drehbar gelagerten Abtragseinheit, welche an einer Seite des Grundkörpers exzentrisch zu einer Mittenachse des Grundkörpers angeordnet und umlaufend um die Mittenachse gelagert ist, und einer Antriebseinheit zum rotierenden Antreiben der Abtragseinheit um die Exzenterachse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erstellen einer vertikalen Bohrung.

Ein derartiges Bohrgerät geht beispielsweise aus der DE 10 2008 028 997 A1 hervor. Dieses bekannte Bohrgerät weist ein etwa zylindrisches Gehäuse auf, welches vertikal in den Boden abgeteuft wird. Exzentrisch zur Mittenachse des Bohrgerätes ist ein konisches Bohrwerkzeug vorgesehen, welches über einen Motor drehend angetrieben wird. Das einzelne Bohrwerkzeug umläuft planetenartig die Mittenachse des Bohrgerätes, wobei der Abstand zwischen der Exzenterachse des Bohrwerkzeuges und der Mittenachse des Bohrgerätes veränderbar ist, um so den gesamten Bohrlochgrund überstreichen zu können.

Derartige Bohrgeräte mit einem exzentrisch angeordneten Abtragswerkzeug sind insbesondere zum Arbeiten in hartem Boden oder Gestein vorteilhaft. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bohrwerkzeugen mit durchgehenden Schneidkanten wird bei den gattungsgemäßen Bohrgeräten momentan stets nur ein kleiner Bereich des Bohrlochgrundes bearbeitet. Dies reduziert die Belastung und damit den Verschleiß des Abtragswerkzeuges und des gesamten Bohrwerkzeuges erheblich.

Aufgrund der exzentrischen Anordnung des Bohrwerkzeuges ergibt sich im Betrieb eine asymmetrische Belastung des Bohrgerätes. Derartige asymmetrische Krafteinwirkungen können zu einer Ablenkung des Bohrgerätes aus der gewünschten vertikalen Bohrrichtung führen. In dem genannten Stand der Technik ist es vorgeschlagen, das Bohrgerät in einer nachführbaren Verrohrung zu führen, welche das Bohrloch auskleidet. Das Vorsehen und Nachführen einer Verrohrung des Bohrloches ist aufwändig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrgerät und ein Verfahren zum Erstellen einer vertikalen Bohrung anzugeben, mit welchen Bohrungen auch in hartem Bodenmaterial besonders effizient erstellt werden können.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung durch ein Bohrgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Bohrgerät ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abtragseinheit scheibenförmig ausgebildet ist und dass die Exzenterachse der scheibenförmigen Abtragseinheit angewinkelt in einem spitzen Winkel zur Bohrlochachse und/oder zu der Mittenachse des Grundkörpers angeordnet ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine besonders günstige Kraftverteilung und damit ein günstiges Verschleißverhalten bei hoher Abtragsleistung erreicht. Zum einen ist die Abtragseinheit scheibenförmig angeordnet, also nicht mit einer definierten, auf der Exzenterachse liegenden Bohrspitze versehen. Durch die exzentrische und angewinkelte Anordnung der Abtragseinheit ergibt sich eine Art taumelnde Bewegung um die Mittenachse, welche in der Regel der Bohrachse des Bohrgerätes und damit einer Bohrlochachse entspricht. Bei dieser taumelnden Bewegung ist lediglich ein sich beständig wechselnder Teilbereich der Abtragseinheit mit dem abzutragenden Boden in Kontakt. Hierdurch kann eine Überhitzung der Abtragseinheit und damit ein übermäßiger Verschleiß vermieden werden, da während der Drehbewegung einzelne Umfangsbereiche der scheibenförmigen Abtragseinheit abhängig von ihrer Drehposition nicht oder nur geringer belastet sind.

Zudem wird durch einen spitzen Winkel der Exzenterachse mit nach unten zunehmendem Abstand zur Mittenachse ein konischer Bohrlochgrund erzeugt. Ein derartiger konischer Bohrlochgrund erleichtert das Zentrieren des Bohrgerätes im Bohrloch. Hierdurch wird die Führung des Bohrgerätes im Bohrloch verbessert. Der spitze Winkel beträgt zwischen 2° und 30°, vorzugsweise 5°.

Eine weitere Verbesserung der Führung ergibt sich nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch, dass an der Stirnseite des Grundkörpers neben der Abtragseinheit mindestens ein Auflageelement angeordnet ist, welches zum Aufliegen auf einem Grund der Bohrung ausgebildet ist. Bei einer bevorzugten asymmetrischen Anordnung des Bohrgerätes mit einer einzelnen Abtragseinheit ist das Auflageelement in Bezug auf die Mittenachse gegenüberliegend an der Stirnseite des Grundkörpers angeordnet. Das Auflageelement ist dabei vorzugsweise stangenförmig. Es ist federnd gelagert oder teleskopierbar. Hierdurch kann einem unerwünschten Verkippen des Bohrgerätes im Bohrloch entgegengewirkt und die Ausrichtung gesteuert werden.

Dabei ist es nach der Erfindung besonders bevorzugt, dass eine Messeinrichtung an dem Auflageelement zum Bestimmen einer Auflagekraft des Bohrgerätes vorgesehen ist. Hierzu können entsprechende Kraftsensoren vorhanden sein, durch welche die Druckkraft auf das Auflageelement ermittelt werden kann. Die Druckkraft auf das Auflageelement erlaubt Rückschlüsse auf die Auflagekraft der gegenüberliegenden Abtragseinheit. Auf diese Weise können die Andruckkraft und die Drehzahl in günstiger Weise aufeinander abgestimmt werden, so dass sich ein hoher Fortschritt bei geringem Verschleiß einstellt.

Grundsätzlich kann die Abtragseinheit in einem einfachen Ausführungsfall eine Scheibe mit am Umfang angeordneten Abtragszähnen sein. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Abtragseinheit eine Trägerscheibe aufweist, an welcher mehrere Abtragswerkzeuge jeweils drehbar um eine Werkzeugachse gelagert sind. Die Abtragswerkzeuge können als Rollenmeißel ausgebildet sein. Auch andere Abtragswerkzeuge sind möglich, etwa Multihämmer (MHD). Die Werkzeugachsen können dabei beabstandet und quer zu der Exzenterachse der Trägerscheibe der Abtragseinheit angeordnet sein. Auf diese Weise können die rotierenden Abtragswerkzeuge am Bohrlochgrund abrollen. Dies verbessert noch weiter das Abtrags- und Verschleißverhalten. Die Abtragswerkzeuge können auch durch ein Getriebe in der Trägerscheibe rotierend angetrieben werden.

Diese Anordnung ist in bevorzugter Weise dadurch weitergebildet, dass die Abtragswerkzeuge jeweils mehrere angeordnete Abtragszähne aufweisen. Die Abtragszähne sind dabei radial vorstehend zum Außenumfang angeordnet. Die Abtragswerkzeuge weisen vorzugsweise eine Abtragsspitze auf, so dass im Wesentlichen ein punktförmiger, meißelartiger Kontakt zum Boden besteht. Im Gegensatz zu linienförmigen Schneidkanten wird hierdurch das Verschleißverhalten weiter verbessert.

Um eine hohe Abtragsleistung zu gewährleisten, ist es bevorzugt, dass die drehbaren Abtragswerkzeuge umlaufend zur Exzenterachse angetrieben sind. Die Umlaufbewegung der Abtragswerkzeuge ergibt sich somit nicht als eine Abrollbewegung aufgrund der Drehung des Bohrgerätes insgesamt, sondern wird gezielt durch einen Antrieb bewirkt, welcher vorzugsweise in der Trägerscheibe der Abtragseinheit angeordnet ist. Die Abtragswerkzeuge können auch Frässcheiben sein, welche planetenartig um die Exzenterachse umlaufend angetrieben werden.

Weiterhin ist nach der Erfindung bevorzugt, dass an der Stirnseite des Grundkörpers eine Absaugöffnung vorgesehen ist, über welche abgetragenes Bodenmaterial über eine Saugleitung von einer Bohrlochsohle absaugbar ist. Das Bohrgerät kann somit in einer mit Suspension oder Flüssigkeit gefüllten Bohrung arbeiten. Dies dient nicht nur dem Abstützen der Bohrlochwandung. Sondern die Flüssigkeit kühlt auch die Abtragswerkzeuge, was bei der Bearbeitung harten Gesteines vorteilhaft ist. Über die Saugöffnung kann das abgetragene Bodenmaterial zusammen mit umgebender Flüssigkeit über eine Saugleitung abgesaugt werden. Diese erstreckt sich durch den Grundkörper hindurch bis zur Rückseite des Grundkörpers. Dort befindet sich in der Regel ein Anschluss für eine Schlauchleitung, so dass das Bodenmaterial von der Sohle des Bohrloches nach über Tage abgepumpt werden kann. Dabei kann im Grundkörper selbst eine Pumpe angeordnet sein und/oder eine Pumpeinrichtung über Tage angeordnet werden.

Eine gute Führung und ein hoher Bohrfortschritt wird nach der Erfindung in bevorzugter Weise dadurch erreicht, dass an dem Grundkörper eine Drehmomentstütze angeordnet ist, mit welcher der Grundkörper gegenüber einer umgebenden Wand der Bohrung abstützbar ist.

Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die Drehmomentstütze mehrere radial ausfahrbare Stützelemente aufweist. Das radiale Ausfahren kann mittels hydraulischer Zylinder oder durch eine entsprechende Hebelmechanik erfolgen. Hierdurch wird zumindest ein Teil des Grundkörpers so gegenüber der Bohrlochwandung abgestützt, dass Reaktionskräfte unmittelbar in die Bohrlochwandung eingeleitet werden können. Somit ist es nicht mehr zwingend erforderlich, ein Drehmoment über ein starres Bohrgestänge ausschließlich von über Tage an das Bohrgerät zuzuführen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn größere Bohrtiefen von 30 bis 100 m und tiefer abgeteuft werden.

Besonders zweckmäßig ist es dabei nach der Erfindung, dass der Grundkörper ein rückwärtiges Oberteil und ein stirnseitiges Unterteil aufweist, welche axial zueinander verschiebbar sind, dass an dem Oberteil die Drehmomentstütze und an dem Unterteil die Abtragseinheit angeordnet sind, und dass eine Verschiebeeinrichtung zum axialen Verschieben des Unterteiles relativ zum Oberteil vorgesehen ist. Das rückwärtige Oberteil des Grundkörpers kann somit über die Drehmomentstütze in radialer und/oder axialer Richtung gegenüber dem umgebenden Boden fixiert werden. Auf diese Weise kann über eine Verschiebeeinrichtung, welche insbesondere hydraulische Stellzylinder umfasst, eine axiale Druckkraft von dem Oberteil auf das darunterliegende Unterteil aufgebracht werden. Mit der Verschiebeeinrichtung kann so sehr exakt die Andruckkraft auf die Abtragseinheit eingestellt und gesteuert werden.

Grundsätzlich ist es nach der Erfindung weiterhin möglich, dass das Drehmoment über ein starres Bohrgestänge von über Tage zugeführt wird. Die Antriebseinheit kann dabei im einfachsten Fall ein Getriebe sein, welches von einem mittigen Bohrgestänge ein Drehmoment aufnimmt und dieses in entsprechende Abtriebsdrehmomente für die Abtragseinheit, insbesondere für die Abtragswerkzeuge umsetzt. Es kann so ein festes Verhältnis der Drehmomente und Drehzahlen zwischen den einzelnen drehbar angetriebenen Elementen der Abtragseinheit erreicht werden.

Besonders vorteilhaft ist es nach der Erfindung, dass die Antriebseinheit einen Motor umfasst, welcher mit hydraulischer und/oder elektrischer Energie versorgt ist. Der Motor kann dabei alternativ zur Zuführung des Drehmomentes von außen oder ergänzend vorgesehen sein. Die Energie wird von über Tage über eine elektrische Leitung oder hydraulische Leitungen zugeführt. Ein Motor setzt diese zugeführte Energie in eine mechanische Drehbewegung um. Dabei können nach der Erfindung auch mehrere Motoren vorgesehen sein, so dass insgesamt eine individuelle Einstellung der Drehzahlen und Drehmomente der einzelnen angetriebenen Elemente ermöglicht wird.

Schließlich wird die eingangs gestellte Aufgabe verfahrensmäßig noch durch ein Verfahren zum Erstellen einer vertikalen Bohrung gelöst, wobei ein Bohrgerät nach der vorbeschriebenen Erfindung eingesetzt wird. Mit dem Bohrgerät können so in besonders effizienter Weise Bohrungen in hartem Boden und Gestein hergestellt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben, welche schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1

eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bohrgerätes mit eingefahrenem Unterteil;

Fig. 2

eine schematische Seitenansicht des Bohrgerätes von Fig. 1 mit ausgefahrenem Unterteil;

Fig. 3

eine Teilquerschnittsansicht des erfindungsgemäßen Bohrgerätes gemäß Fig. 2; und

Fig. 4

eine Detailquerschnittsansicht der Abtragseinheit gemäß dem Schnitt A-A.

Gemäß den Figuren 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßes Bohrgerät 10 dargestellt, welches einen etwa zylindrischen Grundkörper 12 mit einer Mittenachse 11 aufweist. Die Mittenachse 11 entspricht bei einem rotierenden Antrieb des Bohrgerätes 10 über eine Vierkant-Aufhängungseinrichtung 18 für eine Kellystange einer Bohrachse des sich bildenden Bohrloches.

Der Grundkörper 12 umfasst ein zylindrisches Oberteil 14 und ein zylindrisches Unterteil 16, welche zueinander axial verschiebbar gelagert sind. An einer Oberseite des kastenförmigen Oberteiles 14 ist die Aufhängeeinrichtung 18 zum Anschluss an ein Bohrgestänge befestigt. Von einer Unterseite des Oberteiles 14 erstreckt sich ein Mittenschaft 15 koaxial zur Mittenachse 11. Der rohrförmige Mittenschaft 15 ragt in eine hülsenförmige Aufnahme 17 hinein. Die hülsenförmige Aufnahme 17 und der Mittenschaft 15 sind axial zueinander verschiebbar, jedoch drehfest miteinander verbunden. Zur Begrenzung eines axialen Verfahrweges ist an dem Mittenschaft 15 ein ringförmiger Anschlag 13 angeordnet. Unterhalb des ringförmigen Anschlages 13 an einem unteren Schaftbereich 19 des Mittenschaftes 15 sind nicht dargestellte Axialstege zum Bilden der axial beweglichen Drehverbindung vorgesehen. Über drei um 120° versetzt zueinander angeordnete Hubzylinder 72 einer Verschiebeeinrichtung 70 ist das Unterteil 16 um einen Hub h gegenüber dem Oberteil 14 ausfahrbar, so dass sich eine axiale Länge des Bohrgerätes 10 vergrößert, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Hubzylinder 72 sind mit ihrem Zylindergehäuse an einer Oberseite des Unterteiles 16 befestigt, während die Kolben 74 über einen nicht dargestellten Haltering an dem Oberteil 14 angebracht sind.

An einer Unterseite des Unterteiles 16 ist eine scheibenförmige Abtragseinheit 20 außermittig zur Mittenachse 11 angeordnet. Die Abtragseinheit 20 ist um eine radial zur Mittenachse 11 beabstandete Exzenterachse 22 drehbar gelagert und angetrieben. An einer Trägerscheibe 24 der Abtragseinheit 20 sind an der zum Boden gerichteten Unterseite walzenförmige Abtragswerkzeuge 26 drehbar um Werkzeugachsen 28 gelagert. An den Außenseiten der walzenförmigen Abtragswerkzeuge 26 sind nicht näher dargestellte Abtragszähne 30 zum Abtragen von Gestein oder hartem Bodenmaterial angeordnet.

Radial zur Mittenachse 11 gegenüberliegend ist an der kreisscheibenförmigen Unterseite des Unterteiles 14 ein Auflageelement 50 angeordnet. Das Auflageelement 50 umfasst einen axial nach unten vorstehenden Schaft 54, an welchem eine Umlaufrolle 52 angeordnet ist, welche um eine quer zur Mittenachse 11 gerichteten Rollenachse drehbar gelagert ist. Das Auflageelement 50 dient zum Abstützen und Ausgleichen der asymmetrisch angeordneten einzelnen Abtragseinheit 20, um einem Verkippen des Bohrgerätes 10 im Betrieb entgegenzuwirken.

An dem Auflageelement 50 kann eine Messeinrichtung vorgesehen sein, mit welcher eine Aufdruckkraft des Bohrgerätes 10 auf den Bohrlochgrund ermittelt werden kann. Auf diese Weise kann eine geeignete Andruckkraft über die Verschiebeeinrichtung 70 auf die Abtragseinheit 20 eingestellt werden.

Hierzu ist es weiterhin vorgesehen, dass an dem Oberteil 14 eine Drehmomentstütze 60 angeordnet ist, mit welcher das Oberteil 14 gegenüber der umgebenden Bohrlochwandung in Umfangsrichtung und in axialer Richtung abgestützt und festgelegt werden kann. Hierzu weist die Drehmomentstütze 60 drei um 120° um die Mittenachse 11 verteilt angeordnete, plattenförmige Stützelemente 62 auf, welche jeweils über zwei Stellhebel 64 radial ausstellbar an dem Mittenschaft 15 angelenkt sind. Zum Ausstellen beziehungsweise Einfahren ist an jedem Stützelement 62 ein Stellzylinder 66 angeordnet. Die Stellzylinder 66 sowie auch die Kolben 74 sind über geeignete, nicht dargestellte Halteringe jeweils mit dem Mittenschaft 15 verbunden.

Aufbau und Funktionsweise des erfindungsgemäßen Bohrgerätes 10 und insbesondere von dessen Antriebseinheit 40 wird weiter im Zusammenhang mit der Querschnittsansicht von Fig. 3 erläutert. Über die Aufhängevorrichtung 18 wird über ein nicht dargestelltes Bohrgestänge ein Drehmoment auf ein mittiges Sonnenrad 41 übertragen. Das Sonnenrad 41 treibt ein erstes Ritzel 42 an, welches drehfest mit einer zum Unterteil 16 führenden Antriebswelle 43 verbunden ist. Die Antriebswelle 43 umfasst ein Wellenoberteil 44, welches axial verschiebbar in eine hülsenförmige Aufnahme eines Wellenunterteiles 45 hineinragt, um entsprechend dem Hub h eine axiale Verschiebbarkeit des Unterteiles 16 relativ zum Oberteil 14 zu gewährleisten. Über ein Stirnradgetriebe 46 treibt das Wellenunterteil 45 einen Antriebsschaft 47 der Abtragseinheit 20 an. Hierzu weist der Antriebsschaft 47 ein Antriebsritzel 21 mit einer Bogenverzahnung auf.

Wie näher in Fig. 4 dargestellt ist, ist die Drehachse des Antriebsschaftes 47 koaxial zur Exzenterachse 22 der Abtragseinheit 20, wobei die Exzenterachse 22 in einem spitzen Winkel zur Mittenachse 11 des Bohrgerätes 10 angeordnet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel 5°. Durch diese Schrägstellung der rotierend um die Exzenterachse 22 angetriebenen Abtragseinheit 20 wird ein verbesserter Bodenabtrag und ein geringerer Verschleiß der Abtragswerkzeuge 26 erzielt.

Das abgetragene Bodenmaterial wird über eine Absaugöffnung 38 an der Unterseite des Unterteiles 16 über eine sich durch das gesamte Bohrgerät 10 erstreckende Absaugleitung 39 unter Unterstützung eines eine Saugwirkung bewirkenden Turbinenrades 49 nach oben abgesaugt. Das Turbinenrad 49 wird über ein zweites Ritzel 48 von dem Sonnenrad 41 angetrieben. Die Absaugleitung 39 kann für die Aufhängeeinrichtung 18 im Inneren des Bohrgestänges nach oben geführt sein, oder an einer Oberseite des Oberteiles 14 über einen Leitungsanschluss mit einer Schlauchleitung verbunden sein.