[0001] Die Erfindung betrifft eine Bohrvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1
sowie ein Verfahren zum Erstellen eines Bohrloches im Boden gemäß Anspruch 11.
[0002] Die Bohrvorrichtung umfasst ein drehend angetriebenes Bohrwerkzeug zum Abtragen von
Bodenmaterial und einen Behälter zum Aufnehmen des abgetragenen Bodenmaterials. Der
Behälter weist eine untere Zuführöffnung auf, durch welche das abgetragene Bodenmaterial
in den Behälter einleitbar ist.
[0003] Bekannte Bohrvorrichtungen mit einem Behälter zum Aufnehmen des gelösten Materials,
sogenannte Kastenbohrer, eignen sich nicht zum Bohren von hartem Gestein oder Fels,
da bekannte Bohrwerkzeuge für hartes Gestein oder Fels keine zuverlässige Förderung
des Bodenmaterials in den Behälter gewährleisten. Es ist daher bisher erforderlich,
zum Bohren von hartem Gestein zunächst ein separates Bohrwerkzeug zu verwenden, mit
welchem beispielsweise eine vorhandene Felsschicht aufgerissen werden kann. Anschließend
wird nach einem Werkzeugwechsel das gelöste Material mittels des Behälters gefördert.
Es ist daher immer ein Werkzeugwechsel notwendig, um das Material zunächst zu lösen
und anschließend mit dem Behälter oder Bohreimer aus dem Bohrloch heraus zu fördern.
[0004] Zum Bohren von hartem Gestein sind beispielsweise sogenannte Progressivschnecken
bekannt. Diese weisen eine sich in Bohrrichtung verjüngende Bohrschnecke auf, an welcher
eine Mehrzahl von Bohrzähnen angeordnet ist. Zum Lösen von hartem Gestein weisen Progressivschnecken
eine vergleichsweise geringe Wendelsteigung auf.
[0005] Problematisch bei der Verwendung von Progressivschnecken ist zum einen, dass gelöste
Felsteile bei trockenen Bohrungen nur schwer auf den Schneckenwendeln liegen bleiben.
Zum anderen werden die doch liegen bleibenden Felsteile bei flüssigkeitsgestützten
Bohrungen beim Herausziehen des Werkzeugs häufig heruntergespült. Zum Fördern des
gelösten Bodenmaterials aus dem Bohrloch werden daher separate Vorrichtungen mit einem
Bohreimer eingesetzt.
[0006] Eine Kombination aus Kastenbohrer und Progressivschnecke konnte bisher aufgrund der
flachen Wendelsteigung und der daraus resultierenden Probleme bezüglich der Öffnung
am Behälter nicht umgesetzt werden.
[0007] Eine Bohrvorrichtung mit einem Behälter zum Aufnehmen von abgetragenem Bodenmaterial
ist beispielsweise in der
DE 102 19 757 C1 beschrieben. Ein weiterer Kastenbohrer geht aus der
EP 1 640 507 A1 hervor.
[0008] DE 20 2004 004 799 U1 beschreibt einen Schneckenbohrer mit einer sich in Bohrrichtung verjüngenden Bohrwendel.
Ein weiterer Progressivschneckenbohrer ist in
DE 296 12 342 U1 beschrieben.
[0009] Der Erfindung liegt die
Aufgabe zugrunde, eine Bohrvorrichtung und ein Verfahren zum Erstellen eines Bohrloches im
Boden anzugeben, welche, insbesondere bei harten Böden, eine besonders wirtschaftliche
Erstellung des Bohrloches ermöglichen.
[0010] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bohrvorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
[0011] Die oben angegebene Bohrvorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass
das Bohrwerkzeug mindestens eine unterhalb des Behälters angeordnete Bohrwendel mit
Abtragswerkzeugen, insbesondere Bohrzähnen, aufweist und dass in einem Einlaufbereich
zum Behälter zwischen der Bohrwendel und der Zuführöffnung ein Einlaufabschnitt vorgesehen
ist, dessen Steigung gegenüber einer Steigung der Bohrwendel vergrößert ist.
[0012] Das Verfahren zum Erstellen eines Bohrloches wird mit einer erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung
durchgeführt.
[0013] Ein erster Grundgedanke der Erfindung besteht in der Kombination aus einem Kastenbohrer,
das heißt einer Bohrvorrichtung mit einem Behälter zum Aufnehmen des abgetragenen
Bodenmaterials, und einer unterhalb des Behälters angeordneten Bohrwendel zum Abtragen
des Bodenmaterials.
[0014] Die Kombination von Bohrschnecke und Behälter beziehungsweise Bohreimer wird erfindungsgemäß
dadurch ermöglicht, dass zwischen der Bohrwendel, welche üblicherweise eine flache
Wendelsteigung aufweist, und der Zuführöffnung des Behälters ein Wendelabschnitt mit
einer gegenüber der Bohrwendel vergrößerten Steigung vorgesehen ist. Durch diesen
steilen Übergangzwischen Wendel und Behälter kann das gelöste Bodenmaterial trotz
der geringen Steigung der Bohrwendel zuverlässig in den Bohreimer transportiert werden.
Zudem wird durch die Einlaufschräge der axiale Abstand zwischen der obersten (gegebenenfalls
einzigen) Windung der Bohrwendel und dem Boden des Bohreimers vergrößert. Dies vermindert
die Gefahr einer Kollision von größeren Gesteinsbrocken mit dem Boden des Bohreimers
und damit eines Verstopfens der Zuführöffnung. Außerdem kann die Größe der Zufuhröffnung
des Behälterbodens auf ein sinnvolles Maß begrenzt werden. Die erfindungsgemäße Bohrvorrichtung
ist insbesondere für Durchmesser von einem Meter oder mehr geeignet.
[0015] Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die Bohrwendel sich in Bohrrichtung verjüngend
ausgebildet ist und dass an einer Außenkante Abtragswerkzeuge angeordnet sind. Eine
solche Bohrwendel, welche auch als Progressivschnecke bezeichnet werden kann, eignet
sich insbesondere zum Abtragen von hartem Gestein. Eine Progressivschnecke umfasst
eine Bohrwendel, welche sich entgegen der Bohrrichtung verbreitert beziehungsweise
in Bohrrichtung verjüngt und mit einer Mehrzahl von Bohrwerkzeugen in Form von Bohrzähnen
oder Bohrmeißeln bestückt ist. Die Bohrwendel weist eine spiralförmige verlaufende
Außenkante auf. Aufgrund der sich verjüngenden Bohrwendel bildet die Außenkante insbesondere
eine konische Raumspirale.
[0016] Durch die Kombination von Bohrwendel und Aufnahmebehälter für das abgetragene Material
lässt sich, insbesondere bei hartem Gestein, ein besonders wirtschaftliches Bohrverfahren
realisieren. Das harte Bodenmaterial wird mittels der hierfür besonders geeigneten
Progressivschnecke gelöst und über die Bohrwendel nach oben, in Richtung des Behälters
gefördert. Mittels des oberhalb der Progressivschnecke angeordneten Behälters kann
das Material, insbesondere diskontinuierlich, nach oben aus dem Bohrloch heraus gefördert
werden.
[0017] Insbesondere bei großen Bohrdurchmessern ist es bevorzugt, dass die Bohrwendel als
Mehrfachhelix, insbesondere als Doppelhelix, ausgeführt ist und dass an dem Behälter
entsprechend zwei oder mehr Zuführöffnungen ausgebildet sind. Die Verwendung von zwei
oder mehr Bohrwendelblechen beziehungsweise einer Mehrfachhelix ermöglicht eine automatische
Zentrierung des Bohrwerkzeugs im Bohrloch.
[0018] Eine einfache Entleerung des Behälters außerhalb des Bohrlochs kann dadurch erzielt
werden, dass die Bohrwendel an einem schwenkbar oder drehbar an dem Behälter angelenkten
Behälterboden befestigt ist. Die Bohrwendel kann somit zusammen mit dem Behälterboden
verschwenkt werden, so dass das in dem Behälter aufgenommene Bohrgut frei herausfallen
kann.
[0019] Eine verbesserte Zentrierung des Bohrwerkzeugs im Bohrloch kann dadurch erzielt werden,
dass ein der Bohrwendel in Bohrrichtung vorauseilender Zentrierschaft vorgesehen ist,
welcher zumindest ein stirnseitiges Abtragswerkzeug umfasst. Der Zentrierschaft kann
einen Schaftgrundkörper umfassen, um welchen sich eine wendelförmige Nut und/oder
eine Wendel erstreckt. Der insbesondere zylinderförmige Zentrierschaft erstreckt sich
vorzugsweise in axialer Verlängerung eines Halteschaftes, um welchen die Bohrwendel
angeordnet ist, und weist vorzugsweise eine Länge auf, die mindestens 20%, besonders
bevorzugt mindestens 30% der axialen Länge des Halteschaftes der Bohrwendel entspricht.
An einer unteren Stirnfläche des Zentrierschaftes ist mindestens ein Abtragswerkzeug,
insbesondere ein Bohrzahn oder Meißel, angeordnet. Vorzugsweise sind mehrere Abtragswerkzeuge
außermittig an der Stirnfläche des Zentrierschaftes platziert und schräg in Drehrichtung
des Zentrierschaftes angestellt.
[0020] Die Abtragswerkzeuge an der Bohrwendel sind vorzugsweise radial gegenüber der Außenkante
der Bohrwendel vorstehend angeordnet. Vorzugsweise sind die Abtragswerkzeuge, welche
insbesondere als Bohrzähne oder Meißel ausgeführt sein können, gegenüber der Bohrrichtung
schräg angestellt und zeigen mit ihrer Bohr- oder Meißelspitze schräg in Drehrichtung
der Bohrwendel.
[0021] Die Bohrwendel ist vorzugsweise drehfest mit dem Behälter verbunden und gemeinsam
mit dem Behälter drehend antreibbar. Hierzu ist an dem Behälterboden vorzugsweise
ein Halteschaft angebracht, an dessen Außenumfang die Bohrwendel angeordnet ist.
[0022] An einem oberen Ende des Behälters ist vorzugsweise eine Anschlusseinrichtung zum
Anschließen eines Bohrgestänges vorgesehen. Der Behälter ist mittels des Bohrgestänges
drehend antreibbar. Über den Behälter wird die mit diesem drehfest verbundene Bohrwendel
ebenfalls angetrieben.
[0023] Vorzugsweise ist die Zuführöffnung des Behälters verschließbar. Hierzu kann beispielsweise
ein Schiebeverschluss vorgesehen sein, welcher quer zur Bohrrichtung bewegbar ist
und mittels welchem die Zuführöffnung verschlossen werden kann. Der Boden des Behälters
umfasst vorzugsweise ein Grundelement, welches schwenkbar um eine Achse quer zur Bohrrichtung
an dem Behältergrundkörper angelenkt ist und einen Schiebeverschluss, welcher parallel
zum Grundelement bewegbar ist, um die Zuführöffnung im Boden des Behälters zu öffnen
und zu verschließen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schiebeverschluss
um eine zentrale Achse des Behälters, welche vorzugsweise die Bohrachse darstellt,
drehbar gelagert. Das Öffnen und Schließen des Schiebeverschlusses kann mit einer
geeigneten Antriebsmechanik realisiert werden.
[0024] Eine besonders gute Stabilität der Vorrichtung wird dadurch erzielt, dass der Einlaufabschnitt
im Einlaufbereich zum Behälter über mindestens ein Stützblech abgestützt ist. Aufgrund
der vergrößerten Steigung des Einlaufabschnitts im Vergleich zu der darunterliegenden
Bohrwendel ist der Einlaufbereich vergleichsweise großen Kräften ausgesetzt. Um diese
wirksam abzuleiten, sind im Rückbereich des Einlaufabschnittes beziehungsweise unterhalb
des Einlaufabschnittes ein oder mehrere Stützbleche angeordnet, die die Kräfte ableiten.
Die Stützbleche erstrecken sich vorzugsweise quer zu einer Förderfläche des Einlaufabschnittes
und stützen sich einerseits an dem Einlaufabschnitt und andererseits an dem Behälterboden
ab.
[0025] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die im Zusammenhang mit der Bohrvorrichtung
beschriebenen Vorteile erzielt.
[0026] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsformen, die in den
beiliegenden, schematischen Figuren dargestellt sind, weiter erläutert. In den Figuren
zeigt:
- Fig. 1
- eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung mit geschlossenem
Behälterboden;
- Fig. 2
- die Bohrvorrichtung gemäß Fig. 1 mit geöffnetem Behälterboden;
- Fig. 3
- eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Behälterbodens mit Progressivschnecke;
und
- Fig. 4
- eine Ansicht von unten des Behälterbodens mit Progressivschnecke aus Fig. 3.
[0027] Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen
gekennzeichnet.
[0028] Eine erfindungsgemäße Bohrvorrichtung 10 ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt.
Die Bohrvorrichtung 10 umfasst einen Behälter 20 zum Aufnehmen von abgetragenem oder
gelöstem Bodenmaterial. Unterhalb des Behälters 20, welcher auch als Bohreimer bezeichnet
werden kann, ist ein Bohrwerkzeug 40 angeordnet, welches auch als Progressivschnecke
bezeichnet werden kann. Das Bohrwerkzeug 40 umfasst einen zentralen Halteschaft 42,
welcher sich mittig unterhalb des Behälters 20 in Bohrrichtung erstreckt. Um den Halteschaft
42 sind zwei Bohrwendelbleche 47 einer als Doppelhelix ausgeführten Bohrwendel 46
angeordnet. Grundsätzlich kann aber auch nur ein Bohrwendelblech 47 vorgesehen sein,
oder es können mehr als zwei Bohrwendelbleche 47 angeordnet sein. Die Bohrwendeln
46 beziehungsweise Bohrwendelbleche 47 verjüngen sich radial in Bohrrichtung, das
heißt die radiale Ausdehnung nimmt in Bohrrichtung ab. An einer Außenkante 48 der
Bohrwendeln 46 sind Abtragswerkzeuge 50 in Form von Bohrzähnen angeordnet, die zum
Lösen von Bodenmaterial, insbesondere von Gestein oder Fels, ausgebildet sind.
[0029] Mittels der entlang der Bohrwendel 46 angeordneten Bohrzähne wird Bodenmaterial gelöst.
Das gelöste Bodenmaterial wird über die Bohrwendel 46, welche eine erste Steigung
aufweist, in Richtung des Behälters 20 gefördert. Der Behälter 20 umfasst einen Behälterboden
22, in welchem eine Zuführöffnung 24 ausgebildet ist, über welche das gelöste Bodenmaterial
in den Behälter 20 eingeleitet werden kann. Die Zuführöffnung 24 kann mit einem Schiebeverschluss
26 verschlossen werden.
[0030] Das Bohrwerkzeug 40 mit seiner Bohrwendel 46 und den daran befestigten Bohrzähnen
oder Meißeln ist insbesondere für Gestein oder Fels ausgelegt und weist dementsprechend
eine hierfür geeignete Steigung auf. Zum Einleiten des Bodenmaterials in den Behälter
20 ist oberhalb der Bohrwendel 46 ein Einlaufabschnitt 52 vorgesehen, welcher eine
größere Steigung aufweist als die Bohrwendel 46.
[0031] Die Bohrwendel 46 mit der ersten Steigung führt bis unterhalb der Zuführöffnung 24.
Im Bereich unterhalb der Zuführöffnung 24 befindet sich der Übergang zu dem Einlaufabschnitt
52. Der Einlaufabschnitt 52 erstreckt sich ausschließlich unterhalb der Zuführöffnung
24 des Behälterbodens 22. Er bildet einen Förderabschnitt zum Fördern des abgetragenen
Bodenmaterials von der Bohrwendel 46 zur Zuführöffnung 24 und weist insbesondere eine
konstante, gegenüber der Bohrwendel 46 vergrößerte Steigung auf.
[0032] Der Einlaufabschnitt 52 umfasst ein Einlaufblech 53 zwischen der Bohrwendel 46 und
dem Behälterboden 22, insbesondere zwischen einem oberen Endbereich der Bohrwendel
46 und einer Einlaufkante des Behälterbodens 22 am Rand der Zuführöffnung 24.
[0033] Durch den Einlaufabschnitt 52 mit vergrößerter Steigung erhält das geförderte Bohrgut
einen Impuls in axialer Richtung, also entlang der Bohrachse. Zur Verbesserung der
Stabilität des Bohrwerkzeugs 40 ist das Einlaufblech 53 an seiner Unter- beziehungsweise
Rückseite durch ein oder mehrere Abstützbleche 56 abgestützt. Die Abstützbleche 56
leiten die auf das Einlaufblech 53 wirkenden Kräfte in den Behälterboden 22 ab.
[0034] Der Behälterboden 22 ist an einem Behältergrundkörper, insbesondere an einer Zylinderwand
30 des Behälters 20, schwenkbar gelagert. Der Behälterboden 22 lässt sich zusammen
mit dem Bohrwerkzeug 40 aus der Bohrachse heraus verschwenken, so dass der Behälter
20 außerhalb des Bohrlohes entleert werden kann.
[0035] An einem oberen Ende des Behälters 20 ist eine Anschlusseinrichtung 36 vorgesehen,
an welche ein Bohrgestänge zum drehenden Antreiben des Behälters 20 und/oder zum Aufbringen
einer axialen Vorschubkraft angeschlossen werden kann. Die Anschlusseinrichtung 36
kann insbesondere als sogenannte Kellybox ausgebildet sein.
[0036] Figuren 3 und 4 zeigen den Behälterboden 22 mit dem daran fest angebrachten Bohrwerkzeug
40 losgelöst von dem Behältergrundkörper. Wie in den Figuren deutlich zu erkennen
ist, umfasst das Bohrwerkzeug 40 unterhalb der Bohrwendel 46 einen Zentrierschaft
60, welcher sich in Verlängerung des Halteschaftes 42 erstreckt und grundsätzlich
einstückig mit diesem ausgebildet sein kann. An einem Außenumfang des Zentrierschaftes
60 erstrecken sich um einen Schaftgrundkörper 62 Förderwendeln 66 mit einer radialen
Tiefe von wenigen Millimetern oder Zentimetern. Zwischen den Wendeln 62 sind helixförmigen
Nuten 64 gebildet, durch welche Bodenmaterial nach oben förderbar ist. Dies erleichtert
das Eindrehen des Zentrierschaftes 60 in den Boden. Die Wendeln 66 weisen entlang
des Schaftgrundkörpers 62 einen gleichbleibenden Radius auf. An einer Unterseite des
Schaftgrundkörpers 62 befinden sich ein oder mehrere Abtragswerkzeuge 68, welche insbesondere
zum Abtragen von hartem Gestein ausgebildet sein können und als Piloten bezeichnet
werden können.
[0037] Fig. 4 ist zu entnehmen, dass sich die Abtragswerkzeuge 50 beziehungsweise Bohrzähne
bei Ansicht des Bohrwerkzeugs 40 von unten entlang der Bohrwendel 46 beziehungsweise
des jeweiligen Bohrwendelbleches 47 etwa entlang einer Evolvente oder einer logarithmischen
oder einer hyperbolischen Spirale erstrecken. Jedes Bohrwendelblech 47 überstreicht
weniger als eine Umdrehung, insbesondere etwa eine halbe Umdrehung. An dem Einlaufabschnitt
52 erreicht die Bohrwendel 46 den Durchmesser des Behälters 20. Der Einlaufabschnitt
52 ist ohne Abtragswerkzeuge ausgeführt.
[0038] Entsprechend der Anzahl der Bohrwendelbleche 47 weist der Behälter 20 ein oder mehrere
Zuführöffnungen 24 auf. Die Zuführöffnungen 24 erstrecken sich axial oberhalb eines
Teilabschnitts der Bohrwendeln 46 und oberhalb des Einlaufabschnittes 52. Am äußeren
Rand des Einlaufabschnittes 52, entlang des Umfangs der Bohrvorrichtung 10, kann ein
Leitblech 54 angeordnet sein, um das Bodenmaterial zuverlässig in den Behälter 20
zu fördern. Das Leitblech 54 kann mit einer Zerkleinerungskante 55 versehen sein,
die sich insbesondere schräg nach unten erstrecken kann.
1. Bohrvorrichtung zum Erstellen eines Bohrloches im Boden mit
- einem drehend angetriebenen Bohrwerkzeug (40) zum Abtragen von Bodenmaterial und
- einem Behälter (20) zum Aufnehmen des abgetragenen Bodenmaterials,
- wobei der Behälter (20) eine untere Zuführöffnung (24) aufweist, durch welche das
abgetragene Bodenmaterial in den Behälter (20) einleitbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Bohrwerkzeug (40) mindestens eine unterhalb des Behälters (20) angeordnete Bohrwendel
(46) mit Abtragswerkzeugen (50) aufweist und
- dass in einem Einlaufbereich zum Behälter zwischen der Bohrwendel (46) und der Zuführöffnung
(24) ein Einlaufabschnitt (52) vorgesehen ist, dessen Steigung gegenüber einer Steigung
der Bohrwendel (46) vergrößert ist.
2. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bohrwendel (46) als Mehrfachhelix, insbesondere als Doppelhelix, ausgeführt ist
und
dass an dem Behälter (20) entsprechend zwei oder mehr Zuführöffnungen (24) ausgebildet
sind.
3. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bohrwendel (46) sich in Bohrrichtung verjüngend ausgebildet ist und dass an einer
Außenkante (48) Abtragswerkzeuge (50) angeordnet sind.
4. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bohrwendel (46) an einem schwenkbar an dem Behälter (20) angelenkten Behälterboden
(22) befestigt ist.
5. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein der Bohrwendel (46) in Bohrrichtung vorauseilender Zentrierschaft (60) vorgesehen
ist, welcher ein stirnseitiges Abtragswerkzeug (68) und mindestens eine sich um einen
Schaftgrundkörper erstreckende, wendelförmige Nut (64) und/oder eine Förderwendel
(66) umfasst.
6. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abtragswerkzeuge (50) radial gegenüber der Außenkante (48) der Bohrwendel (46)
vorstehen.
7. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bohrwendel (46) drehfest mit dem Behälter (20) verbunden und gemeinsam mit dem
Behälter (20) drehend antreibbar ist.
8. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass an einem oberen Ende des Behälters (20) eine Anschlusseinrichtung (36) zum Anschließen
eines Bohrgestänges vorgesehen ist.
9. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zuführöffnung (24) des Behälters (20) verschließbar ist.
10. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Einlaufabschnitt (52) im Einlaufbereich zum Behälter (20) über mindestens ein
Stützblech (56) abgestützt ist.
11. Verfahren zum Erstellen eines Bohrloches im Boden mit einer Bohrvorrichtung (10) nach
einem der Ansprüche 1 bis 10.