VERFAHREN ZUM FELSMEISSELN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufmeißeln von Gestein oder Fels, insbesondere zum Erzeugen einer Felsbohrung für leichte bis mittelere Felsformationen und nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 101 01 708.1 in Anspruch, auf die inhaltlich Bezug genommen wird.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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 Richtung in den Fels hineinarbeitet. Nach entsprechender Vorbohrtiefe wird dann durch Rotation des gesamten Bohrkopfes der Bohrtochdurchmesser durch Vorschneider und Nachräumer herausgearbeitet. Der Vorschneider stellt dabei die längere Frontschneide und der Nachräumer die kürzere Frontschneide dar.

[0006] Ein Bohrkopf mit einer asymmetrischen Meißelspitze ist aus der Patentschrift WO 99/1956 bekannt.

[0007] 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 Zeitaufwand 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.

[0008] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Gesteins- oder Felsbohren zu schaffen, mit dem ein kostengünstiges und leistungsfähiges Gesteins- oder Felsbohren möglich ist.

[0009] Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine für das Verfahren geeignete Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.

[0010] Die Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0011] Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf dem Gedanken, unter Zuhilfenahme eines asymmetrischen Felsbohrkopfes mit vorzugsweise integrierten asymmetrisch angeordneten Strahldüsen und einer schlagend und drehend vortreibbaren Bohrvorrichtung eine Kombination von Drehen und Schlagen derart einzusetzen, daß durch - vorzugsweise hochfrequente - Schlagimpulse Gesteinsstücke eines bestimmten Kreisabschnitts der Ortsbrust herausgebrochen werden und nach einem gewissen - vorzugsweise kurzen - Zeitabschnitt oder einer gewissen - vorzugsweise geringen - Eindringtiefe des asymmetrischen Bohrkopfs eine Rotation des asymmetrischen Bohrkopfs um einen bestimmten Winkel erfolgt, um den Bohrkopf in einen neuen Kreisabschnitt der Ortsbrust zu bewegen und dann mit Hilfe der Schlagimpulse Gesteinsstücke aus dem neuen Winkelbereich herauszubrechen. Die Asymmetrie kann auch durch eine bestimmte (z.B. geometrische) Düsenanordnung oder Strahlausrichtung verwirklicht sein, ohne daß das Werkzeug als solches asymmetrisch ist.

[0012] Diese Verfahrensweise erlaubt es, mit einer einfachen Gestängebohrvorrichtung und einem zusätzlichen Schlagantrieb einen überraschend zügigen Bohrvortrieb in Fels oder Gestein mit einem einfachen asymmetrischen Bohrkopf zu verwirklichen und dabei durch Variation der Bohrparameter, wie beispielsweise die Verweilzeit in einem bestimmten Winkelabschnitt, und damit ungleichmäßiger Verteilung der Vortriebskraft auf die Ortsbrust ein Richtungsbohren zu verwirklichen.

[0013] Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, einen Verkeilungseffekt und die damit verbundene ungewünschte Verteilung der Krafteinleitung von der Spitze des Bohrkopfes weg zu vermeiden. Um die Schlagkraft weiter zu erhöhen, kann die Spitze des Bohrkopfes beweglich ausgebildet sein, so daß der gesamte Schlagimpuls in die Bohrkopfspitze eingeleitet wird, ohne daß Energie zur Beschleunigung des restlichen Bohrkopfes verbraucht wird.

[0014] Vorzugsweise wird die Schlageinheit mit hoher Schlagfrequenz - besonders bevorzugt mit mehr als 1000 Schlägen/min - betrieben.

[0015] Bevorzugt wird eine variable Schubkraft über ein Gestänge auf den Bohrkopf gebracht.

[0016] Die Schritte des Schlagens und des Drehens können in einem getakteten Wechsel erfolgen. Der Winkel β kann zum Lenken 0° oder 360° betragen, während er ansonsten bevorzugt zwischen >0° und 90° beträgt.

[0017] Für den Einsatz nach dem erfindungsgemäßen Verfahren haben sich asymmetrische Bohrköpfe als besonders vorteilhaft erwiesen.

[0018] Um den Vortrieb weiter zu forcieren, können über im Bohrkopf bzw. Meißel asymmetrisch angeordnete Düsen Bohrmedien zum Kühlen bzw. Schneiden oder Austragen des Bohrkleins angeordnet sein.

[0019] Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.

[0020] In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1

eine Darstellung der Ortsbrust mit darin liegendem Bohrkopf in drei Bohrschritten und

Fig. 2

eine Detailansicht des Bohrkopfes der Fig. 1.

[0021] 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 Ortsbrust 8. Die Meißelspitze 10 des Bohrkopfes 4 ist beweglich gelagert, so daß der vollständige Schlagimpuls der Schlageinheit 2 auf die Meißelspitze übertragen wird.

[0022] Im vorderen Bereich der Meißelspitze 10 tritt ein Kanal 12 für ein Bohrmedium aus. Die Achse der Meißelspitze 10 weist einen Winkel α in Bezug auf die Achse des Bohrgeräts auf.

[0023] Durch Betrieb der Schlageinheit 2 wird mit der Meißelspitze 10 ein Bereich des Gesteins aus der Ortsbrust 8 herausgebrochen (Fig. 1). Dabei wird über das Gestänge 6 eine variable Schubkraft auf die Bohrvorrichtung ausgeübt. In einem nächsten Schritt wird die Bohrvorrichtung und damit der Bohrkopf um einen Winkel β gedreht, um in dieser Position in einem neuen Bereich der Ortsbrust 8 ein Gesteinsstück aus der Ortsbrust mit Hilfe des Schlagantriebs 2 herauszuschlagen. Zum Lenken beträgt der Winkel 0° oder 360°, wobei mit letzterem ein besonders guter Vortrieb erreicht wird.

Ansprüche

1. Verfahren zum Aufmeißeln von Gestein oder Fels, insbesondere zum Erzeugen einer Felsbohrung mit einer Bohrvorrichtung mit einem Schlagantrieb, einem Gestänge, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlageinheit (2) über den Bohrkopf (4) in einem Kreisflächenabschnitt der Ortsbrust (8) einen oder mehrere Schlagimpulse auf die Ortsbrust ausübt, um Gestein aus der Ortsbrust herauszubrechen und der Bohrkopf (4) in einem nächsten Schritt um einen Winkel β gedreht wird und in dem entsprechenden neuen Kreisflächenabschnitt der Ortsbrust (8) wiederum durch Schlagimpulse über den Bohrkopf (4) und die Meißelspitze (10) Gesteinsstücke aus der Ortsbrust (8) herausgebrochen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (4) zum Erreichen des neuen Kreisflächenabschnitts entgegen der Vortriebsrichtung zurückbewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlageinheit (2) hochfrequent, vorzugsweise mit einer Frequenz von mehr als 1000 Schlägen/min betrieben wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über das Gestänge (6) ein Anpreßdruck auf die Bohrvorrichtung und damit auf den Bohrkopf (4) ausgeübt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anpreßdruck variabel ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Schlagens und des Drehens in einem getakteten Wechsel erfolgen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel β >0° bis 90° beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf über das Gestänge (6) gedreht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation von Bohrparameter wie Winkel und/oder Anpreßdruck und/oder Taktdauer zum Erreichen einer bestimmten Bohrrichtung eingesetzt wird.

10. Verwendung einer Bohrvorrichtung mit einem eine asymmetrische Geometrie aufweisenden Bohrkopf (4) in einem Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.

11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (4) eine bewegliche Meißelspitze (10) aufweist.

12. Verwendung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Meißelspitze (10) in Lenkrichtung einen Schlagimpuls auf die Ortsbrust ausübt.

13. Verwendung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meißelspitze (10) eine Achse mit einen Winkel α in Bezug auf das Bohrgerät aufweist, wobei der Winkel α = o bis 20° beträgt.

14. Verwendung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf eine asymmetrische Dosenanordnung aufweist.

15. Bohrvorrichtung mit einem Bohrkopf (4), der eine Meißelspitze (10) aufweist, die beweglich innerhalb des Bohrkopfs angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Meißelspitze (10) in einem Winkel α >0° bis 20° in Bezug zu der Längsachse der Bohrvorrichtung angeordnet ist.

Claims

1. Method for opening stone or rock with a chisel, in particular for producing a drill hole in rock with a drilling device having a percussion drive, rod assembly, characterised in that the percussion unit (2) exerts one or more percussive pulses on the workface via the drill head (4) in a circular area portion of the workface (8) in order to break stone out of the workface and, in a next step, the drill head (4) is rotated through an angle β and, in the corresponding new circular area portion of the workface (8), again by means of percussive pulses via the drill head (4) and the chisel point (10), pieces of stone are broken out of the workface (8).

2. Method according to Claim 1, characterised in that the drill head (4) is moved back counter to the forward drive direction in order to reach the new circular area portion.

3. Method according to either Claim 1 or Claim 2, characterised in that the percussion unit (2) is operated at high frequency, preferably at a frequency of more than 1,000 impacts/min.

4. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that a contact pressure is exerted on the drilling device, and therefore on the drill head (4), via the rod assembly (6).

5. Method according to Claim 4, characterised in that the contact pressure is variable.

6. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the steps of impacting and of rotation are carried out with a cyclic change.

7. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the angle β is > from 0° to 90°.

8. Method according to any one of Claims 1 to 6, characterised in that the drill head is rotated via the rod assembly (6).

9. Method according to Claim 1, characterised in that the variation of drilling parameters, such as angle and/or contact pressure and/or cycle duration, is used in order to achieve a specific drilling direction.

10. Use of a drilling device having a drill head (4) with an asymmetric geometry in a method according to one or more of the preceding claims.

11. Use according to Claim 10, characterised in that the drill head (4) has a movable chisel point (10).

12. Use according to either Claim 10 or Claim 11, characterised in that the movable chisel point (10) exerts a percussive pulse on the workface in the steering direction.

13. Use according to one or more of the preceding claims, characterised in that the chisel point (10) has an axis at an angle α in relation to the drilling unit, the angle α being = from 0° to 20°.

14. Use according to at least one of Claims 8 to 12, characterised in that the drill head has an asymmetric nozzle arrangement.

15. Drilling device having a drill head (4) which has a chisel point (10) which is arranged to be movable inside the drill head, characterised in that the longitudinal axis of the chisel point (10) is arranged at an angle α > from 0° to 20° in relation to the longitudinal axis of the drilling device.

Revendications

1. Procédé pour buriner de la roche ou du roc, en particulier pour réaliser un forage dans du roc avec un dispositif de forage comprenant un entraînement à percussion, une tige, caractérisé par le fait que l'unité de percussion (2) exerce par l'intermédiaire de la tête de forage (4) une ou plusieurs impulsions de percussion sur le front de taille (8) dans une section de surface circulaire du front de taille (8) afin d'enlever de la roche du front de taille et que, dans une étape suivante, la tête de forage (4) est tournée d'un angle β et des fragments de roche sont de nouveau enlevés du front de taille (8) dans la nouvelle section de surface circulaire correspondante du front de taille (8) par des impulsions de percussion au moyen de la tête de forage (4) et de la pointe de forage (10).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la tête de forage (4) est déplacée en arrière en sens inverse du sens d'avancement pour atteindre la nouvelle section de surface circulaire.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'unité de percussion (2) fonctionne à haute fréquence, de préférence à une fréquence de plus de 1000 coups/min.

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une pression d'application est exercée sur le dispositif de forage et donc sur la tête de forage (4) par l'intermédiaire de la tige (6).

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la pression d'application est variable.

6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les étapes de percussion et de rotation ont lieu en alternance cyclique.

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'angle β est > 0° et ≤ 90°.

8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la tête de forage est tournée par l'intermédiaire de la tige (6).

9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise la variation de paramètres de forage tels que angle et/ou pression d'application et/ou durée de cycle pour obtenir une direction de forage déterminée.

10. Utilisation d'un dispositif de forage avec une tête de forage (4) présentant une géométrie asymétrique dans un procédé selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes.

11. Utilisation selon la revendication 10, caractérisée par le fait que la tête de forage (4) présente une pointe de forage (10) mobile.

12. Utilisation selon la revendication 10 ou 11, caractérisée par le fait que la pointe de forage (10) mobile exerce une impulsion de percussion en direction de guidage sur le front de taille.

13. Utilisation selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la pointe de forage (10) présente un axe faisant un angle α avec le dispositif de forage, l'angle α étant compris entre 0 et 20°.

14. Utilisation selon au moins l'une des revendications 8 à 12, caractérisée par le fait que la tête de forage présente une disposition de buses asymétrique.

15. Dispositif de forage avec une tête de forage (4) qui présente une pointe de forage (10) qui est disposée de manière mobile à l'intérieur de la tête de forage, caractérisé par le fait que l'axe longitudinal de la pointe de forage (10) est disposé à un angle α > 0 et ≤ 20° par rapport à l'axe longitudinal du dispositif de forage.

Zeichnung