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Bohrverfahren und Bohrkopf zur Herstellung von Bohrungen, insbesondere
großen Durchmessers, in Mineralien, bevorzugt Kohle Die Erfindung betrifft in erster
Linie ein Bohrverfahren zur Herstellung von Bohrungen, insbesondere solchen großen
Durchmessers, in Mineralien, bevorzugt Kohle, mit gegenüber ihrem Nebengestein geringerer
Festigkeit, bei dem mit geringem Andruck mehrere zusammenwirkende Meißel, deren
Schneiden zunehmend in Vortriebsrichtung geneigt sind, in drehende Bewegung versetzt
werden.
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Die nach solchen Bohrverfahren hergestellten Bohrungen dienen der
Vorrichtung, beispielsweise zur Herstellung von Aufhauen, der Wetterführung, gelegentlich
dem Vortrieb von Strecken, neuerdings aber im Steinkohlenbergbau in zunehmendem
Maße auch der Gewinnung. Dabei wird dann von den Bohrverfahren verlangt, daß die
mit ihnen aufgefahrenen Bohrungen nicht in das Nebengestein abweichen.
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Zu diesem Zweck ist es bekannt, an dem Bohrgestänge Führungsstangen
oder Führungskörper anzubringen, die eine zusätzliche Führung des Bohrgestänges
erzwingen sollen. Solche Mittel stellen einen zusätzlichen Aufwand dar, sie wirken
in ihrer bisherigen Form nicht oder nicht zuverlässig und verhindern im Einzelfall
dann doch nicht, daß die Bohrung verläuft. Als Folge dieser Mängel lassen sich bisher
nur in besonders günstig gelagerten Fällen Bohrungen größerer Länge in einem Mineral
und insbesondere in der Kohle herstellen.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Tendenz des Bohrkopfes
und damit einer Bohrung in das Nebengestein abzuweichen, einerseits von den relativen
Festigkeiten des Nebengesteins und des Minerals abhängt, andererseits von dem zur
Anwendung gelangenden Bohrprinzip. Die meisten Mineralien, insbesondere aber Kohle,
sind weicher als ihr Nebengestein.
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Die bekannten Bohrverfahren lassen sich untereinander danach unterscheiden,
ob sie überwiegend oder ausschließlich in das anstehende Gebirge axial, d. h. in
Vortriebsrichtung der Bohrung angreifen, wie dies beim stoßenden und schlagenden
Bohren der Fall ist, oder ob der Eingriff in das Gebirge überwiegend radial-tangential
stattfindet, was für das Drehbohren gilt. Es läßt sich nachweisen, daß beim axialen
oder überwiegend axialen Bohren der Bohrkopf die Tendenz besitzt, in die härtere
Schicht abzuweichen, während beim überwiegend radial-tangentialen Bohren der Bohrkopf
in die weichere Schicht ausweicht.
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Von dieser Erkenntnis ausgehend, hat sich die Erfindung die Aufgabe
gestellt, anzugeben, wie eine Bohrung in einem Mineral, insbesondere in Kohle, allgemein
gesehen in einer Schicht, die weicher als die daran anschließenden Schichten ist,
ohne zusätzliche Mittel und Maßnahmen gehalten werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Grundgedanken des erfindungsgemäßen
Verfahrens dadurch, daß mit jedem Meißel längs einer ihm zugeordneten Schraubenlinie
und mit allen Meißeln nacheinander längs konzentrisch auf einer Schraubenfläche
angeordneten Schraubenlinien das Mineral ausgehend von der Bohrlochachse von innen
nach außen erweiternd abgetragen wird, und daß der Vorschub und die Drehung der
Meißel um die Bohrlochachse entsprechend der gewählten Schraubenfläche vorgenommen
wird.
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Eine Schraubenfläche entsteht bekanntlich im allgemeinen Fall durch
Vorschub und Rotation einer starren Kurve, im speziellen Fall einer Geraden. Es
ist bereits bekannt, mit einer Streckenvortriebsmaschine längs Schraubenflächen
zu bohren, jedoch beschreiben bei dieser bekannten Streckenvortriebsmaschine die
Meißel komplizierte, von der Schraubenlinie stark abweichende Kurven, da sie auf
rotierenden Fräsern sitzen, die ihrerseits auf einer drehenden Trommel angebracht
sind. In diesem Fall beschreiben zwar die Fräser Schraubenlinien, nicht aber die
das Mineral bzw. das Gestein abtragenden Meißel. Das hat zur Folge, daß bei der
vorbekannten Anordnung mehrerer mit Meißeln bestückter, rotierender Fräser auf einem
seinerseits rotierenden Bohrkopf erhebliche Vorschubkräfte erforderlich werden,
also eine stärkere axiale Komponente, die nach den oben angegebenen Grundsätzen
zu einer Tendenz der hergestellten Bohrung führt, in das härtere Nebengestein
abzuweichen.
Diese Tendenz macht sich um so störender bemerkbar, je geringer im Einzelfall die
Härteunterschiede sind.
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Durch die Erfindung wird demgegenüber erreicht, daß die Meißelbahnen
selbst auf Schraubenlinien liegen, wodurch ein wesentlicher Teil der bisher aufzubringenden
axialen Vorschubkräfte fortfällt und sich die Abweichungstendenz des Bohrkopfes
von dem härteren Nebengestein auf ein praktisch erreichbares Maximum verstärkt,
das nun ausreicht, die Bohrung auch bei geringen Härteunterschieden in der weicheren
Schicht zu halten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert daher praktisch nur die Aufbringung
einer Drehbewegung auf die Meißel, abgesehen von einem nur sehr geringen Vorschub.
Es ist andererseits im Hinblick auf optimale Meißelgeschwindigkeiten bei größeren
Bohrdurchmessern zweckmäßig, die weiter von der Bohrlochachse entfernten Meißel
langsamer rotieren zu lassen, da diese größere Wege zurückzulegen haben.
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Nach einer aus diesen Gründen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, daß mit einer zweiten Gruppe
von Meißeln, die ebenfalls nacheinander längs ihnen einzeln zugeordneter Schraubenlinien
das Mineral abtragen, auf einer weiteren Schraubenfläche, welche auf den gemeinsamen
Vorschub bezogen, die gleiche Ganghöhe wie die der ersten Meißelgruppe zugeordnete
erste Schraubenfläche besitzt, gegenläufig zur Rotation der ersten Meißelgruppe
mit gleichem Vorschub gearbeitet wird.
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In diesem Fall ist durch die beiden gegenläufig drehenden Meißelgruppen
eine weitgehende Kompensation der zur Drehung erforderlichen Drehmomente möglich,
wodurch eine noch bessere Stabilität des Bohrvorganges erreicht wird. Daneben werden
die vom Gebirge ausgehenden Reaktionsmomente weitgehend ausgeglichen, so daß sich
auch die Vorschubkraft weitgehend verringert.
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Die Erfindung betrifft daneben auch einen Bohrkopf zur Ausübung des
beschriebenen Verfahrens. Dieser Bohrkopf besitzt in seiner einfachsten Ausbildung
eine rotierende Trommel, auf der mindestens zwei Tragkörper, die jeweils ein Segment,
das einem Ausschnitt aus der Schraubenfläche in Drehrichtung nach hinten entspricht,
und das gekrümmt etwa von der Bohrlochachse bis zum Rand der Schraubenfläche läuft,
aufnehmen, wobei auf dem Segment die Meißel befestigt sind, deren Schneiden in der
Schraubenfläche liegen, die jedoch mit einem Freiwinkel; wie an sich bekannt, eingestellt
sind.
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Dieser Bohrkopf wird bei der oben erläuterten und bevorzugt angewendeten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durch eine zweite Trommel ergänzt,
die konzentrisch zu der ersten Trommel angeordnet ist und analog zu dieser mit einer
zweiten Meißelgruppe besetzt ist.
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Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachfolgend an Hand schematischer
Darstellungen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 in perspektivischer Darstellung
einen Bohrkopf zur Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in seiner grundsätzlichen
Form, F i g. 2 in der F i g. 1 entsprechender Darstellung einen Bohrkopf zur Ausübung
des erfindungsgemäßen Verfahrens in seiner bevorzugten Ausführungsform, F i g. 3
die Darstellung einer Schraubenfläche, F i g. 4 in perspektivischer Darstellung
eine Seitenansicht des Bohrkopfes nach F i g. 2.
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In den Figuren ist die Erfindung selbstverständlich nur schematisch
und nur so weit dargestellt, als es zu ihrem Verständnis erforderlich ist.
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In F i g. 3 ist der Spezialfall einer Schraubenfläche dargestellt,
der, wie eingangs beschrieben, durch Vorschub und Rotation einer Geraden 1 um eine
Achse 2 entsteht, wobei die bei einer halben Drehung entstehende Schraubenfläche
perspektivisch dargestellt ist. Der allgemeinere Fall ist in F i g. 3 nicht erläutert
und besteht in einer Schraubenfläche, die durch Rotation einer starren Kurve statt
einer Geraden entsteht.
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Der eine wie der andere Fall läßt sich in den nachfolgend beschriebenen
Bohrköpfen verwirklichen. Der in F i g.1 dargestellte Bohrkopf rotiert in der durch
den Pfeil a angegebenen Richtung um eine Achse 3, indem er beispielsweise zentrisch
auf ein an sich bekanntes Bohrgestänge aufgesetzt ist. Er besitzt eine in der angegebenen
Richtung umlaufende Trommel 4, auf der zwei Tragkörper 5 angeordnet sind. Auf jedem
Tragkörper ist ein in Drehrichtung nach hinten gekrümmtes Segment 6 befestigt, das
einen Ausschnitt aus einer Schraubenfläche darstellt, wie sie beispielsweise in
F i g. 3 dargestellt ist. Dort ist ein Ausschnitt bei 7 schraffiert gezeichnet.
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Die Segmente 6 sind bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 nach
Ausschnitten gebaut, die etwa von der Bohrlochachse 3 gekrümmt bis zum Rand der
Schraubenfläche verlaufen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf den
Ausschnitten Meißel ? befestigt, deren Schneiden in der Schraubenfläche liegen,
die jedoch ausgehend von der Bohrlochachse 3 bis zum Rand der Schraubenfläche in
der aus der Zeichenebene herausweisenden Vortriebsrichtung der Bohrung angestellt
sind. Dies ist aus F i g. 4 zu erkennen, in der die beschriebenen Teile gleiche
Bezugszeichen tragen.
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Es ist hiernach ersichtlich, daß mit dem beschriebenen Bohrkopf in
folgender Weise gearbeitet wird: Mit jedem Meißel 7 wird längs einer ihm zugeordneten
Schraubenlinie und mit allen Meißeln 7 wird hintereinander auf einer Schraubenfläche
das anstehende Mineral abgetragen, wobei auf der Schraubenfläche sämtliche Schraubenlinien
liegen. Das Abtragen des Minerals erfolgt ausgehend von der Bohrlochachse 3 von
hinten nach außen erweiternd. Dabei ist der Vorschub und die Drehung des Bohrkopfes
4 und damit der Meißel um die Bohrlochachse 3 entsprechend der gewählten Schraubenfläche,
wie sich aus den Erläuterungen zu F i g. 3 ergibt, eingestellt.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in F i g. 2 und 4 dargestellt.
Der in F i g. 2 mit gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 versehene Bohrkopf besitzt
bei dieser Ausführungsform wiederum eine Trommel 4, die der in F i g. 1 dargestellten
Trommel entspricht. Diese erste Trommel umgibt konzentrisch eine zweite Trommel
10, welche ihrerseits mit gemäß dem Ausführungsbeispiel zwei Tragkörpern 11 besetzt
ist, die jeweils ein Segment 12 aufnehmen, das einen Ausschnitt aus einer zweiten
Schraubenfläche darstellt. Diese Segmente verlaufen gelcxümmt vom inneren Trommelrand
10 a bis zum äußeren Trommelrand 10 b und tragen in der im Zusammenhang mit F i
g. 1 beschriebenen Weise die Meißel, so daß in F i g. 2 die Meißel fortgelassen
sind.