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Vorrichtung für das Erdbohren mit Hilfe
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des Lufthebeverfahrens Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
für das Erdbohren mit Hilfe des Lufthebeverfahrens, mit einem Bohrstrang aus nachsetzbarem
Gestänge aus jeweils einem innen glatten Innenrohr für die Bohrgutabförderung mit
Spülung und einem konzentrischen innen glatten Außenrohr für die Luftzufuhr über
den gebildeten Ringraum, wobei zwischen Ringraum und Innenrohr in vorgegebenen Abstanden
angeordnete Lufteinblasestellen vorgesehen sind, die bei Erreichen einer höchstens
dem Luftdruck entsprechenden Eintauchtiefe wirksam werden.
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Beim Lufthebebohrverfahren wird die Flüssigkeitsspülung mit Hilfe
von Druckluft angetrieben. Der Pumpenkörper wird durch die Gestänge des Bohrstrangs
gebildet. Die Arbeitsfähigkeit einer derartigen Vorrichtung ist nur dann gegeben,
wenn die so gebildete Pumpe als Tauchpumpe arbeiten kann.
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Die Druckluft wird in eine bestimmte Eintauchtiefe gebracht, strömt
durch den Ringraum über die jeweils wirksame Lufteinblasestelle in das Innenrohr,
steigt dort auf und reißt die Spülung mit. Für das Lufthebebohrverfahren ist somit
die Eintauchtiefe der jeweiligen Lufteinblasestelle und die Luftzuführung zu dieser
Einblasestelle von wesentlicher Bedeutung.
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Bei der einfachsten Vorrichtung der eingangs angegebenen Art mit einem
einfachen Doppelwand-Schraubbohrgestänge
endet der Ringraum zwischen
Innenrohr und Außenrohr in einer Lufteinblasestelle. Hat diese Lufteinblasestelle
die maximale Eintauchtiefe erreicht, so ist es erforderlich, den gesamten Bohrstrang
um die halbe Eintauchtiefe auszubauen und eine neue Lufteinblasestelle aufzusetzen.
Im Anschluß daran wird der Bohrstrang so verlängert, daß das Bohrwerkzeug die Bohrlochsohle
zum Weiterbohren erneut erreicht. Das Erfordernis des Ausbauens um die halbe Eintauchtiefe
bringt ganz erheblichen Arbeitsaufwand und Zeitverlust mit sich. Um diesen Nachteil
zu beheben, ist es bei einer bekannten Vorrichtung (DE-PS 28 10 621) vorgeschlagen
worden, spezielle Düsenrohre mit einem Ventil zu verwenden.
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Das Ventil dieser Düsenrohre ist im Ruhezustand geschlossen.
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Wird eine bestimmte Eintauchtiefe erreicht, so öffnen sich diese Ventile
selbsttätig und ermöglichen den Lufteintritt aus dem Ringraum in das Innenrohr.
Solche Düsenrohre haben den Nachteil, daß die Ventile einer ständigen Wartung bedürfen
und teuer sind. Es hat sich gezeigt, daß aus diesem Grund Düsenrohre mit Ventil
nur mit großen Abständen eingebaut werden können. Dadurch ergibt sich im Prinzip
jedoch ein ähnlicher Nachteil wie bei den geschilderten einfachen Doppelwand-Lufthebebohrgestängen,
da ebenfalls um erhebliche Bohrstranglängen ausgebaut und erneut nachgesetzt werden
muß. Außerdem pendelt die Einblasestelle entsprechend dem Abstand der eingebauten
Düsenrohre mit Ventil, wodurch der Wirkungsgrad der so gebildeten Pumpe für das
Lufthebebohrverfahren reduziert wird. Außerdem ergibt sich der Nachteil, daß die
Reinigung der Ringräume der Gestänge einen großen Zeitaufwand erfordert, da diese
Ringräume bei den bekannten Einrichtungen für eine Reinigung nicht direkt zugänglich
sind.
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Der Erfindung liegt, ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs
angegebenen Art, die Aufgabe zugrunde, das Gestänge
selbst einschließlich
der Einblasestelle und deren Wirkung zu vereinfachen, den jeweiligen Nachsetzvorgang
zu erleichtern und zu beschleunigen und eine gute Zuganglichkeit für die Reinigung
des Ringraums für die Luftzuführung sowie der Lufteinblasestellen zu ermöglichen,
so daß die notwendigen Wartungsarbeiten unmittelbar mit der Bohrtätigkeit ausgeführt
werden können. Auch soll das Gestängegewicht möglichst gering gehalten werden.
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Nach der Erfindung wird dies vor allem dadurch erreicht, daß das Außenrohr
und das Innenrohr jeweils als gesondertes Gestänge gleicher Länge mit zugeordnetem
Verbinder derart ausgebildet sind, daß sie gegeneinander axial verschieblich sind,
daß das Innengestänge an seinem unteren Verbinderteil Lufteinblasestellen aufweist,
deren auf der oberen Stirnflache mündende Eintrittsöffnungen von einem ringförmigen,
auf dem Innengestenge gleitbaren Ventilteil verschließbar sind, und daß innerhalb
des aus den Außengestangen gebildeten Stranges am unteren Ende des in Bohrrichtung
gesehen vorletzten Außengestänges oberhalb des unteren Verbinderteils Rückhalteelemente
für den Ventilteil angeordnet sind, die den Ventilteil bei dessen Anfahren gegen
den oberen Verbinder des Innengestanges freigeben. Innengestenge und Außengestange
können gesondert gelöst und gesetzt werden.
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Das Innengestänge überträgt das Drehmoment, die Zugkraft und die Andruckkraft.
Das Außengestänge bildet lediglich den Ringraum für die Luftzuführung und kann daher
leicht ausgebildet sein. Die Rückhalteelemente halten den Ventilteil von den Eintrittsöffnungen
des jeweils unteren Verbinderteils des Innengestänges so lange entfernt, bis das
jeweils nächste Innengestänge mit seinem Verbinderpaar den Ventilteil von den Rückhalteelementen
löst und dieser selbsttätig unter Wirkung der Schwerkraft auf die Lufteintrittsöffnungen
der Lufteinblasestellen des zugehörigen unteren Verbinderteils zurückfällt und diese
Lufteintrittsöffnungen
verschließt. Die Rückhalteelemente erfassen
dann beim nach setzen den Ventilteil des nächstfolgenden Innengestänges, so daß
dessen Lufteintrittsöffnungen am unteren Verbinderteil geöffnet werden, also die
nächstfolgende Lufteinblasestelle gebildet wird.
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Hierdurch wird mit einfachen Mitteln erreicht, daß die wirksame Lufteinblasestelle
um jeweils eine Gestängelänge pendelnd in der größten Eintauchtiefe stehenbleiben
kann. Daraus ergibt sich, daß nur ein Nachsetzen eines neuen Innengestänges erforderlich
ist. Zugleich bleibt der Ringraum für die Reinigungsarbeiten zugänglich, und es
können ferner auch an den jeweiligen Lufteinblasestellen Reinigungsarbeiten unmittelbar
während der Bohrtätigkeit ausgeführt werden. Durch die leichte Ausführung des Außengestänges
und die einfachen Verbinderteile mit dem einfachen Ventil teil kann das Gcstngegcwicht
und damit das Gewicht des Bohrstrangs gering gehalten werden. Innen- und Außengestange
können in einfacher und gleicher Weise ausgebildet werden, bis auf das in Bohrrichtung
vorletzte Außengestange mit den Rückhalteelementen, wobei jedoch die Rückhalteelemente
in einfacher Weise ausgebildet sein können, z. B. als federbelastete Bolzen, die
vom jeweils oberen Verbinder des jeweiligen Innengestänges einfach ausgelenkt werden
können.
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Für eine Mechanisierung des Lösens und Wiederherstellens des Bohrstrangs
ist es besonders zweckmäßig, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Verbinder
als Schraubverbinder ausgebildet sind und jeder obere Verbinderteil Schlüssel flächen
für die zugeordnete Abfangvorrichtung aufweist.
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Ist die Vorrichtung mit einer verfahrbaren Abfangvorrichtung für den
Bohrstrang an einer Bohrlafette ausgerüstet, so
weist in weiterer
Ausbildung der Erfindung die Abfangvorrichtung gesonderte, aus der Bohrachse ausschwenkbare
Halteelemente für den aus den Außengestängen gebildeten Strang einerseits und den
aus den Innengestängen gebildeten Strang andererseits auf, welche Halteelemente
in vorgegebenem Abstand übereinander angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich,
in genau beherrschbarer Weise den Strang aus den Außengestängen einerseits und den
Strang aus den Innengestängen andererseits zu lösen und wiederherzustellen bzw.
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ein neues Innengestänge nachzusetzen.
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Wird dabei eine an der Bohrlafette verfahrbare, den Drehantrieb mit
Spülkopf tragende Vorschubeinrichtung verwendet, so weist zweckmäßig in weiterer
Ausbildung der Erfindung der Drehantrieb abtriebsseitig Verbinderteile sowohl für
das Innen- als auch für das Außengestänge auf und mündet die Luftzuführung im Ringraum
zwischen den beiden Verbinderteilen des Drehantriebs. Somit ist der Drehantrieb
einschließlich der Luftzuführung beim Bohrbetrieb unmittelbar mit dem Innen- und
dem Außengestange über die Verbinderteile verbunden. Innen- und Außengestänge werden
somit unter sicherer Verbindung mit dem Drehantrieb gemeinsam vorgeschoben und gedreht.
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Bei Bohrarbeiten in Tiefen, die geringer sind als der maximale Kompressordruck
(in m Wassersäule), kann durch ein geeignetes Luftbegrenzungsventil der Kompressordruck
für die einzublasende Druckluft entsprechend der Bohrtiefe geregelt werden. Es ist
jedoch durch eine weitere einfache Ausgestaltung der Erfindung eine konstruktive
Lösung dadurch möglich, daß das in Bohrrichtung letzte Außengestänge an seinem unteren
Ende innen eine Ringdichtung trägt, die den Ringraum gegenüber dem Innengestänge
bzw. dessen jeweiligen Verbinder abdichtet. In diesem Tiefenbereich ist es dann
erforderlich, jeweils ein Innen- und ein Außengestänge nachzusetzen, um die Abdichtung
aufrechtzuerhalten.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung anhand der Zeichnung. In der Zeichnung sind die für die Erläuterung
der Erfindung wesentlichen Teile der Bohrvorrichtung weitestgehend schematisch dargestellt.
Es zeigen Fig. 1 eine Seitenansicht der Bohrvorrichtung mit dem im Bohrloch befindlichen
Bohrstrang, nachdem ein Gestänge abgebohrt ist, Fig. 2 die Bohrvorrichtung nach
Fig. 1 mit abgefangenem Außen- und Innengestänge und in den Drehantrieb aufgenommenem,
nachzusetzendem Innengestänge, Fig. 3 die Bohrvorrichtung nach Fig. 1 in einer Zwischenstellung,
bei der das nachzusetzende Innengestänge mit dem inneren Bohrstrang verbunden und
von der zugehörigen Abfangung gelöst ist, während das Außengestänge zum Drehantrieb
mit Spülkopf verfahren wird, um dort verschraubt zu werden, Fig. 4 in vergrößerter
Darstellung den mit IV bezeichneten Abschnitt des Bohrstrangs aus Fig. 1, Fig. 5
in vergrößerter Darstellung den oberen Abschnitt des Bohrstrangs aus Fig. 2, Fig.
6 eine Darstellung der Bohrvorrichtung ähnlich Fig. 1 für den Betrieb in Tiefen,
die kleiner als der maximale Luftdruck sind, Fig. 6a in vergrößertem Maßstab eine
Detailansicht entsprechend D des Bohrstrangs in Fig. 6, Fig. 7 die Bohrvorrichtung
nach Fig. 6 beim gleichzeitigen Nachsetzen eines Innen- und eines Außengestänges
beim vorgenannten Betrieb.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung an einer Vorrichtung für das
Erdbohren mit Hilfe des Lufthebeverfahrens beschrie-
ben, die mit
einer verfahrbaren Abfangvorrichtung für den Bohrstrang an einer Bohrlafette ausgerüstet
ist und außerdem eine an der Bohrlafette verfahrbare, den Drehantrieb mit Spülkopf
tragende Vorschubeinrichtung aufweist.
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Es möge zunächst anhand Fig. 1 der grundsätzliche Aufbau der Vorrichtung
nach der Erfindung beschrieben werden: Ein allgemein mit 1 bezeichneter Bohrstrang
besteht aus einzelnen nachsetzbaren Gestängen. Ein Außenrohr 2 und ein Innenrohr
3 sind jeweils als gesondertes Gestänge gleicher Länge 1 ausgebildet. Außenrohr
2 und Innenrohr 3 sind jeweils innen glatt. Außenrohr 2 und Innenrohr 3 sind konzentrisch
angeordnet und bilden zwischen einander einen Ringraum 4 für die Luftzufuhr. Ferner
sind Außengestänge 2 und Innengestänge 3 gegeneinander axial verschieblich. Dem
Außenrohr 2 sind jeweils ein oberer Verbinderteil 5 und ein unterer Verbinderteil
6 zugeordnet, dem Innenrohr 3 ein oberer Verbinderteil 7 und ein unterer Verbinderteil
8, um so Außen-bzw. Innengestänge zu bilden. Die Verbinder 5,6 und 7,8 sind als
Schraubverbinder ausgebildet, wie insbesondere Fig. 4 zeigt. Die jeweils oberen
Verbinderteile 5 bzw. 7 sind in an sich bekannter Weise mit Schlüsselflächen für
die nachfolgend beschriebene zugeordnete Abfangvorrichtung versehen. Diese Schlüsselflächen
sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht wiedergegeben. Der jeweils untere Verbinderteil
8 jedes Innengestänges 3 weist Lufteinblaskanäle 9 auf, die einerseits in das Innenrohr
3 und andererseits in den Ringraum 4 münden, wobei die in den Innenraum mündenden
Eintrittsöffnungen auf der jeweils oberen Stirnfläche der unteren Verbinderteile
8 angeordnet sind, wie insbesondere Fig. 4 zeigt.
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Auf jedemInnengestänge oder Innenrohr 2 ist in axialer Richtung gleitbar
ein ringförmiger Ventilteil 10 vorgesehen.
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Liegt dieser Ventilteil 10 auf der oberen Stirnfläche des jeweils
unteren Verbinderteils 8 des Innengestänges 3 auf, so verschließt er die Eintrittsöffnungen
der Lufteinblas-
kanäle 9. Fig. 5 läßt diesen geschlossenen Zustand
besonders deutlich erkennen.
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Innerhalb des aus den Außengestängen 2 gebildeten Stranges sind am
unteren Ende des in Bohrrichtung gesehen vorletzen Außengestänges 2a oberhalb des
zugehörigen unteren Verbinderteils 6 Rückhalteelemente 11 angeordnet, die zweckmäßig,
wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich ist, als federbeaufschlagte Bolzen ausgebildet
sind, die in der Wandung des zugehörigen Außengestänges 2a gehalten sind. Während
des Bohrbetriebs verharrt somit der Ventilteil 10 auf den Rückhalteelementen 11
unter Freigabe der Eintrittsöffnungen der Lufteinblaskanäle. Wird jedoch beim Nachsetzen
des Innengestänges durch den jeweils oberen Verbinder des Innengestänges 3 eine
nach unten gerichtete Kraft auf den Ventilteil 10 ausgeübt, so geben die Rückhalteelemente
11 den Ventilteil 10 frei, der sich dann schließend auf die Eintrittsöffnungen der
Lufteinblaskanäle 9 legt. Auch beim Ziehen des Innenstrangs aus den Innengestängen
3 überwinden jeweils unterer Verbinderteil 8 und oberer Verbinderteil 7 die Rückhalteelemente
11, damit der Strang axial verschoben werden kann.
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Die Innengestänge 3,7,8 übertragen das Drehmoment, die Zugkraft und
die Andruckkraft auf das Bohrwerkzeug 12.
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Die Gesamtvorrichtung für den Bohrbetrieb ist weiterhin in folgender
Weise ausgebildet: An einer verfahrbaren Bohrlafette 13 ist eine Abfangvorrichtung
14 auf einem geeigneten Schlitten verfahrbar. Diese Abfangvorrichtung weist gesonderte,
aus der Bohrachse ausschwenkbare Halteelemente 15 und 16 für den aus den Außengestängen
2 gebildeten Strang einerseits und den aus den Innengestängen 3 gebildeten Strang
andererseits auf. Diese Halteelemente 15 und 16 sind in vorgegebenem Abstand übereinander
angeordnet, wie insbesondere Fig. 2 zeigt. Auf der Bohrlafette 13 ist ferner auf
einem
geeigneten Schlitten verfahrbar eine Vorschubeinrichtung 17 oberhalb der Abfangvorrichtung
14 angeordnet, die den Drehantrieb 18 mit Spülkopf trägt. In an sich bekannter Weise
ist die Abfangvorrichtung 14 mit ihrem zugehörigen Schlitten durch einen Seiltrieb
19 an der Bohrlafette 13 verfahrbar. Der Drehantrieb 18 weist abtriebsseitig Verbinderteile
20 und 21 für das Außen- bzw. das Innengewinde auf, die mit dem jeweils zugewandten
oberen Verbindungsteil dieser Gestänge verschraubbar sind. Die Luftzuführung 22
mündet im Ringraum 23 zwischen den beiden Verbinderteilen 20 und 21.
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Fig. 1 zeigt den beschriebenen Bohrstrang, nach dem ein Gestänge mit
der Gestängelänge 1 abgebohrt ist. Fig. 2 zeigt eine erste Stufe des Nachsetzvorgangs.
Das obere Außengestänge 2 ist mit seinem oberen Verbinderteil 5 am Halteelement
15 geklemmt, im vorgegebenen Abstand nach oben davon das obere Innengestänge 3 mit
seinem oberen Verbinderteil 7 im zugehörigen oberen Halteelement 16 der Abfangvorrichtung
14. Der innere Verbinderteil 21 des Drehantriebs 18 ist bereits mit dem oberen Verbinderteil
7 des nachzusetzenden Innengestänges 3b verschraubt. Wie Fig. 2 im Verlauf des gebildeten
Bohrstrangs zeigt, sind in dieser Lage die Rückhalteelemente 11 durch den oberen
Verbinder 7 des nächst unteren Gestänges 2 zurückgedrängt, so daß sämtliche Ventilteile
10 auf den jeweils unteren Verbinderteilen 8 aufliegen. Bei der in Fig. 3 dargestellten
Stellung ist das nachzusetzende Innengestänge 3b mit dem Innenbohrstrang verbunden
und vom Halteelement 16 der Abfangeinrichtung 14 gelöst. Die Abfangvorrichtung 14
ist mit dem am Halteelement 15 gehaltenen Außenbohrstrang nach oben verfahren. Die
Verfahrbewegung der Abfangvorrichtung 14 nach oben wird fortgesetzt, bis der Verbinderteil
20 des Drehantriebs 18 mit dem oberen Verbinderteil 5 des oberen Außengestänges
2
verschraubt werden kann. Danach ist der gesamte Bohrstrang bohrbereit,
wobei das Innengestänge um die Gestängelänge 1 verlängert ist und das Bohrwerkzeug
12 entsprechend weit vorgetrieben werden kann, bis die hbbohrstellung gemäß Fig.
1 wieder erreicht ist. Es hat dann auch die Einblasstelle für die Druckluft am unteren
Ende des vorletzten Außengestänges 2 die Eintauchtiefe H E wieder erreicht. Es ist
ersichtlich, daß die Einblasstelle auf diese Weise lediglich um die Gestängelänge
1 "pendels".
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Fig. 5 zeigt zur größeren Verdeutlichung den oberen Abschnitt des
Bohrstrangs in der Stellung gemäß Fig. 2, wobei auch ersichtlich ist, wie der abgesenkte
Ventilteil 10 am oberen Innen gestänge 3 die Lufteintrittsöffnungen der Lufteintrittskanäle
9 dicht abschließt, ebenso in Fig.4 unten.
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Da das Außengestänge 2 bei den Bohrarbeiten stets tiefer als die Eintauchtiefe
HE und länger ist als der maximale Luftdruck in m Wassersäule, kann aus dem Ringraum
4 zwischen Außen- und Innengestänge keine Luft austreten.
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Wird aus der Stellung in Fig. 3 das Außengestänge 2 mit Hilfe der
Halteelemente 15 und der Abfangeinrichtung 14 gegen den Verbinder 20 des Drehantriebs
18 bewegt, so halten die Rückhalteelemente 11 den in Fig. 3 mit 10a bezeichneten
Ventil teil am zugehörigen Innengestänge 3 zurück, so daß bei diesem Innengestänge
die Lufteintrittsöffnungen der Lufteinblaskanäle 9 im zugehörigen unteren Verbinderteil
8 freigeben, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
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Fig. 6, 6a und 7 zeigen Ausführungsformen der Vorrichtung für Bohrarbeiten
mit Tiefen, die geringer sind als der maximale Luftdruck in m Wassersäule. Für diesen
Betrieb kann entweder gemäß Fig. 6 durch ein Luftbegrenzungsventii 24 der Druck
des Luftkompressors 23 entsprechend der jeweiligen Bohrtiefe geregelt werden. Es
kann aber auch gemäß Fig. 6a
das in Bohrrichtung letzte Außengestänge,
das in Fig. 6a mit 2b bezeichnet ist, an seinem unteren Ende innen eine Ringdichtung
25 tragen, die den Ringraum 4 gegenüber dem Innengestänge 3 bzw. dessen jeweiligem
unteren Verbinderteil 8 abdichtet, wobei der zugehörige Ventil teil 10 auf der Ringdichtung
25 aufliegt.
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Wie anhand Fig. 7 demonstriert wird, muß in diesem Tiefenbereich gleichzeitig
eine Außengestänge 2 und ein Innengestänge 3 nachgesetzt werden. Fig. 7 zeigt diese
nachzusetzende Zweierkombination nach ihrer Schraubverbindung mit dem Drehantrieb
18, während das im Bohrloch befindliche Bohrgestänge in seiner Abfangstellung an
den Halteelementen 15 und 16 der Abfangvorrichtung 14 dargestellt ist. Im übrigen
verläuft die Ventilbewegung an den Rückhalteelementen in der anhand Fig. 1 bis 5
beschriebenen Weise.
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Der Schlitten der Abfangvorrichtung 14 muß das maximale Bohrstranggewicht
tragen können. Der Seilzug braucht lediglich das leichte Außengestänge zu ziehen.
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