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EP4069942B1 - Vorrichtung zum abteufen einer vertikalen bohrung - Google Patents

Vorrichtung zum abteufen einer vertikalen bohrung Download PDF

Info

Publication number
EP4069942B1
EP4069942B1 EP20820855.3A EP20820855A EP4069942B1 EP 4069942 B1 EP4069942 B1 EP 4069942B1 EP 20820855 A EP20820855 A EP 20820855A EP 4069942 B1 EP4069942 B1 EP 4069942B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drive
bore
strand
machine frame
drilling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP20820855.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP4069942A1 (de
Inventor
Patrick RENNKAMP
Tilmann SCHWAB
Albert FEIßT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Herrenknecht AG
Original Assignee
Herrenknecht AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Herrenknecht AG filed Critical Herrenknecht AG
Publication of EP4069942A1 publication Critical patent/EP4069942A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4069942B1 publication Critical patent/EP4069942B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D1/00—Sinking shafts
    • E21D1/03—Sinking shafts mechanically, e.g. by loading shovels or loading buckets, scraping devices, conveying screws
    • E21D1/06—Sinking shafts mechanically, e.g. by loading shovels or loading buckets, scraping devices, conveying screws with shaft-boring cutters

Definitions

  • the invention relates to a device for sinking a vertical borehole, in particular a shaft, an extraction borehole in a deposit body, or a foundation borehole in the ground, with at least one mining tool for mining material at a bottom of the borehole, with at least one conveyor arranged in the effective area of the at least one mining tool for conveying material mined at the bottom out of the borehole, with a machine frame on which at least two bracing elements are arranged for locking the device in the borehole during drilling, with at least one means for vertically raising and lowering the machine frame in the borehole and with at least one drive for rotating the mining tool.
  • groundwater-bearing layers are problematic.
  • the rock In order to keep the water out of the borehole so that dry drilling can be carried out, the rock must either be frozen or the groundwater level must be lowered. If this is not possible, drilling must take place underwater, which means that the boreholes cannot be accessed. This is particularly problematic with larger diameters and long borehole lengths.
  • the drilling device will, if possible, directly extract the rock containing the valuable mineral.
  • a drilling pattern can be followed so that the holes created are then filled in again in order to achieve the lowest possible loss of the deposit body.
  • a conveyor system is provided on the surface for vertical movement of the drilling device at the borehole. Furthermore, it is known from the prior art that a top drive is provided, which drives the drill head itself via a rod.
  • the loosened soil is then transported to the surface through the drive rods, for example by means of an air lifting process, together with the fluid in the borehole, and processed accordingly.
  • Such drilling devices are available in different designs made of EP0741227A2 , EP0316931A2 , US2016369566A1 , US2016130942A1 and KR101762879B1 known.
  • the object of the invention is to provide a device with which vertical drilling with large diameters can be carried out even under water without operating personnel.
  • the drilling can be shafts, extraction drilling in deposits or foundation drilling.
  • the diameters are more than 4 m. Aspects that must be taken into account here are the vertical movement of the underground drilling device part/machine frame in the bore, the drive of the drilling tool, the extraction of the loosened soil and the connection to the surface between the drilling tool and the installations on the surface.
  • the invention provides a device for sinking according to the solution of patent claim 1. Further details are set out in the subclaims.
  • a device for sinking a vertical borehole, in particular a shaft, an extraction borehole in a deposit body, or a foundation borehole in the ground, with at least one mining tool for mining material at a bottom of the borehole, with at least one conveyor arranged in the effective range of the at least one mining tool for conveying material mined at the bottom out of the borehole, with a machine frame on which at least two bracing elements are arranged for locking the device in the borehole during drilling, with at least one means for vertically raising and lowering the machine frame in the borehole and with at least one drive for rotating the mining tool.
  • the means for vertically raising and lowering the machine frame in the bore is a strand lifting system with at least one lifting unit with at least one cylinder and at least one strand or strand bundle per lifting unit, which is connected to the machine frame. It is advantageous that the lifting unit has at least one strand lock.
  • a further teaching of the invention provides that at least one fastening per strand/strand bundle is provided on the machine frame. This creates a simple and cost-effective option that does not require a winding tower and cost-intensive winches.
  • a further teaching of the invention provides that the borehole is filled with a liquid, preferably water or a bentonite suspension.
  • the at least one conveying means for conveying material mined at the bottom out of the borehole has a vertical conveying line, which preferably extends through the machine frame.
  • the conveying line does not rotate.
  • compressed air can be introduced into the conveying line at at least one discharge point.
  • a further teaching of the invention provides that the conveying takes place using the reverse circulation method. This makes conveying possible in a simple manner.
  • a further teaching of the invention provides that the conveyor line is constructed from pipe sections, so that the conveyor line can be successively lengthened or shortened. It is advantageous that at least one pipe section has at least one flange element to be connected to another pipe section. It is also advantageous that at least one pipe section has at least one guide element, wherein the at least one guide element guides an element of a drive train, and wherein the guide element preferably has at least one bearing element. A further teaching of the invention provides that at least one pipe section has at least one guide element for a supply line. This makes it possible to enable the loosened soil to be conveyed without the conveyor line having to rotate and/or serve to transmit forces.
  • a further teaching of the invention provides that at least two bracing elements arranged vertically one above the other are provided for locking the device in the bore. This allows optimal bracing for load transfer. Furthermore, it is also possible to provide guidance in the bore using the upper and/or lower bracing elements. Control is also possible via the bracing elements of the drilling device. It is also advantageous that the bracing elements function as a stop for feed elements/feed cylinders for the mining tool.
  • a further teaching of the invention provides that the mining tool is a cutting wheel, preferably in full cut, which particularly preferably has extendable and retractable edge cutting tools, and/or that particularly preferably is provided with disks or chisels.
  • a further teaching of the invention provides that the excavation tool is designed to be movable relative to the machine frame in the excavation direction.
  • a further teaching of the invention provides that at least one feed system, preferably a cylinder, is provided, which presses the mining tool for loosening rock against the bottom of the borehole in order to generate the necessary release pressure.
  • the feed system preferably acts on at least one of the bracing elements.
  • a further teaching of the invention provides that the mining tool has a suction chamber for loosened rock. This allows the drilling cuttings/loose soil to be sucked in safely and easily.
  • a further teaching of the invention provides that the at least one drive above ground has a drive unit that is connected to a drive element of the mining tool. This is advantageous because a simple power transmission to the mining tool can take place. It is advantageous that the connection is made via a gear, preferably a reduction gear. A central gear is advantageously provided on the drill head, which is connected to the gear. This gear arrangement is advantageously mounted in oil and has a pressure compensation mechanism.
  • the drive unit is connected to the drive element of the mining tool via at least one, preferably telescopic, drive train.
  • the drive train is composed of individual rods or tubular elements.
  • the individual rods or pipe elements are detachably connected to one another via connecting elements such as threads or couplings, preferably claw couplings.
  • a further teaching of the invention provides that the rods/pipe elements are guided on the pipe sections, preferably via guide elements which are provided on the pipe sections, particularly preferably in bearing elements.
  • a further teaching of the invention provides that at least one rod is telescopic to enable the drilling stroke of the mining tool.
  • a further teaching of the invention provides that the drive has at least one gear unit with which the necessary speed of the mining tool can be provided.
  • a further alternative teaching of the invention provides that the at least one drive is a hydraulic or electric drive or a combination thereof.
  • the drive is arranged on the machine.
  • the drive on the machine is arranged in a space filled with air.
  • the room has an opening downwards towards the floor through which air can escape from the room and that air can be supplied to the room with overpressure from above ground.
  • FIG. 1 shows a device for drilling according to the invention, hereinafter referred to as drilling device 10.
  • the drilling device 10 is arranged in and on a borehole 100 that is filled with a liquid 110, for example water or a bentonite suspension.
  • the borehole 100 has an opening 120 on its upper side, which is covered with a cover 24 during operation.
  • a foundation 34 is provided around the opening 120.
  • a strand lifting system 11 is provided on the foundation 34, which is provided for introducing forces into the ground 130.
  • the strand lifting system 11 comprises a winch 11A and a lifting cylinder arrangement 11B.
  • the strand lifting system 11 also comprises a strand or a strand arrangement 16.
  • the strands 16 are connected to a machine frame 13 of the drilling device 10 via stops 16A.
  • the machine frame 13 is provided with a lower bracing element 14 and an upper bracing element 15.
  • the bracing elements 14, 15 each have at least one feed cylinder 18A in order to move the movable parts 14A, 15A of the bracing elements 14, 15 against the borehole wall 140, to release them from it, and to brace them against the borehole wall 140.
  • the clamping elements 14, 15 have a plurality of movable elements 14A, 15A, which are arranged circumferentially around the machine frame 13.
  • the movable elements 14A, 15A can be moved between a retracted position and a clamped position via the feed cylinders 18A.
  • the drilling device 10 has a cutting wheel 21 that is equipped with individual drilling tools 21A, such as disks or chisels. Furthermore, the cutting wheel 21 has extendable and retractable edge cutting tools 22 in order, for example, to precisely profile the borehole wall 140 or, if necessary, to be able to cause a change in direction or an undercut. Furthermore, the cutting wheel 21 is provided with a suction box 20 for receiving loosened soil/drilling cuttings 160.
  • soil is understood to mean any form of loose or solid rock or valuable mineral in a deposit. Drilling cuttings and loose soil are used synonymously.
  • the suction box 20 is part of the conveying means of the drilling device 10.
  • the cutting wheel 21 is rotatable and arranged to be movable back and forth relative to the machine frame 13 via a telescopic arrangement 17. Furthermore, the cutting wheel 21 can be driven by a main drive 12, which in the embodiment shown is arranged above ground in a top box 29, and can thus be set in rotation.
  • the drive can also be provided, for example hydraulically or electrically, in the borehole 100, for example fixed to the machine frame 13.
  • a machine frame 13 or an enclosed space can be provided in which the electrical and/or hydraulic drive is provided and which is connected from there to the cutting wheel 21 in order to set it in rotation.
  • this space is open at the bottom and is kept free of liquid with respect to water/bentonite suspension 110 by means of compressed air. This eliminates the need for complex seals for the drive train relative to the housing of the space.
  • a central drive 19 also referred to as bullgear or rotating central gear, is arranged on the cutting wheel 21. This is in Figure 5 and is then explained in more detail.
  • the telescopic arrangement 17 is connected to a feed cylinder 18, which is arranged diagonally here, for example, and is provided with its other end on the movable element 14A of the lower bracing elements 14.
  • a feed cylinder 18 which is arranged diagonally here, for example, and is provided with its other end on the movable element 14A of the lower bracing elements 14.
  • the cutting wheel 21 can be pressed against the bottom 150 of the borehole 100 via the feed cylinder 18, so that sufficient contact pressure is created on the bottom 150 so that the disks 21A of the cutting wheel 21 loosen the soil/rock.
  • the central drive 19 has a pressure compensation device 23, which in Figure 6 is shown and explained below.
  • the conveying means of the drilling device 10 comprises a conveying capacity 25, which is formed from individual pipe sections 40, which are connected to one another via flanges 44.
  • the conveying capacity 25 is designed here as a central line that does not transmit any rotational forces.
  • the conveyor output 25 also does not transmit any lifting forces with respect to the drilling device 10.
  • the drilling cuttings 160, together with the liquid 110 in the borehole 100, are introduced from the bottom 150 into the suction box 20 in the direction of the arrow C and from there sucked into the conveyor output 25.
  • the conveying itself in the conveyor output 25 takes place by a compressed air supply in the direction of the arrow E, which is introduced into the conveyor output 25 via a compressed air line 37 as part of the supply lines 26 in the upper part, whereby the density of the liquid 110 is reduced so that an upward movement occurs in the conveyor line 25.
  • the mixture of drilling cuttings 160 and liquid 110 in the conveyor output 25 is forced out of the borehole in the direction of the arrow D. This causes suction into the suction box 20 in the direction of the arrow C.
  • a diverter pipe 27 is provided, with which the conveyed mixture is fed to the processing unit 32 via a pipeline 35.
  • the drilling cuttings 160 are separated from the liquid 110.
  • the liquid 110 (water or bento with suspension) is then fed back to the borehole 100 in the direction of arrow A via a feed line 36.
  • the deflection tube 27 is preferably part of the top box 29.
  • the main drive 12 is connected to the central drive 19 of the cutting wheel 21 via a drive train 30.
  • a telescopic drive rod 31 is provided to compensate for the feed of the cutting wheel 21 relative to the machine frame 13, which can be introduced via the feed cylinders 18 and the telescopic arrangement 17.
  • the drive train 30 itself is formed from drive rods 41, which are connected to one another via connecting elements 42, preferably shown here as jaw couplings.
  • the drive rods are connected to the pipe sections 40 via guide elements 43.
  • the guide elements 43 have bushings or bearings 45.
  • the guide elements 43 are in the Figures 7A and 7B on the pipe sections 40.
  • guide elements 46 with connections 47 for the supply lines 26 are provided on the pipe sections 40.
  • FIG. 5 shows the central drive 19 in detail.
  • a connecting element 42 of the drive train 30 engages in a gear 47, preferably a planetary gear.
  • the planetary gear 47 is connected to a gear 48 that engages with a central gear/bull gear 49.
  • the central gear 49 sits on a flange 50 that is firmly connected to the cutting wheel 21.
  • the central drive 19 has a housing 52 in which the central gear 49 and the gear 48 are located.
  • the cavities 53 are filled with gear oil.
  • the flange 50 is sealed from the housing 52 by a seal 51.
  • a pressure compensation device 23 is provided for pressure equalization.
  • This comprises a housing 54 which has an opening 55 towards the borehole 100 on one side and an opening 56 on the other side which is connected to the cavity 53 of the housing 52.
  • a cylinder 57 is provided in the housing 54 as a separation and at the same time for pressure equalization, which cylinder is designed to be movable in the housing 54. This makes it possible to design the seal 51 as minimal as possible. This has cost advantages.
  • Figure 8A shows the drilling device 10 with retracted cutting wheel 21 at a first level 151 of the sole 150 at the beginning of a drilling cycle.
  • Figure 8B shows the end of the drilling cycle, in which the drilling base 150 was drilled down to the level 152 by the cutting wheel 21.
  • Figure 8C shows the drilling device with the cutting wheel 21 and the bracing elements 14, 15 retracted, so that the drilling device 10 can be moved vertically in the borehole 100 via the strand lifting system 16. This state, which is shown in Figure 8C occurs when the drilling device 10 is removed from or reinserted into the borehole 100.
  • the bracing elements 14, 15 are slightly released and the strand lifting device 11 lowers the machine tube 13 relative to the cutting wheel 21 so that the telescopic arrangement 17 retracts again.
  • the machine frame 13 is lowered, it is also guided by the telescopic arrangement 17.
  • the drilling device can be guided additionally at least by the upper clamped elements 15.
  • the Drilling device 10 is finally clamped against the borehole wall 140 again by extending the movable elements 14A, 15A via the bracing cylinders/feed cylinders 18A.
  • FIGS 9A to 9F show the installation cycle of the drilling device 10 according to the invention.
  • the borehole 100 is prepared, for example using an excavator, and the foundation 34 is installed.
  • a drive-on frame 33 is erected on the foundation 34.
  • the fully assembled drilling device 10 is inserted into this drive-on frame 33 and the borehole 100 and filled with water/bentonite suspension 110.
  • the drilling device 10 can be driven into the ground by its own weight by operating the cutting wheel 21. ( Figure 9B ).
  • the drive-on frame 33 is then removed and the lifting beam system 11 is installed ( Figure 9c ). At this point, the drilling device 10 is completely installed and can carry out the drilling.
  • FIGS 9D to 9F show the situation that the drilling device 10 is so worn down that the conveying capacity 25 and the drive train 30 must be extended.
  • the top box 29 is removed using a gantry crane 28 and a new pipe section 40 is installed. This is connected to the pipe section 40 already located underneath via the flanges 44. Furthermore, the connecting elements 42 of the individual drive rods 41 engage with one another.

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abteufen einer vertikalen Bohrung, insbesondere ein Schacht, eine Gewinnungsbohrung in einem Lagerstättenkörper, oder eine Fundamentbohrung im Boden, mit wenigstens einem Abbauwerkzeug zum Abbau von Material an einer Sohle der Bohrung, mit einem mit wenigstens einem im Wirkbereich des wenigstens einen Abbauwerkzeugs angeordneten Fördermittel zum Abfördern von an der Sohle abgebautem Material aus der Bohrung heraus, mit einem Maschinenrahmen, an dem wenigstens zwei Verspannelemente zum Arretieren der Vorrichtung in der Bohrung während des Bohrens angeordnet sind, mit wenigstens einem Mittel zum vertikalen Anheben und Absenken des Maschinenrahmens in der Bohrung und mit wenigstens einem Antrieb zur Rotation des Abbauwerkzeugs
  • Beim Erstellen von vertikalen Bohrungen im Boden sind grundwasserführenden Schichten problematisch. Um das Wasser aus der Bohrung zu halten, um trocken bohren zu können, muss beispielsweise entweder das Gebirge gefroren werden, oder der Grundwasserspiegel muss abgesenkt werden. Ist dieses nicht möglich, muss unter Wasser gebohrt werden, was dazu führt, dass die Bohrungen nicht begehbar sind. Dieses ist insbesondere bei größeren Durchmessern und großen Bohrungslängen problematisch.
  • Soll beispielsweise in einer Lagerstätte gebohrt werden, fördert die Bohrvorrichtung nach Möglichkeit direkt das Wertmineral enthaltene Gestein. Dabei kann einem Bohrmuster gefolgt werden, sodass dann die erstellten Bohrungen anschließend wieder verfüllt werden, um einen möglichst geringen Verlust des Lagerstättenkörpers zu erreichen.
  • Um dieses Verfahren durchzuführen wird an der Oberfläche ein Fördermöglichkeiten zum vertikalen Bewegen der Bohrvorrichtung am Bohrloch bereitgestellt. Weiterhin ist hierbei unter anderem aus dem Stand der Technik bekannt, dass ein Topdrive vorgesehen wird, der den Bohrkopf selber über ein Gestänge antreibt.
  • Der gelöste Boden wird dann beispielsweise mittels Lufthebeverfahrens zusammen mit der im Bohrloch befindlichen Flüssigkeit nach Übertage durch das Antriebsgestänge transportiert und entsprechend aufbereitet.
  • Solche Bohrvorrichtungen sind beispielsweise in unterschiedlichen Ausführungen aus EP0741227A2 , EP0316931A2 , US2016369566A1 , US2016130942A1 und KR101762879B1 bekannt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der vertikale Bohrungen auch unter Wasser mit großen Durchmessern ohne Bedienpersonal durchgeführt werden können. Bei den Bohrungen kann es sich um Schächte, Gewinnungsbohrungen in Lagerstätten oder Fundamentbohrungen handeln. Die Durchmesser betragen hierbei mehr als 4 m. Aspekte, die hierbei berücksichtigt werden müssen, sind das vertikale Bewegen des untertätigen Bohrvorrichtungsteils/des Maschinenrahmens in der Bohrung, der Antrieb des Bohrwerkzeugs, die Förderung des gelösten Bodens und die Verbindung zu über Tage zwischen Bohrwerkzeug und den an der Oberfläche befindlichen Installationen.
  • Erfindungsgemäß sieht die Erfindung hierbei eine Vorrichtung zum Abteufen gemäß der Lösung des Patentanspruchs 1 vor. Weitere Ausführungen dazu sind in den Unteransprüchen dargelegt.
  • Dabei ist vorgesehen eine Vorrichtung zum Abteufen einer vertikalen Bohrung, insbesondere ein Schacht, eine Gewinnungsbohrung in einem Lagerstättenkörper, oder eine Fundamentbohrung im Boden, mit wenigstens einem Abbauwerkzeug zum Abbau von Material an einer Sohle der Bohrung, mit einem mit wenigstens einem im Wirkbereich des wenigstens einen Abbauwerkzeugs angeordneten Fördermittel zum Abfördern von an der Sohle abgebautem Material aus der Bohrung heraus, mit einem Maschinenrahmen, an dem wenigstens zwei Verspannelemente zum Arretieren der Vorrichtung in der Bohrung während des Bohrens angeordnet sind, mit wenigstens einem Mittel zum vertikalen Anheben und Absenken des Maschinenrahmens in der Bohrung und mit wenigstens einem Antrieb zur Rotation des Abbauwerkzeugs.
  • Lösungsgemäß ist vorgesehen, dass es sich bei dem Mittel zum vertikalen Anheben und Absenken des Maschinenrahmens in der Bohrung um ein Litzenhubsystem mit wenigstens einer Hubeinheit mit wenigstens einem Zylinder und wenigstens einer Litze ober einem Litzenbündel pro Hubeinheit, die/das mit dem Maschinenrahmen verbunden ist. Dabei ist vorteilhaft, dass die Hubeinheit wenigstens eine Litzenarretierung aufweist. Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass am Maschinenrahmen wenigstens eine Befestigung pro Litze/ Litzenbündel vorgesehen ist. Hierdurch wird auf einfache und kostengünstige Weise eine Möglichkeit geschaffen, die keinen Förderturm und kostenintensive Winden erfordert.
  • Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Bohrung mit einer Flüssigkeit, bevorzugt Wasser oder eine Bentonitsuspension gefüllt ist. Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass das wenigstens eine Fördermittel zum Abfördern von an der Sohle abgebautem Material aus der Bohrung heraus eine vertikale Förderleitung aufweist, die sich bevorzugt durch den Maschinenrahmen erstreckt. Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Förderleitung nicht rotiert. Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass in die Förderleitung an wenigstens einer Abgabestelle Druckluft eingebringbar ist. Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Abförderung im reverse circulation Verfahren erfolgt. Hierdurch ist auf einfache Weise eine Förderung möglich.
  • Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Förderleitung aus Rohrschüssen aufgebaut ist, so dass die Förderleitung sukzessive verlängerbar bzw. einkürzbar ist. Dabei ist vorteilhaft, dass wenigstens ein Rohrschuss wenigstens ein Flanschelement zu verbinden mit einem weiteren Rohrschuss aufweist. Dabei ist weiterhin vorteilhaft, dass wenigstens ein Rohrschuss wenigstens ein Führungselement aufweist, wobei das wenigsten eine Führungselement ein Element eines Antriebstrangs führt, und wobei das Führungselement bevorzugt wenigstens ein Lagerelement aufweist. Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Rohrschuss wenigstens ein Führungselement für eine Versorgungsleitung aufweist. Hierdurch wird es möglich, eine Förderung des gelösten Bodens zu ermöglichen, ohne dass die Förderleitung rotiert und/oder zur Übertragung von Kräften dienen muss.
  • Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwei vertikal übereinander angeordnete Verspannelemente zum Arretieren der Vorrichtung in der Bohrung vorgesehen sind. Hierdurch kann ein optimales Verspannen zum Lastabtrag erfolgen. Weiterhin ist es mit den oberen und/oder unteren Verspannelementen auch möglich eine Führung in der Bohrung zu bewirken. Auch ein Steuern ist über die Verspannelemente der Bohrvorrichtung möglich. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Verspannelemente als Anschlag für Vorschubelemente/Vorschubzylinder für das Abbauwerkzeug fungieren.
  • Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass es sich bei dem Abbauwerkzeug um ein Schneidrad, bevorzugt im Vollschnitt, handelt, das besonders bevorzugt aus- und einfahrbare Randschneidwerkzeuge aufweist, und/oder dass besonders bevorzugt Disken oder Meißeln versehen ist.
  • Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass das Abbauwerkzeug gegenüber dem Maschinenrahmen in Abbaurichtung verfahrbar ausgeführt ist.
  • Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Vorschubsystem, bevorzugt ein Zylinder, vorgesehen ist, das das Abbauwerkzeug zum Lösen von Gestein an die Sohle der Bohrung andrückt, um den notwendigen Lösedruck zu erzeugen. Bevorzugt greift das Vorschubsystem an wenigstens einem der Verspannelemente an.
  • Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass das Abbauwerkzeug eine Ansaugkammer für gelöstes Gestein aufweist. Hierdurch kann eine sichere und einfache Ansaugung des Bohrkleins/gelösten Bodens erfolgen.
  • Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der wenigstens eine Antrieb übertage eine Antriebseinheit aufweist, die mit einem Antriebselement des Abbauwerkzeugs verbunden ist. Dieses ist vorteilhaft, weil eine einfache Kraftübertragung auf das Abbauwerkzeug erfolgen kann. Dabei ist vorteilhaft, dass die Verbindung über ein Getriebe, bevorzugt ein Untersetzungsgetriebe, erfolgt. Vorteilhafter Weise ist am Bohrkopf ein Zentralzahnrad vorgesehen, das mit dem Getriebe verbunden ist. Vorteilhafter Weise ist diese Getriebeanordnung in Öl gelagert und weist einen Druckausgleichsmechanismus auf.
  • Dabei ist weiterhin vorteilhaft, dass die Antriebseinheit über wenigstens einen, bevorzugt teleskopierbaren, Antriebsstrang mit dem Antriebselement des Abbauwerkzeugs verbunden ist.
  • Dabei ist vorteilhaft, dass der Antriebstrang aus einzelnen Stangen oder Rohrelementen zusammengesetzt ist.
  • Dabei ist weiterhin vorteilhaft, dass die einzelnen Stangen oder Rohrelemente über Verbindungselementen wie Gewinde oder Kupplungen, bevorzugt Klauenkupplungen, miteinander lösbar verbunden sind.
  • Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Stangen/Rohrelemente an den Rohrschüssen geführt sind, bevorzugt über Führungselemente, die an den Rohrschüssen vorgesehen sind, besonders bevorzugt in Lagerelementen.
  • Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Stange teleskopierbar ist, um den Bohrhub des Abbauwerkzeugs zu ermöglichen.
  • Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Antrieb wenigstens eine Getriebeeinheit aufweist, mit dem die notwendige Drehzahl des Abbauwerkzeugs bereitgestellt werden kann.
  • Eine weitere alternative Lehre der Erfindung sieht vor, dass der wenigstens eine Antrieb ein hydraulischer oder elektrischer Antrieb oder eine Kombination davon ist.
  • Dabei ist vorteilhaft, dass der Antrieb auf der Maschine angeordnet ist.
  • Dabei ist weiterhin vorteilhaft, dass der Antrieb auf der Maschine in einem mit Luft gefüllten Raum angeordnet ist.
  • Bevorzugt ist dabei, dass in dem Raum gegenüber dem mit Flüssigkeit gefüllten Bohrloch ein Überdruck besteht.
  • Weiterhin ist dabei vorteilhaft, dass der Raum nach unten zur Sohle hin eine Öffnung aufweist, aus der Luft aus dem Raum entweichen kann, und die Luft dem Raum mit Überdruck von Übertage zuführbar ist.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    Figur 2
    eine analoge Ansicht zu Figur 1 mit Ergänzungen,
    Figur 3
    eine räumliche schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Bohrteils der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    Figur 4a-4c
    eine räumliche schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Bohrteils der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    Figur 5
    ein erste vergrößerte Ausschnittansicht zu Figur 1,
    Figur 6
    ein zweite vergrößerte Ausschnittansicht zu Figur 1,
    Figur 7a
    eine räumliche schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rohrschusses,
    Figur 7b
    eine vergrößerte Ausschnittansicht zu Figur 7,
    Figur 8a - 8c
    eine schematische Ansicht einer Bohrsequenz zur erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
    Figur 9a - 9f
    eine schematische Ansicht einer Startsequenz zur erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
  • Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abteufen, nachfolgend als Bohrvorrichtung 10 bezeichnet. Die Bohrvorrichtung 10 ist in und an einem Bohrloch 100 angeordnet, dass mit eine Flüssigkeit 110, beispielsweise Wasser oder einer Bentonitsuspension, gefüllt ist. Das Bohrloch 100 weist an seiner Oberseite eine Öffnung 120 auf, die mit einer Abdeckung 24 im Betriebsfall abgedeckt ist.
  • Um die Öffnung 120 herum ist ein Fundament 34 vorgesehen. Auf dem Fundament 34, das zur Einleitung von Kräften in den Boden 130 vorgesehen ist, sind ist ein Litzenhubsystem 11 vorgesehen. Das Litzenhubsystem 11 umfasst eine Winde 11A und einen Hubzylinderanordnung 11B. Weiterhin umfasst das Litzenhubsystem 11 eine Litze bzw. eine Litzenanordnung 16. Die Litzen 16 sind dabei über Anschläge 16A mit einem Maschinenrahmen 13 der Bohrvorrichtung 10 verbunden. Der Maschinenrahmen 13 ist mit einem unteren Verspannelement 14 und einem oberen Verspannelement 15 versehen. Die Verspannelemente 14,15 weisen jeweils wenigstens einen Vorschubzylinder 18A auf, um die beweglichen Teile 14A, 15A der Verspannelemente 14, 15 gegen die Bohrlochwand 140 zu bewegen, von dieser zu lösen, und diese gegen die Bohrlochwand 140 zu verspannen.
  • Die Verspannelemente 14, 15 weisen dabei eine Mehrzahl von beweglichen Elementen 14A, 15A auf, die umlaufend um den Maschinenrahmen 13 angeordnet sind. Die beweglichen Elemente 14A, 15A sind dabei über die Vorschubzylinder 18A zwischen einer eingefahrenen Position und einer verspannten Position bewegbar.
  • Weiterhin weist die erfindungsgemäße Bohrvorrichtung 10 ein Schneidrad 21 auf, dass mit einzelnen Bohrwerkzeugen 21A, wie beispielsweise Disken oder Meißel, bestückt ist. Weiterhin weist der Schneidrad 21 aus- und einfahrbare Randschneidwerkzeuge 22 auf, um beispielsweise die Bohrlochwand 140 genau zu profilieren bzw. gegebenenfalls eine Richtungsänderung oder einen Unterschnitt bewirken zu können. Weiterhin ist das Schneidrad 21 mit einem Ansaugkasten 20 zur Aufnahme von gelöstem Boden/Bohrklein 160 versehen.
  • Unter Boden wird in dieser Offenbarung jegliche Form von Locker- oder Festgestein bzw. Wertmineral einer Lagerstätte verstanden. Bohrklein und gelöster Boden werden synonym verwendet.
  • Der Ansaugkasten 20 ist Bestandteil des Fördermittels der Bohrvorrichtung 10.
  • Das Schneidrad 21 ist drehbar und über einer Teleskopanordnung 17 vor- und zurückbewegbar gegenüber dem Maschinenrahmen 13 angeordnet. Weiterhin kann das Schneidrad 21 durch einen Hauptantrieb 12, der in der dargestellten Ausführungsform über Tage in einer Topbox 29 angeordnet ist, angetrieben und dadurch in Rotation versetzt werden.
  • Alternativ kann auch der Antrieb beispielsweise hydraulisch oder elektrisch im Bohrloch 100 beispielsweise fest am Maschinenrahmen 13 vorgesehen sein. Hierfür kann ein Maschinenrahmen 13 ein nicht dargestellter umschlossener Raum vorgesehen sein, in dem der elektrische und/oder der hydraulische Antrieb vorgesehen sind und der aus diesem heraus mit dem Schneidrad 21 verbunden ist, um dieses in Rotation zu versetzen.
  • In einer nicht dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist dieser Raum nach unten offen ausgeführt und wird über Druckluft flüssigkeitsfrei hinsichtlich Wasser/Bentonitsuspension 110 gehalten. Hierdurch können aufwändige Dichtungen für den Antriebsstrang gegenüber dem Gehäuse des Raums entfallen.
  • Weiterhin ist am Schneidrad 21 ein Zentralantrieb 19, auch bezeichnet als Bullgear bzw. umlaufend Zentralzahnrad angeordnet. Dieses ist in Figur 5 dargestellt und wird anschließend näher erläutert.
  • Die Teleskopanordnung 17 ist mit einem Vorschubzylinder 18 verbunden, der hier beispielsweise diagonal angeordnet ist und mit seinem anderen Ende am beweglichen Element 14A der unteren Verspannelemente 14 vorgesehen. Nach dem Verspannen der unteren Verspannelemente 14 und der oberen Verspannelemente 15 kann über die Vorschubzylinder 18 das Schneidrad 21 gegen die Sohle 150 des Bohrlochs 100 gepresst werden, sodass hierdurch ein hinreichender Anpressdruck an der Sohle 150 entsteht, dass die Disken 21A des Schneidrads 21 den anstehenden Boden/das anstehende Gestein lösen. Der Zentralantrieb 19 weist eine Druckausgleichseinrichtung 23 auf, die in Figur 6 dargestellt ist und nachfolgend erläutert wird.
  • Das Fördermittel der Bohrvorrichtung 10 umfasst eine Förderleistung 25, die aus einzelnen Rohrschüssen 40 gebildet ist, die über Flansche 44 miteinander verbunden sind. Die Förderleistung 25 ist hier als eine zentrale Leitung ausgeführt, die keine Rotationskräfte überträgt. Weiterhin überträgt die Förderleistung 25 auch keine Hubkräfte in Bezug auf die Bohrvorrichtung 10. Das Bohrklein 160 wird zusammen mit der im Bohrloch 100 befindlichen Flüssigkeit 110 von der Sohle 150 in den Ansaugkasten 20 in Pfeilrichtung C eingebracht und von dort in die Förderleistung 25 gesaugt. Die Förderung selbst in der Förderleistung 25 erfolgt durch eine Druckluftzufuhr in Pfeilrichtung E, die über eine Druckluftleitung 37 als Bestandteil der Versorgungsleitungen 26 im oberen Teil in die Förderleistung 25 eingebracht wird, wodurch die Dichte der Flüssigkeit 110 reduziert wird, sodass eine Bewegung in der Förderleitung 25 nach oben erfolgt. Dadurch wird das Gemisch aus Bohrklein 160 und Flüssigkeit 110 in der Förderleistung 25 in Pfeilrichtung D aus dem Bohrloch herausgefordert. Hierdurch wird eine Ansaugung in den an Saugkasten 20 in Pfeilrichtung C bewirkt.
  • Am oberen Ende der Förderleistung 25 ist ein Umlenkrohr 27 vorgesehen, mit dem das geförderte Gemisch der Aufbereitung 32 über eine Rohrleitung 35 zugeführt wird. In der Aufbereitung 32 wird das Bohrklein 160 von der Flüssigkeit 110 getrennt. Die Flüssigkeit 110 (Wasser oder Bento mit Suspension) wird dann in Pfeilrichtung A über eine Zuleitung 36 dem Bohrloch 100 wieder zugeführt.
  • Hier bevorzugt ist das Umlenkrohr 27 Bestandteil der Topbox 29.
  • Die Figuren 3 und 4a bis 4c zeigen unterschiedliche Anordnungen hinsichtlich der Verspannelemente 14, 15 der erfindungsgemäßen Vorrichtung in unterschiedlichen Ausführungsformen.
  • Der Hauptantrieb 12 ist über einen Antriebsstrang 30 mit dem Zentralantrieb 19 des Schneidrads 21 verbunden. Zum Ausgleich des über die Vorschubzylinder 18 und die Teleskopanordnung 17 einbringbaren Vorschubs des Schneidrads 21 gegenüber dem Maschinenrahmen 13 ist eine Teleskopantriebsstange 31 vorgesehen. Der Antriebsstrang 30 selber ist aus Antriebsstangen 41 gebildet, die untereinander über Verbindungselemente 42, hier bevorzugt dargestellt Maulkupplungen, miteinander verbunden sind.
  • Bevorzugt sind die Antriebsstangen über Führungselemente 43 mit den Rohrschüssen 40 verbunden. Die Führungselemente 43 weisen dabei Buchsen oder Lager 45 auf. Die Führungselemente 43 sind in den Figuren 7A und 7B an den Rohrschüssen 40 dargestellt. Weiterhin sind Führungselemente 46 mit Anschlüssen 47 für die Versorgungsleitungen 26 an den Rohrschüssen 40 vorgesehen.
  • Figur 5 zeigt den Zentralantrieb 19 im Detail. Ein Verbindungselement 42 des Antriebsstrang 30 greift dabei in ein Getriebe 47, bevorzugt ein Planetengetriebe, ein. Das Planetengetriebe 47 ist mit einem Zahnrad 48 verbunden, dass in ein Zentralzahnrad/Bull Gear 49 eingreift. Das Zentralzahnrad 49 sitzt auf einem Flansch 50, der mit dem Schneidrad 21 fest verbunden ist.
  • Durch Rotation des Antriebsstrangs 30 mit dem Hauptantrieb 12 wird mit dem Getriebe 47 die notwendige Drehzahl des Zahnrads 48 erzeugt, mit dem dann das Zentralzahnrad 49 gedreht wird, wodurch dann das Schneidrad 21 ebenfalls gedreht wird und die Disken Meißel 21A die Sohle 150 abbauen können.
  • Der Zentralantrieb 19 weist ein Gehäuse 52 auf, in dem sich das Zentralzahnrad 49 und das Zahnrad 48 befinden. Die Hohlräume 53 sind dabei mit Getriebeöl gefüllt. Der Flansch 50 ist gegenüber dem Gehäuse 52 über eine Dichtung 51 abgedichtet.
  • Zum Druckausgleich ist eine Druckausgleichseinrichtung 23 vorgesehen. Diese umfasst ein Gehäuse 54 das auf der einen Seite eine Öffnung 55 hin zum Bohrloch 100 und auf der anderen Seite eine Öffnung 56 aufweist, die mit dem Hohlraum 53 des Gehäuses 52 verbunden ist. Als Trennung und gleichzeitig zum Druckausgleich ist im Gehäuse 54 ein Zylinder 57 vorgesehen, der im Gehäuse 54 beweglich ausgeführt ist. Hierdurch ist es möglich, die Dichtung 51 so minimal wie möglich auszuführen. Dieses hat Kostenvorteile.
  • Figur 8A zeigt die Bohrvorrichtung 10 mit eingefahrenem Schneidrad 21 auf einem ersten Niveau 151 der Sohle 150 zu Beginn eines Bohrzyklus.
  • Figur 8B zeigt das Ende des Bohrzyklus, bei dem die Bohrsohle 150 auf das Niveau 152 abgebohrt wurde durch das Schneidrad 21.
  • Figur 8C zeigt die Bohrvorrichtung mit eingefahrenem Schneidrad 21 und eingefahrenen Verspannelementen 14, 15, sodass die Bohrvorrichtung 10 über das Litzenhubsystem 16 im Bohrloch 100 vertikal bewegbar ist. Dieser Zustand, der in Figur 8C dargestellt ist, tritt ein, wenn die Bohrvorrichtung 10 aus dem Bohrloch 100 entfernt oder wieder eingebracht wird.
  • Zum Absenken der Bohrvorrichtung 10 zum Durchführen eines weiteren Bohrzyklus werden die Verspannelemente 14, 15 leicht gelöst und die Litzenhubeinrichtung 11 senkt das Maschinenrohr 13 gegenüber dem Schneidrad 21 ab, sodass die Teleskopanordnung 17 wieder einfährt. Beim Absenken des Maschinenrahmens 13 wird dieser auch durch die Teleskopanordnung 17 geführt.
  • Dabei kann wenigstens durch die oberen verspannen Elemente 15 eine Führung der Bohrvorrichtung zusätzlich erfolgen. Ist die Teleskopanordnung 17 wieder eingefahren, wird die Bohrvorrichtung 10 durch Ausfahren der beweglichen Elemente 14A, 15A über die Verspannzylinder/Vorschubzylinder 18A wieder gegenüber der Bohrlochwand 140 final verspannt.
  • Vor dem Verspannen erfolgt eine Überprüfung, ob die Bohrvorrichtung 10 horizontal bzw. in Bohrrichtung ausgerichtet ist. Ist dieses der Fall wird die Verspannung über das Ausfahren der Vorschubzylinder 18 A abgeschlossen. Ist dieses nicht der Fall, müssen die abweichenden Litzen 16 durch Neuausrichtung der Hubzylinder 11B des Hublitzensystems 11 weiter ein- oder ausgefahren werden, bis die gewünschte Ausrichtung erreicht ist.
  • Die Figuren 9A bis 9F zeigen den Einbauzyklus der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung 10.
  • Zu Beginn wird das Bohrloch 100 beispielsweise mittels eines Baggers vorbereitet und das Fundament 34 wird angebracht. Auf dem Fundament 34 wird ein Auffahrrahmen 33 errichtet. In diesem Auffahrrahmen 33 und dem Bohrloch 100 wird die fertig montierte Bohrvorrichtung 10 eingebracht und mit Wasser/Bentonitsuspension 110 gefüllt.
  • Die Bohrvorrichtung 10 kann durch das eigene Gewicht durch Betätigung des Schneidrads 21 in den Boden eingefahren werden. (Figur 9B).
  • Anschließend wird der Auffahrrahmen 33 entfernt und das Hublitzensystem 11 installiert (Figur 9c). Zu diesem Zeitpunkt ist die Bohrvorrichtung 10 vollständig installiert und kann die Bohrung durchführen.
  • Figuren 9D bis 9F zeigen die Situation, dass die Bohrvorrichtung 10 soweit abgebohrt ist, dass die Förderleistung 25 und der Antriebsstrang 30 verlängert werden müssen.
  • Dafür wird mit einem Portalkran 28 die Topbox 29 entfernt und es wird ein neuer Rohrschuss 40 montiert. Dieser wird über die Flansche 44 mit dem bereits darunter befindlichen Rohrschuss 40 verbunden. Weiterhin greifen die Verbindungselemente 42 der einzelnen Antriebsstangen 41 ineinander.
  • Ist die Montage des nächsten Rohrschusses 40 abgeschlossen, wird wieder die Topbox 29 (Figur 9F) montiert. Anschließend kann das Bohren fortgesetzt werden.

Claims (12)

  1. Vorrichtung (10) zum Abteufen einer vertikalen Bohrung (100), insbesondere ein Schacht, eine Gewinnungsbohrung in einem Lagerstättenkörper, oder eine Fundamentbohrung im Boden, mit wenigstens einem Abbauwerkzeug (21) zum Abbau von Material an einer Sohle (150) der Bohrung (100), mit wenigstens einem im Wirkbereich des wenigstens einen Abbauwerkzeugs (21) angeordneten Fördermittel zum Abfördern von an der Sohle (150) abgebautem Material (160) aus der Bohrung (100) heraus, mit einem Maschinenrahmen (13), an dem wenigstens zwei Verspannelemente (14, 15) zum Arretieren der Vorrichtung in der Bohrung (100) während des Bohrens angeordnet sind, mit wenigstens einem Mittel zum vertikalen Anheben und Absenken des Maschinenrahmens (13)in der Bohrung (100) und mit wenigstens einem Antrieb (12) zur Rotation des Abbauwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Mittel zum vertikalen Anheben und Absenken des Maschinenrahmens (13) in der Bohrung um ein Litzenhubsystem (11) mit wenigstens einer Hubeinheit mit wenigstens einem Zylinder (11b) und wenigstens einer Litze (16) ober einem Litzenbündel pro Hubeinheit, die/das mit dem Maschinenrahmen (13) verbunden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubeinheit wenigstens eine Litzenarretierung aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Maschinenrahmen (13) wenigstens eine Befestigung (16a) pro Litze/ Litzenbündel (16) vorgesehen ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (100) mit Wasser oder eine Bentonitsuspension (110) gefüllt ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Fördermittel zum Abfördern von an der Sohle abgebautem Material aus der Bohrung heraus eine vertikale Förderleitung (25) aufweist, dass die Förderleitung (25) aus Rohrschüssen (40) aufgebaut ist, so dass die Förderleitung (25) sukzessive verlängerbar bzw. einkürzbar ist, dass wenigstens ein Rohrschuss (40) wenigstens ein Führungselement (43) aufweist, wobei das wenigsten eine Führungselement (43) ein Element (41) eines Antriebstrangs (30) führt, und/oder dass wenigstens ein Rohrschuss wenigstens ein Führungselement (46) für eine Versorgungsleitung (26) aufweist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Antrieb (12) übertage eine Antriebseinheit aufweist, die mit einem Antriebselement (19) des Abbauwerkzeugs (21) verbunden ist, und dass die Verbindung über ein Getriebe (47) erfolgt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit über wenigstens einen Antriebsstrang mit dem Antriebselement (49) des Abbauwerkzeugs (21) verbunden ist, dass der Antriebstrang (30) aus einzelnen Stangen oder Rohrelementen (41) zusammengesetzt ist, und dass die einzelnen Stangen oder Rohrelemente (41) über Verbindungselementen (42) miteinander lösbar verbunden sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stangen/Rohrelemente (41) an den Rohrschüssen (40) über Führungselemente (43) geführt sind, , die an den Rohrschüssen (40) vorgesehen sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Stange teleskopierbar ist, um den Bohrhub des Abbauwerkzeugs (21) zu ermöglichen.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Antrieb ein hydraulischer oder elektrischer Antrieb oder eine Kombination davon ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb auf dem Maschinenrahmen (31) angeordnet ist, dass der Antrieb in einem mit Luft gefüllten Raum angeordnet ist, und dass in dem Raum gegenüber dem mit Flüssigkeit (110) gefüllten Bohrloch (100) ein Überdruck besteht.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum nach unten zur Sohle (150) hin eine Öffnung (56) aufweist, aus der Luft aus dem Raum entweichen kann, und die Luft dem Raum mit Überdruck von Übertage zuführbar ist.
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