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Schwingendes Bohrverfahren Beim schlagenden sowie beim drehenden Bohren
von Löchern in das Erdreich erzeugt das Bohr-,verkzeug immer einen Lochdurchmesser,
der bedeutend größer ist als das Bohrgestänge, das den Bohrer antreibt. Wenn das
Bohrloch nicht standfest bleibt, wird eine Schutzverrohrung eingebaut. Mit dieser
bohrt man in der Regel aber nicht, sie übernimmt vielmehr nur die Sicherung des
Bohrloches gegen Einstürzen, auch wenn sie dem Bohrfortschritt folgend ständig nachgeführt
wird wie beim sogenannten »Trockenbohren« im Lockergebirge.
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Beim He:rizontalbohren in sandigem Gebirge sind i Verfahren bekanntgeworden,
bei denen mit einer Rohrfahrt selbst in direkter Berührung mit dem Gebirge gebohrt
wird, und zwar durch Hin-und Herbewegen in Bohrrichtung mittels hydraulischer Pressen,
die durch ihre großen Kräfte imstande sind, die sehr großen Reibungswiderstände
zwischen Gebirge und Rohr zu überwinden. Die Reichweite ist dabei wegen der zu großen
Reibungswiderstände begrenzt.
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Die Erfindung umfaßt ein Bohrverfahren, bei dem ein Bohrgestänge,
das zugleich Schutzrohrfahrt ist, die Bohrarbeit übernimmt, indem es im Bohrloch
auf der Bohrlochwand zum Abrollen gebracht wird. Die Mittel, um dieses zu erreichen,
sind zum Teil die gleichen wie die in dem deutschen Patent 858 532, welches
ein Verfahren zum Lösen fest gewordener Rohre durch Schwingungen behandelt. Nach
diesem Patent werden die Rohre an den fest gewordenen Stellen örtlichen periodischen
Querkräften zur Erzeugung von Querschwingungen unterworfen, und zwar durch eine
um eine Längsachse drehbare Masse, die durch einen Antrieb an beliebiger Stelle
der Rohre in Umdrehung versetzt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr das bekannte Verfahren zum Niederbringen
von Tiefbohrlöchern
angewandt, indem das im wenig größeren Bohrloch
abrollende Bohrrohr, das zugleich Schutzrohr .ist, durch schnell umlaufende,, quer
zur Längsachse gerichtete Fliehkräfte oder durch umlaufende elastische Verbiegung
oder durch Gelenke ermöglichte umlaufende Ausknickung angetrieben wird.
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Beim Abrollen dreht sich das Bohrrohr dabei auch langsam und entgegengesetzt
zur Fliehkraft-oder Durchbiegungsumlaufrichtung um die eigene Längsachse, es erhält
also einen Drehantrieb unmittelbar im Bohrloch selbst und nicht von übertage wie
beim bekannten Drehbohrer. Der Reihungswiderstand zwischen Außenwand des Gestängerohres
und Gebirge in Bohrrichtung wird dabei praktisch gänzlich ausgeschaltet, so daß
das Eigengewicht beim Vertikalbohrer oder die Vordrückkraft beim Horizontalbohrer
gänzlich auf die Bohrlochsohle gelangt und ausschließlich :dem Bohrfortschritt zugute
kommt. Es ist aus der Lehre vom Reibungswiderstand bekannt, daß dieser der Bewegungsrichtung
immer genau entgegengesetzt gerichtet ist. Beim Verschieben eines Gewichtes auf
einer reibenden Unterlage mniß die Verschiebekraft mindestens so groß sein wie Reibungsziffer
mal Gewicht (oder Andruckkraft), sonst erfolgt keine Bewegung. Ist sie das, bewegt
sich das Gewicht also, so genügt die kleinste Kraft in Querrichtung, dazu auch eine
Bewegungskomponente in Querrichtung zu. erzeugen. Für diese quer gerichtete Bewegung
ist also keineswegs eine Mindestkraft erforderlich, jede noch so kleine Querkraft
erzeugt auch eine Bewegung. Die Reibungsziffer in: Querrichtung ist also praktisch
o.
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Beim gewöhnlichen rotierenden Hineinbohren eines Gestängerohres in
das Erdreich bei urmittel= barer Berührung mit diesem wird diese Gesetzmäßigkeit
zwar auch wirksam, jedoch wird der Reihungswiderstand, der beim Rotieren zu überwinden
ist, alsbald viel zu groß, um damit nennenswerte Teufen zu erreichen. Nach der Erfindung
jedoch ist nur der Rollwiderstand zu überwinden, der sehr viel kleiner ist, während
dabei doch auch kleine Gleitbewegungen stattfinden, so daß die oben geschilderte
Gesetzmäßigkeit ebenfalls. wirksam wird. Außerdem wird nach der Erfindung das Gebirge
auch umlaufend etwas zur Seite gedrückt und verfestigt, so :daß schon aus diesem
Grunde das Gestängerohr immer im Bohrloch locker bleibt.
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Das Bohrverfahren nach der Erfindung hat den Vorteil gegenüber anderen
Verfahren"daß nur eine einzige dünne Rohrfahrt (Hohlgestänge) benötigt wird, um
immer ein bis zur Sohle verrohrtes Bohrloch: zu erhalten, wobei die Rohre aber nicht
fest werden können, und auch nach langen Unterbrechungen diese sofort mit dem Innengestänge
wiedergelöst werden können, entweder zum Weiterbohrer oder zum Ziehen des Hohlgestänges.
Mittels dieses Verfahrens kann nun auch in nicht standfestem Gebirge vorteilhaft
horizontal mit großer Reichweite und kleinem Durchmesser gebohrt werden, weil die
Reihungswiderstände in Längsrichtung ausgeschaltet werden und das Gestängerohr nicht
fest wird. Die Erfindung kante auf die verschiedensten Arten verwirklicht werden
und ist in weiten Bereichen der Bohrtechnik mit großem Nutzen anwendbar. An verschiedenen
Ausführungsformen seien die Verfahren näher erläutert.
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In Fig. i ist i das unten zugespitzte ;geschlossene Hohlgestänge (oder
Bohrrohr). Darin befindet sich ein an :der Zylinderfläche magnetisches Innengestänge
2, welches sieh an die Innenwand des Rohres i angelegt hat und daran haftet, aber
abrollen kann. Durch Verdrehen der Stange 2 über eine Kreu-zgelenkverbindung 3 vermittels
Motor 4 rollt die Stange 2 auf der Innenwand des Hohlgestänges i ab. Die Umlaufgeschwindigkeit
beträgt das fache der Drehzahl des Motors 4 und ist seiner
Drehrichtung entgegengesetzt gerichtet. Das Rohr i selbst rollt durch die umlaufende
Fliehkraft des Gestänges. :2 auch im umgebenden Gebirge ab und rotiert dabei, auch
langsam: um die eigene Achse, mit einer Drehzahl, die von dl und s1 abhängt, also
auch von der Zusammendrückharkeit des Gebirges. Die Rotationen des Motors ¢ :und
des Rohres i sind gleichgerichtet. Durch die Umlaufbewegung des Rohres i wühlt sich
die Spitze ins Erdreich ein, und es sinkt runter Wirkung seines Gewichts oder einer
zusätzlichen Gewichtsbelastung weiter ab. Dabei wird! das Magnetgestänge mit Antriebsmotor
nachfolgend mit herabgelassen. Das Gebirge wird, wie beim Rammen, nur verdrängt,
aber durch die rüttelnde Bewegung wird die natürliche Lagerungsdichte vergrößert
und dadurch Raum geschaffen. Die zum Verdrängen notwendigen Kräfte sind deshalb
bedeutend kleiner als beim Rammen. Außerdem ist diese rüttelnde Bodenverdichtung
bei Gründungsarbeiten von größter Bedeutung.
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In dieser Form ist das Verfahren besonders vorteilhaft für Pfahlgründungsarbeiten.
Dazu wird z. B. :die untere Spitze des Rohres i nur lose aufgesetzt, wie Fig. 2
zeigt. Nachdem das Rohr i seine Endteufe erreicht hat, wird das Innengestänge 2
gezogen, und nun kann ein fertiger Betonpfahl in ersteres eingesetzt werden, oder
es wird; flüssiger Beton; eingefüllt und, falls erwünscht, vorher noch eine fertige
Eisendrahtarmierung eingebracht. Schließlich wird Rohr i herausgezogen. Die lose
Spitze nach Fig. 2 verbleibt in der Erde. In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel
des Verfahrens mit schrittweiser Kernprobengewinnung dargestellt. Das Rann i ist
dabei unten offen und hat einen inneren Absatz. Das Innengestänge :z trägt an einer
Kreuzgelenkverbindung oder nachgiebiger Stange 6 ein Kernaufnahmerohr 5. Dieses
füllt sich beim Einschwingen des Rohres i und kann mit dem Innengestänge :2 zusammen
gezogen werden. Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das Kernaufnahmerohr
5 nur nachgiebig mit :dem Innengestänge 2 verbunden ist und dem Hohlgestänge i vorausbohrt.
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Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für fortlaufende Förderung des
Bohrkleins. beim Bohrcri nach der Erfindung. Dabei ist das Innengestänge 2
hohl
und ragt mit seinem elastisch nachgiebigen Oberteil durch eine Stopfbuchse 7. Bei
8 wird Druckluft oder Flüssigkeit eingepreßt, diese fließt durch den; (umlaufenden)
sichelförmigen Spalt zwischen Innengestänge 2 und Hohlgestänge i nach unten und
dann durch die Bohrung des Innengestänges 2 wieder zutage und reißt dabei ständig
das durch die Bohrkrone g hindurchtretende Bohrklein mit zutage. Es kann mit Luftzufuhr
bei 8 auch nach dem bekannten Prinzip des Mischluftwasserhebers gespült werden.
Das `'Wasser wird aber dann nur dem Grundwasser entnommen: und dem Bohrloch nicht
etwa wieder zugeführt. Man erhält also immer nur das unvermischte Grundwasser an,
der Bohrkrone, und man kann, seine Brauchbarkeit sogleich richtig beurteilen. Zum
Bohren wird aber kein Wasser gebraucht, was in wasserarmen. Ländern von ausschlaggebender
Bedeutung ist. Bei der Wassersuche zeigt sich vorhandenes Wasser beim Bohren von
selbst an, indem es ausfließt. Durch Überschieben eines geschlitzten Filterrohres
über das Rohr i kann, nach der Erfinr dung eine Wassersuchbohrung in einem Arbeitsgang
zum Fördern eingerichtet werden. Die natürliche Graupelbettbildung um das Filterrohr,
herum wird durch die Rüttelbewegung wirksam unterstützt. Ist Wasser in: genügender
Menge und Güte angetroffen und zeigt sich an dem Bohrgut, da.ß die wasserführende
Schicht genügend großes Korn führt, um ein natürliches Graupelbett zu bilden, so.
wird das Rohr i mit dem Innengestänge rüttelnd und wasserfördernd aus dem Filterrohr,
das im Bohrloch verbleibt, herausgezogen. Es kann dann eine Pumpe eingebaut werden.
Ergeben, sich keine zufrieden stellende Verhältnisse, so wird das Filterrohr sogleich
rüttelnd mit herausgezogen und geht nicht verloren:.
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Das vorherige Überschieben eines Filterrohres kann auch beim Horizontalbohren
in gleicher Weise erfolgen wie beim Vertikalbohren., so, d.aß z. B. Sandkippen und
Böschungen im Braunkohlentagebau durch Horizontalbohrungen nach der Erfindung entwässert
und standfest gemacht werden. können. An Stelle eines Filterrohres kann dabei auch
eine dicht gewickelte Schraubenfeder über das sich im Bohrloch abrollende Rohr i
geschoben werden. Beim Bohren. wird diese an ihrem hinteren Ende mit vorgedrückt,
sie bleibt also dicht. Ist die beabsichtigte Bohrlänge erreicht, so wird sie während
eines kurzen. Bohrmarsches hinten nicht mehr mit vorgedrückt, sondern nur noch vorn,
sie öffnet sich durch die Rüttelbewegung gleichmäßig, und der dadurch entstehende
schraubenförmige Spalt bildet den Filterschlitz mit beliebig einstellbarer Weite.
Das zwischen die Windungen tretende Gebirgskorn hindert die Feder daran, daß sie
sich wieder zusammenzieht und schließt.
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Fig. 6 zeigt eine Ausführung eines nicht magnetischen Innengestänges
zum Erzeugen der umlaufenden Querkräfte. Auf das Innengestänge 2 sind drehbare Übertragungsrollen
1o in Abständen. angebracht. Zwischen diesen. sind die Exzentergewichte 1i alle
nach einer Richtung in Form von übergeschobenen:, halb ausgeschnittenen Rohrstücken.
befestigt. Die Rollen 1o übertragen die bei der Ro:-tatio@n des Innengestänges 2
entstehenden Fliehkräfte auf das Hohlgestänge i. Eine Übersetzung ins Schnelle wie
beim magnetischen Abrollinnengestänge findet dabei nicht statt, und Rotations-und
Ouerkraftumlaufrichtung sind gleichgerichtet.
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Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform zur Erzeugung der umlaufenden
Querkräfte. In, dem Hohlgestänge i ist auf größerer Länge eine mit einem Kunststoffmantel
1:2 fest umpreßte exzentrische Stange oder Hohlstange 2 leicht drehbar eingebracht.
Die ganze exzentrische Kunststoffummantelung 12 rotiert also im Hohlgestänge i und
ist zugleich kraftübertragende Gleitlagerung.
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In festem Gebirge ist es nicht notwendig, das ganze Hohlgestänge i
dein, umlaufenden. Querkräften, auszusetzen, da die Bohrlochwandung nicht verfestigt
zu werden braucht. Es genügt, den unteren oder vorderen Teil des Bohrrohres allein
entsprechend auszubilden.
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Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel. In dem unteren (vorderen) verdickten
Teil des Hohlgestänges i ist ein mehr oder weniger langgestrecktes exzentrisches
Gewicht 2 in Kugellagern 3 gelagert. Es erhält seinen Rotationsantrieb: über ein
dem Bedarf angepaßtes langes zentrisches Gestänge von, einer schnell laufenden,
Maschine (Preßluftturbine, hochtouriger Elektromotor). Die flache Stirnseite 4.
kann mit Hartmetallspitzen., Schneiden oder Diamanten. besetzt werden. Durch Bohrunge#n
5 kann Spülwasser oder Luft der Bohrlochsohle zugeführt werden, das bzw. die entweder
durch das Hohlgestänge i oder durch das ebenfalls hohle Antriebsgestänge- über einen
Spülkopf in bekannter Weise zugeführt wird. Der Vorteil bei dieser Form der Erfindung
liegt einmal darin., daß hochtourige leichte Antriebsmaschinen ohne Getriebe verwendet
werden können., denn die Übersetzung ins La.ngsame erfolgt durch das Abrollen im
Gebirge- von selbst, und: weiter darin, daß alle Punkte der bohrenden Stirnfläche
q. die gleiche Geschwindigkeit haben, also sich gleichmäßig abnutzen. Beim normalen
Drehbohren ist die Geschwindigkeit im Zentrum Null und am Außenumfang groß, wodurca
sich die Bohrerschneide außen schneller abnutzt. In gleicher Weise können auch im
harten. Gebirge Kerne erbohrt werden, in dem vor der Stirnfläche 1. ein entsprechend
gezahntes Kernrohr angebracht wird.
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Die Erfindung ist in der Form der Fig. 8 auch in Metall, Holz us-,v.
anwendbar, z. B. auch zum Aufbördeln und Räumen. Die "#,bwälzbe,#vegung einer Hohlstange
in einem Bohrloch kann nach der Erfindung auch dadurch erzielt werden, daß diese
Stange elastisch durchgebogen oder nach Anbringen eines Gelenkelementes etwas geknickt,
die Durchbiege:- oder Knickrichtung aber schnell zum Umlaufen gebracht wird.
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Fig. g und 1o zeigen hiervon beispielsweise Ausführungen.
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In Fig. g sind auf einer möglichst starren, rotierend angetriebenen
Stange :2 drei exzentrische
Lagerrollen 3 fest angebracht, so@ daß
diese einen. verbiegenden Zwang auf das sich im Bohrloch abwälzende Rohr i ausüben.
Die Stange 2 biegt sich dabei selbst durch, das ist indessen nicht wichtig und deshalb
nicht gezeichnet. Durch die umlaufende Durchbiegung wälzt sich Rohr i auf der Bohrlochwand
ab und verdreht sich dabei auch langsam um seine Längsachse. Die Wirkung ist die
gleiche wie beim Fliehkraftmassenantrieb, die Kräfte sind aber nicht wie bei diesem
von der Antriebsdrehzahl abhängig, die Durchbegung wird nur von den Ab-
messungen
bestimmt, nicht von der Drehzahl. Bei dieser Ausführung der Erfindung können also
auch kleinere Antriebsdrehzahlen zur Anwendung kommen.
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In dieser Form kann. die Erfindung auch in sehr einfacher Weise verwirklicht
werden, indem eine krumme Stange in das abrollende Hohlgestänge eingeführt und rotierend
angetrieben wird (Fig. io). Die krumme Stange verbiegt das umgehende Hohlgestänge
umlaufend elastisch. Auch das Hohlgestänge selbst kann dabei gebogen sein. Stimmen
beide Krümmungen in der Lage überein, so ist die größte Durchbiegung vorhanden,
ist das rotierend angetriebene Innengestänge mit seiner Krümmung aber gerade entgegengesetzt
gerichtet, so! können sie beide zusammen etwa gerade sein. Das abrollende Hohlgestänge
wird dann in schneller Folge abwechselnd krumm und gerade. Die elastische Durchbiegung
läuft auch schnell um, sie ist aber in der Richtung der Krümmung des Abrollgestänges
größer als senkrecht zu dieser Richtung. Je nach gewählter Krümmung von Innen- und
Außen gestänge und der Flächenträgheitsmomente können die verschiedensten Varianten
erzielt werden. Auch kann das Innengestänge ebenfalls hohl sein, und auch außen
mit Längsriefen versehen sein, wenn beim Bohren gespült werden soll (genau wie an
dem Beispiel nach Fig. 5 beschrieben). Ein langer Gestängestrang, der aus einzelnen
solcher gekrümmter Stücke zusammengeschraubt ist, führt also eine umlaufend schlängelnde
Bewegung aus und rollt dabei langsam rotierend an dem umgebenden Gebirge ab. Der
lange Gestängestrang kann außen mit einer schraubenförmig verlaufenden Rippe versehen
sein, wodurch sich der Gestängestrang von selbst in Bohrrichtung vorzieht. Beim
Horizontalbohnen zieht sich das bohrend abrollende Gestänge dann von selbst weiter
in. das Bohrloch hinein und braucht nicht .oder nur wenig am hinteren Ende vorgedrückt
zu werden. Diese Ausführung hat den Vorteil, sehr einfach zu sein. Die Schmierung
des Innengestänges im Außengestänge ist sehr einfach, in. dem von, Zeit zu Zeit
Fett oder fortlaufend öl durch den langen Lagerspalt hindurchgedrückt wird.
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Fig. i i zeigt eine Ausführung der Erfindung, bei der das Kernrohr
5 zusammen, mit dem Abwälzrohr i gelenkig zum umlaufenden Ausknicken gebracht wird.
Die rotierend angetriebene Stange 2 ist durch eine zentrische Rolle 3 im Abwälzrohr
r geführt und unterhalb dieser gekröpft. Das allseitig bewegliche und drehfreie
Kugelgelenk 4 überträgt die umlaufende Ausknickung auf den Hals der Schappe 5. Durch
das umlaufende Ausknicken wälzt sich sowohl das Rohr i als auch die Schappe 5 auf
der Bohrlochwand ab" und beide führen deshalb auch eine langsame Drehbewegung um
die Längsachse aus.
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Die Erfindung ist auch geeignet, den Bohrantrieb in das Bohrloch vor
Ort zu legen und die zum Bohren: erforderliche Energie in elektrischer Form oder
in Form von Druckluft oder Flüssigkeit durch Kabel oder Schlauch zuzuführen, auch
beim Horizontalbohnen.
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Fig. 12 zeigt davon eine Ausführung.
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In einem Rohrgehäuse i ist 2 ein schnell laufender Motor, der eine
exzentrische Masse 3 antreibt. Durch die Fliehkraft wälzt sich das Gehäuserohr i
mit dem fest damit verbundenen Kernrohr 5 auf der Bohrlo-chwan;d ab und dreht sich
dadurch langsam um die Längsachse. Durch schraubenförmige Rippen auf der Gehäuseaußenwand
zieht sich das selbstbohrende Gerät in Bohrrichtung vor, ohne daß es geschoben,
wird.
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Es kann den Schlauch oder das Kabel hinter sich herziehen. Der Kabel-
oder Schlauchauschluß erfolgt über einen. Wirbel q., damit diese nicht unzulässig
verdrillt werden.
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Die Erfindung ist mit den dargestellten Ausführungsformen keineswegs
erschöpft.
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In ihren Verwirklichungsmöglichkeiten, ist sie außerordentlich vielgestaltig
und erweist sich dadurch sehr vorteilhaft, daß der Antrieb mit großer Drehzahl erfolgen
kann, die Übersetzung ins Langsame und die Erzeugung großer Drehmomente im Bohrloch
selbst vor sich geht, hierzu also. keinerlei besonders kräftige Übertragungselemente
erforderlich-sind, daß das Bohrzeug nicht fest werden kann, weil die Reibung ausgeschaltet
wird, daß ein immer vollständig geschütztes Bohrloch entsteht, daß mit vergleichsweise
kleinstem Durchmesser von, Anfang bis Ende gebohrt werden kann., daß durch die Rüttelbewegung
im Lockengebirge die Lagerungsdichte vergrößert wird und leicht Verdrängung erfolgen
kann und daß trockenes und feuchtes Gebirge und Wasser gleich gut nur mit Luft herausgespült
werden können und daß der Filtereinbau mit dem Bohren in einem Arbeitsgang vorgenommen
werden, kann.
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Obwohl die Ausführungsformen der Erfindung sehr unterschiedlich sind,
liegen ihnen; doch immer der gleiche Gedanke zugrunde, nämlich der, daß das Bohrgestänge
ganz oder teilweise oder ein selbstbohrendes Gerät umlaufend quer gegen die Bohrlochwand
gedrückt und auf ihr zum Abrollen gebracht wird.