EP0189024A1 - Bohrkrone - Google Patents

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EP0189024A1
EP0189024A1 EP85890311A EP85890311A EP0189024A1 EP 0189024 A1 EP0189024 A1 EP 0189024A1 EP 85890311 A EP85890311 A EP 85890311A EP 85890311 A EP85890311 A EP 85890311A EP 0189024 A1 EP0189024 A1 EP 0189024A1
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EP
European Patent Office
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drill bit
nozzles
bit according
nozzle
cutting insert
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Ceased
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EP85890311A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt Dipl.-Ing. Hölzl
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Vereinigte Edelstahlwerke AG
Original Assignee
Vereinigte Edelstahlwerke AG
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E21B10/58—Chisel-type inserts
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E21B10/56—Button-type inserts
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/60—Drill bits characterised by conduits or nozzles for drilling fluids

Definitions

  • the invention relates to a drill bit for liquid-assisted, in particular rotating drilling in rock, coal or the like.
  • Liquid jet, especially water jet assisted drilling in rock is generally a purely rotating drilling, although hammer drilling is also conceivable in certain cases.
  • the water jet hits the rock at a pressure of between 1200 and 2400 bar, the rock, coal or other material to be drilled first being loosened by a cutting insert, for example made of hard metal. This loosening creates the finest hairline cracks, into which the liquid jets enter, so that the rock is additionally removed by the water jet, which goes beyond the rinsing and discharge of the small, which has been known for ages.
  • the present invention has set itself the goal of creating a drill bit in which the liquid jet is used much more efficiently than before, whereby less wear on the drill bits, in particular the cutting inserts, is to be ensured with the same drilling step, while at the same time also ensuring a faster drilling step can be.
  • the nozzle for the liquid jet is arranged in relation to the direction of rotation between the flushing channel and the cutting edge, the liquid jet is used in the rock before the cutting edge, so that the finest e.g. microcracks corresponding to the texture of the rock are generated, after which these rock fragments are mechanically extracted or broken out by the subsequent cutting edge, so that, in contrast to the arrangement known to date, the drilling energy is used less for crushing the rock than for breaking out rocks from the borehole .
  • the nozzles have different radial distance according to a further feature of the invention, it is possible for example in the nature tl cozy appropriate inclination of the nozzles of the bottom of the Borehole are evenly impacted by the liquid jets.
  • a particularly good guidance of the drill bit results when the nozzle closest to the axis of the drill bit is arranged with its outlet channel parallel to the axis or inclined inwards, since in this case a cylinder or a cone inclined to the axis is cut out of the rock, as a result of which the high guidance of the drill bit is given.
  • a particularly effective diameter of the outlet channel for the nozzle is given if it is between 0.3 and 0.6 mm.
  • a particularly simple embodiment of the drill bit which at the same time allows a high variation in the inclination of the liquid jet, is provided if the nozzles are arranged in essentially cylindrical recesses which open on the surface of the base body and each have a seat for one nozzle , and optionally held in this via a threaded bush.
  • two hard metal cutting inserts which extend to or over the outer circumference of the base body of the drill bit, and preferably have a greater thickness in the area close to the axis than in the area close to the axis, then a design which takes account of the stresses in particular is selected which has a correspondingly high level Has lifespan.
  • pin-shaped cutting inserts preferably with a wedge shape in the cutting direction with different radial spacing and nozzles with different radial spacing, wherein nozzles and cutting inserts preferably have different radial spacings, a particularly favorable arrangement of both the cutting arrangement and the nozzles is ensured, with a real synergistic effect between cutting inserts and nozzles can be reached.
  • a particularly advantageous embodiment of the flushing channels is achieved by cheek-shaped recesses in the base body of the drill bit tapering to the drill pipe.
  • a particularly low pressure drop in the liquid is achieved in that a central liquid supply is provided in the drill bit, which ends in feed lines to the individual nozzles.
  • FIG. 1, 2 and 3 show a drill bit in a view from above and in a side view
  • FIG. 4 shows the attachment of a nozzle in the base body of the drill bit.
  • the base body 1 shown in FIG. 1 has a diameter that widens towards the base of the drill.
  • the rinsing channels 6, 7 partially adjoin the cutting inserts, but are essentially provided in front of the nozzles arranged in front of the cutting inserts.
  • a nozzle 8 close to the axis is provided, which cuts a cone out of the rock, the tip of which is arranged in front of the drill bit in the drilling direction.
  • the outlet of the nozzles opens below the contour of the base body and in all other drill bits shown in the following figures.
  • the cutting inserts 2, 3 have a greater thickness in their region 2a, 3a close to the circumference than in their region 2b, 3b close to the axis.
  • the cutting insert 2 extends beyond the axis 9 of the drill bit.
  • a central liquid supply 10 is provided, which opens into individual feed lines 11 (only one shown) to the individual nozzles, for example 12.
  • the drill bit shown in FIG. 2 essentially corresponds to the drill bit according to FIG. 1, the two cutting inserts 13, 14, which are designed in accordance with the cutting inserts according to FIG. 1, both extending over the axis 9 of the drill bit. Furthermore, the nozzles 15, 16, 17, 18 and 19 are partially arranged differently than in FIG. 1, the radial distance being particularly clearly evident.
  • pin-shaped cutting inserts 21 are provided which have different radial spacings and have a wedge-shaped shape in the direction of rotation a.
  • the rinsing channels 22, 23, 24 and 25 are formed by lateral cheek-shaped recesses in the base body.
  • the nozzles 26, 27, 28 and 29 have different distance from the axis 9 of the drill bit, which distances are simultaneously different from the radial distances of the pin-shaped cutting inserts, and the channels have a different inclination to the drilling axis.
  • a thread is provided in the cylindrical recess into which a threaded sleeve 32 can be screwed, which has a receiving body 33 for the Nozzle block 34 forms.
  • the inside diameter of the outlet channel 35 is between 0.3 and 0.6 mm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bohrkrone für flüssigkeitsunterstütztes, insbesondere drehendes Bohren in Gestein, Kohle od. dgl., mit einem Grundkörper (1), welcher zumindest zwei Schneideinsätze (2,3), vorzugsweise aus Hartmetall aufweist, von welchen zumindest einer, vorzugsweise zwei, die im wesentlichen einander diametral gegenüberliegen, bis zum äusseren Umfang des Grundkörpers (1) reich(en)(t) bzw. diesen überrag(en)(t), mit Düsen (4, 5) im radialen Erstreckungsbereich des/der Schneideinsätze(s), welche Düsen nicht in den direkten Eingriff mit dem zu bohrenden Material kommen, Zuleitungen (11) zu den Düsen für eine unter Druck von zumindest 700 bar stehende Flüssigkeit, und zumindest zwei Spülkanälen (6, 7) für das Bohrklein, wobei entgegen der Drehrichtung (a) gesehen, im wesentlichen unmittelbar vor zumindest einem Schneideinsatz (2, 3), welcher vorzugsweise bis zum Umfang des Grundkörpers (17 reicht, in dem bzw. vor dem, im wesentlichen radialen Erstreckungsbereich zumindest eine Düse (4, 5) angeordnet ist, wobei der Spülkanal (6, 7) höchstens teilweise an den Schneideinsatz anschliesst, bzw. zur Gänze vor der/den einem Schneideinsatz zugeordneten Düse(n) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Bohrkrone für flüssigkeitsunterstütztes, insbesondere drehendes Bohren in Gestein, Kohle od. dgl.
  • Das flüssigkeitsstrahl-,insbesondere wasserstrahlunterstützte Bohren in Gestein ist in der Regel ein rein drehendes Bohren, obwohl auch in bestimmten Fällen ein Schlagbohren denkbar ist. Der Wasserstrahl trifft hiebei mit einem Druck, der zwischen 1200 und 2400 bar liegt, auf das Gestein auf, wobei das Gestein, Kohle oder sonstiges zu bohrendes Material zuerst von einem Schneideinsatz, beispielsweise aus Hartmetall gelockert wird. Durch dieses Lockern entstehen feinste Haarrisse, in welche die Flüssigkeitsstrahlen eintreten, sodaß ein zusätzliches Abtragen des Gesteins durch den Wasserstrahl stattfindet, welches über das seit alters her bekannte Spülen und Austragen des Kleins hinausgeht. Durch die entgegen der Drehrichtung gesehen zu den Schneiden nachgeordneten Düsen wird jedoch die Möglichkeit des Wasserstrahls, daß dieser auch eine abtragende Wirkung aufweist, im wesentlichen vermieden, wobei durch diese Anordnung der Wasserstrahldüsen nach den Bohreinsätzen, im wesentlichen eine Einschränkung auf die Soülwirkung mit gleichzeitiger, wenn auch nur geringer, abtragender Wirkung eintritt. Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Bohrkrone zu schaffen, bei welcher der Flüssigkeitsstrahl wesentlich effizienter als bisher zum Einsatz kommt, wodurch eine geringere Abnützung der Bohrkronen, insbesondere der Schneideinsätze bei gleichem Bohrvorschritt gewährleistet sein soll, wobei gleichzeitig ein rascherer Bohrvorschritt ebenfalls gewährleistet sein kann.
  • Die erfindungsgemäße Bohrkrone für flüssigkeitsunterstütztes, insbesondere drehendes Bohren in Gestein, Kohle od. dgl. mit einem Grundkörper, welcher zumindest zwei Schneideinsätze, vorzugsweise aus Hartmetall aufweist, von welchen zumindest einer, vorzugsweise zwei, die im wesentlichen einander diametral gegenüberliegen, bis zum äußeren Umfang des Grundkörpers reich(en)(t) bzw. diesen überrag(en)(t), mit Düsen im radialen Erstreckungsbereich des/der Schneideinsätze, welche Düsen nicht in den direkten Eingriff mit dem zu bohrenden Material kommen, Zuleitungen zu den Düsen für eine unter Druck von zumindest 700 bar stehende Flüssigkeit und zumindest zwei Spülkanälenfür das Bohrklein, besteht im wesentlichen darin, daß entgegen der Drehrichtung gesehen, im wesentlichen unmittelbar vor zumindest einem Schneideinsatz, welcher vorzugsweise bis zum Umfang des Grundkörpers reicht, in dem bzw. vor dem im wesentlichen radialen Erstreckungsbereich desselben zumindest eine Düse angeordnet ist, wobei der Spülkanal höchstens teilweise an den Schneideinsatz anschließt bzw. zur Gänze vor der/den einem Schneideinsatz zugeordnete(n) Düse(n) angeordnet ist. Dadurch, daß,bezogen auf die Drehrichtung zwischen Spülkanal und Schneide, die Düse für den Flüssigkeitsstrahl angeordnet ist, kommt vor der Schneide der Flüssigkeitsstrahl im Gestein zum Einsatz, sodaß im Gestein feinste z.B. der Textur des Gesteins entsprechende Mikrorisse erzeugt werden, wonach durch die nachfolgende Schneide diese Gesteinsstücke mechanisch herausgelöst bzw. herausgebrochen werden, sodaß zum Unterschied von der bislang bekannten Anordnung die Bohrenergie weniger für die Zerkleinerung des Gesteins als für das Herausbrechen von Gesteinsbrocken aus dem Bohrloch eingesetzt wird.
  • Weisen die Düsen unterschiedlichen Radialabstand gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung auf, so kann bei z.B. im wesentlichen entsprechender Neigung der Düsen der Grund des Bohrloches gleichmäßig durch die Flüssigkeitsstrahlen beaufschlagt werden.
  • Eine besonders gute Führung der Bohrkrone ergibt sich dann, wenn die der Achse der Bohrkrone nächste Düse mit ihrem Austrittskanal achsparallel bzw. nach innen geneigt angeordnet ist, da in diesem Falle ein Zylinder bzw. ein zur Achse geneigter Kegel aus dem Gestein herausgeschnitten wird, wodurch die hohe Führung der Bohrkrone gegeben ist.
  • Ein besonders wirksamer Durchmesser des Austrittskanals für die Düse ist dann gegeben, wenn dieser zwischen 0,3 und 0,6 mm liegt.
  • Eine besonders einfache Ausführungsform der Bohrkrone, die gleichzeitig eine hohe Variation in der Neigung des Flüssigkeitstrahls erlaubt, ist dann gegeben, wenn die Düsen in im wesentlichen zylindrischen Ausnehmungen angeordnet sind, die an der Oberfläche des Grundkörpers münden, und einen Sitz jeweils für eine Düse aufweisen, und gegebenenfalls über eine Gewindebüchse in dieser gehalten sind.
  • Sind zwei Hartmetallschneideinsätze vorgesehen, welche bis zum bzw. über den äußeren Umfang des Grundkörpers der Bohrkrone reichen, und vorzugsweise im umfangnahen Bereich eine größere Dicke aufweisen, als im achsnahen Bereich, so ist eine besonders den Beanspruchungen Rechnung tragende Konstruktion gewählt, die eine entsprechend hohe Lebensdauer aufweist.
  • Reicht zumindest ein Schneideinsatz über das Zentrum der Bohrachse hinaus, so ist auch in diesem Bereich eine doppelte Wirkung sowohl von dem Flüssigkeitsstrahl als auch von der mechanischen Abbauwirkung erreichbar.
  • Sind stiftförmige Schneideinsätze, vorzugsweise mit Keilform in Schneidrichtung mit unterschiedlichem Radialabstand und Düsen mit unterschiedlichem Radialabstand vorgesehen, wobei vorzugsweise Düsen und Schneideinsätze unterschiedliche Radialabstände aufweisen, so ist eine besonders günstige Anordnung sowohl der Schneidanordnung als auch der Düsen gewährleistet, wobei ein echter synergistischer Effekt zwischen Schneideinsätzen und Düsen erreichbar ist.
  • Mündet zumindest die achsnächste Düse unterhalb der Kontur des Grundkörpers zum freien Austritt, so ist eine besonders günstige Strömung des Flüssigkeitsstrahls, der sodann als Spülmittel dient, gewährleistet.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Spülkanäle wird durch wangenförmige Ausnehmungen im Grundkörper der sich zum Bohrgestänge verjüngenden Bohrkrone erreicht. Ein besonders geringer Druckabfall der Flüssigkeit wird dadurch erreicht, daß eine zentrale Flüssigkeitszufuhr in der Bohrkrone vorgesehen ist, die in Zuleitungen zu den einzelnen Düsen mündet.
  • Im folgenden wir die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen die Fig. 1, 2 und 3 eine Bohrkrone in Ansicht von oben und in Seitenansicht, und Fig. 4 die Befestigung einer Düse im Grundkörper der Bohrkrone.
  • Der in Fig. 1 dargestellte Grundkörper 1 weist einen zum Bohrgrund hin sich verbreiternden Durchmesser auf. Es sind zwei im wesentlichen diametral gegenüber angeordnete Schneideinsätze 2 und 3, die schneidenförmig ausgeführt sind, vorgesehen, wobei in Drehrichtung, die durch den Pfeil a angegeben ist, vor den schneidenförmigen Schneideinsätzen aus Hartmetall Düsen 4, 5 für den Flüssigkeitsaustritt vorgesehen sind, die im wesentlichen unmittelbar vor einem Schneideinsatz, im wesentlichen in seinem radialen Erstreckungsbereich angeorndet sind. Die Spülkanäle 6, 7 schließen teilweise an die Schneideinsätze an, sind jedoch im wesentlichen vor den vor den Schneideinsätzen angeordneten Düsen vorgesehen. Weiters ist eine achsnahe Düse 8 vorgesehen, die einen Kegel aus dem Gestein ausschneidet, dessen Spitze in Bohrrichtung vor der Bohrkrone angeordnet ist. Der Austritt der Düsen mündet unterhalb der Kontur des Grundkörpers sowie in allen anderen in den nachfolgenden Figuren dargestellten Bohrkronen. Die Schneideinsätze 2, 3 weisen in ihrem umfangsnahen Bereich 2a, 3a eine größere Dicke als in ihrem achsnahen Bereich 2b, 3b auf. Der Schneideinsatz 2 reicht über die Achse 9 der Bohrkrone hinaus. Weiters ist eine zentrale Flüssigkeitszufuhr 10 vorgesehen, die in einzelne Zuleitungen 11 (lediglich eine dargestellt) zu den einzelnen Düsen z.B. 12 mündet.
  • Die in Fig. 2 dargestellte Bohrkrone entspricht im wesentlichen der Bohrkrone gemäß Fig. l, wobei die beiden Schneideinsätze 13, 14 , die entsprechend den Schneideinsätzen gemäß Fig. 1 ausgeführt sind, beide über die Achse 9 der Bohrkrone reichen. Weiters sind die Düsen 15, 16, 17, 18 und 19 teilweise anders als in Fig. 1 angeordnet, wobei besonders deutlich ersichtlich der radiale Abstand unterschiedlich ist.
  • Bei dem in Fig. 3 dargestellten Grundkörper 1 einer Bohrkrone sind stiftförmige Schneideinsätze 21 vorgesehen, die unterschiedlichen radialen Abstand aufweisen, und in Drehrichtung a, keilförmige Gestalt aufweisen. Die Spülkanäle 22, 23, 24 und 25 sind durch seitliche wangenförmige Ausnehmungen im Grundkörper gebildet. Die Düsen 26, 27, 28 und 29 weisen unterschiedlichen Abstand zur Achse 9 der Bohrkrone auf, wobei diese Abstände gleichzeitig unterschiedlich zu den Radialabständen der stiftförmigen Schneideinsätze sind, und die Kanäle eine unterschiedliche Neigung zur Bohrachse aufweisen.
  • Bei der in Fig. 4 dargestellten Befestigung einer Düse in einer im wesentlichen zylindrischen Ausnehmung 29a welche einen Sitz 30 für die Düse 31 aufweist, ist in der zylindrischen Ausnehmung ein Gewinde vorgesehen, in welches eine Gewindebüchse 32 einschraubbar ist, die einen Aufnahmekörper 33 für den Düsenstein 34 bildet. Der Innendurchmesser des Austrittskanals 35 beträgt zwischen 0,3 und 0,6 mm.

Claims (11)

1. Bohrkrone für flüssigkeitsunterstütztes, insbesondere drehendes Bohren in Gestein, Kohle od. dgl., mit einem Grundkörper (1), welcher zumindest zwei Schneideinsätze (2, 3, 13, 14, 21), vorzugsweise aus Hartmetall aufweist, von welchen zumindest einer, vorzugsweise zwei, die im wesentlichen einander diametral gegenüberliegen, bis zum äußeren Umfang des Grundkörpers (1) reich(en)(t) bzw. diesen über- rag(en)(t), mit Düsen (4, 5, 28, 29) im radialen Erstrekkungsbereich des/der Schneideins4ätze(s), welche Düsen nicht in den direkten Eingriff mit dem zu bohrenden Material kommen, Zuleitungen (11) zu den Düsen für eine unter Druck von zumindest 700 bar stehende Flüssigkeit, und zumindest zwei Spülkanälen (6, 7, 22, 23, 24, 25) für das Bohrklein, dadurch gekennzeichnet, daß entgegen der Drehrichtung (a) gesehen, im wesentlichen unmittelbar vor zumindest einem Schneideinsatz (2, 3, 13, 14, 21), welcher vorzugsweise bis zum Umfang des Grundkörpers (1) reicht, in dem bzw. vor dem, im wesentlichen radialen Erstreckungsbereich zumindest eine Düse (4, 5, 28, 29) angeordnet ist, wobei der Spülkanal (6, 7, 22, 23, 24, 25) höchstens teilweise an den Schneideinsatz anschließt, bzw. zur Gänze vor der/den einem Schneideinsatz zugeordneten Düse(n) angeordnet ist.
2. Bohrkrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (26, 27, 28, 29) unterschiedlichen radialen Abstand aufweisen.
3. Bohrkrone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Achse (9) der Bohrkrone nächste Düse (19) mit ihrem Austrittskanal achsparallel bzw. nach innen geneigt angeordnet ist.
4. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Durchmesser des Austrittskanals (35) der Düse zwischen 0,3 und 0,6 mm liegt.
5. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen in im wesentlichen zylindrischen Ausnehmungen (29a) angeordnet sind, die an der Oberfläche des Grundkörpers (1) münden, und einen Sitz (30) jeweils für eine Düse (35) aufweisen, und gegebenenfalls über eine Gewindebüchse (32) in dieser gehalten sind.
6. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Hartmetallschneideinsätze (2, 3) vorgesehen sind, welche bis zum bzw. über den äußeren Umfang des Grundkörpers der Bohrkrone reichen und vorzugsweise im umfangsnahen Bereich (2a, 3a) eine größere Dicke aufweisen als im achsnahen Bereich (2a, 3b).
7. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Schneideinsatz (2) über die Achse (9) der Bohrkrone reicht.
8. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß stiftförmige Schneideinsätze, vorzugsweise mit Keilform in Schneidrichtung mit unterschiedlichem Radialabstand und Düsen (15, 16, 17, 18, 19) mit unterschiedlichem Radialabstand vorgesehen sind, wobei vorzugsweise Düsen und Schneideinsätze unterschiedliche Radialabstände aufweisen.
9. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die achsnächste Düse (8) unterhalb der Kontur des Grundkörpers (1) zum freien Austritt mündet.
10. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülkanäle (6, 7) vorzugsweise seitliche wangenförmige Ausnehmungen im Grundkörper (1) der sich zum Bohrgestänge verjüngenden Bohrkrone aufweisen.
11. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale Flüssigkeitszufuhr (10) in die die Zufuhrleitungen (11) der einzelnen Düsen münden, in der Bohrkrone vorgesehen ist.
EP85890311A 1984-12-18 1985-12-13 Bohrkrone Ceased EP0189024A1 (de)

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ATA401184A (de) 1986-04-15

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