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Dokumentenidentifikation DE202006018980U1 16.05.2007
Titel Bohrvorrichtung
Anmelder HERRENKNECHT AG, 77963 Schwanau, DE
Vertreter Mitscherlich & Partner, Patent- und Rechtsanwälte, 80331 München
DE-Aktenzeichen 202006018980
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 16.05.2007
Registration date 12.04.2007
Application date from patent application 15.12.2006
IPC-Hauptklasse E21D 9/10(2006.01)A, F, I, 20061215, B, H, DE

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bohrvorrichtung zum Abbau von Hartgestein gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Schutzanspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zum Abbau von Hartgestein gemäss dem unabhängigen Schutzanspruch 7.

Solche Bohrvorrichtungen mit einem Bohrkopf, der eine einer Ortsbrust zugewandt anordenbare Stirnseite aufweist, können zum Abbau von Hartgestein im Tunnelbau oder bei Tiefbohrungen eingesetzt werden.

Stand der Technik

Zum Abbau von Hartgestein in zu bohrenden Tunneln (im Wesentlichen horizontale Bohrungen) und Tiefbohrungen (im Wesentlichen vertikale Bohrungen) werden heutzutage Abbauwerkzeuge in Form von Rollen- oder Rundschaftmeißeln auf einem rotierenden Schneidrad eines Bohrkopfs angeordnet. Durch Erzeugung eines Anpressdruckes von Vortriebsmaschine bzw. Bohrkopf über die Werkzeuge auf die Ortsbrust werden im Gestein Druck- und Zugfestigkeitsgrenzen überschritten und dadurch Gesteinsmaterial mechanisch gelöst. Das gelöste Gesteinsmaterial wird anschließend in einer Brecherkammer mechanisch auf förderbare Größe gebrochen und im Slurry-, Band- oder Wagenförderverfahren abtransportiert. In der Tiefbohrtechnik wird das Material typischerweise analog gelöst und im Pump- oder Lufthebeverfahren abtransportiert.

Durch die Anwesenheit von bestimmten Bestandteilen, wie zum Beispiel Mineralien, im abzubauenden Hartgestein und Adhäsion findet ein Verschleiß der Abbauwerkzeuge statt, so dass diese in Abhängigkeit von Bohrfortschritt und Hartgesteinseigenschaften periodisch ausgewechselt werden müssen, was beträchtliche Unkosten verursachen kann. Im Tunnelbau bedarf dies eines Zugangs zum Schneidrad, was erst ab Durchmessern von ungefähr 1'200 mm zulässig ist. In der Tiefbohrtechnik muss zum Austausch der Abbauwerkzeuge der Bohrkopf mitsamt eines mit ihm verbundenen Rohrstrangs ausgebaut und wieder eingebaut werden. In beiden Fällen muss der eigentliche Hartgesteinabbau zwischenzeitlich eingestellt werden, was die Gesamtabbauleistung der Bohrvorrichtung reduziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Bohrvorrichtung zum Abbau von Hartgestein und ein Verfahren zum Abbau von Hartgestein zu schaffen, die einen effizienten und ökonomischen Abbau von Hartgestein ermöglichen.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Bohrvorrichtung gelöst, wie sie durch die Merkmale des unabhängigen Schutzanspruchs 1 charakterisiert ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Bohrvorrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Schutzansprüche.

Insbesondere sind an der Stirnseite des Bohrkopfs der Bohrvorrichtung mindestens zwei Elektroden angeordnet und die Bohrvorrichtung weist Spannungsmittel auf, über die frequenzgesteuert eine Spannung zwischen den Elektroden aufbaubar ist. Im Betrieb wird die erfindungsgemässe Bohrvorrichtung an der Ortsbrust des abzubauenden Hartgesteins angeordnet und die frequenzgesteuerte Spannung wird zwischen den Elektroden aufgebaut. Unter Ortsbrust wird hier die Stelle des Hartgesteins verstanden, an der das Hartgestein abgebaut werden soll beziehungsweise abgebaut wird. Durch die frequenzgesteuerte Spannung bilden sich zwischen den Elektronen auf Grund derer unterschiedlichen elektrischen Potentiale geschaltete Streamerentladungen aus, wobei diese wegen der kurzeitig höheren elektrischen Durchschlagsfestigkeit eines Dielektrikums, das sich zwischen den Elektroden befindet, durch das abzubauende Hartgestein erzeugt werden. Dadurch wird dieses im Wirkbereich der Streamerentladungen entlang der Gefügegrenzen gelöst und abgebaut. Somit wird das Hartgestein nicht konventionell mit entsprechenden Abbauwerkzeugen mechanisch durch Überschreitung von Festigkeitsgrenzen gelöst, sondern durch quasi berührungslosen Abbau mittels elektrischer Entladungen im Hartgestein. Die Elektroden haben dabei keinen oder nur anliegenden Kontakt mit der Ortsbrust ohne wesentliche Kraftübertragung auf die Ortsbrust, so dass der Verschleiß an den Elektroden gering ist. Somit wird der Verschleiß an den Abbauwerkzeugen der Bohrvorrichtung und entsprechend die Stillstandzeiten der Bohrvorrichtung minimal gehalten, so dass ein ökonomischer und effizienter Abbau des Hartgesteins möglich ist.

Vorzugsweise umfassen die Elektroden eine im Wesentlichen zentral an der Stirnseite angeordnete Zentralelektrode sowie eine Mehrzahl von peripher an der Stirnseite angeordnete Kaliberelektroden. Mittels einer solchen Anordnung der Elektroden, insbesondere bei einer ringförmigen Anordnung der Kaliberelektroden um die Zentrumselektroden herum kann ein vorteilhafter Abbauquerschnitt erzeugt werden, der beispielsweise gross genug ist, dass ein Überschnitt zwischen dem Bohrkopf und dem den Bohrkopf umgebenden Gestein erzeugt werden kann.

Mit Vorteil umfasst die Bohrvorrichtung Spülmittel und der Bohrkopf weist ein Mantelrohr auf, wobei mittels der Spülmittel eine Spülflüssigkeit durch das Mantelrohr hindurch an die Stirnseite und zwischen die Elektroden förderbar ist. Die Spülflüssigkeit kann so einerseits als Dielektrikum zwischen den Elektroden eingesetzt werden, was heisst, dass sie als Isoliermedium um die Elektroden herum dient und der Sicherstellung der Streamerentladungen durch das abzubauende Hartgestein hindurch. Andererseits ist die Spülflüssigkeit auch Fördermedium, mit dem das abgebaute Hartgestein aus dem Abbaukanal transportiert werden kann.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante weist der Bohrkopf gegen sein der Stirnseite zugewandtes Ende hin einen Hochspannungsbereich, gegen sein der Stirnseite abgewandtes Ende hin einen Niederspannungsbereich und zwischen dem Hochspannungsbereich und dem Niederspannungsbereich einen Mittelspannungsbereich auf. Im Niederspannungsbereich sind dabei eine Turbine, die mittels der Spülflüssigkeit betreibbar ist, und ein Generator, der durch die Turbine antreibbar ist, angeordnet. Im Mittelspannungsbereich ist dabei ein Gleichrichter angeordnet, mittels welchem Wechselspannung aus dem Generator in Gleichspannung umwandelbar ist. Im Hochspannungsbereich ist dabei ein Hochspannungsgenerator mit Kondensatoren angeordnet, mittels dem eine an die Elektroden übertragbare frequenzgesteuerte Hochspannung erzeugbar ist. Über eine solche Anordnung können die Spannungsmittel im Bohrkopf selbst angeordnet sein und insbesondere können Streamerentladungen durch einen im Bohrkopf angeordneten Hochspannungs-Impulsgenerator erzeugt werden, der frequenzgesteuert die Spannungen an die Elektroden weiterleitet.

Vorzugsweise ist der Hochspannungsgenerator isoliert gelagert. In einer solchen isolierten Umgebung können ungewollte Entladungen zwischen den Kondensatoren einfach vermieden werden.

Mit Vorteil weist der Bohrkopf eine Erdungseinrichtung auf, so dass ein sicherer stabiler Betrieb des Bohrkopfs gewährleistet werden kann und so dass auf einfache Weise eine ausreichende Potentialdifferenz zwischen den Elektroden bereitgestellt werden kann.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbau von Hartgestein, welches die folgenden Schritte umfasst:

Anordnen von mindestens zwei Elektroden an einer Ortsbrust; und

frequenzgesteuertes Aufbauen einer Spannung zwischen den Elektroden.

Durch die frequenzgesteuerte Spannung zwischen den Elektronen können sich auf Grund derer unterschiedlichen elektrischen Potentiale geschaltete Streamerentladungen ausbilden, wobei diese wegen der kurzeitig höheren elektrischen Durchschlagsfestigkeit eines Dielektrikums, das sich zwischen den Elektroden befindet, durch das abzubauende Hartgestein erzeugt werden. Wie oben beschrieben kann somit das Hartgestein erfindungsgemäss auf vorteilhafte Weise abgebaut werden.

Vorzugsweise wird eine Spülflüssigkeit zwischen den Elektroden angeordnet und weiter wird vorzugsweise eine Turbine mittels der Spülflüssigkeit betrieben, so dass ein Generator durch die Turbine angetrieben wird und eine Wechselspannung erzeugt. Diese Wechselspannung wird dann über ein Gleichrichter in Gleichspannung umgewandelt und mittels eines Hochspannungsgenerators wird aus der Gleichspannung eine Hochspannung erzeugt, die frequenzgesteuert an die Elektroden übertragen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Hilfe der schematischen Zeichnungen.

Es zeigen:

1 eine Längsschnittansicht des Bohrkopfs eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Bohrvorrichtung, die hier beispielhaft für Tiefbohrungen geeignet ist; und

2 eine Ansicht von einer Ortsbrust her auf die Elektroden der Bohrvorrichtung von 1.

Weg(e) zur Ausführung der Erfindung

Bestimmte Ausdrücke werden in der folgenden Beschreibung aus praktischen Gründen verwendet und sind nicht einschränkend zu verstehen. Die Wörter „unten" und „oben" bezeichnen Richtungen in der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. Die Ausdrücke „nach innen" und „nach aussen" bezeichnen Richtungen hin zum oder weg vom geometrischen Mittelpunkt der Bohrvorrichtung sowie benannter Teile derselben. Die Terminologie umfasst die oben ausdrücklich erwähnten Wörter, Ableitungen von denselben und Wörter ähnlicher Bedeutung.

In der 1 ist ein Bohrkopf einer erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung gezeigt. Sie weist ein im wesentlichen hohlzylindrisches Mantelrohr 1 (Schild) auf und darin untergebrachte Spannungsmittel zur Erzeugung einer Streamerentladungen auf. Der Bohrkopf ist aufgehängt und geführt über ein Bohrgestänge 2, das sukzessive verlängert an einem Bohrturm über Tage aufgehängt ist. Durch das Bohrgestänge wird von über Tage eine Spülflüssigkeit, die im in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel gleichzeitig Dielektrikum ist, zum Bohrkopf zugeführt.

In einem oberen Niederspannungsbereich des Bohrkopfes wird die Spülflüssigkeit mit hydrostatischem Druck durch die im Niederspannungsbereich des Bohrkopfes angeordnete Turbine 3 (Moineau) geleitet, die als Untertagemotor und Bohrkopfantrieb fungiert. Die Turbine 3 treibt durch Rotationsbewegung einen Generator 4 an, der eine Eingangs-Wechselspannung liefert.

Vom Generator aus wird die Eingangs-Wechselspannung über einen Mittelspannungstransformator 5 in einen Mittelspannungsbereich des Bohrkopfes weitergeleitet. Im Mittelspannungsbereich wird die Eingangs-Wechselspannung über einen Gleichrichter 6 in eine Gleichspannung umgewandelt und weiter in einen unteren Hochspannungsbereich und eine Bohrkopfspitze geführt. Widerstände reduzieren bei Fehler den entsprechenden Kurzschlussstrom auf eine Ladeeinheit. Eine Erdung des gesamten Bohrkopfes erfolgt über eine Mantelaußenfläche über Gleitkontakte 7 in das Erdreich.

Im Hochspannungsbereich des Bohrkopfes wird Hochspannung über einen Hochspannungsgenerator 8 nach dem Marx-Prinzip, bei dem die Kondensatoren 9 parallel geschaltet geladen und in Reihe geschaltet entladen werden, erzeugt. Um eine frühzeitige ungewollte Entladung zwischen den Kondensatoren 9 anstatt über als Zentrumselektrode 10 und Kaliberelektrode 11 ausgestalteten Elektroden zu vermeiden, ist der Hochspannungsgenerator isoliert gelagert.

Vom Hochspannungsgenerator wird die Hochspannung bei Erreichen einer Grenzspannung direkt frequenzgesteuert in die einzelnen Elektroden geleitet. Aufgrund der unterschiedlichen Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums und des Hartgesteins erfolgt die Streamerentladung zwischen der Zentrumselektrode 10 und den Kaliberelektroden 11 durch das Hartgestein hindurch. Die Kaliberelektroden 11 sind den Bohrkopf nach aussen überragend ausgestaltet und wie in der 2 am besten ersichtlich peripher an der Stirnseite des Bohrkopfs angeordnet. Durch diese Anordnung der Kaliberelektroden 11 wird ein gegenüber dem Mantelrohr 1 vergrößerter Aushubquerschnitt und ein Überschnitt zwischen Mantelrohr und umgebendem Hartgestein erzeugt.

Das als Spülflüssigkeit fungierende Dielektrikum, das durch das Bohrkopfzentrum an die Ortsbrust geleitet wird, nimmt das losgelöste Hartgestein auf und fördert dieses mit Hilfe eingeblasener Luft nach dem Lufthebeverfahren im Überschnitt zwischen Mantelrohr 1 und umgebenden Hartgestein nach über Tage.


Anspruch[de]
Bohrvorrichtung zum Abbau von Hartgestein, die einen Bohrkopf umfasst, der eine einer Ortsbrust zugewandt anordenbare Stirnseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stirnseite des Bohrkopfs mindestens zwei Elektroden (10, 11) angeordnet sind und dass die Bohrvorrichtung Spannungsmittel (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) aufweist, über die frequenzgesteuert eine Spannung zwischen den Elektroden (10, 11) aufbaubar ist. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elektroden (10, 11) eine im Wesentlichen zentral an der Stirnseite angeordnete Zentralelektrode (10) umfassen sowie eine Mehrzahl von peripher an der Stirnseite angeordnete Kaliberelektroden (11). Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, die Spülmittel umfasst und bei der der Bohrkopf ein Mantelrohr (1) aufweist, wobei mittels der Spülmittel eine Spülflüssigkeit durch das Mantelrohr (1) hindurch an die Stirnseite und zwischen die Elektroden (10, 11) förderbar ist. Bohrvorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Bohrkopf gegen sein der Stirnseite zugewandtes Ende hin einen Hochspannungsbereich, gegen sein der Stirnseite abgewandtes Ende hin einen Niederspannungsbereich und zwischen dem Hochspannungsbereich und dem Niederspannungsbereich einen Mittelspannungsbereich aufweist, wobei im Niederspannungsbereich eine Turbine (3), die mittels der Spülflüssigkeit betreibbar ist, und ein Generator (4), der durch die Turbine (3) antreibbar ist, angeordnet sind, wobei im Mittelspannungsbereich ein Gleichrichter (6) angeordnet ist, mittels welchem Wechselspannung aus dem Generator (4) in Gleichspannung umwandelbar ist, und wobei im Hochspannungsbereich ein Hochspannungsgenerator (8) mit Kondensatoren (9) angeordnet ist, mittels dem eine an die Elektroden (10, 11) übertragbare frequenzgesteuerte Hochspannung erzeugbar ist. Bohrvorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher der Hochspannungsgenerator (8) isoliert gelagert ist. Bohrvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Bohrkopf eine Erdungseinrichtung (7) aufweist.






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