DE10101731C2 - Drilling head and drilling method for a horizontal drilling machine - Google Patents

Drilling head and drilling method for a horizontal drilling machine

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Description

Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf für ein mit einem Dreh- und einem Schlagantrieb versehenes Horizontalbohrgerät sowie Bohrverfahren für Horizontalbohrgeräte.The invention relates to a drill head for one with a rotary and Impact drive horizontal drilling machine and drilling method for Horizontal drilling.

Beim Horizontalbohren sind verschiedene Böden von den Bohrgeräten zu bewältigen. Diese können von lehmigen über sandige und Kiesböden zu steinigen bis hin zu Fels reichen. Die Böden stellen unterschiedliche Anfor­ derungen an die Bohrgeräte und deren Bohrköpfe.When drilling horizontally, different floors are closed by the drilling rigs deal with. These can range from loamy to sandy and gravelly too stony to rocky. The floors have different requirements changes to the drilling rigs and their drilling heads.

Zum Bohren in härteren Medien, wie beispielsweise Felsformationen oder Stein besteht die Schwierigkeit, einen hohen Widerstand überwinden zu müssen und dabei eine für praktische Bedürfnisse brauchbare Vortriebsge­ schwindigkeit und Richtungskontrolle zu erreichen.For drilling in harder media, such as rock formations or Stone faces the difficulty of overcoming high resistance and a propulsion ge that can be used for practical needs to achieve speed and directional control.

Neben den zum Einsatz kommenden nicht richtungssteuerbaren Imloch­ hämmern mit einem auf einen Meißel wirkenden Schlagantrieb ist es bekannt, Bohrgeräte mit sogenannten MUD-Motoren einzusetzen, bei denen ein Bohrkopf durch das Bohrmedium in Rotation versetzt wird, indem die Vortriebskraft des Bohrmediums in Drehmoment umgewandelt wird, so daß ein Abtragen des Felsgesteins erfolgt. Derartige Bohrgeräte sind jedoch auf­ grund der aufwendigen Konstruktion des MUD-Motors kostenintensiv und sind für viele Anwendungsfälle zu groß.In addition to the non-directional downhole used it is hammering with an impact drive acting on a chisel known to use drilling equipment with so-called MUD motors, in which a drilling head is set in rotation by the drilling medium by the Driving force of the drilling medium is converted into torque, so that the rock is removed. However, such drilling rigs are on due to the complex construction of the MUD engine, it is costly and are too big for many applications.

Versuche, die Kosten eines solchen Gerätes durch den Einsatz eines Rammbohrgerätes zu vermeiden, sind bislang in vielen Fällen erfolglos.Attempts to reduce the cost of such a device by using a Avoiding a ram has so far been unsuccessful in many cases.

Herkömmliche steuerbare Rammbohrgeräte weisen in der Regel einen asymmetrischen Bohrkopf auf, der in leichteren Böden zu einer Lenkbewe­ gung führt. Durch Rotation kann die Lenkbewegung für den Geradeauslauf ausgeglichen werden. In anderen Fällen kann der Bohrkopf zum Lenken von einer asymmetrischen in eine symmetrische Stellung bewegt werden. Die genannten Bohrköpfe führen jedoch in Felsformationen nicht zu dem gewünschten Ergebnis. Zwar gelingt es, Felsformationen zu brechen, doch lassen sich mit den bekannten Bohrköpfen keine zufriedenstellenden Lenk­ bewegungen erreichen.Conventional controllable ram boring machines usually have one asymmetrical drill head that turns into a steering movement in lighter soils  supply leads. Rotation can direct the steering movement for straight running be balanced. In other cases, the drill head can be used to steer be moved from an asymmetrical to a symmetrical position. The However, the drill heads mentioned do not lead to this in rock formations desired result. It is possible to break rock formations, but can not be satisfactory steering with the known drill heads achieve movements.

Trotz lang anhaltender Bemühungen ist es somit bisher nicht gelungen, ein auch für weichere Böden geeignetes Rammbohrgerät so auszugestalten, daß ein richtungsgesteuertes Bohren in härteren Böden, insbesondere in leichten bis mittleren Felsformationen möglich ist.Despite long-term efforts, it has so far not been possible to get one design ram boring machines suitable for softer soils, that directional drilling in harder soils, especially in light to medium rock formations is possible.

So werden weiterhin Bohrgeräte mit teuren MUD-Motoren in Felsformatio­ nen eingesetzt, während drehende und/oder schlagende Bohrgeräte in weicheren Böden zum Einsatz kommen. Daraus ergibt sich die besondere Problematik, daß bei gemischten Böden Schwierigkeiten mit beiden Bohr­ gerätetypen auftreten. Auch mit dem Einsatz des kostenintensiven MUD- motorgetriebenen Bohrgerätes läßt sich das Problem nicht lösen, da die Bohrkrone sich, insbesondere in lehmigen Böden, zusetzt, wodurch eine Verlangsamung bis hin zum Stillstand des Bohrvorgangs eintritt. Folglich ist bei solchen Böden häufig ein Wechsel der Bohrgeräte unvermeidbar.Drills with expensive MUD motors continue to be used in rock formations NEN used while rotating and / or hitting drills in softer floors are used. This results in the special one Problem that with mixed soils difficulties with both Bohr device types occur. Even with the use of the expensive MUD motor-driven drill can not solve the problem because the Drill bit, especially in loamy soils, clogs, causing a Slowing down until the drilling process stops. Hence is with such floors, a change of drilling equipment is often unavoidable.

Der Einsatz von bezüglich einem Korpus eines Bohrkopfes axial bewegli­ chen Schlagfingern ist aus den Druckschriften DE 21 57 259 A1, DE 31 24 524 C2 und DD 287 556 A5 bekannt. Die dort dargestellten Bohrköpfe sind symmetrisch ausgebildet und weisen symmetrisch angeordnete Schlagfin­ ger auf. Hierdurch wird ein effektives Bohren in hartem Fels erreicht, ein Steuern des Bohrkopfes, insbesondere in weicheren Böden, ist mit diesen Bohrköpfen jedoch nur mit großem Aufwand möglich.The use of axially movable with respect to a body of a drill head Chen striking fingers is from the publications DE 21 57 259 A1, DE 31 24 524 C2 and DD 287 556 A5 known. The drill heads shown there are symmetrical and have symmetrically arranged punch fin ger on. This ensures effective drilling in hard rock Controlling the drill head, especially in softer soils, is with these However, drilling heads are only possible with great effort.

Der Erfindung liegt nun das Problem zugrunde, einen lenkbaren Bohrkopf und ein Bohrverfahren zu schaffen, welche für gemischte Böden und insbe­ sondere für den Einsatz in zumindest leichten Felsformationen geeignet sind.The invention is based on the problem of a steerable drill head and to create a drilling method which is suitable for mixed soils and esp especially suitable for use in at least light rock formations are.

Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprü­ che.The task is solved by the subject of the independent claims che.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements result from the subclaims.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein Schlaggerät, beispielsweise ein herkömmliches Rammbohrgerät mit einem asymmetrischen Bohrkopf zu versehen, der einen axial beweglichen Schlagfinger aufweist. The invention is based on the idea of an impact device, for example a conventional ram boring machine with an asymmetrical drill head too provided that has an axially movable impact finger.  

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der axial bewegliche Schlagfinger so in dem Bohrkopf angeordnet, daß seine Achse einen Winkel α in Bezug auf die Bohrgeräteachse bzw. die Achse des Schlagkolbens aufweist (Schrägschlagfinger).In a preferred embodiment, the axially movable impact finger is so arranged in the drill head that its axis is at an angle α with respect on the drill axis or the axis of the percussion piston (Oblique shock finger).

Vorzugsweise tritt der Schlagfinger bei seiner Auslenkbewegung seitlich aus der Hüllebene der Mantelfläche des Rammbohrgerätes heraus. Dadurch erhält der Bohrkanal in Bezug auf das Rammbohrgerät ein Übermaß, wodurch sich die Mantelreibung des Rammbohrgerätes erheblich verringert und das Bohrklein abtransportiert werden kann.The striking finger preferably emerges laterally during its deflection movement the envelope level of the outer surface of the ram boring machine. Thereby the drill channel receives an oversize in relation to the ram boring machine, which significantly reduces the skin friction of the ram boring machine and the cuttings can be removed.

Der bewegliche Schlagfinger kann einen Versatz oder eine Mitnehmerkante aufweisen, die einen Abtransport des Bohrkleins fördert.The movable striking finger can have an offset or a driving edge have, which promotes removal of the cuttings.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Bohrkopf oder der Schlagfinger mit einer zentrierenden Vorschneide versehen, die insbesondere beim sta­ tisch drehenden Bohren eine Zentrierungsfunktion ausübt. Dabei kann der bewegliche Schlagfinger stirnseitig eine Geometrie aufweisen, die in der Grundstellung zu einer zentrierenden Vorschneidefunktion beim drehenden Vortrieb führt und in ihrer Auslenkbewegung beim schlagenden Vortrieb seit­ lich in die Ortsbrust eindringt. Dies läßt sich beispielsweise durch ein Polygon erreichen, dessen eine Spitze in der Grundstellung auf der Achse des Bohrgerätes liegt, während eine zweite Spitze auf der Achse des beweglichen Schlagfingers liegt.In a further embodiment, the drill head or the striking finger provided with a centering cutting edge, which is particularly useful for sta table rotating drilling has a centering function. The movable striking fingers have a geometry on the face, which in the Basic position for a centering pre-cutting function when rotating Propulsion has been leading and in its deflecting movement since the propulsion penetrates into the face. This can be done, for example, by a Reach polygon, one of which is a tip in the basic position on the axis of the drill is while a second tip on the axis of the movable finger.

Alternativ kann der Schlagfinger achsparallel in Bezug auf die Bohrgeräte­ achse versetzt sein.Alternatively, the striking finger can be axially parallel with respect to the drilling equipment axis offset.

Ferner kann der Bohrkopf und/oder der Schlagfinger eine Stufengeometrie aufweisen.Furthermore, the drill head and / or the striking finger can have a step geometry exhibit.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigenIn the following the invention with reference to one shown in the drawing Exemplary embodiment explained in more detail. Show in the drawing

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Bohrkopf mit Schrägschlagfinger, Fig. 1 shows a drill head according to the invention with oblique shock finger,

Fig. 2 den Bohrkopf der Fig. 1 mit Zentriervorräumer, Fig. 2 shows the drill head of FIG. 1 with Zentriervorräumer,

Fig. 3 den Bohrkopf der Fig. 1 in der Ortsbrust und Fig. 3 shows the drill head of Fig. 1 in the working face and

Fig. 4 ein erfindungsgemäßer Bohrkopf mit achsparallel versetzter Achse des Schlagfingers. Fig. 4 shows a drill head according to the invention with the axis of the striking finger offset parallel to the axis.

Der Bohrkopf 1 besteht aus einem Grundkörper 2 und einem in dem Grund­ körper beweglich gelagerten Schlagfinger 4.The drill head 1 consists of a base body 2 and a striking finger 4 which is movably mounted in the base body.

Der Grundkörper 2 weist eine asymmetrische Geometrie in Form einer ein­ seitigen keilförmigen Anflachung 6 auf. Der Schlagfinger 4 ist in einer in dem Grundkörper 2 ausgebildeten Durchgangsbohrung 8 angeordnet. Der Schlagfinger 4 weist im Frontbereich 10 eine Spitze 20 auf, die aus dem Grundkörper 2 herausragt und durch den Impuls eines Schlagkolbens in die Ortsbrust 12 eingetrieben wird. Der Schlagfinger 4 weist ferner einen Fuß 14 auf, der in den Kolbenraum hineinragt.The base body 2 has an asymmetrical geometry in the form of a one-sided wedge-shaped flat 6 . The striking finger 4 is arranged in a through hole 8 formed in the base body 2 . The striking finger 4 has a tip 20 in the front area 10 , which protrudes from the base body 2 and is driven into the face 12 by the impulse of a striking piston. The striking finger 4 also has a foot 14 which projects into the piston chamber.

Beim Auftreffen des Schlagkolbens in der Achse des Bohrgerätes auf den Fuß 14 des Schlagfingers 4 wird dieser seitlich aus der Achse des Bohrge­ rätes herausbeschleunigt. Die Achse AS des Schlagfingers ist in einem Win­ kel α in Bezug auf die Achse AR des Bohrgerätes angeordnet (Fig. 1: Schrägschlagfinger) oder um eine Strecke Δa achsparallel versetzt (Fig. 3).When the percussion piston hits the foot 14 of the striking finger 4 in the axis of the drilling device, the latter is accelerated sideways out of the axis of the drilling device. The axis A S of the striking finger is arranged in a win angle α with respect to the axis A R of the drill ( FIG. 1: diagonal striking finger) or offset axially parallel by a distance Δa ( FIG. 3).

Der Schlagfinger weist einen zentralen Medienkanal 16 auf. Darüber hinaus weist der Grundkörper Kanäle 15 auf. The striking finger has a central media channel 16 . In addition, the base body has channels 15 .

Der Frontbereich 10 des Schlagfingers ist geometrisch so ausgebildet, daß an dem Übergang zwischen Grundkörper und Schlagfinger ein Versatz oder eine Mitnehmerkante 18 ausgebildet ist, die den Abtransport des Bohrkleins bewirkt.The front area 10 of the striking finger is geometrically designed such that an offset or a driving edge 18 is formed at the transition between the base body and striking finger, which causes the cuttings to be transported away.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform weist der Frontbereich 10 des Schlagfingers 4 einen in Bezug auf die Bohrgeräteachse zentriert ange­ ordneten Vorräumer auf. Die Spitze des Vorräumers besitzt dabei eine tetraedrische Grundfläche, die stirnseitig zwei Schlagspitzen 20, 22 ausbil­ det.In the embodiment shown in FIG. 2, the front area 10 of the striking finger 4 has a pre-clearer centered with respect to the drill axis. The tip of the pre-clearer has a tetrahedral base, which forms two impact tips 20 , 22 on the end face.

Die Schlagspitze 20 liegt auf der Achse des Bohrgerätes, während die Spitze 22 auf der Achse des Schlagfingers angeordnet ist.The striking tip 20 lies on the axis of the drilling device, while the tip 22 is arranged on the axis of the striking finger.

Claims (10)

1. Bohrkopf für ein mit einem Dreh- und einem Schlagantrieb versehendes Horizontalbohrgerät mit einem Grundkörper (2), der eine einseitige keil­ förmige Anflachung (6) aufweist, und einem Schlagfinger (4), der bezüg­ lich seiner Längsachse (As) axial beweglich im Grundkörper (2) gelagert ist und eine Spitze (20) aufweist, die aus dem Grundkörper (2) heraus­ ragt.1. drilling head for a with a rotary and a percussion drive horizontal drilling machine with a base body ( 2 ), which has a one-sided wedge-shaped flat ( 6 ), and a striking finger ( 4 ), the bezüg Lich its longitudinal axis (A s ) axially movable is mounted in the base body ( 2 ) and has a tip ( 20 ) which projects out of the base body ( 2 ). 2. Bohrkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine asymmetrische Geometrie des Schlagfingers (4).2. Drilling head according to claim 1, characterized by an asymmetrical geometry of the striking finger ( 4 ). 3. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Schlagfinger (4) eine Achse As aufweist, die sich in einem Winkel α zur Bohrgeräteachse AR anordnen läßt oder angeordnet ist.3. Drilling head according to one of claims 1 or 2, characterized in that the movable striking finger ( 4 ) has an axis A s , which can be arranged or arranged at an angle α to the drill axis A R. 4. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der bewegliche Schlagfinger (4) in Bezug auf die Achse AR des Bohrgerätes achsparallel versetzt ist.4. Drilling head according to one of claims 1 or 2, characterized in that the movable striking finger ( 4 ) is offset axially parallel with respect to the axis A R of the drilling device. 5. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlagfinger (4) in seiner Grundstellung und/oder Auslenkungs­ stellung seitlich aus der durch die Außenmaße des Bohrgerätes bestimmten Hüllebene bzw. Hüllfläche herausragt.5. Drilling head according to one of claims 1 to 4, characterized in that the striking finger ( 4 ) in its basic position and / or deflection position protrudes laterally from the envelope plane or envelope surface determined by the external dimensions of the drill. 6. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Mitnehmerkante (18) am Schlagfinger (4). 6. Drilling head according to one of claims 1 to 5, characterized by a driving edge ( 18 ) on the striking finger ( 4 ). 7. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Medienkanäle (15, 16) im Bohrkopf oder Schlagfinger.7. Drilling head according to one of claims 1 to 6, characterized by media channels ( 15 , 16 ) in the drilling head or striking finger. 8. Verfahren zum Bohren in Felsformationen mit einem Horizontalbohrge­ rät, dadurch gekennzeichnet, daß die Ortsbrust exzentrisch über einen bezüglich seiner Längsachse axial beweglichen Schlagfinger (4) beauf­ schlagt und dann in Rotation abgetragen wird.8. A method for drilling in rock formations with a horizontal boring advises, characterized in that the working face strikes eccentrically over an axially movable striking finger ( 4 ) with respect to its longitudinal axis and is then removed in rotation. 9. Verfahren zum Bohren mit einem Horizontalbohrgerät mit einem Bohr­ kopf nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohr­ klein mit Hilfe einer Mitnehmerkante (18) am Schlagfinger (4) abtrans­ portiert wird.9. A method for drilling with a horizontal drilling machine with a drilling head according to claim 1 to 7, characterized in that the drilling is carried away small by means of a driving edge ( 18 ) on the striking finger ( 4 ). 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Bohrkanal mit Hilfe des Schlagfingers (4) einen Durch­ messer erhält, der größer als die Hüllebene des Horizontalbohrgeräts ist.10. The method according to any one of claims 8 or 9, characterized in that the drilling channel with the help of the striking finger ( 4 ) receives a diameter that is larger than the envelope level of the horizontal drilling machine.
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