用于挖掘竖直的钻孔的设备的制作方法

1.本发明涉及一种用于挖掘竖直的钻孔的设备，所述钻孔特别是井筒、在沉积体中的采掘钻孔、或在土壤中的地基钻孔。


背景技术：

2.在土壤中建造竖直钻孔时，地下水层是成为问题的。为了保持钻孔没有水，为了能够进行干式钻孔，必须将山体冻结，或者必须降低地下水位。如果这不能实现，则必须在水下进行钻孔，这导致钻孔是不能通行的。这特别是在直径较大和孔长度大的情况下是有问题的。
3.如果例如应当在沉积物中进行钻孔，则钻孔设备可能直接采掘包含有用矿物的岩石。在此可以遵循钻孔模式，从而随后再次回填所建造的钻孔，以便实现沉积体的尽可能低的损失。
4.为了实施这种方法，在表面上提供一种输送可行方案以用于使钻孔设备在钻井上竖直地移动。此外，在这里由现有技术已知的是，设置顶部驱动装置，所述顶部驱动装置经由杆来驱动钻头本身。
5.然后例如借助于空气抬升方法将松动的土壤与位于钻井中的液体一起通过驱动杆向地面上运输并相应地进行处理。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种设备，利用所述设备在水下也能以大的直径实施竖直钻孔而无需操作人员。所述钻孔可以是井筒、在沉积物中的采掘钻孔或是地基钻孔。在这里，所述直径多于4米。在这里必须考虑的方面是钻孔设备在钻孔中的竖直移动、对钻孔工具的驱动、对松动的土壤的输送以及在钻孔工具与位于表面上的设施之间的相对于地面上的连接。
7.根据本发明，本发明在这里设置一种根据权利要求1的解决方案所述的钻孔设备。对此的进一步说明在从属权利要求中给出。
8.在此设置一种用于挖掘竖直的钻孔的设备，所述竖直钻孔特别是井筒、在沉积体中的采掘钻孔、或在土壤中的地基钻孔，所述设备具有用于在钻孔的底部上开采材料的至少一个开采工具，所述设备具有设置在所述至少一个开采工具的作用区域中的至少一个输送器件，所述输送器件用于将在底部上开采的材料输送出钻孔，所述设备具有机架，在所述机架上设置有至少两个张紧元件，所述张紧元件用于在钻孔期间将所述设备锁定在钻孔中，所述设备具有至少一个用于使钻孔设备在钻孔中竖直地上升和下降的器件，并且所述设备具有用于使开采工具旋转的至少一个驱动装置。
9.本发明的另一个教导规定，所述用于使钻孔设备在钻孔中竖直地上升和下降的器件是绳索提升系统，所述绳索提升系统具有至少一个提升单元，每个提升单元具有至少一个缸体和至少一个绳索或绳索束，所述绳索或绳索束与机架连接。在此有利的是，所述提升
单元具有至少一个绳索锁定装置。本发明的另一个教导规定，在机架上为每个绳索/绳索束设置有至少一个固定装置。由此以简单并且成本有利的方式创造不需要提升井架和成本高的绞盘的可行方案。
10.本发明的另一个教导规定，所述钻孔填充有液体、优选水或膨润土悬浮液。本发明的另一个教导规定，用于将在底部上开采的材料输送出钻孔的所述至少一个输送器件具有竖直的输送管路，所述输送管路优选延伸穿过机架。本发明的另一个教导规定，所述输送管路不旋转。本发明的另一个教导规定，压缩空气能在至少一个排出部位处引入到输送管路中。本发明的另一个教导规定，以反循环方法进行移运。由此能以简单的方式进行输送。
11.本发明的另一个教导规定，所述输送管路由管段构造，从而能逐步地加长或减短输送管路。在此有利的是，至少一个管段具有用于与另一个管段连接的法兰元件。在此也有利的是，至少一个管段具有至少一个引导元件，其中，所述至少一个引导元件引导动力传动系的元件，并且其中，所述引导元件优选具有至少一个轴承元件。本发明的另一个教导规定，至少一个管段具有至少一个用于供应管路的引导元件。由此能实现输送松动的土壤，而输送管路不旋转和/或输送管路不必须用于传递力。
12.本发明的另一个教导规定，设置有至少两个竖直地彼此上下相叠地设置的张紧元件，所述张紧元件用于将所述设备锁定在钻孔中。由此能实现优化的张紧以用于负载转移。此外，以上张紧元件和/或下张紧元件也能够在钻孔中实现引导。也能经由钻孔设备的张紧元件进行控制。此外有利的是，所述张紧元件作为对于用于开采工具的进给元件/进给缸的止挡件起作用。
13.本发明的另一个教导规定，所述开采工具是切削轮、优选全切削式的切削轮，所述切削轮特别优选地具有能移出并且能移入的边缘切削工具，和/或特别优选地设置有盘或刀具。
14.本发明的另一个教导规定，所述开采工具实施为能相对于机架在开采方向上移动。
15.本发明的另一个教导规定，设置有至少一个进给系统、优选缸体，为了松动岩石，所述进给系统将开采工具压靠到钻孔的底部上，以便产生必需的松动压力。优选地，所述进给系统作用在所述张紧元件中的至少一个张紧元件上。
16.本发明的另一个教导规定，所述开采工具具有用于松动的岩石的抽吸室。由此能实现安全并且简单地抽吸钻屑/松动的土壤。
17.本发明的另一个教导规定，所述至少一个驱动装置在地面上具有驱动单元，所述驱动单元与开采工具的驱动元件连接。这是有利的，因为能实现到开采工具上的简单的力传递。在此有利的是，经由传动装置、优选减速传动装置进行连接。有利地，在钻头上设置有与传动装置连接的中央齿轮。有利地，这种传动布置结构支承在油中并且具有压力补偿机构。
18.在此还有利的是，所述驱动单元经由至少一个动力传动系与开采工具的驱动元件连接，优选地，所述动力传动系是可伸缩的。
19.在此也有利的是，所述动力传动系由各单个杆或管元件组成。
20.在此也有利的是，所述各单个杆或管元件经由连接元件、如螺纹或联接器、优选爪形联接器可释放地彼此连接。
21.本发明的另一个教导规定，所述杆/管元件在管段上引导、优选经由设置在管段上的引导元件引导、特别优选地在轴承元件中引导。
22.本发明的另一个教导规定，至少一个杆是可伸缩的，以便能实现开采工具的钻孔行程。
23.本发明的另一个教导规定，所述驱动装置具有至少一个传动单元，利用所述传动单元能提供开采工具的必需的转速。
24.本发明的另一个备选的教导规定，所述至少一个驱动装置是液压的驱动装置或电动的驱动装置或是液压的驱动装置与电动的驱动装置的组合。
25.在此有利的是，所述驱动装置设置在机器上。
26.在此还有利的是，所述驱动装置在机器上设置在填充有空气的空间中。
27.在此优选地，与填充有液体的钻井相比，在所述空间中存在过压。
28.此外在此有利的是，所述空间向下朝向底部具有开口，空气可以从所述开口从所述空间逸出，并且能将空气从地面上以过压输送给所述空间。
附图说明
29.下面借助于实施例结合附图更详细地阐述本发明。图中：
30.图1示出根据本发明的设备的示意性侧视图，
31.图2示出带有补充内容的类似于图1的视图，
32.图3示出根据本发明的设备的钻孔部分的第一实施方式的空间示意图，
33.图4a至图4c示出根据本发明的设备的钻孔部分的第二实施方式的空间示意图，
34.图5示出图1的第一放大局部图，
35.图6示出图1的第二放大局部图，
36.图7a示出根据本发明的管段的空间示意图，
37.图7b示出图7的放大局部图，
38.图8a至图8c示出用于根据本发明的设备的钻孔顺序的示意图，以及
39.图9a至图9f示出用于根据本发明的设备的启动顺序的示意图。
具体实施方式
40.图1示出根据本发明的钻孔设备10，钻孔设备10设置在钻井100中和设置在钻井上，所述钻井填充有液体110、例如水或膨润土悬浮液。钻井100在其上侧上具有开口120，在工作情况下所述开口被盖件24覆盖。
41.围绕开口120设置有基座34。在基座34上设置有绳索提升系统11，所述基座设置用于将力导入到土壤130中。后者所述提升系统11包括绞盘11a和提升缸体装置11b。此外，绳索提升系统11包括绳索或者说绳索组件16。绳索16经由止挡件16a与钻孔设备10的机架13连接。机架13设置有下张紧元件14和上张紧元件15。张紧元件14、15分别具有至少一个进给缸18a，以便使张紧元件14、15的可移动部分14a、15a朝向钻井壁140移动、使所述可移动部分从所述钻井壁松脱、以及将所述可移动部分抵靠钻井壁140张紧。
42.在此，张紧元件14、15具有多个可移动的元件14a、15a，所述可移动的元件围绕机架13设置。在此，可移动的元件14a、15a可以经由进给缸18a在移入位置与张紧位置之间移
动。
43.此外，根据本发明的钻孔设备10具有切削轮21，所述切削轮配备有单独的钻孔工具21a、例如盘或刀。此外，切削轮21具有能移出并且能移入的边缘切削工具22，以便例如精确地形成钻井壁41的轮廓或者在必要时能够实现方向改变或底切。此外，切削轮21设置有用于接收松动的土壤/钻屑160的抽吸箱20。
44.在本公开中，土壤理解为任何形式的松散石或岩石或沉积物的有用矿物。钻屑和松动的土壤同义地使用。
45.抽吸箱20是钻孔设备10的输送器件的组成部分。
46.切削轮21是可转动的并且设置成能经由伸缩装置17相对于机架13来回移动。此外，切削轮21可以通过主驱动装置12驱动并且由此被置为旋转中，在所示的实施方式中，所述主驱动装置在地面上设置在顶箱29中。
47.备选地，驱动装置也可以例如液压地或电动地设置在钻井100中、例如固定地设置在机架13上。为此机架13可以设置有未示出的封闭的空间，在所述封闭空间中设置有电动的驱动装置和/或液压的驱动装置，并且所述驱动装置从所述封闭空间与切削轮21连接，以便将所述切削轮置为旋转中.
48.在一种未示出的优选的实施方式中，所述空间实施为向下敞开的并且所述空间经由压缩空气而在水/膨润土悬浮液110方面保持无液体。由此能够省去耗费的用于动力传动系的相对于空间壳体的密封装置。
49.此外，在切削轮21上设置有中央驱动装置19，所述中央驱动装置也称为大齿轮(bullgear)或回转中央齿轮。这在图5中示出并且随后将更详细地阐述。
50.伸缩装置17与进给缸18连接，所述进给缸在这里例如斜穿地设置并且以其另一端设置在下张紧元件14的可移动的元件14a上。在张紧下张紧元件14和上张紧元件15之后，可以经由进给缸18将切削轮21压靠到钻井100的底部150上，从而由此在底部150上产生充足的压紧压力，使得切削轮21的盘21a将待处理的土壤/待处理的岩石松脱。中央驱动装置19具有压力补偿装置23，在图6中示出并且在下文中阐述所述压力补偿装置。
51.钻孔设备10的输送器件包括输送管路25，所述输送管路由各个管段40形成，所述管段经由法兰44相互连接。输送管路25在这里实施为不传递旋转力的中央管路。此外，输送管路25也不传递关于钻孔设备10的提升力。钻屑160与位于钻井100中的液体110一起从底部150沿箭头方向c被引入到抽吸箱20中，并且从那里被抽吸到输送管路25中。在输送管路25中的输送本身通过沿箭头方向e的压缩空气输入来进行，所述压缩空气输入经由作为供应管路26的组成部分的压缩空气管路37在上部引入到输送管路25中，由此降低液体110的密度，从而实现在输送管路25中的向上运动。由此将由钻屑160和液体110组成的混合物在输送管路25中沿箭头方向d从钻井输送出来。由此引起沿箭头方向c的到抽吸箱20中的抽吸。
52.在输送管路25的上端部上设置有转向管27，以所述转向管将输送的混合物经由管路35输入给处理装置32。在处理装置32中将钻屑160与液体110分离。然后液体110(水或带有悬浮液的混凝土)经由输入管路36沿箭头方向a再输入给钻井100。
53.在这里优选地，转向管27是顶箱29的组成部分。
54.图3和图4a至图4c示出在不同实施方式中的关于根据本发明的设备的张紧元件
14、15的不同布置结构。
55.主驱动装置12经由动力传动系30与切削轮21的中央驱动装置19连接。为了补偿切削轮21的能经由进给缸18和伸缩装置17引入的相对于机架13的进给，设置有伸缩驱动杆31。动力传动系30本身由驱动杆41形成，所述驱动杆经由连接元件42相互连接，所述连接元件在这里优选地示出为钳口联接器。
56.优选地，驱动杆经由引导元件43与管段40连接。在此，引导元件43具有衬套或轴承45。引导元件43在图7a和图7b中在管段40上示出。此外，在管段40上设置有带有用于供应管路26的连接件47的引导元件46。
57.图5详细地示出中央驱动装置19。在此，动力传动系30的连接元件42嵌接到传动装置47、优选行星传动装置中。行星传动装置47与齿轮48连接，所述齿轮嵌接到中央齿轮/大齿轮49中。中央齿轮49位于法兰50上，所述法兰与切削轮21固定连接。
58.通过以主驱动装置12使动力传动系30转动，以传动装置47产生齿轮48的所必需的转速，然后以所述齿轮使中央齿轮49转动，则由此也使切削轮21转动并且盘刀21a能够开采底部150。
59.中央驱动装置19具有壳体52，中央齿轮49和齿轮48位于所述壳体中。在此，空腔53填充有齿轮油。法兰50经由密封件51相对于壳体52密封。
60.为了平衡压力而设置有压力平衡装置23。所述压力平衡装置包括壳体54，所述壳体在一侧上具有朝向钻井100的开口55并且在另一侧上具有与壳体52的空腔53连接的开口56。作为分离装置并且同时为了压力平衡，在壳体54中设置有缸体57，所述缸体实施为能在壳体54中移动。由此能够将密封件51尽可能小地实施。这具有成本优势。
61.图8a示出钻孔设备10，所述钻孔设备具有在钻孔循环开始时在底部150的第一水平151上的移入的切削轮21。
62.图8b示出钻孔循环的结束，其中，钻孔底部150已经通过切削轮21钻削到水平152上。
63.图8c示出具有移入的切削轮21和移入的张紧元件14、15的钻孔设备，从而钻孔设备10可以经由绳索提升系统16在钻井100中竖直地移动。这种在图8c中所示的状态在使钻孔设备10从钻井100离开或将所述钻孔设备再置入时出现。
64.为了使钻孔设备10下降以实施另一个钻孔循环，将张紧元件14、15略微松开并且绳索提升装置11使机器管13相对于切削轮21下降，从而伸缩装置17再次移入。在机架13下降时，所述机架也通过伸缩装置17引导。
65.在此可以至少通过上张紧元件15附加地引导钻孔设备。如果伸缩装置17再次移入，则通过经由张紧缸/进给缸18a使可移动的元件14a、15a移出而将钻孔设备10相对于钻井壁140再次最终张紧。
66.在张紧前检查钻孔设备10是否水平地定向或沿钻孔方向定向。如果情况为是，则经由使进给缸18a移出来完成张紧。如果情况为否，则必须通过提升绳索系统11的提升缸11b的重新定向来将有偏差的绳索16进一步移入或移出，直至实现所期望的定向。
67.图9a至图9f示出根据本发明的钻孔设备10的安装循环。
68.在开始时例如借助于挖掘机来准备钻井100并且安设基座34。在基座34上建立驶上支架33。在所述驶上支架33和钻井100中将完成组装的钻孔设备10置入并且以水/膨润土
悬浮液110填充。
69.钻孔设备10可以通过自身的重量通过操纵切削轮21而移入到土壤中(图9b)。
70.然后移除驶上支架33并安装提升绳索系统11(9c)。在这个时刻，钻孔设备10完全地安装并且能够实施钻孔。
71.图9d至图9f示出如下情形：钻孔设备10钻削这样的距离，使得必须延长输送管路25和驱动传动系30。
72.为此，以龙门起重机28移除顶箱29并且安装新的管段40。所述新的管段经由法兰44与已经位于其下的管段40连接。此外，各个驱动杆41的连接元件42相互嵌接。
73.如果下一个管段40的安装结束，则再次安装顶箱29(图9f)。随后可以继续钻孔。