专利名称：用于在土壤或岩石材料中的钻孔方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在土壤或岩石材料中钻孔尤其是冲击或旋转冲击钻孔的方法，其中通过一个支承在钻杆上的钻头，借助冲击和/或旋转的运动形成钻孔，一个与钻头联接的管状外套插入到钻孔中；以及涉及一种用于在土壤或岩石材料中钻孔尤其是冲击或旋转冲击钻孔的装置，其中一个支承在钻杆上的钻头通过冲击的和/或旋转的运动形成钻孔，并且一个与钻头联接的管状外套可以插入到钻孔中。
背景技术：
对于在土壤或岩石材料中尤其是通过冲击或旋转冲击钻孔形成孔，已知不同的实施方式，其中通常一个支承在钻杆上的钻头通过冲击和/或旋转的运动形成钻孔，并且一个与钻头联接的管状外套插入到钻孔中。对于一管状外套插入到钻孔中，其例如接下来会成为一衬管，一方面已知的是，管状外套通过与钻头或与其相连接的冲击块(Schlagschuh)相应的联接通过张应力插入到钻孔的内部。对于这样一种钻孔的张紧随动的前提是，管状外套相应地设计为薄而轻，以便在管状外套插入钻孔内部时不产生过大的应力或负荷。已知另一种选择是，管状外套或管形外壳通过一作用到突出于钻孔的端部的冲击应力与钻头分离地插入到钻孔的内部。此外，还已知以下的实施方式，在该实施方式中整个钻孔工作以及整个钻孔推进通过作用于相应地设计为实心的套管的冲击应力传递到钻头上。
在仅仅承载张力的、相应薄壁的管状外套通过施加用于插入管状外套的相应较小力产生特别的优点的同时，这样一种薄壁管状外套的经常的缺点是，由于管状外套低的强度，不可能进行目标准确的钻孔。与此相反，相应的设计为实心的套管的缺点是，它们本身在待形成的钻孔的圆周壁上产生一个大的摩擦应力，此外，通常需要一个分离的、相应实心的驱动装置，以便插入套管。
发明内容
本发明的目的在于，以开头所述类型的一种方法或装置为出发点，提供一种用于在土壤或岩石材料中钻孔的方法以及装置，其中通过一种简单的实施方式不仅也在大的长度上实现一种准确的且目标定向的钻孔，而且还可以利用薄壁管状外套的优点。
为了达到这些目的，一种开头所述类型的方法的特征基本上在于，管状外套在与钻头联接的套管的、在远离钻头的工作面的端部上容纳在一容纳孔中，并且该管状外套在远离钻头的端部上承受冲击或压应力。由此，按本发明管状外套容纳在一个与钻头联接的套管的容纳孔中，并且该管状外套在远离钻头的端部上承受一种分开的冲击或压应力，使得在钻孔时可以插入一个相对长度较短的、与钻头联接的套管，以便通过套管保证目标定向且准确的钻孔。此外，管状外套通过冲击或压应力分开地插入到钻孔的内部，以便不由钻头或例如一设置在钻头区域内的冲击块将相应大的能量施加到整个的、待插入钻孔中的管状外套上。对此，由此出发，即在相应准确且精确地进行钻孔时，通过提供一个相应较小的冲击或压应力，通常具有较小强度的、后接的管状外套也可以相应简单地且无过多摩擦阻力地插入到钻孔的内部。
为了保证套管至少以管状外套在远离钻头的端部上承受冲击或压应力的程度插入到钻孔中或被带动，按照一个优选的实施方式，建议在远离钻头的端部上作用到管状外套的压应力选择为小于由钻头施加到套管上的张应力。由此，选择作用于管状外套的压应力小于施加到套管上的张应力，将保证以有利的方式仅仅通过一种简单的插塞连接容纳在套管的容纳孔中的管状外套不会以一种较大的程度插入到钻孔中，这对于钻头和与其联接的套管会发生，以便没有顶压应力施加到管状外套上。
在同时考虑施加到钻头上的旋转和冲击应力情况下，对于无论是套管还是管状外套的正常的插入，按照另一种优选的实施方式，建议钻头以本身已知的方式相对于套管和/或管状外套可旋转地支承。
为了从钻头区域内简单而正常地运出挖掘材料，按照另一种优选的实施方式，建议通过在钻头和套管之间的连接位置的区域内的至少一个孔和/或通过一个与钻头和套管之间的连接位置间隔距离地设置的通孔，将挖掘材料置入到在钻杆的外圆周和套管及与其相连接的管状外套的内圆周之间限定的环形腔中，并且从钻孔中运出。
为了达到开头所述的目的，一种开头所述类型的装置的特征基本上在于，管状外套在一个与钻头联接的套管的、远离钻头的工作面的端部上容纳在一容纳孔中，并且冲击或压应力施加到管状外套远离钻头的端部上。由此通过一种结构上简单的实施方式可以足够保证通过与钻头联接的套管实现钻头可靠且目标准确的插入，而无需考虑可能对管状外套产生的影响和由此在钻孔精确度上的损害。
为了简单的力传递以便带动套管与钻头，按照一种优选的实施方式，建议设置一个管状外套形的中间元件，用于传递通过钻杆施加到套管上的张应力，以便套管与钻头的联接。一种这样类型的管状外套形的中间元件可以以简单的方式制造，并且提供在钻杆和套管之间正常而可靠的力传递，所述钻杆直接与用于进行钻孔工作的钻头联接。
为了将分开的冲击或压应力特别简单且可靠地传递到管状外套上，按照另一种优选的实施方式，建议设置一管状外套形的中间元件，用于传递通过钻杆施加到管状外套上的压应力。
即使在大的钻孔长度上，为了能够将可能必需的大的力施加到管状外套和基本上与钻孔尺寸一致的且由此承受较大摩擦阻力的套管上，按照另一种优选的实施方式，建议在钻杆和套管之间、以及在钻杆和管状外套的远离钻头的端部之间的管状外套形的中间元件的接触面(Anschlagflche)分别由一个与钻杆、套管及管状外套的纵向轴线成锐角的接触面构成，所述接触面与钻杆的或一个与其联接的转接器的相应的、互补的接触面共同作用。这样类型的接触面可以相应地成本低廉且精确地提供，以便正常且可靠地将力传递或施加到套管和管状外套上。
按照另一种优选的实施方式，建议在钻杆和套管之间的中间元件的接触面大于在钻杆和管状外套的远离钻头的端部之间的中间元件的接触面，由此保证，如上面所述，传递到套管上的张应力大于施加在管状外套上的冲击应力。
为了一种正常的钻孔推进，按照另一种优选的实施方式，建议钻头以已知的方式相对于套管和/或管状外套可旋转地支承，以便可靠地防止，除了钻头在钻孔过程中必要的旋转运动之外，套管和管状外套直线地插入到钻孔的内部。
如上面多次提及，通过套管实现目标定向且准确的钻孔，通过套管的外径超过管状外套的外径，钻孔还得到额外的支持。由此套管的外径可以精确地与要制造的钻孔的尺寸一致，其中套管具有一个相应短的长度，以便可以可靠地克服由于一个套管的配合精确的贴靠在钻孔内壁上产生的摩擦力，同时具有相应减小的直径的、与其相邻的管状外套能够容易地、没有大的摩擦阻力地插入到钻孔的内部。
为了支持制造目标准确的钻孔，按照另一种优选的实施方式，建议套管具有相对于管状外套加厚的横截面和/或增强的强度。由此套管具有一个加厚的横截面和/或增强的强度，从而保证通过套管的强度和刚度防止所希望钻孔方向的偏差。
为了特别简单和可靠地连接彼此邻接的管状外套元件，按照另一种优选的实施方式，建议设置套筒型的元件用于连接彼此邻接的管状外套元件，这些套筒型的元件分别搭接所述管状外套元件的彼此邻接的端部区域，并且设计为或可设计为具有凸出部或凸起部，所述凸出部或凸起部嵌入到管状外套元件圆周上的互补的凹部或凹槽。所述嵌入到互补的凹部或凹槽的凸出部或凸起部不仅可以简单且成本低廉地制造，而且也在通常粗钻孔作业中，在延长管状外套段时，与通常的螺纹连接相比，使一种可靠的连接或联接可以为一种简单的连接。此外，这样的凹部或凹槽以及凸出部或凸起部不轻易地受到损坏，如这在用于延长管状外套元件的已知的螺纹连接上会发生。
为了特别简单地连接彼此相邻的管状外套元件，按照另一种优选的实施方式，建议套筒型的元件在凸出部或凸起部的区域内设计为具有减小的材料横截面，并且所述凸出部或凸起部可以设计为，在将套筒型的元件设置在彼此要连接的管状外套元件的外圆周上之后，与管状外套元件的凹部相应。
除了用于连接彼此相邻的管状外套元件的、被建议的套筒型的元件外，按照另一种优选的实施方式，建议设置额外的固定元件例如栓形的销钉或栓钉，以便定位和/或固定套筒型的元件，由此能够相应可靠地保持连接位置。
为了从钻头区域中特别可靠地运出挖掘材料，按照另一种优选的实施方式，建议在套管固定在钻头和/或与其相连的冲击块或转接器上的区域内设置至少一个通孔，将用于挖掘材料置入到钻杆的外圆周和套管及与其相连接的管状外套的内圆周之间形成的环形腔中。
为了支持挖掘材料的运出以及将材料置入到套管及与其相连接的管状外套和钻杆的外圆周之间的环形腔的内部，按照另一种优选的实施方式，建议钻头以及一个与其相连接的转接器在其远离工作面的背面上设有多边形成型结构，该成型结构在相对于套管的回缩时进入到转接器或与套管联接的中间元件的一个互补的、多边形的容纳孔中。
除了可能将挖掘材料直接置入到套管和钻头的连接位置的区域内之外，按照另一种优选的实施方式，建议在套管的圆周上，与钻头和/或转接器和套管之间的连接位置间隔距离地设置至少一个通孔，该通孔通入到在钻杆的外圆周与套管的内圆周之间限定的环形腔的内部。
以下借助于在附图中示意示出的各实施例更详细地说明本发明。附图中图1示出一个用于实施按本发明的方法的按本发明的装置的剖视图；图2与图1类似地示出按本发明的装置的部分剖视的侧视图；图3以放大的比例示出一个按本发明的装置的转接器，该转接器用于钻头与钻杆的联接，也用于将张应力传递到与钻头相连的套管上；图4示出在钻杆与管状外套之间联接的区域的剖视图，用于将冲击或压应力施加在按本发明的装置的管状外套上；图5示出中间元件的透视图，其中图5a示出用于将钻杆的压应力传递到管状外套上的中间元件，图5b示出用于将钻杆的张应力传递到套管上的中间元件；图6以放大的比例示出在相邻的管状外套元件之间的连接；图7示出沿图6的VII线贯穿相邻管状外套元件的连接的一个剖视图，其中图6示出按图7中箭头VI方向的一个视图；图8与图2类似地示出一个按本发明的装置的侧视图，其中只示出用于运出挖掘材料的套管的区域；图9示出按照图8结构的部分剖视图，其中与在图8中一样，钻头与套管间隔一段距离地设置；图10与图9类似地示出钻头处于一个顶靠在套管上的回缩位置上；图11示出在套管的前部区域内沿图8中XI-XI线的剖视图；图12以放大的比例示出图11的XII区域的详视图。
具体实施例方式
按照图1和2的视图可看出，一个整体的以1标注的、用于钻孔或旋转冲击钻孔的装置具有一个以2示意示出的钻头，该钻头设计为通过一根钻杆3用于冲击或旋转冲击钻孔，以便挖掘在图1和2中没有详细示出的材料。
一个具有相对厚的横截面以及较高强度的套管4与钻头2连接，其中在远离钻头2的端部上套管4具有一个容纳孔5，一个管状外套6容纳在该容纳孔中，管状外套6不仅具有与套管4的直径D相比较小的直径d，而且还具有较小的壁厚和较小的强度。
钻头2与钻杆3通过一个在图3中详细示出的转接器7直接联接，其中通过该转接器7也实现随动、尤其是通过在图5b中详细示出的中间元件8实现套管4的张应力。
套管4具有一个相对大的长度，除了相应的强度之外，还具有一个直径D，该直径最大程度地与通过钻头2构成的、未详细示出的钻孔的尺寸相应，在考虑这个事实的情况下，通过套管4保证可以实施目标准确的钻孔。
在套管4远离钻头2的端部上容纳在一容纳孔5中的管状外套6通过在图4和5a中详细示出的另一个中间元件10，也通过钻杆3承受压应力，以便管状外套6按箭头11在钻头2的推进时同样插入到钻孔中。
在图3中以放大的比例示出的转接器7上可看出，该转接器具有一个接触面12，该接触面与在图5b中示出的中间件8的一个设计为相应互补的接触面13共同作用，以便在转接器7沿箭头9的方向的加载时，除了钻头2的推进之外，通过旋入到螺纹连接14中的、在图3中未详细示出的钻杆实现套管4的随动。
此外，在按照图3的视图上，在转接器7中示出用于冲洗钻头2和/或带动挖掘材料的通道15以及出口16，如这在下面将更详细地说明。
设置中间元件10用于冲击或压力加载管状外套6，该中间元件在图4和图5a中详细地示出。中间元件10和后面的管状外套6的随动再次通过在伸出于钻孔的钻杆3的区域内的一个接触面17实现，其中钻杆3的接触面17与一个相应互补的接触面18共同作用。
尤其从图3至5可看出，无论转接器7还是钻杆3的接触面以及管状外套形的中间元件8和10的接触面13和18都分别倾斜于在图4中以19示出的的钻杆的纵向轴线。
从图5a和5b中可看出，在钻杆3和管状外套6之间设置的中间元件10的接触面18小于在转接器7和由此钻杆3及套管4之间的中间元件8的接触面，以便总体上在钻杆3向前推进的运动中，传递到套管4的力大于传递到管状外套6的力，以便保证，套管4如管状外套6一样至少以相同的尺寸插入到钻孔中。此外由此出发，为了将套管4插入到钻孔中，由于套管4的外径与钻孔壁之间的较大的直径和由此较大的摩擦阻力，用于正常地插入套管4的较大的力是必需的。
此外，在图4中示出由销钉或栓钉20额外地固定管状外套6。
为了在图6和7中示出的、在相邻的管状外套元件6′和6″之间一种简单的连接，分别设置一套筒型的元件21，其中示出朝管状外套6内部突出的凸出部或凸起部22，该凸起部嵌入在管状外套相应的凹部或凹槽23中，以便可靠地连接相邻的管状外套元件6′和6″。所述凸出部或凸起部22可以已经预先设计好，以便套筒元件21在连接相邻的管状外套元件6′和6″时必须具有相应的弹性，或者它们在套筒型元件的设置在要连接的管状外套元件6′和6″的区域内之后，可以通过一个简单的工具构造在预定断裂位置的区域内。
在图1和2的示意图中已经示出与钻头2间隔距离的在套管4中的多个出口24，其中借助图8至12，详细地探讨从钻头2的区域运出材料。
除了与钻头2间隔距离的出口24以外，其中在套管4的外圆周上相应地设置下沉或下凹的、沿纵向方向延伸的区域25，通过该区域以26示意示出的挖掘材料被输送到出口24的区域内，由此出发，在钻头2的背面上，在套管4的端面27的区域内，所述材料到达伸入到图8和9中示出的钻孔位置中的转接器7的前端部分的区域中。
如从图11和12中以及从图5b中示意示出的管状外套形中间元件8中可以看出，在连接钻头2的区域中，转接器7设计为多边形，尤其设计为基本上带有倒圆角的三角形，以便在所述部分中可以实现将所述材料置入钻杆3或转接器7和套管4之间的环形腔或空腔中。通过转接器7和中间元件8突出于套管4中的部分区域的多边形的结构32、33保证最大程度地磨碎位于钻头2后面的挖掘材料，以便能可靠地运出。
此外，为了正常地运出尤其是通过出口24被置入到套管4和钻杆3之间的环形腔的材料，在钻杆3的前部区段上设计了一引导装置28，该引导装置由一螺纹状的成型结构(Profilierung)或一输送蜗杆构成。此外，输送蜗杆或引导装置28在图1和2中已经示意地示出。
在钻头2和钻杆3逆时针方向的旋转运动时，通过输送蜗杆或引导装置28可以实现挖掘材料穿过套管4和钻杆3之间的环形腔31，也穿过钻杆3和与套管4相连的管状外套6之间的环形腔的可靠的运出。
除了一个尤其是通过具有相对较大厚度和加厚横截面的套管4实现目标定向且准确的钻孔，通过一个有针对地输送挖掘材料可以改善钻进速度，也可以提高方向准确性。
对于定期清理尤其是可能被要运出的材料阻塞的出口24，钻头2可以沿箭头29回拉顶靠在套管4上，由此实现引导装置或输送蜗杆28相对于出口24的移动，以便通过带动作用(Mitnahme-effekt)可实现出口24的清理效果。此外，通过钻杆2与原本的挖掘方向相反的旋转运动亦即例如在图9和10示出的视图中的顺时针方向，可以通过输送蜗杆28的相反的输送方向进行出口24的清理。
在完成清理之后，钻头2再次沿图9的箭头30的方向加载，继续进行挖掘过程。
此外，通过将力从钻杆3传递到套管4以及管状外套6上，在中间连接管状外套形的中间元件8和10的情况下保证，与钻杆3直接联接的钻头2可以加载为旋转运动而且也可以加载为冲击运动，而无论套管4还是管状外套6仅仅沿轴向方向或待制出的钻孔的纵向方向无旋转应力地插入到钻孔中。
权利要求
1.一种用于在土壤或岩石材料中钻孔尤其是冲击或旋转冲击钻孔的方法，其中通过一个支承在钻杆(3)上的钻头(2)，借助冲击和/或旋转的运动形成钻孔，并且一个与钻头(2)联接的管状外套(6)插入到该钻孔中，其特征在于，管状外套(6)在与钻头(2)联接的套管(4)的、远离钻头(2)的工作面的端部上容纳在一容纳孔中，并且管状外套(6)在远离钻头(2)的端部上承受冲击或压应力。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在远离钻头(2)的端部上作用到管状外套(6)的压应力选择为小于由钻头(2)施加到套管(4)上的张应力。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，钻头(2)以本身已知的方式相对于套管(4)和/或管状外套(6)可旋转地支承。
4.按权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，通过在钻头(2)和套管(4)之间的连接位置的区域内的至少一个孔和/或通过一个与钻头(2)和套管(4)之间的连接位置间隔距离地设置的通孔，将挖掘材料置入到在钻杆(3)的外圆周和套管(4)及与其相连接的管状外套(6)的内圆周之间限定的环形腔中，并且从钻孔中运出。
5.一种用于在土壤或岩石材料中钻孔尤其是冲击或旋转冲击钻孔的装置，其中一个支承在钻杆(3)上的钻头(2)通过冲击和/或旋转的运动形成钻孔，并且一个与钻头(2)联接的管状外套(6)可以插入到该钻孔中，其特征在于，管状外套(6)在与钻头(2)联接的套管(4)的、远离钻头(2)的工作面的端部上容纳在一容纳孔(5)中，冲击或压应力施加到管状外套(6)的远离钻头(2)的端部上。
6.按权利要求5所述的装置，其特征在于，设置一个管状外套形的中间元件(8)，用于传递通过钻杆(3)施加到套管(4)的张应力，以使套管(4)与钻头(2)联接。
7.按权利要求5或6所述的装置，其特征在于，设置一个管状外套形的中间元件(10)，用于传递通过钻杆(3)施加到管状外套(6)上的压应力。
8.按权利要求6或7所述的装置，其特征在于，在钻杆(3)和套管(4)之间、以及在钻杆(3)和管状外套(6)的远离钻头(2)的端部之间的管状外套形的中间元件(8、10)的一接触面(13、18)分别由一个与钻杆(3)及套管(4)和管状外套(6)的纵向轴线(19)成锐角的接触面构成，所述接触面与钻杆(3)的或与其联接的转接器(7)的相应的、互补的接触面(12、17)共同作用。
9.按权利要求8所述的装置，其特征在于，在钻杆(3)和套管(4)之间的中间元件(8)的接触面(13)大于在钻杆(3)和管状外套(6)的远离钻头(2)的端部之间的中间元件(10)的接触面(18)。
10.按权利要求5至9任一项所述的装置，其特征在于，钻头(2)以本身已知的方式相对于套管(4)和/或管状外套(6)可旋转地支承。
11.按权利要求5至10任一项所述的装置，其特征在于，套管(4)的外径(D)超过管状外套(6)的外径(d)。
12.按权利要求5至11任一项所述的装置，其特征在于，套管(4)具有一个相对于管状外套(6)加厚的横截面和/或增强的强度。
13.按权利要求5至12的任一项所述的装置，其特征在于，为了连接彼此相邻的管状外套元件(6′、6″)设置套筒型的元件(21)，所述套筒型的元件分别搭接所述管状外套元件的彼此邻接的端部区域，并且设计或可设计有凸出部或凸起部(22)，所述凸出部或凸起部嵌入到在管状外套元件(6′、6″)圆周上的互补的凹部或凹槽(23)中。
14.按权利要求13所述的装置，其特征在于，所述套筒型的元件(21)在凸出部或凸起部(22)的区域内设计有减小的材料横截面，并且所述凸出部或凸起部(22)可以设计为，在将套筒型的元件设置在彼此待连接的管状外套元件(6′、6″)的外圆周上之后，与管状外套元件(6′、6″)的凹部(23)相应。
15.按权利要求13或14所述的装置，其特征在于，设置额外的固定元件(20)例如栓形的销钉或栓钉，用于定位和/或固定套筒型的元件(21)。
16.按权利要求5至15任一项所述的装置，其特征在于，在套管(4)固定在钻头(2)和/或一个与其相连的冲击块或转接器(7)上的区域内设置至少一个通孔，用于将挖掘材料置入到钻杆(3)的外圆周和套管(4)的及与其相连接的管状外套(6)的内圆周之间的环形腔(31)中。
17.按权利要求16所述的装置，其特征在于，钻头(2)或一与其相连接的转接器(7)在其远离工作面的背面上设有多边形的成型结构(32)，该成型结构在相对于套管(4)回缩时进入转接器(7)的或用于与套管(4)联接的中间元件(8)的一个互补的、多边形的容纳孔(33)中。
18.按权利要求16或17所述的装置，其特征在于，在套管(4)的圆周上，与钻头(2)和/或转接器(7)及套管(4)之间的连接位置间隔距离地设置至少一个通孔(24)，该通孔通入到在钻杆(3)的外圆周和套管(4)的内圆周之间限定的环形腔(31)的内部中。
全文摘要
一种用于在土壤或岩石材料中钻孔尤其是冲击或旋转冲击钻孔的方法和装置，其中通过一个支承在钻杆(3)上的钻头(2)，借助于冲击和/或旋转的运动形成钻孔，并且一个与钻头(2)联接的管状外套(6)插入该钻孔中，规定管状外套(6)在一个与钻头(2)联接的套管(4)的、在远离钻头的工作面的端部上容纳在一容纳孔(5)中，并且管状外套(6)在远离钻头(2)的端部上承受冲击或压应力，由此实现方向准确的钻孔。
文档编号E21B7/20GK1863980SQ200480028735
公开日2006年11月15日 申请日期2004年9月28日 优先权日2003年10月1日
发明者J·莫西福尼克, R·埃格－莫西福尼克 申请人:泰西莫开发销售有限公司