DE2327851A1 - Verfahren und vorrichtung zur verstaerkung des gesteins eines gebirgsverbandes, insbesondere in bergwerksgruben des untertagebaus - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur verstaerkung des gesteins eines gebirgsverbandes, insbesondere in bergwerksgruben des untertagebausInfo
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Description
DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖN WALD
DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLDPSCH DIPL-ING. SELTING
KÖLNl.DEICHMANNHAUS
30. Mai 1973 Sch-DB/ls
EXCHEM HOLDINGS LIMITED
31-35 Wilson Street, London EC2M 2UA, England
Verfahren' und Vorrichtung zur Verstärkung des Gesteins eines Gebirgsverbandes, insbesondere in
Bergwerksgruben des Untertagebaus
Die Erfindung betrifft die Verstärkung von Gestein und schlägt ein Verfahren vor zur Stabilisierung bzw.
Verfestigung schwacher Gesteinsformationen, wie sie beispielsweise in Bergwerksgruben vorkommen. Außerdem
wird eine Verstärkungseinlage zur Durchführung des Verfahrens angegeben.
Es ist bekannt, um Untertageöffnungen verhältnismäßig kurze, im wesentlichen 1,5 bis 2,1 m lange Gesteinsstahlbolzen
anzuordnen, um die Gebirgsschicht in unmittelbarer Nähe der öffnungen zu stabilisieren und
zu versteifen. Derartige Gesteinsbölzen werden im Gestein durch aufweitbare Schilde oder durch Keilanordnungen
verankert oder sie werden an ihrem inneren Ende durch rasch abbindendes Klebmittel fixiert, das
im allgemeinen auf einem ungesättigten Polyesterharz
basiert. Derartige endseitig veranlagte Gesteinsbolzen werden durch eine Mutter gespannt, die gegen die Ge-
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steinsfläche um das den Gesteinsbolzen enthaltende
Bohrloch wirkt. Die Spannung innerhalb eines auf diese Weise festgespannten Bolzen vermittelt eine Kraft,
die die Trennung der Gebirgsschicht bzw. der Relativbewegung von nebeneinanderliegenden Blöcken gebrochenen
Gesteins hemmt und daher kann die Verwendung solcher Bolzen in angemessenen Abständen eine Spannungszone von Versteifung um einen Minengang oder andere
öffnungen Untertage schaffen.
Bei einer anderen bekannten Verstärkung wird so vorgegangen, daß die Verstärkungseinlage, beispielsweise
ein Bolzen aus Metall, Holz oder verstärktem Kunst stoff, über seine gesamte Länge in einem extra für
diesen gebohrten Bohrloch festgeklebt wird, wobei eine an sich bekannte geeignete Harz- oder Verkittungsklebmischung
verwendet wird. Derartige Verstärkungselemente werden nicht gespannt, jedoch vermitteln sie
aufgrund ihrer innigen Verbindung mit dem Gestein maximale örtliche Versteifungskräfte um jegliche Grenzflächen,
an denen Zug- und Druckkräfte Störungen hervorrufen, die sich als Unterbrechung des ursprünglichen
Zusammenhanges der Gesteinsverbände äußern. Die Klebmischung für solche Verstärkungselemente kann
vor Einführen des Verstärkungselementes in das Bohrloch eingepumpt werden oder sie wird in einer oder mehreren
zerbrechlichen Kapseln in das Bohrloch eingebracht, die anschließend zerbrochen werden und deren
Inhalt durch Drehung des Verstarkungselementes bei seiner Einführung in das Bohrloch aktiviert wird. In
der Praxis ist wegen der normalerweise in Grubenschächten vorhandenen beengten Raumverhältnisse die Länge
des Verstärkungselementes auf 1,8 bis 2,4 m beschränkt,
obwohl unter besonderen Umständen auch bereits Bolzen bis zu etwa 6 m Länge um Grubenöffnungen Untertage
angebracht worden sind.
Die verhältnismäßig schmale Gesteinsschicht, die mit den beschriebenen herkömmlichen. Verstärkungselementen
ausgesteift werden kann, befindet sich normalerweise im engeren Bereich um einen Grubenschacht bzw. eine
Grubenstrecke, jedoch ist eine viel größere Tiefe zeitweiliger Verstärkung erforderlich, um Störungszonen
auf Langfrontbau-Kohlenschichten zu versteifen. In der Praxis ist es wünschenswert, etwa 15 bis 30 m der
abzubauenden Lagerstätte und der unmittelbar anschliessenden Dachschicht nach vorne zu verstärken, um eine
optimale Stabilisierung zu erzielen. Eine wirkungsvolle Verstärkung nach vorne bis in diese Tiefen wurde
bisher durch miteinander verbundene Holzbolzen mit einem Durchmesser von 36 mm erreicht, die in ihnen
angepaßte Bohrlöcher eingesetzt wurden. Bei der angewandten Technik des Einpumpens von Harzkleber über
die Außenfläche des vorher eingesetzten Bolzens vom offenen Ende des Bohrloches her ist es erforderlich,
ein Rohr bzw. einen Schlauch vorzusehen, um die Bohrlochsohle zu entlüften, damit der Kleber den gesamten
Ringraum zwischen dem Bolzen und dem Gestein lufteinschlußfrei ausfüllt. Um Bolzen mit einem Durchmesser
von 36 mm und ein Entlüftungsrohr mindestens 15 m tief in ein Bohrloch in flachem gestörtem Gestein einzubringen,muß
das Bohrloch einen Durchmesser von wenigstens 50 mm, vorzugsweise 60 mm aufweisen. Das Bohren
eines solchen Bohrloches bringt zahlreiche Schwierig-
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keiten mit sich und außerdem bedingt es den Verbrauch verhältnismäßig großer Mengen Harzkleber, um den großen
Ringraum zwischen den Bolzen und der Bohrlochwandung auszufüllen. Außerdem sind Spezialbohrvorrichtungen
erforderlich, da die Standardvorrichtungen zur Anbringung normaler Sprenglöcher in Bergwerksgruben nur Löcher
mit einem Durchmesser von etwa 43 mm zu bohren in der
Lage sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ver-Stärkung des Gesteins eines Gebirgsverbandes, z.B. von
Langfrontbau-Kohlenschichten im Untertagebau zu schaffen, das die Verwendung herkömmlicher Sprengloch-Bohrmaschinen
gestattet und bei dem das Bohren von Bohrlöchern verhältnismäßig großen Durchmessers der Größenordnung
von 50 mm und mehr entfällt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man in das Gestein ein Bohrloch bohrt, daß in das Bohrloch mindestens
ein Rohrelement eingeführt wird, das aus mehreren längsgerichteten
hülsenartig zusammengefügten Ringsegmenten besteht, die in Längsrichtung zueinander versetzt auf
einem koaxial angeordneten Innenrohr befestigt sind, daß man die Einführung des Rohrelementes fortsetzt, bis
sein inneres Ende gegen die Bohrlochsohle anliegt und sein äuteres Ende in den Bohrlochmund hineinragt, daß
von außen eine Klebmittelmasse durch das Innenrohr des Rohrelementes in das Bohrloch so lange eingeführt wird,
bis die Klebmittelmasse am inneren Ende des Rohrelementeä
ausströmt und durch den Ringraum zwischen Rohrelement und Bohrlochwand zurückgeflossen ist, wobei die
Klebmittelzuführung fortgesetzt wird, bis der Ring-
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raum im wesentlichen mit der Klebmittelmasse ausgefüllt ist, und daß man danach die Klebmittelmasse aushärten
läßt, .damit sich die von dem Rohrelement gebildete Verstärkungseinlage mit dem Gestein verbindet.
Zweckmäßig weist die Verstärkungseinlage mehrere hintereinander angeordnete Rohrelemente auf, die jeweils
aus mehreren längsgerichteten Ringsegmenten gebildet sind, welche in Längsrichtung zueinander versetzt auf
einem koaxialen Innenrohr befestigt sind. Dabei können die Innenrohre aufeinanderfolgender Rohrelemente über
ein Verbindungsglied miteinander verbunden sein, das die Endteile aufeinanderfolgender Rohrelemente zusammenhält
.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Ver-Stärkungseinlage
aus einem durchgehenden unterbrechungslosen Innenrohr gebildet sein, auf dem mehrere längsgerichtete
Ringsegmente in Längsrichtung zueinander versetzt befestigt sind.
Die Ringsegmente der die Verstärkungseinlage bildenden Rohrelemente können aus jedem geeigneten Material,
z.B. Holz, Metall, synthetischen Thermoplasten oder wärmehärtbaren Materialien, Asbestzement oder harzgebundenen
Glasfasern bestehen, während das Innenrohr beispielsweise aus sythetischem Kunststoff wie z.B.
Polyäthylen hergestellt sein kann.
Vorzugsweise haben die Ringsegmente der Rohrelemente halbzylindrischen Querschnitt. Sie können jedoch gegebenenfalls
auch andere Querschnittsformen zeigen.
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Als Verbindungsglied zur Befestigung mehrerer im Sinne des ersten Ausführungsbeispieles aneinandergereihter
Rohrelemente kann beispielsweise eine Rohrhülse verwendet werden, in die die Rohrelemente passend eingesteckt
werden oder es kann ein vom Innenrohr an einem Ende eines Rohrelementes vorstehender Zapfenteil vorgesehen
sein, der in ein Ende des Innenrohres des folgenden Rohrelementes steckerartig einschiebbar ist.
Um die Gefahr zu verringern, daß das innere Ende der Verstärkungseinlage während der Einführung in das Bohrloch
von Bohrstaubresten blockiert wird, ist es zweckmäßig, das innere Ende der Verstärkungseinlage mit einem
rohrförmigen, durchbrochenen Vortriebskopf mit geschlossenem Vorderende auszustatten. Der Vortriebskopf
hat einen im wesentlichen zylindrischen Körper, der zum geschlossenen Vorderende hin verjüngt ausgebildet
ist, um die Einführung der Verstärkungseinlage in ungleichmäßige Bohrlöcher zu erleichtern. Außerdem
weist der Vortriebskppf auf seiner Mantelfläche mehrere Austrittsdurchbrechungen auf, durch die die Klebmittelmasse
in den die Verstärkungseinlage im Bohrloch umgebenden Ringraum austritt. Die Durchbrechungen sind
vorteilhaft im wesentlichen symmetrisch über den Körper des Vortriebskopfes verteilt angeordnet.
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Die Erfindung wird anhand gezeichneter Beispiele näher erläutert. Es zeigen;
Fig. 1 eine Ansicht des Endteiles eines Rohrelementes, aus dem eine Ausführunsjsform einer Verstärkung hergestellt
werden kann,
Fig. 2 einen Teillängsschnitt einer zweiten AusfUhrungs-
form einer Verstärkung und
Fig. 3 eine Ansicht eines Vortriebskopfes für eine Verstärkungsanordnung.
Gemäß Fig. 1 weist ein Rohrelement, das mit vielen gleichgestäfceten
Elementen zur Herstellung einer Verstärkung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dient, zwei längsverlaufende
Ringsegmente 2 halbzylindrischer Formgebung auf, die zueinander versetzt auf einem koaxial vorge-
sehenen Innenrohr 1 angebracht sind. ·
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Verstärkung, bestehend aus einem durchgehenden Innenrohr 1, das von vielen
halbzylindrischen Ringsegmenten 2 umgeben ist, die zueinander versetzt auf dem Rohr 1 angeordnet sind, so
daß an Jeder Stelle wenigstens die Hälfte der Zugfestigkeit der Verstärkungsanordnung vorhanden ist. In der
Praxis kann das Innenrohr 1 beispielsweise aus flexiblem oder halbstarrem Kunststoffmaterial oder aus Metall
bestehen und kann von einer Spule in einer unterbrechungslosen
Länge in das Bohrloch eingeführt werden. Die halbzylindrischen Ringsegmente 2 können in passenden
Längen, z.B. 1 bis 2 m vorgesehen werden und sie können
auf dem Rohr 1 beispielsweise mittels Klebband bzw. Metall- oder Kunststoffklammern befestigt werden.
Fig. 3 zeigt einen Vortriebskopf, der mit der Verstärkung
der Fig. 1 oder 2 verbindbar ist. Der Vortriebskopf besitzt einen Rohrkörper 1, der ein sich verjüngendes
kegliges geschlossenes Vorderende 2 aufweist. Mehrere Durchbrechungen 3 sind im wesentlichen symmetrisch
über die Fläche des Rohrkörpers 1 verteilt.
Als Klebmittelmasse kann für das erfindungsgemäße Verfahren eine Klebmasse oder vorzugsweise eine Harzmischung
verwendet werden, die vorteilhaft auf einem ungesättigten Polyesterharz basiert.
Die folgenden Beispiele geben einen weiteren Einblick in Ausgestaltungen der Erfindung.
Zur Herstellung von Rohrelementen nach Fig. 1 wurde das Innenrohr 1 aus hochverdichtetem Polyäthylenrohr
mit einem Innendurchmesser von l6 mm und einem Außendurchmesser von 19 mm gefertigt, während die Ringsegmente
2 aus halbkreisförmigen Ringabschnitten von HoIzleisten aus Kerning-Holz mit einem Innendurchmesser
von 19 mm und einem Außendurchmesser von J>6 mm gebildet
waren. Das Kunststoffrohr und die Holzleisten wurden zu 167,64 cm langen Stücken geschnitten und dann
mit einer Längsversetzung so zusammengefügt, daß die Gesamtlänge des fertigen Rohrelementes 182,8 cm betrug,
wobei jedes Ende des Innenrohres in der Mitte zwischen
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den jeweiligen Enden von zwei halbkreisförmigen hölzernen
Ringsegmenten zu liegen kam. Es wurde ein rasch aushärtender Kleber auf der Basis ungesättigten Polyesterharzes
benutzt, um das Innenrohr mit den Ringsegmenten zur Bildung des Rohrelementes zu verbinden. Auf ein
Ende des Rohrelementes wurde dann ein 20,32 cm langes
Polyäthylenrohr hoher Dichte mit einem Innendurchmesser von 36 mm und einer Wandstärke von 0,5 mm aufgeschoben,
das mit Klebeband so befestigt wurde, daß 2,54 cm des
Polyäthylenrohres Über das eine Ende des Rohrelementes
vorstehen, wodurch ein Verbindungsglied zum Anschluß eines anderen Rohrelementes entsteht.
In eine Störungsstelle auf einer Langfrontbau-Kohlenschicht wurde ein waagerechtes Bohrloch von 43 mm
Durchmesser und 13,4 m Länge gebohrt. Sodann wurde das beschriebene Rohrelement mit einem sich verjüngenden
VortPiebskopf nach Fig. 3 ausgerüstet. Dieser Vortriebskopf hatte einen Durchmesser von 36 mm und eine Länge
von 300 mm und war mit sechszehn Durchbrechungen von
je 10 mm Durchmesser versähen, die etwa regelmäßig über seine Fläche verteilt waren. Das Rohrelement mit dem
angesetzten Vortriebskopf wurde in das Bohrloch eingeführt und ein anderes ähnliches Rohrelement wurde durch
Einsetzen in das offene Ende des 36 mm weiten Verbindungsgliedes
angeschlossen. In ähnlicher Weise wurden weitere sechs entsprechende Rohrelemente aneinandergefügt
bis der Vortriebskopf das innere Ende des Bohrloches erreicht hatte. Die Kunststoffverbindungsglieder
wurden sodann vom Ende des letzten Rohrelementes entfernt, das über die Mündung des nunmehr mit einer
Verstärkung ausgerüsteten Bohrloches vorstand.
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An das äußere Endes des Kunststoffinnenrohres der Verstärkungseinlage
wurde eine Zuleitung von einer handbetätigten Membranpumpe angeschlossen und es wurde durch
die Verstärkung zur Bohrlochsohle Bindemittel auf der Basis ungesättigten Polyesterharzes gepumpt. Das Bindemittel
strömte durch den Vortriebskopf und zurück längs des Ringraumes zwischen der Verstärkungseinlage und
der Bohrlochwandung.' Der Pumpvorgang wurde unterbrochen als das Harzbindemittel im Ringraum an der Bohrlochmündung
erschien. Das Bindemittel auf Harzbasis enthielt zusätzlich zu ungesättigtem Polyesterharz
50 Gew.-% Inert-PUller und 1 Gew.-J^ von pyrogenem Siliciumdioxyd
und war aktiviert durch ein Benzoylperoxyd/ Amin-Beschieunigersystem bekannter Art.
Eine Reihe von Langlochverstärkungseinlagen wurden wie _ beschrieben mit Abständen von etwa 1 m über die gesamte
Störzone der Kohlenschicht angebracht. Nach Aushärtung des eingepumptenHarzbindemittels wurde die Kohle mit
herkömmlichen Abbaumaschinen gewonnen und durch den Stabilisierungseffekt der Verstärkungseinlagen wurden
sehr wesentliche Verbesserungen der Bodenverhältnisse festgestellt.
Es wurden Spulen von hochdichtem Polyurethanrohr mit einem Innendurchmesser von 16 mm und einem Außendurchmesser
von I9 mm in Längen von 13*71 m vorbereitet.
Halbkreisförmige Holzringsegmente mit einem Innendurchmesser von 19 mm und einem 'Außendurchmesser von 36 mm
wurden aus Kerning-Holz zurechtgemacht.
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In das gebrochene Gesteinsdach in der Nähe einer Langfrontbau-Kohlenschicht
wurde ein Bohrloch von 43 mm Durchmesser und einer Länge von 13*^1 m gebohrt. Eines der
halbkreisförmigen hölzernen Ringsegmente von 182 cm Länge und ein anderes 91» ^ cm langes Segment wurden
in der Nähe des Endes einer der Polyathylenrohrspulen miteinander verbunden. Sodann wurde das Verbindungsende
mit einem Vortriebskopf nach Fig. 3 ausgestattet und .#
in das Bohrloch 91,4 cm tief eingeführt, wobei 91,4 cm
eines der Holzringabschnitte· aus dem Bohrloch vorstehend belassen wurden. Sodann wurde ein 182 cm langes
halbkreisförmiges Holzringsegment befestigt und die Verbunfetücke weiterer 91*^ cm in'das Bohrloch vorgetrieben.
Ähnliche Holzringsegmente wurden nacheinander angesetzt, wobei sich an jede Anfügung ein Vorschub von
91,4 cm anschloß, bis der Vortriebskopf die Bohrlochsohle erreichte. Die vorstehenden Teile der Holzsegmente
wurden abgesägt, so daß das Bohrloch eine Verstärkungseinlage gemäß Fig. 2 enthielt. Das äußere Ende
des durchgehenden Polyäthyleninnenrohres wurde dann an die Zuleitung einer Membranpumpe angeschlossen, wie
zu Beispiel 1 beschrieben. Ein Bindemittel auf Harzbasis wurde durch das Innenrohr gepumpt und gegen das
innere Ende des Bohrloches ausgestoßen, bis es in dem Ringraum an der Bohrlochmündung wieder austrat. In das
gebrochene Dach über einem hohlen Flöz wurde ein Muster von Verstärkungseinlagen der beschriebenen Art eingebracht
und die gesamte Anordnung war dafür verantwortlich, daß die Dachverhältnisse wesentlich verbessert
waren als das Kohlenflöz abgebaut wurde.
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Claims (12)
1. Verfahren zur Verstärkung des Gesteins eines Gebirgsverbandes, insbesondere in Bergwerksgruben des Untertagebaus,
dadurch gekennzeichnet,
daß man in das Gestein ein Bohrloch bohrt, daß in das Bohrloch mindestens ein Rohrelement eingeführt
wird, das aus mehreren langsgerichteten hülsenartig zusammengefügten Ringsegmenten besteht,
die in Längsrichtung zueinander versetzt auf einem koaxial angeordneten Innenrohr befestigt sind, daß
man die Einführung des Rohrelementes fortsetzt, bis sein inneres Ende gegen die Bohrlochsohle anliegt
und sein äußeres Ende in den Bohrlochmund hineinragt, daß von außen eine Klebmittelmasse durch das
Innenrohr des Rohrelementes in das Bohrloch so lange eingeführt wird, bis die Klebmittelmasse am inneren
Ende des Rohrelementes ausströmt und durch den Ringraum zwischen Rohrelement und Bohrlochwand zurückgeflossen
ist, wobei die Klebmittelzuführung fortgesetzt wird, bis der Ringraum im wesentlichen mit
der Klebmittelmasse ausgefüllt ist, und daß man danach die Klebmittelmasse aushärten läßt, damit sich
die von dem Rohrelement gebildete Verstärkungseinlage mit dem Gestein verbindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß an das jeweils in das Bohrloch
eingeführte Rohrelement jeweils ein weiteres Rohrelement als Verlängerung angesetzt wir d.
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3· Verfahren nach Anspruch 1„ dadurch g e kennzeichnet,.
daß auf der in das Bohrloch vorrückenden einstückigen Länge des Innenrohres in Längsrichtung zueinander versetzte Ringsegmente
nacheinander befestigt werden,
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3£ dadurch
gekennzeichnet , dal als Klebmittelmasse
eine Klebermischung auf Harzbasis verwendet wird a
ο Verfahren nach Anspruch ks dadurch gekennzeichnetp
daß als Klebmittelmasse eine Mischung auf ungesättigter Polyesterharzbasis •verwendet wird«
ο Verstärkungseinlage zur Verwendung bei der Durchführung
des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5fl dadurch gekennzeichnet fl
daß jeweils mindestens ein Rohrelement vorhanden istj, dag,mehrere längsgerichtete Ringsegmenie (2)
aufweist,, die hülsenartig-zusammengefügt und in
Längsrichtung zueinander versetzt auf einem koaxialen Innenrohr (1) befestigt sind»
7» Verstärkungseinlage nach Anspruch 6„ dadurch
gekennzei chnet , daß jede Verstärkungseinlage mehrere hintereinander angeordnete
Rohrelemente aufweist, und daß die Innenrohre (1) aufeinanderfolgender Rohrelemente über ein Verbindungsglied
miteinander verbunden sind, das die Endteile aufeinanderfolgender Rohrelemente zusammen-
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hält.
8. Verstärkungseinlage nach Anspruch 7* dadurch
gekennzeichnet , daß als Verbindungsglied eine Steckhülse dient.
9· Verstärkungseinlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Innenrohr (1)
über die Gesamtlänge der Verstärkungseinlage durchgehend unterbrechungslos gestaltet ist, und daß die
es als im wesentlichen geschlossene Hülse umgebenden Ringsegmente (2) in Längsrichtung zueinander
versetzt befestigt sind«
10. Verstärkungseinlage nach den Ansprüchen 6 bis IQ,
dadurch gekennzeichnet , daß die Ringsegnente (2) halbzylindrischen Querschnitt aufweisen.
11. Verstärkungseinlage nach den Ansprüchen β bis 93
dadurch gekennzeichnet, daß ihr inneres Ende mit einem rohrförmigenp auf seiner
Mantelfläche mehrfach durchbrochenen Vortriebskopf (1) mit geschlossenem Vorderende (2) versehen
ist.
12. Verstärkungseinlage nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß der Vortriebskopf aus einem im wesentlichen hohlzylindrischen
Körper gebildi ist, der sich zum geschlossenen Vorderende (2) hin verjüngt.
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Γ3. Verstaricungseinlage nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen (J) in der Mantelfläche des
Vortriebskopfes (1) im wesentlichen symmetrisch verteilt angeordnet sind.
Leerseite
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|---|---|---|---|
| GB2610272A GB1384177A (en) | 1972-06-05 | 1972-06-05 | Method of and reinforcing elements for stabilisation of rock |
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