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Verfahren und Vorrichtung zum Sprengen von Mineralien, insbesondere zur Hereingewinnung von Kohle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Sprengen von Mineralien, insbesondere zur Hereingewinnung von Kohle, bei welchen zunächst über in dem anstehenden Mineral hergestellte Bohrlöcher und in diese eingeführte, gegenüber der Bohrlochwandung abgedichtete Tränkrohre das Mineral mit Druckwasser getränkt und anschliessend auf das Druckwasser Druckluft zur Einwirkung gebracht wird.
Vorschläge zur Hereingewinnung von Kohle mittels Druckwasser gehören seit vielen Jahrzehnten zum
Stande der Technik. So hat man beispielsweise vorgeschlagen, den Kohlenstoss zunächst durch in Bohrlö- cher eingeführtes Druckwasser von verhältnismässig niedrigem Druck vorzutränken und anschliessend den Wasserdruck mittels eines Druckübersetzers stark zu erhöhen. Ein anderer Vorschlag geht dahin, das zum Absprengen der Kohle verwendete Wasser der Steigeleitung der Wasserhaltung oder einer hydraulischen Druckanlage zu entnehmen. Dabei soll durch ein von Hand verstellbares Ventil zum Zwecke der Vortränkung der Kohle zunächst der Wasserdruck gedrosselt werden, um erst anschliessend durch Öffnen des Ventils den vollen Wasserdruck auf die Kohle einwirken zu lassen.
Nach einem andern, ebenfalls bereits mehrere Jahrzehnte alten Vorschlag soll an die dichtend verschlossene Bohrlochmündung ein mit Druckflüssigkeit gefüllter Behälter angeschlossen werden, wobei anschliessend auf die Druckflüssigkeit Druckluft zur Einwirkung gebracht wird. Die Druckluft soll hiebei unter gleichzeitiger Expansion das Druckwasser in die Risse, Klüfte und Poren der Kohle hineintreiben, um hiedurch eine nachhaltigere Druckwirkung zu erzielen.
Alle diese bereits sehr alten Vorschläge haben sich in der Praxis vor allem deshalb nicht verwirklichen lassen, weil es nicht möglich war, nach der Vortränkung des Abbaustosses innerhalb der Tränkflüssigkeit eine ausreichend schnelle und nachhaltige Drucksteigerung herbeizuführen, zumal infolge des unmittelbaren Anschliessens der Druckleitung an die Bohrlochmündung ein dichter Abschluss der im Bohrloch vorhandenen Druckwassermenge nur in seltenen Fällen erzielt werden konnte. Lediglich zum Zwecke der Staubbekämpfung ist die Stosstränkung mittels Druckwasser unter Anwendung verhältnismässig niedriger Wasserdrücke (von beispielsweise 10 - 20 at) in den letzten Jahrzehnten angewandt und weiterentwickelt worden.
Dabei wird die Tränkflüssigkeit der anstehenden Kohle über Tränkrohre zugeführt, welche in in der anstehenden Kohle hergestellten Bohrlöchern angeordnet und gegenüber der Bohrlochmündung abgedichtet sind.
Erst in jüngster Zeit hat man diese alten Vorschläge wieder aufgegriffen und versucht, auf ihrem Grundgedanken aufbauend ein schlagwettersichers und ungefährliches Sprengverfahren zu schaffen. Dabei hat man einmal versucht, die bei Anwendung höherer Wasserdrücke unzulängliche Abdichtung der bisher verwendeten Tränkrohre gegenüber der Bohrlochwandung zu verbessern, um ein zu rasches Druckloswerden des am Abbaustoss zugeführten Druckwassers zu verhindern. Ferner hat man versucht, die unzureichende Förderleistung der bisher verwendeten Druckwasserpumpen dadurch auszugleichen, dass zwischen Pumpe und Tränkrohr ein mit Druckluft gefüllter Druckwasserkessel eingeschaltet wird, der vor der Sprengung zu einem wesentlichen Teil mit Druckwasser gefüllt wird.
Die auf diese Weise gespeicherte Druckwassermenge soll nach der Freigabe der Verbindung zum Tränkrohr durch die in ihm befindliche komprimierte Luft in ununterbrochener Strömung in die Risse und Klüfte des Minerals hineingedrückt werden. Da bei diesem Verfahren zunächst das Bohrloch und die sich anschliessenden Poren, Risse und Klüfte des Minerals
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ausgefüllt werden müssen, steigt der auf das Mineral einwirkende Wasserdruck nur verhältnismässig lang- sam an und fällt infolge der sich in unmittelbarer Nähe des Bohrloches bildenden Risse und Klüfte viel- fach bereits wieder ab, bevor eine ausreichende Auflockerung des anstehenden Minerals erreicht ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich eine Absprengung von Mineralien, insbesondere von Kohle, mittels Druckwasser nur dann erreichen lässt, wenn das Mineral zunächst mit einem mässigen
Wasserdruck von beispielsweise 10 - 20 at bis zur möglichst weitgehenden Ausfüllung sämtlicher Poren,
Risse und Klüfte getränkt wird und anschliessend auf die in den Hohlräumen des Minerals befindliche
Druckwassermenge ein schlagartig einsetzender und eine gewisse Zeit anhaltender, möglichst starker
Druckstoss ausgeübt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, die dem Mineral von einem oder mehreren Tränkrohren zugeführte Druckwasserfüllung durch schlagartige Entfernung eines vorzugsweise als
Berstscheibe ausgebildeten Absperrorgans mit einem unter einem Druck von vorzugsweise mehr als 100 at stehenden Druckluftspeicher, insbesondere einem solchen mit einstellbarem Fassungsvermögen, in Ver- bindung zu setzen. Die Entfernung des Absperrorgans muss hiebei so schnell erfolgen, dass sich der volle
Druck der im Druckluftspeicher vorhandenen Druckluft innerhalb eines Bruchteiles einer Sekunde auf die im Bohrloch bzw. in den Rissen und Klüften des Minerals befindliche Druckwassermenge auswirken kann.
Je schlagartiger diese Hochdruckluftbeaufschlagung der Druckwasserfüllung erfolgt, um so besser ist die Sprengwirkung. Hiebei ist es jedoch wesentlich, dass die im Bohrloch sowie in Rissen und Klüften der Kohle befindliche Druckwasserfüllung an einen Druckluftspeicher ausreichender Grösse angeschlossen wird, um zu gewährleisten, dass der auf die Druckwasserfüllung einwirkende Druck auch nach dem beginnenden Öffnen der Schlechten und Spalten des Minerals möglichst lange nachwirkt, um nicht nur eine Zerklüftung sondern auch ein schiebendes Ablösen des Minerals zu erreichen.
Die in dem Druckluftspeicher befindliche hochgespannte Druckluft übt somit bei Entfernung des Absperrorgans zunächst einen explosionsartigen Stoss auf die Druckwasserfüllung aus, während durch die nachschiebende Wirkung der Hochdruckluft das Druckwasser anschliessend weiter in die Klüfte und Ritzen des Minerals hineingetrieben wird, so dass diese unter fortschreitender Expansion der Druckluft bis zur weitgehenden Auflockerung und Ablösung des Minerals geöffnet werden. Das Druckwasser dient somit bei dem erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahren lediglich zu einer gewissen vorbereitenden Auflockerung des Minerals, während das Lösen und Hereingewinnen durch den auf die Druckwasserfüllung ausgeübten Druckluftstoss bewirkt wird.
Die Zuführung der Druckluft darf hiebei erst dann erfolgen, wenn sämtliche Hohlräume im Sprengbereich, d. h. das Bohrloch und die sich an dieses anschliessenden Risse und Klüfte im Mineral, mit Druckwasser gefüllt sind, so dass die volle Expansion der Druckluft für die Sprengung nutzbar gemacht werden kann.
Als besonders wirkungsvoll hat es sich erwiesen, wenn die dem Druckluftspeicher entnommene Hochdruckluft im Bohrlochtiefsten auf die Druckwasserfüllung des Minerals zur Einwirkung gebracht wird. Die im Bohrloch befindliche Tränkflüssigkeit wirkt hiebei als Abdichtung gegenüber der Bohrlochmündung, so dass sich der anfänglich hohe Druckstoss und das anschliessende Nachschieben der sich nur langsam entspannenden Druckluft besonders wirkungsvoll auf das vorgetränkte Mineral auswirken kann.
Bei einer zweckmässigen Ausführungsform wird nach der bei mässigem Wasserdruck erfolgenden Stosstränkung der auf das als Berstscheibe ausgebildete Absperrorgan einwirkende Druckluftdruck von null oder weniger at auf mehr als 100 at gesteigert, derart, dass die Berstscheibe zertrümmert wird und den Durchtritt der Hochdruckluft vom Druckmittelspeicher zur Druckwasserfüllung des Minerals freigibt. Die Verwendung einer Berstscheibe als Absperrorgan besitzt den Vorteil, dass sich der Druck der hochgespannten Druckluft innerhalb einer ausserordentlich kurzen Zeitspanne voll auf die Druckwasserfüllung des Minerals auswirkt, wodurch auch bei relativ festen Mineralien bzw. natürlichen und künstlichen Gesteinen eine gute Sprengwirkung erzielt wird.
Ausserdem besitzt diese Verfahrensweise den Vorteil, dass die Entfernung des Absperrorgans selbsttätig bei einem vorgegebenen, durch entsprechende Dimensionierung der Berstscheibe den jeweiligen Verhältnissen entsprechend anzupassenden Druckluftdruck erfolgt, wodurch das Verfahren von der Aufmerksamkeit und der Sorgfalt der Bedienungsleute weitgehend unabhängig wird.
Der zum Tränken verwendete Wasserdruck richtet sich nach der Art und Beschaffenheit, insbesondere der Festigkeit und der Klüftung, des zu sprengenden Minerals. Bei der Gewinnung von Kohle empfiehlt sich im allgemeinen, mit Tränkdrücken von etwa 10 - 20 at zu arbeiten, obwohl in manchen Fällen auch niedrigere und höhere Tränkdrücke inFrage kommen können. Die Verwendung höherer Tränkdrücke bietet der Vorteil, dass bereits durch die Stosstränkung eine gewisse Auflockerung der Kohle erreicht wird, so dass unter Umständen mit einem Druckluftdruck, der unter 100 at liegt, gearbeitet werden kann.
In der Regel empfiehlt sich für diesen Anwendungsfall die Verwendung von Hochdruckluft von mindestens 150 bis 200 at, wie sie auch für den Antrieb der im Bergbau benutzten Druckluftlokomotiven Verwendung
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findet ; grundsätzlich werden jedoch Druck und Menge der dem Bohrloch zugeführten Hochdruckluft den jeweiligen Verhältnissen, insbesondere der Festigkeit und Klüftung des Minerals sowie dem angewendeten
Tränkdruck, entsprechend verändert, wobei die Verwendung eines Druckmittelspeichers mit einstellbarem Fassungsvermögen besondere Vorteile bietet.
Bei einer zweckmässigen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist der
Druckluftspeicher in einen Vorratsbehälter und eine Arbeitskammer unterteilt, wobei die Arbeitskammer gegenüber dem Vorratsbehälter und der zum Tränkrohr führendenHochdruckleitung dichtend verschliessbar ist. Die für das Abtun jedes Bohrloches erforderliche Druckluftmenge wird hiebei durch Öffnen des zwi- schen Arbeitskammer und Vorratsbehälter vorgesehenen Absperrorgans in die Arbeitskammer eingefüllt, worauf das zwischen Arbeitskammer und Hochdruckleitung vorgesehene Absperrorgan geöffnet wird, der- art, dass sich der Druck der Hochdruckluft auf die am Ende der Hochdruckleitung vorgesehene Berstschei- be auswirken kann.
Das Fassungsvermögen der Arbeitskammer kann hiebei beispielsweise durch Verschieben der Trennwand zwischen Arbeitskammer und Vorratsbehälter den jeweiligen Verhältnissen angepasst werden.
Die zur Durchführung des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahrens erforderliche Hochdruckluft wird zweckmässig ausserhalb des Abbaubetriebspunktes, beispielsweise an einer Ladestation für die Grubenlokomotiven, in den Druckmittelspeicher gefüllt. Der Vorratsbehälter wird hiebei so gross bemessen. dass eine Füllung für das Abtun mehrerer Bohrlöcher ausreicht. Der Druck im Vorratsbehälter kann hiebei trotz fortschreitender Druckluftentnahme durch Volumenverkleinerung des Vorratsbehälters annähernd konstant gehalten werden.
In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen Fig. 1 in schematischer Darstellung die zur Durchführung des Verfahrens verwendeten Vorrichtungen, Fig. 2 eine Ausführungsform eines Tränkrohres im Längsschnitt und Fig. 3 das vordere Ende eines andern Tränkrohres gleichfalls im Längsschnitt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in einem im Abbaustoss 1 vorgesehenen Bohrloch 2 ein Tränkrohr 3 angeordnet. Das Tränkrohr 3 ist, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist, vorzugsweise im Bereich seines vorderen, d. h. dem Bohrlochtiefsten zugekehrten Endes gegenüber der Bohrlochwandung abgedichtet. Am rückseitigen Ende des Tränkrohres 3 ist ein Anschlussstück 4 befestigt, an welches eine im Streb verlegte Druckwasserleitung 5 und eine Hochdruckleitung 6 angeschlossen ist. Die Hochdruckleitung 6 führt zu einem vorzugsweise in der Nähe des Bohrloches im Streb angeordneten Druckluftspeicher 7. Der Druckluftspeicher 7 kann auch in grösserer Entfernung vom Bohrloch 2, beispielsweise in der Abbaustrecke, angeordnet werden.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Druckluftspeicher aus einem zylindrischen Behälter, der durch eine Trennwand 8 in eine Arbeitskammer 9 und einen Vorratsbehälter 10 unterteilt ist. Die gegenüber der Zylinderwandung abgedichtete Trennwand 8 kann axial verschiebbar ausgebildet werden, um den Rauminhalt der Arbeitskammer 9 den jeweiligen Verhältnissen entsprechend ver- ändern zu können. Zwischen der Arbeitskammer 9 und der Hochdruckleitung 6 ist ein von Hand verstellbares Absperrventil 11 vorgesehen. Die Arbeitskammer 9 kann ausserdem über ein weiteres von Hand zu betätigendes Absperrorgan 12 mit dem Vorratsbehälter 10 verbunden werden.
Innerhalb des Druckzylinders 7 ist ein gegenüber seiner Innenwandung abgedichteter fliegender Kolben 13 axial verschieblich geführt. Durch den Kolben 13 wird der durch die Trennwand 8 begrenzte Teil des Druckzylinders 7 in zwei Zylinderkammern 10 und 14 unterteilt, von denen die der Arbeitskammer 9 benachbarte Zylinderkammer 10 mit Hochdruckluft von z. B. 200 at gefüllt ist. Die auf der andern Seite des Kolbens 13 liegende Zylinderkammer 14 ist mit Druckflüssigkeit, z. B. Drucköl, gefüllt und steht unter der Einwirkung eines ab hydraulische Übersetzung wirkenden Differentialkolbens 15. Der Differentialkolben 15 ist in einem hydraulischen Druckzylinder 16 axial verschieblich und dichtend geführt.
Der Druck der Druckflüssigkeit im Druckzylinder 16 wird durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Pumpe ständig konstant gehalten, so dass auf den fliegenden Kolben 13 ein ständig gleichbleibender Flüssigkeitsdruck ausgeübt wird. Hiedurch erreicht man, dass bei Entnahme von Druckluft aus dem Vorratsbehälter 10 dessen Volumen etwa proportional der Druckluftentnahme verkleinert wird, derart, dass der im Vorratsbehälter 10 herrschende Druckluftdruck annähernd konstant gehalten wird.
Der Rauminhalt des als Vorratsbehälter zur Verfügung stehenden Teiles des Druckzylinders 7 wird zweckmässig so gross bemessen, dass eine einmalige Druckluftfüllung des Vorratsbehälters 10 für das Abtun einer grösseren Anzahl von Bohrlöchern ausreicht.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Tränkrohre sind jeweils mit getrennten, bis zu ihrem vorderen, d. h. dem Bohrlochtiefsten zugekehrten Ende reichenden Zuführungsleitungen für das Druckwasser und die
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Hochdruckluft ausgerüstet. In beiden Fällen bestehen die Tränkrohre aus einem der Druckwasserzuführung dienenden Aussenrohr 17, auf dessen rückseitiges Ende das Anschlussstück 4 aufgeschraubt ist. Innerhalb des
Aussenrohres 17 ist ein zu diesem koaxial angeordnetes Innenrohr 18 von wesentlich geringerem Durch- messer vorgesehen, welches sich bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel über die gesamte
Länge des Aussenrohres 17 erstreckt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 endet das Innenrohr 18 in gerin- gem Abstand vom vorderen Ende des Aussenrohres 17.
In diesem Bereich ist das Aussenrohr 17 von einem
Mantelrohr 19 umschlossen, wobei der zwischen Aussenrohr 17 und Mantelrohr 19 verbleibende Ringraum über Anschlussstutzen 20,20a mit dem vorderen Ende des Innenrohres 18 verbunden ist.
Die dem Bohrlochtiefsten zugekehrte Stirnseite des Ringraumes zwischen Aussenrohr 17 und Mantel- rohr 19 ist durch eine Berstscheibe 21 verschlossen. Die hintere Stirnseite des Mantelrohres 19 ist ebenfalls gegenüber der Aussenwandung des Aussenrohres 17 abgedichtet.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Mantelrohr 19 auf einem Teil seiner
Länge aus einem elastisch verformbaren Werkstoff, beispielsweise einer Gummimanschette 19a. In diesem
Bereich ist die Wandung des Mantelrohres elastisch aufweitbar. Bei der Zuführung von Druckluft über das
Innenrohr 18 und die Abzweigkanäle 20, 20a wird die aus Gummi oder einem elastischen Kunststoff bestehende Manschette 19a gegen die Bohrlochwandung gepresst und auf diese Weise ein dichter Abschluss zwi- schen Bohrlochwandung und Tränkrohr erreicht.
Das Innenrohr 18 ist über ein im Anschlussstück 4 angeordnetes federbelastetes Rückschlagventil 22 und ein von Hand verstellbares Absperrorgan 23 an die zum Druckmittelspeicher 7 führende Hochdruckleitung 6 angeschlossen. Über ein weiteres gleichfalls im Anschlussstück 4angeordnetesRückschlagven- til 24 und ein von Hand verstellbares Absperrorgan 25 steht der zwischen Aussenrohr 17 und Innenrohr 18 verbleibende Ringraum mit der Druckwasserleitung 5 in Verbindung.
Bei der Verwendung des in Fig. 2 dargestellten Tränkrohres wird zweckmässig vor dem Öffnen des Absperrorgans 25 durch teilweises Öffnen des Absperrorgans 23 die Dichtungsmanschette 19a bei einem wesentlich unterhalb des Berstdruckes liegenden Druckluftdruck gegen die Bohrlochwandung verspannt. Anschliessend wird durch Öffnen des Absperrorgans 25 die anstehende Kohle bei einem Druckwasserdruck von beispielsweise 10 - 20 at getränkt, worauf anschliessend durch Öffnen der Absperrorgane 11 und 23 der volle Druck der in der Arbeitskammer 9 befindlichenHochdruckluft auf dieBerstscheibe 21 zur Einwirkung gebracht wird.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das bis zum vorderen Ende des Aussenrohres 17 durchgeführte Innenrohr 18 stirnseitig durch eine Berstscheibe 26 verschlossen. Das Aussenrohr 17 ist im Bereich seines vorderen Endabschnittes mit einer aus einem elastischen Werkstoff bestehenden Dichtungsmanschette 27 ausgerüstet, die in bekannter Weise durch in der Zeichnung nicht dargestellte Mittel gegen die Bohrlochwandung angepresst werden kann.
An Stelle der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist es möglich, gegebenenfalls auch mehrere Tränkrohre 3 gleichzeitig mit dem Druckmittelspeicher 7 in Verbindung zu setzen. Hiebei ist es ferner möglich, dem Druckmittelspeicher einen besonderen, beispielsweise in der Abbaustrecke angeordneten Kompressor zuzuordnen, durch welchen der Druckmittelspeicher laufend mit Hochdruckluft versorgt werden kann. Bei Verwendung eines derartigen Kompressors ist es möglich, den Vorratsbehälter 10 kleiner auszubilden und unter Umständen ganz auf einen derartigen Vorratsbehälter zu verzichten, d. h. die Hochdruckluft vom Kompressor unmittelbar der Arbeitskammer 9 zuzuführen. Ein solcher Kompressor kann mit dem Vorratsbehälter 10 auch unmittelbar verbunden werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Verdichtung der Hochdruckluft mit Hilfe des im Abbaubetriebspunkt vorhandenen Druckwassers vorzunehmen. Hiezu lässt man das Druckwasser über einen Differentialkolben mit besonders grosser Übersetzung auf die in den Druckluftspeicher 7 eingefüllte, beispielsweise dem Druckluftnetz entnommene Druckluft einwirken, so dass diese auf einen wesentlich höheren Druck verdichtet wird. Die bei der Verdichtung der Luft entstehende Wärme wird zu einem wesentlichen Teil durch das Druckwasser abgeführt. Diese Möglichkeit bietet sich vor allem dann an, wenn die Beschaffenheit des zu sprengenden Minerals es erlaubt, mit geringeren Druckluftdrücken zu arbeiten.
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