DE10051087C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Lösen von Material - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Lösen von Material (12) wird vorgeschlagen, dass in einem zu lösenden Bereich (18) des Materials (12) thermische Spannungen erzeugt werden, die zur Bildung von Rissen (20) in dem Bereich (18) des Materials (12) führen. Hierdurch kann das Lösen des Materials (12) beschleunigt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Lösen von Material, bei dem in einem Bereich des zu lösenden Materials thermische Spannungen erzeugt werden, die zur Bildung von Rissen in dem Bereich des Materials führen.

Die US 5 211 156 offenbart die Bearbeitung der Oberfläche eines Werkstücks mit einem Hochtemperatur-Plasmastrahl und anschließend mit einem Kühlmittelstrahl. Hierdurch soll der Oberfläche des Werkstücks ein attraktives Aussehen verliehen werden.

Die FR 2251178 zeigt eine Vorrichtung, mit der Gestein zum Tunnelbau gelöst werden soll. Dabei werden zunächst durch einen heißen Plasmastrahl mehrere parallele Einschnitte in das Gestein eingebrannt. Anschließend wird über Plasmastrahlen, die gleichzeitig in benachbarte Einschnitte gerichtet sind und dort eine leitfähige geschmolzene Oberflächenschicht erzeugen, ein elektrisches Wechselfeld in das Gestein eingekoppelt. Dieses führt zu einer Erwärmung des zwischen den Einschnitten liegenden Bereichs, was in der Folge eine Lösung des Gesteins bewirken soll.

Ferner sind rein mechanische Verfahren vom Markt her bekannt. So ist z. B. bekannt, Material in einem Bohrloch durch den Einsatz von Fräs- und Bohrwerkzeugen zu lösen und hierdurch die Tiefe des Bohrlochs zu vergrößern.

Der Nachteil bei den rein mechanischen Verfahren ist, dass die Fräswerkzeuge relativ schnell abnutzen und daher häufig ausgetauscht werden müssen. Die Kosten für die Herstellung eines solchen Bohrloches sind daher relativ hoch. Darüber hinaus ist besonders bei hartem Material, wie z. B. Stein, die Geschwindigkeit, mit der das Material gelöst werden kann, begrenzt, sodass relativ viel Zeit erforderlich ist, um ein Loch mit großer Tiefe oder auch großer Breite zu bohren bzw. zu fräsen.

Die bekannten thermischen Verfahren haben den Nachteil, dass die Vorrichtungen sehr groß bauen und daher nur schwer oder gar nicht zur Erzeugung kleiner Bohrlöcher verwendet werden können. Auch ist bei den bekannten thermischen Verfahren die "Vortriebsgeschwindigkeit" begrenzt. Schließlich ist die Handhabung des für die Erzeugung der Plasmastrahlen erforderlichen Gases schwierig und insbesondere unter Tage gefährlich. Dies verursacht maßgebliche Nebenkosten zur Absicherung einer derartigen Baustelle.

Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit ihm Material preiswert, schnell und sicher gelöst werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die thermischen Spannungen dadurch erzeugt werden, dass der Bereich des zu lösenden Materials wenigstens bereichsweise mit elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich bestrahlt wird.

Die Verwendung hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich eignet sich besonders gut, um relativ schnell eine große thermische Energie in das zu lösende Material einzubringen. Darüber hinaus kann über die Stärke und die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung deren Eindringtiefe relativ leicht beeinflusst werden. Schließlich ist auch eine leichte Anpassung an die spezifischen Anforderungen unterschiedlicher Materialien auf einfache Art und Weise möglich.

Die erfindungsgemäße Lösung ist somit äußerst wirkungsvoll. Bei ihr wird ganz bewusst und gezielt der ansonsten eher gefürchtete Effekt verwendet, wonach thermische Spannungen in vielen Materialien zur Rissbildung führen können. Eine solche Rissbildung verringert die mechanische Festigkeit jenes Bereichs, in dem die Risse auftreten. Je nachdem, wie stark die Rissbildung ist, wird das Material bereits durch die Rissbildung vollständig gelöst, sodass es nur noch entfernt werden muss, oder es wird so weit gelockert, dass es mit geringem mechanischem Aufwand vollständig gelöst und abtransportiert werden kann.

Die thermischen Spannungen sind dann großflächig im zu lösenden Material vorhanden, wenn möglichst überall entsprechende Temperaturgradienten vorhanden sind. Es kann daher günstig sein, eine thermische Beaufschlagung des zu lösenden Materials gerade nicht großflächig, sondern in einer Mehrzahl voneinander beabstandeter Bereiche vorzusehen.

Die Vorrichtungen, welche zum Abtransport bzw. zum Lösen des durch die Risse mindestens "vorgelösten" Materials erforderlich sind, sind jedenfalls sehr viel kleiner und weniger aufwändig und müssen, da sie nicht so stark belastet werden, überhaupt nicht oder nur selten ausgetauscht werden.

Die Kosten für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind daher sehr viel geringer als beim Stand der Technik.

Darüber hinaus bilden sich die Risse in dem Bereich des zu lösenden Materials im Allgemeinen im Wesentlichen schlagartig. Jedenfalls wird die Schwächung des Materials so, dass es vollständig gelöst bzw. abtransportiert werden kann, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erheblich schneller bewirkt als dies beim Stand der Technik möglich war. Beispielsweise zum Bohren eines Loches ist somit weniger Zeit erforderlich.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bevorzugt wird elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von ungefähr 915 MHz, 2 450 MHz, 5 800 MHz, 24 125 MHz und/oder 2345 000 MHz verwendet. Hierbei handelt es sich um die so genannten ISM-Frequenzen (ISM = Industrial, Scientific and Medical Equipment), mit denen einerseits die unterschiedlichen Eigenschaften des zu lösenden Materials ausreichend berücksichtigt werden können und welche darüber hinaus international zugelassen sind, da die entsprechenden Frequenzbänder nicht anderweitig belegt sind.

Besonders bevorzugt ist auch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die thermischen Spannungen dadurch erzeugt werden, dass dem Bereich des zu lösenden Materials wenigstens bereichsweise die thermische Energie, vorzugsweise im Sinne eines Thermoschocks, entzogen wird. Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die thermischen Spannungen also durch eine Abkühlung des Bereichs des zu lösenden Materials hervorgerufen. Auch hier gilt, dass dann, wenn die Abkühlung nicht großflächig, sondern nur bereichsweise durchgeführt wird, die thermischen Spannungen vergrößert und insgesamt mehr Material gelöst werden kann.

Eine Möglichkeit, den Bereich des zu lösenden Materials schockartig abzukühlen, besteht darin, die thermische Energie dadurch zu entziehen, dass der Bereich mit einem Medium beaufschlagt wird, insbesondere mit kalter Luft, kaltem Wasser und/oder mit kaltem Bentonit. Alle diese Materialien sind leicht verfügbar und verflüchtigen sich ggf. beim Auftreffen auf zuvor aufgeheiztes Material sehr schnell. Grundsätzlich ist natürlich auch denkbar, das Material z. B. mit flüssigem Stickstoff zu beaufschlagen. Dies ist technisch allerdings eher aufwändig.

Die Rissbildung kann während der thermischen Beaufschlagung auch mechanisch unterstützt werden, insbesondere durch eine Bearbeitung des Bereichs des zu lösenden Materials mit einem Bohrer und/oder mit einem Fräser. Möglich ist auch eine Bearbeitung mit Stoßwellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zum Lösen von sprödem Material, vorzugsweise von Stein. Dies ist in einer anderen Weiterbildung angegeben. Gerade bei Stein führen thermische Spannungen sehr leicht zu der notwendigen Rissbildung. Der Kosten- und Zeitvorteil ist in diesem Falle besonders markant.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Lösen von Material, welche Mittel umfasst, mit denen in einem Bereich des zu lösenden Materials thermische Spannungen erzeugt werden können, die zur Bildung von Rissen in dem Bereich des Materials führen. Um eine solche Vorrichtung sicher und effektiv betreiben zu können, wird vorgeschlagen, dass sie eine Mikrowellenquelle umfasst, die so angeordnet ist, dass der Bereich des zu lösenden Materials mit den von ihr erzeugten Mikrowellenstrahlen beaufschlagt werden kann.

Eine Mikrowellenquelle, im Allgemeinen einfach eine Antenne mit angeschlossener Elektronik, ist äußerst leicht zu realisieren und technisch nicht sehr komplex. Eine solche Vorrichtung kann also relativ preiswert und einfach hergestellt sein. Ein solcher Aufbau bietet auch Vorteile im Hinblick auf die Robustheit, da im Grunde keine beweglichen Teile erforderlich sind.

Dabei ist besonders bevorzugt, wenn die Vorrichtung einen Hohlleiter umfasst, mit dem die von der Mikrowellenquelle erzeugten Mikrowellenstrahlen an den Bereich des zu lösenden Materials herangebracht werden können. Mikrowellen können in einem Hohlleiter auf einfache Weise auch über größere Entfernungen transportiert werden. Dies bietet die Möglichkeit, die Mikrowellenquelle von dem Bereich des zu lösenden Materials entfernt anzuordnen. Diese ist daher zum einen geschützt und kann zum anderen relativ groß bauen, d. h. auch eine große Leistung abgeben. Ein Hohlleiter, möglicherweise z. B. ein flexibles Stahlrohr bzw. ein beschichteter Schlauch aus einem Stahlgewirke, leitet die Mikrowellenstrahlen dann zu dem zu bearbeitenden Bereich.

In Weiterbildung dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wiederum vorgesehen, dass der Hohlleiter an seinem dem Bereich des zu lösenden Materials zugewandten Ende ein Saphirfenster und/oder ein Diamantfenster aufweist. Ein solches Fenster ist einerseits für die Mikrowellenstrahlen verlustfrei oder zumindest verlustarm durchdringbar, schützt andererseits aber das Innere des Hohlleiters vor Beschädigungen durch Material, welches durch die thermischen Spannungen gelöst bzw. "abgesprengt" wurde.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1a eine Prinzipskizze eines Bohrlochs;

Fig. 1b den Temperaturverlauf am Grunde des Bohrlochs von Fig. 1a;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Erzeugen des in Fig. 1 dargestellten Bohrlochs; und

Fig. 3 eine Ansicht von unten eines Bereichs eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Erzeugen des Bohrlochs von Fig. 1.

Ein Bohrloch trägt in Fig. 1a insgesamt das Bezugszeichen 10. Es ist in ein steiniges Material 12 eingetrieben.

Das Bohrloch 10 wird dadurch in das steinige Material 12 getrieben, dass sein Grund 14, also jener Bereich des steinigen Materials 12, welcher gelöst werden soll, mit Mikrowellenstrahlung (Pfeil 16) beaufschlagt wird. Die Beaufschlagung erfolgt dabei nicht gleichförmig, sondern bereichsweise über die Fläche des Grundes 14 des Bohrlochs 10 verteilt. Hierdurch kommt es zu einer bereichsweisen Erwärmung des Bereichs des steinigen Materials 12, welcher unterhalb des Grundes 14 des Bohrlochs 10 liegt (vgl. Fig. 1b). Dieser Bereich ist insgesamt mit 18 bezeichnet.

Wie aus Fig. 1b ersichtlich ist, wird die Temperatur im Bereich 18 nicht gleichmäßig, sondern nur bereichsweise erhöht. Auf diese Weise sind Temperaturgradienten im ganzen Bereich 18 und nicht nur an dessen Rand vorhanden, welche wiederum zu thermischen Spannungen im gesamten Bereich 18 führen.

Diese im gesamten Bereich 18 vorhandenen thermischen Spannungen führen schließlich zu Rissen 20 im Bereich 18. Diesem bereits mit Rissen 20 durchsetzten Bereich 18 des steinigen Materials 12 wird nun entsprechend der Pfeile 22 kaltes Wasser zugeführt. Dieses hat nun zwei Effekte:
Zum einen kommt es bereichsweise zu einer schlagartigen Abkühlung des Materials im Bereich 18, was ebenfalls zu thermischen Spannungen und zu einer Ausbreitung vorhandener Risse 20 bzw. Bildung von neuen Rissen 20 führt. Zum anderen dringt das Wasser 22 in die bereits vorhandenen Risse 20 im Bereich 18 des steinigen Materials 12 ein, erhitzt sich schlagartig und verdampft. Diese Volumenänderung des einströmenden Wassers 22 in den Rissen 20 führt wiederum zu einer mechanischen Belastung des Materials im Bereich 18, sodass Material im Bereich 18 "herausgesprengt" wird. Darüber hinaus kommt es durch die explosionsartige Verdampfung des Wasser 22 zu Stoßwellen im Bereich 18 des zu lösenden Materials 12, welche ebenfalls die Ausbildung von Rissen 20 begünstigen.

Auf diese Weise werden also in dem Bereich 18 des zu lösenden Materials 12 am Grund 14 des Bohrlochs 10 Risse 20 in einem Umfang erzeugt, der mindestens zu einer erheblichen Lockerung bzw. Schwächung des Materials im Bereich 18 führt. Ggf. ist das Material 12 auch schon vollständig gelöst. Das gelockerte Material kann nun mit einer Bohr- und/oder Fräseinrichtung (nicht dargestellt) weiter gelöst und aus dem Bohrloch 10 entfernt werden.

Da das Material im Bereich 18 des Bohrlochs 10 bereits in erheblichem Umfange "vorgelöst" und ggf. auch schon ganz gelöst ist, werden an die Fräs- bzw. Bohreigenschaften eines solchen Bohrers bzw. Fräsers geringere Anforderungen gestellt. Auch die mechanischen Belastungen eines solchen Bohrers bzw. Fräsers sind sehr viel geringer. Dieser kann daher einfacher und preiswerter aufgebaut sein und ist einem geringeren Verschleiß ausgesetzt, sodass er weniger häufig ausgetauscht werden muss. Darüber hinaus erfolgt die Ausbildung der Risse 20 mit großer Geschwindigkeit, sodass das Bohrloch 10 ebenfalls mit großer Geschwindigkeit vorgetrieben werden kann.

Für die Mikrowellenstrahlung 16 werden bevorzugt Frequenzen von ungefähr 915 MHz, 2 450 MHz, 5 800 MHz, 24 125 MHz und/oder 245 000 MHz verwendet. Diese Frequenzen sind international freigegeben und eignen sich für die Einbringung thermischer Spannungen in unterschiedlichste Materialien.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Lösen von Material. Sie trägt insgesamt das Bezugszeichen 24. Sie umfasst zunächst eine Mikrowellenquelle 26. In dieser wird in bekannter Art und Weise elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich erzeugt. Über eine Antenne (nicht dargestellt) strahlt die Mikrowellenquelle 26 in einen Hohlleiter 28, an dessen Wänden die Mikrowellen reflektiert werden und sich auf diese Weise innerhalb des Hohlleiters entlang seiner Längserstreckung fortpflanzen.

Der Hohlleiter kann ein z. B. segmentweise biegsames Stahlrohr umfassen. An dem in Fig. 2 unteren Ende ist der Hohlleiter 28 durch ein Fenster 30 aus Saphirglas verschlossen. Durch dieses Fenster 30 wird verhindert, dass im Betrieb gelöstes Material in den Hohlleiter 28 gelangt und diesen beschädigt oder "verstopft".

Die Vorrichtung 24 umfasst ferner eine Fluidversorgung 32 für kaltes Wasser. Das kalte Wasser, welches von der Fluidversorgung 32 bereitgestellt wird, wird in eine Mehrzahl von Leitungen 34 eingespeist, die radial außen um den Hohlleiter 28 herum verteilt angeordnet sind. Durch diese Wasserleitungen 34 wird das von der Fluidversorgung 32 bereitgestellte kalte Wasser bis zu Düsen 36 transportiert, welche neben dem Fenster 30 angeordnet sind. Die Düsen 36 und das Fenster 30 sind Teil eines Bohrkopfes 40. Möglich ist natürlich auch, das Wasser in einer zusammenhängenden Leitung zu transportieren und die Leitung erst bei den Düsen zu verzweigen.

Der Hohlleiter 28 und die Wasserleitungen 34 bilden insgesamt einen Bohrschlauch 38, der von einem Bereich außerhalb des in Fig. 1 dargesellten Bohrlochs 10 mit seinem das Fenster 30 und die Düsen 36 umfassenden Bohrkopf 40 bis zum Grund 14 des Bohrlochs 10 eingeführt werden kann. Auf diese Weise ist eine äußerst flexible und einfache Handhabung der Vorrichtung 24 möglich: Die wegen ihrer Leistungsfähigkeit möglicherweise relativ groß bauenden Einrichtungen wie die Mikrowellenquelle 26 und die Fluidversorgung 32 können nämlich außerhalb des Bohrlochs 10 angeordnet werden, wohingegen der die Düsen 36 und das Fenster 30 umfassende Bohrkopf 40 klein baut und darüber hinaus relativ leicht ist, sodass er auch unter beengten Verhältnissen gut handhabbar ist. Es versteht sich, dass anstelle eines flexiblen Bohrschlauches 38 auch ein starres Rohr zum Einsatz kommen kann. Auch ist es möglich, die Wasserleitungen 34 und den Hohlleiter 28 voneinander unabhängig vorzusehen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind am Bohrkopf 40 ferner zwei Bohrfräser 42 vorgesehen, die von einem nicht dargestellten Antrieb in Drehung versetzt werden können. Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung 24 wird gemäß dem oben beschriebenen Verfahren eingesetzt. Die in Fig. 1 durch den Pfeil 16 dargestellte Mikrowellenstrahlung wird dabei von der Mikrowellenquelle 26 über den Hohlleiter 28 und durch das Fenster 30 hindurch auf den Grund 14 des Bohrlochs 10 gestrahlt. Kaltes Wasser wird von der Fluidversorgung 32 über die Wasserleitungen 34 und die Düsen 36 entsprechend der Pfeile 22 in Fig. 1 in den Bereich 18 des zu lösenden Materials 12 gebracht.

Das durch die Beaufschlagung mit Mikrowellen 16 bzw. mit kaltem Wasser 22 gelöste bzw. zumindest gelockerte Material 18 wird vom Bohrfräser 42 weiter gelöst bzw. zerkleinert und abtransportiert. Der Abtransport kann dabei ggf. durch einen ebenfalls im Bohrschlauch 38 angeordneten Schlauch (nicht dargesellt) erfolgen, an den ein starker Unterdruck angelegt wird, oder der eine sonstige geeignete Fördereinrichtung umfasst.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bohrkopfs 40 dargestellt. Solche Teile, welche funktionsäquivalent zu Teilen sind, die bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht nochmals im Detail beschrieben.

Im Unterschied zu dem Bohrkopf von Fig. 2 trägt jener, der in Fig. 3 dargestellt ist, insgesamt vier Bohrfräser 42, die radial um das Fenster 30 herum angeordnet sind, welches den Hohlleiter 28, in dem die Mikrowellenstrahlung "transportiert" wird, nach unten hin verschließt. Die Düsen 36, durch welche das Wasser aus den Wasserleitungen austritt, sind zwischen den Bohrfräsern 42 angeordnet, sodass sie das kalte Wasser direkt auf den Bereich 18 des zu lösenden Materials 12 abspritzen können.

Die Vorrichtung 24 ist sehr flexibel handhabbar und ermöglicht das wirtschaftliche und schnelle Einbringen von Bohrlöchern 10 z. B. in einen steinigen Untergrund 12.

Claims (9)

1. Verfahren zum Lösen von Material (12), bei dem in einem Bereich (18) des zu lösenden Materials (12) thermische Spannungen erzeugt werden, die zur Bildung von Rissen (20) in dem Bereich (18) des Materials (12) führen, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Spannungen dadurch erzeugt werden, dass der Bereich (18) des zu lösenden Materials (12) wenigstens bereichsweise mit elektromagnetischer Strahlung (16) im Mikrowellenbereich beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung (16) mit einer Frequenz von ungefähr 915 MHz, 2 450 MHz, 5 800 MHz, 24 125 MHz und/oder 245 000 MHz verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Spannungen dadurch erzeugt werden, dass dem Bereich (18) des zu lösenden Materials (12) wenigstens bereichsweise die thermische Energie, vorzugsweise im Sinne eines Thermoschocks, entzogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie dadurch entzogen wird, dass der Bereich (18) mit einem Medium beaufschlagt wird, insbesondere mit kalter Luft, kaltem Wasser (22) und/oder mit kaltem Bentonit.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung von Rissen (20) und/oder das Lösen von Material (12) mechanisch unterstützt wird, insbesondere durch eine Bearbeitung des Bereichs (18) mit einem Bohrer und/oder mit einem Fräser (42).

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Lösen von sprödem Material, vorzugsweise von Stein (12), verwendet wird.

7. Vorrichtung (24) zum Lösen von Material, welche Mittel (26, 28) umfasst, mit denen in einem Bereich (18) des zu lösenden Materials (12) thermische Spannungen erzeugt werden können, die zur Bildung von Rissen (20) in dem Bereich (18) des Materials (12) führen, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Mikrowellenquelle (26) umfasst, die so angeordnet ist, dass der Bereich (18) des zu lösenden Materials (12) mit den von ihr erzeugten Mikrowellenstrahlen (16) beaufschlagt werden kann.

8. Vorrichtung (24) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Hohlleiter (28) umfasst, mit dem die von der Mikrowellenquelle (26) erzeugten Mikrowellenstrahlen (16) an den Bereich (18) des zu lösenden Materials (12) herangebracht werden können.

9. Vorrichtung (24) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (28) an seinem dem Bereich (18) des zu lösenden Materials (12) zugewandten Ende (40) ein Saphirfenster (30) und/oder ein Diamantfenster aufweist.