DE102005050929A1

DE102005050929A1 - Verfahren zum Setzen von Gesteinsankern

Info

Publication number: DE102005050929A1
Application number: DE102005050929A
Authority: DE
Inventors: Archibald Richter
Original assignee: Minova Carbotech GmbH
Current assignee: Minova International Ltd
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2025-10-22
Also published as: PL1805395T3; WO2006042530A1; CN101048574B; CA2584378A1; DE502005010239D1; US20070264088A1; EP1805395A1; CA2584378C; EP1805395B1; AU2005297473A1; ZA200702994B; RU2007118695A; AU2005297473B2; DE102005050929B4; RU2376474C2; CN101048574A; ATE480695T1

Abstract

Eine Bohrstange mit Innenkanal wird in das Gestein gebohrt. Durch den Innenkanal der Bohrstange wird eine fließfähige, selbstaushärtende Masse gedrückt und damit das fertige Bohrloch verfüllt, sodass die Masse in dem Bohrloch mit der in dem Bohrloch verbleibenden Bohrstange aushärtet. Die aushärtende Masse ist eine Mischung aus einem aushärtbaren Kunststoff und einem härtenden Kunststoff. Der aushärtende Kunststoff und der härtende Kunststoff werden dem Innenkanal der Bohrstange während einer vorbestimmten Förderzeit F zugeführt, welche der Aushärtzeit entspricht. Die Aushärtzeit wird durch Auswahl der Kunststoffe und ihr Mischverhältnis derart vorgegeben, dass die Förderzeit der Aushärtzeit im Wesentlichen entspricht und im Wesentlichen zu einer vollständigen Verfüllung der Fließstrecke der Härtemischung zwischen dem Mischprodukt und dem Ausgang des Bohrlochs führt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Setzen von Gesteinsankern, nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Dieses Verfahren ist bekannt durch die DE 102 34 255 A1 . Bei diesem Verfahren wird ein Bohr-Injektionsanker, der als Bohrstange mit einem zentralen Innenkanal ausgebildet ist, in das zu armierende Gebirge getrieben. Dabei erfolgt gleichzeitig die Spülung mit einer Flüssigkeit, durch die das Bohrloch aufgeweitet wird. Nach Erreichen der vorgesehenen Bohrlänge erfolgt durch den Innenkanal der Bohrstange die Injektion einer dickflüssigen Zementmischung, welche das Bohrloch ausfüllt und zu einem Betonkern aushärtet, in welchem die Bohrstange verbleibt.

Dieses Verfahren ist insbesondere bestimmt für weiches und sandiges Gestein. In härterem Gestein, wie man es insbesondere beim Streckenausbau im Untertagebergbau oder beim Tunnelbau vorfindet, werden statt Beton vornehmlich aushärtende Kunststoffe verwandt. Diese aushärtenden Kunststoffe werden nach dem Bohren des Bohrlochs und dem Herausziehen der Bohrstange durch eine Lanze in das Bohrloch eingetragen; sodann wird die Lanze aus dem Loch herausgezogen und ein Gesteinsanker in das Bohrloch eingetrieben, der sodann durch den aushärtenden Kunststoff mit dem umgebenden Gestein fest und tragfähig verbunden wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu schaffen, bei dem in einem ununterbrochenen Arbeitsgang eine Ankerstange, bei der es sich auch um die Bohrstange handeln kann, als Gesteinsanker durch Verfüllen des Bohrlochs mit einem aushärtenden Kunststoff gesetzt und dabei gewährleistet wird, dass einerseits das Bohrloch über seine gesamte Länge mit dem Kunststoff verfüllt wird, andererseits aber trotz des üblichen Über-Kopf-Arbeitens kein Kunststoff in wesentlichen Mengen aus dem Bohrloch austritt.

Die Lösung ergibt sich aus Anspruch 1. Dabei wird dem Umstand Rechnung getragen, dass aushärtende Kunststoffe in einer geringen Aushärtezeit zu einer wesentlich höheren Härte bzw. Viskosität führen als eine Zementinjektion. Andererseits wird vermieden, dass der aushärtenden Kunststoff zu einer Verunreinigung der Bohrmaschine und der Umgebung führt und das in unwirtschaftlicher Weise größere Mengen dieses Kunststoffes vergeudet werden.

Zu einer derartigen Aushärtung wird als Härtekomponenten z. B. eine radikalische Polymerisation ungesättigter Polyesterharze, Vinylester, Epoxyacrylate, Silikatharze, z.B. durch Beigabe von Peroxyden im volumetrischen Verhältnis 1:1 bis 10:1 angewandt.

Geeignete aushärtende Kunststoffe und härtende Kunststoffe sind z.B. in der DE 103 15 610 B4 , DE 101 24 466 C1 , DE 102 18 718 C1 beschrieben. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie das im Wesentlichen automatische Befüllen des Bohrlochs erlaubt, wobei das Bohrloch im Wesentlichen vollständig von der Spitze der Bohrstange bzw. des Gesteinsankers bis zur Mündung des Bohrlochs ausgefüllt und die Bohrstange bzw. der Gesteinsanker vollständig mit dem ausgehärteten Kunststoff ummantelt wird. Damit ist einem wesentlichen Sicherheitserfordernis des Bergbaus und des Tunnelbaus genüge getan.

Eines des wesentlichen Kriterien der Erfindung besteht darin, dass die Förderzeit F und die Aushärtzeit H aufeinander abgestimmt werden. Die Aushärtzeit H des Kunststoffes wird durch die Auswahl des aushärtbaren Kunststoffes und des härtenden Kunststoffes sowie gegebenenfalls weiterer Komponenten und durch das Mischungsverhältnis der Komponenten bestimmt, außerdem aber auch durch die Temperatur der Umgebung, der mengenmäßigen Hauptkomponenten sowie des Gesteins.

Die Förderzeit F wird als die Zeit vorgegeben, die zur vollständigen Verfüllung der Fließstrecke der Härtemischung erforderlich ist. D.h., dass die Aushärtung des aushärtenden Kunststoffes erst nach der Mischung mit dem aushärtbaren und dem härtenden Kunststoff erfolgt. Die Fließstrecke ist daher die Strecke zwischen dem Mischpunkt und der Mündung (Ausgang) des Bohrlochs. Sofern die Mischung der beiden Komponenten durch einen statischen Mischer erfolgt, liegt der Mischpunkt an diesem statischen Mischer. Die Fließstrecke umfasst sodann den weiteren Innenkanal bis zu dessen Austritt auf den Außenumfang des Bohrers, im Allgemeinen also bis zu der Bohrerspitze. Die Fließstrecke umfasst weiterhin das die Ankerstange umgebende Bohrloch. Die Förderzeit ist daher so bemessen, dass sie unter Berücksichtung der Fördercharakteristik der Pumpen, insbesondere der Druckabhängigkeit der Fördercharakteristik ausreicht, und das Volumen des Innenkanals und das Volumen des die Ankerstange umgebenden Bohrlochs ausfüllt.

Die Erfindung kann dadurch ausgeführt werden, daß zunächst mit einer üblichen Bohrstange ein Loch gebohrt und sodann die Bohrstange wieder aus dem Loch herausgezogen und statt dessen eine rohrförmige Ankerstange (=Gesteinsanker) mit einem Innenkanal eingeführt wird. Dieses Verfahren hat neben den sonstigen Vorteilen den Vorzug, daß die für hartes Gestein zu verwendende Bohrspitze, die teuer ist, mehrfach verwendet werden kann.

Es ist jedoch auch möglich, das Loch mit einer mit Innenkanal ausgeführten Bohrstange zu Bohren, die gleichzeitig als geeignete Ankerstange ausgeführt ist. Diese Borhrstange verbleibt in dem Bohrloch und wird nach dem Bohren als Gesteinsanker erfindungsgemäß verwendet. Dem Nachteil der nur einmaligen Verwendung steht der arbeitstechnische Vorteil gegenüber, daß zeitraubende Arbeitsschritte entfallen.

Im Rahmen dieser Anmeldung wird insbesondere die Verwendung der Bohrstange als Gesteinsanker beschrieben; jedoch gilt die Erfindung auch und ist das Verfahren identisch einsetzbar für ein Verfahren bei dem – wie beschrieben- nicht die Bohrstange sondern eine nachträglich eingeführte Ankerstange mit innenkanal benutzt wird.

Die Anspruch 2 gewährleistet, dass die Härtemischung in dem Bohrloch keine Hohlräume bildet und in innigen Kontakt mit der Wandung der Bohrstange und der Wandung des Bohrloches kommt. Diese Maßnahme kann zusätzlich zu der beim Bohrvorgang üblichen Wasserspülung des Bohrlochs erfolgen und hat den Vorteil, daß auch Wasserreste aus dem Bohrloch herausgeblasen und getrocknet werden.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Bohrstange an ihrer Spitze mit einer Bohrkrone versehen sein kann, deren Schneidkluppen einen Bohrlochdurchmesser umfahren, welcher größer ist als der Außendurchmesser der Bohrstange.

Die Aushärtung der aushärtbaren Kunststoffkomponente bedeutet eine Erhöhung der Viskosität über den zähflüssigen und den pastösen Bereich hinaus. Angestrebt wird eine Viskosität der aushärtbaren Komponente von wenigstens 100.000 pa × sec, damit die Verbindung der Kunststoffmasse gegenüber dem Bohrloch und gegenüber der Bohrstange so fest ist, dass die Bohrstange bei den üblichen betrieblichen Belastungen, die mit dem Bohrbetrieb und der Injektion der Kunststoffmasse einhergehen, nicht mehr aus dem Bohrloch herausgezogen oder in dem Bohrloch gedreht werden kann. Es wird damit möglich, das Bohrfutter, in welchem die Bohrstange zum Zwecke des Bohrens eingespannt ist, und/oder den Injektionskopf (Adapter zur Verbindung der Kunststoffzuleitungen mit dem Innenkanal der Ankerstange/Bohrstange) ohne zu Hilfenahme einer die Bohrstange festhaltenden Haltevorrichtung, Halteklaue von der Bohrstange zu lösen, z. B. durch Rückwärtsdrehen des Bohrfutters (Anspruch 5 und 6).

In vorteilhafter Weiterbildung nach Anspruch 7 wird vorgesehen, daß die Kunststoffe nach der Zusammenführung und Mischung in einer sehr schnellen chemischen Reaktion sich zu einer – hier so genannten – pastösen Masse vernetzen. Dies geschieht durch eine Beimengung von geeigneten Stoffen wie z.B. Aminen. Bei dem Verfahren nach Anspruch 8 wird die Handhabung erleichtert und die Betriebssicherheit dadurch erhöht, daß nach dem Zusammenführen und Mischen der Komponenten und noch vor dem Einsetzen der zur Aushärtung führenden chemischen Reaktion eine erhöhte Viskosität (größer 500 pa sec, vorzugsweise größer 1000 pa sec) erreicht wird. Diese Vorreaktion wird dadurch hervorgerufen, daß einer der Komponenten in geringer Menge Stoffe mit geeigneten tixotropische Eigenschaften zugemischt werden, z.B. Stoffe aus der Gruppe der Amine.

Durch diese zunächst nur geringe, jedoch sehr schnell erfolgende Erhöhung der Viskosität vor Einsetzen der schließlich gewollten Aushärtung (tixotropischer Effekt) wird erreicht, daß die Härtemischung der Kunststoffe nicht aus dem Bohrloch herausfließt ohne den Druckaufbau zu gestatten, der erforderlich ist, um das Bohrloch insgesamt und mit allen Hohlräumen vollständig und lückenlos auszufüllen.

Zur zeitlichen Kürzung des Bohr- und Injektionsvorganges dient die Weiterbildung nach Anspruch 8. Hierdurch wird verhindert, dass noch nicht vollständig ausgehärtende Kunststoffmasse aus dem Innenkanal der Bohrstange nach dem Lösen des Bohrfutters bzw. nach dem Lösen des Kunststoffzufuhrkanals ausläuft bzw. heraustropft bzw. herausquillt.

Bei der Berechnung der Förderzeit und der Anpassung der Aushärtzeit muss die Fördercharakteristik der Pumpen, durch welche die aushärtbare

Komponente und die härtende Komponente dem Innenkanal der Bohrstange zugeführt wird, in Betracht gezogen werden.

Idealer Weise werden Pumpen ausgesucht, deren Fördermenge pro Zeiteinheit nicht vom Gegendruck abhängig ist. Insofern eignen sich insbesondere Kolbenpumpen und von diesen insbesondere Radialkolbenpumpen.

Dies ist insbesondere auch deswegen zweckmäßig, da dadurch eine Temperaturerhöhung der Kunststoffe, welche zu einer Veränderung der Aushärtcharakteristik und insbesondere zu einer Verkürzung der Aushärtzeit führen könnte, vermieden wird.

Um Flüssigkeitsschläge und damit das Platzen von Leitungen zu verhindern wird i sollte in der Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen sein, dass die Pumpen mit Verzögerung anlaufen können. Auch kurz vor Ende der Förderzeit ist eine Herabsetzung der Förderdrehzahl zur Vermeidung von Druckspitzen zweckmäßig.

Alternativ können zur Förderung des aushärtbaren Kunststoffes und/oder des härtenden Kunststoffs auch Pumpen mit druckabhängiger Fördercharakteristik verwandt werden. Derartige Pumpen, z.B. Zahnradpumpen haben den Vorteil ihrer einfachen Bauweise.. Im Übrigen hat die druckabhängige Fördercharakteristik den Vorteil, dass Druckspitzen vermieden werden. Andererseits führt die Druckabhängigkeit im Falle des internen Rücklaufs der überschüssigen Fördermengen auch zur Erwärmung; daher ist die Aushärtcharakteristik und insbesondere die Aushärtzeit entsprechend anzupassen.

In der Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 11 erfolgt eine Abschaltung der Zufuhr des aushärtbaren und/oder des härtenden Kunststoffes, wenn der jeweilige Förderdruck einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Es kann hierbei aber auch ein Auslaufprogramm der Antriebsmotoren der Pumpen eingeschaltet werden, durch welches die Drehzahlen der Pumpen stetig oder in Stufen auf Null zurückgeführt werden. Hierdurch werden Schäden am Fördersystem und eventuelle Verunreinigungen durch eine der Kunststoffkomponenten vermieden.

Wenn in diesem Falle der Druckanstieg auf Aushärtung des Kunststoffes vor der vollständigen Befüllung des Bohrlochs zurück zuführen ist, ist allerdings eine neue Bohrung durchzuführen und die Bohrstange ist unter Umständen verloren. In diesem Falle liegt jedoch eine mangelhafte Abstimmung von Füllzeit und Aushärtzeit vor. Wenn Füllzeit und die Aushärtzeit genau aufeinander abgestimmt sind, tritt diese druckabhängige Abschaltung möglichst genau zu dem oder kurz vor dem Zeitpunkt ein, an dem der Kunststoff aus der Bohrlochmündung tritt.

Möglich ist jedoch auch, die Förderzeit F von Hand oder durch eine einstellbare Uhr vorzugeben. Angestrebt wird, dass die Aushärtzeit und damit auch die Füllzeit kleiner als eine Minute ist.

Die Abstimmung von Füllzeit und Aushärtzeit kann durch Versuch erfolgen, wobei allerdings die Fördercharakteristik der Pumpen sowie das Füllvolumen V des Innenkanals und des die Bohrstange umgebenden Bohrlochs wenigstens überschlägig in Betracht zu ziehen ist. Der für die Abstimmung von Füllzeit und Aushärtzeit einzuhaltende Algorithmus ergibt sich aus Anspruch 11.

Um den Vorteil der Erfindung, nämlich die schnelle und sichere Einbindung eines Gebirgsankers in einem Bohrloch vollständig nutzbar zu machen, kommt der Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 12ff besondere Bedeutung zu. Anspruch 12 gewährleistet die betriebssichere Verbindung der Kunststoffzuleitungen mit dem Innenkanal der Ankerstange/Bohrstange und vermeidet unnötige Montage- und Einstellarbeiten, die diesem Zweck dienen. Hierzu wird ein Injektionskopf – in dieser Anmeldung auch Adapter genanntverwandt, der einerseit der Kunststoffleitung, andererseits aber auch als Werkzeug zur Verbindung des Innenkanals der Ankerstange mit den Kunststoffpumpen dient.

Anspruch 13 dient dem Zweck, eine Mischung der Komponenten zur Unzeit, also insbesondere vor dem vorgesehenen Mischpunkt und statischen Mischer und damit eine vorzeitige Aushärtung der Kunststoffe und Verunreinigung der Leitungssysteme durch ausgehärtete Kunststoffe zu vermeiden.

Auch Anspruch 14 dient einem ähnlichen Zweck und gewährleistet gleichzeitig die effektive Reinigung von Stellen des Zuleitungssystems, an denen die Kunststoffablagerung störend sind.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung beschrieben:
Es zeigen:
1 schematisch eine Bohrstange mit Bohrfutter und Zufuhradaptern (Injektionskopf).
2 ein Förderdiagramm
3 und 4 schematisch eine Bohrstange mit Bohrfutter und Zufuhradaptern (Injektionskopf).
In den Figuren wird beschrieben, daß eine Bohrstange in dem Bohrloch, das mit ihr gebohrt worden ist, verbleibt und sodann als Ankerstange/Gesteinsanker im Bohrloch verbleibt und eingegossen wird. Daher wird zu den Figuren auch der Bohrvorgang beschrieben. Wenn die Bohrstange jedoch nach Fertigstellung des Bohrlochs aus dem Loch herausgezogen und statt ihrer eine Ankerstange als Gesteinsanker eingeführt wird, gehört die Herstellung des Bohrlochs nicht mehr in den Rahmen dieser Erfindung; im übrigen gelten jedoch alle Ausführungen, die das erfindungsgemäße Verfahren zur Befüllung des Innenkanals der Ankerstange und des Behohrlochs mit einem aushärtenden Kunststoffgemisch (Härtemischung) beschreiben. Die nachfolgenden Ausführungen gelten für alle Figuren, sofern nicht bezüglich einzelner Figuren auf Abweichungen ausdrücklich hingewiesen wird.
Die Bohrstange 1 mit einer Bohrkrone 2 wird durch das Bohrfutter 3 in ein Gebirge 19 aus festem Stein eingebohrt. Hierzu ist das Bohrfutter 3 in Richtung Vorschubrichtung 4 und Drehrichtung 5 angetrieben.
Die Bohrstange besteht aus mehreren – hier aus zwei – Stücken, die durch Einschrauben in eine Mutter 6 zu einer vorgegebenen Länge zusammengefügt werden können. Zu diesem Zweck sind die Bohrstangen auf ihrem Außenumfang mit einem Gewinde versehen, welches in ein korrespondierendes Gewinde der Überwurfmutter 6 paßt. Dieses Gewinde dient auch dem Zweck, eine gute Verbindung der Bohrstange 1 mit dem in das Bohrloch einzufüllenden Kunststoffes zu ermöglichen.
Die Bohrkrone 2 ist mit Kluppen 7 besetzt. Diese Bohrkluppen 7 überstreichen einen Bohrlochquerschnitt mit einem Durchmesser D₁. Dieser Durchmesser D₁ ist größer als der Außendurchmesser D_A der Bohrstange 1 und naturgemäß auch größer als der Innendurchmesser des Gewindes D_I. Rechnerisch wird das Volumen der Bohrstange mit hinreichender Genauigkeit durch den mittleren Durchmesser D₂ = (D_A + D_I)/2 bestimmt. Die Bohrstangen 1 bzw. die Teilstücke der Bohrstange werden zentral von einem Innenkanal 8 durchdrungen, der in der Bohrkrone 2 in einem Sammelraum 9 und in Austrittskanälen 10 mündet. Der Innenkanal kann durch das Bohrfutter 3 über geeignete Adapter zunächst mit Wasser oder Luft als Spülmittel und sodann vorzugsweise ebenfalls über das Bohrfutter, aber auch über ein sonstiges geeignetes Verbindungsstück, welches z.B. anhand von 4 besschrieben wird, mit einer aushärtbaren Kunststoffmasse und einem härtenden Kunststoff beschickt werden.
Nur die zur Beschickung mit Kunststoff vorgesehenen Vorrichtungsteile sind hier schematisch dargestellt. Es handelt sich um den Injektionskopf/Adapter 11, der auf die Stirnseite des Verbindungsstücks, hier Bohrfutters, gesetzt werden kann und der Innenkanäle 12 und 13 aufweist. Der Innenkanal 12 ist über Schlauch 27 und Förderpumpe 14 mit einem Vorratsbehälter 15 für eine aushärtbare Kunststoffmasse verbunden. Der Innenkanal 13 ist in seiner Weite wesentlich kleiner als der Innenkanal 12; seine Querschnittsfläche beträgt ca. 1/10 der Querschnittsfläche des Innenkanals 12. Der Innenkanal 13 ist über Schlauch 25 und eine Förderpumpe 16 mit einem Vorratbehälter 17 für die härtende Kunststoffmasse verbunden. Da die aushärtbare Kunstoffmasse und die härtende Kunststoffmasse im Verhältnis 10:1 oder kleiner (bis 1:1; siehe oben) gemischt werden, ist die Förderpumpe 16 entsprechend kleiner ausgelegt. Die Innenkanäle werden in dem Verbindungsstück/Bohrfutter 3 zusammengeführt in einer Sammelkammer 18, welche sodann mit dem Innenkanal 8 der Bohrstange korrespondiert.
In 1 ist dargestellt, daß das erste Segment der Bohrstange am Eingang seines Innenkanals 8 einen statischen Mischer 20 aufweist. Ein solcher Mischer kann auch am Anfang jedes Segments liegen. Sofern der statische Mischer als einsetzbares Bauteil ausgeführt ist, genügt es, wenn ein derartiger statischer Mischer 20 in den Innenkanal 8 der letzten einzubringenden Bohrstange 1 eingesetzt wird. In der Nebenfigur ist ein Einsatzbauteil 21 dargestellt, in welchem neben dem statischen Mischer 20 auch ein Rückschlagventil/Kugelventil 22 integriert ist. Das Einsatzbauteil 21 kann in den Innenkanal 8 der letzten einzubringenden Bohrstange vor dem Einbohren z. B. mit Gewinde eingeschraubt werden.
Zur Funktion und Betriebsweise:
Zum Einbohren der Bohrstange 1 ist zunächst nur ein Bohrstangenelement in das Bohrfutter eingesetzt. Das Bohrfutter wird mit Drehrichtung 5 in Umdrehung versetzt. Gleichzeit wird – in nicht dargestellter Weise – eine Vorschubkraft 4 auf die Bohrstange ausgeübt. Dadurch wird ein Bohrloch in das Gebirge mit dem Durchmesser D1 der Bohrkrone bzw. der Schneidkluppen 7 auf der Bohrkrone eingebracht. Wenn das Bohrloch die Länge des 1. Segments der Bohrstange erreicht hat, wird auf das freie Ende die Überwurfmutter 6 geschraubt und in diese ein weiteres Segment der Bohrstange 1 eingedreht, in dem es – in nicht dargestellter Weise – von hinten durch das Bohrfutter zugeführt wird. Dabei kann das Bohrloch in nicht dargestellter Weise durch Wasser gespült werden, das durch den Innenkanal der Bohrstange zugeführt wird.
Wenn die vorgesehene Tiefe des Bohrloches erreicht ist (z.B. bei 2 m bis 2,50 m) wird der Bohrvorgang beendet. Es wird nunmehr die Sammelkammer 18 des Bohrlochs – in nicht dargestellter Weise – durch den Innenkanal 8 der Bohrstange mit Luft beaufschlagt und hierdurch das Bohrklein aus dem Bohrloch ausgespült und das Bohrloch gereinigt und getrocknet. Anschließend erfolgt die Befüllung des Bohrlochs mit einem aushärtbaren Kunststoffs, welcher zuvor mit einem härtenden Kunststoff vermischt wird. Das Füllvolumen ist zum einen die Innenkanal 8 ab Mischer 20 und zum anderen das Bohrloch, also Vges = Vi + VBohrloch – VBohrstange = pi/4(LB × (D1 2 – D2 2) + Li × Di 2).
Die Befüllung erfolgt durch die Pumpen 14 und 16. Dabei handelt es sich z. B. um Radialkolbenpumpen, welche eine druckunabhängige Fördermenge pro Zeiteinheit liefern können. Es kann sich jedoch auch um Zahnradpumpen handeln, da bei den hohen Viskositäten der fördernden Kunststoffe nicht mit unzulässigen Verlusten zu rechnen ist und das Fördergesetz daher hinreichend genau bestimmbar ist.
Die Fördermenge wird durch entsprechende Voreinstellung und Drehzahlen der Antriebsmotoren 24 und 26 der Pumpen nunmehr so festgesetzt, dass unter Berücksichtigung der Fördercharakteristik und des Fördergesetzes die Füllmenge an aushärtbarem Kunststoff und härtendem Kunststoff genau in derjenigen Förderzeit gefördert wird, welche der Aushärtzeit entspricht.
Die Aushärtzeit des Kunststoffes kann zum einen durch die Auswahl der Kunststoffkomponenten, zum anderen aber auch durch das Mischungsverhältnis und durch die Temperatur bestimmt werden. Die Temperatur kann z. B. mit 30° C angenommen werden. Welche Härte des Kunststoff in der Aushärtzeit annehmen soll, wird durch praktische Gesichtspunkte bestimmt. Insbesondere soll der Kunststoff nicht von selbst aus der Mündung des Bohrlochs austreten, sondern in der Mündung des Bohrloches allenfalls als pastöse Masse erscheinen. Es ist für die Geschwindigkeit des gesamten Bohr- und Verfüllungsvorganges außerdem günstig, wenn der Kunststoff an der Mündung des Bohrloches so stark ausgehärtet ist, dass das Bohrfutter von der Bohrstange getrennt werden kann, ohne die Bohrstange mit besonderen Hilfsmitteln festhalten zu müssen oder am Herausfallen aus dem Bohrloch zu hindern. Eine Viskosität von 100.000 pa sec. kann dabei ausreichend sein, wird aber vorzugsweise auch überschritten. Durch geeignete Beimengungen kann eine Vorvernetzung der eingebrachten Kunststoffmischung mit Erhöhung der Viskosität (s.o.: mehr als 500 pa sec) erfolgen, noch bevor die eigentliche Aushärtreaktion einsetzt bzw. sich auswirkt.
Es ist erstrebenswert, das Bohrfutter möglichst schnell von der Bohrstange zu trennen, und zwar zu einem Zeitpunkt, wo die zuletzt eingetragene Kunststoffmischung die Aushärtzeit noch nicht beendet hat. Daher ist in Fließrichtung vor dem statischen Mischer das Rückschlagventil 22 vorgesehen, das in der Richtung der Verfüllung öffnet und in Gegenrichtung die eingetragene Kunststoffmischung hindert, aus dem Innenkanal wieder herauszufließen.
Nach dem Abziehen des Bohrfutters von der Bohrstange kann das Verbindungsstück/Bohrfutter mit einer der Kunststoffkomponenten oder mit Wasser gespült werden. Die entsprechenden Vorrichtungen sind nicht dargestellt.
In 2 ist schematisch ein Förderdiagramm der geförderten Kunststoffkomponenten, also insbesondere der aushärtbaren Kunststoffkomponente und der härtenden Kunststoffkomponente und evtl. der weiteren zugemischten Stoffe dargestellt. Dargestellt ist der Verlauf der Fördermenge pro Zeiteinheit über die Zeit und darüber der entsprechende Druckverlauf in der Sammelkammer 18 oder an einer sonstigen Stelle. Die Fördermenge hängt zum einen vom Drehzahlverlauf der Antriebsmotoren der Pumpen ab. Darüber hinaus muß bei einigen Pumpentypen auch mit der Druckabhängigkeit der Fördermenge gerechnet werden. Ideal wäre eine konstante Fördercharakteristik, wie sie z.B. Radialkolbenpumpen haben. Angestrebt wird in jedem Falle, daß die Pumpen in einer stetigen Funktion anlaufen, um Druckstöße zu vermeiden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann also auch ausgeführt werden, wenn der aushärtbare und der härtende Kunststoff während der Förderzeit F mit einer variablen Fördermenge nach vorbestimmten Verlauf der Fördermenge pro Zeiteinheit, insbesondere mit verzögert zunehmender Fördermenge zu Anfang der Förderzeit gefördert werden oder wenn der aushärtbare und der härtende Kunststoff während der Förderzeit F mit einer nach einem vorbestimmten Gesetz druckabhängigen Fördermenge pro Zeiteinheit gefördert werden. In jedem Falle gilt:
Wenn nach Erreichen der maximal eingestellten Drehzahl die Fördermenge pro Zeiteinheit mit dem ansteigenden Druck abnimmt, der sich dadurch ergibt, daß zum einen die Fließstrecke der Kunststoffmischung länger wird und zum anderen die Viskosität steigt, ist die gesamte Förderzeit so berechnet, daß die Füllmenge in dieser Förderzeit – es handelt sich in dem Diagramm um den schraffierten Flächeninhalt unterhalb der Fördermengen – Kurve – dem Volumen von Innenkanal und Bohrloch – wie oben geschildert – entspricht und daß diese Förderzeit der Aushärtzeit entspricht. Hiermit wird erreicht, daß die an der Bohrlochmündung ankommende Kunststoffmündung so hoch viskos geworden ist, daß sie die Mündung absperrt und den Bohranker so fest umschließt, daß er das beim Lösen des Bohrfutters entstehende Drehmoment aushält und daß er unter seinem Eigengewicht nicht aus dem Bohrloch herausfällt.
Unter dieser Voraussetzung ist es möglich, die Steuereinrichtung 28 von Hand oder durch Voreinstellung einer Betriebszeit für die Pumpenmotoren zu betreiben. Es kann jedoch auch eine Steuerung durch den Druckfühler 23 vorgesehen werden, durch den die Abschaltung oder – wie dargestellt – eine Auslaufschaltung erfolgt, wenn der Druck vor der Mischeinrichtung – z.B. in der Sammelkammer – einen voreingestellten durch Versuch zu ermittelnden Grenzwert G überschreitet.
3 zeichnet sich demgegenüber durch folgendes aus:
Das Bohrfutter wird nach Fertigstellung des Bohrlochs abgezogen. Die Verbindung der Ankerstange/Bohrstange 1 mit dem Injektionskopf/Adapter 11 erfolgt durch ein Verbindungsstück 3. Dieses besteht – wie die Nebenfigur zu 4 zeigt, aus zwei Halbschalen 31, 32. Diese weisen auf ihre Länge jeweils eine halbkreisförmige Ausnehmung 33, 34 auf. Diese Ausnehmungen ergänzen sich im in Pfeilrichtung geschlossenen Zustand der Halbschalen zu einem kreiszylindrischen Innenkanal mit wechselnden Durchmessern. Die Durchmesser sind so ausgelegt, daß der Innenkanal im geschlossenen Zustand – wie 4 zeigt – eine formschlüssige Festlegung des Verbindungsstücks auf einer Seite an dem Injektionskopf 11 und auf der anderen Seite an der Ankerstange/Bohrstange 1 bewirkt. Der Injektionskopf weist deshalb einen Wulst 35 auf, der in eine entsprechende Durchmessererweiterung des Innenkanals 33, 34 paßt. Zur Halterung der Ankerstange/Bohrstange 1 weist der Innenkanal ein grobes Innengewinde auf, das dem Außengewinde der Ankerstange/Bohrstange 1 entspricht.
In 3 ist dargestellt, daß der Zwischenraum 18 zwischen dem Ende des Injektionskopfes 11 und dem Ende der Ankerstange/Bohrstange 1 mittels einer ringförmigen Dichtung 30 überbrückt und radial abgedichtet wird. Der statische Mischer 20 befindet sich auch hier am Anfang der Ankerstange/Bohrstange 1. Bei der Ausführung nach 4 liegt der statische Mischer dagegen in dem Verbindungsstück 3 mit den Halbschalen 31, 32. Dazu liegen die Mischelemente 20 auch hier in einem Einsatzbauteil/Mischergehäuse 21, welches als kreiszylindrisches Rohr ausgebildet ist. Außen weist dieses Rohr an seinem Anfang einen Wulst 36 auf, welcher im in Pfeilrichtung geschlossenene Zustand der Halbschalen 31, 32 von einer entsrechenden Ausnehmung des Innenkanals der Halbschalen 31, 32 formschlüssig umschlossen und axial wie auch radial festgelegt wird. Außerdem umschließt der Innenkanals der Halbschalen 31, 32 das Rohr des Mischergehäuses eng anliegend.
Dies ist deshalb besonders wichtig, weil vorzugsweise das Mischergehäuse 21 aus Kunststoff besteht und erst durch die enge Anlage an den Wänden der fest aufeinander gedrückten Halbschalen ausreichend druckbeständig ist.
Ferner ist es besonders wichtig, daß das Mischergehäuse auch an seinem Ausflußende in axialer Richtung formschlüssig abgestützt ist, um zu verhindern, daß ein aus Kunststoff hergestelltes Mischergehäuse axial reißt oder zerreißt. Diese axiale Festlegung geschieht im gezeigten Beispiel durch Abstützung an der Stirnfläche des zugewandten Endes der Ankerstange/Bohrstange 1, welche ihrerseits – wie gesagt – in den Halbschalen des Verbindungsstücks festgelegt ist. Das zu 1 und 3 dargestellte und beschriebene Rückschlagventil ist hier nicht dargestellt, würde jedoch auch hier mit entsprechendem Vorteil verwendet.
Nach Ablauf der Füllzeit und Beendigung der Befüllung des Bohrlochs werden die Halbschalen auseinander gefahren (gegen die Pfeilrichtung), so daß die Ankerstange/Bohrstange und der Injektionskopf losgelassen werden. Dabei kann auch der statische Mischer, der – wie beschrieben – als Baueinheit ausgebildet ist – ausgeworfen werden, da er noch mit der aushärtenden Kunststoffmischung gefüllt ist. Notfalls werden Injektionskopf und/oder Verbindungsstück 3 gereinigt und sodann eine neue Baueinheit als Mischer eingelegt, bevor die Anklammerung an eine andere Ankerstange/Bohrstange und deren Befüllung beginnt.
Bei dem Verfahren nach 4 wird auch eine erweiterte Art der Steuerung verwandt. Es erfolgt eine Einschaltung und Abschaltung der Anlage zur Befüllung eines Bohrlochs durch Schalter 29, welcher synchron die beiden Sperrventile 38 und 39 in den Innenkanälen 12, 13 des Injektionskopfes 11 im Sinne des Durchflusses oder im Sinne der drucksicheren Sperrung betätigt. Zum Start der Befüllung werden zunächst mittels Steuerung 28 die beiden Pumpen 24, 26 in Betrieb gesetzt. Nach Druckaufbau in den Zuleitungen 25, 26 werden synchron zueinander die Sperrventile 38, 39 mittels Schalter 29 geöffnet, so daß der Misch- und Befüllungsvorgang sofort mit Anwesenheit beider Komponenten beginnt. Nach Ablauf der Betriebszeit/Aushärtzeit – wie zuvor beschrieben – wird der Schalter 29 wiederum betätigt im Sinne der synchronen und schlagartigen Sperrung der Sperventile 38, 39. Es wird hierdurch gewährleistet, daß nach Sperrung auf der Austrittsfläche 37 auf der dem Mischer 20 zugewandten Stirnfläche keine der Komponenten mehr austreten und zur Verunreinigung führen kann. Zusätzlich ist jedoch vorgesehen, daß die Austrittsfläche nach Öffnen der Halbschalen 31, 32 mit einem Druckwasserstrahl gereinigt wird. Jedenfalls ist die Austrittsfläche 37 eben und ohne Vorsprünge oder Vertiefungen gestaltet, damit sie leicht und effektiv gereinigt werden kann.
Wenn die Sperrventile in Sperrung geschaltet sind, bauen die beiden Pumpen in den Leitungen 25, 27 einen höheren Druck auf. Durch Druckfühler 23 in jeder der Leitungen wird dieser Druck abgefragt und über Leitungen 40, 41 der Steuerung 28 zugeführt. In der Steuereinrichtung ist gespeichert, welcher Grenzdruck in der einen und der anderen Leitung maximal hinterlegt werden darf. Wenn einer dieser Grenzdrücke erreicht wird, erfolgt durch die Steuereinrichtung die Abschaltung des betroffenen Pumpenantriebs, vorzugsweise beider Pumpenantriebe/Motoren 24, 26.
Die Ausführung nach 4 weist außerdem die Besonderheit des Verfahrens auf, daß die beiden Kunststoffkomponenten bzw. ihr Zuleitungen 12, 13 in dem Injektionskopf Y-förmig oder T_förmig zusammengeführt werden in einem Punkt der kurz vor oder am besten in der Austrittsfläche 37 liegt. Gerade der letzt genannte Fall erleichtert die Reinhaltung bzw. Säuberung der Austrittsfläche.

1: Bohrstange, Ankerstange 1
2: Bohrkrone 2
3: Bohrfutter 3, Verbindungsstück
4: Vorschubrichtung 4
5: Drehrichtung 5
6: Mutter 6 Überwurfmutter 6
7: Kluppen 7 Bohrkluppen 7
8: Innenkanal Zentralkanal 8
9: Sammelraum 9
10: Austrittskanälen 10
11: Adapter 11, Injektionskopf
12: Innenkanal 12
13: Innenkanal 13
14: Förderpumpe 14
15: Vorratsbehälter 15 für eine aushärtbare Kunststoffmasse
16: Förderpumpe 16
17: Vorratbehälter 17 für die härtende Kunststoffmasse
18: Sammelkanal 18, Zwischenraum
19: Gebirge 19
20: statischen Mischer 20, Mischelemente
21: Einsatzbauteil 21 Mischergehäuse
22: Rückschlagventil/Kugelventil 22
23: Druckfühler 23
24: Motor 24, Pumpenantrieb
25: Schlauch 25, Leitung
26: Motor 26, Pumpenantrieb
27: Schlauch 27, Leitung
28: Steuereinrichtung 28, Steuerung
29: Ein/Ausschalter, Schalter 29
30: Dichtring, Dichtung
31: Halbschale 31
32: Halbschale 32
33: Ausnehmung 33
34: Ausnehmung 34
35: Wulst 35
36: Wulst 36
37: Stirnfläche, Austrittsfläche 37
38: Sperrventil 38, elektromagnetisch
39: Sperrventil 39, elektromagnetisch
40: Leitung 40
41: Leitung 41
: Bohrlochquerschnitt mit einem Durchmesser D₁.
: Außendurchmesser D_A der Bohrstange 1
: Innendurchmesser des Gewindes D_i
: mittleren Durchmesser D2 = (D_A + D_i)/2

Claims

Verfahren zum Setzen von Gesteinsankern, bei welchem in ein Bohrloch eine Ankerstange mit Innenkanal eingeführt, durch den Innenkanal eine fließfähige, selbstaushärtende Masse gedrückt, das fertige Bohrloch mit der Masse verfüllt wird und die Masse in dem Bohrloch mit der in dem Bohrloch verbleibenden Ankerstange aushärtet dadurch gekennzeichnet, dass – die aushärtende Masse eine Mischung aus einem aushärtbaren Kunststoff und einem härtenden Kunststoff hergestellt wird, – dass der aushärtende Kunststoff und der härtende Kunststoff dem Innenkanal der Bohrstange während einer vorbestimmten Förderzeit F vermischt zugeführt werden, – daß die Kunststoffe derart ausgewählt sind und an einem kurz vor oder in dem Innenkanal liegenden Mischpunkt in einem derartigen Mischverhältnis zusammengeführt und zu der Mischung vermischt werden, dass sich eine definierte Aushärtzeit H ergibt, wobei die Förderzeit F und die Aushärtzeit H aufeinander derart abgestimmt sind, dass die Förderzeit der Aushärtzeit im Wesentlichen entspricht und im Wesentlichen zu einer vollständigen Verfüllung der Fließstrecke mit der Härtemischung zwischen dem Mischpunkt und dem Ausgang des Bohrlochs führt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass, der Innenkanal und das Bohrloch während und/oder nach dem Bohren, jedenfalls aber vor Einleiten der Härtemischung mit Luft gespült wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer in dem Innenkanal angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer ein vor dem Innenkanal angeordneter statischer Mischer ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität der Härtemischung in der Aushärtzeit wenigstens 100.000 pa sec beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Härtemischung in der Aushärtzeit so stark aushärtet, dass das Drehmoment der Bohrstange in dem Bohrloch größer ist als das Drehmoment. Welches zum Lösen der Bohrstange von dem sie haltendem Bohrfutter erforderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Härtemischung bzw. einer der Komponenten ein Stoff oder Kunststoff beigemischt ist, welcher innerhalb und vorzugsweise zu Beginn der Aushärtzeit zu einer Vorvernetzung der Komponenten mit einer Erhöhung der Viskosität auf mehr als 500 pa sec, vorzugsweise mehr als 1000 pa sec führt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des Innenkanals der Bohrstange durch ein in Einfüllrichtung durchlässiges Rückschlagventil versperrt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der aushärtbare und der härtende Kunststoff während der Förderzeit F mit einer druckunabhängigen Fördermenge pro Zeiteinheit gefördert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9 dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der Kunststoffe und evtl. Beimengungen bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzdrucks abgeschaltet oder auf sonstige Weise beendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10 dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung der Fördercharakteristik für den aushärtenden und den härtenden Kunststoff die Füllzeit für das hinter dem Mischpunkt aufzufüllende Füllvolumen V der Gleichung genügt: V = k × ₀f^H (q_A + q_H)dt; worin bedeuten: V = Füllvolumen des Innenkanals hinter dem Mischpunkt und des Bohrlochs q_A = Fördermenge pro Zeiteinheit des aushärtbaren Kunststoffs q_H = Fördermenge pro Zeiteinheit des aushärtenden Kunststoffs dt = Zeitinkrement H = Aushärtzeit K = Konstante zur Berücksichtigung ortsabhängiger Gegebenheiten, insbesondere der Temperatur und der Beschaffenheit des Gebirges.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung der Kunststoffkomponenten durch einen Injektionskopf (Adapter 11) erfolgt, – welcher mittels Leitungen mit den auf einem Transportwagen (Bohrlafette) mitgeführten Förderpumpen der Kunststoffkomponenten dauernd verbunden ist, – welcher auf der Bohrlafette zwischen einer Ruheposition und einer Betriebsposition bewegbar geführt ist, und – welcher in der Betriebsposition mit dem aus dem Bohrloch ragenden Ende der Ankerstange über ein Verbindungsstück druckdicht verbindbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass – in dem Injektionskopf in jeder der Zuleitungen der Kunststoffkomponenten ein Sperrventil liegt zum Abschließen bzw. Öffnen der Zuleitung, – daß beide Sperrventile im Normalbetrieb nur synchron zu einander öffenbar und/oder schließbar sind, und – daßvorzugsweise die Antriebsmotoren der Pumpen über jeweils einen in der jeweiligen Zuleitung liegenden Drucksensor bei Erreichen eines vorgegebenen Höchstdrucks abschaltbar sind.
Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Injektionskopf gebildeten Kunststoffleitungen, welche an der Zufuhrseite an Schläuche angeschlossen sind, auf der dem Verbindungsstück zugewandten Seite (Anschlußseite des Verbindungsstücks) in einer glatten, vorzugsweise ebenen Fläche ausmünden, welche nach Abkuppeln des Verbindungsstücks durch einen Hochdruckstrahl, vorzugsweise Wasserstrahl spülbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsstück aus zwei Halbschalen besteht, welche relativ zueinander senkrecht zur Fließrichtung der im Inneren geführten Kunststoffe bewegbar sind und im zusammengesetzten Zustand den Injektionskopf auf der einen Seite und das aus dem Bohrloch ragende Ende der Ankerstange auf der anderen Seite druckdicht umfassen oder in sonstiger Weise veerbinden.
Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungen der Kunststoffe in dem Injektionskopf getrennt von einander geführt sind und daß die Zusammenführung der Kunststoffe in dem Verbindungsstück erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass der statische Mischer in dem Innenkanal der Ankerstange angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass der statische Mischer in dem Verbindungsstück angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass der statische Mischer rohrförmig mit in seinem Mischrohr liegenden Mischelementen ausgebildet ist und vorzugsweise von einem Kunststoffrohr umgeben wird, daß die Halbschalen des Verbindungsstücks im zusammengesetzten Zustand einen an dem Mischrohr eng anliegenden Führungskanal bilden, in welchem das Mischrohr an seinen beiden Enden zur Abstützung gegen den Eingangsdruck der Kunststoffe in den Mischer vorzugsweise formschlüssig, jedoch leicht lösbar festgelegt ist.