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Die
Erfindung betrifft einen Zweischritt-Hohlstabverbundanker, für Ein- oder
Zweikomponenten Kleberpatronen oder Klebergranulat für Hohlstabvoll- oder
Teilverbundanker, zum kostengünstigen
und sichereren Ausbau von Hohlräumen
im Berg-, Tunnel-, Tief- und Felsbau.
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Kleber,
Mörtel
oder Granulatgemisch wird in der Ankerhohlstabbohrung, ohne Zwischenmittel
wie ein Innenrohr als Klebermagazin das von einem Spülkanal umgeben
ist, vorkonfektioniert eingelagert und direkt aus der Hohlstabbohrung
mit einem Kolben ausgepresst.
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Da
die Herstellung der Bohrungen in den gezogenen oder gepressten Ankerrohren
gewissen Toleranzen unterliegen und die Oberfläche der Bohrung mit Zunder
und ähnlichen
Ablagerungen aus der Fertigung behaftet sind, wird für den Auspressvorgang eine
Oberflächenverbesserung
mit Gleitmitteln vorgesehen, die mit Inlinerfolien, eingeschobenen
Gleitschläuchen,
einem Dünnbettrohr,
mit aufgebrachten Gleitmitteln in der Bohrung durch Tauchen oder
Spritzen, erfolgen kann.
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In
einer Ausführung
wird zwischen einem Auspresskolben im Ankerfuß, mit Dicht- und Schublamellen
und zwischen einer Mischer-Dichtpatrone im Ankerkopf, die in der
Hohlstabbohrung vorkonfektioniert eingebrachte Kleberpatrone vor
Masseverlust durch Diffundierung geschützt.
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Mit
dem Auspressvorgang wird durch die intensive Vermischung die chemische
Aushärtung
in dem Ringraum zwischen Ankerrohr und Gebirge, nach Einsatz des
Hohlstabankers für
eine Teil-, oder Vollverklebung in der Ankerbohrung, ausgelöst.
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In
der weiteren Ausführung
kommt es bei Aufbringen eines definierten Wasserhochdruckes, auf
einem im Hohlstab befindlichen Auspresskolben mit Dichtfunktion,
zum Ansprechen eines Berstventils.
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Der
in der Hohlstabbohrung befindliche Kleber/Mörtel, als Druck-Granulatklebermischung
oder als Kleberpaste ohne Kunststoffschläuche eingefüllt, verflüssigt sich vor dem Berstventil
und vermischt sich mit dem im Granulat- oder in der Kleberpaste eingelagerten
Härter,
tritt über
den Ankerkopf aus und füllt
den Ringraum zur chemisch angestoßenen Aushärtung zwischen Ankerschaft
und Bohrlochwand, z. B. bei Vollverbundankern über die gesamte Bohrlochlänge bis
zum Ankerfuß.
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Mit
der Anordnung der Verlagerung der Klebermassen zwischen dem Auspresskolben
mit den Dicht- und Schublamellen und dem Berstventil, wird der Masseverlust
des Klebers durch Diffundierung bei langen Lagerzeiten verhindert.
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Nach
dem Aushärtevorgang
im Ringraum, bei einer Teil- oder Vollverklebung des Hohlstabverbundankers,
wird mit dem Ankeradapter auf die, mit einer Brechsicherung versehenen
vormontierten Ankermutter, ein maximales Drehmoment aufgegeben, mit
dem diese Muttersicherung abschert und damit anzeigt, dass die erforderliche
Sicherung des Gebirges mit dem gewählten Anpressdruck zwischen
Ankerplatte und Gebirge, erreicht ist.
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Beschreibung
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Der
Ankerkopf besitzt in einer Ausführung die
zur Diffundierungsverhinderung, vor der Auspressvorrichtung eingebaute
und mit einer Folie gekapselte Mischer-Dichtpatrone, die nach dem
Aufreißen
als statische Mischeinrichtung beim Einsatz von Kleberpatronen in
Folienschläuchen
mit integriertem Härterspiralschlauch
wirkt. Bei längeren
Lagerzeiten wird die Kleberpatrone von der Ankerkopf- und Fußseite,
gegen Masseverlust durch Diffundierung der Klebersäule geschützt.
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In
einer weiteren Ausführung
wird der vorkonfektionierte Kleber als Granulatgemisch direkt in der
Hohlstabbohrung, als Klebermagazin ohne Zusatzrohr, Spülkanäle, Folienschlauch
eingebracht und nach der Erreichung eines definierten Druckes mit
einem Auspresskolben über
ein Berstventil, zur chemischen Aushärtung in den Ringraum verpresst.
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Der
Ankerfuß wird
bei beiden Ausführungen mit
dem Ankersetzadapter, der den Anker, ohne Spülung mit einem Ausräummeißel für restliches
Bohrklein drehend in das Bohrloch schiebt und in sich einen hydraulisch
verschiebbaren Dispenserzylinder trägt, mit dem die Aufgabe des
Druckwassers bzw. auch die Dichtfunktion am Ankerfuß erfolgt,
der Auspressvorgang des vorkonfektionierten Klebers, mit einer vordimensionierten
Menge Druckwasser eingeleitet.
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Nach
der Aushärtezeit
des Klebergemisches, wird mit einem definierten Drehmoment das Anziehen
der Ankermutter über
eine Brechbolzensicherung als Spannelement, zur weiteren Sicherung und
Verbindung der Gebirgsschichten mit der Ankerplatte, vorgenommen.
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Stand der Technik
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Selbstbohrende
Verbundanker mit chemischen Klebern sind, als Injektionsanker mit/ohne
einem zusätzlichen
Klebermagazin zur Stabilisierung von Räumen im Berg- und Tunnelbau,
im Tief- und Tagebau von Fels- und Stützwänden bekannt und in den Schriften
DE 103 36 043 A1 ,
DE 103 36 040 A1 ,
DE 103 21 175 B3 ,
DE 103 01 968 A1 ,
DE 100 17 763 A1 ,
DE 100 17 751 A1 ,
100 17 750 A1,
DE
299 00 432 U1 ,
US 4,055,051 ,
DE 31 00 730, A1 10
2006 002 215.7 und 10 2005 004 364.2 eingehend beschrieben.
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Mit
diesen Verbundankern wird die Ankerbohrung je nach Gesteinshärte mit
Nass- oder Trockenbohrverfahren hergestellt. Ein zusätzlicher
Spül- oder
Absaugkanal zur Abförderung
von Bohrklein aus der Bohrung, ist dabei mit den vorgenannten Ankersystemen
erforderlich. Dabei wird nach der Herstellung der Ankerbohrung aus
einem zusätzlichen Innenrohr,
das als Klebermagazin dient, der Kleber und Härter über Trenneinrichtungen zu der
Spül- oder
Absaugleitung, im Ringraum zwischen Anker und Gebirge verpresst.
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Diese
bisher bekannten Verbundanker können
nur mit drehenden Bohrverfahren für die Herstellung der Ankerbohrung
eingesetzt werden und haben eine im Bohrloch verbleibende und damit
verlorene Bohrkrone. Die Unterscheidungsmerkmale der verschiedenen
Verfahren werden mit den betriebswirtschaftlichen Eignungen nachfolgend
dargestellt:
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1. Vollstabverbundanker
unter Anwendung des Patronenverfahrens:
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Bei
diesem Verfahren wird ein an der Außenseite gerippter Vollstab
in ein vorher erstelltes und mit Schlauch-in-Schlauch-Klebepatronen
gefülltes
Bohrloch mit geringer Vorschubgeschwindigkeit und hoher Drehzahl
eingedreht.
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Der
Ankerkopf zerstört
die Kleberpatronen und mischt Kleber und Härter. Das Klebergemisch wird
durch die Ankerstange verdrängt
und füllt
den Ringraum zwischen Ankerstab und Bohrlochwand bis zum Ankerfuß.
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Das
Einbringen des Ankers mit Bohren, Einbringen der Klebesäule, Einbringen
des Ankers, ist arbeitsintensiv und stellt hohe Qualitätsansprüche, sowohl
an die eingesetzte Maschinentechnik, als auch an die Ausbildung
und Disziplin des Personals mit der Einhaltung der vorgeschriebenen
Drehzahlen und der Vorschubgeschwindigkeit.
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Dadurch
bedingt ist die Einbauqualität
des Ankers fehleranfällig,
was im Extremfall zur Gefährdung
der Standsicherheit der Grubenbaue führen kann, da die verwendeten
Kleberpatronen bei zu langen Lagerzeiten durch das diffundieren
der Chemie, an Masse verlieren und dadurch beim Einbau abknicken,
im Bohrloch aufreißen
und der Aushärteprozess
dadurch zu früh
einsetzt.
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Eine
Mechanisierung/Automatisierung der Arbeitsvorgänge zum Einbringen solcher
Anker ist bis jetzt, insbesondere für Einsatzfälle im geschichteten Gestein,
nicht gelungen. Dies führt
dazu, dass derartige Vortriebe wenig leistungsfähig sind, da die Zeit für das Einbringen
eines derartigen Ankers bei ca. 5 Minuten liegt.
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Zusätzlich sind
die Arbeitsvorgänge
mit ständigem
händischem
Werkzeugwechsel, wie Verbindung Bohrhammer/Bohrstange lösen, Einstecken des
Ankersetzschlüssels,
Einstecken des Ankers usw. mit Risiken für das eingesetzte Personal
verbunden, da das Verfahren einen dauernden Aufenthalt von Personen
im nicht gesicherten Gefahrenbereich des Vortriebs erfordert. Eine
Risikominderung ist beim derzeitigen Stand der Technik nur bedingt möglich.
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Auf
Vollstabanker in Verbindung mit dem Füllmörtelverfahren bei dem der Mörtel in
das Bohrloch gepumpt wird, wird in der hier aufgeführten Be schreibung
nicht gesondert eingegangen, da diese als Ausbauanker im Streckenvortrieb
bis jetzt nicht eingesetzt werden.
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2. Selbstbohrende Verbundanker
mit integriertem Klebermagazin:
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Selbstbohrende
Verbundanker mit integriertem Klebermagazin sind bekannt und werden
als Ausbauanker alternativ zum Vollstabverbundanker eingesetzt,
da diese Ausführung
Bohrstange und Anker in einem sind. Der Anker ist mit einer verlorenen Bohrkrone
ausgestattet, die äußere Form
des Ankerrohres als Bohrstange, gewährleistet die Abführung von
Bohrklein während
des Bohrvorganges.
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Der
Hohlstab beinhaltet ein zusätzliches
Innenrohr, das den vorkonfektionierten Kleber und Härter enthält. Zwischen
Innenrohr und Innendurchmesser des Hohlstabs befindet sich der Spülkanal der
zur Spülung
mit Luft, Wasser oder Luftwassergemisch während des Bohrvorgangs genutzt
wird.
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Nach
der Herstellung der Bohrung wird aus dem zusätzlichen Innenrohr der Kleber
und Härter, durch
Beaufschlagung mit Wasserdruck, ausgepresst. Das Klebergemisch tritt über Bohrungen
am Ankerkopf aus und füllt
den Ringraum zwischen Anker und Bohrlochwand.
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Diese
selbstbohrenden Verbundanker mit integriertem Innenrohr als Klebermagazin,
eignen sich aufgrund ihrer Konstruktion nur für drehende Bohrverfahren. Drehendes
Bohren lässt
sich jedoch nur im begrenzten Umfang, in Abhängigkeit von den Gesteinseigenschaften,
zu maximal 30% aller Einsatzfälle
im Streckenvortrieb einsetzen und sind daher nicht geeignet, die
unter 1. beschriebenen, mit dem Patronenverfahren eingebrachten
Vollstabverbundanker, zu ersetzen.
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Ein
Einsatz des aufwendigen und damit kostenintensiven Ankers bei Gesteinseigenschaften,
die drehendes Bohren nicht zulassen und bei denen der Selbstbohranker,
nachträglich
in ein schlagend – bzw.
drehschlagend hergestelltes Bohrloch eingebracht wird, ist betriebswirtschaftlich
nicht zu rechtfertigen.
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3. Hohlstabinjektionsanker:
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Hohlstabinjektionsanker
sind als Selbstbohranker, oder als nachträglich in vorher hergestellte Bohrlöcher einzubringende
Anker bekannt. Durch den Hohlstab wird ein außerhalb des Bohrlochs hergestelltes
Klebergemisch, in den Ringraum zwischen Außenwand des Hohlstabs und Bohrlochwand,
als Verfüllverfahren
mit und ohne Druck, geleitet. Das Verfüllverfahren ist verfahrenstechnisch
mengenaufwendig, kosten- und zeitintensiv. Diese Nachteile werden
durch die sehr gute Einbauqualität
des Ankers in der Praxis nicht ausgeglichen.
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4. Zusammenfassung zu
1., 2. und 3.:
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Da
keines der beschriebenen Verfahren, den heutigen betriebswirtschaftlichen
und sicherheitstechnischen Anforderungen in vollem Umfang gerecht
wird und andere Ankerarten wie z.B. Spreizhülsenanker und Reibrohranker
vor allem für
Anwendungen im Steinkohlenbergbau nur bedingt in Frage kommen, ergibt
sich die Notwendigkeit zur Entwicklung eines alternativer Ankersystems:
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Der Zweischritt-Hohlstabverbundanker.
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Aufgabenstellung:
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Hohlstabverbundanker
zu schaffen, mit dem die bisher zeit- und kostenintensive, sowie
mit Qualitäts-
und Sicherheitsproblemen behafteten Verbundankersysteme abgelöst werden
können.
Das System muss eine Minimierung der Einbauzeit, Leistungssteigerung
mit guter Einbauqualität
als Hohlstabvollverbundanker, die Senkung des Personalaufwandes
und eine Verringerung der Unfallgefahr durch eine Bedienung aus
dem abgesicherten Bereich des Streckenvortriebes gewährleisten.
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Das
ist mit dem erfindungsgemäßen Zweischritt-Hohlstabvoll-
oder Teilverbundanker möglich, dessen
Einbau in zwei Schritten erfolgt:
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1.
Schritt: Herstellen einer Ankerbohrung mit definiertem Durchmesser
mittels eines leistungsfähigen
Bohrverfahrens in Abhängigkeit
von den Gesteinseigenschaften, drehend, schlagend oder drehschlagend.
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2.
Schritt: Einbringen des vorkonfektionierten Hohlstabvollverbundankers
mittels Ankeradapter und Auspressen der vorkonfektionierten Klebersäule mit Wasserhochdruck
mittels einer Dispensertülle
und nach dem Aushärten
das abgesicherte Anziehen der Ankermutter mit einem maximalen Drehmoment.
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Das
hier beschriebene Ankersystem ist ideal für eine künftige Vollmechanisierung/Automatisierung
des Einbringvorgangs, mit Bohrlafetten aus dem abgesicherten Vortriebsraum
geeignet, so dass Gefahren für
das Personal, sowohl beim Handling, als auch durch nachbrechendes
Gestein vermieden werden. Der chemische Aushärtevorgang wird mit Kleberpatronen,
mit Druckkleber- oder Granulatgemisch durch einen aufgebrachten
Druck, im Ringraum ausgelöst
und mit der Diffusionssperre gegen Masseverlust, wird eine überlange
Lagerzeit der vorkonfektionierten Ankerelemente erreicht.
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Eine
Vorkonfektionierung der Klebersäule
im Hohlstab ist in der Schrift mit dem Az. 10 2006 002 215.7 eingehend
beschrieben und trägt
zur Wirtschaftlichkeit und zur Erhöhung der Sicherheit mit dem
aufgezeigten Verfahren bei.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Oberbegriffes im Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind
in den Unteransprüchen
dargelegt, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der Beschreibung und Darstellung in den folgenden Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen.
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1 zeigt
den Schnitt durch den Kopf eines Hohlstabverbundankers mit einer
Kleberpatrone, der Mischer-Dichtpatrone und den gesicherten Ausräummeißel mit
den Auspresskanälen.
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2 zeigt
den linken halbseitigen Schnitt durch einen Ankerkopf eines in einer
Ankerbohrung verpressten Hohlstabverbundankers mit dem Auspresskolben
in der Endstellung und die ausgehärtete Klebermischung in der
Ankerbohrung.
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Die
rechte Hälfte
zeigt das Außengewinde des
Ankerrohres in der Ankerbohrung mit der ausgehärteten Klebermischung.
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3 zeigt
den Längsschnitt
durch den Kopf eines Hohlstabverbundankers mit einem Klebergranulat,
einem Berstventil als Dichtpatrone und den Ausräummeißel mit Venturikanälen.
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4 zeigt
den Längsschnitt
durch einen Hohlstabverbundanker mit der Dispensertülle, den Auspresskolben
als Dichtelement, ein Klebergemisch ohne Folienschlauch mit Härterspirale,
die Mischer-Dichtpatrone in einer Folie und den Ausräummeißel, als
abgeschrägten
Ankerkopf mit Sicherungsplatte, Ringspalt und den selbsttätig verspannten
Federtopf in einer Ankerbohrung.
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Ausführungsbeispiele:
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1 zeigt
den Ankerkopf 1 eines Hohlstabverbundankers 2 im
Längsschnitt
mit einer Kleberpatrone 3 in einem Folienschlauch 4 mit
der Härterspirale 5,
mit der Mischer-Dichtpatrone 6 in der Dichtfolie 35,
mit einer Anlagefläche 7 für die Kleberpatrone 3,
die Hohlstabbohrung 8 mit der Gleitbahn 9 und
den Ausräummeißel 10 mit
den Auspresskanälen 11.
Der Ausräummeißel 10 wird
mit einem Kleber 12 oder einer mechanischen Verbindung 13 mit
dem Hohlstabverbundanker 1 für die Räumarbeit von Bohrklein aus der
Ankerbohrung 14 verbunden.
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Der
Folienschlauch 4 der Kleberpatrone 3 stützt sich
mit dem Patronenverschluss 15 auf die Anlagefläche 7 ab,
damit keine frühzeitige
oder ungewollte Zerstörung
des Folienschlauches 4 erfolgen kann.
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Beim
Auspressvorgang mit dem Auspresskolben 16, mit den Dicht- 17 und
Schublamellen 18 wird der Folienschlauch 4 auf
dem, auf der Mischer-Dichtpatrone 6 angeordneten
Auflagerring 19 mit der ausgepressten Härterspirale 5 aufgestaut, ohne
die Mischer-Dichtpatrone 6 verstopfen zu können.
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2 zeigt
einen vollverklebten Ankerkopf 1 eines Hohlstabverbundankers 2 im
linken hälftigen Längsschnitt,
den Auspresskolben 16 mit den Dicht- 17 und Schublamellen 18 in
der Endlage 20 mit der Gleitbahn 9.
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Der
Auspresskolben 16 wird mit einer definierten Wasserhochdruckmenge 21 für den Auspressvorgang
beaufschlagt.
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Der
Folienschlauch 4 mit der Härterspirale 5, wird
vom Auspresskolben 16 in der Endlage 20 auf dem
Auflagerring 19 der Mischer-Dichtpatrone 6 gestaut
und ausgepresst. Die rechte hälftige
Ansicht zeigt das Außengewinde 22 des
Hohlstabvollverbundankers 2 mit dem Ausräummeißel 10 in
der Seitenansicht 23.
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3 zeigt
den Ankerkopf 24 eines Hohlstabverbundankers 2 im
Längsschnitt,
mit dem Granulat-Druckklebergemisch 25, dem Berstventil 26 und
den mechanischen Mitteln 13 befestigten Ausräummeißel 27 mit
einer Gleitbahn 9.
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Bei
Aufgabe einer definierten Wasserhochdruckmenge 21 über den
Auspresskolben 16 auf das Granulat-Druckklebergemisch 25,
wird dieses verflüssigt
und bei ansteigendem Druck das Berstventil 26 geöffnet.
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Der
verflüssigte
Granulat-Druckkleber 25 dringt über die Ausströmkanäle 28,
mit dem Venturieffekt 29 in der Meißelspitze 30, zur
Aushärtung
und Verklebung des Hohlstabverbundankers 2, in den Ringraum 31 der
Ankerbohrung 14.
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4 zeigt
den Längsschnitt
durch einen Hohlstabverbundanker 32 mit der Dispensertülle 33, den
Auspresskolben 16 mit den Dicht- 17 und Schublamellen 18.
Ein Klebergemisch 34 ohne Folienschlauch 4 mit
der Härterspirale 5,
der Mischer-Dichtpatrone 6 in einer Folie 35 und
den, als Ausräummeißel 36 abgeschrägten Ankerkopf 37 in
einer Ankerbohrung 14. Der Ausräummeißel 36, wird mit einer Sicherungsplatte 38 versehen,
die mit einem Ringspalt 39 den selbstsichernden, mit Schlitzen 43 elastisch
ausgebildeten Federtopf 40, mit den Auspressöffnungen 41 aufnimmt.
Auf der Innenseite 51 des Federtopfes 40 stützt sich
beim Auspressvorgang die Mischer – Dichtpatrone 6 in
der Dichtfolie 35, mit den Verteilerrippen 44 auf
der Innenseite 51 des Federtopfes 40 ab.
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Die
Montage aller Einbauteile 3, 6, 9, 19, 25, 26,
und 40 können
in die Hohlstabbohrung 8 des Hohlstabverbundankers 32 von
der Ankerkopfseite 37, als auch von der Ankerfußseite 53 ausgeführt werden.
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Zwischen
der Mischer-Dichtpatrone 6 mit der Dichtfolie 35 und
dem Auspresskolben 16 mit den Dicht- 17 und Schublamellen 18 wird
der Masseverlust des Klebergemisches 34, ohne Folienschlauch 4 mit
der Härterspirale 5,
durch Diffundierung verhindert.
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- 1
- Ankerkopf,
zu 2
- 2
- Hohlstabverbundanker
- 3
- Kleberpatrone,
zu 2
- 4
- Folienschlauch,
zu 3
- 5
- Härterspirale,
zu 3
- 6
- Mischer-Dichtpatrone,
zu 2
- 7
- Anlagefläche, zu 6
- 8
- Hohlstabbohrung,
zu 2
- 9
- Gleitbahn,
zu 2 und 8
- 10
- Ausräummeißel, zu 2 und 23
- 11
- Auspresskanäle, zu 10
- 12
- Kleber,
zu 10
- 13
- Verbindungsmechanik,
zu 2 und 10
- 14
- Ankerbohrung,
zu 2 und 32
- 15
- Patronenverschluss,
zu 3
- 16
- Auspresskolben,
zu 1, 8 und 24
- 17
- Dichtlamellen,
zu 16
- 18
- Schublamellen,
zu 16
- 19
- Auflagerring,
zu 6
- 20
- Endlage,
Auspresskolben, zu 16
- 21
- Wasserhochdruck,
definierte Menge, zu 8
- 22
- Außengewinde,
zu 2 und 32
- 23
- Ausräummeißel, Seitenansicht,
zu 10
- 24
- Ankerkopf,
zu 2
- 25
- Granulat-Druckklebergemisch
mit Härter,
zu 24
- 26
- Berstventil,
zu 24
- 27
- Ausräummeißel, zu 24
- 28
- Ausströmkanäle, zu 27
- 29
- Venturieffekt,
zu 28
- 30
- Meißelspitze,
zu 27
- 31
- Ringraum,
zu 14
- 32
- Hohlstabverbundanker
- 33
- Dispensertülle, zu 2 und 32
- 34
- Klebergemisch,
ohne Folienschlauch, zu 32
- 35
- Dichtfolie,
zu 6
- 36
- Ausräummeißel, zu 32
- 37
- Ankerkopf,
zu 32
- 38
- Sicherungsplatte,
zu 32
- 39
- Ringspalt,
zu 38
- 40
- Federtopf,
selbstsichernd, zu 37
- 41
- Auspressöffnungen,
zu 40
- 42
- Kragenrand,
zu 40
- 43
- Innenseite,
Federtopf, zu 40
- 44
- Verteilerrippen,
zu 6
- 45
- Gebirge
- 46
- Kleberpaste,
zu 2 und 32
- 47
- Härter, chemisch
eingelagert, zu 46
- 48
- Schrägschnitt,
zu 37
- 49
- Bohrung,
zu 38
- 50
- Widerlager,
zu 6
- 51
- Dehnschlitze,
zu 40
- 52
- Dichtebene,
zu 6
- 53
- Ankerfuß, zu 32
- 54
- Inlinerfolie,
zu 8
- 55
- Dünnbettrohr,
zu 8