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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abteufen eines Schachts mit wenigstens einer Abbauvorrichtung zum Abbau von Gestein an einer Schachtsohle, wobei die wenigstens eine Abbauvorrichtung wenigstens ein Abbauwerkzeug aufweist, dass an wenigstens einem gegenüber der Schachtsohle bewegbaren Schwenkarm angeordnet ist, und wobei die Vorrichtung wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung und Abgabe von Mikrowellen in das Gestein der Schachtsohle aufweist, die wenigstens einen Applikator zum Einbringen der Mikrowellen in das Gestein aufweist, der gegenüber der Schachtsohle beweglich ausgeführt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abteufen eines Schachts, wobei das Gestein an einer Schachtsohle mit einem an wenigstens einem Schwenkarm angeordneten Abbauwerkzeug einer Abbauvorrichtung einer Vorrichtung zum Abteufen eines Schachts gelöst wird, wobei die Festigkeit des Gesteins durch ein Bestrahlen mit Mikrowellen reduziert wird, wobei die Mikrowellen über wenigstens einen Applikator einer Vorrichtung zur Erzeugung und Abgabe von Mikrowellen in das Gestein abgegeben werden, der gegenüber der Schachtsohle beweglich ausgeführt ist.
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Generell ist bekannt, dass beim Lösen von Gestein (in dieser Anmeldung wird Gestein immer synonym mit Boden verwendet), beispielsweise beim Auffahren eines Tunnels oder eines Schachts oder im Bergbau beim Lösen von Wertmineral oder beim Auffahren von Strecken, der Löseprozess des Gesteins verschließarmer ausgeführt werden kann, indem das Gestein durch ein Erwärmen durch das Einbringen von Mikrowellen erwärmt und geschwächt wird. Dieser Prozess kann zusätzlich noch durch einen Kühlschritt durch das Aufbringen eines Kühlmediums wie Wasser zum Abschrecken des Gesteins unterstützt werden. Hier hat sich gezeigt, dass das Abkühlen selber keinen zusätzlichen Vorteil hinsichtlich der Schwächung des Gesteins bringt und nur zusätzliche Probleme beispielsweise beim Abbauprozess mit sich bringt, insbesondere wenn Trocken abgebaut wird, oder Kosten mit sich bringt ohne einen nennenswerten Vorteil beim Lösen des Gesteins zu erreichen.
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CN 107218054A beispielsweise offenbart eine Teilschnittmaschine, bei der am Schwenkarm ein Mikrowellenvorrichtung vorgesehen ist, mit der in einem separaten Arbeitsschritt das Gestein durch das Einbringen von Mikrowellen erwärmt und geschwächt wird. Diese Mirowelle weist einen Applikator auf und ist vollständig am Schwenkarm angeordnet. Dabei ist die Mikrowellenvorrichtung mit einer Bewegungsvorrichtung am Schwenkarm vorgesehen, die es ermöglicht, während der Abbauprozess gestoppt ist, dass der Applikator zusammen mit einer Bewegung des Schwenkarms über die Ortsbrust abschnittsweise bewegt wird. Anschließend wird der erwärmte und geschwächte Bereich mit dem Abbauwerkzeug gelöst. Anschließend wird dann der nächste Bereich mit dem Applikator abgefahren und erwärmt, während der Abbauprozess wieder gestoppt ist. Auf diese Weise wird die gesamte Ortsbrust sukzessive behandelt und anschließend abgebaut. Nachteilig hierbei ist, dass der Abbauprozess durch die sich abwechselnden Schritte entsprechend verlangsamt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, insbesondere bei sehr hartem Gestein größer 120 MPa eine Verbesserung der Lösbarkeit des Gesteins zu erlangen, indem das Gestein mittels eines Eintrags von Mikrowellen erwärmt und dadurch geschwächt wird, wobei die zuvor genannten Nachteile überwunden werden.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung dadurch, dass der Applikator gegenüber der Schachsohle separat vom wenigstens Schwenkarm des Abbauwerkzeugs angeordnet ist. Dadurch kann auf einfach Weise gezielt beabstandet vom Abbauwerkzeug das Gestein geschwächt werden, während gleichzeitig der Abbau des Gesteins an der Schachtsohle durchgeführt wird.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Applikator an einem beweglichen Träger angeordnet ist, der mittels wenigstens einem Aktuator gegen über der Schachtsohle getrennt vom wenigstens einen Schwenkarm des wenigstens einen Abbauwerkzeugs bewegbar ist. Hierdurch kann auf einfach Weise der Bestrahlungsbereich während des Abbauens variiert werden.
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Dabei ist vorteilhaft, dass es sich bei dem Aktuator um eine Hydraulikzylinder oder um einen Zahlstangenantrieb handelt.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Applikator mit wenigstens einer Applikatorabschirmung versehen ist. Dabei ist vorteilhaft, dass die wenigstens eine Abschirmung so gegenüber der Schachtsohle vorgesehen ist, dass der Abstand der wenigstens einen Applikatorabschirmung gegenüber der Schachtsohle veränderbar ist. Es hat sich überraschend gezeigt, dass dadurch sowohl ein unkontrollierter Austritt von Mikrowellen im Bereich der Applikation vermieden wird und weiterhin auf einfach Weise auch ein optimaler Wirkraum um den Applikator herum bereitgestellt wird.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass auf der vom Schwenkarm in Bezug auf das Abbauwerkzeug abgewandten Seite der wenigstens einen Abbauvorrichtung eine Abbauvorrichtungsabschirmung vorgesehen ist. Hierdurch wird eine weitere einfache Möglichkeit bereitgestellt, die oberen Bereich der Vorrichtung vor austretenden Mikrowellen zu schützen.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung zur Erzeugung und Abgabe von Mikrowellen wenigstens eine Stromquelle, wenigstens eine Kühlung, bevorzugt eine Wasserkühlung, wenigstens ein Magnetron, wenigstens einen Frequenztuner für die Einstellung der Frequenz der Mikrowellen und wenigstens einen Mikrowellenleiter zum Leiten der Mikrowellen zum wenigstens einen Applikator aufweist.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung und Abgabe von Mikrowellen in das Gestein der Schachtsohle einen Mikrowellenleiter aufweist, der in seiner Länge veränderbar ist. Alternativ kann der Applikator zusammen mit weiteren Bestandteilen der Vorrichtung, beispielweise dem wenigstens einen Magnetron, dem wenigstens einen Frequenztuner und dem wenigstens einen Mikrowellenleiter als eine verbundene Einheit von der Schachtsohle weg oder zu dieser hin bewegt werden. Hierdurch wird auf einfache Weise ermöglicht den optimalen Abstand des Applikators zur Schachtsohle bereitzustellen, auch wenn dieser über die Schachtsohle zu einem weiteren Bestrahlungsbereich bewegt wurde.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass das wenigstens eine Magnetron, der wenigstens eine Frequenztuner, wenigstens eine Mikrowellenleiter, der wenigstens eine Applikator und die wenigstens eine erste Abschirmung als eine Einheit gegenüber der Schachtsohle beweglich vorgesehen sind. Hierdurch wird auf einfache Weise ermöglicht den optimalen Abstand des Applikators zur Schachtsohle bereitzustellen. Weiterhin oder alternativ ist es hierdurch auf einfache Weise möglich, verschiedene Bestrahlungsbereiche auf der Schachtsohle während des Abbaubetriebs des Abbauwerkzeugs anzufahren.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass im Bereich des Applikators eine Reinigung der Schachtsohle vorgenommen wird, beispielsweise, indem Druckluft in den Bestrahlungsbereich abgegeben wird. Hierfür ist bevorzugt einen Reinigungsvorrichtung im Bereich des Applikators angeordnet.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß hinsichtlich der Verfahren zum Abteufen eines Schachts bevorzugt mit einer zuvor beschriebenen Vorrichtung, dadurch, dass der Applikator gegenüber der Schachsohle separat vom wenigstens Schwenkarm des Abbauwerkzeugs angeordnet ist, dass das Gestein mit den eingebrachten Mikrowellen während des Lösens des Gesteins räumlich getrennt vom Abbauwerkzeug erhitzt wird, und das Abbauwerkzeug den erhitzen Bereich erst nach Abkühlung des erhitzen Bereichs löst. Hierdurch kann auf einfache und schnelle Weise das Gestein erhitzt werden während der Abteufbetrieb des Schachts fortgesetzt wird.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Applikator an einem beweglichen Träger angeordnet ist, der mittels wenigstens einem Aktuator gegen über der Schachtsohle getrennt vom wenigstens einen Schwenkarm des wenigstens einen Abbauwerkzeugs bewegt wird. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, verschiedene Bestrahlungsbereiche auf der Schachtsohle während des Abbaubetriebs des Abbauwerkzeugs anzufahren.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Applikator mit wenigstens einer Applikatorabschirmung abgeschirmt wird.
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Dabei ist vorteilhaft, dass die wenigstens eine Abschirmung so gegenüber der Schachtsohle vorgesehen ist, dass der Abstand der wenigstens einen Applikatorabschirmung gegenüber der Schachtsohle verändert wird.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass auf der vom Schwenkarm in Bezug auf das Abbauwerkzeug abgewandten Seite der wenigstens einen Abbauvorrichtung eine Abbauvorrichtungsabschirmung vorgesehen ist, mit der der über der Abbauvorrichtung liegende Bereich abgeschirmt wird.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass im Bereich des Applikators eine Reinigung der Schachtsohle vorgenommen wird, beispielsweise, indem Druckluft in den Bestrahlungsbereich abgegeben wird. Hierfür wird bevorzugt einen Reinigungsvorrichtung im Bereich des Applikators angeordnet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine erste schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 2 eine zweite schematische Seitenansicht zu 1,
- 3 eine räumliche Ansicht zu 1,
- 4 eine weitere räumliche Ansicht zu 1,
- 5 eine vergrößerte Ausschnittsansicht Y zu 4, und
- 6 eine vergrößerte Ausschnittsansicht X zu 1.
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1 zeigt in einer schematischen teilgeschnittenen Seitenansicht eines sich in vertikaler Richtung erstreckenden Schachts 100 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Abteufen eines Schachts. 2 zeigt dazu die um 180 Grad gedrehte Ansicht. 3 zeigt dazu eine leicht gedreht räumlich Ansicht zu 2 ohne Schacht 100. 4 zeigt dazu eine um 90 Grad zu 1 gedrehte Ansicht ohne Schacht 100. 4 und 5 zeigen jeweils vergrößerte Ausschnitte X, Y.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist nur unterhalb einer Abschirmebene 11 dargestellt. Unterhalb der Abschirmebenen 11 ist eine Verspannebene 12 vorgesehen. Die Verspannebene 12 weist Verspannelemente 13 auf, die (hier nicht dargestellt) gegen die Schachtwand 110 ausgefahren werden, um die Abbauvorrichtung im Schacht 10 zu verspannen und beim Abbauen des Gesteins während des Abteufens des Schachts 100 zu stabilisieren.
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Unterhalb der Verspannebene 12 ist hier eine Abbauvorrichtung 20 in einem Abbauraum 140 im Schacht 100 vorgesehen. Die Abbauvorrichtung 20 verfügt über einen Schwenkarm 21. Dieser auch als Fräsarm bezeichnete Schwenkarm 21 weist an seinem freien Ende ein Abbauwerkzeug 22 auf, hier beispielsweise in Form einer Fräswalze. Die Fräswalze weist beispielsweise eine Walzenkörper 25 auf, der drehbar gelagert und rotationsangetrieben ist. Auf dem Walzenkörper 25 sind beispielsweise Meißel 24 vorgesehen, mit dem das anstehende Gestein einer Schachtsohle 120 als tiefsten Bereich des Schachts 100 gelöst wird. Im dargestellten erfindungsgemäßen Beispiel erfolgt das Lösen des Gesteins im so genannten Teilschnitt.
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Weiterhin ist der Schwenkarm über ein Gelenk 26 mittels eines Aktuators, hier ein Hydraulikzylinder 27, verschwenkbar. Ggf. kann der Schwenkarm auch teleskopierbar sein, um eine Plane Schachtsohle abzubauen. Hier ist die Schachtsohle 120 radial vorgesehen entsprechend eines (nicht dargestellten) Schwenkradius des Schwenkarms 21 um das Gelenk 26, wenn der Aktuator betätigt wird.
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Im Bereich des Schwenkarms 21 ist weiterhin eine Bühne 14 vorgesehen auf und an der eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30 zur Erzeugung und Abgabe von Mikrowellen angeordnet ist.
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Mittels der erzeugten und abgegebenen Mikrowellen wird das Gestein in einem Bestrahlungsbereich 130 erwärmt. Durch die Erwärmung erfolgt eine Schwächung des Gesteins bzw. bestimmter Mineralien im Gestein, wodurch die Festigkeit des Gesteins reduziert wird.
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Die Vorrichtung 30 weist dabei wenigstens eine Stromquelle 31, bevorzugt ein Generator mit entsprechender mit Leistungselektronik zur Spannungsversorgung, wenigstens einen Kühler 32, bevorzugt eine Wasserkühlung, wenigstens ein Magnetron 33, wenigstens einen Frequenztuner 34 für die Einstellung der Frequenz der Mikrowellen und wenigstens einen Mikrowellenleiter 35 zum Leiten der Mikrowellen zum wenigstens einen Applikator 36 auf. Am Applikator 36 ist ein Abschirmung 39 vorgesehen. Diese kommt beispielsweise mit dem Gestein im Bestrahlungsbereich 130 in oder nahezu in Berührung und bildet einen Bestrahlungsraum 41, in dem der Applikator 36 die Mikrowellen (nicht dargestellt abgibt, die das Gestein im Bestrahlungsbereich 130, ggf. mit Wasser das sich im Gestein in den Klüften und Poren befindet, erhitzt, wodurch es dann zu einer Schwächung des Gesteins kommt.
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Das wenigstens eine Magnetron 33 ist über eine Leitung 37 mit der Stromquelle 31 verbunden. Der Kühlkreislauf für das Magnetron 33, der über die Kühler 32 beschickt wird, ist nicht dargestellt.
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Magnetron 33, Frequenztuner 34, Mikrowellenleiter 35 und Applikator 36 bilden dabei hier bevorzugt mit der Abschirmung 39 eine Einheit 38, die an einem Gestell 40 angeordnet ist.
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Der Mikrowellenleiter 35 kann dabei bevorzugt in seiner Länge teleskopierbar nicht dargestellt) sein, um den Applikator 36 in den gewünschten Abstand zur Schachtsohle 120 zu bringen. Auch die Abschirmung 39 kann entsprechend in ihrer Größe veränderbar sein, um den optimale Größe Bestrahlungsraum 41 zu bilden.
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Mit dem Frequenztuner 41 wird in Abhängigkeit des zu erwärmenden Gesteins bzw. dessen Bestandteilen/Mineralen die optimale Frequenz der Mikrowellen eingestellt, mit der das Gestein bzw. ggf. ein bestimmtes Mineral im Gestein optimal/schnellstmöglich erwärmt wird, um entsprechend eine optimale Schwächung in Relation zum Energieeintrag durch die Mikrowellen zu erreichen.
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Das Gestell 42 weist eine Verschwenkebene 42 auf, auf der die Einheit 38 verfahrbar ist, um verschiedenen Bestrahlungsbereiche 130 auf der Schachtsohle 120 zu erreichen. Dafür ist an der Einheit 38 eine Zahnstange 43 angeordnet. Mit dieser befindet sich ein Aktuator 44, der einen Antrieb (nicht dargestellt) und hier ein erstes Zahnrad 46, dass sich mit der Zahnstange 43 im Eingriff befindet, auf.
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Bevorzugt weist auch die Einheit 38 eine Zahnstange 47 auf, mit der sich der Aktuator 44 über ein angetriebenen Zahnrad 45 ebenfalls im Eingriff befindet. Hierrüber kann die Einheit 38 von der Schachtsohle 120 weg oder zu dieser hin während des Verschwenkens entlang der Schwerschwenkebene 42 bewegt werden, um den optimalen Abstand des Applikators 36 zur Schachtsohle 120 beizubehalten.
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Nicht dargestellt ist im Bereich der Abschirmung 39 eine Reinigungsvorrichtung, mit der der zu erwärmenden Bestrahlungsbereich vor der finalen Anordnung der Abschirmung 39 bzw. des Applikators 36 von ggf. störenden Materialien wie beispielsweise Staub der Feuchtigkeit gereinigt werden kann. Hierbei kann es sich beispielsweise nicht abschließend um einen Räumer, einen Besen oder eine Druckluftabgabe handeln.
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Zusätzlich zur Abschirmung 39, mit der der Raum 41 definiert wird und die weiterhin verhindert, dass Mikrowellen in dem Abbauraum 140 gelangen kann, ist zusätzlich bevorzugt in der Abschirmebene 11 eine Abschirmung 48 vorgesehen, mit der verhindert wird, dass Mikrowellen in den Abbauraum 140 gelangen, diese nicht in den Bereich der Vorrichtung 120 oberhalb der Abschirmebenen 11 gelangen können. Es handelt sich somit bevorzugt bei der Abschirmung 39 um eine erste Abschirmung und bei der Abschirmung 48 um eine zweite Abschirmung. Ggf. kann es auch möglich sein, jeweils ein Abschirmung 39, 48 wegzulassen.
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Um das Gestein entsprechend zu schwächen und das Lösen entsprechen zu schwächen, ohne eine Verlängerung des Auffahrens des Schachts zu erreichen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Schachtsohle mit Mikrowellen zu bestrahlen, um das Gestein zu erwärmen. Vorteilhafter Weise kühlt das Gestein ab, bevor es mit dem Abbauwerkzeug 22 gelöst wird, da es sich gezeigt hat, dass bei heißen/warmen Gestein der Verschleiß an den Meißeln 24 steigt. Hierbei hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, dass die Abkühlung ohne Hilfsmittel mit der Zeit erfolgt, da beispielsweise ein schockartiges Abkühlen keine weitern Vorteile bei Schwächen erbringt.
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Über die Schwenkebene 42 wird die Einheit 38 mit dem Aktuator 44 verfahren. Dabei werden entsprechend der Applikator 36 über den einzelnen Bestrahlungsbereiche 130 angeordnet. Diese kann beispielsweise Schachbrettartig oder aber auch direkt benachbart entlang der Schwenkebenen 42 erfolgen. Durch ein Drehen der Abbauwerkzeugs 22 über den Drehantrieb 23 wird auch die Bühne 14 mit gedreht, so dass dann entsprechend auch die Einheit 38 mit gedreht wird über der Schachtsohle und entsprechend die nächste Bahn von Bestrahlungsbereichen 130 erreicht wird. Vorzugsweise erfolgt das Drehen dabei so, dass das Abbauwerkzeug 22 nur in abgekühltem Gestein der Schachtsohle arbeitet, dass möglichst bereits erwärmt wurde und wieder abgekühlt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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