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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Befüllung von unterirdischen Hohlräumen, die für den Bergbau oder im Tiefbau eingesetzt werden kann. Dabei können unterirdische Hohlräume, wie sie beispielsweise unterirdische aufgegebene Schächte eines Bergwerks sind, ausgefüllt werden.
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Die Schwerkraftförderung ist eine im Bergbau weit verbreitete Methode, die sich die potenzielle Energie des jeweiligen Füllgutes zunutze macht, um das Füllgut zu den und durch Förderrohre zu transportieren. Mit zunehmender Abbautiefe ist die potenzielle Energie des zumindest überwiegend als Schlamm vorliegenden Füllguts jedoch viel größer als die Energie, die beim Transport des Füllguts verbraucht wird. Daher wird bei der Schwerkraftförderung von Füllschlamm in einem Bereich von etwa 20 m bis 30 m im vertikalen Rohr unter dem Eingang ein nicht volles Rohr vorhanden sein (die spezifische Position variiert je nach Innendurchmesser des jeweiligen Förderrohrs und der Konzentration bzw. Konsistenz des Füllschlamms). Da eine nicht voll über ihren inneren freien Querschnitt ausgefüllte Rohrleitung zu Vibrationsschäden und Kavitationsschäden in der jeweiligen Rohrleitung führt, führt dies schließlich zu katastrophalen Folgen, wie insbesondere zu einer Rohrverstopfung oder einem Rohrbruch. Leider kann dieses Phänomen der nicht vollen Rohrströmung bisher nicht wirksam vermieden werden, was eine potenzielle Gefahr bei der Verfüllung darstellt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen die vorab genannten Nachteile, die infolge einer teilweisen nicht vollständigen Füllung eines vertikalen Förderrohres auftreten, vermieden werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Befüllung von unterirdischen Hohlräumen mit einem fließfähigen Füllgut, das typischerweise ein Gemisch von Flüssigkeit und partikelförmigem Feststoff ist. Als Flüssigkeit kann man aus Kostengründen bevorzugt Wasser und als Feststoff Sand oder Kies vorteilhaft einsetzen. Es können aber auch andere Mineralien genutzt werden, die mit dem Wasser eine Verfestigung nach Erreichen des jeweiligen Hohlraums erfahren können, wie dies beispielsweise mit Zement, Ton, Bentonit oder Lehm erreichbar ist, wenn das Wasser zu einem Abbinden führt oder eine größere Wassermenge abgeflossen ist.
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Bei der Vorrichtung wird Füllgut in ein vertikal ausgerichtetes Förderrohr über eine Einfüllöffnung eingegeben. Das Füllgut gelangt durch das vertikale Förderrohr über ein gebogenes Rohr in ein horizontal ausgerichtetes Förderrohr, mit dem es in den jeweiligen auszufüllenden Hohlraum gelangt. Dabei muss das horizontal ausgerichtete Förderrohr nicht 100%-ig horizontal ausgerichtet sein. Es kann auch ein Gefälle bis zu 5 % oder eine Steigung von bis zu 2 % aufweisen.
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In das vertikale Förderrohr ist ein Spiralpuffer eingesetzt, der eine Länge im Bereich 15 m bis 22 m, bevorzugt von 18 m hat. An der radial äußeren Mantelfläche des Spiralpuffers ist eine spiralförmige Schaufel ausgebildet. Die Schaufel sollte 4 bis 8, bevorzugt 6 Windungen mit einer Steigung, die über eine Länge zwischen 2 m und 4 m des Spiralpuffers reicht, aufweisen und an dessen vertikal unteren Ende angeordnet und fest am Spiralpuffer befestigt oder Teil eines einteiligen Spiralpuffers sein.
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Die Schaufel sollte weiter so dimensioniert sein, dass ein Außendurchmesser im Bereich der Schaufel erreicht ist, der dem 0,7-Fachen bis 0,9-Fachen, bevorzugt dem 0,8-Fachen des Innendurchmessers des vertikalen Förderrohres entspricht. Dabei kann die Schaufel auf der äußeren Mantelfläche eines Trägers mit bevorzugt rotationssymmetrischem Querschnitt angeordnet sein und der Träger einen maximalen Außendurchmesser, der im Bereich zwischen dem 0,1-Fachen und dem 0,2-Fachen des Innendurchmessers des vertikalen Förderrohrs liegt, aufweisen.
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Ein Spiralpuffer ist dabei zumindest im Bereich in dem die Schaufel angeordnet ist, ähnlich wie ein Schneckenförderer ausgebildet.
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Die Schaufel des Spiralpuffers führt im Gegensatz zur Förderwirkung eines Schneckenförderers dazu, dass die Geschwindigkeit des Füllguts nach dem freien Fall beim Erreichen der Schaufel durch eine Bremswirkung reduziert wird. Es wird dabei kinetische Energie des Füllguts in andere Energieformen umgewandelt. Dadurch kann ein Abreißen des Füllgutstromes im vertikalen Förderrohr verhindert werden und das Füllgut kann nach dem Passieren des Spiralpuffers in Richtung des horizonatlen Förderroheres als kontinuierlicher Förderstrom weiter durch des vertikale und anschließend das horizontale Förderrohr bis in den zu füllenden Hohlraum störungsfrei gelangen.
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Die Schaufel kann am Träger in Bezug zu dessen äußerer Mantelfläche so ausgerichtet sein, dass ein rechter Winkel eingehalten worden ist. Es kann aber ein etwas größerer Winkel gewählt werden, so dass Füllgut auf eine Schaufeloberfläche beim Fallen auftrifft und an ihr in Richtung horizontales Förderrohr und der äußeren Stirnflächen der Schaufel entlang abwärts gleiten kann.
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Der Spiralpuffer ist mit einer Halterung hängend im vertikal ausgerichteten Förderrohr gehalten.
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Die Halterung kann mit drei Hauptstützstangen, die jeweils eine Länge im Bereich 2 m bis 8 m, bevorzugt von 5 m aufweisen können, und drei Hilfsstützstangen mit einer Länge von ca. 1 m ausgebildet sein. Die Halterung sollte oberhalb des vertikalen Förderrohres und dessen Einfüllöffnung angeordnet sein, so dass der Spiralpuffer und das vertikale Förderrohr koaxial ausgerichtet sind. Ein Ende der drei Hauptstützstangen kann an das obere Ende des Spiralpuffers angeschweißt sein. Der Spiralpuffer kann also mit der Halterung fest verschweißt sein.
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Die Hilfsstützstäbe können horizontal ausgerichtet sein und ein Ende kann an einen entsprechenden Hauptstützstab geschweißt sein, während das andere Ende an den Spiralpuffer angeschweißt werden kann.
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Die drei Hauptstützstäbe können bevorzugt in einem Winkel von 120 ° zueinander also in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander ausgerichtet sein. Der Winkel zwischen den Hauptstützstäben und dem Spiralpuffer kann 45 ° betragen.
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Der Spiralpuffer kann aber auch drehbar an der Halterung gelagert befestigt sein. Dabei kann er sich frei ohne einen Antrieb allein durch die in ihn eingetragene kinetische Energie vom Füllgut, das auf die Schaufeloberfläche auftrifft und daran entlang gleitet, drehen.
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Vorteilhaft kann der Spiralpuffer aber auch mittels eines bevorzugt steuer- oder regelbaren Drehantriebs drehbar sein. Dabei kann die Drehzahl in Abhängigkeit des momentanen Volumenstroms und/oder der Konsistenz des Füllguts so gewählt werden, dass für den Transport von Füllgut verbesserte, insbesondere optimale Transportverhältnisse in den Förderrohren erreicht werden können. So kann noch besser ein Verstopfen der Förderrohe oder ein Füllgutabriss des im freien Fall im vertikalen Förderrohr befindlichen Füllguts vermieden werden.
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Verglichen mit dem traditionellen Füllsystem ist der Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass das Vorhandensein des Spiralpuffers einen Teil der kinetischen Energie des Füllschlamms in der Phase des freien Falls durch die Bremswirkung der spiralförmigen Schaufel kompensiert, wodurch vermieden wird, dass das Füllgut unter der Einwirkung der Schwerkraft zu schnell fließt und eine schädliche nichtvolle Rohrströmung auftritt. Außerdem kann mit der spiralförmigen Schaufel ein Umrühreffekt erreicht werden, der die Homogenität des Füllguts in seiner Zusammensetzung vergleichmäßigt.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich bevorzugt auf ein Füllsystem für tiefe Bergwerke mit voller Rohrströmung, wobei dieses Füllsystem vertikale Förderrohre, horizontale Förderrohre, ein bogenförmiges Rohr, mit dem das vertikale und das horizontale Förderrohr verbunden sind, einen Spiralpuffer und eine Halterung für den Spiralpuffer aufweist. Die Halterung kann sicherstellen, dass der Spiralpuffer und das vertikale Förderrohr koaxial ausgerichtet sind, während der Spiralpuffer sicherstellen kann, dass das Füllgut über die gesamte Länge des vertikalen Förderrohres im Zustand der vollen Rohrströmung fließt, wodurch die katastrophalen Kavitationsschäden und Vibrationsschäden des Förderrohrs, die durch die nicht volle Rohrströmung verursacht werden würden, vermieden werden können.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung und um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Dabei zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Füllsystems nach dem Stand der Technik;
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Spiralpuffers, der bei der Erfindung eingesetzt werden kann;
- 3 eine perspektivische Draufsicht auf eine Halterung mit der ein Spiralpuffer fixiert werden kann;
- 4 eine Schnittansicht der Halterung des Spiralpuffers in einer Schnittebene A-A und
- 5 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt den Aufbau und die Anordnung eines herkömmlichen Füllsystems, wenn die Schwerkraftfördermethode in einem tiefen Bergwerk eingesetzt wird. Dabei bewegt sich das Füllgut 1 aus einem Vorratsbehälter in das vertikale Förderrohr 3 über die Einfüllöffnung 2, wobei die beschleunigende Wirkung der Schwerkraft auf das Füllgut 1 zur Bildung eines Volumenstroms, der das vertikale Förderrohr 3 in seinem Inneren in einem Abstand im Bereich 20 m bis 30 m von der Befüllöffnung nicht vollständig ausfüllt.
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Nachdem ein Teil der kinetischen Energie des Füllguts 1 aufgrund der nicht vollständigen Rohrströmung im Inneren des vertikalen Förderrohres 3 in andere Energieformen umgewandelt wurde, kann wieder eine vollständige Rohrströmung mit der der innere freie Querschnitt des vertikalen Förderrohres 3 vollständig ausgefüllt werden kann, erreicht werden. Das Füllgut 1 strömt dann weiter durch das vertikale Förderrohr 3, das bogenförmige Rohr 4 und das horizontale Förderrohr 5 und erreicht schließlich den mit dem Füllgut 1 zu füllenden Hohlraum 6.
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2 zeigt den Aufbau eines Spiralpuffers 10. Am vertikal unteren Ende des Spiralpuffers 10 ist die spiralförmige Schaufel 11 mit sechs Windungen ausgebildet. Auf die Oberfläche, die vertikal nach oben gerichtet ist, triff das Füllgut im freien Fall nach ca. 18 m auf und wird dort abgebremst. Das Füllgut 1 gleitet an der Oberfläche der Schaufel 11 entlang in Richtung horizontales Förderrohr 3, wo es am Ende der Schaufel 11 wieder in den freien Fall übergeht, bevor es durch das bogenförmige Rohr 4, das horizontale Förderrohr 3 in den Hohlraum 6 gelangt.
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Die Schaufel 11 ist in einem Bereich zwischen 15 m und 18 m am vertikal unteren Ende des Spiralpuffers 10 angeordnet.
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3 zeigt die Draufsicht auf die Halterung 7 des Spiralpuffers 10, mit drei in gleichen Winkelabständen zueinander angeordneten Hauptstützträgern 8, die an einer Seite mit ihren Stirnseiten verbunden sind. Dort ist der Spiralpuffer 10 hängend befestigt, so dass er koaxial in das vertikale Förderrohr 3 eingeführt werden kann.
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4 zeigt die A-A-Schnittansicht der Halterung 7 mit daran befestigtem Spiralpuffer 10. Ein Ende des Spiralpuffers 10 ist mit der Halterung 7 verbunden. Die Halterung 7 besteht aus drei Haupttragstangen 8 und drei Hilfstragstangen 9, und alle Haupttragstangen 8 und Hilfstragstangen 9 sorgen gemeinsam dafür, dass der Spiralpuffer 10 und das vertikale Förderrohr 3 koaxial zueinander ausgerichtet sind.
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5 zeigt Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Füllgut 1 fließt aus dem Vorratsbehälter über die Einfüllöffnung 2 in das vertikale Förderrohr 3. Wenn das Füllgut 1 die spiralförmige Schaufel 11 des Spiralpuffers 10 passiert, kompensieren die Windungen der Schaufel 11 einen Teil der kinetischen Energie des Füllguts 1 und verringern die Fließgeschwindigkeit des Füllguts 1, wodurch das Füllgut 1 in einem vollen Zustand gehalten wird, bei der der gesamte freie Querschnitt im Inneren des vertikalen Förderrohres 3 auch in diesem Bereich mit dem Füllgut 1 ausgefüllt werden kann. Nachdem das Füllgut 1 die Windungen der Schaufel 11 passiert hat, fließt es nacheinander kontinuierlich durch das vertikale Förderrohr 3, das bogenförmige Rohr 4 und das horizontale Förderrohr 5 und füllt am Ende den Hohlraum 6.
