-
Verfahren zur Stabilisierung unterirdischer Gesteinsformationen Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung von Gesteinsformationen, insbesondere
von Stollendecken, beispielsweise in Kohlenbergwerken, durch Durchsetzen einer Gesteinsformation
mit einem bei Umgebungstemperatur erhärtenden flüssigen Polyesterharz.
-
Wenn bei unterirdischen Arbeiten, insbesondere in Bergwerken, die
Kohle im Stollen aus ihrer Lage entfernt wird, wird über dem Stollen die Gesteinsformation
belassen, die über der Kohle liegt. Diese Gesteinsformation besteht häufig aus einer
dünnen Schicht von Deckenkohle, einer dickeren Schicht Schiefer und darüber aus
einer Schicht Sandstein oder einem anderen festen Material. Schiefer ist bekanntlich
weich und neigt dazu, lose in Klumpen oder Platten zu zerbrechen, die auf die in
dem Stollen arbeitenden Männer fallen, was ernste Folgen haben kann. Zur Zeit werden
ungefähr 75°/0 der tödlichen Unfälle in den Bergwerken in den USA., in denen bituminöse
Kohle gefördert wird, durch Steinschlag verursacht.
-
Derartige Steinschläge finden üblicherweise nicht die Beachtung in
der Öffentlichkeit wie Grubenunglücke, bei denen mehrere Männer gleichzeitig in
einem Stollen eingeschlossen werden; jedoch übersteigt im Verlauf der Jahre der
Verlust an Männern, die durch Steinschlag umkommen, die Verluste auf Grund anderer
Ursachen. Derartige Unfälle passieren meistens in einer Entfernung von 7,6 bis 15,2
m von der Arbeitsstelle entfernt, an der die Kohle abgebaut wird.
-
Um derartige Steinschläge zu verhindern, d. h. um die Decke am Einsturz
zu hindern, ist es üblich, einen Stollen auszukleiden. Hierbei werden schwere Stützbalken,
die die Decke halten, oder es werden Deckenbolzen verwendet, wobei Löcher durch
die Gesteinsschicht in eine festere Gesteinsformation gebohrt und Metallbolzen eingesetzt
werden, die eine Metallplatte am Ende des Bolzens tragen und so die Decke in ihrer
Lage halten. In vielen unterirdischen Stollen ist die ganze Decke mit diesen Deckenbolzen
beschlagen. Da sowohl Balken wie auch Deckenbolzen in der Decke des Stollens erst
angebracht werden können, wenn die Decke zugänglich ist, d. h. nachdem die Kohle
entfernt ist, klafft eine Lücke zwischen dem Teil der Decke, der durch Deckenbolzen
oder Balken gestützt wird, und dem Arbeitsplatz des Stollens. Oft ist es durch Abklopfen
des Gesteins oder durch Prüfung auf lockere Stellen möglich, Steinschläge zu verhindern
und dann entweder eine besondere Verkleidung anzubringen oder speziell Deckenbolzen
einzuführen, um lose Gesteinsformationen nahe dem Arbeitsplatz abzustützen.
-
Bergleute werden üblicherweise sorglos gegen all-
gemein drohende Gefahren,
und von Zeit zu Zeit wird ein Bergmann unachtsam. Um seine Leistung zu erhöhen und
eine große Kohlenmenge abzubauen, vergißt er, die Decke abzustützen, oder stellt
diese Abstützung zurück. Auf diese Art geschieht dann ein Unfall.
-
Falls die einzelnen Schichten oder Blöcke des Schiefers miteinander
verbunden werden können, wird die Decke nach Entfernung der darunterliegenden Kohle
in ihrer Lage verbleiben, so daß der Stollen sehr viel sicherer ist.
-
Außerdem ist es wünschenswert, daß der Schiefer über dem Arbeitsplatz
im Stollen verfestigt oder stabilisiert ist. Obwohl dies seit langer Zeit als ein
theoretisch erwünschter Zustand erkannt ist, hat man die Erreichung dieses Zustandes
bisher als undurchführbar angesehen. Man hat bereits Zement in die Gesteinsformation
eingespritzt, um die Schichtung zu stabilisieren, jedoch ist eine derartige Zementierung
nur von größtem Wert zur Stabilisierung gegen Druck oder Scherspannung. Der eingespritzte
Zement ist unter Zug weich und benötigt eine zu lange Zeit zum Erhärten, um zur
Stabilisierung von unterirdischen Gesteinsformationen geeignet zu sein.
-
Erforderlich ist ein Stabilisierungsmittel, das gute Haftung gegenüber
dem Stein aufweist. Dieses Mittel
soll vorzugsweise eine Flüssigkeit
bei Raumtemperatur oder bei den Temperaturen der unterirdischen Gesteinsformationen
sein, so daß es bei Einspritzung leicht in die Gesteinsformationen fließt. Es muß
bei derselben Temperatur erhärten, um die Verfestigung der Gesteinsformation herbeizuführen.
Die Temperatur der unterirdischen Gesteinsformationen kann von leicht oberhalb des
Gefrierpunktes bis zu einer Temperatur nahe 54 Cwechseln. Das Stabilisierungsmittel
soll sehr rasch erhärten, damit die Gesteinsformation in kurzer Zeit verfestigt
werden kann.
-
Das Mittel soll in Gegenwart von Wasser erhärten können.
-
Es wurde nun gefunden, daß Polyesterharze diese Bedingungen erfüllen
und unterirdische Gesteinsformationen miteinander verbinden und stabilisieren können.
Man hat bereits- wäßrige Dispersionen copolymerisierbarer Mischungen ungesättigter
monomerer Verbindungen zur Bodenverfestigung verwendet. Demgegenüber besteht die
Erfindung darin, daß Löcher in die zu verfestigenden Gesteinsformationen gebohrt
werden und daß man in diese Löcher unter Druck eine Lösung eines linearen Polyesters
der allgemeinen Formel
in der R = H oder CH3 bedeutet, in einem flüssigen, polymerisierbaren, x-substituierten
monomeren Äthylenderivat, die außerdem einen Peroxydkatalysator und einen Kobaltbeschleuniger
enthält, einspritzt.
-
Die erfindungsgemäß verwendbaren Verfestigungsmittel sind eingehend
in der USA.-Patentschrift 2 255 313 beschrieben. Sie bestehen aus einer Lösung eines
linearen Polyesters in einem flüssigen, polymerisierbaren -substituierten monomeren
Äthylenderivat.
-
Der lineare Polyester ist ein Kondensat von Fumarsäure und/oder Maleinsäure
oder dem entsprechenden Anhydrid mit einem zweiwertigen Alkohol. In Gegenwart eines
Peroxydkatalysators findet Vernetzung zwischen dem linearen Polyester und dem z-substituierten
Äthylenderivat statt, die zu einer harten, starken und festen Masse führt. Für die
Verwendung unter Tage ist es von Bedeutung, daß das flüssige Äthylenderivat nicht
übermäßig flüchtig oder toxisch ist. Im übrigen kann jedes der in der genannten
USA.-Patentschrift erwähnten a-substituierten Athylenderivate verwendet werden,
vorausgesetzt, daß es mit dem Polyester mischbar ist. Verwendung großer Mengen an
monomerem Lösungsmittel ist erwünscht, um die Viskosität der einzuspritzenden Lösung
soweit wie möglich zu vermindern.
-
Styrol wird als Monomer bevorzugt. Um die Löslichkeit des linearen
Polyesters zu erhöhen, wird vorzugsweise eine mäßige Menge Phthalsäureanhydrid in
den Polyester bei der Herstellung eingearbeitet.
-
Die Verwendung von Propylenglykol als zweiwertiger Alkohol ist für
diesen Zweck vorteilhafter als die von Äthylenglykol.
-
Die Polyesterharze zeigen ein gutes Haftvermögen gegenüber Gestein,
erhärten im erforderlichen Temperaturbereich in einer annehmbaren Zeit und in Gegenwart
von Wasser. Polyesterharze können bei Temperaturen gehärtet werden, wie sie in Bergwerken
gefunden werden, von leicht oberhalb des Gefrierpunktes oder tiefer bis zu Temperaturen,
bei denen
ein Mensch noch arbeiten kann, oder bei noch höheren Temperaturen. Polyesterharze
können so hergestellt werden, daß sie innerhalb von 15 Minuten bis zu einigen Tagen
erhärten. Polyesterharze, die in weniger als 10 bis 15 Minuten erhärten, bleiben
nicht lange genug flüssig, um in Gesteinsschichten verbracht zu werden, falls sie
in einem Topf hergestellt und in die Gesteinsformation gepumpt werden. Jedoch können
sehr schnell erhärtende Harze verwendet werden, wenn die Bestandteile in der Pumpe
oder in einer Spritzdüse, wenn sie in die unterirdische Gesteinsformation gespritzt
werden, gemischt werden. Falls die Harze zur Härtung mehr als ungefähr 72 Stunden
erfordern, ist diese Zeit zu lang, als daß die Harze noch die gewünschte Wirksamkeit
aufweisen könnten.
-
Viele der Polyesterharze sind praktisch nichttoxisch, und viele von
ihnen sind genügend leicht zugänglich, um in der Praxis verwendet werden zu können.
-
Die Polyesterharze sind in einer Vorstufe der einspritzbaren Form
lagerfähig und können leicht für die Härtung aktiviert werden. Die zugefügten Katalysator-
oder Beschleunigermengen können so eingestellt werden, daß die Härtungsgeschwindigkeit
bei der Stollentemperatur im gewünschten Bereich liegt.
-
Weiter kann der Katalysator unmittelbar vor Gebrauch zugefügt werden,
oder der Katalysator kann in einer Mischdüse zugefügt werden, wenn das Material
in die Gesteinsbildung eingespritzt wird, so daß nur eine sehr kurze Zeit zwischen
dem Zeitpunkt, an dem der Katalysator mit dem Harz gemischt wird, und dem Zeitpunkt,
an dem das Harz sich in seiner Lage im Gestein befindet, vergeht.
-
Zur Einspritzung des Harzes werden Löcher in die Gesteinsformation,
die stabilisiert werden soll, gebohrt. Unter Drücken von 14 bis 140 ata fließt das
Harz 1,5 bis 4,6 m vom Loch, in das es eingespritzt wurde, in die Gesteinsschicht
hinein. Farbstoffe können zur Lokalisierung und Identifizierung dem Harz zugesetzt
werden. Man kann einen fluoreszierenden Farbstoff verwenden, beispielsweise einen
Farbstoff der 7-Dialkylaminocumarine, wie 4-Methyl-7-dimethylaminocumarin, 4-Methyl-7-diäthylaminocumarin,
4-Äthyl-7-diäthylaminocumarin oder 6-Diäthylamino-9-(2-carboxyphenyl)-isoxanthen-3-diäthylammoniumchlorid
oder 4-(2-Hydroxyäthylamino)-N-butylnaphthalimid (vgl. USA.-Patent 2415 373).
-
Anthracen und andere fluoreszierende Verbindungen können in größeren
Konzentrationen ebenso verwendet werden. Die Verwendung eines fluoreszierenden Farbstoffes
im Polyesterharz erlaubt den Gebrauch von UV-Licht zur Prüfung einer Gesteinsformation,
um zu bestimmen, ob die Gesteinsschicht von dem Harz durchsetzt worden ist. In einer
Kohlengrube, in der Licht leicht ausgelöscht werden kann und UV-Licht als einzige
Lichtquelle verwendet wird, können schon geringe Mengen eines fluoreszierenden Mittels
im Harz kennzeichnend wirken, so daß das Maß der Durchdringung leicht festgestellt
werden kann. Diese Farbstoffe stören die Härtung des Harzes nicht. 0,01 bis 0,5
0/o Farbstoff ergeben gute Resultate.
-
Das Harz kann senkrecht oberhalb des Schachtes oder Stollens in die
Gesteinsformation eingespritzt werden. Günstiger ist jedoch eine Einspritzung durch
geneigte Bohrlöcher, die oberhalb oder an der Stirnseite oder hinter dem Arbeitsplatz
in die Gesteinsschicht über die noch nicht abgebauten Teile der
Kohle
gebohrt werden. Eine derartige Verfahrensweise sorgt dafür, daß, wenn die Kohle
aus dem Stollen im anschließenden Arbeitsgang entfernt wird, die Decke über dem
Teil, in dem der Bergmann arbeitet, durch die Verwendung des Polyesterharzes vorstabilisiert
ist. In dieser Weise wird die Decke im festen, sicheren Zustand vor der rasch voranschreitenden
mechanischen Abbauvorrichtung gehalten.
-
Die genaue Zusammensetzung des Harzes wird je nach den im einzelnen
angetroffenen Bedingungen gewählt, Polyesterharze, die Ester von z"S-ungesättigten
Dicarbonsäuren und zweiwertigen Alkoholen sind, können in Lösungsmitteln, wie Styrol,
oder in anderen, ungesättigte Bindungen enthaltenden Lösungsmitteln gelöst werden.
Derartige Lösungen sind in Abwesenheit eines Beschleunigers oder Katalysators lange
Zeit stabil. Ein lösliches Kobaltsalz, wie Kobaltnaphthenat oder Kobalttallat, oder
eine andere Fettsäureseife des Kobalts wird als Beschleuniger zugefügt.
-
Die verwendete Beschleunigermenge entspricht 0,001 bis 0,06 Gewichtsprozent
Kobalt, bezogen auf das Harz; sie beeinflußt die Geschwindigkeit der Härtung.
-
Ein Katalysator wird noch direkt vor der Verwendung zugegeben. Ein
Peroxydkatalysator, wie Benzoylperoxyd, Methyläthylketonperoxyd oder ein anderes
organisches Peroxyd, wird zur Styrollösung des Polyesters in einer Menge von 0,05
bis 5 Gewichsprozent des Harzes zugegeben und bewirkt die Verfestigung des Harzes.
Die Härtung setzt ein, wenn Beschleuniger und Katalysator beide vorhanden sind.
Ein solches Harz verfestigt bei Raumtemperatur und benötigt keinen Druck. Die einzelnen
Gesteins stücke werden haftend miteinander verbunden und bilden eine feste Schicht.
Man wählt die genaue Menge an Beschleuniger und Katalysator aus, um die gewünschte
Härtungsgeschwindigkeit bei der in der Grube vorhandenen Temperatur zu erzielen.
Es kann erwünscht sein, daß das Gesteinsformationsstabilisierungsmittel so rasch
wie möglich erhärtet, dabei jedoch Zeit zur Einspritzung erlaubt, während in anderen
Fällen langsamere Erhärtung bis zu einer Zeit von mehreren Tagen erwünscht sein
kann, was auch von der Einspritzvorrichtung und der Richtung der Einspritzung abhängt.
-
Die Zeichnungen erläutern die Erfindung.
-
Fig. 1 ist ein Querschnitt eines geneigten Bohrlochs für ein Harz,
das in einen Winkel in die nicht abgebaute Gesteinsformation gebohrt ist; Fig. 2
ist ein Querschnitt einer typischen Kohlenschichtdecke; Fig. 3 ist ein Querschnitt
eines Stollens, in dem ein Bergmann ein Harz sowohl oberhalb wie in die Stirnseite
des Arbeitsplatzes einspritzt.
-
Diese Zeichnungen zeigen eine Mine, in der eine Kohlenschicht 1 von
einer Schieferschicht 2 überschichtet ist, über der festes Gestein 3 liegt. Ein
Stollen 4 ist durch den Hauptteil der Kohlenschicht vorgetrieben worden, und über
diesem Stollen ist eine Decke, die einstürzen kann. In die Decke sind Löcher gebohrt,
die entweder vertikal, 6, oder geneigt, 7, sein können. In diese Löcher wird durch
eine Spritzdüse ein Polyesterharz, das in Styrol gelöst ist und einen Beschleuniger
und einen Katalysator enthält, eingespritzt.
-
In einer unterirdischen Mine wird ein senkrechtes Loch durch annähernd
1,5 m weichen Schiefer und geneigte Löcher durch denselben Schiefer in einer
Länge
von annähernd 9,1 bis 12,2 m vor dem Arbeitsplatz des Stollens gebohrt.
-
Ein typischer Polyester wird wie folgt hergestellt: 6,2 Mol Propylenglykol,
2,5 Mol Maleinsäureanhydrid und 3,5 Mol Phthalsäureanhydrid werden bei 200"C bis
zur Erreichung einer Säurezahl von 25 bis 45 erhitzt. 2 Teile des Polyesters und
1 Teil Styrol werden miteinander gelöst und ergeben die polymerisierbare Masse.
Hierzu werden 0,003 01o Kobalt als Kobaltnaphthenat zugefügt.
-
Unmittelbar vor der Einspritzung in die Gesteinsformation werden
0,08 °/o Methyläthylketonperoxyd zur Masse zugegeben. Das oben beschriebene, frisch
mit dem Katalysator versehene flüssige Harz wird in die Löcher mit einem Druck von
70 ata eingespritzt.
-
Nachdem in die Löcher so viel Harz, wie mit Leichtigkeit bei diesem
Druck möglich ist, eingespritzt worden ist, läßt man das Harz 24 Stunden lang erhärten.
-
Danach ist die Decke stabilisiert und eine Abstützung mit Deckenbolzen
zur Verfestigung des Schiefers in seiner Lage nicht erforderlich. Wird der Stollen
weiter unter der stabilisierten Decke vorangetrieben, so bleibt die Decke in ihrer
Lage. Es besteht sehr viel weniger Gefahr für den Bergmann, bis er zum Ende der
vom Harz durchdrungenen Schicht kommt.
-
Wenn das Harz einen fluoreszierenden Farbstoff wie obenerwähnt enthält,
so kann das ultraviolette Licht zur Feststellung des Maßes der Durchdringung verwendet
werden.
-
Ähnliche Ergebnisse werden mit Lösungen erzielt, in denen das Verhältnis
von Polyester zu Styrol von 4:1 bis 1:4 schwankt. Statt Styrol kann man mit zufriedenstellenden
Resultaten Methylstyrol verwenden.
-
Da es schwierig ist, die Wirksamkeit derartiger Harze unter Tage
wegen des Fehlens von Kontrollmöglichkeiten der Variablen zu bestimmen, muß ein
Laboratoriumsversuch zur Bestimmung der Wirksamkeit durchgeführt werden. Hierbei
wird ein Schichtkörper aus einer Schieferplatte zwischen zwei Kachelplatten hergestellt,
von denen jede annähernd die Abmessungen 22,9' 5,1 0,64 cm aufweist. Das Harz wird
in die Schieferplatte und die zwei Kacheln, die aufeinandergepreßt sind, verteilt
und der Härtung ohne Druck bei Raumtemperatur überlassen. Für Versuchszwecke kann
man entweder eine Temperatur von 21"C oder die Temperatur der im Einzelfall in Betracht
kommenden Mine verwenden. Den erhaltenen Schichtstoff kann man auf einer Prüfmaschine
zerbrechen, indem man die Enden der unteren Kachelplatte unterstützt und gegen die
Mitte der oberen Kachelplatte einen Druck ausübt. Ein solcher Schichtkörper hält
in unbehandeltem Zustand bei der Prüfung einen Druck von ungefähr 4,9 bis 11,6 ata
aus. Wenn das im Beispiel erwähnte Polyesterharz geprüft wird, so findet man eine
Bruchfestigkeit von ungefähr 23,8 bis 29,4 ata nach einer Stunde Härtung. Nach 16stündigem
Härten ist die Bruchfestigkeit auf 40,3 bis 49,1 ata angestiegen.
-
Die hier verwendeten Harze sind in feuchten Gesteinsformationen verwendbar.
Sie können sogar gehärtet werden, wenn sie sich vollständig unter Wasser befinden.
Wasser kann die Festigkeit der Bindung vermindern und die Härtungszeit erhöhen.
-
In einem Versuch gab ein Schichtstoff, der aus Schiefer und Kachelplatten
hergestellt und über Nacht in Wasser eingetaucht worden war, bevor das Harz eingeführt
wurde, eine Bruchfestigkeit von 48,8 ata nach 16 Stunden.