DE2154571A1

DE2154571A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abbauen in felsigem Gebirge

Info

Publication number: DE2154571A1
Application number: DE19712154571
Authority: DE
Inventors: Berthold W. Pittsburgh Pa. Schumacher (V.St.A.)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-11-06
Filing date: 1971-11-03
Publication date: 1972-05-10
Also published as: AU3371771A; FR2113413A5; ZA716253B; BE774948A; ZM13871A1; US3718367A; CA956702A

Description

• Düsseldorf, 2. Nov. 1971

41,987
71111

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

"Verfahren und Vorrichtung zum Abbauen in felsigem Gebirge

"Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Abbauen im Bergwerksbetrieb und/oder das Ausschachten in felsigem Gebirge, insbesondere auf Abbau- bzw. Ausschachtvorgänge mittels Korpuskularstrahlen (beispielsweise Elektronen oder Ionen wie He+ oder H+), die in die Atmosphäre ausgestrahlt werden, vor allem mittels eines an die Atmosphäre abgegebenen Elektronenstrahls hoher Energie. Der Vollständigkeit halber wird auf folgende Patentanmeldungen Bezug genommen, die sich ebenfalls mit dem Aufbrechen von Gestein durch Projektion eines Hochleistungs-Elektronenstrahls auf das Gestein befassen, wobei der Strahl in das Gestein eindringt und es aufbricht, platzen läßt und/oder zum Schmelzen bringt? Deutsche Patentanmeldung P 19 43 058.1 vom 25. 8. 1969 - William E. Shoupp - Berthold W. Schumacher - Robert E. La Croix -; US-Patentanmeldung Ser. No. 79,732 vom 16. 3. 1970 - William E. Sboupp - Berthold W. Schumacher, betreffend "Schneiden von Gestein, Glas o. dgl.".

Typisch für den Abbau, für den die Erfindung in Frage kommt_f ist der Abbau von Gold. Das Gold ist normalerweise in einem schmalen felsigen Gang oder Flöz abgelagert, wobei dieser Gang bzw. dieses Flöz aufgebrochen werden muß, um das Material zu entnehmen, aus

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dem sich das Gold gewinnen läßt. Nach dem Stand der Technik erfolgt der Abbau dieses Materials aus dem Flöz mittels einer handbetätigten Maschine oder eines entsprechenden Werkzeugs, womit das Gestein durch fortlaufende Beaufschlagung mit großen Kräften aufgebrochen werden kann. Ein solches Werkzeug muß sehr robust sein, um den hohen Kräften widerstehen zu können, und fest abgestützt sein, um die jeweiligen Kräfte ausüben bzw. die dadurch hervorgerufenen Gegenkräfte aufnehmen zu können. In der Praxis muß eine solche Maschine in mühsamer Weise Schritt für Schritt in das Flöz von einer dahintersitzenden Bedienungsperson eingearbeitet ^ werden. Nach einigen Arbeitsschritten müssen die Abstützungen für " die Maschine gelöst, die Maschine vorgerückt und anschließend die Abstützungen in der neuen Lage gesichert werden, so daß wieder die erforderlichen Kräfte ausgeübt werden können, um weiter in das Flöz vorzudringen. (Vgl. African Mining Journal, 29. 11. 1968, S. 1245 "Ein Jahr Gesteinsschneideversuche"; Schweizer Journal TECHNICA, Birkhauser Verlag, 19. 11. 1968 - Gerd Kampf-Emden, S. 1635 - 1639 - "Stationen des vollmechanischen Tunnelvortriebs"; Engineering and Mining Journal, McGraw-Hill, April 1968 - "USBM Examines Exotic Ways of Breaking Rock" S. 85 - 92).

Eine weitere Abbaumöglichkeit stellt naturgemäß das alte Bohr- und Sprengverfahren dar. Aus dem Gestein muß eine Öffnung von mindestens 90 - 120 cm herausgesprengt werden, um mit Menschen und Maschinen innerhalb einer annehmbaren Arbeitszeit vorrücken zu können, da je Sprengvorgang Öffnungen mit jeweils im wesentlichen gleicher Höhe und Tiefe entstehen. Das führt zu einem unwirtschaftlichen, unnötig starkem Herausbrechen von Gestein, wenn das Flöz nur 30 cm hoch ist, oder aber ein erneutes Sprengen erfordert aus offensichtlichen Gründen ein Arbeiten in Schichten.

Die zum Stand der Technik gehörenden Verfahren sind sehr zeitaufwendig. Beim Ehsatz mechanischer Bohr- und/oder Schneidwerkzeuge unterliegt infolge der hohen ausgeübten Kräfte das Werkzeug einer raschen Abnutzung, oder aber es geht rasch ganz a*.. Bruch, so daß es häufig ansgewecb.seIt werden muS, wozu die Maschine dann

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zurückbewegt werden muß und zusätzlich zu den Werkzeugkosten auch noch Zeit verlorengeht.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens bzw. einer Vorrichtung zum Abbauen in felsigem Gebirge, womit ein rascheres und bequemeres Arbeiten als bisher möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zum Abbauen in felsigem Gebirge erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß von einer Korpuskularquelle aus ein Korpuskularstrahl erzeugt, dieser Korpuskularstrahl über eine bestimmte Strecke fokussiert gehalten und unter Aufbrechen des Gesteins auf das Gebirge gerichtet wird.

Eine vorzugsweise zur Durchführung eines derartigen Verfahrens geeignete Vorrichtung ist in Weiterbildung der Erfindung gekennzeichnet durch eine Korpuskularquelle, eine eine erste Fokussieranordnung aufweisende Einrichtung zur Erzeugung eines Korpudcularstrahls in Verbindung mit der Korpuskularquelle, eine weitere Fokussieranordnung zur Fokussierung des Strahls über eine Strecke bestimmter Länge sowie eine Einrichtung zur Aussendung des Strahls in die Atmosphäre nach dessen Durchlauf der Strecke bestimmter Länge sowie zur Projektion des Strahls auf die Gebirgsflache, unter Brechen des Gesteins des Gebirges.

Entsprechend der Erfindung erfolgt das Abbauen oder Ausschachten durch Projektion eines Korpuskularstrahls auf die zugehörige Gebirgsflache. Der Strahl wird von der Korpuskularquelle durch ein langes Rohr relativ kleinen Querschnitts geleitet und vom Ende dieses Rohrs aus auf das Gestein projiziert. Durch den auftreffenden Strahl wird die Gesteinsfläche in einer Tiefe zwischen 0,6 - 25 cm gebrochen. Der beim Aufbrechen entstehende Abfall kann fortlaufend abgeführt und das Aufbrechen fortgesetzt werden, bis das gewünschte niedrige Flöz abgebaut worden ist.

Typischerweise kann der lorpuakularstrahlgenerator so angeordnet sein, dafl er sich in drei Dimensionen aber einen großen Winkelbe-

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reich in Längsrichtung des Flözes sowie über quer zu dem Flöz verlaufende Winkelbereiche bewegen läßt. Auf diese Weise kann in dem Flöz ein Einschnitt geschaffen werden, der breit genug für die Aufnahme des Rohrs sowie der Einrichtungen für die Abfuhr des Abfalls ist. Der Abfall kann auf jede bequeme Weise abgeführt werden, etwa durch Spülen mit einem Wasserstrom, mittels Saugschläuchen (Staubsaugerprinzip) oder auch mittels mechanischer Räumvorrichtungen. Nach Entfernung von Gestein in ausreichender Dicke von der abzubauenden oder auszuschachtenden Stelle wird die Korpuskularstrahlmaschine weiterbewegt und ein neuer Aufbrechzyklus ausgeführt. Da auf die Korpuskularstrahlmaschine keine Gegenkräfte einwirken, kann sie mittels eines verhältnismäßig leichten Fahrgestells auf Rädern oder Raupenketten weiterbewegt werden.

Die Kbrpuskularstrahlnaschine mit ihrem zugehörigen Fahrgestell kann örtlich von einer Bedienungsperson-Kabine auf dem Fahrgestell aus gesteuert werden, wobei die Kabine beispielsweise air-conditioned oder an einer Stelle angeordnet sein kann, die von der eigentlichen Einsatzstelle der Korpuskularstrahlmaschine weit entfernt ist, wobei die Verbindung über Kabel von mehreren Kilometern Länge hergestellt sein kann. Zur Führung der Korpuskularstrahlmaschine in der gewünschten Richtung kann ein in sich geschlossenes Fernsehsystem verwendet werden. Die beim Auftreffen des KorpuskularetrahIs auf das Gestein erzeugten Röntgenstrahlen können zur Identifizierung der chemischen Zusammensetzung des Gesteins dienen und dabei zwischen erzhaltigem und nichterzhaltigem Gestein unterscheiden. Da sich keine Bedienungsperson nahe der Maschine aufzuhalten braucht, kann das Gerät unter Bedingungen eingesetzt werden, die normalerweise für Bedienungspersonen nicht mehr tragbar sind. Beispielsweise können für Menschen nicht mehr erträgliche Temperaturen und/oder schädliche bzw. giftige atmosphärische Bedingungen herrschen, außerdem der Arbeitsraum so eng sein, daß Menschen dort nicht mehr wirksam werden können. Nachdem sich nachweisen ließ, daß ein Korpuskularstrahl (Elektronen) Gestein sogar unter Wasser schneiden kann, ist es möglich, eine mit einem solchen Strahl arbeitende Maschine

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- 5 auch unter Wasser einzusetzen.

Die gesamte Maschine muß notwendigerweise relativ große Abmessungen haben, jedoch läßt der Strahl selbst sich bei Führung in einem dünnen, evakuierten Rohr über sehr große Entfernungen fortleiten. Beispielsweise ist es möglich, einen Elektronenstrahl durch ein evakuiertes Rohr einer Länge von 6-3Om mit einem Durchmesser von nur wenigen Zentimetern zu leiten. Um den Strahl im Zentrum dieses Rohres zu führen und fokussiert zu halten, müssen längs des Rohrs (schmale) magnetische Linsen und Ablenksysteme sowie auf den Strahl ansprechende Geräte angeordnet sein, um die Linsen und das Ablenksystem zu steuern, jedoch kann die Gesamtgröße dieses Systems unter etwa 25 cm Höhe und etwa 50 cm Breite gehalten werden. Wenn die Körpuskularstrahl-Abbaumaschine nach der Erfindung mit einem solchen langen Strahl ausgerüstet ist, können nur 25 cm hohe, schmale Einschiitzungen in erheblicher Tiefe aus dem Gebirge herausgearbeitet werden. Dies ist insbesondere in Verbindung mit Abbauvorgängen von Vorteil, bei denen das Erz in schmalen, in das Gebirge eingebetteten Lagen gefunden wird. Beispielsweise weist das lange schmale Strahlrohr bei der Ausschachtung eines Tunnels von 6 m oder mehr Durchmesser den Vorteil auf, daß die maschinellen Vorrichtungen für die Entfernung des Abfalls nahe an die Tunnelfläche herangebracht werden können, wobei nur ein kleiner Durchgang für das Strahlrohr verbleibt. Außerdem kann die Tunnelfläche bequem beobachtet werden.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Bohrvorrichtung oder ein Bohrkopf vorgesehen, mit dem vertikale oder geneigte Löcher bequem in felsiges Gebirge gebohrt werden können. Ein solcher Kopf weist einen Generator für die Erzeugung eines Korpuskularstrahls auf, mit dessen Hilfe das Gestein, das sich jeweils gerade vor der Bohr- oder Materialauf nahraeausrüstung befindet, fortlaufend aufgebrochen werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der

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Zeichnung zeigen;

Fig. 1 schematisch in Blockform den funktionellen Aufbau einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 u.3 eine Seiten- bzw. eine Draufsicht auf eine praktische Ausführungsform der Erfindung, bei der der Korpuskularstrahlgenerator an einem Fahrgestell befestigt ist;

Fig. 4 u.5 schematisch den Steuerungsaufbau für die Aufrecht- ψ erhaltung des langen Korpuskularstrahls in seiner

ausgerichteten Lage;

Fig. 6 schematisch in perspektiver Darstellung eine Abbauvorrichtung nach der Erfindung bei ihrem praktischen Einsatz;

Fig. 7 schematisch teilweise im Schnitt eine Draufsicht auf die Verhältnisse beim Abbau eines schmalen Flözes;

Fig. 8 einen Schnitt durch Fig. 7 längs der Linie VIII - VIII;

t Fig. 9 u.lO den Einsatz einer etwas abgewandelten Ausführungsform

der Erfindung in zwei verschiedenen, aufeinanderfolgenden Arbeitsphasen;

Fig. 11 schematisch eine weiter abgewandelte Ausführungsmöglichkeit der Erfindung;

Fig. 12 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß ausgestalteten Erdbohrer;

Fig. 13 eine Seitenansicht des Erdbohrers der Fig. 12; Fig. 14 eine Draufsicht auf eine weiter abgewandelte Aus-

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führungsform eines erfindungsgemäß ausgestalteten Erdbohrers (Schnitt längs der Linie XIV - XIV der Fig. 15;

Fig. 15 einen Schnitt durch Fig. 14, etwa längs der Linie XV-XV;

Fig. 16 eine Seitenansicht einer weiter abgewandelten Ausführungsform des Erdbohrers der Fig. 12;

Fig. 17 eine weiter abgewandelte Ausfiihrungsform des Erdbohrers der Fig. 12; und

Fig. 18 eine Seitenansicht eines in Verbindung mit der Erfindung einsetzbaren Elektronenstrahlgenerators.

Im einzelnen zeigen Fig. 1-8 eine Abbau- oder Ausschachtvorrichtung für den Einsatz in einem schmalen Flöz oder Gang in einem Gebirge 33. Diese Vorrichtung weist eine Anordnung 34 aus einem Fahx-zeug 35, einem Generator 37 sowie einem Steuermechanismus auf. Das Fahrzeug 35 kann ein Raupenfahrzeug sein, wie das in Fig. 2 oder 3 angedeutet ist. Das Untergestell oder Fahrzeug 35 trägt den Elektronenstrahl-Generator 37 und ist mit den notwendigen Steuereinrichtungen versehen.

Das Fahrzeug 35 weist einen drehbaren Turm 39 auf, der den Generator 37 trägt. Das Fahrzeug 35 ist ferner mit einem Gehäuse versehen, das das Fahrzeug und dessen zugehörige Teile sowie den Generator 37 und dessen zugehörige Teile mit Energie versorgt. Das Gehäuse 41 erhält die Energie sowie elektrische Steuerbefehle über ein Kabel 43. Das Kabel 43 kann mehrere Kilometer lang sein und ist an seinem entfernten Ende an eine Energieversorgungs- und Steuereinheit 45 angeschlossen, die mit einer Konsole 47 für eine den Betrieb der Vorrichtung überwachende Bedienungsperson versehen ist. Statt dessen kann die Steuerung oder eine zweite Ausführung davon in einer Steuerkabine 900 untergebracht sein, in der auch die Bedienungsperson mitfährt. Die Energieversorgung

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kann auch mittels eines in Nähe des Fahrzeugs 35 angeordnete^ jedoch ferngesteuerten Kern- oder radioaktiven Generators erfolgen, Der Turm 39 hat einen Antrieb 49, der von der Konsole 47 aus gesteuert werden kann, so daß der Turm um eine Achse 51 über einen großen Winkel in der Größenordnung von 360 sowie quer zu der Horizontalebene, die rechtwinklig zu der Achse 51 des Turms verläuft, über ausreichend große Winkel gedreht werden kann.

Der Generator 37 kann, soweit es sich um den zur Strahlerzeugung erforderlichen Aufbau handelt, in der mit den vorgenannten Patentanmeldungen beschriebenen Weise ausgebildet sein. Er unterscheidet

fc sich von den bekannten Generatoren dadurch, daß er ein langes

Rohr 55 aufweist, durch das der Elektronenstrahl geleitet wird.

Das Rohr kann 6-3Om lang sein. Der Strahl wird von dem Ende des Rohres aus emittiert. Der Strahl hat vorzugsweise eine hohe Energie, wobei beispielsweise 150 kV und 0,05 A - 1 MV und IA sowie noch höhere Spannungen und/oder Ströme Verwendung finden können. Es kann sich um einen Gleichstrom- oder aber einen gepulsten Strahl handeln.

Es werden die mit Fig. 4 und 5 veranschaulichten Maßnahmen getroffen, um den Strahl E längs des Rohres 55 ausgerichtet zu halten. Wie mit Fig. 5 gezeigt, hat der Generator 37 ein Gehäuse 57, das auf einen niedrigen Druck evakuiert ist und innerhalb dessen sich eine Elektronenquelle 59 befindet. Die Elektronen werden in den Verlauf des Strahls E durch eine Anode 61 sowie eine Fokussie»lektrode 62 beschleunigt bzw. fokussiert, worauf sie in das ebenfalls evakuierte Rohr 55 gelangen. Der Strahl E wird durch eine Spule 63 fokussiert und gelangt durch eine Reihe von Blenden, einschließlich der nahe des Austrittsendes angeordneten Blende 65, die aus Kupfer oder Wolfram bestehen kann. Soweit der Strahl E beim Erreichen der Blende 65 nicht die erforderliche Ausrichtung aufweist, trifft er auf einer der beiden Seiten der Achse der Blende 65 auf das Metall und erzeugt dadurch Röntgenstrahlen. Die Röntgenstrahlen werden durch Kollimatorblenden 67 und 69 auf der einen oder anderen Seite der Achse der Blende 65 erfaßt und erzeugen dann in zugeordneten, auf Röntgenstrahlung

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ansprechenden Organen 71 bzw. 73 Signale, wodurch wiederum eine Steuerstufe 75 beaufschlagt wird. Die entweder durch das Organ 71 oder aber das Organ 73 betätigte Steuerstufe 75 wirkt auf eine Refokussierspule 77 sowie eine Ablenkspule 79 ein, um den Strahl erneut auszurichten und/oder zu fokussieren, so daß er durch das Zentrum der Blende 65 sowie der nachgeschalteten Blende 81 verläuft und nur ein minimaler Strom durch die Wände dieser Blenden geht. Längs eines langen Rohres 55 können mehrere Detektoren für die Erfassung einer Fehlausrichtung sowie Refokussierspulen angeordnet sein. Zusätzlich zu den oder anstelle der oben erwähnten magnetischen Einrichtungen können auch elektrostatische Ablenk- und/oder mechanische Ausrichtanordnungen (nicht gezeigt) verwendet werden. Im wesentlichen steht der Elektronenstrahl in dem Rohr 55 nicht unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes, und das Rohr kann als Laufzeitrohr betrachtet werden.

Der Generator 37 ist mit mehreren Evakuierleitungen 85, 87 und 89 ausgestattet, die jeweils an eine geeignete Pumpeinrichtung 91 in dem Turm 39 angeschlossen sind. Statt dessen kann - wie in Fig. 18 gezeigt - eine Mehrzahl Hilfspumpen 93, 95, 97 wie etwa Rootspumpen an die Leitungen 85, 87, 89 angeschlossen sein, die die abgesaugten Gasmengen unter nennenswertem Druck durch ein langes Rohr 99 verhältnismäßig kleinen Querschnitts leiten. Die Absaugung des Rohrs 99 erfolgt an dessen abgewandtem Ende durch eine geeignete Pumpe lOl.

An dem Ende des Rohrs 35 sowie an dem Turm 39 sind Fernsehkameras 104 und 105 angebracht, die mit einem oder mehreren Betrachtern 103 an der Konsole 47 einen in sich geschlossenen Kreis bilden. Ferner ist an oder nahe dem Ende des Rohres 35 ein Spektralanalysator 106 für sichtbares Licht und/oder Röntgenstrahlen befestigt. Dieser Spektralanalysator 106 liefert Information hinsichtlich der Beschaffenheit der von dem Strahl E erzeugten Lichtbzw. Röntgenstrahlen an die Konsole 47 zurück. Anhand dieser Licht- oder Röntgenspektren können die erzhaltigen oder sonstigen Eigenschaften des Gebirges 33 bestimmt werden.

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-lO-In dem Flöz oder Gang 31 befindet sich außerdem eine von dem Turm 39 aus gesteuerte Vorrichtung zur Entfernung von Abfall.

Typischerweise kann der Generator 37 ein 6 m langes Rohr 55 mit einem Durchmesser von weniger als 25 cm haben. Die Evakuierleitung 89 kann dabei den gleichen oder einen kleineren Durchmesser haben. Dieser weit ausladende Generator 35 kann einen Einschnitt von 50 cm in das Gebirge 33 bis zu einer Tiefe von etwa 5,40 m einarbeiten, ohne daß der Einschnitt dazu erweitert werden müßte. Der Generator 37 kann mit der zugehörigen Energieversorgnung sowie sonstigen Zubehörteilen auf einem Fahrzeug 35 in einem 1,20 m breiten und 1,50 m hohen Gang bewegt werden. Der durch den Strahl E ausgeschachtete Gang 31 hat einen ausreichenden Querschnitt, um das Strahlrohr aufnehmen zu können.

Wie mit Fig. 6 gezeigt, kann ein Durchgang 111 für das Fahrzeug 35 ebenso wie der Gang 31 durch den Elektronenstrahl E herausgearbeitet werden. Dazu wird das Fahrzeug 35 zunächst in eine dem herauszuarbeitenden Gang 31 gegenüberliegende Lage gebracht, wobei der Gang sich beiderseits des Fahrzeugs 35 im wesentlichen senkrecht zu der Richtung erstreckt, in der das Fahrzeug bewegt werden soll. Der Strahl E wird dann über das unmittelbar vor ihm liegende Gebirge innerhalb eines Bereiches geführt, der groß genug ist, um das Fahrzeug 35 aufnehmen zu können. Der Abfall bzw. das herausgebrochene Gestein wird fortlaufend entfernt. Entsprechend dem Herausarbeiten des Durchgangs 111 rückt das Fahrzeug 35 in den Durchgang vor. Bei der Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs wird der Strahl E über den Gang geführt, so daß er sich fortlaufend in diesen einschneidet. Mit dem weiteren Eindringen des Fahrzeugs 35 in den Durchgang 111 wird ein Gang 31 mit zunehmend wachsendem Radius herausgearbeitet, bis das Rohr 35 mit seiner gesamten Länge eingreift, so daß ein breiter Gang entsprechend Fig. 7 und 8 herausgeschnitten wird.

Fig. 9 und 10 zeigen eine Vorrichtung mit einem teleskopische Rohrabschnitte 123, 125, 127 aufweisenden Generatsr 121. Geeignete

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bewegliche Vakuumdichtungen (beispielsweise O-Ringdichtungen mit drehbaren O-Ringen in Dichtungen) sind zwischen den Rohrabschnitten 123 - 125 angeordnet, wobei die Rohrabschnitte außerdem mit Evakuiervorrichtungen (nicht dargestellt) ausgestattet sind.

Beim Einsatz der Vorrichtung nach Fig. 9 bzw. 10 wird das Fahrzeug 35 geradlinig in einem Durchgang 129 hin- und herbewegt, der durch den Strahl des Generators 121 herausgeschnitten worden sein kann. Zunächst weisen die Rohrabschnitte 123 - 127 in der mit Fig. 9 veranschaulichten Weise eine verringerte Länge auf, um abschließend - entsprechend Fig. 10 - auf ihre volle Länge ausgefahren zu sein. Der Gang kann zuerst auf einer Seite des Durchgangs 129, anschließend auf der gegenüberliegenden Seite des Durchgangs 129 eingeschnitten werden.

Die Vorrichtung entsprechend Fig. 11 weist ein Strahlerzeugungssystem 135 auf, das in Nähe eines Rohres 137 einen abschwenkbaren Endabschnitt 139 sowie ein Strahlablenksystem 140 aufweist, dessen Wirkungsweise auf die Einstellung des Endabschnittes 139 abgestimmt werden kann, wobei der Strahl entsprechend Fig. 4 ausgerichtet gehalten werden kann. Der Strahl El wird dann unter einem Winkel von beispielsweise 45 zu der Achse|des Rohres 137 auf das Gebirge 141 gerichtet. In dem Hangenden 145 und dem Liegenden 147, die den Gang begrenzen, wird ein sägezahnartiger Einschnitt 143 eingearbeitet. Dabei wird zunächst das Gebirge ins Zentrum durch Einarbeiten eines Loches I, sodann die obere Ecke durch Einarbeiten eines Loches II und schließlich die untere Ecke durch Einarbeiten eines Loches III gebrochen. Das Einarbeiten der Löcher erfolgt dabei im Einklang mit der vorgenannten deutschen Patentanmeldung P 19 43 058.1 vom 25. 8. 1969.

Da der Strahl E bzw. El die Schneidarbeit ohne das Auftreten von Gegenkräften ausführt, ist keine genaue Spurhaltung für die Positionierung des Generators notwendig. Vielmehr ist das beispielsweise auf Raupen laufende Fahrzeug 35, das sich dabei über die rauhe Gebirgsflache bewegt, ausreichend. Die genaue Einste1-

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lung des Rohres 55 relativ zu der zu bohrenden Stelle bzw. relativ zu einer Linie, längs der ein Schmelzschnitt ausgeführt werden soll, wird durch eine Abfühleinrichtung (geschlossener Fernsehkreis) und durch ein Servosteuersystem überwacht, das den Generator 37 (mit oder ohne das weit ausladende Rohr 55, jedoch nicht das Fahrzeug 35) verschwenkt. Je nach der Art des zu bearbeitenden Gesteins kann der Schnitt flach und schnell oder tiefer und entsprechend langsamer durchgeführt werden. Die unterschiedliche Größe des herausgelösten Gesteins oder Abfalls erfordert unterschiedliche Systeme für die Beseitigung. Die Kosten dieser Systeme fallen stärker ins Gewicht als die eigentlichen Energiekosten des Schneidvorgangs (die für flaches Schneiden höher sind). Bei der Bearbeitung von aufplatzendem Gestein würde ein mit hoher Geschwindigkeit (von beispielsweise 5 m/min) vorgetriebener Strahl E mäßiger Leistung Schichten von 6 mm in einem Vorgang entfernen.

Nach der Erfindung könnte typischerweise auch ein Generator vorgesehen sein, der lang und schlank ist und beispielsweise einen Durchmesser von 50 cm und eine Länge von 1,80 - 3,00 m aufweist. Ein solcher Generator könnte innerhalb eines Rohres von 75 cm Durchmesser auf Rädern laufen, die ihn durch das Rohr führen und genügend freien Raum lassen, um das ausgebrochene Gestein mit Wasser auszuspülen. Das Kabel für die elektrische Energieversorgung, Schläuche für die Zufuhr von Gas, Druckluft, Wasser etc. können hinter dem Generator durch das Rohr nachgezogen werden. Da der Schneidvorgang als solcher keine Gegenkräfte hervorruft und sich für jede Art von Gestein oder Boden durchführen läßt, auf die gestoßen werden kann, besteht keine Notwendigkeit einer Verspannung gegenüber den Wänden des Ganges, so daß auch keine schweren mechanischen Abstützvorrichtungen o. dgl. notwendig sind. Einer Vorrichtung dieser Art kommt eine große wirtschaftliche Bedeutung in all den Fällen zu, wo Kanäle beispielsweise für Wasserleitungen ausgeschachtet werden müssen, für die ein wirksamer

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Querschnitt von etwa 0,6 m (beispielsweise für den Transport von Wasser) ausreicht, jedoch ein Tunnel großen Querschnitts gebaut werden muß, um entsprechend den derzeitigen Kanal- bzw. Tunnel-

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bauverfahren Menschen und Maschinen aufnehmen zu können.

Mit Fig. 12 und 13 ist ein erfindungsgemäß ausgestalteter Erdbohrer 151 wiedergegeben, der einen einen zylindrischen Hohlraum begrenzenden Mantel aufweist, der an seiner Unterseite in einen schraubenlinienförmigen Boden 153 mit einer an der tiefsten Stelle dieses Bodens verlaufenden geradlinigen Schneidkante 155 aufweist. Der Erdbohrer 151 ist mittels eines Antriebs 157 über eine Welle 159 antreibbar. Bei Drehung des Erdbohrers wird von der Schneidkante Material erfaßt und in Aufwärtsrichtung weitergeleitet. Damit der Erdbohrer sich auch für die Verarbeitung von felsigem Gestein einsetzen läßt, ist in seinem Inneren ein Elektronenstrahlgenerator 163 vorgesehen, der den weit ausladenden Aufbau entsprechend dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels haben kann.

Der Elektronenstrahlgenerator 163 ist schwenkbar an einem Arm 165 befestigt, der mit der Welle 159 umläuft und an dieser so befestigt ist, daß der Elektronenstrahl E2 in einem kurzen Abstand vor der Schneidkante 155 verläuft. Für den Elektronenstrahlgenerator 163 ist ein gesonderter Antrieb 167 vorgesehen. Dieser Antrieb 167 läßt den Strahl E2 bei Drehung der Schneidkante 155 und in dem erwähnten kurzen Abstand vor dieser zwischen der mit durchgehenden Linien und der mit strichpunktierten Linien angedeuteten Stellung hin- und herwandern. Der Antrieb 167 ist mit einem Nockenmechanismus (nicht dargestellt) ausgestattet, der den Elektronenstrahlgenerator 163 bei seiner Bewegung zwischen den beiden Endlagen, wie das mit dem Doppelpfeil 171 angedeutet ist, anhebt, so daß der Strahl E2 eine geradlinige Bewegung erfährt. Der Strahl E2 bricht das Gestein zwischen 2,5 und 30 cm vor der Schneidkante 155 auf, das dann von dem schraubenlinienförmigen Boden 153 des Erdbohres 151 erfaßt werden kann.

Bei Betrieb kann der Erdbohrer 151 eine Umdrehung machen und dabei das von dem Strahl E2 ausgebrochene Gestein aufnehmen. Anschließend kann der Erdbohrer 151 angehoben werden, um das ausgebrochene Gestein bzw. den Abfall zu entfernen. Hierauf kann der

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Erdbohrer 151 wieder in der entgegengesetzten Richtung verdreht werden, um die Verdrehung des Kabels 173 aufzuheben. Typischerweise kann bei einem solchen Umlauf des Erdbohrers 151 eine 1,2 - 25 cm hohe Schicht entfernt werden, wobei der Elektronenstrahl E2 sich fortlaufend vor der Schneidkante 155 hin- und herbewegt. Statt dessen kann ein Generator mit einem eine Mehrzahl Elektronenstrahlen aufweisenden Kopf verwendet werden, der gleichzeitig 2-10 Strahlen abgibt. Die mit dem Elektronenstrahl £2 erreichbare Schneidgeschwindigkeit und damit die Zeit für eine volle Umdrehung des Erdbohrers können für verschiedene Gesteinsarten unterschiedliche Werte aufweisen und sind außerdem naturgemaß eine Funktion der für den Elektronenstrahl E2 zur Verfügung stehenden Leistung. Der Führungsmechanismus für den Generator 163 und den Elektronenstrahl E2 soll gewährleisten, daß die Austrittsöffnung für den Elektronenstrahl sich in einer geraden Linie leicht oberhalb der Schneidkante 155 und parallel zu dieser bewegt. Das läßt sich mit Hilfe verschiedener Gelenkverbindungen verwirklichen. Statt dessen kann der Elektronenstrahl den Boden des zu bohrenden Loches in Form eines kreisförmigen Bogens überstreichen und die Schneidkante des Erdbohrers dann kreisförmig sein.

Solange der Erdboden weich ist, bleibt der Generator 163 unerregt. Sobald jedoch der Erdboden eine größere Festigkeit annimmt, wird der Generator 163 wirksam und unterstützt den Bohrvorgang. In hartem Gestein beruht der Bohrvorgang vollständig auf dem Generator 163. Ein Nachteil des mit Fig. 12 und 13 wiedergegebenen Erdbohrers ist darin zu sehen, daß er zur Entleerung jedesmal bis an die Oberkante des gebohrten Loches angehoben werden muß, was mit zunehmender Bohrtiefe immer mehr Zeit kostet.

Fig. 14 und 15 zeigen einen Erdbohrer 181, bei dem ein solcher Nachteil nicht mehr gegeben ist. Der Erdbohrer 181 weist an seiner Unterseite einen schraubenlinienformigen Boden 183 auf, der in einen ebenen Bereich 185 übergeht, der seinerseits in eine Aufnahmemulde 187 ausläuft. Ein Förderer 189 mit einer über ein Kettenrad 193 angetriebenen Kette 191 läuft kontinuierlich durch

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das Innere des Erdbohrers und erfaßt dabei mittels Schaufeln 195 in dem ebenen Bereich 185 abgelagertes aufgebrochenes Gestein bzw. Abfall 193. An der Oberseite des Förderers 189 werden die Schaufeln 195 abgekippt, so daß sie das aufgenommene ausgebrochene Gestein entladen. Der ebene Bereich 185 kann unter einem Winkel verlaufen, so daß das ausgebrochene Gestein diesen Bereich nach einer Drehung des Erdbohrers 181 um etwa 60° erreicht. Der Erdbohrer wird dann zurückgeführt, um die bei seiner Vorwärtsdrehung aufgetretene Verdrehung der Kabel und sonstiger Leitungen wieder aufzuheben. Der Erdbohrer 181 ist in ähnlicher Weise wie der Erdbohrer nach Fig. 12 und 13 mit einem sich hin- und herbewegenden Elektronenstrahlgenerator 197 ausgestattet.

Ein mit Fig. 16 gezeigter Erdbohrer 201 eignet sich besonders für den Einsatz in Fällen, wo in dem Bohrloch ein Mantel 203 angeordnet ist. Der Erdbohrer 201 hat ähnlich dem Erdbohrer 151 der Fig. 12 und 13 wieder einen schraubenlinienförmigen Boden. Jedoch weicht der Elektronenstrahlgenerator 205 von dem Generator 163 insoweit ab, als er ein Loch bohren kann, das einen größeren Durchmesser als für den Erdbohrer 201 allein erforderlich bohren kann, das den Mantel 203 aufzunehmen vermag. Der Generator 205 weist dazu einen kippbaren Kopf 207 sowie zugeordnete Elektronenstrahl-Ablenkeinrichtungen (nicht gezeigt) auf. Der Kopf 207 kann in die mit durchgehenden Linien gezeigte Stellung gekippt werden, so daß ein von ihm abgegebener Elektronenstrahl E3 das Gestein längs einer Fläche 209 aufbricht, die einen den Durchmesser des Mantels 203 übersteigenden Durchmesser hat. Anschließend kann der Kopf 207 in die mit der strichpunktierten Linie 211 angedeutete Lage gekippt und dann über die Grundfläche 213 des Bohrlochs bis in die mit der strichpunktierten Linie 215 angedeutete Endlage geschwenkt werden.

Die Erdbohrer 151, 181, 201 der Fig. 12 - 16 sind in ausreichendem Maße selbstzentrierend, nachdem sie einmal mit einer bestimmten Tiefe in den Erdboden eingedrungen sind. In sehr hartem Gestein ist jedoch eine zusätzliche Zentriereinrichtung wünschenswert. Außerdem kann es sich als schwierig erweisen, das herausgebrochene

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Gestein unmittelbar aus dem Mittelpunkt des Bohrloches durch eine Kratz- oder Schabebewegung der Schneidkante 155 des Erdbohrers herauszuholen. Zur Verbesserung dieser Situation kann - wie mit Fig. 17 gezeigt - in einem Mittelrohr 223 des hier mit 225 bezeichneten Erdbohrers ein Führungsbohrer 221 angeordnet sein. Im Zusammenhang damit kann ein herkömmlicher Diamant-Bohrkopf 221 Verwendung finden. Ein solcher Bohrkopf schneidet ein Loch mit einem Durchmesser von 5-7,5 cm. Der Bohrkopf 221 läuft vor dem Elektronenstrahl E4, und das dabei anfallende Bohrklein kann mit Wasser ausgespült werden.

Fig. 18 zeigt einen Generator 231, der in Nähe seiner Vorderseite mit kleinen Hilfspumpen (beispielsweise Rootspumpen) 93, 95, 97 ausgestattet ist. Die Pumpen 93, 95, 97 evakuieren aufeinanderfolgende Stufen 233, 235, 237 des Generators 231 auf Drücke von beispielsweise 0,01, 0,1 - 0,3 bzw. 1-6 Torr. Die den höchsten Druck von beispielsweise 5 Torr aufweisende Stufe 237 speist die Leitung 239 mit einem Druck von etwa 50 Torr. Eine bei 50 Torr arbeitende Leitung kann die zehnfache Gewichtsmenge Gas wie eine Leitung gleichen Durchmessers, in der jedoch ein Druck von 5 Torr herrscht, fördern. Die Leitung 99 kann einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser haben, lang und biegsam sein und die entfernt angeordnete Pumpe lol speisen, die auf die Atmosphäre arbeitet. Der Generator 231 und die Pumpen 93, 94, 97 können unter Verdrehung der Leitung 99 sowie weiterer Leitungen und Kabel bis zu einem gewissen Grad verdreht werden. Der Generator 231 ist mit einer Mehrzahl von Energie-Leitungen 239 und 241 ausgestattet, die parallelgeschaltet sind, um den Elektronenstrahl zu erregen.

Zur Ausschachtung eines Grabens in felsigem Gelände, wo üblicherweise eine sog. "Leistungsschaufel" eingesetzt wird, kann ebenfalls von einem Elektronenstrahl und einem Elektronenstrahlrohr der weit ausladenden Bauart Gebrauch gemacht werden, um das Gestein vor der Schneid- oder Schabekante der Leistungsschaufel aufzubrechen, wie das gerade in Verbindung mit den Erdbohrern beschriebe! wurde.

Patentansprüche;

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Claims

'"' Z154571 Patentansprüche :

1. Verfahren zum Abbauen in felsigem Gelände, dadurch gekennzeichnet , daß von einer Korpuskularquelle aus ein Korpuskularstrahl erzeugt, dieser Korpuskularstrahl über eine gewisse Strecke fokussiert gehalten und zwecks Aufbrechen des Gesteins auf das Gelände gerichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Gestein mittels einer KorpuskularStrahlkanone eine schmale Einschlitzung eingearbeitet und das dabei abgelöste Gestein durch die Einschlitzung entfernt wird und daß die Einschlitzung über ihre ganze Länge einen ausreichenden Querschnitt aufweist, um die Korpuskularstrahlkanone aufzunehmen und gleichzeitig die Entfernung des abgelösten Gesteins zu ermöglichen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzhaltigkeit des Gesteins durch Analyse der beim Auftreffen des Korpuskularstrahls auf das Gestein erzeugten Röntgen- und/oder Lichtstrahlung bestimmt wird.

4. Vorrichtung zur Herstellung von Hohlräumen in felsigem Gebirge, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Korpuskularquelle, eine eine erste Fokussieranordnung aufweisende Einrichtung zur Erzeugung eines Korpuskularstrahls in Verbindung mit der Korpuskularquelle, eine weitere Fokussieranordnung zur Fokussierung des Strahls über eine Strecke gewisser Länge, sowie eine Einrichtung zur Aussendung des Strahls in die Atmosphäre, nachdem er die besagte Strecke gewisser Länge durchlaufen hat, und Projektion des Strahls auf die Oberfläche des Gesteins zwecks Brechen des Gesteins des Gebirges.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korpuskularquelle eine Strahlkanone aufweist, die ein langes Rohr kleinen Querschnitts besitzt, welches in der Lage ist, in den Arbeitsraum einzudringen, und an dessen Ende der Strahl in

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den Arbeitsraum austritt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus einer Mehrzahl teleskopartig geführter Abschnitte aufgebaut ist, die entsprechend der zunehmenden Tiefe des von dem Strahl erzeugten Arbeitsraums ausfahrbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr einen der Strahlerzeugungseinrichtung benachbarten und damit in Verbindung stehenden ersten Abschnitt besitzt sowie

fc einen mit dem ersten Abschnitt in Verbindung stehenden und diesem gegenüber schwenkbaren zweiten Abschnitt, aus dem der Strahl austritt, und daß der Generator eine Einrichtung zur Ablenkung des Strahls aus dem ersten Rohrabschnitt in die ausgeschwenkten Lagen des zweiten Rohrabschnitts aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen zur Justierung des Korpuskularstrahls' innerhalb des langen Rohres hat, bestehend aus einer Gruppe von Röntgenstrahlendetektoren und Kollimatoren, die so ausgerichtet sind, daß Röntgenstrahlen nur registriert werden, wenn sie entweder von der rechten, linken, oberen bzw. unteren Kante der Strahldurchgangsöffnung kommen, und daß eine Signalverar-

W beitungseinrichtung die Signale der verschiedenen Röntgenstrahlenfühler vergleicht und dabei bestimmt, welche Kante der Strahldurchgangsöffnung einen zu großen Anteil des Korpuskularstrahls auffängt und daher einen zu großen Anteil an Röntgenstrahlen emittiert, und daß eine Strahlablenkvorrichtung derart auf die Signalverarbeitungseinrichtung anspricht, daß sie die Intensität aller von den Röntgenstrahldetektoren empfangenen Signale ausgleicht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung der Gesamtintensität aller von den Röntgenstrahlendetektoren empfangenen Röntgenstrahlen sowie eine auf die gesamte Röntgenstrahlintensität ansprechende Fokussiereinrichtung zur Minimierung der Gesamt-Röntgenstrahl-

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intensität durch Einstellung des engstmöglichen Durchgangs des Korpuskularstrahls durch das Zentrum der Strahldurchgangsöffnung .

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch teilweise in Nähe des Generators angeordnete Pumpmittel zur Evakuierung des Generators, eine an den Ausgang dieser Pumpmittel angeschlossene und zu einer von dem Generator entfernten Stelle führende Pumpleitung sowie entfernt von dem Generator angeordnete weitere Pumpmittel, die an die Pumpleitung angeschlossen sind, um diese in die Atmosphäre zu evakuieren.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10, gekennzeichnet durch ein Fahrzeug mit einem drehbaren Turm, an dem der Generator befestigt ist, eine in dem Turm vorgesehene Einrichtung zur Bewegung des Rohrs, so daß der Strahl auf ein ausgewähltes Gebiet gerichtet wird und dabei den Arbeitsraum durch Einbohren in dieses Gebiet bildet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Fahrzeug und dem Generator eine entfernt angeordnete Steuerkonsole über lange Kabel verbunden ist, die dem Fahrzeug und dem Generator die notwendige Energie zuführen.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5-10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur mechanischen Kopplung des Generators mit einer mechanischen Ausschachteinrichtung, die an ihrer Vorderseite eine Schneidkante aufweist, so daß der ausgesandte Strahl vor der Schneidkante auf das felsige Gebirge gerichtet wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Ausschachtvorrichtung einen Bohrer mit einem im wesentlichen spiralförmigen Boden, in dessen unterem Bereich eine Schneidkante vorgesehen ist, für die Aufnahme und Weiterbewegung des ausgeschachteten Materials sowie eine Einrichtung

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zur Drehung des Bohrers unter Aufnahme des ausgeschachteten Materials aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlrohr mit dem Bohrer drehbar und so befestigt ist, daß der ausgesandte Strahl - bezogen auf die Richtung, in der die Schneidkante auf das Material zubewegt wird - vor der Schneidkante verläuft und daß das Rohr unter Hin- und Herbewegung des ausgesandten Strahls vor der Schneidkante schwenkbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Welle für den Drehantrieb des Bohrers ein Arm für die schwenkbare Lagerung des Generators innerhalb des Bohrers starr befestigt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidkante geradlinig und der ausgesandte Strahl vor der Schneidkante geradlinig hin und her bewegbar ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle unterhalb des Bodens des Bohrers einen in das Gebirge eingreifenden Führungsbohrer (221) für die Zentrierung des Hauptbohrers aufweist.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 - 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator in eine kippbare Spitze ausmündet, durch die der Strahl ausgesandt wird, und

aμfweist eine Einrichtung zur Ablenkung des Strahls zu der Spitze hin / und daß die Spitze zwischen einer zu der Achse des Bohrers im wesentlichen senkrechten und einer gegenüber einem Winkel von 90° zu der Achse wesentlich abweichenden Endlage verschwenkbar ist, so daß der ausgesandte Strahl eine Ausschachtung erzeugen kann, deren Durchmesser größer als der Außendurchmesser des Bohrers ist und damit die Verwendung eines den Bohrer umgebenden Mantels (203) gestattet.

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20. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Pumpmittel zur Evakuierung sich innerhalb des Bohrers neben dem Generator befinden, daß eine mit dem Ausgang dieser Pumpmittel verbundene lange Pumpleitung außerhalb des Bohrers weiterläuft und außerhalb des Bohrers angeordnete zusätzliche Pumpmittel zur endgültigen Evakuierung aller Gase in die Atmosphäre dienen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der besagten langen Pumpleitung etwa das Zehnfache des j&aximaldrucks beträgt, bei dem die Pumpmittel arbeiten, die beim Generator angeordnet sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen mit dem oberen Bereich des spiralförmigen Bodens in Verbindung stehenden Förderer für die Abfuhr des dort angesammelten Materials.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderkette mehrere Schaufeln trägt und so angetrieben ist, daß die Schaufeln aufeinanderfolgend angesammeltes Material aufnehmen.

KN/sg 3

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