DE2630091B2

DE2630091B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Brechen eines harten kompakten Materials, insbesondere eines Gesteins

Info

Publication number: DE2630091B2
Application number: DE2630091A
Authority: DE
Inventors: George Anthony Dr. Waadt Cooper (Schweiz)
Original assignee: Institut Cerac SA
Current assignee: Institut Cerac SA
Priority date: 1976-05-25
Filing date: 1976-07-03
Publication date: 1979-08-16
Also published as: US4114950A; DE2630091C3; GB1535027A; SE7706090L; CH601644A5; CA1064464A; DE2630091A1; SE424898B; ZA772689B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Brechen eines harten kompakten Materials, insbesondere eines Gesteins oder eines Betons, bei welchem in das zu brerhende Material ein Loch gebohrt und der Wandbereich des Loches durch Ausübung einer radial nach außen wirkenden Kraft ei griffen wird, wonach auf den ergriffenen Wandbereich eine axial nach außen wirkende Kraft ausgeübt wird, wobei die ausgeübten Kräfte genügend groß sind, um in der Wand des Loches Risse zu verursachen, und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.

Das Verfahren zum Brechen eines harten kompakten Materials, insbesondere eines Gesteins, kann z. B. bei Tunnelbauten, beim Spalten von Felsblöcken, beim Schälen von Material von dicken Schichten angewandt werden.

In der Schweizer Patentschrift Nr. 13751/75 ist eine Vorrichtung zum Ergreifen eines Bereiches der Wand eines Bohrloches durch eine radial nach außen wirkende Kraft und durch eine gleichzeitig oder eine nachträglich angewandte axial nach außen wirkende Kraft beschrieben. Diese Vorrichtung übt einen ununterbrochen wirkenden Druck aus, der durch Einstellung des hydraulischen Druckes der Arbeitszylinder gleichbleibend gehalten, herabgesetzt oder erhöht werden kann. Bei dieser Vorrichtung wird die Reaktionskraft gegen die axial nach außen wirkende Kraft durch ein den Axialdruck aufnehmendes Glied übertragen, das koaxial zu den Keilen und Greifbacken verläuft und sich gegen den Boden des Bohrloches abstützt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein solches, den Axialdruck aufnehmendes Glied zu ersetzen und die dadurch erreichten Vorteile zu zeigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auf solche Weise gelöst, daß mindestens eine der Kräfte durch nacheinanderfolgende, sich wiederholende axial wirkende Schläge erzeugt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch ein Verlängerungsglied, das an den Keilflächen angeschlossen ist und sich außerhalb des Bohrloches nach außen erstreckt, und durch eine Schulter am Verlängerungsglied und einen Bärkolben, der im Gehäuse der Vorrichtung hin- und herbewegbar ist, wobei der Bärkolben gegen die Schulter nacheinanderfolgende, sich wiederholende axial wirkende Schläge ausübt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Brechen eines harten kompakten Materials, insbesondere eines Gesteins,

Fig. 2 einen Schnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Fig. 1,

Fig. 3a eine schematische Ansicht der Vorrichtung, teilweise im Schnitt, am Anfang des Bohrens einer Bohrloches.

Fig. 3b eine schematische Ansicht derselben im Schnitt, wobei das Loch ausgebohrt ist und

F i g. 3 c eine schematische Ansicht der Vorrichtung, teilweise im Schnitt, wobei durch die Bewegung der Keilflächen in die Greifbacken durch dieselben eine radial nach außen gegen die Bohrlochwand wirkende Kraft ausgeübt wird.

Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Brechen eines harten kompakten Materials, insbesondere eines Gesteins, weist Greifbacken 1, die in das in dem zu brechenden Material gebohrte Loch eingeführt werden, und Keilflächen 2 auf, die koaxial zu den Greifbacken 1 durch dieselben verlaufen. Die Keilflächen 2 sind über einen Gewindeansatz la mit einer Stange 3 verbunden, die mit einem Bund 4 versehen und mit ihrem Gewindeansatz 3a mit einem anderen Bund 5 verschraubt ist, wobei ein BeaufscWagungscrgan 6 an der Stange 3 bewegbar ist. Wenn das Beaufschlagungsorgan 6 entlang der Stange 3 zwischen den beiden Bunden 4, 5 in axialer Außenricbtung beschleunigt wird, beaufschlagt es den äußeren Bund S, wodurch der Stange 3 ein Scb'ag erteilt wird. Dieser Schlag wird auf die Keilflächen 2 übertragen, die in die Greifbacken 1 hineingezogen werden, die ihrerseits eine radial nach außen wirkende Kraft auf das zu brechende Material ausüben. Gleichzeitig, weil die Keilflächen 2 in die Greifbacken 1 hineingezogen werden, wird der Zugimpuls auch auf das zu brechende Material übertragen.

Das Verhältnis zwischen der Größe der radial nach außen und der axial nach außen wirkenden Kräfte hängt vom Winkel der Keilflächen und dem Reibungskoeffizienten zwischen diesen Keilflächen 2 und den Greifbacken 1 ab. Wenn dieser Winkel genügend klein ist (kleiner als etwa 10°), werden die Keilflächen 2 nach dem Zugimpuls nicht in ihre Ausgangslage zurückkeliren, sondern sie werden eine gleichbleibende, radial nach außen wirkende Kraft auf die Greifbacken 1 und dadurch auf das zu brechende Material ausüben.

Die wiederholten Aufschläge haben zur Folge, daß die Keilflächen 2 immer weiter in die Greifbacken 1 hineingezogen werden, wobei die radial nacii außen wirkende Kraft immer größer wird. Gleichzeitig wird mit jedem Aufschlag auf die Greifbacken 1 und das zu brechende Material eine impulsive axial nach außen wirkende Kraft ausgeübt. Beide Kräfte, nämlich die radial und die axial nach außen wirkende Kraft, sind für den Materialbrechvorgang von Bedeutung.

Diese Vorrichtung besitit mehrere Vorteile gegenüber der Vorrichtung nach der Schweizer Patentschrift Nr. 13751/75, nämlich:

1. Es wird kein Platz im Bohrloch durch das den axialen Druck übertragende Glied beansprucht, so daß zur Übertragung der gegebenen Druckkraft ein Bohrloch mit einer halben Querschnittsfläche verwendet werden kann gegenüber dem Fall, wenn das den axialen Druck übertragende Glied vorhanden ist, od<jr eine viel wirkungsvollere Kraft im Bohrloch des gegebenen Durchmessers ausgeübt werden kann, Somit werden im wesentlichen die Bohrkosten und die Bohrzeit herabgesetzt.

2. Da die axial nach außen wirkende Kraft in Impulsen erzeugt wird, erübrigt sich ein den axialen Druck aufnehmendes Glied, um die durch die nach außen wirkende axiale Kraft erzeugte Reaktionskraft zu übertragen, so daß auch keine Kraft auf den Lochboden ausgeübt wird. Eine solche Erfindung wäre von Vorteil in einem tiefen Bohrloch oder in einem Bohrloch, das z. B. eine Wand oder einen Boden eines Gebäudes durchdringt.

3. Eine Impulskraft von gegebener Größe kann im allgemeinen durch eine am Gewicht leichtere Vorrichtung erzeugt werden als durch eine Vorrichtung, die eine statische Kraft der gleichen in Größe erzeugt (vgl. das Gewicht eines Hammers

zum Einschlagen eines Nagels mit einer Presse, die den gleichen Nagel mit einer ununterbrochenen Kraft einschiebt: Es ist zu bemerken, daß auch in diesem Falle das Aufnehmen einer r. Rückstoßkraft überflüssig ist).

Es ist also verständlich, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung leichter und einfacher ist als diejenige nach der Schweizer Patentschrift Nr. 13751/75.

j" 4. Es wurde gefunden, daß ein hartes kompaktes Material, insbesondere ein Gest. η oder Beton, durch wiederholte nach außen wirkei.de Schläge, wie oben beschrieben, gebrochen werden kann, auch dann, wenn die Maximalkraft jedes Sch'a-Ji ges kleiner ist als diejenige, die zum Brechen des Materials mittels eines einzigen ununterbrochen wirkenden Zuges benötigt wäre. Dies stellt ein neues und unerwartetes Merkmal der Erfindung dar, indem eine solche Vorrichtung wirkungsvol-JM ler ist als diejenige, die nur einen ununterbrochenen Zug ausübt.

In der bevorzugten Ausführungsform nach der Fig. 2 sind ebenfalls zwei Bunden 4, 5 vorgesehen (siehe die Fig. 1), die die Bewegungsbahn des Beauf- ·,-, schlagungsorgans 6 begrenzen, welches Organ die Form eines Kolbens hat, der in einem aus zwei an der Stelle 15c zusammengeschraubten Teilen 15a, 15b bestehenden zylindrischen Körper 15 der Vorrichtung hin- und herbewegt wird. Ein Luft- oder Hy-4" draulikmittel zur Betätigung des Beaufschlagungsorgans 6 ist vorgesehen, um das Beaufschlagungsorgan 6 gegen einen der Bunde 4, 5 zu bewegen. Außerdem sind die Keilflächen 2 mit einer nach vorne hinausragenden Verlängerung 19 verseilen, die an ih-■r. rem vorderen Ende einen Bohrer 16 trägt. Durch Schaltmittel 8 wird das Beaufschlagungsorgan 6 zwischen den beiden Bunden 4, 5 in eine Hin- und Herbewegung gebracht; durch Drossdmittel 17 wird das Beaufschlagungsorgan 6 gegen den einen oder ande- -,(i ren der Bunde 4, 5 mit größter Kraft anschlagen.

Die Schaltmittel niich der Fig. 2 können z. B. ein Schieber sein, der durch die Bewegung des Beaufschlagungsorgans 6 auf solche Weise betätigt wird, daß tr i'en Zufluß des Arbeitsmediums (z. B. von -,-, Druckluft) durch eine der beiden Einlaßöffnungen 9, 10 im Zwischenstück 24 zwischen einem EiiiJaßstutzen 23 und dem Körper 15 nacheinandertolgend regelt, wodurch dem Beaufschlagungsorgan 6 eine Hin- und Herbewegungorteilt wird. In der Fig. 2 ist darge-„(i stellt, wie sich das beaufschlagungsorgan 6 bewegt. Das Arbeitsfluidum wird durch die Einlaßöffnung 10 zugeführt. Wenn die obere ringförmige Oberfläche 11 des Beaufschlagungsorgans 6 gegen den Schieber 8 anstößt, wird der letzte in Bewegung gebracht. Nach_h, dem das Beaufschlagungsorgan 6 gegen den Bund 4 gestoßen hat, prallt es zurücK. Wegen des Druckes, üer auf die hintere Endfläche des Schiebers 8 wirkt, wird derselbe in der vorderen Stellung gehalten. Das

Arbeilsfluidum wirkt durch die Einlaßöffnung 9 hindurch auf die Oberfläche 11, wobei sich das Beaufschlagungsorgan 6 nach oben bewegt. Wenn das BeaufschliiRungsorgan 6 mit seiner anderen kreisförmigen Oberfläche 12 gegen den Schieber 8 anstößt, wird der letztgenannte in seine in der Fig. 2 dargestellte Stellung zurückgebracht. Nachdem das Beaufschlagungsorgan 6 gegen den Bund 5 gestoßen hat, prallt es zurück. Wegen des Druckes, der auf die untere Endfläche des Schiebers 8 wirkt, wird derselbe in der in der Fig. 2 dargestellten Stellung gehalten. Das Arbeitsfluidum wird nun durch die Einlaßöffnung 10 zugeführt und wirkt auf die Oberfläche 12 des Beaufschlagungsorgans 6, wobei sich dasselbe nach unten bewegt. Die Drosselmittel 17 können auch ein Schieber sein, der auf solche Weise eingerichtet ist, daß er teilweise die eine oder die andere Einlaßöffnung 9, 10 blockiert, so daß dem Beaufschlagungsorgan 6 in

rinpm nHrr anHpipn fiinnr» pinn vrrminHprip Pnproi*» — - - ·- c~

zugeführt wird.

Wenn sich die Drosselmittel in einer Stellung befinden, die in Richtung des Bohrers 16 liegt, wird der Anschlag in Richtung gegen das Gestein stark sein, wobei die in anderer Richtung ausgeübte Energie nur genügend groß sein wird, um das Beaufschlagungsorgan 6 in das gegenüberliegende Ende des Zylinders in seiner Ausgangsstellung für den nächsten Aufschlag zurückzuführen. Wenn sich die Drosselmittel 17 in dieser Stellung befinden, kann mit der Vorrichtung in dem zu brechenden Material ein Bohrloch gebohrt werden. Wenn sich die Drosselmittel 17 in einer Stellung befinden, die in Richtung weg von dem Bohrer 16 liegt, wird der Aufschlag in Gegenrichtung stark sein und wird so zu dem Brechvorgang beitragen.

Beiderin der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung sind keine einstellbaren Drosselmittel nötig, weil der Aufschlag in Richtung nach innen immer leichter wird. Dies kann durch eine feste Verengung 7 im Luftdurchgang erreicht werden.

Um die Bewegung der Keilflächen 2 und der Bunde 4, 5 gegenüber dem Körper 15 der Vorrichtung zu begrenzen, sind elastische Mittel 13 vorgesehen. Diese Mittel können Flach- oder Spiralfedern sein oder sie können die Form von hydraulischen oder pneumatischen Dämpfern haben. Was die Außenfeder 14 anbelangt, hängt ihre Einfederung von dem Ausmaß ab, wie die Keilflächen 2 in die Greifbakken 1 hineingezogen wurden. Wenn die Feder 14 steifer ist und die Keilflächen 2 in die Greifbacken 1 hineingezogen werden, wird durch die Bewegung des Beaufschlagungsorgans 6 in Richtung des Bundes 5 ein größerer Anteil der Aufschlagenergie über die Feder 14 auf den Körper 15 und weiter auf die Greifbakken 1 als axial nach a>ißen wirkender Aufschlag über tragen. Dieser Aufschlag wird ebenso für dei Brechvorgang ausgenützt. Durch die Feder 14 kam also die Aufschlagenergie mit Vorteil zwischen dei Greif- und Zugkräften geteilt werden: Am Anfanj des Brechvorganges wird ein verhältnismäßig größe rer Anteil der Aufschlagenergie in Greifkraft umge wandelt, während später, wenn sich die Greifbacken ' geöffnet und sich in das zu brechende Material einge graben haben, ein größerer Anteil der Aufschlagener gie in die nach außen gerichtete Zugkraft umgcwan delt wird, um das Material zu brechen.

Es ist vorgesehen, daß die Vorrichtung auf einen Gestell montiert oder als Handgerät verwendet wer den kann. Im letzteren Fall wird der Körper 15 de Vorrichtung mit zwei Handgriffen 18 für den Bedie nenden versehen. Mit 20 ist ein Abschlußhahn für Be tatigungsmittel im Einlaßstutzen 23 und mit 21 eim ~7f*r\\ralHrtliriiitn in Hpr Vprlännpriinn IO K^i-mir-hr

die als Spülmittelkanal dient. Durch Schlitze 22 sine die einzelnen Sektoren der Greifbacken 1 voncinan der gctrcnr.t.

In den Fig. 3a, 3b, 3c werden verschiedene Ar beitsverläufe einer Ausführungsform dargestellt, mi welcher ein Bohrloch gebohrt werden kann. In de Fig. 3 a befindet sich der DiOsselhebel 17a in der vor deren Stellung, so daß die Aufschlagenergie in Rieh tung des ~·ι brechenden Materials stark ist. Zu diesen Zeitpunkt befindet sich der Kegel der Keilflächen ; außerhalb der Greifbacken 1, wobei das Bohrloch ge bohrt wird. In der Fig. 3 bist ein fenig gebohrtes Locl dargestellt, wobei der Drosselhebel 17a nach rück wärts gestellt wurde. Der Kegel der Keilflächen 2 wire in die Greifbacken 1 hineingezogen, so daß sich di« Greifbacken 1 in das zu brechende Material hinein beißen können. In der Fig. 3c befindet sich der Dros selhebel 17a immer in der Rückwärtsstellung. In die ser Figur ist die Kombination der nach außer wirkenden Aufschläge mit der Keilwirkung des Kegel dargestellt, die zum Bruch des Gesteins oder des Be tons führen, welches Material abgetragen wird unc ein Krater entsteht. Es ist zu erwähnen, daß dies dk voraussichtliche Art des Bruches ist, wenn ein große Volumen von Material zu brechen ist. Im Falle voi isolierten Felsblöckcn mit kleinerem Volumen wire der Bruch durch bloß radial laufende Risse gebildet die grundsätzlich durch die Keilkraft verursacht wer den.

Dem Bohrer 16 kann eine Drehbewegung erteil werden, und zwar entweder von der Bedienungsper son, die die Vorrichtung von Hand um ihre Lär ^s achse dreht, oder durch einen automatischen, nich dargestellten Diehbewegungsmechanismus.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Brechen eines harten kompakten Materials, insbesondere eines Gesteins oder eines Betons, bei welchem in das zu brechende Material ein Loch gebohrt und der Wandbereich des Loches durch Ausübung einer radial nach außen wirkenden Kraft ergriffen wird, wonach auf den ergriffenen Wandbereich eine axial nach außen wirkende Kraft ausgeübt wird, wobei die ausgeübten Kräfte genügend groß sind, um in der Wand des Loches Risse zu verursachen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kräfte" durch nacheinanderfolgende, sich wiederholende axial wirkende Schläge erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axial wirkende Kraft durch nacheinanderfolgende, sich wiederholende axial wirkende Schlage erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2-, dadurch gekennzeichnet, daß die Schläge teilweise umgewandelt werden, um die radial nach außen wirkende Kraft zu erzeugen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radial und die axial nach außen wirkende Kraft gleichzeitig angewendet werden.

5. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit Greifbacken (1), die in das in das zu brechende Material gebohrte Loch einführbar sind, und mit Keilflächen (2), die gegenüber den Greifbacken vei schiebbar sind, wobei die Greifbacken (1) und die lieilflächen (2) zusammenwirkende Keiloberflächen au! /eisen, und mit einem Verlängerungsglied (3), das an den Keilflächen (2) angeschlossen ist und sich außerhalb des Bohrloches nach außen erstreckt, gekennzeichnet durch eine Schulter (S) am Verlängerungsglied (3) und einen Bärkolben (6), der im Gehäuse (15) der Vorrichtung hin- und herbewegbar ist, wobei der Bärkolben (6) gegen die Schulter (5) nacheinanderfolgende, sich wiederholende axial wirkende Schläge ausübt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Greifbacken (1) mit dem vorderen Endteil des Gehäuses (15) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenwirkenden Keiloberflächen der Keilflächen (2) und der Greifbakken (1) in Richtung weg von dem Bohrloch zusammenlaufen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine aus der Keilfläche (2) nach vorne hinausragende Verlängerung (19), die einen Bohrer (16) trägt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verlängerungsglied (3) eine zweite Schulter (4) aufweist, wobei der Bärkolben (6)so angeordnet ist, daß er während des Bohrens des Bohrloches mittels des Bohrers (16) auf diese Schulter (4) radial nach innen wirkende Schläge versetzt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Schiebeventil (8), das gegen eine der Stirnflächen (11, 12) des Bärkolbens (6) das Druckfluidum einläßt, um ihm eine Hin- und Herbewegung zwischen den Schultern (4, 5) zu erteilen.

11, Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Drosselmittel (17) zur Verhinderung des Druckfluidumstromes gegen eine der Stirnflächen des Bärkolbens (6).