DE2630091C3

DE2630091C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Brechen eines harten kompakten Materials, insbesondere eines Gesteins

Info

Publication number: DE2630091C3
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: 1980-04-30
Also published as: SE7706090L; DE2630091A1; US4114950A; GB1535027A; ZA772689B; SE424898B; CH601644A5; DE2630091B2; CA1064464A

Description

Die Erfindung betrifft ein 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, 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 erfinduiiitsgemäßen Vorrichtung zum Brechen eines harten kompakten Materials, insbesondere eines Gesteins,

Fig. 2 einen Schnitt einer bevorzugten Ausfiihrungsform tier Vorrichtung nach der Fig. I,

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

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

Fig. 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 I₁ 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 2a 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 Beaufschlagungsorgan 6 an der Stange 3 bewegbar ist. Wenn das Beaufschlagungsorgan 6 entlang der Stange 3 zwischen den beiden Bunden 4, 5 in axialer Außenrichtung beschleunigt wird, beaufschlagt es den äußeren Bund 5, wodurch der Stange 3 ein Schlag erteilt wird. Dieser Schlag wird auf die Keitriächen 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 zurückkehren, 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 nach 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 besitzt 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 d<iß 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, oder eine viel wirkungsvollere Kraft im Bohrloch des gegebenen Durchmessers ausgeübt werden kann, Somit werden im wesentlichen die Bohrkostcn und die Bohrzeit herabgesetzt.

2. Da die axial nach außen wirkende Kraft in Impulsen erzeugt wii'd, 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 ίο 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 H Rückstoßkraft überflüssig ist).

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

4. Es wurde gefunden, daß ein hartes kompaktes Material, insbesondere ein G.:>-i.ein oder Beton, durch wiederholte nach außen wirk ende Schläge, wie oben beschrieben, gebrochen werden kann, auch dann, wenn die Maximalkraft jedes Schlages 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-Ier ist als diejenige, die nur einen anunterbrochenen 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 Beaufr> schlagungsorgans 6 begrenzen, welches Organ die Form eines Kolbens hat, der in einem aus zwei an der Stelle 15c zusammengeschraubten Teilen 15a, 156 bestehenden zylindrischen Körper 15 der Vorrichtung hin- und herbewegt wird. Ein Luft- odi. r Hydraulikmittel 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 versehen, die an ih-4-i 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 Drosselmittel 17 wird das Beaufschlagungsorgan 6 gegen den einen oder ande-.0 ren der Bunde 4, 5 mit größter Kraft anschlagen.

Die Schaltmittel nach der Fig. 2 können z. B. ein Schieber sein, der durch die Bewegung des Beaufschlagurigsorgans 6 auf solche Weise betätigt wird, daß pt den Zufluß des Arbeitsmediums (z. B. von v, Druckluft) durch eine der beiden Einlaßöffnungen 9, 10 im Zwischenstück 24 zwischen einem Einlaßstutzen 23 und dem Körper 15 nacheinanderfolgend regelt, wodurch dem Beaufschlagungsorgan 6 eine Hin- und Herbewegung erteilt wird. In der Fig. 2 ist dargewi stellt, wie sich dus, Beaufschlagungsorgan 6 bewegt. Das ArbeiUfluidum wird durch die Einlaßöffnung 10 zugeführt. Wenn die obere ringförmige Oberfläche 11 des Beaufs<hlagungsorgans 6 gegen den Schieber 8 anstößt, wird der letzte in Bewegung gebracht. Nachi,, dem das Beaufschlagungsorgan 6 gegen den Bund 4 gestoßen hat, prallt es zurück. Wegen des Druckes, der auf die hintere Endfläche des Schiebers 8 wirkt, wird derselbe in der vorderen Stellung gehalten. Das

Arbcjtsfluidum wirkt durch die Hinlaßöffnung 9 hindurch auf die Oberfläche 11. wobei sich das Bcaufschlagungsorgan 6 nach oben bewegt. Wenn das Beaufschlagungsorgan 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 Beaufsehlagungsorgan 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 Drosselmitlei 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 einem oder anderen Sinne eine verminderte Energie 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.

Bei der in 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

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/:u begrenzen, sind e/astische 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 außen wirkender Aufschlag übertragen. Dieser Aufschlag wird ebenso für den Brechvorgang ausgenützt. Durch die Feder 14 kann also die Aufschlagenergie mit Vorteil zwischen den Greif- und Zugkräften geteilt werden: Am Anfang des Brechvorganges wird ein verhältnismäßig größerer Anteil der Aufschlagenergie in Greifkraft umgewandelt, während später, wenn sich die Greifbacken 1 geöffnet und sich in das zu brechende Material eingegraben haben, ein größerer Anteil der Aufschlagenergie in die nach außen gerk.itete Zugkraft umgewandelt wird, um das Material zu brechen

Es ist vorgesehen, daß die Vorrichtung auf einem Gestell montiert oder als Handgerät verwendet wer-

■ den kann. Im letzteren Füll wird der Körper 15 der Vorrichtung mit zwei Handgriffen 18 für den Bedienenden versehen. Mit 20 ist ein Abschlußhahn für Betätigungsmittcl im Einlaßstutzen 23 und mit 21 eine Zentralbohrung in der Verlängerung 19 bezeichnet, die als Spülmittelkanal dient. Durch Schlitze 22 sind die einzelnen Sektoren der Greifbacken 1 voneinander getrennt.

In den Fig. 3a, 3b, 3c werden verschiedene Arbeitsverläufc einer Ausführungsform dargestellt, mit

> welcher ein Bohrloch gebohrt werden kann. In der Fig. 3ahefinde!sichder Drosselhebel 17a in der vorderen Stellung, so daß die Aufschlagenergie in Richtung des zu brechenden Materials stark ist. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Kegel der Keilflächen 2 außerhalb der Greifbacken 1, wobei das Bohrloch gebohrt wird. Inder Fig. 3bist ein fertig gebohrtes Loch dargestellt, wobei der Drosselhebel 17a nach rückwärts gestellt wurde. Der Kegel der Keilflächen 2 wird in die Greifbacken 1 hineingezogen, so daß sich die Greifbacken 1 in das zu brechende Material hineinbeißen können. In der Fig. 3 c befindet sich der Drosselhebel 17a immer in der Rückwärtsstellung. In dieser Figur ist die Kombination der nach außen wirkenden Aufschläge mit der Keilwirkung des Kegels dargestellt, die zum Bruch des Gesteins oder des Be-

ein Krater entsteht. Es ist zu erwähnen, daß dies die voraussichtliche Art des Bruches ist, wenn ein großes Volumen von Material zu brechen ist. Im Falle von isolierten Felsblöcken mit kleinerem Volumen wird der Bruch durch bloß radial laufende Risse gebildet, die grundsätzlich durch die Keilkraft verursacht werden.

Dem Bohrer 16 kann eine Drehbewegung erteilt werden, und zwar entweder von der Bedienungsperson, die die Vorrichtung von Hand um ihre Längsachse dreht, oder durch einen automatischen, nicht dargestellten Drehbewegungsmechanismus.

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 Schläge 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, and mit Keilflächen (2), die gegenüber den Greifbacken verschiebbarsind, wobei die Greifbacken (1) und die Keilflächen (2) zusammenwirkende Keiloberflächen r^ifweisen, und mit einem Verlängerungsglied (3), das an den Keilflächen (2) angeschlossen ist und sich außerhalb des Bohrloches nach außen erstreckt, gekennzeichnet durch eine Schulter (5) 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 Schlage 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 Schlage versetzt.

K). Vorrichtung nach Anspruch'), gekennzeichnet durch ein Schiebeventil (8), das gegen eine der Stirnflächen (11,12) des Bärkolbcns (6) das Druckfluidtim cinliiUt. 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).