DE2641426A1 - Verfahren und vorrichtung zum brechen von hartem material, wie z.b. gestein - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum brechen von hartem material, wie z.b. gesteinInfo
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Description
Patentanwälte
Dipl.-Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem
Dipl.-Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem
Frankfurt am Main Staufenstrasse
In Sachen:
Atlas Copco Aktiebolag
Nacka / Schweden
Nacka / Schweden
Verfahren und Vorrichtung zum Brechen
von hartem Material, wie z.B. Gestein.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Brechen von hartem Material, wie z.B. Gestein, wobei wenigstens ein Loch vorgebohrt
wird, sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Herkömmliche Verfahren, Gestein zu brechen, wozu z.B. das Bohr- und Sprengverfahren, das Aufschneiden bzw. Aufschlitzen
sowie Brech- und Mahlverfahren gehören, haben mehrere Nachteile. Die herkömmliche Bohr- und Sprengtechnik
hat den Nachteil, daß dabei Lärm, Gase, Staub und herausgeschleuderte Gesteinsbrocken entstehen, so daß ir1 Arbeitsrhythmus
Menschen und Maschinen vom Abbauort zurückgezogen werden müssen. Weiterhin nachteilig ist die Gefahr von über
das vorbestimmte Maß hinausgehender Rißbildung, die manchmal eine sehr teure Verstärkung der Tunnelwände zur Folge hat,
sowie die weitere Gefahr von Unfällen, die auf die Aufbewahrung und den Umgang mit Sprengstoffen in einem begrenzten
Arbeitsraum zurückzuführen ist.
Diejenigen Arbeitsverfahren, bei welchen das Gestein zer-
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"'■■■-■■■--*■-'■■'.'■'"■■""
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schlagen oder zerstoßen wird, müssen von vornherein einen
schlechten Wirkungsgrad hinnehmen, da hierbei die Druckfestigkeit des Materials überwunden werden muß, während es
leichter und einfacher wäre, unter Ausnutzung der geringeren Zugfestigkeit zu arbeiten. Infolge der starken Kräfte, die
zum Zerschlagen oder Zerstoßen von Gestein erforderlich sind, ist der Werkzeugverschleiß beträchtlich, insbesondere beim
Abbau von hartem oder reibendem Material.
Währendvdes letzten Jahrzehnts sind ernsthafte Versuche
unternommen worden, die Bohr- und Sprengtechnik im Tunnelbau, Bergbau und bei ähnlichen Anwendungen zu ersetzen.
Als eine Alternative ist z.B. ein Vorschlag bekannt geworden, wonach das Gestein oder Erz mittels Wasser- oder anderer
Flüssigkeitsstrahlen hoher Geschwindigkeit geschnitten wird, und in diesem Zusammenhang sind zahlreiche Vorrichtungen
entwickelt worden, um pulsierende oder unterbrochene Flüssigkeitsstrahlen
ausreichend hoher Geschwindigkeit, mit denen selbst das härteste Gestein zerkleinert werden kann, zu erzeugen.
Derartige Vorrichtungen sind z.B. in den US-Patenten 3 784 1o3 und 3 796 371 beschrieben. Bisher sind jedoch die
mit schneidenden Flüssigkeitsstrahlen arbeitenden Verfahren noch nicht in der Lage, hinsichtlich Vortriebsgeschwindigkeit,
Energieverbrauch und Gesamtkosten mit den herkömmlichen Abbauverfahren, insbesondere der Bohr- und Sprengtechnik,
zu konkurrieren.
Eine zweite und sogar ältere Abbautechnik, bei der gleichzeitig die Staubbildung unterbunden werden sollte, ist
z.B. im deutschen Patent 23o o82 beschrieben. Danach wird
ein Loch in das Material gebohrt und dann Wasser niedrigen Drucks in das Loch geleitet, um die Poren in der Lochwand
zu füllen, Staub zu binden und die Funktion des Lochs als
Druckwasserzylinder zu verbessern. Wenn dann das Material
bis zu einem bestimmten Grad mit Wasser gesättigt ist, wird die Wasserzufuhr, d.h. der Massentransport, zum Loch
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stufenweise erhöht. Das Material kann diese plötzlich zugeführte
vergrößerte Wassermenge nicht aufnehmen, so daß Brechkräfte entstehen. Wegen der nur beschränkt zur Verfügung stehenden Arbeitsdrücke, welche mit herkömmlichen
hydraulischen Pumpen erzeugt und zur Anwendung gebracht werden können, ist das beschriebene Verfahren nur zum Abbau
verhältnismäßig weicher Gesteinsformationen, wie z.B. Kohle, nicht aber zum Brechen harten Materials geeignet. Außerdem
ist es in der Praxis schwierig anzuwenden bei bröckligem und stark rissigem Gestein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei deren Einsatz auch hartes
Material hydraulisch gebrochen werden kann, und zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das
Loch mit einem verhältnismäßig inkompressiblen Fluid, wie z.B. Wasser, gefüllt wird und in einer Fluidsäule, deren
Länge größer ist als die Lochtiefe, außerhalb des Lochs eine Stoßwelle erzeugt wird, welche durch die Fluidsäule hindurch
auf das mit Fluid gefüllte Loch übertragen wird und ausreichend stark bemessen ist, um Risse im Material zu erzeugen.
Es sollte bei der praktischen Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens beachtet werden, daß die Fluidsäule weder
enge Krümmungen noch plötzliche Querschnittsänderungen aufweist. Diese würden starke Verluste zur Folge haben, so daß
die in das Loch gelangende Energie stark verringert wird.
In einer bevorzugten praktischen Anwendung dient die Stoßwelle gleichzeitig dazu, eine Sprengladung im Loch zu zünden.
In diesem Fall setzt sich die zum Brechen des Gesteins zur Verfügung stehende Energie aus der Energie der Stoßwelle
und der chemischen Energie der Sprengladung zusammen.
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Im vorliegenden Zusammenhang wird unter dem Begriff "Fluid"
ein Stoffverstanden, der seine Gestalt entsprechend jeder
auf ihn wirkenden Kraft ändert, das Bestreben hat zu fließen oder sich der Gestalt seiner Behälter anzupassen und Flüssigkeiten,
Kunststoffe sowie Mischungen aus festen und flüssigen Stoffen, sofern sie fließfähig sind, einschließt.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 und 3 Längsschnitte durch alternative Ausführungsformen ,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung nach
Fig. 1 in einer abgewandelten Anwendung,
Fig. 5 und 6 Längsschnitte durch in ein Bohrloch eingesteckte
vordere Enden erfindungsgemäßer Vorrichtungen zur Erzeugung seitlicher Druckwirkung,
Fig. 7 bis 9 Schnittansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufsprengen von benachbarten
Bohrlöchern mit kurzem zeitlichen Zwischenabstand (Intervallsprengen).
übereinstimmende Einzelheiten sind in den Zeichnungsfiguren
mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine Beschleunigungs- oder Schlageinrichtung mit einem Schlagkolben 11, der bestimmungsgemäß auf die
Oberfläche einer Fluidsäule 12 schlägt. Im Beispielsfall
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besteht die Fluidsäule 12 aus Wasser, es kommen jedoch auch
andere relativ inkompressible Fluide infrage. Die Flüssigkeitssäule
12 befindet sich in einem Rohr 13, welches sich zwischen der Schlageinrichtung 1o und einem in einem zusammenhängenden
harten Material, wie z.B. Gestein, vorgebohrten Sackloch 14 erstreckt. Das Loch 14 wird in herkömmlicher
Technik hergestellt, z.B. gebohrt. Dem Rohr 13 wird die
Flüssigkeit über eine Leitung 23 zugeführt. Der Flüssigkeitsspiegel wird mittels einer Leitung 16 konstant gehalten.
Vor dem Schlagkolben 11 befindet sich eine hydraulisch
Dämpfungskammer 18, welche den Schlagkolben verzögert und seine überschüssige kinetische Energie absorbiert, wenn
infolge vom Loch 14 ausgehender Risse sich der Flüssigkeitsspiegel im Rohr 13 senkt. Der Dämpfungskammer 18 wird ein
geeignetes Fluid durch einen Kanal 15 zugeführt. Mittels eines Kanals 17 wird der Fluidspiegel in der Dämpfungskammer konstant gehalten.
Wenn der Schlagkolben 11 auf die Flüssigkeitssäule 12 trifft, wird darin ein Druck in Form einer Stoßwelle erzeugt, die
sich mit der örtlich gegebenen Schallgeschwindigkeit durch die Fluidsäule hindurch nach abwärts in das Bohrloch fortpflanzt.
Im ersten Augenblick der Verzögerung des Schlagkolbens kann die Amplitude ρ der Stoßwelle, d.h...der Druck,
durch folgende Gleichung dargestellt werden:
wobei bedeuten:
ν die Schlaggeschwindigkeit des Kolbens G - die Dichte des Kolbens
ρ 2 die Dichte der Flüssigkeitssäule c^ die Schallgeschwindigkeit im Kolben und C2 die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeits säule.
ρ 2 die Dichte der Flüssigkeitssäule c^ die Schallgeschwindigkeit im Kolben und C2 die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeits säule.
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Im Moment des Aufschlags entsteht auch eine Druckwelle im
Schlagkolben, die sich mit der Geschwindigkeit c- von der
Schlagfläche in der zur Bewegungsrichtung des Kolbens entgegengesetzten Richtung fortpflanzt. Die Druckwelle wird am
hinteren freien Ende des Kolbens als eine Zugwelle reflektiert, welche die Grenzfläche zwischen dem Kolben und der
Flüssigkeitssäule nach einer Zeit T ---2Ly/C1. erreicht,
wobei L1 die Länge des Schlagkolbens ist und die Zeit T vom
Aufschlag an gerechnet wird.
Nachdem die Zugwelle um den Reduktionsfaktor 2/(1 +J? ι0·]/
§2 C-) reduziert worden ist, wird sie auf die Flüssigkeit
übertragen und der Druckwelle überlagert, die sich seit dem
Moment des Aufpralls in der Flüssigkeit fortbewegt. Das Ergebnis
1st, daß der Druck von der Ankunft der ersten im Kolben reflektierten Welle an reduziert wird durch den
Faktor (1 -f2 C2 /J)1 C1) / (1 +J2O2
Derjenige Betrag der Energie der genannten Zugwelle, welcher
nicht auf die Flüssigkeit übertragen wird, wird im Kolben
als eine wiederholte Druckwelle reflektiert, deren Amplitude
gleich derjenigen ist, die jetzt in der Flüssigkeit zunächst
der Grenzfläche entsteht. Der Grund, warum die Amplitude
der Druckwelle diesen Wert hat, liegt darin, daß zu jeder Zeit an der Grenzfläche zwischen dem Kolben und der Flüssigkeit ein Gleichgewicht der Kräfte herrschen muß. Nach
wiederholter Reflektion am hinteren Ende des Kolbens jeweils
mit Vorzeichenwechsel kommt es zu einer wiederholten Reduzierung
des Drucks an der Grenzfläche zwischen dem Kolben
und der Flüssigkeit durch den obigen Faktor. Dieser Vorgang hält an, bis die gesamte kinetische Energie des Schlagkolbens verbraucht ist.
Bei der Untersuchung, was; geschieht, wenn die Stoß- oder
Druckwelle, welche in der Flüssigketssäule erzeugt worden
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ist, am Boden des Bohrlochs ankommt, stellt sich heraus,
daß, solange das benachbarte Material hält, die Stoßwelle als Druckwelle mit derselben Amplitude reflektiert wird.
Da sich die ankommende und die reflektierte Welle überlagern, wird der Druck verdoppelt. Unter der Voraussetzung,
daß keine Verluste während des Durchgangs durch die Flüssig keitssäule auftreten, wird somit momentan ein Druck in der
Größe
-p- 2 νξ2 C2 / (1 +f2 C2 /ξ Λ c,)
erzeugt.
Wenn der Schlagkolben aus Stahl besteht und die Flüssigkeit
Wasser ist, hat der Faktor ^ 2 C2 ^ 1 C1 den Betra9 V26.
Dieser Teil des Nenners des obigen Ausdrucks kann vernachlässigt werden, so daß der Druck angenähert
beträgt.
Die vorstehende Ableitung 1st anwendbar, wenn die Flüssigkeitssäule
im Vergleich zum Schlagkolben so lang ist, daß die am Boden des Bohrlochs reflektierte Druckwelle den
Hammerkolben nicht so schnell erreicht, daß sie mit dem dort stattfindenden Stoßwellen-Erzeugungsvorgang zur Interferenz
kommt. Im anderen Fall geschieht eine wiederholte Reflektion, die einen Druckanstieg bewirkt, so daß der
weitere Verlauf mit der obigen mathematischen Theorie schlecht zu erfassen ist.
Der letztere Fall kann aber so betrachtet werden, daß die Flüssigkeitssäule eine masselose Feder ist, was bedeutet,
daß angenommen werden kann, daß derselbe Druck gleichzeitig in der gesamten Flüssigkeitssäule herrscht.
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Wenn die primäre kinetische Energie des Kolbens gleich der
maximalen Federenergie des Fluids gesetzt wird, wird der maximale Druck
/ L1 'S 1 ' L2 S
erhalten.
Für die Kombination Stahlkolben - Wassersäule ist dieser
Ausdruck angenähert
W C2 V L1 /L2·
In der Praxis gibt es immer Übertragungsverluste im Verhältnis zur Länge der Flüssigkeitssäule. Wenn somit die Länge
der Flüssigkeitssäule das Fünfzehnfache der Kolbenlänge beträgt, kann angenommen werden, daß das Druckniveau des
ersten Teils der Druckwelle auf dem Weg zum Bohrloch um 5 bis 1o% abnimmt.
Die Verluste werden weiterhin beeinflußt durch das Material
des Rohrs oder Schlauchs, welche die Flüssigkeitssäule einschließen,
wobei ein weiches Material größere Verluste verursacht
als ein hartes Material.
Die Schlageinrichtung 1o kann hydraulisch, pneumatisch oder
durch Explosion betrieben werden. Es kommt in jedem Fall nur wesentlich darauf an, daß der Schlagkolben 11 bis zum
Aufschlag auf die Flüssigkeitssäule auf eine so hohe Geschwindigkeit
beschleunigt wird, wie sie erforderlich ist, um eine ausreichend starke Stoßwelle zu erzeugen. Der in
Fig. 1 beispielhaft gezeigte Schlagkolben 11 wird in bekannter Weise durch Explosion angetrieben. Die Darstellung
zeigt den Kolben in seiner Ausgangsstellung. Wenn ein anderer Antrieb gewählt wird, ist ein längerer Beschleunigungsweg
erforderlich.
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Bei Versuchen mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen wurde gefunden,
daß unter den hier beschriebenen Bedingungen eine Stoßwelle mit einer Amplitude in der Größenordnung von 75obar
erforderlich ist, um in hartem Gestein Risse zu erzeugen. Wenn der Schlagkolben aus Stahl und die Flüssigkeitssäule
aus Wasser besteht, sollte der Schlagkolben auf eine Geschwindigkeit
von ungefährt 5o m/sec. beschleunigt werden, bevor er die Wassersäule 12 erreicht. Es ist dabei wesentlich, daß
der Schlagkolben unmittelbar auf die Flüssigkeitssäule aufschlägt'; Diese ist somit nach rückwärts frei.
In der Praxis ist es normalerweise erwünscht, daß die Risse und Brüche vom Boden des Bohrlochs ausgehen und sich von dorc
ausbreiten, um so viel Material wie möglich zu lösen. Dabei gibt es jedoch zwei Schwierigkeiten. Wenn das Material
gleichmäßig stark und fest ist und das Bohrloch ohne scharfkantigen Boden und Ecken hergestellt wird, an denen es zu
örtlichen Spannungsspitzen kommen könnte, dann werden Risse in zufälliger Verteilung im gesamten mit Druck beaufschlagten
Bereich des Lochs erzeugt. Diejenigen Risse, welche der Mündung des Lochs am nächsten liegen, können sich dann jedoch
am leichtesten fortpflanzen und ausbreiten, denn je dünner die Materialschicht zwischen dem Riß und der Mündung des
Lochs ist, desto geringere Kraft wird zur Verformung gebraucht. Im Ergebnis kann dann kein Abbruch in der ganzen
Tiefe des Bohrlochs erreicht werden.
Die vorstehende Schwierigkeit kann möglicherweise ^ wunden werden, indem der übergang zwischen dem Boden und
der Seitenwand des Bohrlochs so scharfkantig hergestellt wird, daß die dort entstehenden örtlichen Spannungsspitzen
Risse erzeugen, die dann durch weitere Druckbeaufschlagung
von dieser Zone aus vorgetrieben werden. Vorbedingung dafür ist jedoch, daß das Material im übrigen Bereich des Bohrlochs
homogen und gleichmäßig stark ist. Dies ist aber in der Praxis selten der Fall und vor allem nicht beim Brechen
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von Gestein, wo das Vorhandensein älterer Risse natürlichen
Ursprungs den angestrebten Vorgang stören.
Eine Möglichkeit, die zwei genannten Schwierigkeiten zu vermeiden, besteht darin, das Rohr oder den Schlauch etwa bis
zur halben Tiefe in das Bohrloch einzustecken. Dadurch werden
die Risse und Brüche in der Nähe des Bodens des Lochs gefördert,
da die Flüssigkeit umkehren und einen Strömungswiderstand
überwinden muß, bevor sie Risse erreicht, die außerhalb der Rohrmündung liegen.
Das zuletzt erwähnte Verfahren ist beispielhaft in Fig. 2
dargestellt, wobei zur Einfassung der Flüssigkeitssäule
diesmal ein flexibles Rohr bzw. ein flexibler Schlauch 19
Verwendung findet. Auch in diesem Fall findet die übertragung
der Energie in Form von Stoßwellen statt, die sich durch die stationäre Flüssigkeitssäule fortpflanzen.Letztere
kann dabei im Bereich zwischen der Schlageinrichtung und
dem Bohrloch im wesentlichen beliebig gerichtet sein, vorausgesetzt,
daß keine allzu scharfen Krümmungen Verluste
verursachen. Ebenfalls zur Vermeidung von Verlusten sollte
die Flüssigkeitssäule keine plötzlichen Querschnittsänderungen aufweisen. Bei der Auslegung der Vorrichtungen nach
Fig. 1 oder 2 sollte schließlich auch die Zeit berücksichtigt
werden, während welcher die durch den Schlagkolben 11
erzeugte Stoßwelle auf das Bohrloch 14 einwirken muß, um
Risse zu erzeugen und gegen eine freie Oberfläche hin vorzutreiben, so daß ein vollständiges Lösen eintritt. Diese
Zeitdauer kann beeinflußt werden durch geeignete Wahl des
Gewichts des Kolbens 11, der Wassermenge in der Säule,
der Elastizität des Materials des Rohrs oder Schläuche und der Aufprallgeschwindigkeit des Kolbens 11 auf die
Wassersäule. In der Praxis wird man die am besten geeigneten
Werte für die genannten Faktoren experimentell ermitteln,
um verschiedene Materialien zu brechen,
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Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen kann das Material des Schlagkolbens frei gewählt werden. Infrage
kommen z.B. Stahl, Gummi, Kunststoff, Holz und Wasser. Weiterhin muß die Tiefe des Bohrlochs 14 und der Abstand
zwischen dem Loch und einer freiliegenden Gesteinsfläche
beim Strossenabbau so gewählt werden, daß die durch die Stoßwelle auf das Bohrloch übertragene Energie ausreicht,
in der gewünschten Weise Risse zu erzeugen und bis zur nächsten freien Gesteinsfläche vorzutreiben. Dies gilt
gleichermaßen bei krater- bzw. trichterförmiger Abbauweise.
Die Form des Bohrlochs beeinflußt das Ergebnis in der Weise, daß Risse vornehmlich dort entstehen, wo es infolge der
Gestalt des Lochs zu Spannungskonzentrationen kommt.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung. Hierbei dient eine insgesamt mit 3o bezeichnete Einrichtung zur Beschleunigung eines Flüssigkeitskörpers
bzw. Flüssigkeitskolbens 31 in Richtung auf eine im Bohrloch 14 stehende Flüssigkeitssäule. Letztere
wird in einem Rohr oder Schlauch 35 gehalten und reicht vom Boden des Lochs 14 bis zu einem Entlüftungsloch 36 im
Schlauch 35. Der Flüssigkeitskolben 31 besteht im Beispielsfall aus Wasser. Es können aber auch andere Flüssigkeiten
benutzt werden. Das Wasser wird durch einen Kanal 34 eingefüllt. Durch Umstellung eines Ventils 33 kommt ein in einer
Kammer 32 unter Druck gehaltenes Druckgas zur Wirkung auf den Flüssigkeitskolben 31, so daß dieser zur Flüssigkeitssäule
12 hin beschleunigt wird. Wenn er dort auftrifft,
wird eine Stoßwelle erzeugt, die über die Flüssigkeitssäule 12 in das Bohrloch 14 gelangt. Das in Fig. 3 gezeigte
gekrümmte Rohr 35 bzw. ein entsprechender Schlauch könnte natürlich auch gemäß Fig. 1 gerade sein. Wenn der Schlauch
gekrümmt ist, muß das in das Bohrloch eingesteckte Ende
verankert werden, um die während der Beschleunigung des
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Kolbens 31 auftretenden Massenkräfte aufzufangen. Die erforderliche
Verankerung kann z.B. dadurch erhalten werden, daß das vordere Ende des Schläuche an einem herkömmlichen
hydraulisch bewegten Auslegerarm befestigt wird. Der Schlauch
wird dabei in der Weise am Ausleger montiert, daß er um diejenige
Länge Über das Ende des Auslegers herausragt, mit welcher er in das Bohrloch 14 eingesteckt wird. Der Ausleger wird dann mit ausreichender Kraft gegen die Gesteinsoberfläche angedrückt, um die während der Beschleunigung
des Flüssigkeitskolbens auftretenden Reaktionskräfte aufnehmen zu können.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die durch den
Schlagkolben 11 erzeugte Energie der Stoßwelle auch zum Zünden einer Sprengladung im Bohrloch 14 benutzt werden.
Hierzu wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Danach ist eine Sprengladung 2o in das Loch 14 eingesetzt worden, bevor das
Rohr 13 mit Flüssigkeit gefüllt wurde. In diesem Fall ist
die kleinste brauchbare Länge des Kolbens durch die Zeitdauer bestimmt, während welcher der zum Zünden der Sprengladung
erforderliche Druck auf diese einwirken muß, um sie zur Detonation zu bringen. Selbstverständlich können
auch die Vorrichtungen nach Fig. 2 oder 3 benutzt werden, um eine Sprengladung im Loch 14 zu zünden. Das Einbringen
des Sprengstoffs in das Loch kann in irgendeiner geeigneten
Weise geschehen. Es besteht z.B. auch die Möglichkeit, die Beschleunigungseinrichtung 1o, 3o so auszubilden, daß der
Sprengstoff über eine nicht gezeigte Zufuhrleitung in das
Rohr 13 bzw. 19 bzw. 35 eingeführt wird, um dann mittels eines durch den Kanal 23 bzw. 34 eingeleiteten Fluids in
das Loch 14 transportiert zu werden.
Bei der Explosion der Sprengladung bildet die Flüssigkeitssäule
12 einen Stopfen bzw. Stöpsel, der das Loch 14 nach außen abdichtet. Da auf diese Weise weder Sprenggase noch
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Sprengstoff aus dem Bohrloch gelangen können, wird die bestmögliche
Sprengwirkung erreicht. Durch die Detonation entsteht im Rohr 13 eine Druck-Rückschlagwelle. Das Rohr muß
deshalb stark genug dimensioniert werden, um dem dann entstehenden
Druckanstieg widerstehen zu können.
Die im Bohrloch freigesetzte und für das Aufbrechen des Materials benutzte Energie setzt sich aus zwei Komponenten
zusammen, nämlich der chemischen Energie des Sprengstoffs und der Energie der Stoßwelle. Die letztere ist ein wertvoller
zusätzlicher Energiebeitrag zum Sprengvorgang mit der Folge, daß die Sprengstoffmenge im Vergleich zu herkömmlichen
Sprengungen verringert werden kann. Außerdem ergibt sich insgesamt eine bessere Sprengwirkung, da der Verschlußstopfen
im Bohrloch eine Flüssigkeit ist, welche die erzeugten Risse füllt und die Leckage der Sprenggase an die
Umgebung verzögert, bis der Bruch vollendet ist.
Fig. 5 zeigt eine Ausführung des Rohrs 13 bzw. des Schlauche
2o, mit der eine gerichtete Brechwirkung erzielt werden kann. Dieses Verfahren kann z.B. beim Strossenabbau mit
Vorteil angewendet werden, wobei der Bruch zu einer freien seitlichen Oberfläche 25 hin erfolgt. Die Richtwirkung wird
dadurch erreicht, daß das Rohr 13 am vorderen Ende teilweise seitlich ausgeschnitten ist, so daß eine seitliche Auslaßöffnung
21 gebildet wird. Die der öffnung 21 gegenüberliegende Seite des Rohrs 13 ist als Umlenkschaufel 22 ausgebildet.
Die erfindungsgemäß erzeugten Risse entstehen bei dieser Ausführung
vornehmlich in der Richtung der seitlichen öffnung Diese ist somit zu derjenigen freien Gesteinsfläche hin zu
richten, in welche der Bruch stattfinden soll. Auf diese Weise wird eine bessere Ausnutzung der Energie der Stoßwelle
erreicht. Die Vorrichtung nach Fig. 5 kann auch zum Brechen von Erz benutzt werden, das in verhältnismäßig dünnen
Schichten liegt. In diesem Fall werden Langlöcher parallel
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zur freien Oberfläche 25 von Querschnitten gebohrt. Das Rohr 13 wird sukzessive schrittweise in das Langloch eingeführt
und nach jedem Schritt ein Bruch erzeugt.
Fig. 6 zeigt eine alternative Ausführung der Vorrichtung nach Fig. 5/ womit gleichfalls ein zu einer freien Fläche 25 hin
gerichteter Bruch erzeugt werden kann. In diesem Fall ist statt der gemäß Fig. 5 mit dem Rohr 13 verbundenen Umlenkschaufel
22 ein separater Umlenkkörper 24 vorgesehen, der vor dem Rohr 13 in das Loch eingeführt wird.
Die Vorrichtung nach Fig. 5 kann in verschiedener Weise modifiziert
werden, um eine gerichtete Brechwirkung zu erzielen. Indem die Umlenkschaufel 22 weggelassen wird, entstehen
Risse vornehmlich in Richtung nach unten und in Richtung der seitlichen öffnung 21. Wenn mehrere öffnungen am Umfang
des Rohrs 31 angeordnet werden, kann eine Brechwirkung in einer beliebigen Zahl von Richtungen erzielt werden.
Die Erfindung kann mit Vorteil auch beim sog. Intervallbrechen
angewendet werden, wo mehrere Löcher nacheinander mit kurzem Zeitintervall aufgesprengt werden. Das optimale
Zeitintervall zwischen zwei nacheinander aufzusprengenden Löchern ist, wenn man die beste Zerkleinerung des Gesteins
im Sinn hat, unmittelbar proportional der Vorgabe. Indem mit einer gemeinsamen Schlageinrichtung für eine Vielzahl
von Löcherngearbeitet wird, kann durch unterschiedliche Längen der Flüssigkeitssäulen zwischen der Schlageinrichtung
und den Löchern erreicht werden, daß die beim Auftreffen
des Schlagkolbens auf die Flüssigkeit erzeugten Stoßwellen unterschiedliche Zeiten für den Weg bis zum jeweiligen
Bohrloch brauchen.
Fig. 7 bis 9 zeigen eine Vorrichtung zum Aufbrechen einer
Vielzahl von Bohrlöchern mit Zeitintervall. Gemäß Fig. 7 sind sechs vorgebohrte Sacklöcher 4o - 45 vorgesehen.
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Schläuche oder Rohre 46-53 sind in diese Löcher eingesteckt. Sämtliche Rohre vereinigen sich in einer Verzweigung
37, die sich zwischen den Einzelrohren und der gemeinsamen Schlageinrichtung 1o befindet. Die Rohre bzw. Schläuche
zwischen der Verzweigung und den Löchern 4o und 41 haben im Beispielsfall dieselbe Länge, wobei in diesem Fall die gewünschte
Zeitverzögerung der Sprengung des einen gegenüber der des anderen Lochs durch geeignete Wahl des Materials
der Leitungen zwischen der Schlageinrichtung und den Bohrlöchern gewonnen wird. In einem vollständig unnachgiebigen
Rohr pflanzt sich eine Stoßwelle mit der spezifischen Schallgeschwindigkeit des Fluids im Rohr fort. Wenn dagegen
das Rohr oder ein Schlauch radial nachgiebig ist, erhält man eine niedrigere Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Stoßwelle.
Diese Geschwindigkeit wird natürlich desto geringer, je elastischer das Material ist. Es besteht weiterhin die
Möglichkeit, die Geschwindigkeit der Stoßwelle dadurch zu beeinflussen, daß das Rohr oder der Schlauch in Längsrichtung
aus unterschiedlichen Materialien besteht und die Rohre bzw. Schläuche zu zwei nacheinander aufzusprengenden
Bohrlöchern bei gleicher Gesamtlänge unterschiedliche Teillängen der verschiedenen Materialbereiche haben. Im Beispielsfall
besteht der näher zur Verzweigung liegende Bereich 46, 48 der betreffenden Schläuche aus einem elastischen
Material, wie z.B. Gummi oder Kunststoff, und der andere Bereich 47, 49 besteht aus einem im wesentlichen
unelastischen Material, wie z.B. Stahl. Wie in Fig. 7 gezeigt, ist der Bereich 46 länger als der Bereich 48.
Die Schläuche 5o - 53 zeigen, wie das vorbestimmte Zeitintervall durch unterschiedliche Schlauchlängen erzielt
werden kann. Die Schlauchlänge vergrößert sich von Loch zu Loch in der Weise, daß der Schlauch 5o der kürzeste
und der Schlauch 53 der längste ist. Fig. 8 und 9 zeigen, daß der innere Querschnitt 38 jedes Kanals in der Ver-
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-Jit -
zweigung 37 die gleiche Größe hat wie der innere Querschnitt 39 der Schläuche 5o - 53. Wenn der Querschnitt auf der gesamten Länge zwischen der Schlageinrichtung und den Bohrlöchern konstant ist, wird ein Einfluß von Querschnittsänderungen auf die gewünschte relative Zeitverzögerung ausgeschaltet .
Die Tatsache, daß der Schlagkolben 11 bzw. 13 bei den dargestellten Ausführungsbeispielen unmittelbar auf die Oberfläche der Flüssigkeitssäule aufschlägt, schließt natürlich
die Möglichkeit nicht aus, die Flüssigkeitssäule einzukapseln. Außerdem kann die Flüssigkeitssäule durch einen ■"
Kunststoffstopfen, eine Membran o.dgl. begrenzt werden. Die
Fluidsäule braucht nicht unbedingt aus einem einzigen Stoff
zu bestehen, sondern kann aus mehreren Stoffen zusammengesetzt
sein.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Stoßwelle durch mechanische Stöße gegen die Flüssigkeitssäule
erzeugt. Wenn es sich jedoch als geeignet erweist, kann die
Stoßwelle auch in anderer Weise erzeugt werden, z.B. durch Funkenentladung in der Flüssigkeitssäule mittels in einem
Kondensator gesammelter elektrischer Energie oder durch
Explosion einer Sprengladung in der Flüssigkeitssäule.
Es sind mehrere Versuche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ausgeführt worden. In einem Versuch wurde eine Vorrichtung
gemäß Fig»'T benutzt. Der Durchmesser des Rohrs 13 betrug
32 mm. Es wurde ein 2oo mm tiefes Loch senkrecht in den Boden gebohrt. Die Länge der Wassersäule 12 betrug ungefähr
einen Meter. Es wurde ein Stahlkolben 11 gegen die Wassersäule
12 beschleudert. Es wurde kraterförmig gesprengt, und die Risse wurden am Boden des Lochs erzeugt.
Patentansprüche / 7098 U/0255
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Claims (18)
1. Verfahren zum Brechen von hartem Material, wie z.B.
Gestein, wobei wenigstens ein Loch vorgebohrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch mit
einem verhältnismäßig inkompressiblen Fluid, wie z.B. Wasser, gefüllt wird und in einer Fluidsäule, deren Länge größer ist
als die Lochtiefe, außerhalb des Lochs eine Stoßwelle erzeugt
wird, welche durch die Fluidsäule hindurch auf das mit Fluid gefüllte Loch übertragen wird und ausreichend
stark bemessen ist, um Risse im Material zu erzeugen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stoßwelle durch den Aufschlag
eines auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigten
Körpers unmittelbar auf die Fluidsäule erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k
e η η ζ eich η e t , daß der Schlagkörper über einen
Kunststoffstopfen, eine Membran o.dgl, auf die Flüssigkeitssäule einwirkt.
4* Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, d a d. u r cn
g e k e η η ζ e lehnet, daß die Fluidsäule in einem
Rohr gehalten wird, welches koaxial zum Loch ausgerichtet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d
u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Fluidsäule
in einem flexiblen Schlauch gehalten wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Stoßwelle
in dem Loch ganz oder teilweise gegen die Seitenwand des Lochs gerichtet wird.
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- ■ ' ÖRSaiNÄL !NSPECTED
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7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stoßwelle
über eine sich verzweigende Flüssigkeitssäule, deren Zweige unterschiedlich lang sind, in eine Mehrzahl von Löchern geleitet
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stoßwelle
über eine sich verzweigende Flüssigkeitssäule, deren Zweige in Rohren oder Schläuchen aus Material mit unterschiedlicher
radialer Elastizität gehalten werden, in eine Mehrzahl von Bohrlöchern geleitet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in kurzer
Folge hintereinander mehrere Stoßwellen erzeugt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Stoßwelle
eine im Bohrloch angebrachte Sprengladung gezündet wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 1o, gekennzeichnet durch ein in das Loch (14) einführbares Rohr (13) oder einen
Schlauch (19; 35), dessen Länge größer ist als die Lochtiefe, Anschlußleitungen (23; 34) zum Füllen des Lochs (14) mit
einem verhältnismäßig inkompressiblen Fluid, wie z.B. Wasser, und zur Erzeugung einer aus dem Loch herausreichenden Fluidsäule
(12) im Rohr bzw. Schlauch und eine Schlageinrichtung (1o; 3o), welche auf das hintere Ende der Fluidsäule (12)
wirkt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet
, daß die Schlageinrichtung (1o; 3o)
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einen unmittelbar auf die Fluidsäule (12) wirkenden Schlagkolben (11) aufweist*
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schlagkolben (31) aus einem Fluid besteht.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß sich am vorderen Ende des Rohrs (13) ein Umlenkkörper (22; 24) befindet,
durch welchen die Richtung der Stoßwelle gegen die Seitenwand des Lochs umlenkbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet
, daß das Rohr (13) und der Umlenkkörper (22) einstückig ausgebildet sind, wobei dem Umlenkkörper
(22) eine seitliche öffnung (21) diametral gegenüberliegt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 Us 15,
gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Rohren
bzw. Schläuchen (46 - 53), die sich von einer gemeinsamen Schlageinrichtung (1o) zu einer Mehrzahl von Löchern (4o - 45)
erstrecken.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch g e kennz eichnet, daß die Rohre bzw. Schläuche
(46 - 53) unterschiedliche Längen haben.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch g e kennzei
chnet, daß die Rohre bzw. Schläuche (46 - 53) unterschiedliche radiale Elastizität haben.
At 8771/14.9.1-76". 7098 U/0255
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