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. gestein

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DE2641426A1
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Atlas Copco AB
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    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D1/00—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor
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    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
    • E21C37/00—Other methods or devices for dislodging with or without loading
    • E21C37/06—Other methods or devices for dislodging with or without loading by making use of hydraulic or pneumatic pressure in a borehole
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

Patentanwälte
Dipl.-Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem
Frankfurt am Main Staufenstrasse
In Sachen:
Atlas Copco Aktiebolag
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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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.
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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
Pmax - Y j> 2 C2 / L1 S 1 ' L2 S 2
/ 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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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)

Patentansprüche
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.
709814/0255
- ■ ' ÖRSaiNÄL !NSPECTED
At 8771/14.9.1976
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)
709814/0255
At 8771/14.9.1976
- ys -
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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