DE2641453C3

DE2641453C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Brechen von Gestein

Info

Publication number: DE2641453C3
Application number: DE2641453A
Authority: DE
Inventors: Erik Volmar Saltsjoe-Boo Lavon
Original assignee: Atlas Copco AB
Current assignee: Atlas Copco AB
Priority date: 1975-09-19
Filing date: 1976-09-15
Publication date: 1985-02-07
Also published as: JPS5263101A; US4123108A; BE846166A; NO142926C; SU934915A3; FR2326567B1; FR2326567A1; ATA691676A; AU1786576A; JPS6015800B2; BR7606186A; ZA765371B; NO763009L; IT1073734B; SE395503B; IN145606B; AT348465B; DE2641453A1; CA1090378A; NL7610365A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung zum Brechen von Gestein, wobei ein Loch in das Gestein gebohrt und durch ein Rohr oder einen Schlauch ein verhältnismäßig inkompressibles Fluid, insbesondere Wasser, in das Bohrloch eingeführt wird, um Druck auf das Gestein auszuüben.

Die herkömmlichen Verfahren zum Brechen und Abbauen von Gestein haben mehrere Nachteile. Wenn das Gestein gebohrt und gesprengt wird, entstehen Lärm, Gase, Staub und umhergeschleuderte Gesteinsbrocken, so daß in bestimmten Arbeitsphasen Menschen und Maschinen aus dem Arbeitsbereich zurückgezogen werden müssen. Andererseits bedingen schlagende und mahlende Abbauverfahren sehr große Kräfte, und es muß dabei mit einem beträchtlichen Werkzeugver schleiß gerechnet werden.

Während des letzten Jahrzehnts wurden deshalb Versuche unternommen, im Tunnelbau sowie bei der Gewinnung von Mineralien und ähnlichen Arbeitsvor gängen die Bohr- und Sprengtechnik zu ersetzen. Eine in diesem Zusammenhang bekanntgewordene neue Technik verwendet Wasser- oder andere Fiüssigkeits- strahlen, die mit sehr hoher Geschwindigkeit gegen den zu brechende Fels oder das Erz gerichtet werden. In diesem Zusammenhang wurden zahlreiche Vorrichtungen vorgeschlagen, welche derartige Flüssigkeitsstrahlen pulsierend mit so großer Geschwindigkeit erzeugen, daß selbst das härteste Felsgestein gebrochen wird Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise in den US-Patentschriften 35 21 820, 37 84 103 und 37 96 371 beschrieben. Bei hartem Gestein beträgt dabei die Geschwindigkeit der Flüssigkeitssirahlen etwa 2000-3000 m/s bei einem Strahldurchmesser von

weniger als 10 mm. Bisher sind jedoch die Schneidverfahren, weiche mit derartigen Flüssigkeitsstrahlen arbeiten, nicht in der Lage gewesen, mit den herkömmlichen Verfahren zum Brechen des Gesteins, insbesondere der Bohr- und Sprengtechnik, im Hinblick auf die Vortriebsgeschwindigkeii, ata Energieverbrauch und die Gesamtkosten zu konkurrieren. Außerdem sind die Schneidstrahlverfahren noch mit schwierigen technischen Problemen wie beispielsweiie der Materialermüdung bei Drücken von 10-20 kbar und darüber und extremer Lärmerzeugung behaftet.

Eine weitere und sogar ältere Technik zum Brechen von Gestein ist beim Abbau von weichen Rohstoffen wie beispielsweise Kohle bekanntgeworden (vgl. z. B. DE-PS 2 41966, DE-AS 15 33 680, DE-AS 12 57 079). Bei diesem Verfahren wird in ein vorgebohrtes Loch im Abhauort über ein angeschlossenes Rohr oder einen Schlauch Wasser eingefüllt, um das angrenzende Material mit Wasser zu sättigen, bis die Poren in der Lochwand im wesentlichen mit Wasser gefüllt sind. Anschließend wird die Wasserzufuhr zu dem Bohrloch schrittweise verstärkt. Das Material kann die plötzlich vergrößerte Wassermenge nicht aufnehmen, und dadurch entsteht im Bohrloch eine Brechkraft, die den Materialverband auflockert Da jedoch die auf diese Weise erhaltenen Brechkräfte nur verhältnismäßig klein sind, eignet sich das Verfahren auch nur für weiches Material wie beispielsweise Kohle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Brechen von Gestein zu schaffen, d*s nicht auf weiche Materialien beschränkt ist und dennoch bei geringem Energieverbrauch, vergleichsweise niedrigen Gesamtkosten und begrenzter Lärmerzeugung bezüglich der Vortriebsgeschwindigkeit mit dem herkömmlichen Bohr- und Sprengverfahren zu konkurrieren vermag.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Fluid in das Bohrloch in Form einer dessen Querschnitt entsprechenden Säule geschossen wird, wobei der das Gestein brechende Druck im Bohrloch allein durch den Aufprall der Flüssigkeitssäule erzeugt wird.

Unter dem Begriff »verhältnismäßig inkompressibles Fluid« wird in diesem Zusammenhang ein Stoff verstanden, der ohne wesentliche Änderung seines Volumens seine Form entsprechend jeder auf ihn einwirkenden Kraft ändert, fließfähig ist oder sich der Wandung in seinem Behälter anpaßt. Hierzu gehören insbesondere Flüssigkeiten und fließfähige Kunststoffe, ebenso aber auch Mischungen aus Feststoffen, sofern sie fließfähig sind. Als Beispiele seien besonders Wasser und Plastilin erwähnt.

Im Unterschied zu den bei dem bekannten Schneidstrahlverfahren zur Anwendung kommenden Flüssigkeitsstrahlen hat die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in das Bohrloch geschossene Flüssigkeitssäule einen wesentlich größeren Durchmesser bei gleichzeitig wesentlich geringerer Einschußgeschwindigkeit, die vorzugsweise 100 —300 m/s beträgt. Wenn die Flüssigkeitssäule auf eine Oberfläche im Bohrloch auftrifft, beispielsweise auf den Boden einer Sackbohrung, wird die in der Flüssigkeitssäule enthaltene Energie in Druck überführt, und der Druckaufbau beginnt an der Auftreffstelle. Dieser Druck wird infolge des nachdringenden Teils der Flüssigkeitssäule um ein Vielfaches größer sein als der beim Auftreflen entstehende Druck eines noch so schnellen dünnen Flüssigkeitsstrahls, und die von ihm erzeugten Risse werden, da sich der Druck an der Auftreffstelle aufbaut, auch von dieser Stelle ausgehen, was von großem Vorteil ist Folglich besteht keine Gefahr, daß das s Brechen des Gesteins an der Bohrlochmündung beginnt und das Gestein in der Tiefe des Bohrlochs ungebrochen bleibt.

Ausgehend von einer bekannten Vorrichtung zur

Durchführung des Schneidstrahlverfahrens, die aus

ίο einem von dem inkompressiblen Fluid auffüllbaren langgestreckten Hohlraum mit einer zum Bohrloch führenden vorderen Mündung und einer mit einem Treibgas aufladbaren Treibkammer besteht, deren Energie auf das hintere Ende des im Hohlraum enthaltenen Fluids überrührbar ist, zeichnet sich eine Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens erfindungsgemäß dadurch aus, daß der Hohlraum von dem hinteren Ende mit seiner vorderen Mündung durch eine Stelleinrichtung gegen eine oder mehrere das Bohrloch begrenzende Flächen anstellbaren Rohres oder Schlauches gebildet ist und daß eine Ventileinrichtung vorgesehen ist, durch welche die Treibkammer mit dem hinteren Ende des im Hohlraum enthaltenen Fluidkolbens verbindbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich somit von der bekannten Vorrichtung zur Durchführung des Schneidstrahlverfahrens dadurch, daß der die Fluidsäule bildende Fluidkolben innerhalb des Hohlraums bereits vor seiner Beschleunigung die Querschnittsform aufweist, mit welcher er in das Bohrloch geschossen wird, und das Treibgas unmittelbar auf das hintere Ende des Fluidkolbens, allenfalls durch eine die Fluidsäule am hinteren Ende abschließende Scheibe getrennt, wirkt, ohne daß erst ein besonderer Schlagkolben beschleunigt werden muß.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 1, F i g. 3 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig.4 und 5 alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung, um den im Gestein zu erzeugenden Rissen eine bestimmte Richtung zu geben,

Fig.6 eine vereinfachte Seitenansicht eines Fahrzeugs, welches mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstet ist,

F i g. 7 eine Rückansicht des Fahrzeugs nach F i g. 6 und F i g. 8 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß zu verwendenden Geschosses.

In den Zeichnungsfiguren sind übereinstimmende Einzelheiten mit denselben Bezugszeichen versehen. In F i g. 1 und 2 ist ein insgesamt mit 10 bezeichneter Schußapparat dargestellt, mit dem ein Fluid in Form eines länglichen, zusammenhängenden Körpers, nachstehend der Einfachheit halber als Fluidkolben 11 to bezeichnet, in ein vorgebohrtes, zylindrisches Sackloch 12 geschossen wird. Dieses Loch kann in herkömmlicher Bohrtechnik hergestellt werden. Im Ausführungsbeispiel besteht der Fluidkolben aus Wasser, es können jedoch auch andere Arten von Fluiden benutzt werden. ·>■> Der Schußapparat 10 besteht aus einem Rohr 13, welches auf das Loch 12 ausgerichtet wird, wobei die Mündung des Rohrs unmittelbar vor die Öffnung des Lochs gebracht wird. In das hintere Ende des

Schußapparats IO ist ein Kopfstück 14 eingeschraubt, durch welches sich ein Kanal 15 erstreckt, über den das Fluid in das Rohr 13 eingeführt wird. Ein Rückschlagventil 15' im Kanal 15 verhindert, daß das Fluid wieder aus dem Rohr 13 ausfließt. Der hintere Bereich des Rohrs 13 ist von einer Treibkammer 16 umgeben, die mit einem Treibfluid, z. B. Druckluft oder einem anderen Druckgas, beaufschlagt werden kann, mittels dessen der Fluidkolben 11 beschleunigt wird. Gemäß Fig. 1 und 2 trennt eine Scheibe 21 das Treibgas und den Fluidkolben 11. Die Scheibe hat den Zweck, den Fluidkolben während seiner Beaufschlagung mit dem Treibgas in seiner Gestalt zu erhalten, denn es könnte sonst vorkommen, daß sich am Fluidkolben sog. Finger ausbilden, wenn Druckluft unmittelbar auf die Fluidoberfläche wirkt. Die Scheibe 21 kann in das Rohr 13 eingesetzt werden, nachdem das Kopfstück 14 abgeschraubt worden ist. Danach wird dann das Fluid durch den Kanal 15 und ein Loch in der Scheibe 21, welches konzentrisch zum Kanal 15 liegt, in das Rohr 13 eingeleitet. Alternativ könnte die Scheibe 21 auch ohne Loch ausgeführt sein. In diesem Fall wird das Fluid über eine nicht gezeigte Leitung, die sich mit Bezug auf das Rohr 13 radial erstreckt, eingeführt. Unter bestimmten Umständen kann die Scheibe 21 auch entfallen. Indem dem Fluidkolben eine genügende Länge gegeben und die Zufuhr von Druckluft in geeigneter Weise mittels eines Schiebers 17 gesteuert wird, ist es möglich, die Erstreckung der genannten Finger so in Grenzen zu halten, daß der Fluidkolben auch ohne die Scheibe 21 beschleunigt werden kann. Der Schieber 17 wird durch Druckluft umgesteuert, die hierzu wahlweise durch einen von zwei Kanälen 18,19 zugeführt wird. Wenn der Schieber 17 aus der Position nach F i g. 2 zurückgeschoben wird, wirkt das Druckgas in der Treibkammer 16 über die Scheibe 21 auf die hintere Stirnfläche des Fluidkolbens 11, so daß dieser beschleunigt wird. Die Beschleunigung des Fluidkolbens 11 setzt sich während dessen Transports durch das Rohr 13 fort, da das Druckgas in der Treibkammer 16 so weit expandiert Nachdem der beschleunigte Fluidkolben das Rohr 13 verlassen hat, tritt er in das Bohrloch 12 ein. Das Luftvolumen im Rohr 13 vor dem Fluidkolben 11 wird durch den Spalt zwischen dem Rohr 13 und der Gesteinsoberfläche entlüftet.

Wenn der Fluidkolben auf den Grund des Bohrlochs auftrifft, wird in dem Kolben augenblicklich ein sehr hoher Druck erzeugt. Bei idealen Fließbedingungen beträgt dieser sog. Flüssigkeits-Aufpralldruck

P=QCV

wobei bedeuten

Q die Dichte des Fluids, c die Schallgeschwindigkeit im Fluid und ν die Geschwindigkeit des Fluids im Moment des Aufpralls auf den Boden des Bohrlochs.

Dieser Druck wirki auf den Hoden und die Mantelfläche des Lochs, und wenn er den eindimensionalen Grenzwert der Zugfestigkeit des Materials übersteigt, entstehen Risse in diesen Flächen. Die Risse setzen sich weiter fort, wenn das Fluid dazu gebracht wird, bei weiterer Druckbeaufschlagung in die Risse einzudringen und diese auszufüllen. Die kinetische Energie des Fluidkolbens wird dabei allmählich verbraucht, es wird jedoch für das weitere Vorantreiben der Risse ein zunehmend niedrigerer Druck gebraucht, da sich die Fläche der Risse, auf welche der Druck wirkt. vergrößert. Das Gestein bricht dann los, wenn wenigstens drei Risse bis an eine freie Oberfläche des Materials gelangt sind.

Um zum Abbrechen des Materials zu kommen, ist es s deshalb notwendig, im Bohrloch einen ausreichend hohen Druck zu erzeugen, d. h. mit einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit des Fluidkolbens zu arbeiten. Andererseits muß eine ausreichend große Menge des Fluids vorhanden sein, um eine genügend große Zahl

ίο von Rissen bis zur freien Oberfläche zu erzeugen, zu der hin ausgebrochen werden soll. Da der Durchmesser des Fluidkolbens vorzugsweise im wesentlichen derselbe ist wie der des Bohrlochs, bedeutet die letztgenannte Forderung, daß die Länge des Fluidkolbens einen bestimmten Grenzwert übersteigen muß, der von der Tiefe des Lochs, der Vorgabe und dem gegenseitigen Abstand zwischen den Bohrlöchern abhängt.

Die kinetische Energie des Fluidkolbens läßt sich darstellen durch die Formel

E =

Flov

wobei

ρ die Dichte des Fluidkolbens, F dessen Querschnittsfläche und / dessen Länge und ν seine Geschwindigkeit bedeuten.

Die Bedingungen für ein vollständiges Ablösen bzw.

den Abbruch von Material lassen sich somit festlegen durch die Forderung einer bestimmten Geschwindigkeit und einer bestimmten kinetischen Energie des Fluidkolbens. Um die Bedeutung einer großen Masse des Fluidkolbens zu betonen, kann die Bedingung für das vollständige Abbrechen des Materials auch dadurch zum Ausdruck gebracht werden, daß neben der notwendigen Geschwindigkeit ein bestimmter Impuls, d. h. das Produkt aus der Masse des Fluidkolbens und seiner Geschwindigkeit, gefordert wird.

In der Praxis werden der erforderliche Druck in dem Bohrloch und die notwendige Energie durch verschiedene andere Faktoren beeinflußt. Der erforderliche Druck wird in der Regel durch das Vorhandensein natürlicher

Risse im Material verringert, während gleichzeitig eine größere Fluidmenge, d. h. eine größere Energiemenge, zugeführt werden muß, um die Leckage durch diese natürlichen Risse auszugleichen. Außerdem sind desto höhere Drücke und größere

so Energien notwendig, je fester gebunden das Material ist.

So ist z. B. beim Abbrechen von Felsgestein in Form des

sog. Kratersprengens ein höherer Druck und größere

Energie erforderlich als bei der Strossensprengung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt, wenn

Fluidkolben aus Wasser benutet werden, deren Geschwindigkeit etwa zwischen 100 und 300 m/s, und die kinetische Energie der Fluidkolben beträgt etwa zwischen 500 und 20 000 Joule. Damit die Masse groß genug ist, wird die Länge des Fiuidkolbens vorzugswei-

W) se zwischen 0,2 und 2,0 m gewählt. Die optimale Länge hängt von solchen Faktoren, wie z. B. der Lochtiefe, dem Lochdurchmesser und der Vorgabe ab.

Bei der Anwendung der Erfindung in der Praxis ist es erwünscht, daß die Risse vom Grund des Bohrlochs

tiS ausgehen, damit so viel Material wie möglich gelöst wird. Dabei gibt es jedoch zwei Schwierigkeiten. Wenn das Material gleichmäßig fest ist und das Bohrloch ohne scharfkantigen Boden und Ecken ausgeführt ist. an

denen es zu örtlichen Spannungsspitzen kommt, dann entstehen die Risse in zufälliger Verteilung über die gesamte mit Druck beaufschlagte Fläche im Loch. Die der öffnung des Lochs nächstliegenden Risse können sich aber danach am leichtesten ausbreiten und erweitern, denn je dünner die Materialschicht zwischen dem Riß und der öffnung des Lochs ist, desto geringere Kräfte sind für die Verformung erforderlich. Das Ergebnis ist, daß ein Abbruch in voller Tiefe des Bohrlochs praktisch nicht erreicht wird.

Diese Schwierigkeit könnte möglicherweise dadurch überwunden werden, daß der Übergang zwischen dem Boden und den Seitenflächen des Lochs so scharf gemacht wird, daß dort örtliche Spannungsspitzen auftreten und deshalb bei Druckbcaufschlagung von dort aus die Risse ausgehen. Vorbedingung dafür ist jedoch, daß das Material über die übrige Länge des Bohrlochs gleichmäßig fest ist. Das ist aber in der Praxis selten der Fall und vor allem nicht beim Absprengen von Gestein, wo ältere, natürliche Risse den Arbeitsvorgang stören.

Eine Möglichkeit zur Vermeidung der beiden genannten Schwierigkeiten besteht darin, das Rohr wenigstens bis etwa zur halben Tiefe des Bohrlochs in dieses einzuführen. Dadurch wird die Entstehung und Ausbreitung der Risse in der Nähe des Bohrlochbodens gefördert, da das Fluid dort umkehren und einen Strömungswiderstand überwinden muß, bevor es die Risse erreicht, welche sich außerhalb der Mündung des Rohrs, befinden.

Das zuletzt genannte Arbeitsverfahren ist in F i g. 3 dargestellt, wobei die dort gezeigte Vorrichtung unabhängig von der Lage und Richtung des Bohrlochs 12 mit Bezug auf den Schußapparat 10 einsetzbar ist. Statt des in F i g. 1 und 2 gezeigten Rohrs 13 wird ein vorzugsweise flexibler Schlauch 20 benutzt. Im übrigen ist der Schußapparat 10 so, wie im Zusammenhang mit F i g. 2 beschrieben, ausgeführt. Der Schlauch 20 wird, wie gezeigt, in das Loch 12 eingesteckt. Der Fluidkolben 11 wird dann durch das Treibgas in der Treibkammer 16 beschleunigt und gegen den Boden des Bohrlochs geschossen. Das Luftvolumen im Schlauch zwischen dem Fluidkolben 11 in der Ausgangsstellung und dem Bohrloch wird durch eine Bohrung oder ein Loch 22 im Schlauch entlüftet. Alternativ kann auch durch den Ringspalt zwischen dem vorderen Ende des Schlauchs 20 und der Seitenwand des Bohrlochs entlüftet werden. Der Schlauch 20 hat in diesem Fall einen Außendurchmesser, der kleiner ist als der Lochdurchmesser. Außerdem werden zweckmäßigerweise wenigstens am vorderen Ende Zentrierfiansche am Schlauch angebracht: Zusätzlich zur Entlüftung durch den Ringspalt zwischen Schlauch und Bohrungswand könnten ein oder mehrere Entlüftungslöcher im Schlauch vorgesehen sein. Es könnte statt dessen auch nur mit derartigen Entlüftungslöchern gearbeitet werden. Schließlich kann zum Zweck der Entlüftung an der Bohrlochöffnung auch eine Saugeinrichtung angebracht sein, welche den Schlauch 20 umgibt.

Die axiale Lage des Schlauchs 20 im Loch 12 kann verändert werden. Die Mündung des Schlauchs 20 könnte auch dicht vor die öffnung des Bohrlochs gehalten werden. Umgekehrt könnte auch das Rohr 13 des Schußapparats 10 nach F i g. 1 in unterschiedliche Tiefe in ein Bohrloch 12 eingeführt werden. Auch in diesem Fall kann die Entlüftung wie im Zusammenhang mit F i g. 3 beschrieben, ausgeführt werden.

F i g. 4 zeigt eine Ausführung des Rohrs 13 (oder des Schlauchs 20), mit der Risse in einer bestimmten Richtung erhalten werden. Dieses Sprengverfahren ist insbesondere für den Strossenabbau geeignet, wobei die Risse zu einer freien Oberfläche 26 hin auftreten.
Gemäß Fig.4 ist das Rohr 13 am vorderen Ende teilweise seitlich ausgeschnitten, so daß eine zur Seite gerichtete Auslaßöffnung 23 gebildet wird. Die der öffnung 23 gegenüberliegende Seite des Rohrs 13 ist als Umlenkschaufel 24 ausgebildet. Entsprechend der

to Arbeitsweise, bei der das Rohr in das Bohrloch eingesteckt wird, entstehen Risse vornehmlich in derjenigen Richtung, in welche die Auslaßöffnung des Rohrs bzw. Schlauchs zeigt. Die Auslaßöffnung wird vorzugsweise zu derjenigen freien Oberfläche gerichtet, zu der hin der Bruch erfolgen soll. Dadurch wird die Energie des Fluidkolbens besser ausgenutzt.

F i g. 5 zeigt eine andere Ausführung, um eine gerichtete Brechwirkung zu erzielen. In diesem Fall ist die Umlenkschaufel nicht mit dem Rohr 13 verbunden, sondern ein Einzelteil 25, welches auf den Boden des Bohrlochs gesetzt wird.

Die Vorrichtung nach Fig.4 kann in verschiedener Weise abgewandelt werden, um die gewünschte Brechwirkung in einer bestimmten Richtung zu erzielen.

Wenn die Umlenkschaufel 24 weggelassen wird, entstehen in erster Linie Risse sowohl nach unten als auch zur Seite der öffnung 23 hin. Indem mehrere öffnungen am Umfang des Rohrs 13 angebracht werden, wird eine Brechwirkung in einer beliebigen Zahl von Richtungen erzielt.

Wenn verhältnismäßig leichtfließende Fluide benutzt werden, kann es manchmal schwierig sein zu gewährleisten, daß das Fluid ganz oder wenigstens zum größten Teil in Form eines Kolbens in das vorgebohrte Loch geschossen wird und in dieser Gestalt bis zu dessen Boden gelangt, insbesondere, wenn das Loch, gemessen an seinem Durchmesser, verhältnismäßig tief ist. F i g. 8 zeigt eine Ausführung eines Fluidkolbens, bei dem diese Schwierigkeit behoben ist. Das Fluid ist in einer Hülle 30 eingekapselt, die aus einem Material besteht, welches unter dem Druck, der im Fluidkolben beim Aufprall auf den Boden des Lochs entsteht, leicht platzt und zerreißt. Typische in Frage kommende Materialien sind Papier, Pappe und Kunststoff. In weiterer abgewandelter Ausführung kann der Fluidkolben auch mit einer hinteren Begrenzungsscheibe, wie in F i g. 1 und 2 gezeigt, und einer vorderen Scheibe versehen sein. Letztere dient dann bestimmungsgemäß dazu, die vordere Stirnfläche des Fluidkolbens in ihrer Form unverändert zu halten, um sicherzustellen, daß die erforderliche Schlagkraft erhalten wird, wenn der Fluidkolben auf den Boden des Bohrlochs auftrifft.

F i g. 6 und 7 zeigen in vereinfachter Darstellung ein fahrbares Gerät, welches die Vorrichtung nach F i g. 3 trägt. Das Gerät besteht aus einem Fahrgestell 61 mit Raupenketten 60. Dieses trägt einen zusammenlegbaren Ausleger 62, der in seitlicher Richtung und vertikal mit Bezug auf das Fahrgestell 61 verschwenkt werden kann. Der Ausleger 62 trägt an seinem freien Ende eine

bo Vorschublafette 63, an der eine Gesteinsbohrmaschine 64 verschieblich geführt ist. Die Gesteinsbohrmaschine wirkt schlagend auf ein rotierend angetriebenes Bohrgestänge 65.

Das Fahrgestell 61 trägt auch den Schußapparat 10.

b5 Der Schlauch 20 erstreckt sich längs des Auslegers 62 und ist mit diesem verbunden, um die während der Beschleunigung des Fluidkotbens im Schlauch auftretenden Massenkräfte aufzunehmen. Das vordere Ende des

Schlauchs 20 ist mit der Vorschublafette 63 verbunden, wobei der Schlauch um diejenige Länge über die Vorschublafette hinausragt, mit welcher er in das Bohrloch eingeführt werden soll. Die Vorschublafette wird mit einer Kraft, welche die Reaktionskraft auf den. Schlauch während des Hindurchschießens des Fluidkolbens übersteigt, gegen die Gesteinsoberfläche angedrückt. Der Andruck erfolgt über einen in der Zeichnung nicht gezeigten Sporn, welcher an einer Kolbenstange eines Hydraulikzylinders montiert ist.

Die Maschine nach F i g. 6 und 7 arbeitet wird folgt:

Zunächst wird mittels der Gesteinsbohrmaschine 64 ein Loch in das zu brechende Material gebohrt Dann wird mittels der aus dem Ausleger 62, der Vorschublafette 63 und den zugehörigen Hydraulikzylindern bestehenden Stelleinrichtung die Mündung des Schlauchs 20 gegen eine Fläche im Bohrloch gerichtet. Daraufhin wird durch den Schußapparat 10 ein Fluidkolben auf die zur Erzeugung von Rissen im Materia! erforderliche Geschwindigkeit beschleunigt und in das vorgebohrte Loch geschossen.

Die Maschine nach F i g. 6 und 7 kann natürlich auch zur Erzeugung einer gerichteten Brechwirkung gemäß Fi g. 4 und 5 verwendet werden. In diesem Fall kann die Umlenkschaufel 25 gemäß F i g. 5 an der Vorschublafette 63 in der Weise befestigt sein, daß sie gleichzeitig mit der Ausrichtung des Schlauchs 20 auf das Bohrloch in dieses eingeführt wird.

Mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wurden mehrere Versuche unternommen. Dabei konnte festgestellt werden, daß bei der Arbeitsweise mit gerichteter Brechwirkung gemäß Fig.4 und 5 der Druck in der Treibkammer 16 beträchtlich verringert werden konnte. Bei dem einen Versuch wurde eine Ausrüstung gemäß F i g. 1 und 5 benutzt, wobei die Länge des Rohrs 13 1200 mm betrug. Das Rohr 13 wurde im Winkel von etwa 45° aufwärts gegenüber einer horizontalen Ebene gegen ein Bohrloch 12 gerichtet, dessen Tiefe 160 mm und dessen Durchmesser 41mm betrug. Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Rohrs und dem des Lochs war 0,78. Es wurde im Strossenabbau mit einer Vorgabe von 250 mm abgesprengt mittels Wasserkolben von 500 mm Länge und einem Druck von 100 bar in der Treibkammer 16. Die oben beschriebene Theorie der Bedingungen, welche beim Brechen von Gestein erfüllt sein müssen, berücksichtigt nicht den Einfluß der Kompression des Luftvolumens zwischen dem Fluidkolben in der Ausgangsstellung und dem Grund des Bohrlochs.

ίο Untersuchungen des Drucks in Probebohrlöchern zeigen, daß eine mögliche Kompression des eingeschlossenen Luftvolumens den Vorgang des Brechens fördern kann, insbesondere im Hinblick auf die Entstehung von Rissen, von denen die Bräche ausgehen.

Die Kompressionswirkung wird geringer, je kleiner das Verhältnis der Querschnittsflächen des Fluidkolbens und des Bohrlochs ist

Es wurde gefunden, daß einwandfreie Brüche erhalten werden, wenn der Durchmesser des Quer- Schnitts des Fluidkolbens zwischen etwa 70 und 100% des Durchmessers des freien Lochquerschnitts beträgt Damit sind die Innendurchmesser des leeren Bohrlochs bzw. des Rohrs oder Schlauchs gemeint, sofern diese in das Loch eingeführt werden. Vorzugsweise sollte der Durchmesser des Fluidkolbens mehr als 90% des Durchmessers des freien Lochquerschnitts betragen, möglichst sogar im wesentlichen gleich diesem sein.

Die Erfindung kann vorzugsweise auch bei Abbauverfahren angewendet werden, wo mehrere Bohrlöcher mit kurzen Zeitintervallen aufgesprengt werden. Durch Veränderung der Länge des Schlauchs zwischen dem Schußapparat und den Löchern kann das gewünschte Zeitintervall erzeugt werden. Wo die Vorgabe zwischen 200 und 400 mm beträgt, kann ein geeignetes Zeitinter vall in der Größenordnung von 1 bis 2 Millisek. angenommen werden. Wenn die Geschwindigkeit eines Wasserkolbens 200 m/Sek. beträgt, bedeutet dies, daß sich die Längen der Schläuche jeweils um 0,2 bis 0,4 m unterscheiden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Verfahren zum Brechen von Gestein, wobei ein Loch in das Gestein gebohrt und durch ein Rohr s oder einen Schlauch ein verhiltnismlBig inkompressibles Fluid^ insbesondere Wasser, in das Bohrloch eingeführt wird, um Druck auf das Gestein auszuüben, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in das Bohrloch in Form einer dessen Querschnitt entsprechenden Säule geschossen wird, wobei der das Gestein brechende Druck im Bohrloch allein durch den Aufprall der Fluidsiule erzeugt wird.

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn· is zeichnet, duQ die Einschußgeschwindigkeit der Fluidsiule 100 bis 300 m/s betragt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidsiule aus dem nicht in das Bohrloch reichenden Rohr gegen den Boden des Bohrlochs geschossen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidsiule durch das Rohr bzw. den Schlauch, dessen vorderes Ende in das Bohrloch eingesteckt wird, in dieses hineingeschossen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidsäule im Bohrloch gegen dessen Seitenwand umgelenkt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidsäule mit einer Länge von 0,2 bis 2>n in das Bohrloch geschossen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Fluidsäule auf 70 bis 100% des Bohrlochdurchmessers gehalten wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in der Säule eingekapselt gehalten wird. *o

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bestehend aus einem von dem inkompressiblen Fluid auffüllbaren langgestreckten Hohlraum mit einer zum Bohrloch führenden vorderen Mündung und einer mit einem Treibgas aufladbaren Treibkammer, deren Energie auf das hintere Ende des im Hohlraum enthaltenen Fluidkolbens überführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum von dem hinteren Ende eines mit seiner vorderen Mündung durch eine Stelleinrichtung (62, 63) gegen eine oder mehrere das Bohrloch (12) begrenzende Flächen anstellbaren Rohres (13) oder Schlauches (20) gebildet ist und daß eine Ventileinrichtung (Schieber 17) vorgesehen ist, durch welche die Treibkammer (16) mit dem hinteren Ende des im Hohlraum enthaltenen Fluidkolbens (11) verbirdbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidkolben (U) eine Länge • von 0,2 - 2 m hat und im Rohr (13) bzw. Schlauch (20) μ auf eine Geschwindigkeit von 100-300 m/s beschleunigbar ist.

II. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine in das Bohrloch (12) einführbare Umlenkschaufel (24, 25), durch welche b5 der Fluidkolben gegen die Seitenwand des Bohrlochs (12) umlenkbar ist.

12 Vorrichtung nach Anspruch Ii, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkschaufel (24) am vorderen Ende des Rohrs (13) bzw. Schlauchs (20) diametral gegenüber einer seitlichen Auslaßöffnung (23) angebracht ist

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis

12, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (13) bzw. der Schlauch (20) mit wenigstens einer Entlüftungsöffnung (22) versehen ist, durch welche die vor dem Fluidkolben (11) im Rohr bzw. Schlauch enthaltene Luft zu entweichen vermag.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis

13, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidkolben (U) ganz oder teilweise eingekapselt ist

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis

14, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Rohrs (13) bzw. Schlauchs (20) mehr als 70% des Innendurchmessers des Bohrlochs (12) beträgt

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Rohrs (13) bzw. Schlauchs (20) mehr als 90% des Innendurchmessers des Bohrlochs (12) beträgt

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Rohrs (13) bzw. Schlauchs (20) im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Bohrlochs (12) ist

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (62,63) außer dem Rohr (13) bzw. Schlauchs (20) ein Bohrwerkzeug (64) trägt.