DE2728677A1 - Verfahren zum brechen von hartem material, z.b. gestein, und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Joehem

Frankfurt/faain Staufenstraße 36

Atlas Copco Aktiebolag

Nacka / Schweden

Verfahren zum Brechen von hartem Material, z.B. Gestein, und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Brechen von hartem Material, z.B. Gestein, mittels eines verhältnismäßig in— kompressiblen Fluids, wie z.B. Wasser, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Herkömmliche Verfahren zum Brechen von Gestein haben schwerwiegende Nachteile. Bei der Bohr- Lade- und Sprengtechnik entstehen Lärm, Gase, Staub und umherfliegende Gesteinsbrocken, so daß Personal und Maschinen immer wieder vorübergehend aus dem Arbeitsbereich zurückgezogen werden müssen. Abbaumethoden, bei denen das Gestein mittels geeigneter Werkzeuge zerstoßen oder zermahlen wird, erfordern große Kräfte und müssen einen starken Werkzeugverschleiß in Kauf nehmen. Während der letzten Dekade sind deshalb verschiedene Versuche unternommen worden, die gebräuchliche Bohr- und Sprengtechnik im Tunnel·-und Bergbau sowie bei ähnlichen Arbeiten zu ersetzen. Eine der vorgeschlagenen Lösungen sieht vor, mit Wasser— oder anderen Flüssigkeitsstrahlen

709881/1041

At 8838 / 23.6.1977

- Zr -

hoher Geschwindigkeit das Gestein oder Erz zu zerbrechen bzw. zu zerschneiden, und es sind inzwischen zahlreiche Vorrichtungen vorgeschlagen worden, um pulsierende oder intermittierende Flüssigkeitsstrahlen so hoher Geschwindigkeit zu erzeugen, daß selbst das härteste Gestein damit getrennt werden kann. Dennoch ist bisher die Schneidtechnik mit Flüssigkeitsstrahlen nicht in der Lage, nit den herkömmlichen Abbaumethoden, insbesondere der Bohr- und Sprengtechnik, im Hinblick auf Abbauleistung, Energieverbrauch, Kosten usw. zu konkurrieren. Außerdem sind auch einige technische Probleme noch nicht gelöst worden, wie z.B. die Katerialermüdung von Teilen, die Drücken von bis zu 10 oder 20 kbar ausgesetzt sind, sowie der außerordentliche Lärm während des Betriebe.

Eine weitere und sogar ältere Technik zum Brechen von Gestein ist beim Abbau von weichen Gesteinsformationen, wie z.B. Kohle, bekannt geworden. Dabei wird zur gleichzeitigen Sättigung des Gesteins mit Wasser zum Zwecke der Staubbindung zunächst ein Loch gebohrt und danach dieses Loch mit Wasser statisch oder dynamisch unter Druck gesetzt. Derartige Arbeitsmethoden sind jedoch bei harten Gesteinsformationen nicht anwendbar, da sich mit herkömmlichen . hydraulischen Pumpen unter den praktischen Gegebenheiten kein zum Aufsprengen des harten Materials ausreichender Arbeitsdruck realisieren läßt. Zusätzliche Schwierigkeiten erwachsen bei der Anwendung in bröckeligem und stark gerissenem Gestein, da das aufzusprengende Loch um das eingeführte Druckrohr, durch welches die Flüssigkeit eingepumpt wird, wirksam abgedichtet sein muß. Diese Beschränkungen haben zur Folge, daß das letztgenannte Verfahren bei weitem nicht so vielseitig und anpassungsfähig ist wie die Bohr— und Sprengtechnik·

In der DT-OS 26 41 453 der Anmelderin ist zur Vermeidung der Mängel der herkömmlichen Abbauverfahren eine hydrauliche Brechtechnik vorgeschlagen worden, die es ermöglicht, auch hartes material, wie z.B. Gestein, mittels einer Vorrichtung

709881/1041

At 8838 / 23.6.1977

zu brechen, die mit verhältnismäßig niedrigen Drücken betrieben werden kann* Die vorliegende Erfindung bezweckt eine v/eitere Verbesserung und Verbilligung des letztgenannten Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung, und hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Fluid in Form eines länglichen, zusammenhängenden Körpers dadurch auf die zum Brechen des Materials erforderliche Geschwindigkeit gebracht wird, daß zunächst eine ausreichende Menge des Fluids gegen die Wirkung eines Treibdrucks gesammelt und dann durch diesen gegen das Material geschossen wird.

Eine zur Durchführung des vorstehend gekennzeichneten neuen Verfahrens geeignete Vorrichtung besteht erfindungsgemäß aus einem Sammelraum für das Fluid, Kitteln zur Ausübung des Treibdrucks auf das Fluid im Sammelraum, einer Pumpe zur Auffüllung des Sammelraums gegen die Wirkung des Treibdrucks und einem nach Füllung des Sammelraums betätigbaren Auslaßventil.

Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung werden durch die nachstehend beschriebenen Maßnahmen vorzugsweise so ausgeführt, daß die Steuerung der Schußvorgänge durch das Fluid selbst erfolgt und, falls gewünscht, auch mehrere Schüsse in schneller Folge hintereinander abgegeben werden können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 5 Längsschnitte durch eine erste Ausfüh—

rungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung während unterschiedlicher Arbeite— phasen,

Fig. 6 bis 9 Längsschnitte durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung während unterschiedlicher Ar— beitsphasen,

709881/1041 At 8838 / 23.6.1977

Pig. 10 ein Diagramm, in welchem der Druckverlauf in einem erfindungsgemäß aufzusprengenden, simulierten Bohrloch über der Zeit aufgetragen ist,

Pig. 11 eine alternative Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 5 im Teil— Längsschnitt.

In den verschiedenen Zeichnungsfiguren sind übereinstimmende Einzelheiten der dargestellten Ausführungsformen jeweils mit gleichem Bezugszeichen versehen. Es wird zunächst auf die Figuren 1 bis 5 Bezug genommen.

Die in Pig. 1 bis 5 dargestellte Vorrichtung 10 dient dazu, eine zusammenhängende Flüssigkeitssäule bzw. einen kolbenförmigen Flüssigkeitskörper 11 in ein zylindrisches Sackloch 12 zu schießen, welches vorher in das zu brechende Material gebohrt wird. Als Beispiele für erfindungsgemäß zu brechende Materialien seien Felsgestein, Metallerze, Beton- und Kohle erwähnt. Die Herstellung des Sacklochs 12 kann in herkömmlicher Bohrtechnik erfolgen. Im Beispielsfall besteht der kolbenförmige Fluidkörper 11 aus Wasser, es kommen aber auch andere Fluide hierfür in Frage.

Die Vorrichtung 10 besteht aus einem Zylinder 13, der rückseitig durch eine hintere Endwand 14 abgeschlossen ist. Im Zylinder 13 gleitet ein Treibkolben 15, welcher zusammen mit der Zylinderwand und der hinteren Endwand 14 eine hintere Zylinderkammer 16 begrenzt. Vorn wird der Zylinder 13 durch eine vordere Endwand 17 abgeschlossen, welche durch einen aus mehreren Segmenten bestehenden Haltering 21 daran gehindert wird, aus dem Zylinder 13 gestoßen zu werden. Der Treibkolben 15_t die vordere Endwand 17 und die Zylinderwand begrenzen eine vordere Zylinderkammer 18. In einer in die vordere Endwand 17 eingesetzten Büchse 20 ist ein Rohr 19 verschieblich geführt. Die axiale Bewegung des Rohrs 19 wird einerseits durch einen hinteren, dickeren Bereich 22 des

709881/1041

At 8838 / 23.6.1977

Rohrs, welcher einen Steuerkolben bildet, und andererseits durch einen auf das vordere Ende des Rohrs geschraubten An— schlagring 23 begrenzt.

Die die vordere Zylinderkammer 18 begrenzende Seite des Treibkolbens 15 ist mit einer abgestuften ringförmigen Ausnehmung versehen, welche eine innere Ringkammer 24 und eine äußere Ringkammer 25 mit größerem Durchmesser bildet (vgl. Fig. 4). Die Ringkammern 24, 25 umgeben einen zentralen Dorn 26, dessen Seitenfläche am freien Ende bei 27 abgeschrägt ist. Das mit 28 bezeichnete hintere Ende des Rohrs 19 ist ebenfalls mit einer inneren und äußeren Anfasung 29 und 30 versehen. Der Steuerkolben 22 kann bis zur Anlage an einer Stufen— fläche 31 zwischen den beiden Ringkammern 24 und 25 in die letztere eingeschoben werden. Gleichzeitig dringt dabei das hintere Ende 28 des Rohrs in die Ringkammer 24 ein.

Die vordere Zylinderkammer 18 bildet einen Sammelraum, in welchem eine bestimmte Menge Fluid gesammelt wird, bevor es in das Rohr 19 eingelassen wird. Die Zufuhr des Fluids zum Sammelraum geschieht mittels einer Hochdruckpumpe 34 über einen Schlauch 33 und einen Kanal 32.

Auch die die vordere Zylinderkammer 18 begrenzende vordere Endrand 17 ist mit einer zentralen Ausnehmung 37 in Form einer Ringkammer versehen, die mit dem Steuerkolben 22 als hydraulische Brems- und Dämpfungsvorrichtung für das Rohr 19 zusammenwirkt, wenn sich dieses seiner vorderen Endstellung nähert.

Die hintere Zylinderkammer 16 ist mit Druckgas gefüllt, beispielsweise mit Druckluft oder Stickstoff. Das Druckgas wirkt auf den Treibkolben 15, welcher diesen Druck weiter auf das Fluid in dem Sammelraum 18 überträgt. Die Zylinderkammer 16 kann mittels eines Anschlußnippels 35 in der hinteren End— wand 14 an eine geeignete Druckquelle, z.B. einen Kompressor, angeschlossen werden.

709881/1041

At 8838 / 23.6.1977

Die in Pig. 1 bis 5 gezeigte Vorrichtung arbeitet wie folgt:

In Pig. 1 sind der Treibkolben 15 und das Rohr 19 in derjenigen Stellung gezeigt, welche sie einnehmen, nachdem das Rohr auf ein bestimmtes Bohrloch 12 ausgerichtet worden ist. Nach der Ausrichtung wird die Hochdruckpumpe 34 in Betrieb gesetzt, welche Fluid über den Kanal 32 in den Sammelraum drückt. Der Druck des Fluids wirkt dabei zunächst nur auf die vordere Stirnfläche 36 des Steuerkolbens 22 (siehe Fig.2). Dadurch werden das Rohr 19 und der Treibkolben 15 gegen die Wirkung des Gasdrucks in der hinteren Zylinderkammer 16 zurückgeschoben, d.h. das Fluid wird dem Sammelraum 18 gegen die Wirkung des Treibdrucks zugeführt. Nach einem kurzen Verschiebeweg des Steuerkolbens 22 verläßt dieser die Ring— kammer 37, so daß der Fluiddruck nunmehr auch unmittelbar auf den Treibkolben 15 wirken kann. Das Rohr 19 und der Treibkolben 15 werden dadurch weiter gemeinsam zurückgeschoben, während das Gas in der hinteren ZyIinderkammer 16 komprimiert und dadurch Energie gespeichert wird. Wenn der Anschlagring 23 gegen die vordere Endwand 17 stößt, wird das Rohr 19 angehalten (Fig. 2). Der Treibkolben 15 wird jedoch weiter zurückgeschoben. Während dieser Bewegung verläßt zunächst der Steuerkolben 22 die Ringkammer 25, so daß sich diese mit Fluid füllt. Kurz darauf verläßt auch das hintere Ende 28 des Rohrs die Ringkammer 24, woraufhin sich auch diese mit Fluid füllt. Das Fluid ist jedoch immer noch daran gehindert, in das Rohr einzuströmen, da dieses noch durch den Dorn 26 verschlossen wird. Sobald Fluid in die Ringkammer 24 gelangt, wird das Rohr 19 nach vorn gedrückt. Nach einer kurzen Bewegung verläßt dann der Dorn 26 die Bohrung des Rohrs. Pig. 3 zeigt diejenige Stellung der Teile, bei welcher der Eintritt des Fluids in das Rohr beginnt.

Das Rohr 19 wird nunmehr sehr schnell nach vorn getrieben und erst verzögert, wenn der Steuerkolben 22 die Ringkammer 37 erreicht (Fig. 4). Wegen des Drucks auf das Fluid im Sammelraum 18 wird dieses durch das Rohr 19 nach außen

709881/1041 At 8838 / 23.6.1977

gedrückt. Im Rohr 19 nimmt das Fluid die Form des kolbenförmigen Fluidkörpers 11 an. Dieser wird als eine zusammenhängende längliche Masse beschleunigt, in das Loch 12 geschossen und schlägt dort mit großer Wucht auf den Boden auf.

Fig. 5 zeigt die Vorrichtung in derjenigen Stellung, in welcher der Dorn 16 die Bohrung des Rohrs v/ieder erreicht. Von diesem Moment an beginnt die Verzögerung des Treibkol— bens 15. Die verbleibende Flüssigkeit im Sammelraum 18 dient dazu, den Treibkolben 15 hydraulisch zu bremsen. Um zu verhindern, daß er zurückschlägt, muß die restliche Flüssigkeit über die Ringkammern 24, 25 durch den Ringspalt zwischen dem Dorn 16 und der Bohrung des Rohrs 19 gedrückt werden. Durch geeignete Auslegung des Ringspalts im Verhältnis zu der im Treibkolben enthaltenen Bewegungsenergie und zur Menge der restlichen Flüssigkeit im Sammelraum 18 und den Ringkammern 24, 25 läßt sich der Treibkolben sanft abbremsen. Fig. 1 zeigt die Endstellung der Vorrichtung nach einem Schuß.

Der Ringspalt zwischen dem Rohr 19 und dem Treibkolben 15 hat große Bedeutung für die bestimmungsgemäße Funktion der Vorrichtung. Der Ringspalt zwischen der mit der Abschrä— gung 27 versehenen Fläche des Doms 26 einerseits und der mit der Anfasung 29 versehenen Innenfläche des Rohrs andererseits muß kleiner sein als der Ringspalt zwischen der mit der äußeren Anfasung 30 versehenen Fläche des Rohrs und der Mantelwand der Ringkammer 24. Der zuletzt genannte Ringspalt wiederum muß kleiner sein als der Spalt zwischen dem Steuerkol— ben 22 und der äußeren Mantelfläche der Ringkammer 25. Auf diese Weise wird eine zunehmende Drosselung des Fluids in Strömungsrichtung erreicht.

Durch Vergrößerung des Spalts zwischen dem Dorn 26 und der Bohrung des Rohrs 19, z.B. durch Kürzung des Dorns 26, kann die Vorrichtung so ausgelegt werden, daß sie zwei Schüsse liefert, wobei der zweite Schuß dem ersten unmittelbar folgt.

709881/1041

At 8838 / 23.6.1977

Dies wird dadurch erreicht, daß der Treibkolben 15 das Rohr 19 erreicht, bevor dieses in der Ringkammer 37 abgebremst worden ist. Dabei gibt der Treibkolben dem Rohr einen Stoß, so daß beide wieder getrennt werden.

Die Vorrichtung wird vorzugsweise für wiederholte Schüsse konstruiert. Hierzu wird der Schlauch 33 an eine kontinuierlich arbeitende Pumpe angeschlossen. Wenn das Rohr 19 und der Treibkolben 15 die in Fig. 2 gezeigte Stellung erreichen, erzeugt der nächste Fumpenhub einen Schuß. Die Pumpe arbeitet dann weiter, bis der nächste Schuß erfolgt,und so fort. Somit wird eine Serie von Schüssen auf das Loch 12 gerichtet, wobei die Schüsse einander in kurzem Abstand folgen. Der erste Schuß kann dabei z.B. durch den Aufprall auf den Boden des Bohrlochs Risse erzeugen, und die nachfolgenden Schüsse erweitern diese Risse und treiben sie weiter vor, bis sie eine freie Außenfläche des Materials erreichen, z.B. gemäß Pig. 1 bei kraterförmigen Sprengverfahren die Oberfläche 50 und bei Strossensprengung die Oberfläche 51. Es sollte beachtet werden, daß die Serie von Schüssen automatisch so lange fortgesetzt wird, wie die Pumpe arbeitet, ohne daß die Bedienungsperson dazu besonders tätig werden müßte.

Die bei jedem Schuß in das Loch geschleuderte Flüssigkeitsmenge kann in einfacher Weise durch Verstellung des Anschlagrings 23, mit dessen Hilfe die hintere Unkehrposition des Rohrs 19 bestimmt wird, verändert werden.

In Fig. 11 ist eine modifizierte Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 5 dargestellt. Dabei ist die vordere Endwand 17¹ bis ungefähr zur äußersten Position des Rohrs 19 nach vorn verlängert und umgibt dieses. An den verlängerten Teil der vorderen Endwand ist außerdem noch ein Verlängerungsrohr 52 angeschraubt, dessen Innendurchmesser im wesentlichen ebenso groß ist wie der des Rohrs 19. Das Verlängerungsrohr 52 erleichtert das Ausrichten der Vorrichtung auf das Loch 12

709881/1041

At 8838 / 23.6.1977

- sr -

und dient zusätzlich als Schutz des beweglichen Rohrs 19 gegen mechanische Beschädigungen durch das Gestein.

In Fällen, wo sich das Loch 12 von allein mit Wasser füllt, kann es zweckmäßig sein, das Loch vor dem Schießen zu leeren. Zu diesem Zweck kann an die vordere Endwand 17¹ eine Haube 53 angeschraubt werden, in die über einen Einlaß 54 Druckluft eingeführt wird, welche über Kanäle 55 in der vorderen Endwand 17^ und über das Verlängerungsrohr 52 in das Loch 12 geblasen wird.

Bei der Ausführung nach Fig. 6 bis 9 hat die in diesem Fall mit 40 bezeichnete Vorrichtung ein fest mit der vorderen Endwand 17 verbundenes Rohr 19. Ein stangenförmiger Ventilkörper 41 ist im Treibkolben 15 verschieblich geführt. Die Relativbewegung zwischen dem Ventilkörper 41 und dem Treib— kolben 15 wird einerseits begrenzt durch einen auf den Ven— tilkörper geschraubten Anschlagring 42 und andererseits durch einen am Ventilkörper ausgebildeten oder angebrachten Steuerkolben 43. Der Treibkolben 15 ist mit einer Rinßkam— mer 44 versehen, in welche der Steuerkolben 43 paßt. Vom letzteren aus ragt ein Dorn 45 nach vorn. Die vordere End— wand 17 hat auf der Innenseite eine Ausnehmung, bestehend aus einer Ringkammer 46 und einer konischen Kammer 47» die dem Steuerkolben 43 und dem Dorn 45 maßlich entspricht.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 6 bis 9 arbeitet wie folgt»

In Fig. 6 sind der Treibkolben 15 und der Ventilkörper 41 in derjenigen Stellung gezeigt, welche sie während der Ausrichtung des Rohrs 19 auf das Loch 12 einnehmen. Nach der Ausrichtung wird die Pumpe 34 in Betrieb gesetzt, woraufhin Fluid in den Kanal 32 gedruckt wird. Der Fluiddruck wirkt wegen einer Ringnut 48 gleichmäßig auf den Treibkolben 15, und zwar nach einer kurzen Bewegung auf dessen gesamte Fläche. Während der andauernden Fluidzufuhr wird der Treib— kolben 15 gegen die Wirkung des Gasdrucks in der Zylinder— kammer 16 zurückgeschoben. Um sicherzustellen, daß der

709881/1041

At 8838 / 23.6.1977

Ventilkörper 41 in der Stellung nach Fig. 6 verharrt, wird der Fluiddruck über einen Kanal 49 auf die hintere Stirnfläche des Steuerkolbens 43 des Ventilkörpers 41. geleitet.

Wenn der Treibkolben 15 gemäß Fig. 7 den Anschlagring 42 erreicht, bewirkt die weitere Zufuhr von Fluid, daß der Steuerkolben 43 und der Dorn 45 am Ventilkörper 41 aus der Ausnehmung 46, 47 in der vorderen Endwand 17 gezogen werden (siehe Fig. 8). Dann preßt der auf dem Fluid im Sammelraum 18 lastende Druck das Fluid über die Ausnehmung 46, 47 in das Rohr 19 und nach außen. Der Ventilkörper 41 bleibt dabei wegen der Druckdifferenz am Steuerkolben 43 in der Stellung nach Fig. 8.

Fig. 9 zeigt dann diejenige Stellung, in welcher der Treibkolben 15 den Steuerkolben 43 am Ventilkörper 41 erreicht. Der Treibkolben 15 wird nunmehr hydraulisch durch die Flüssigkeit in der Ringkammer 44 sowie die restliche Flüssigkeit in dem Sammelraum 18 verzögert. Um den Treibkolben 15 sanft abzubremsen und Rückschläge zu verhindern, sollte der Spalt zwischen der Ringkammer 44 und dem Steuerkolben größer sein als der Spalt zwischen dem Steuerkolben 43 und der Ringkammer 46. Der letztere Spalt wiederum sollte größer sein als der Spalt zwischen dem zylindrischen vorderen Ende des Dorns 45 und der Bohrung des Rohrs. Dadurch wird ein in Strömungsrichtung des Fluids zunehmender Strömungswiderstand erreicht.

Falls gewünscht, kann das im Treibkolben 15 eingeschlossene Volumen durch einen nicht gezeigten Kanal im Ventilkörper abgelassen werden. Alternativ kann der Treibkolben 15 aber auch ohne diesen Hohlraum ausgebildet werden. In diesem Fall wirkt das Druckgas sowohl auf den Treibkolben als auch auf den Ventilkörper 41.

In der oben zitierten DT-OS 26 41 453 sind Bedingungen genannt, die erfüllt sein müssen, um genaue Brüche des Materials zu erhalten. Diese Theorie berücksichtigt jedoch nicht die

709881/1041

At 8838 / 23.6.1977

Wirkung infolge Kompression des zwischen dem Boden des Bohrlochs und dem kolbenförmigen Pluidkörper eingeschlossenen Luftvolumens. Um diese Wirkung zu untersuchen, wurde der Druckverlauf in einem simulierten Bohrloch aufgezeichnet und in einem Diagramm gemäß Fig. 10 dargestellt. Bei dem Versuch wurde eine längliche zusammenhängende Wassermasse in ein 500 mm tiefes festes Stahlrohr mit 23 mm Durchmesser geschossen. Der Boden des Rohrs war dicht abgeschlossen. Für den Versuch wurde eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 bis 5 benutzt. Als die Wassersäule am Boden des Rohrs auftraf, hatte sie eine Länge von etwa 800 mm und eine Aufprallgeschwindigkeit von ungefähr 170 m/sec. Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Rohrs 19 bzw. der Wassersäule einerseits und dem Innendurchmesser des Meßrohrs betrug 0,956. Der sogenannte Flüssigkeits-Aufpralldruck ist P=fCV, wobei ^ ^die Dichte der Flüssigkeit, C die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit und V die Geschwindigkeit der Flüssigkeit beim Aufprall auf den Boden des Lochs bezeichnen. Der Flüssigkeitsaufpralldruck P-) nach der vorstehenden Berechnung betrug etwa 2,5 kbar, wie in Fig.10 angegeben. Der tatsächliche Druck ist jedoch höher als der Flüssigkeitsaufpralldruck. Die Differenz ist vermutlich auf die explosive Ausdehnung des Luftvolumens, das durch die Wassersäule im Loch komprimiert wird, zurückzuführen. Filmaufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera lassen erkennen, daß die komprimierte Luft von der Wassersäule aufgenommen wird und sich darin verteilt, wenn diese auf den Boden des Lochs aufprallt. Die Expansionsenergie der komprimierten Luft überlagert sich dann der in der Wassersäule gespreicherten Energie. Es ist somit offensichtlich, daß die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mögliche Kompression des eingeschlossenen Luftvolumens in einem Bohrloch den Brechvorgang günstig beeinflußt, insbesondere was die Erzeugung von Rissen betrifft, die für das Aufbrechen erforderlich sind.Bei dem in Fig. 10 dargestellten Versuch war das Meßrohr, mit dem eine Bohrung simuliert wurde, so stark, daß es nicht brach, als das Wasser am Boden aufschlug. Unter den Gegebenheiten der Praxis ist der Druckverlauf normaler-

709881/1041

At 8838 / 23.6.1977

reise sehr viel komplizierter als gqmäß Fig. 10. Das Auftreten natürlicher Risse im Material verringert manchmal oder verhindert gar die auf die Kompression des eingeschlossenen Luftvolumens zurückzuführende Wirkung. Letztere wird außerdem auch durch ein kleineres Querschnittsverhältnis zwischen der Flüssigkeitssäule einerseits und dem Loch andererseits verringert.

In der DT—OS 26 41 453 ist beschrieben, wie den zu erzeugenden Rissen Vorzugsrichtungen gegeben werden können, um Abbruche in bestimmter Richtung zu erzielen. Diese Maßnahmen sind auch im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung anwendbar, ebenso wie das in der genannten Anmeldung beschriebene Bohrgerüst, um eine erfindungsgemäße Vorrichtung zusammen mit einer herkömmlichen Gesteinsbohrmaschine zu montieren. Bei einem derartigen Gerüst können die Vor— richtungund die Gesteinsbohrmaschine in seitlicher Richtung beweglich auf einer Vorschublafette angeordnet sein oder um eine zur Vorschublafette parallele Achse drehbar montiert sein.

Mit den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen sind verschiedene Versuche ausgeführt worden. Es wurden z.B. Blöcke aus Kalkstein und Granit in der Größe von ungefähr 1 m χ 1 m χ 1 m mittels einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 bis 5 gesprengt. Dazu wurde zunächst ein 500 mm tiefes Sackloch mit 23 mm Durchmesser in die Blöcke gebohrt. Die Länge des Rohrs 19 der Vorrichtung betrug 300 mm. Es wurde somit eine zusammenhängende Wassersäule mit der Länge von ungefähr 800 mm gegen den Boden des Lochs geschossen. Die Aufprallgeschwin— digkeit der Wassersäule betrug ungefähr 170 m/sec. und ihre kinetische Energie ungefähr 6 kilojoule. Je nach der Lage und Richtung des Loches mit Bezug auf Inhomogenitäten in den Blöcken wurden diese nach einer unterschiedlichen Zahl von Schüssen vollständig gesprengt. Gewöhnlich brauchte man ein bis drei Schüsse. Wenn die beim ersten Schuß erzeugten Risse noch nicht die freie Oberfläche erreichten, trieben die folgenden Schüsse die Risse bis zur Oberfläche weiter auf. 709881/1041

At 8838 / 23.6.1977

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen wird der kolbenförmige Pluidkörper in ein vorgebohrtes Loch geschossen. Diese Arbeitsweise ist am wirksamsten. Manchmal läßt sich das Brechen aber auch ohne das Vorbohren von Löchern ausführen. In diesen Fällen sollte die Vorrichtung vorzugsweise entsprechend der Zusammensetzung und Lagerung des Materials ausgerichtet werden. Die letztgenannte Arbeitsweise erfordert jedoch größeres Geschick der Bedienungsperson.

Alternativ zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Zufuhr von Fluid aus dem Sammelraum zum Rohr auch mittels eines herkömmlichen Ventils mit einem besonderen Steuerkreis gesteuert werden. Es ist aber auch möglich, den Einlaß des Fluids in das Rohr durch ein Ventil zu steuern, welches seinerseits derart durch den Druck im Vorratsraum gesteuert wird, daß es außer Betrieb gesetzt wird, wenn der Druck einen bestimmten Wert übersteigt. Ein solches Ventil kann z.B. eine so bemessene Platte sein, daß sie bei dem vorbestimmten Druck bricht und zersplittert. Alternativ könnte das Ventil auch aus einer Kapsel bestehen, die einen Explosivstoff enthält.

Das in dieser Anmeldung beschriebene Verfahren, einem Fluid einen starken Impuls zu geben, ist allgemein anwendbar und kann deshalb auch bei Vorrichtungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen hoher Geschwindigkeit Anwendung finden.

709881/1041

At 8838 / 23.6.1977

Leerseite

Claims (24)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Brechen von hartem Material, z.B. Gestein, mittels eines verhältnismäßig inkompressiblen Fluids, wie z.B. Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in Form eines länglichen, zusammenhängenden Körpers dadurch auf die zum Brechen des Materials erforderliche Geschwindigkeit gebracht wird, daß zunächst eine ausreichende Kenge des Fluids gegen die Wirkung eines Treibdrucks gesammelt und dann durch diesen gegen das Material geschossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Fluid während des Treibvorgangs in die Form eines länglichen zusammenhängenden Körpers gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Fluid während des Sammelns unter Treibdruck kontinuierlich zugepumpt wird und ein— oder mehrmals hintereinander als Fluidkörper gegen das Material geschossen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Fluidkörper in eine natürliche oder künstliche Aushölung oder ein Sack— loch des Materials geschossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4_f dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Fluidkörpers den Querschnitt des Sacklochs im wesentlichen ausfüllt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidkörper auf eine Geschwindigkeit in der Größenordnung von 100 bis 300 m/sec. beschleunigt wird.

709881/1041 At 8838 / 23.6.1977

ORIGINAL INSPECTEO

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pluidkörper eine Länge von 0,2 bis 2 m hat.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Sammelraum (18) für das Fluid, Kittel (15,16) zur Ausübung des Treibdrucks auf das Fluid im Sammelraum (18), eine Pumpe (34) zur Auffüllung des Sammelraums (18) gegen die Wirkung des Treibdrucks und ein nach Füllung des Sammelraums (18) betätigbares Auslaßventil (22, 24-28; 43, 45-47).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kittel zur Ausübung des Treibdrucks eine Druckgasfeder (16) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelraum (18) ein Zylinder ist und die Druckgasfeder (16) über einen Treib— kolben (15) auf das Fluid wirkt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelraum (18) mit einer hydraulischen Dämpfungseinrichtung (24, 25) zur Abbremsung des Arbeitshubs des Treibkolbens (15) ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß ein gegen das Material zu richtendes, das Fluid zu einem länglichen Körper formendes Rohr ( 19) an den Sammelraum (18) angeschlossen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (19) in Schußrichtung des Fluids begrenzt beweglich ist.

709881/1CU1 At 8838 / 23.6.1977

h* ge

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch* g kennzeichnet , daß das Rohr (19) selbst den Ventilkörper des Auslaßventils (22, 24-28) bildet.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (19) mit einem vom Fluiddruck beaufschlagten und dadurch verschieblichen Steuerkolben (22) verbunden ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (22) am hinteren Ende des Rohrs (19) angeordnet ist und in der vorderen Endstellung des Treib— kolbens (15) mit der Rückseite an diesem anliegt, daß das Auslaßventil durch Zusammenwirken des hinteren Endes (22, 28) des Rohrs (19) und einer passenden Sitzfläche (24, 25, 26, 31) am Treibkolben (15) gebildet ist, und daß das in den Sammelraum (18) eingeleitete Fluid die Vorderfläche des Steuerkolbens (22) beaufschlagt, so daß dieser in der ersten Phase des Auffüllens des Sammelraums (18) zusammen mit dem Treibkolben (15) zurückschiebbar ist, bis das Rohr (19) durch einen Anschlag (23) anhaltbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (23) mit Bezug auf das Rohr (19) axial verstellbar ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das hintere Ende (22, 28) des Rohrs (19) und die Sitzfläche (24, 25, 26, 31) am Treibkolben (15) zueinander passend stufenförmig ausgebildet sind, wobei die Spaltweite zwischen korrespondierenden zylindrischen Flächen mit deren Durchmesser abnimmt.

At 8838 / 23.6.1977

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum der Sitzfläche (24, 25, 31) ein in das Rohr (19) passender Dorn (16) angeordnet ist, wobei die Spaltweite zwischen dem Dorn (16) und der Innenwand des Rohrs (19) kleiner ist als die kleinste Spaltweite zwischen den äußeren zylindrischen Flächen des Rohrs (19) und den zugeordneten Sitzflächen (24, 25, 31).

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19» gekennzeichnet durch Anfasungen (27, 29, 30) der Randkanten des Doms (16), des hintersten Endes (28) des Rohrs (19) und/oder zwischen den stufenförmig abgesetzten Flächen des Rohrendes (22, 28) und des Sitzes (24, 25, 31).

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (22) im Zusammenwirken mit einer passenden zylindrischen Ausnehmung (37) in der vorderen Endwand (17) des Sammelraums (18) eine hydraulische Dämpfungsvorrichtung bildet.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (22, 24 - 28; 43, 45, 46, 47) durch die Bewegung des Treibkolbens steuerbar ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (19) fest an den Sammelraum (18) angeschlossen ist und am hinteren Ende ein Ventilsitz (46, 47) für einen begrenzt axial verschieblich im Treibkolben (15) geführten, stangenförmigen Ventilkörper (41) bildet.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der stangenförmige Ventilkörper (41) am vorderen Ende mit einem Steuerkolben (43) verbunden ist, welcher in der vorderen End-

709881/1041

At 8838 / 23.6.1977

stellring des Treibkolbens (15) mit der Vorderfläche an der vorderen Endwand (17) des Sammelraums (18) anliegt und auf der Rückfläche von dem in den Sammelraum (18) eingeführten Fluid beaufschlagbar ist.

At 8838/23.6.1977 709881/1041