DE2800222C2 - Schachtausbau aus gewellten Rohrschüssen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ausbau für Schächte mit Hilfe einer der Schachtachse koaxial verlaufenden geschlossenen Röhre aus Metall, deren durchgehender Mantel axial gewellt ist und im Querschnitt wenigstens auf Teilstrecken gekrümmt verläuft

Der erfindungsgemäße Schachtausbau ist wasserdicht und flexibel. Als wasserdicht gilt erfindungsgemäß bereits ein solcher Ausbau, bei dem außen, d. h. gebirgsseitig zusitzendes Wasser an bestimmten Stellen der Auskleidung planmäßig und kontrolliert abgenommen werden kann. Der erfindungsgemäße Ausbau ist auf seine ganze Länge in das aus Lockerschichten oder Festgestein bestehende Gebirge eingebettet Er kann eine beliebige Lage im Raum annehmen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand ihres Hauptanwendungsgebietes, nämlich des Ausbaus von Schächten, mit denen nicht standfeste wasserführende und fließgefährdete Schichten durchteuft werden, näher beschrieben.

Bei solchen Schächten verschärfen sich die Ausbauprobleme aus verschiedenen Gründen. Mit zunehmender Teufe nimmt der Anteil der Mineralvorräte einer Lagerstätte zu, bei deren Abbau Einrichtungen auf die Schächte erfolgen. Die moderne Abbautechnik führt zu einem Anwachsen der allgemein bekannten Einwirkungselemente, sowie auch der Senkungsgeschwindigkeiten um ein Vielfaches. Der Schachtausbau muß unter diesen Umständen alle Längenänderungen in Richtung der Schachtachse wie auch normal dazu schadlos aufnehmen und auch Krümmungen ertragen, die wegen unterschiedlicher Schiefstellungen auftreten. Wenn es zu übermäßigen örtlichen Beanspruchungen und damit zu Beschädigungen des Ausbaus kommt muß cLr Aus bau reparaturfreundlich sein. Andererseits kann kein beliebiger technischer Aufwand mit dem Ausbau getrieben werden. Der Aufwand muß sich vielmehr in engen wirtschaftlichen Grenzen halten, die als noch vertretbar angesehen werden können und andererseits der Abbau-

!5 führung Freiheiten in Anpassung an die jeweils angetroffene technische Situation geben.

Abgesehen von den unter solchen Umständen unbefriedigend verlaufenden Versuchen, einen wasserdichten Schachtausbau aus Holz zu errichten, ist Eisen als

iu Schachtausbau seit langem bekannt Gußeiserne englische Tübbinge haben den Vorteil, daß sie wegen der fehlenden Betonhinterfüllung und der sogenannten Pikotage ihrer tragenden Keilkränze eine gewisse Verformbarkeit gewährleisten. Deutsche Tübbinge mit be- arbeiteten Flanschen und Bleiabdichtungen ergeben dagegen einen sehr steifen Schachtausbau, der nach dem Ausquetschen der Bfeibleche Verformungen nur noch innerhalb der Grenzen bruchfrei aufnehmen kann, die durch den Werkstoff Gußeisen und die jeweils gewählte Konstruktion gezogen sind. Nachteilig wirkt sich bei diesen Ausbauarten aus, daß sie insbesondere beim Abbau in Schachtnähe eine zu geringe Widerstandsfähigkeit entwickeln und sich bislang nicht an Ort und Stelle im Schacht reparieren lassen. Auch der Obergang zu Stahlgußtübbingen und die Verwendung von Walzstahl brachte wegen der bisher üblichen konstruktiven Bedingungen keine Verbesserung.

Der teils ungewollte, teils planmäßige Abbau in Schachtnähe hat deswegen zu besonderen Ausbaufor mengeführt

Bekannt ist ein gleitender Schachtausbau (Glückauf 103 (1967), 553—560), welcher einen gebirgsverbundenen Außenmantel aus einem Trockenmauerwerk mit konischen Betonformsteinen aufweist, dessen Fugen mit paßgerecht zugeschnittenen Flachspanplatten ausgelegt sind. Der wasserdichte Innenmantel ist vom Außenmantel durch eine bitumengefüllte Ringfuge getrennt und besteht aus einem verschweißten Stahlblechmantel, der auf der Innenseite durch geschlossene, lose aufein andergestapelte Stahlbetonringe gestützt ist (DE-PS 11 67 777). Der Stahlblechzylinder hat innen einrn Bitumenanstrich. Er sorgt dafür, daß bei aufgezwungenen Krümmungen keine Behinderung der Verformung zwischen dem Stahlblechmantel und den inneren Stützrin- gen aus Stahlbeton auftreten kann. Außerdem dient der Bitumenanstrich ebenso wie die Bitumenfuge dazu, den Stahlblechmantel gegen Korrosionen zu schützen.

Die aus Stahlbeton gefertigten inneren Stützringe stellen ein nach dem Widerstandsprinzip konzipiertes Ausbauelement dar. Sie bringen wegen der schlechten Reparaturfähigkeit dann eine Unsicherheit in den Schachtausbau, wenn Verkürzungen der Querschnittsebene eingetragen werden, die größer sind als sie durch die Bitumenfuge abgedeckt werden und dadurch das innere Schachtrohr in größerem Umfang die aus dem Gebirge eintretenden Verformungen aufzunehmen hat. Bedenken bestehen ferner gegen den Einbau einer mit Bitumen gefüllten Gleitfuge. Ein solcher Schachtausbau

28 OO 222

ist in dem nicht auszuschließenden Fall betriebsstörender Einwirkungen durch Gebirgsbewegungen weitaus empfindlicher gegen eine ungleichförmige Belastung als ein gebirgsverbundener Ausbau, der sich gegen das Gebirge abstützen kann. Außerflem wirken sich bei einem gleitenden Schachtausbau Schieflagen bzw. Schiefstellungen auf den Schachtausbau ungleich stärker als bei einem gebirgsverbundenen Ausbau aus. Deswegen ist auch eine besonders starke Bemessung des Fundamentes der Schachlröhre erforderlich.

Weitere Nachteile in wirtschaftlicher Hinsicht entstehen durch den relativ komplizierten Aufbau der beschriebenen, nach dem gleitenden Prinzip arbeitenden Ausbauart, insbesondere aufgrund der durch die Bitumenfuge getrennten zwei Ausbauröhren. Das wirkt sich wegen der damit verbundenen Zeitverzögerung besonders störend bei Gefrierschächten aus, weil dann der Frostzylinder während entsprechend verlängerter Zeiträume aufrecht erhalten werden muß. Weitere Nachteile entstehen bei der Montage von Einbauten inn Schacht, die wie die Einstriche, Rohrleitungskonsolen ο. dgl. aus Metall gefertigt sind und sich an Betonfertigteilen nur schwierig anbringen lassen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die sich auf eingehende Untersuchungen stützende herrschende Meinung, dem Werkstoff Gußeisen wegen seiner gegenüber Stahl erheblich höheren Druckverformungsfähigkeit den Vorzug zu geben, nicht gelten kann, wenn man die körperliche Ausbildung des Ausbaus, d. h. seine Konstruktion mit in die Überlegungen c-nbezieht und daß unter den eingangs geschilderten Voraussetzungen eine nachhaltige Verbesserung der bislang gleitend ausgebildeten Ausbauformen für Schächte und vergleichbare Bauwerke nicht möglich ist, sondern nach einfacheren und wirtschaftlicheren Ausbauformen gesucht werden muß.

Die DE-PS 6 15 181 schlägt vor. als Auskleidung für Bergwerksschächte axial gewellte Röhren aus Metall zu verwenden. Dadurch ist eine genügend große Biegeweichheit gegenüber Momenten, deren Vektor normal zur Längsachse der Rohre steht, gewährleistet Dadurch wird das Widerstandsmoment ganz erheblich erhöht und ohne zusätzlichen Aufwand eine höhere Beulsteifigkeit gegenüber Biegemomenten erreicht, deren Vektor parallel zur Hohlraumachse verläuft Die Wellenform der Röhre setzt jeder Längenänderung in Richtung ihrer Längsachse einen sehr großen Widerstand entgegen, der im wesentlichen auf den schnell ansteigenden Ringkräften beruht. Bei Verwendung derartiger Wellrohre entstehen jedoch bei Längenänderungen in Richtung der Schachtachse sehr stärke Beanspruchungen.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Schachtausbau der zuietzt genannten Art so auszubilden, daß trotz der Neigung des Werkstoffes, z. B. Stahl, zum Fließen der Schachtausbau auch nach einer Druckverformung verhältnismäßig, d. h. im Vergleich mit Gußeisen großen Ausmaßes die notwendigen Tragreserven aufbringt und dadurch die Vorteile dieses Werkstoffes für den Schachtausbau nutzbar macht.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die zur Aufnahme der Gebirgskräfte dienende Auskleidung im Querschnitt wenigstens eine Unstetigkeitsstelle aufweist, die als Ecke ausgebildet ist, und an der eine Phasenverschiebung der Wellung um eine Halbwelle erfolgt

Die Größe der entstehenden Beanspruchungen bei Längenänderungen in Richtung der Schachtachse wird gemäß der Erfindung hsrabgesetzt, indem an jeweils einer oder an mehreren Eckenscheiteln eine Phasenverschiebung der Wellung um eine Halbwelle angeordnet wird. Der Zwang zur Materialverdrängung an den Unstetigkeitsstellen bei einwirkenden Streckungen oder Stauchungen wird dadurch ganz entscheidend verringert, was sich in einer großen Stauchungs- bzw. Strekkungsbereitschaft der Auskleidung niederschlägt Die beim schachtnahen Abbau notwendige sicherheitliche Überwachung der Auskleidung kann sich auf die Konto trolle der Ausdehnung der Fließbereiche beschränken. Der erfindungsgemäße Ausbau macht große Zwangsverformungen ohne Überbeanspruchung und damit ohne den Zwang zu Reparaturen mit, wenn ihm z. B. durch einen schachtnahen Abbau Zwangsverformungen stetig aufgezwungen werden. Notwendige Reparaturen lassen sich leicht durchführen, da jederzeit geschweißt werden kann.

Wenn die Wellen des Ausbaus orthogonal zur Schachtachse orientierte Ringe im Mantel bilden, wie es einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entspricht dann tritt die beschriebene Phasenverschiebung immer nur an mindestens zwei Eck.*<i oder an einem ganzzeiligen Vielfachen dieser paarweiseti Eckenanordnung ein. Wenn jedoch gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Ringe schraubenförmig angeordnet sind, kann diese Phasenverschiebung auch schon bei der Ausbildung nur einer oder beliebig vieler Ecken im Querschnitt erfolgen und dadurch zu dem gewünschten Ergebnis führen.

Allerdings ist für das ordnungsgemäße Arbeiten der erfindungsgemäßen Auskleidung eine Stetigkeit der Einwirkungen, d.h. das weitgehend stetige Eintragen der Zwangsverformungen in die Ausbauröhre notwendig. Das kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch erreicht werden, daß zwischen dem Ausbaumantel und dem Gebirge eine Hinterfüllung aus einem Kunstboden eingebracht wird, dessen Festigkeit auf das Gebirge abgestimmt ist. Hierdurch wird der Einsatz des erfindungsgemäßen Schachtausbaus in jeder Gebirgsart möglich. Dadurch wird gleichzeitig auch erreicht, daß gegen jedes Erwarten später entstehende RiEbildungen im Ausbau nicht zum Eintritt z. B. von Schwimmsanden in den Schacht führen können. Bis zu einer gewissen Rißbreite und Zeitdauer des Offenstehens werden solche Risse vom Kunstboden überbrückt; dieser signalisiert auch rechtzeitig, wann Reparaturen auszuführen sind. Grundsätzlich soihen aber insbesondere in fließgefährdeten Schichten beim Abteufen auch im Frostkörper alle Härtlingsrippen herausgenommen und durch einen dem Gebirge angepaßten Kunstboden ersetzt werden.

Bei der Wahl des Werkstoffes Stahl kann die Blechdicke eine verhältnismäßig geringe Stärke aufweisen, die zwischen 15, 30 und 40 mm variieren kann. Ein soleher Schachtausbau kann außerordentlich große Zwangsverformungen ohne Überbeanspruchungen und ohne den Zwang zu Reparaturen mitmachen. Gegen den Einsturz, das totale Versagen, besteht durch die Abhängigkeit des wirkenden Gebirgsdruckes von der

ω Ausbauverformurg auch nach Ausbildung des ersten Fließgelenkes eine große, rechnerisch nachweisbare Sicherheit

Sofern der Schacht vornehmlich zur Wetterführung genutzt werden soll, können die Steigungen der Wellen in Abhängigkeit von den statischen Bedürfnissen so optimiert werden, da? keine Wirbelbildungen auftreten oder der Staupunkt entlang der Wellenfläche näher zur Kernströmung rückt Gegebenenfalls lassen sich auch

28 OO 222

Leitbleche zur Reduzierung des Wetterförderstaubes einbauen.

Gegenüber Gußeisen spielt die Verwendung von Stahl in dem erfindungsgemäßen Ausbau auch im Hinblick auf die möglichen Korrosionen keine nachteilige RoFIe. Tatsächlich haben Untersuchungen ergeben, daß die Rostgeschwindigkeit für Gußeisen und Stahl praktisch gleich ist

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 perspektivisch, im übrigen aber schematisch einen erfindungsgemäßen Schachtausbau,

F ι g. 2 eine ebenfalls perspektivische, jedoch nur teilweise Darstellung der Ausbauröhre,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 1!1-IH der Fig. 2, Fig.4 einen Schachtausbau gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt.

In Fig. 1 ist schematisch ein aus Schwimmsandschichten bestehender Gebirgskörper 1 dargestellt. Dieser ist mit der bekannten Gefriereinrichtung gefroren, so daß ein vorläufiger Ausbau der Gebirgsstöße 2 entstanden ist. Der Schacht wird am Fuß einer bestimmten Teufe von unten nach oben gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebaut, was jedoch nicht Voraussetzung ist. Der Schacht kann auch von oben nach unten ausgebaut werden. Dazu folgt der Einbau des Ausbaus dem Teuffortschritt durch von oben nach unten auch schußweises Verschweißen mit der darüber bereits eingebauten und hinterfüllten, verankerten Ausbauröhre.

Die Auskleidung besteht z. B. aus einer Stahlblechröhre, die einen durchgehenden Mantel 5 aufweist, und gemäß dtm dargestellten Ausführungsbeispiel (Fig.2) setzt sich der Umriß des Querschnittes aus zwei gekrümmten Teilstrecken 6 bzw. 7 zusammen. Diese Teilstrecken gehen von einer Unstetigkeitsstelle 8 aus und vereinigen sich in einer gegenüberliegenden ünsietigkeitssteile 9. Dadurch entsteht der insbesondere aus F i g. 2 erkennbare quasi-elliptische Querschnitt.

Die Ausbauröhre dient zur Aufnahme der GebirgskrSfte. Zu diesem Zweck ist sie mit einem Kunstboden 10, der in den beschriebenen Ringraum 11 zwischen der Röhre 5 und dem Gebirgsstoß 2 eingebracht ist, so mit dem Gebirge verbunden, daß sie dessen Bewegungen mitmacht.

In axialer Richtung ist die Ausbauröhre gewellt. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft jede aus einer Halbwelle-Wellenberg 12 und einer anschließenden Halbwelle — Wellental 13 — bestehende Wellung orthogonal zur Längsachse 14 der Stahlblechröhre 5. Die Unstetigkeitsstellen 8 und 9 sind als Ecken ausgebildet, die in dem Beispiel der Darstellung nach F i g. 1 mit ihrem jeweiligen Scheitel nach außen in Richtung auf das Gebirge 2 vorspringen.

Wie sich aus der Darstellung der F i g. 3 in Verbindung mit Fig. 1 ergibt, führt die paarweise Anordnung der Ecken 8 und 9 zusammen mit der orthogonalen Ausbildung der Wellen dazu, daß an jeder Unstetigkeitsstelle 8 bzw. 9 ein Wellenberg 12 mit einem Wellental 13 zusammentrifft. In Längsrichtung der Röhre gesehen sind daher aufeinanderfolgende Unsietigkeitsstellen 9,9', 9" usw. jeweils zickzackförmig gegeneinander versetzt angeordnet Diese Anordnung vermindert die Beanspruchungen in den Unstetigkeitsstellen bzw. Ekken 8 und 9 stark und führt daher zu einer günstigen Ausbildung der Auskleidung.

Der beschriebene Schachtausbau kann z.B. einen

freien Querschnitt von ca. 50 qm aufweisen, dann beträgt der lichte Querschnitt etwa 54 qm. Der Ausbruchquerschnitt beträgt 70 qm und der Kunstboden nimmt eine Fläche von ca. 16 qm ein. Bei dem beschriebenen Schachtausbau haben die Krümmungen 6 und 7 jeweils einen Radius von 4,5 m, und die Mittelpunkte sind im Abstand von 1,0 m angeordnet.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 ist der Schachtausbau nach Fig. I entsprechend abgewandelt Er besitzt Unstetigkeitsstellen bei 30,31, 32 und 33, die ebenso wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel als Ecken ausgebildet sind. Die Ecken weisen hier mit ihrem Scheitel nach außen, d. h. in Richtung auf das Gebirge. Übereinstimmend mit dem zuvor beschrie benen Ausführungsbeispiel ist auch in diesem Falle eine Hinterfüllung vorgesehen.

Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 ist für Schächte besonders geeignet, weil Unstetigkeitsstellen 30,31 und 32, 33 im Querschnitt paarweise angeordnet und bei orthogonaler Wellung des Stahlblechzylinders 4 jeweils in der beschriebenen und aus F i g. 1 ersichtlichen Weise gegeneinander versetzt sind. Die Anordnung ist im übrigen so gewählt, daß gegebenenfalls zwischen den Ecken vier gleich lange Segmente 34—37 entstehen.

Das Einbringen des Ausbaus, beispielsweise im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 kann segmentweise erfolgen. Die Lage der Schweißnähte ist aus F i g. 2 als Beispiel ersichtlich. Danach befinden sich in den Unstetigkeitsstetten 8 und 9, d. h. in den Eckenscheitejn bei 50

und 51 jeweils Schweißnähte, die aber bereits Übertage hergestellt worden sind. Das hat den Vorteil, daß Untertage eine geringere Anzahl von Schweißnähten hergestellt wird, was kostensparend wirkt; andererseits können diese hochbelasteten Schweißnähte Übertage in besserer Qualität produziert werden. Erfindungsgemäß können die Ausbauteile mit den Eckscheiteln auch als Gußteile oder warmverformt hergestellt werden.

Außerdem iss die Röhre durch weitere Schweißnähte 52, 53 bzw. 54, 55 unterteilt. Diese Schweißnähte wer den Untertage hergestellt. Der Ausbau besteht dem nach aus den Segmenten 56—59, von denen die Segmente 56,59 und 57,58 identisch sind.

Diese Segmentaufteilung gestattet den Aufbau der Ausbauröhre 5 von unten nach oben, wobei der durch den Frostzustand geschaffene vorläufige Ausbau der Schachtstöße 2 aufrechterhalten wird. Mit dem Aufbau der Schachtröhre 5 wird auch der Kunstboden 10 eingebracht, der durch besondere Maßnahmen trotz des be-. stehenden Frostzustandes aushärtet Danach kann das

so Gebirge aufgetaut werden. Wie ersichtlich, ergibt sich dadurch ein sehr einfacher und schnell einzubring~nder Ausbau, so daß eine vergleichsweise geringe Frostdauer erreichbar ist Selbstverständlich kann der Ausbau auch erfindungsgemäß — wie schon beschrieben — von oben nach unten eingebracht werden.

Eine brauchbare Anpassung an den erfindungsgemäßen Ausbau stellt auch ein vorläufiger Ausbau dar, wenn die hieraus entstandene Schale biegeweich ist und durch Ringfugen von geringem Abstand und ausreichender

Fugenweite Verformungsspitzen vermieden werden.

Es ist ferner wesentlich, daß sich die größeren Hauptachsen der beschriebenen Quasi-EUipse nach den zu erwartenden Druckbeanspruchungen ausrichten lassen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

28 OO 222 Patentansprüche:

1. Ausbau für Schächte mit Hilfe einer der Schachtachse koaxial verlaufenden geschlossenen Röhre aus Metall deren durchgehender Mantel axial gewellt ist und im Querschnitt wenigstens auf Teilstrecken gekrümmt verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Aufnahme der Gebirgskräfte dienende Auskleidung im Querschnitt wenigstens eine Unstetigkeitsstelle (8,9; 30—33) aufweist, die als Ecke ausgebildet ist und an der eine Phasenverschiebung der Wellung um eine Halbwelle (12, 13) erfolgt

Z Schachtausbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (12, 13) orthogonale Ringe (56—59) des Mantels (5) bilden oder auch abschnittsweise schraubenförmig angeordnet sind.

3. Schachtausbau nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadttxh gekennzeichnet, daß zwischen der Röhre (4) oder dem Gebirge sins Hinterfüüung (10) aus einem Kunstboden angeordnet ist

4. Schachtausbau nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (5) in Segmente (56, 58) unterteilt ist, die mit den ihnen benachbarten Segmenten kraftschlüssig verschweißt sind.

5. Schachtausbau nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eckenscheitel (50, 51) durch kraftschlüssig geschweißte, warmgeformte oder gegossene Formteile gebildet werden und die diese Ecken aufweisenden Segmente (56,59) mit den benachbarten Segmenten (57, 58) kraftschlüssig verschweißt sind.

6. Schachtausbau nach einem cer Ansprüche t bis

5, gekennzeichnet durch Anordnung der Ecken so, daß die größere Querschnitts-Hauptachse der Ausbauröhre (5) in der Richtung des größten, normal zur Schachtachse zu erwartenden Gebirgsdruckes angeordnet werden kann.