DE2915483A1

DE2915483A1 - Abbauverfahren fuer in maechtigen floezen vorkommende materialien

Info

Publication number: DE2915483A1
Application number: DE19792915483
Authority: DE
Inventors: James D Grenia
Original assignee: Bechtel International Corp
Current assignee: Bechtel International Corp
Priority date: 1978-04-17
Filing date: 1979-04-17
Publication date: 1979-10-25
Also published as: JPS54148102A; GB2018865B; CA1094584A; GB2018865A; AU4621779A; US4213653A

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung im bergmännischen Abbauverfahren und insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Abbauen von Bodenschätzen, die infolge ihrer Entfernung zur Erdoberfläche durch bekannte Verfahren nicht oder nur teilweise abgebaut werden können.

Ein wesentlicher Anteil von in mächtigen Flözen vorkommenden Bodenschätzen, beispielsweise Kohle, Salz, Phosphate, Kali und dergleichen,liegen unter einer relativ starken Überdeckung aus Fels und darüberliegendem Boden. Wegen der Tiefe des überliegenden Felses wird ein Abbau im Tagebauverfahren dieser Bodenschätze insbesondere von Western Coal außerordentlich teuer und verbietet sich deshalb im wesentlichen. In erster Linie ist der Grund für die hohen Kosten darin zu suchen, daß zunächst das Überliegende entfernt werden muß und in zweiter Linie muß der abgebaute Boden wieder gestaltet werden, damit die Umweltauflagen erfüllt werden. Aus diesem Grund besteht die Notwendigkeit, ein verbessertes Abbauverfahren für Bodenschätze dieser Art zu schaffen, um die entstehenden Kosten möglichst gering zu halten. Es soll also ein Verfahren zum Gewinnen der Bodenschätze geschaffen werden, daß das Entfernen der überliegenden Bodenschichten oder Beschädigen der Oberfläche über dem abzubauenden Bodenschatz vermeidet.

Bisher bekannt gewordene Druckschriften, die für relevant gehalten werden, sind beispielsweise die US-PS 2 823 900, 3 167 354, 3 892 442 und 3 905 430. In diesen Patentschriften wird die Entfernung des Überliegenden nicht behandelt; es wird jedoch auch nicht ein geeignetes Verfahren zur Erhaltung der Oberflächengestalt nach dem Abbau unter der Oberfläche angegeben. In US-PS 3 892 442 werden unter der Oberfläche liegende Hohlräume durch Schäumen ausgefüllt, dieses Verfahren ist jedoch sehr teuer, sehr mühevoll im Einsatz und beschränkt die Beweglichkeit der Bergleute und der Ausrüstung

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in Strecken und Gängen unter der Erdoberfläche.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zum Abbau von Bodenschätzen der beschriebenen Art in relativ mächtigen Flözen geschaffen, beispielsweise mit einer Mächtigkeit von 6 m und mehr (20' oder mehr) . Das Verfahren umfaßt die Bildung eines oberen und eines unteren Ganges oder Schlages an einer Seite eines BodenschatζVorkommens in dickem Flöz, das abgebaut werden soll, wobei die beiden Gänge oder Schläge allgemein vertikal miteinander ausgerichtet sind und etwa horizontal verlaufen. Einander überl^aPPende Bohrungen werden zwischen den Gängen oder Schlägen abgeteuft, um das zu fördernde Material abzubauen und einen einzigen, allgemein rechtwinkligen Hohlraum zu bilden, woraufhin dieser Gesamthohlraum und der obere und der untere Schlag oder Gang mit einem mageren oder armen (low grade) Beton angefüllt, um das Überliegende über dem oberen Gang oder Schlag abzustützen. Daraufhin werden zusätzliche Paare von oberen und unteren Gängen oder Schlägen nacheinander ausgebildet, ausgebohrt und in der gleichen Weise mit Beton aufgefüllt, bis der gesamte Materialvorrat abgebaut ist. Anstelle des abgebauten Materials wird eine Reihe von einander benachbarten Betonwänden zurückgelassen, die das Überliegende abstützen und die Oberflächengestalt erhalten.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, das, wenn es auch nicht als billig bezeichnet werden kann, doch eine sehr wirksame Art des fast vollständigen Abbaus eines wertvollen Bodenschatzes ergibt, von dem beim Abbau mit derzeit bekannten Abbauverfahren ein größerer Anteil zurückgelassen werden müßte. Es wird abgeschätzt, daß die durch das Wiederauffüllen mit Beton entstehenden Kosten etwa gleich oder geringfügig höher sind, wie die Kosten, die mit dem Tagebauverfahren beim herkömmlichen Bergbau entstehen.

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Die Energie, die zum Einbringen des Bergeversatzes verwendet
werden muß, ist jedoch viel geringer als die beim Aufbereiten
eines Tagebaues notwendige Energie. Wenn das erfindungsgemäße
Verfahren des Dickflöz-Abbaues angewendet wird, können die
Abbaukosten allgemein in der gleichen Größenordnung wie bei
herkömmlichen Untertage-Abbauverfahren liegen; es ist jedoch
eine nahezu gesamte Ausschöpfung des vorhandenen Bodenschatzes
möglich,wie es bei herkömmlichen Verfahren nicht erreicht wird.

Das grundlegende Ziel der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Abbau von unterirdischen, in mächtigen :

i Flözen vorkommenden Materialien zu schaffen, ohne in schäd- :

licher Weise das Überliegende dieser Materialien zu stören ;

und doch einen im wesentlichen vollständigen Abbau der abbau- !

würdigen Materialien zu erreichen. ■

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren ', dieser Art zu schaffen, bei dem eine Reihe von relativ großen j einander überlappenden Bohrungen zwischen einem oberen und ^!

einem unteren Gang oder Schlag abgeteuft so daß der relativ
große, im wesentlichen rechtwinklig gebildete Hohlraum mit :

einem mageren Beton zum Abstützen aufgefüllt werden kann und ·^: durch das daraufhin das übrige Material fortschreitend nacheinander durch wiederholtes Bohren, Abbauen und Auffüllen
gewonnen werden kann, bis das gesamte Material abgebaut und
das Überliegende von unten voll abgestützt ist.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der
Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf das gitterartige Gebilde

aus in einer Höhenlage unterhalb der Erdoberfläche gebildeten Schlägen bei der Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,

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Fig. 2 eine vergrößerte, perspektivische Ausschnittsdarstellung des Gittermusters an zwei Tiefenlagen unter der Erdoberfläche,

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 mit zwei einander überlappenden abgeteuften Bohrungen zwischen den zwei Höhenlagen,

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 3 mit dem bei

der Ausfüllung des durch die einander überlappenden Bohrungen entstandenen rechteckigen Hohlraumes mit magerem Beton zum Abstützen des überliegenden über dem oberen Schlag entstandenen Betonblockes,

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Anteil eines Schlages

mit der Überlappung der einzelnen Bohrungen,

Fig. 6 eine Darstellung ähnlich Fig. 5 mit einer

anderen Anordnung einander überlappender Bohrungen, und

Fig. 7 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 mit einer

Darstellung einer zweiten Schlagreihe benachbart zu dem bereits entstandenen Magerbetonblock.

Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gittermuster 10 aus Schlägen zunächst an zwei Höhenlagen unter der Erdoberfläche gebildet, nämlich an der Oberseite und der Unterseite oder Basis eines dicken Flözes aus abzubauendem Material. Dieses Gittermuster ergibt an allen Stellen eine gute Belüftung oder Bewetterung und es können ohne Schwierigkeiten Personen und Ausrüstung an verschiedene Teile des Gangwerks befördert werden. Zur Verdeutlichung ist das

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Gittermuster oder das Gitter-Gangwerk 10 in Fig. 1 dargestellt, das aus einer Anzahl von ersten Gängen oder Schlägen 12 besteht, die sich in einer Richtung im wesentlichen parallel zueinander erstrecken und einer Vielzahl von zweiten Gängen oder Schlägen 14, die sich in einer im wesentlichen senkrecht zur Richtung der ersten Schläge 12 erstreckenden Richtung ausdehnen. Diese Gesamtheit der allgemein horizontal angeordneten Gänge oder Schläge bilden die äußeren Seitengrenzen von jeweiligen Blöcken 16 aus dem abzubauenden Material und sie werden mit bekannten bergmännischen Verfahren hergestellt. In Fig. 2 sind zwei vertikal mit Abstand voneinander angelegte Schlaggitter 10 in zwei Höhenlagen oder Tiefenlagen gezeigt, wobei jeder Schlag 12 und 14 jedes Gittermusters lO vertikal mit dem entsprechenden Schlag oder Gang 12 und 14 des anderen Gitters 1O ausgerichtet ist.

Beispielsweise kann die Anzahl oberer Schläge oder Gänge 10 in einer Teufe von 61 m (200') unter der Erdoberfläche liegen und die untere Schlag- oder Ganganordnung 10 kann 122 m (400') unter der Erdbodenoberfläche liegen, so daß zwei miteinander ausgerichtete Schläge oder Gänge 12 sich an den Begrenzungen eines massiven, 61 m mächtigen Flözes oder Blockes des Abbaumaterials befinden, das eine Ausdehnung von mehreren 1000 mim Quadrat besitzt. Die Gänge oder Schläge sind mit Einstieg- und Ausstiegschächten verbunden, durch die das abgebaute Material zur Oberfläche gebracht wird.

Um den Abbau des Materials einzuleiten, das im folgenden beispielsweise als Kohle bezeichnet wird, wird eine Bohrung 18 (Fig. 5) mit relativ geringem Durchmesser von beispielsweise 25 cm (10") an der Seite des Blockes vom oberen Gang 12 zum unteren Gang 12 gebohrt, um eine Leitbohrung zum Abbau nach oben mit einem Räumwerkzeug mit großem Durchmesser

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zu bilden. Wenn die Bohrwelle den unteren Gang 12 erreicht, nachdem die Bohrung 18 ausgeführt ist, wird das kleine Bohrwerkzeug an der Welle abgenommen und durch einen Bohrmeißel mit viel größerem Durchmesser, beispielsweise einem 3,6 m-Räumbohrmeißel ersetzt. Die Welle wird dann unter Drehung angehoben, so daß der Räumbohrmeißel eine kreisförmige Bohrung 20 (Fig. 3, 5) von dem unteren Schlag oder Gang zu dem oberen Gang herstellt. Die während des Bohrvorganges nach unten fallende Kohle fällt bis zum unteren Gang und wird abgefördert. Beispielsweise kann die Kohle in einen an der Unterseite der Bohrung angebrachten Sammeloder Ladetrichter fallen, von dort zu einem Standardzuführgerät und von dort zu einem Förderband, das die Kohle zur Wexterbeförderung zu einem Sammelpunkt bringt.

Wie in Fig. 3 durch den Pfeil 13 angedeutet, wird die Kohle vorzugsweise unter dem Schutz des Stehengebliebenen abgefördert, damit Personal und Ausrüstung nicht in dem großen offenen gebildeten Bereich dem fallenden Material ausgesetzt werden. Die abgebaute Kohle kann jedoch auch in der anderen Richtung abgefördert werden, wenn für angemessenen Schutz gesorgt wird.

Zwar kann der Abbau auch von oben nach unten ausgeführt werden, jedoch ist diese Abbauart nachteilig, da es schwierig ist, die abgebaute Kohle aus der Bohrung anzuheben.

Wenn die erste Bohrung 20 vollendet ist, wird der große Abbaumeißel wieder abgelassen und im unteren Gang bis zur Bildung der benachbarten großen Bohrung 20 gelagert. Daraufhin wird eine zweite relativ kleine Bohrung 18 in der Nähe der benachbarten großen Bohrung 20 vom oberen Gang bis zum unteren Gang gebohrt, worauf wiederum der relativ große Räummeißel an die Bohrwelle angesetzt und mit drehender Welle angehoben wird, um die benachbarte große Bohrung 20 zu bilden, die in der in Fig. 5 gezeigten Weise die erste Bohrung 20 teilweise

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überdeckt. Alternativ dazu kann eine Reihe von Bohrungen 18 mit kleinem Durchmesser zuerst vom oberen Gang zum unteren Gang hergestellt werden, und dann wird erst die erste große Bohrung ausgeführt. Darüberhinaus kann die Anordnung der großen Bohrungen in der in Fig. 6 gezeigten Form angelegt werden, wenn es erforderlich ist oder es können auch andere Anordnungen getroffen werden, je nach der Art des abzubauenden Materials und den sonstigen Umständen.

Eine Reihe von großen Bohrungen 20 wird nacheinander in der beschriebenen Form hergestellt und es wird ein allgemein rechtwinkliger einziger Hohlraum 22 (Fig. 3) gebildet, der sich in Längsrichtung des oberen und unteren Ganges erstreckt und sich zwischen diesen ausbreitet. Dieser einzige Hohlraum 22 verbindet den oberen und den unteren Gang 12 miteinander und wird nach seiner Vollendung zusammen mit einem Gemisch aus Schotter, Sand, Portlandzement und Erde aufgefüllt, so daß ein Magerbeton entsteht und sich ein tragender Block oder eine Hauptmauer 24 (Fig. 4) ausbildet, um das Überliegende über dem oberen Gang 12 zu stützen. Ein derartiges Füllmaterial

2 besitzt eine Festigkeit von 2000 N/cm . Die Füllung kann auch aus einem Gemisch aus Zement und Erde oder Zement und Sand bestehen.

Nachdem die Betonfüllung 24 in dem Hohlraum 22 genügend ausgehärtet ist, beispielsweise nach 24 bis 48 Stunden, kann die Bohr- und Bearbeitungsausrüstung in den oberen Gängen 12 entfernt werden und der obere Gang über der Füllung 24 im Hohlraum 22 wird mit einer Stützwand 26 aus Beton angefüllt (Fig. 4). So bildet die Stützwand eine Fortsetzung des oberen Randes der Mauer 24 und liegt an dem Hangenden des oberen Ganges an, um die Last des überliegenden abzustützen.

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Während des Aushärtevorganges der Betonfüllung wird die Bohrausrüstung für die gleiche Tätigkeit in einem anderen Block im Abbaubereich verwendet. Nachdem die Tragwand in den ersten beiden Schlägen ausgebildet ist, wird nach Fig. 7 ein zweites Paar vertikal miteinander ausgerichteter Gänge oder Schläge 12a unmittelbar benachbart zu den ersterwähnten beiden Gängen oder Schlägen 12 hergestellt. Die Bohr- und Bearbeitungsausrüstung wird zurück zu dem ersten Bohrpunkt gebracht und eine zweite Reihe von Bohrungen 18 und 20 wird zwischen dem zweiten Paar Gängen in der beschriebenen Weise hergestellt, so daß auch hier wieder ein einziger relativ großer Hohlraum 22a ausgebildet wird. Daraufhin wird eine Betonfüllung in den neu geformten Hohlraum 22a und in die unteren und oberen Gänge in der beschriebenen Weise eingebracht, um wiederum eine Hauptwand 24a und eine Stützwand 26a zu bilden. Dieser Vorgang wird mit aufeinanderfolgender Bildung von großen Hohlräumen 22 und Wänden 24 bzw. 26"in der beschriebenen Weise fortgesetzt, bis der gesamte Kohleblock 16 abgebaut ist. Wenn ein Abbaubereich zwischen den Tiefen von 61 und 122 m abgebaut ist, kann der gleiche Vorgang in größeren Tiefen wiederholt werden, falls dort ebenfalls mächtige Flöze anzutreffen sind.

Wie bereits festgestellt, beschränkt sich die Anwendung der Erfindung nicht auf den Abbau von Kohle. Es kann damit natürliches Soda (Trona), Kali oder jede andere Art von Bodenschätzen abgebaut werden, wenn die Mächtigkeit der Flöze den Einsatz dieses Abbauverfahrens erforderlich macht. Der Flöz kann beispielsweise ein Schmalervertikaler Flöz mit 3 m Breite und etlichen 1000 m Tiefe und Länge im Boden sein. Die vorliegende Erfindung kann auch bei alten Bergwerken benutzt werden, um die restliche Kohle oder das jeweilige andere Material abzubauen, das zum Abstützen im Bergwerk bei herkömmlichen Verfahren übrig gelassen wurde. Die Erfindung kann auch von der Oberfläche aus benutzt werden und

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kann in Verbindung mit Tagebau benutzt werden, wobei das abgebaute Bergematerial aus dem Tagebau als Füllmaterial mit Zement benutzt werden kann.

Durch die Erfindung werden verschiedene große Vorteile erzielt; beispielsweise ergibt sich eine bessere Bewetterung, es ergeben sich geringere Wartungskosten, Wassereinbrüche können besser vermieden werden, es sind weniger Aufschlußstollen und Steilstrecken und dergleichen nötig. Es ergibt sich auch ein besserer Wasserschutz als bei konventionellem Bergbau, da mit dieser Erfindung die horizontalen Gänge und die äußeren Seitenbegrenzungen des gesamten Abbaugebietes vollständig betoniert werden können, so daß kein Wasser eindringen kann. Dadurch ergibt sich eine im wesentlichen undurchdringliche Wassertafel in beispielsweise einer Tiefe von 60 m, durch die Oberflächenwasser daran gehindert wird, nach unten durch die ausgebauten Gebiete abzufließen, wie es beim herkömmlichen Bergbau der Fall ist. Es kann auch ein wesentlich größerer Anteil der Kohle, beispielsweise mehr als 90% im Untertagebau gewonnen werden, als bei herkömmlichen Verfahren, die typischerweise nur eine Ausbeute von 50 bis 70% ergeben. Damit ergibt sich ein Verfahren zum Abbau von Materialien in dicken Flözen durch Ausbildung von zwei allgemein horizontalen, vertikal ausgerichteten Gängen mit vertikalem Abstand an einer Seite des mächtigen Flözes. Eine Anzahl von aneinander anstoßend angelegten vertikalen Bohrungen werden in dem Material von dem unteren zum oberen Gang hergestellt, so daß eine relativ große Öffnung in Längsrichtung der Gänge gebildet wird. Diese große Öffnung oder dieser große Hohlraum wird dann mit Magerbeton zur Abstützung des Überliegenden aufgefüllt und nach dem Aushärten des Betons wird ein zweites Paar allgemein horizontaler, vertikal ausgerichteter und mit vertikalem Abstand versehener Gänge zu den ersten Gängen benachbart angelegt und der beschriebene Vorgang

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wird wiederholt. Dieser Ablauf wird fortgesetzt, bis der gesamte Materialflöz abgebaut ist. Jede einzelne Bohrung zwischen einem oberen und einem unteren Gang wird so ausgebildet, daß zuerst eine Bohrung mit relativ geringem· Durchmesser von dem oberen Gang zum unteren Gang hergestellt wird, worauf ein Räummeißel mit relativ großem Durchmesser mit der Bohrwelle verbunden und die Bohrwelle unter Drehen so angehoben wird, daß der Bohrmeißel das Material vom unteren Gang aus zum oberen Gang hin abbaut. Das Material fällt dabei in den unteren Gang und wird in bekannter Weise abtransportiert.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Abbau von in mächtigen Flözen unterhalb einer Deckschicht vorkommenden Materialien, dadurch gekennzeichnet , daß ein erstes Paar von allgemein vertikal ausgerichteten Gängen mit vertikalem Abstand in dem Flöz ausgebildet wird, daß eine Reihe einander überlappender Bohrungen in dem Flözmaterial gebildet wird, die sich zwischen den Gängen erstrecken, daß das durch die Bildung der Bohrungen freigelegte Material entfernt wird, daß die Bohrungen und das erste Paar von Gängen mit einem lasttragenden Material zur

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Bildung einer Stützwand zum Abstützen der Deckschicht ausgefüllt wird, daß daraufhin ein weiteres Paar vertikal mit Abstand versehener, allgemein vertikal ausgerichteter Gänge benachbart zu den jeweilig in den vorher gebildeten Gangpaaren ausgebildeten Wänden gebildet wird, und daß bei jedem zusätzlichen Gangpaar jeweils der Bohrvorgang, das Entfernen und Auffüllen wiederholt wird, um einen jeweiligen Teil des Flözes abzubauen und eine jeweilige Stützwand benachbart zu der vorher gebildeten Stützwand zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholung bei jedem Gangpaar vor dem Ausbilden des nächstfolgenden Gangpaares ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Ausbilden jeder Bohrung das Material vom unteren Gang zum oberen Gang hin abgeräumt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Ausbilden jeder Bohrung eine Leitbohrung in dem Flöz vor dem entsprechenden Abräumen gebohrt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Materialentfernung bei jedem Gangpaar das abgebaute Material in dem entsprechenden unteren Gang gesammelt und zu einem von dem unteren Gang entfernt liegenden Ort gefördert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Auffüllen jedes Gangpaares Beton in die Gänge und in die dazwischenliegenden Bohrungen eingebracht wird und daß ein Aushärten des Betons zur Bildung der Stützwand herbeigeführt wird.

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7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das bei dem Einbringen des Betons in die Gangpaare Beton in den oberen Gang eingebracht wird, nachdem der Beton in den Bohrungen und dem unteren Gang ausgehärtet ist, um dadurch die Stützwand in den oberen Gang bis zu der Deckschicht über den Bohrungen auszudehnen .

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn e t , daß jedes zusätzliche Gangpaar benachbart zu den entsprechenden Gängen des vorher gebildeten Gangpaares in dem Flöz ausgebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Ausbilden der Gänge eine Gitterstruktur aus Gängen jeweils in zwei vertikal voneinander mit Abstand versehenen Tiefen in dem Flöz ausgebildet wird, wobei jede Struktur eine Reihe von ersten voneinander mit Abstand versehenen, allgemein parallel ausgerichteten Gängen und eine Reihe von zweiten, mit Abstand voneinander angelegten, allgemein parallelen Gängen gebildet werden, wobei die letzteren quer zu den ersten Gängen und in Verbindung mit ihnen angelegt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bohrung mit einem Durchmesser hergestellt wird, der annähernd gleich der Breite des benachbarten Ganges ist und daß benachbarte Bohrungen mit einem Abstand hergestellt werden, der geringer als der Durchmesser der Bohrungen ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bohrung mit einem Durchmesser hergestellt wird, der annähernd gleich der Hälfte der Breite jedes

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benachbarten Ganges ist, daß eine erste Reihe einander überlappander Bohrungen längs einer Seite jedes entsprechenden Ganges und eine zweite Reihe einander überlappender Bohrungen längs der gegenüberliegenden Seite jedes benachbarten Ganges benachbart zu den Bohrungen der ersten Reihe hergestellt wird, wobei benachbarte Bohrungen der zweiten Reihe die erste überlappen.

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