DE3129176A1

DE3129176A1 - Grubenholz, stempel oder stuetze, insbesondere zur verwendung in bergwerken, gruben, schaechten, stollen o.dgl.

Info

Publication number: DE3129176A1
Application number: DE19813129176
Authority: DE
Inventors: Michael John Krugersdorp Transvaal Thom
Original assignee: HUNT LEUCHARS AND HEPBURN Ltd
Current assignee: HUNT LEUCHARS AND HEPBURN Ltd
Priority date: 1980-07-22
Filing date: 1981-07-21
Publication date: 1982-05-19
Also published as: FR2487424A1; CA1164671A; GB2080364A; FR2487424B3; AU7307581A; US4712947A

Description

:..- .:!. :,ψ. : "-.:■.■. 3179176 Hunt Leuchars and Hepburn Limited, Total House, Gnr. Smit und Rlsfiik Streets, »raamfontein, Johanneebwrq,. Tran«va&l> Südafrika

Grubenholz!, Stempel oder ijttit^e, £n§bß§Q!^:j3era gyr in Bergwerken, Gruben, Schächten, Stollen od.dgl.

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Stempel, Stützpfosten oder -pfähle, Gruben- oder Stollenhölzer od.dgl., die aus einer Last widerstehenden Holzelementen hergestellt sind oder diese umfassen.

Stand der Technik

Gewöhnliche, unverkleidete und reine Holzpfähle haben in nur sehr geringem Umfang die Fähigkeit, Druck oder Kompression in Kichtung ihrer Faser aufzunehmen bzw. einem Zusammendrücken zu widerstehen.

In Bergwerken oder Grubenanlagen, in denen Hangendes oder die Decke an Liegendes schließt, hat man auf die verschiedensten Hilfsmittel zurückgegriffen, um die Belastunqa-Löbensdauer von glatten, hölzernen Stempeln oder Laststützen zu erhöhen. Die gebräuchlichsten Maßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer eines hölzernen Pfahls bestehen in der Verwendung von Kopfhölzern oder Anpfählen mit querliegenden Fasern und von sich verjüngenden Enden, die das Maß, um das die Stempel unter Druck in der Länge verkleinert werden können, nur gering erhöhen. Eine erst vor kurzem bekannt gewordene Neuerung, die das Maß (let* Kompression in LängerlchLuno betrHehtJLlcli «*rhtfhi , b^sUM-it ■ darin, den Stempel mit einer Hülse aus einem Material wie z.B. verformbarem oder dehnbarem Flußstahl zu umgeben. Die Hülse umgibt den Stempel auf einem wesentlichen Teil seiner Längaund kann Umfangsspannungen, die bei einer Kompression des Holzelements in diesem aufgebaut werden, allmählich freigeben.

Bei mit Hülsen ausgerüsteten Stempeln besteht ein Problem darin, daß ihre Funktionskennlinien nach anfänglicher Stützung der

Last durch die Stempel ein rasches Absinken der Stützkraft zeigen, bevor sie wieder voll belastbar werden, obwohl diese Art von Stempeln schneller eine Last aufnehmen als z.B. eine Matten- oder Querpackung.

Es besteht die Möglichkeit, daß dieses Problem eine Trennung der Schichten oder Flöze und/oder ein öffnen von Gesteinsklüften oder -spalten bewirkt, wodurch die Stabilität der Decke oder von Hangendem vermindert ist.

Aufgabe der Erfindung

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen mit einer Hülse umgebenen Stempel oder Stützpfahl zu schaffen, der verbesserte Stützeigenschaften aufweist.

Zusammenfassende Darstellung der Erfindung Bei einem Grubenholz, Stempel oder Stützpfahl, insbesondere zur Verwendung in Bergwerken, Gruben, Schächten, Stollen od.dgl. mit einem sich in Richtung seiner Pasern erstreckenden Last-Stützelement oder Tragelement aus Holz und mit einer aus geeignetem Material bestehenden Hülse oder Muffe, die das Stützelement über einen Teil dessen Länge umgibt, ist die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Stützelement in der Hülse eine Zone oder einen Bereich verringerten Querschnitts umfaßt, wobei die Hülse nach beiden Seiten der im Querschnitt verrringerten Zone auf das Stützelement verlängert ist, um das Stützelement in axialer Richtung zu stützen. Die Hülse umgibt das Stützelement sowohl in der Zone als auch auf beiden Seiten dieser Zone verringerten Querschnitts.

In Weiterbildung der Erfindung kann das Material der Hülse aus einem dehn- oder verformbaren Flußstahl bestehen, der bei Verringerung der Stempellänge unter Belastung einer Zunahme der Querschnittsdimension des Stützelements nachgiebig entgegenwirkt bzw. diese einschränkt.

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Vorteilhaft kann die im Querschnitt verringerte Zone des Stützelements durch eine Umfangsverjüngung, -Eindrehung oder -Nut in dem Stützelement vorgesehen sein.

Besonders zweckdienlich ist es, wenn die Verjüngung, Eindrehung oder Nut in einer zu der Stempelachse senkrechten Ebene liegt.

Eine weitere Ausbildung der/Erfindung besteht darin, daß das Radiusverhältnis des Grundteils des Holzelements zwischen 0,4

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und 0,99, vorzugsweise aber 0,85 beträgt. Die Tiefe der Ver-* jüngung kann zwischen 5 und 15 % des Durchmessers des Stützelements betragen. Zudem kann sich die Verjüngung über einen wesentlichen Teil der Länge des Stützelements erstrecken.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Stempels nach der Erfindung mit im Schnitt dargestellter Hülse,

Fig. 2(a) bis (d) Darstellungen für das Verhalten des bei Belastung in axialer Richtung in der Länge komprimierten Stempels der Fig. 1,

Fig. 3 in vergleichender Darstellung Funktionsschaubilder und

Fig. 4(a) bis (d) der Darstellung der Fig. 1 ensprechende Ansichten von weiteren vier Ausführungsbeispielen des Stempels nach der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt der in Fig. 1 dargestellte Stempel oder Stützpfosten ein längliches Last-Stützelement 10 aus Holz und eine Hülse oder Muffe 12, die einen wesentlichen Teil der Länge des Stützelements 10 umgibt.

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Das Holz-Stützelement 10 besteht aus ziemlich hartem Holz, wie z.B. Eukalyptus (Saligna). Das Stützelement 10 hat einen kreisförmigen Querschnitt und umfaßt ein Kopfstück oder -teil 14 und ein Fußstück oder -teil 16, die in der Hülse 12 angeordnet sind und aus ihr herausragen. Das Stützelement 10 umfaßt weiterhin eine zentrale Zone 18, die gegenüber dem Kopfstück 14 und dem Fußstück 16 im Querschnitt verjüngt ist, d.h. als Eindrehung oder Nut ausgebildet ist/ wodurch ein ringförmiger Leeroder Zwischenraum 20 zwischen der Zone 18 und der Hülse 12 entsteht. Das Stützelement 10 weist in der Zone 18 außerdem unmittelbar unterhalb des Kopfstücks 14 eine sekundäre, V-förmig ausgebildete Rille, Eindrehung oder Nut 22 auf.

Die Hülse 12 besteht aus einem Flußstahlmaterial, das aureichende Verformbarkeit oder Duktilität aufweist, um bei Belastung eine Ausdehnung des Stützelements 10 in radialer Richtung nachgiebig einzuschränken, d.h. dieser Ausdehnung federnd entgegenzuwirken.

Die Hülse 12 sitzt auf dem Stützelement 10 im Reibsitz. Es ist wichtig, daß die Hülse 12 die Zone 18 des Stützelements 10 vollständig umgibt und weit genug nach oben und unten vorspringt, um angemessene Ansätze oder Sockel auszubilden, so daß bei Belastung des Stützelements 1O ein Verklemmen, Verkanten oder eine Schräglage des Kopfstücks 14 und des Fußstücks 16 des Stützelements 10 vermieden werden.

Um die Kurve A der Fig. 3 zu erhalten, wurde ein Stempel der in Fig. 1 daragestellten Art in einer Presse in axialer Richtung komprimiert. Der Prüfstempel hatte eine Anfangslänge von 1.200 mm. Das Stützelement 10 aus ziemlich hartem Eukalyptusholz (Saligna) wies einen Durchmesser von 165 mm auf.

Die Länge der Zone 18 betrug 400 mm bei einem Durchmesser von 135,5 mm. Die Hülse 12 bestand aus Flußstahl BS 1775 von 1964 mit Qualität ERW 11 (BS 1775 of 1964 to grade ERW 11), war 900 mm lang und hatte eine Wandstärke von 2,8 mm. Der Einstich oder die Nut 22 wurde auf eine Tiefe von 10 mm in die Zone 18 geschnitten.und hatte eine Breite von 20 mm.

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Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß der Stempel gemäß der Erfindung nach einer Langenverminderung von nur ca. 1 cm eine Belastung von ca. 37 Tonnen aufnimmt. Bei einer Kompression von ungefähr 2 cm, wenn die Nut 22 - wie in Fig. 2(a) dargestellt - zusammengedrückt ist, tritt ein geringfügiger Lastverlust von wenig mehr als 2 Tonnen auf. Bei einer Kompression von ungefähr 3 cm nimmt der Stempel dann wieder Last auf, wonach die Stempelbelastbarkeit wieder vm. einen kleinen Betrag sinkt, wenn die Holzfasern in der Zone 18 anfangen, sich allmählich und zunehmend in Richtung quer zu der Stempelachse zu trennen (voneinander zu lösen), wie dieses in den .Fig. 2(b) bis (d) dargestellt ist. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, nimmt der Bereich der Faseraufteilung oder -abspaltung (Separation) des Holzes zu und breitet sich unter Last in der Zone 18 aus, bis der Leerraum 20 mit fest zusammengepreßten Holzfasern gefüllt ist.

Im Idealfall sind die Enden des Kopfstücks 14 und des Fußstücks 16 des Stempels 10 mit den Enden der Hülse 12 bündig oder nahe zu bündig, wie dieses in Fig. 2(d) dargestellt ist.

In der Kurve A der Fig. 3 ist der in Fig. 2(d) dargestellte Kompressionsgrad des Prüfstempeis bei ca. 20 cm oder 17 %-Gesamtlängenverminderung des Stempels erreicht.

Wenn die Presse mit den Enden der Hülse 12 in Berührung kommt, wirkt der Stempel als eine nahezu feste Säulenstütze, und seine Belastbarkeit steigt entsprechend der Kurve A an. Zwischen den Pressen-Schließpunkten der Kurve A bei 20 und 28 cm baucht sich das Metall der Hülse 12 bei einer Längenverminderung radial nach außen aus und wirft Falten, während es in der Länge reduziert wird und gezwungen ist, sich dem Fasermaterial des zusammengedrückten Holzes anzupassen. Bei 28 cm trägt der Stempel volle Stützlast (23 % Längenverminderung) und knickt (versagt) bei einem Pressenweg von etwa 35 cm.

Zum Vergleich mit dem Stempel der Fig. 1 wurde ein herkömmlicher, dem Stempel der Fig. 1 entsprechender Stempel geprüft. Der her-

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kömmliche Stempel umfaßte einen Eukalyptus-Balken mit parallelen Seiten, der bei einem Durchmesser von 152 mm 1.200 mm lang war, und eine 4 mm Flußstahl-Hülse, die 1.000 mm lang war. über der gesamten Hülsenlänge befand sich der Holzbalken in engem Kontakt mit der Hülse. Für diesen Test wurde die Kurve B in Fig. 3 ermittelt.

Wie aus der Kurve B ersichtlich, nimmt der herkömmliche Stempel gleich schnell eine Last auf, aber fast genau so schnell sinkt die Belastbarkeit um ca. 15 Tonnen ab, wenn sich die Holzfasern in einem vorstehenden, widerstandsfreien Holzende abzuspalten beginnen. Der zweite große Lastverlust tritt bei einem Pressenweg von ca. 9 cm ein, wenn die Faserabtrennung in dem verbleibenden vorstehenden Holzende beginnt. Darauf wirkt der Stempel als starre Stütze. Wie mit der Kurve B gezeigt ist, steigt die Last dann an und nimmt schließlich vor dem Zerstören der Hülse ab.

Aus der vorangegangenen Beschreibung sowie aus Fig. 3 geht hervor, daß die grundsätzlichen Vorteile des Stempels nach der Erfindung gegenüber dem herkömmlichen, oben beschriebenen Stempel darin bestehen, daß der Stempel nach der Erfindung die Last gleichmäßiger aufnimmt als der konventionelle Stempel, ohne daß scharfe, die Belastbarkeit senkende Wechsel auftreten. Da die Hülse bei der Erfindung aus weniger Stahl besteht als bei dem herkömmlichen Stempel, ist sie billiger. In Ländern mit umfangreicher Montanindustrie, z.B. in Südafrika, können viele tausend Stempel im Einsatz sein, so daß die Stahleinsparung einen wichtigen Aspekt darstellt.

Die Holz-Laststütze 10 kann aber auch ein anderes als das in Fig. 1 dargestellte Profil aufweisen. Der im Durchmesser verringerte Teil des Stützelements kann in geeigneter Weise geformt oder profiliert sein, um Stempel mit verschiedenen Last/Kompressions-Kennlinien vorzusehen.

Die Kompressionsmerkmale der verschiedenen Stempel nach der Erfindung sind von verschiedenen Parametern abhängig, und zwar

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u.a. von den Stempellängen, den hervorstehenden Abschnitten der Fuß- und Kopfteile 14 und 16 und deren Längen, den Längen der Teile 14 und 16, die sich im Eingriff mit der Hülse 12 befinden, von der Länge der Profil- oder Formzone 18 des Stützelements 10 sowie von dem Verhältnis dieser Längen zum Durchmesser.

Die Kompressionseigenschaiten sind außerdem abhängig von dem Radius- oder dem Durchmesser-Verhältnis, d.h. von dem Verhält-

nis des Gesamtdurchmessers des Stützelements 10 zu dem Durchmesser der Profilzone 18, von dem Volumen des Freiraums 20, dem Verhältnis des Durchmessers zu der gesamten Länge, dem Verhältnis der Hülsenlänge zu der Stempellänge, von der Art des verwendeten Holzes und seinem Feuchtigkeitsgehalt sowie von der Reibkraft auf dem Kopf- und/oder Fußteil des Holz-Last-Stützelements .

In Fig. 4 sind vier weitere Ausführungsbeispiele für den Stempel nach der Erfindung gezeigt. Jeder Profilabschnitt jedes Holz-Stützelements 10 kann auf irgendein Radiusverhältnis zwischen 0,4 und 0,99 geschnitten, sein. Ein Radiusverhältnis von 0,85 hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Radius-Verhältnisse von 0,4 oder kleiner kommen zumeist aufgrund einer geringen Gesamtbelastbarkeit- nicht in Frage.

In allen in Fig. 4 dargestellten Profilen baut sich Druck (Last pro Flächeneinheit) in dem Profilabschnitt auf, sobald die Haftreibung bei unter axialer Last stehender Einheit in beiden Reibungszonen überwunden ist. Natürlich ist der Druck in dem Stützelement 10 bei dem kleinsten auftretenden Durchmesser am größten. An dieser Stelle beginnt die Faserabtrennung oder -spaltung. In dem in Fig. 1 gezeigten Stempel kann die Faserseparation irgendwo entlang der Profillänge in der Zone 18 beginnen.

Bei den in Fig. 4(a), (b) und (c) dargestellten Stempeln erfolgt der Verlust in der Anfangslast längst nicht so schnell wie der in Kurve B in Fig. 3 dargestellte Verlust. Wenn das Radiusverhältnis klein genug ist, kann die Last im wesentlichen konstant bleiben.

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Bei allen beschriebenen Stempeln gemäß der Erfindung hat die Last die Tendenz abzunehmen, sobald die Faserseparation beginnt. Für den in Fig. 4(a) gezeigten Stempel neigt die Last aber dazu, in größerem Maße gleich zu bleiben. Dieses liegt darin begründet, daß, wenn die Faserabtrennungszone von der Basis 24 entlang der Länge der Zone 18 zunimmt, der Querschnittsbereich des Profilabschnitts des Stützelements 10 zunimmt, wodurch der Druck verringert wird.

Da die Querschnittsfläche dem Quadrat des Radius direkt proportional ist, erfolgt die Änderung in der Fläche bezüglich einer Kompressionsänderung ziemlich schnell. Dieses führt zu einer schnellen Zunahme der Belastbarkeit. So besteht entgegen der allgemeinem Tendenz der Belastungsverringerung die Gesamtwirkung darin, eine relativ konstante Belastbarkeit aufrechtzuerhalten .

Der in Fig. 4(b) gezeigte Stempel arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise wie der Stempel in Fig. 4(a). Aufgrund der beiden im Durchmesser verringerten Abschnitte 24 in der Zone 18 neigt der Stempel der Fig. 4 (c) dazu, nach dem ersten Umkehrpunkt der Last/Kompressions-Kurve zwei Scheitelwerte zu haben, wenn die Faserseparation an jedem Ende der Zone 18 beginnt.

Jeder der in den Fig. 1 und Fig. 4(a) bis (c) gezeigten Stempel kann in seiner Profilzone 18 geeignet beabstandete und dimensionierte Sekundär-Eindrehungen oder -Nuten 22 aufweisen, um ungewünschte Umkehrungen im Lastverlauf an irgendeinem Punkt auf der zugehörigen Kompressionskurve auf ein Minimum zu bringen. Für eine spezielle Last/Kompressions-Kennlinie müssen das Erfordernis nach Eindrehungen oder Nuten sowie deren Lage und Größe experimentell bestimmt werden.

Der in Fig. 4(d) gezeigte Stempel weist keine sich langgestreckte, im Durchmesser verringerte Nut, Rille oder Zone 18 auf, sondern er umfaßt eine Mehrzahl schmaler Zonen mit verrin-

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gertem Durchmesser, die durch Einschnitte oder Nuten 26 bestimmt sind. Obwohl sämtliche in der Zeichnung dargestellten Nuten 26 die gleiche Dimensionierung haben, können sie in unterschiedlicher Zahl angeordnet sein und verschiedene Breiten und Tiefen aufweisen sowie an verschiedenen Stellen angeordnet, sein, um besonderen Erfordernissen der Belastung zu genügen, wobei zahlenmäßig mehr oder weniger Nuten vorgesehen sein können.

Der Stempel gemäß der Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele mit den genau dargestellten konstruktiven Einzelheiten beschränkt. So kann die Hülse 12 z.B. aus Glasfaser—verstärktem Kunstharz bestehen, das die Eigenschaft hat, bei Lastbeaufschlagung von den Enden der Hülse zu ihrem Zentrum hin fortschreitend zu zerspringen bzw. zu brechen.

Außerdem muß das Holz-Laststützelement 10 nicht unbedingt aus einem einzigen Holzelement bestehen. Z.B. können bei dem Stempel des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels ein Abschnitt oder alle drei Abschnitte 14, 16 und 18 auf geeignete Weise getrennt angeordnete Holzelemente umfassen. Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 4(b) und (c) kann das Stützelement 10 in einer durch das Zentrum gehenden Querebene aufgeteilt sein.

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Claims

Grubenholz, Stempel oder Stütze, insbesondere zur Verwendung in Bergwerken, Gruben, Schächten, Stollen od.dgl.

Patentansprüche:

1. Grubenholz, Stempel oder Stütze, insbesondere zur Verwendung in Bergwerken, Gruben, Schächten, Stollen od.dgl. mit einem in Richtung seiner Pasern langgestreckten Last-Stützoder Tragelement aus Holz und mit einer aus geeignetem Mai-e rial bestehenden Hülse, Buchse oder Muffe, die das Stützelement über einen Teil seiner Länge umgibt, dadurch gekennzeichnet , daß das Holz-Stützelement (10) in der Hülse (12) eine Zone (18, 22, 26) verringerten Querschnitts umfaßt, wobei die Hülse (12) nach beiden holten (14, 16) der im Querschnitt verringerten Zone (18) auf das Stützelement (10) verlängert ist, um das Stützelement (TO) in axialer Richtung zu stützen.

2. Grubenholz, Stempel oder Stütze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Material der Hülse

(12) aus dehn- oder verformbarem Flußstahl besteht, der bei Verringerung der Stempellänge unter Belastung einer Zunahme der Querschnifctsdimension des Stützelementa (10) nachgiebig entgegenwirkt bzw. diese einschränkt.

J. Grubenholz, Stempel oder Stütze nach Anspruch 1 oder 2, . dadurch gekennzeichnet, daß die im Querschnitt verringerte Zone (18) des Satützelemenh« (10) durch eine Umfangsnut, -Verjüngung oder -Eindrehung (20) in dem Stützelement; (K)) vorgesehen let.

4. Grubenholz, Stempel oder Stütze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung (20) in einer zu der Stempelachse senkrechten Ebene liegt.

5. Grubenholz Stempel oder Stütze nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (10) und die Hülse (12) kreisförmigen Querschnitt haben.

6. Grubenholz, Stempel oder Stütze nach Anspruch 5,

dadurchgekennzeichnet , daß das Radiusverhältnis des Verjüngungsteils (18) des Stützelements. (10) zwischen 0,4 und 0,99 liegt.

7. Grubenholz,Stempel oder Stütze nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß das Radiusverhältnis 0,85 beträgt.

8. Grubenholz, Stempel oder Stütze nach einem der Ansprüche

3 bis 7, dadurchgekennzeichnet, daß sich die Verjüngung (20) über einen wesentlichen Teil der Längeres Stützelements (10) innerhalb der Hülse (12) erstreckt.

9. Grubenholz, Stempel oder Stütze nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche der Verjüngung (20) von ihrem einen Ende (24) zu dem anderen in axialer Richtung des Stempels konisch zuläuft.

10. Grubenholz, Stempel oder Stütze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Grundfläche der Verjüngung (20) von ihren beiden Enden (24) zu ihrer Mitte hin verjüngt.

11. Grubenholz, Stempel oder Stütze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche der Verjüngung (20) parallel zu der Stempelachse ist.

12. Grubenholz, Stempel oder Stütze nach einem der Ansprüche 8 bis 11, 'dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche der Verjüngung (20) mindestens eine Sekundärverjüngung, -nut, -rille oder -eindrehung (22) umfaßt,

13. Grubenholz, Stempel oder Stütze nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, daß die

üjng/
SekundärverjüngTen) (22) V-förmig ausgebildet ist(sind).

14. Grubenholz, Stempel oder Stütze nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (10) mindestens zwei innerhalb der Hülse (12) befindliche Verjüngungen, Eindrehungen oder Nuten (26) umfaßt.

15. Grubenholz, Stempel oder Stütze nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (14, 16) des Stützelements (10) aus der Hülse (12) hervorragen.

16. Grubenholz, Stempel oder Stütze nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (10) mehrere getrennt angeordnete, Abschnitte (14, 16, 18) des Stützelements (10) bildende Holzelemente umfaßt.

17. Verwendung eines langgestreckten HoIz-Stutζelements (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Teil eines Grubenholzes, Stempels oder einer Stütze im Bergbau, in Stollen, Schächten od.dgl.

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