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Aufweitbarer, verlorener Verschlußstopfen für Injektions-Bohrlöcher
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Die Erfindung bezieht sich auf einen aufweitbaren, verlorenen Uerschlußstopfen
für Injektions-Bohrlöcher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Aus der DE-OS 24 02 509 ist ein rohrförmiger Einweg-Bohrlochverschluß
für Kunstharz-Injektionen bekannt. Dieser weist ein metallisches Zentralrohr auf,
das mit einem eingeschraubten Einfüllstopfen, einem ausgangsseitigen Rückschlagventil
mit Drosselrohr, einem, am Zentralrohr umfangseitig befestigten, elastischen Schlauch
und mit Bohrungen im Zentralrohr zur hydraulischen Verbindung des Innenraumes des
Zentralrohres mit einem durch den Schlauch und das Zentralrohr gebildeten Ringraum
versehen ist.
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Beim Einspritzvorgang entsteht durch das Drosselrohr ein Überdruck
in dem Innenraum des Zentralrohres. Ein Teil des Mediums wird daher durch die Bohrungen
in den Ringraum gepreßt, aus dem es wegen der die Bohrungen abdeckenden, elastischen
Rücklaufsperre nicht wieder herausfließen kann. Der auftretende Druck reicht aus,
den Schlauch soweit auszudehnen, daß sich der Ringspalt zwischen dem Schlauch und
der Bohrlochwand schließt und der Schlauch zur Anlage an die Bohrlochwand gelangt.
Der Einweg-Bohrlochverschluß bleibt auch nach dem Einspritzvorgang unverrückbar
in der gesetzten Position, da das im Ringraum enthaltene Kunstharz-Gemisch aushartet.
Bei schäumbaren Kunstharzen als Medium trägt der Blähdruck zusätzlich dazu bei,
daß ein haltbarer Anschluß des Schlauches an die Bohrlochwand erzielt wird.
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Bei unterschiedlich großen Querschnitten von Bohrlöchern, bei einen
Bohrloch mit abschnittsweise unterschiedlich großen Querschnitten und axialen Versetzungen
besteht das Problem, das eingespritzte medium zwischen dem Schlauch und der Bohrlochwand
sicher abzudichten. Von einem Verschlußstopfen ist daher ein extremes Anpassungsvermögen
bei sicherer Abdichtung zu fordern.
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Bei dem vorbeschriebenen Einweg-Bohrlochverschluß ist dies bei einem
entsprechenden, angepaßten Bohrloch gewährleistet. Liegt jedoch im Dereich des Schlauches
ein radial aufgeweiteter Bohrung abschnitt vor, so kann entweder der Schlauch diese
Aufweitung nicht ausfüllen oder der Schlauch wird so stark aufgeweitet, daß wenigstens
eine Schlauchbefestigung gelöst wird. In beiden Fällen ist die sichere Abdichtung
im Bohrloch nicht mehr gewährleistet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verschlußstopfen
vorzuschlagen, der auch bei unterschiedlich großen Bohrloch-Querschnitten oder unregelmäßigen
Querschnitten das Bohrloch sicher abdichtet.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches
1 gelöst. Der Erfindung liegt ein zweistufiges, vom Mediumdruck abhar'-giges Prinzip
zugrunde. In der ersten Stufe wird bis zur Durchschaltung eines druckabhängigen
Ventils der Ringraum zwischen dem Schlauch und dem Zentralrohr gefüllt und aufgeweitet.
Das maximale Formänderungsvermögen des Schlauches und damit Anpassung an unterschiedlich
große Bohrlöcher wird durch den an nur einem einzigen Ende befestigten Schlauch
erreicht. Die extreme radiale Aufweitung des Schlauches verkürzt seine Länge. Nachdem
der Schlauch an seinem vorderen Ende mit den metallischen Rückhaltefedern über eine
Hülse fest verbunden ist, und die Rückhaltefedern fest im Gestein oder der Kohle
festgelegt sind, wird das Zentralrohr entgegen der Einfüllrichtung des Mediums verschoben.
Dadurch wird der Vorteil erreicht, daß die Formänderung des Schlauches ungehindert
möglich ist und nicht seine Befestigung am Zentralrohr beeinflußt.
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vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den
Unteransprüchen angegeben.
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ach dem Anspruch 2 liegt eine kostengünstige und einfache Ausführung
des Verschlußstopfens vor. Sie hat den Vorteil, daß bei einem maximalen Durchmesser
des Bohrloches der Schlauch mit verhältnismäßig großer Fläche an die Bohrlochwand
anpreßbar ist, ohne daß die Befestigung des Schlauches am Zentralrohr überhaupt
beeinflußt wird. Denn das Zentralrohr wird aufgrund der Längenverkürzung des Schlauches
Schritt um Schritt im Bereich des einströmseitigen Endes des Schlauches axial verschoben.
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Nach dem Anspruch 3 liegt eine konstruktiv einfache Lösung für die
Teleskopierbarkeit des Zentralrohres entgegen der Injektionsrichtung des Mediums
vor. Dadurch wird bei gefülltem Bohrloch auf den Schlauch ein zusätzlicher Druck
ausgeübt, der zu einer zusätzlichen radialen Anpressung des Schlauches an der Bohrlochwand
führt.
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Nach dem Anspruch 4 liegt eine kostengünstige Fertigung des Schlauches
einschließlich des Ventiles vor.
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Nach dem Anspruch 5 ist auf einfache Weise die Dichtwirkung des Ventiles
gewährleistet, indem der Druck des Mediums der Druckkammer mit einer Kraftkomponente
in Schließrichtung des Ventiles wirkt.
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Konstruktive Ausgestaltungen des heckseitigen Ventiles als druckabhängig
schaltendes Durchgangsventil sind in den Ansprüchen 6 und 7 angegeben. Die Schaltfunktion
hängt entweder von der Kennlinie der Feder oder von dem Formänderungsvermögen der
elastischen Hülse ab.
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Nach den Ansprüchen 8 und 9 ist ein aus wenigen bewegbaren Teilen
bestehender Verschlußstopfen gewährleistet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
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Es zeigt: Fig. 1 einen Verschlußstopfen; Fig. 2 einen weiteren Verschlußstopfen;
Fig. 3 die Verschlußstopfen nach Fig. 1 oder 2 in Bohrungen des Gesteins oder in
der Kohle mit unterschiedlich großen Radien; Fig. 4 den Verschlußstopfen nach Fig.
2 während des Injektions-Vorganges; Fig. 5 den Verschlußstopfen nach Fig. 2 nach
Abschluß des Injektionsvorganges; Fig. 6 einen Abschnitt des Verschlußstopfens nach
Fig. 1 während des Injektionsvorganges; Fig. 7 einen Abschnitt des Verschlußstopfens
nach Fig. 1 nach Abschluß des Injektionsvorganges.
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Nach Fig. 1 weist ein Verschlußstopfen 1 ein Zentralrohr 2 aus Stahl
auf. Dieses Zentralrohr 2 ist mit einem Gewinde 3 für ein Füllrohr (Fig. 4), mit
seitlichen Bohrungen 5, 6, einem Absatz 8 für einen Stützring 9 zur klemmenden Verbindung
eines vorderen Endes 7 eines Schlauches 10, einen axial verschiebbaren Lagerring
auf. Auf dem Lagerring 11 sind aus Stahl bestehende Halte federn 12 und ein hinteres
Schlauchende 14 befestigt. Mit dem Schlauchende 14 ist eine Dichtlippe 15 einstückig
verbunden. Die Dichtlippe 15 weist eine axiale Dichtfläche 151 auf.
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Im Bereich der vorderen Bohrungen 6 des Zentralrohres ist eine Platte
16 aus Stahl durch eine Sicke 2 formschlüssig befestigt. An der Platte 16 liegt
ein Schließkörper 17 aus gummielastischem Werkstoff an und bedeckt die Bohrungen
6. Der Schließkörper weist einen Innenkonus 18 auf.
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Nach Fig. 2 ist ein Verschlußstopfen 19 nahezu baugleich mit dem Schließkörper
1 nach Fig. 1 ausgebildet.
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Diesbezüglich gleich ausgebildete konstruktive Teile tragen daher
dieselben Bezugszeichen. Unterschiedlich ist jedoch die Ausgestaltung des Ventils
an den vorderen Bohrungen 6 des Zentralrohres 2.
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An einem Absatz 20 liegt ein Kolben 21 mit einer Ringnut 22, radialen
Bohrungen 23 und einem Hohlraum 24 an. Eine Feder 25 ist am Kolben und an einem
Stützring 26 mit Öffnung 27 angebracht.
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Der Kolben 21 ist in Schließstellung gezeichnet.
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Der Stützring 26 befestigt den Schlauch 10 durch Klemmung an dem Zentralrohr
2.
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Nach Fig. 3 ist schaubildlich dargestellt, wie der Verschlußstopfen
bzw. 19 in der Lage ist, unterschiedlich große Bohrungen im Gestein oder in der
Kohle 31 flüssigkeitsdicht abzudichten.
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Bei einer Bohrung 35 mit einem Nenndurchmesser 36 ist der Verschlußstopfen
1 bzw. 19 in der Bohrung 35 durch die Haltefedern 12 in der Ebene 32 mechanisch
arretiert. Das Medium, das Wasser oder ein Einkomponenten oder ein Zweikomponenten
Kunststoff sein kann, ist in die Bohrung 35 einfüllt worden und befindet sich auch
in der Druckkammer 13.
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Das Zentralrohr 2 ist etwa in der Ausgangsstellung entsprechend den
Figuren 1 und 2. Das hintere Ende des Zentralrohres 27 liegt daher in einem Abstand
41 zur Ebene 32.
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Demgegenüber ist bei einer Bohrung 35 mit maximalem Bohrungsdurchmesser
33 das hintere Ende 37 um den Abstand 43 entgegen der Einfüllrichtung 38 verschoben.
Dies wird dadurch bewirkt, daß der durch die Haltefedern 12 in der Ebene 32 festgelegte
Verschlußstopfen 1 bzw.
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19 bei der Injektion des Mediums 40 die Druckkammer 13 des Schlauches
10 zuerst aufgefüllt wird. Nachdem das vordere Ventil 17 bzw. 22 erst bei einem
bestimmten Druck öffnet, wird der Schlauch 10 in radialer Richtung solange aufgeweitet,
bis er dichtend an der Bohrung 35 anliegt.
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Durch die radiale Formänderung des Schlauches 10 erfolgt zwangsläufig
eine axiale Verkürzung des Schlauches zwischen dem Stützring 9 bzw.
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26 und dem Lagerring 11. Dies hat zur Folge, daß diese Verkürzung
des Schlauches 10 die Verschiebung des Zentralrohres 2 um den Schiebeweg 43 bewirkt.
Der Abstand des hinteren Endes 37 des Zentralrohres 2 von der Ebene 32 bei maximalem
Schiebeweg 43 ist mit 42 bezeichnet.
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Nach Fig. 4 wird über das Füllrohr 4 das Medium 40 in den Innenraum
39 des Zentralrohres 2 gedrückt. Durch den Druck im Innenraum 39 wird das Medium
40 durch die hinteren Bohrungen 5 gedrückt, wobei sich die axiale Dichtfläche 15'
der Dichtlippe 15 öffnet. Das Medium fließt in die Druckkammer 13 des Schlauches
10 und legt den Schlauch entsprechend der Oberflächen-Wellung an die Wand der Bohrung
35 an. Die verhältnismäßig große Anlagefläche des Schlauches 10 an der Bohrung 35
dichtet die Bohrung 35 gegen umfangseitiges Ausströmen des Mediums 40 sicher ab.
Außerdem wird der durch die Haltefedern 12 bewirkte feste Sitz des Verschlußstopfens
1 in der Bohrung 35 zusätzlich erhöht.
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Nach Erreichen eines bestimmten Druckes des Mediums 40 in der Druckkammer
13 und in dem Innenraum 39 wird der Kolben 21 in Pfeilrichtung 38 bis zum Anschlag
am Stützring 26 verschoben. Die Feder 25 wird dabei gespannt. Die Ringnut 22 und
die Bohrungen 23 fluchten mit den vorderen Bohrungen 6 des Zentralrohres 2.
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Dadurch fließt das Medium 40 aus der Druckkammer 13 durch den Kolben
21 und durch die Öffnung 27 hindurch in die Bohrung 35. Cach Fig. 5 ist der Injektionsvorgang
beendet und das Füllrohr 4 vom Verschlußstopfen 1 abgeschraubt. Der durch den Injektionsvorgang
erzeugte Druck des Mediums 40 im Bohrloch 35 drückt auf die Stirnfläche 45 des Verschiußstopfens
1 und damit auf den Kolben 21. Nachdem der Innenraum 39 ohne Flüssigkeitsdruck ist,
bewirkt der Druck des Mediums 40 in der Bohrrung 35, unterstützt durch die Feder
25, die Verschiebung des Kolbens 21 in Schließstellung.
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Dadurch wird das Zurücklaufen des Mediums 40 in die Druckkammer 13
verhindert.
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Die Dichtlippe 15 verschließt aufgrund der Druckunterschiede in der
Druckkammer 13 und des Innenraumes 39 die Bohrungen 5.
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Durch den stirnseitigen Druck des Mediums 40 auf die Stirnfläche 45
des Verschlußstopfens 1 und auf den Kolben 21 wird das Zentralrohr 2 im Lagerring
11 verschoben, wenn auch nur geringfügig. Es entsteht durch die dadurch bewirkte
Volumenänderung im Druckraum 13 ein Überdruck, der den Schlauch 10 an die Bohrlochwand
34 anpreßt und das Bohrloch 35 abdichtet.
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Nach Fig. 6 ist ein Abschnitt des Verschlußstopfens 1 nach Fig. 1
während des Injektionsvorganges in den Ausschnitt dargestellt, der zum Verschlußstopfen
19 nach Fig. 2 unterschiedlich ist.
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Das durch das Füllrohr 4 gepumpte Medium 40 strömt in den Druckraum
13 des Verschlußstopfens 1 nach Erreichen eines bestimmten Druckes in dem Druckraum
13 strömt das Medium 40 durch die vorderen Bohrungen 6 an dem sich öffnenden Schließkörper
17 vorbei in das Bohrloch 35.
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Nach Fig. 7 ist das Füllrohr 4 entfernt. Das Medium 40 drückt in Pfeilrichtung
46 den Schließkörper 17. Damit schließt der Schließkörper 17 die Bohrungen 6. Das
Zurücklaufen des Mediums 40 in den Druckraum 13 ist verhindert.
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Der Druck auf den Fließkörper 17 und auf die Stirnfläche 45 des Verschlußstopfens
1 wird das Zentralrohr 2 in Pfeilrichtung 46 geringfügig in dem Lagerring 11 verschoben.
Aufgrund der geringfügigen Volumenänderung in der Druckkammer 13 entsteht in dieser
ein Überdruck, der den Anpreßdruck des Schlauches 10 an die Bohrlochwand 34 zusätzlich
zum ursprünglichen Druck des Mediums 40 an die Bohrlochwand anpreßt und das Bohrloch
35 abdichtet.
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Bei einem Medium, das nach der Injektion chemisch reagiert unter Druckerhöhung,
wird aufgrund des verschiebbaren Zentralrohres 2 die Dicht-und Haltefunktion des
Verschlußstopfens in beschriebener Weise zusätzlich erhöht.
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