DE3625129C2 - Schachtausbau mit Gußeisen-Ringelementen für tiefe Gefrierschächte des Bergbaus - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schachtausbau, insbesondere für den Ausbau tiefer Schächte in nicht standfestem wasserführenden Gebirge entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Ausbau ist z. B. aus dem deutschen Patent 28 23 950 der Anmelderin bekannt. Aufgrund der speziellen Ausgestaltung dieses bekannten Schachtausbaus wird er­ reicht, daß der äußere Ausbauzylinder den Gebirgsdruck, der innere Ausbauzylinder aber praktisch nur noch den Wasserdruck aufnehmen muß. Dadurch, daß der äußere Aus­ bauzylinder wasserdurchlässig ausgebildet ist, während das Raumgewicht des in der Ringfuge zwischen innerem und äußerem Ausbauzylinder vorgesehenen Füllmittels etwa dem Raumgewicht von Wasser entspricht, wirkt auf den inneren Ausbauzylinder praktisch nur der dem Wasserdruck entspre­ chende Radialdruck ein.

Bei dem bekannten Schachtausbau besteht der innere Aus­ bauzylinder aus übereinander gestapelten Stahlbeton-Ver­ bundtragringen. Da der Radialdruck mit zunehmender Teufe größer wird, müssen diese Verbundtragringe dort sehr großen Beanspruchungen standhalten können. Deshalb ist bei dem bekannten Schachtausbau für größere Teufen eine spezielle Form von Verbundringen vorgesehen. Diese hoch belastbaren Verbundringe bestehen aus einer inneren und einer äußeren Gußeisen- oder Stahlschale, die auf der in­ neren bzw. auf der äußeren Wand eines Betonsegments ange­ ordnet sind.

Bei sehr großen Teufen jedoch werden die Stahl- oder Guß­ eisendicken und damit die Wanddicke des Innenausbaus ins­ gesamt zu groß.

Die DE-AS 12 03 214 offenbart einen wasserdichten Schachtausbau aus Tübbingen bzw. Tübbingelementen und einem zwischen Gebirgsstoß und Tübbingsäule vorgesehenen wasserdichten Dichtzylinder, bei dem der Dichtzylinder als Haut unmittelbar auf dem Tübbingzylinder aufliegt. Der Dichtzylinder wird in geringer Wanddicke aus Stahl­ blech oder Kunststoffplatten aufgebaut. Der Tübbingzylin­ der übernimmt ausschließlich die auf den Schachtausbau einwirkenden Druckkräfte. Dieser Schachtausbau ist über seine gesamte Länge gleich aufgebaut; setzt also voraus, daß der äußere Dichtzylinder wasserdicht ist und in vol­ ler Höhe sowohl den Wasser- als auch den Gebirgsdruck aufnimmt. Das hieraus bekannte Tübbingprofil ist aber we­ nig geeignet, Biegespannungen aus ungleichförmigem Ge­ birgsdruck zu tragen, weil der U-förmige Querschnitt der Tübbingelemente hinsichtlich Biegesteifigkeit und Wider­ standsmoment nicht die besten Eigenschaften aufweist. Mit wachsenden Teufen ist das Tübbingprofil für die sichere Beherrschung des Gebirgsdrucks unwirtschaftlich. Hierbei ist zu beachten, daß nicht nur der Gebirgsdruck mit zu­ nehmender Teufe anwächst, sondern auch häufig wechselnde Gebirgseigenschaften zu berücksichtigen sind.

Als weiterhin nachteilig wird bei dieser Bauart deren konstruktiver Aufbau empfunden. Es werden nämlich entwe­ der die aus mehreren Segmentringen aufeinandergesetzten Tübbingschüsse mit dem verschweißten Dichtzylinder zu Fertigteilen verbunden oder eine besondere Tübbingform in den vorgefertigten Dichtmantel paßgenau montiert. Beide Montageformen sind aber aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schachtausbau hinsichtlich Aufbau und Gebirgsverhalten derart zu verbessern, daß er insbe­ sondere bei großen Teufen in nicht standfestem und was­ serführendem Gebirge die dort herrschenden Gebirgs- und Wasserdrücke sicher aufnehmen kann, wobei der Schachtaus­ bau dennoch imstande sein soll, sich Verformungen des Ge­ birgskörpers anzupassen und er seine Funktionsfähigkeit auch dann behält, wenn er in größeren Teufen höheren Ge­ birgsdruckbeanspruchungen ausgesetzt ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Als bedeutende Verbesserung gegenüber dem Stand der Tech­ nik wird neben der gleitenden Anordnung der die Ringsäule bildenden Tragringe in dem Stahlmantel die Werkstoffaus­ wahl für die Ringsegmente und deren konstruktive Ausge­ staltung angesehen.

Ausgehend von dem Grundgedanken, daß der dichte Ausbau nur Druck-, Schub- und Biegedruckspannungen aufnehmen muß, ist die Lösung für den inneren Ausbauzylinder mit Gußeisen-Ringsegmenten bei größeren Teufen fortbildend. Während in geringen Teufen, z. B. in Teufen oberhalb einer Grenze, die etwa zwischen 400 m und 500 m liegt, die Stahlbeton-Verbundringe eine wirtschaftlich günstige Lö­ sung für den inneren Ausbauzylinder darstellen, ist die Lösung mit Gußeisen-Ringsegmenten bei größeren Teufen wirtschaftlicher.

Bei der Herstellung der Gußeisen-Ringsegmente kann man die für den Einzelfall wirtschaftlichste Gußeisensorte auswählen. Die Gußeisen-Ringsegmente stoßen stumpf anein­ ander. Als günstigste Querschnittsform für die Gußeisen- Ringsegmente hinsichtlich Biegesteifigkeit und Wider­ standsmoment hat sich ein H-förmiger Querschnitt erwie­ sen. Die H-förmigen Gußeisen-Ringsegmente liegen unmit­ telbar aufeinander und stützen sich auch unmittelbar auf­ einander ab. In den horizontal liegenden Stegen der ein­ zelnen Gußeisen-Ringsegmente befinden sich Vergußlöcher, durch die hindurch Füllbeton in den Zwischenraum zwischen zwei vertikal benachbarten Tragringen eingegossen wird. Die Betonfüllung hat lediglich die Aufgabe einer Fixie­ rung der einzelnen Elemente, ohne aber selbst eine ausge­ sprochene Tragfunktion auszuüben. Weiterhin erleichtern die Vergußlöcher die Handhabung der Segmente beim Trans­ port oder Einbau. Hierzu ist mindestens eines der Verguß­ löcher - im Grundriß gesehen - auf einer durch den Schwerpunkt des Ringsegments verlaufenden Geraden ange­ ordnet.

Aufgrund der besonderen Konstruktion des Schachtausbaus können also die Tragringe der Ringsäule so ausgelegt wer­ den, daß sie den zu erwartenden Beanspruchungen standhal­ ten. Es bietet sich bei den erfindungsgemäßen Gußeisen- Ringsegmenten an, eine besonders billige Gußeisensorte zu wählen. Die Ringsegmente bestehen beispielsweise aus Guß­ eisen mit Kugelgraphit GGG oder aus Gußeisen mit Lamel­ lengraphit GG.

Vorzugsweise sind die einzelnen Gußeisen-Ringsegmente be­ nachbarte Tragringe jeweils um eine halbe Segmentlänge in Umfangsrichtung versetzt, so daß in jedem zweiten Trag­ ring die Stoßkanten der Ringsegmente dieser Tragringe miteinander fluchten (Anspruch 3).

Die Erfindung ist besonders günstig anwendbar bei einem Schachtausbau, wie er in der oben erwähnten DE-PS 28 23 950 der Anmelderin beschrieben ist. Diese spezielle Anwendung der Erfindung ist im Anspruch 4 angegeben.

Andererseits ist die Erfindung aber nicht auf den oben erwähnten speziellen Schachtausbau beschränkt. Es ist auch möglich, die Erfindung zu verwenden bei einem Ge­ frierschacht, dessen äußerer Ausbauzylinder als nicht tragender Ausbauzylinder ausgebildet ist. Bei einem sol­ chen Schachtausbau wird das Raumgewicht des weichen As­ phalts zwischen äußerem und innerem Ausbauzylinder ent­ sprechend dem Wasser- und Gebirgsdruck gewählt. Dieser Anwendungsfall ist im Anspruch 5 angegeben.

Grundsätzlich ist die Erfindung auch noch bei anderen Schachtausbau-Typen verwendbar, insbesondere bei einem Schachtausbau für einen im Bohrschachtverfahren abgeteuf­ ten Schacht. Auch bei einem derart abgeteuften Schacht wird das Raumgewicht des Asphalts auf der Außenseite der Ringsäule entsprechend dem Wasser- und Gebirgsdruck eingestellt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen längsgeschnittenen Abschnitt eines Ausbaus in perspektivischer Darstellung.

In der Zeichnung sind der äußere Ausbauzylinder mit A, der inneren Ausbauzylinder mit B und das die Ringfu­ ge zwischen beiden Ausbauzylindern ausfüllende zäh­ flüssige Füllmittel in Form weichen Asphalts mit C be­ zeichnet. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist der äußere Aus­ bauzylinder A gebirgsverbunden, indem er an das ihn außen umgebende Gebirge 1 mittels Vergußmörtels 2 dicht angeschlossen ist. Er besteht aus zwei bzw. drei Ringmauern 3, 3a und 3b, die als Trockenmauerwerk aus hochfesten Betonformsteinen 4 errichtet sind, in deren vertikale und horizontale Fugen unter Druck nachgiebi­ ge Flachsspanplatten 5 bzw. 5a eingelegt sind. Die nur wenige Zentimeter breiten Ringfugen 6 zwischen den einzelnen Ringmauern 3, 3a und 3b sind mit Sand ausge­ füllt.

Auf Grund des beschriebenen Aufbaus ist der äußere Ausbauzylinder A nach Art eines Siebs wasserdurchläs­ sig ausgebildet, jedoch gegenüber dem ihn von außen beanspruchenden Gebirgsdruck sowohl druckfest als auch begrenzt radial verformbar.

Je nach dem zu erwartenden höheren oder geringe­ ren äußeren Gebirgsdruck, der nicht nur von der Teufe abhängt, sondern auch gebirgsschichtspezifisch ist, weist der äußere Ausbauzylinder A eine entsprechend kleinere oder größere Anzahl im Abstand koaxial zuein­ ander angeordneter Ringmauern 3, 3a und 3b auf, so daß er unter dem von außen einwirkenden Gebirgsdruck einer über seine Länge im wesentlichen gleich großen radialen Verformung bzw. Zusammendrückung unter­ worfen ist. Während die äußeren Ringmauern um ein relativ größeres Maß vom Gebirgsdruck zusammenge­ drückt werden, baut sich dieses Maß dank des Charak­ ters der Fugenfüllungen 5, 5a bzw. 6 bezüglich der in­ nenliegenden Ringmauern stufenweise ab. Auf diese Weise kann sich der Radius unter der Gebirgsdruckver­ formung bis zu etwa 10 cm verkleinern. Ist die Anzahl der Ringmauern im Hinblick auf den lokal jeweils zu erwartenden gebirgsspezifischen Gebirgsdruck richtig gewählt, verkleinert sich der Innenradius des äußeren Ausbauzylinders A über seine gesamte Längen nahezu gleichmäßig um nur wenige Zentimeter.

Entsprechend diesem zu erwartenden Maß der Ver­ kleinerung des Innenradius des äußeren Ausbauzylin­ ders A ist die Breite der Ringfuge 7 zwischen dem äuße­ ren Ausbauzylinder A und dem inneren Ausbauzylinder B gewählt. Es genügt im allgemeinen, sie in der Größen­ ordnung von etwa 10 cm oder nur wenig mehr zu be­ messen.

Die Ringfuge 7 ist mit weichem Asphalt C ausgefüllt, dessen Raumgewicht durch Beimengung von Kalkmehl oder dergleichen auf nur etwa 1,05 eingestellt ist, so daß es das Raumgewicht von Wasser nur geringfügig über­ steigt.

Der Asphaltmantel C innerhalb der Ringfuge 7 ist mithin im Stande, den Druck des durch den äußeren Ausbauzylinders A zu ihm durchdringenden Wassers aufzunehmen, und er belastet folglich auch den inneren Ausbauzylinder B nur etwa mit dem natürlichen Was­ serdruck.

Der innere Ausbauzylinder B wird zunächst von ei­ nem äußeren, geschlossenen und wasserdicht ver­ schweißten Stahlblechmantel 8 gebildet, der sich unmit­ telbar an die Asphaltfüllung C anschließt. Er kann infol­ ge der Gleiteigenschaften des Asphaltmantels C relativ zu diesem gleiten.

Der inneren Ausbauzylinder B besteht außerdem aus einer innerhalb des Dichtmantels 8 angeordneten Ring­ säule 9 aus übereinander gestapelten Tragringen. Die Tragringe bestehen jeweils aus stumpf aneinander stoß­ enden Gußeisen-Ringsegmenten 9a, 9b. In der Zeich­ nung sind die jeweils einem Tragring zugehörigen Ring­ segmenten mit 9a und die dem benachbarten Tragring zugeordneten Ringsegmenten mit 9b bezeichnet. Die Ringsegmente eines Tragrings sind gegenüber den Ringsegmenten des benachbarten Tragrings um eine halbe Segmentlänge in Umfangsrichtung versetzt, so daß die Stoßfugen in jeweils jedem zweiten Tragring fluchten.

Zwischen der Ringsäule 9 und dem Stahlblechmantel befindet sich eine mit Zementmörtel gefüllte Ringfuge 10. Diese gefüllte Ringfuge dient zum Ausgleich von Maßtoleranzen zwischen den Bauteilen.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, hat jedes Ring­ segment 9a, 9b einen hantelförmigen oder H-förmigen Querschnitt mit horizontalem Steg. In dem Steg jedes Ringsegments 9a, 9b befindet sich mindestens ein Ver­ gußloch 12, welches auch beim Transport und bei der Handhabung der Ringsegmente nützlich ist. Üblicher­ weise befinden sich in einem Ringsegment mehrere, z. B. 5, Vergußlöcher 12.

Wie der Zeichnung weiterhin entnehmbar ist, stoßen die einzelnen Gußeisen-Ringsegmente 9a, 9b mit ihren Stirnseiten stumpf aneinander. Die oberen und unteren Flächen der an den Steg anschließenden Querschenkel benachbarter Tragringe liegen stumpf aufeinander. Nachdem auf einem bereits vorhandenen Tragring ein weiterer Tragring aus mehreren Ringsegmenten aufge­ legt ist, wird der Zwischenraum zwischen den beiden benachbarten Tragringen mit Beton ausgefüllt. Der Be­ ton wird durch die Vergußlöcher 12 eingebracht. In der Zeichnung sind die Zwischenräume zwischen den unte­ ren Tragringen mit Füllbeton 11 ausgefüllt, der Zwi­ schenraum zwischen den beiden obersten Tragringen ist noch nicht ausgefüllt.

Während die in der Zeichnung dargestellte Konstruk­ tion der Ringsäule 9 vornehmlich in größeren Teufen, z. B. in Teufen unterhalb einer Grenze, die zwischen 400 m und 500 m liegt, eingesetzt wird, können in geringeren Teufen die in der DE-PS 28 23 950 beschriebenen Stahl­ beton- oder Gußeisen-Verbundringe wirtschaftlich ein­ gesetzt werden.

Als Material für die Gußeisen-Ringsegmente kommt die im Einzelfall wirtschaftliche Gußeisensorte GG oder GGG in Frage. Die Ringsäule 9 ist ausschließlich Druck-, Schub- und Biegedruckbeanspruchungen aus­ gesetzt. Die aus aufeinander gestapelten und zusam­ mengesetzten Ringsegmenten bestehende Ringsäule vermag diese Spannungen schadlos aufzunehmen. Der Füllbeton 11 zwischen benachbarten Tragringen dient einerseits als Korrosionsschutz, andererseits als Tragre­ serve.

Claims (5)

1. Schachtausbau für den Ausbau tiefer Schächte in nicht standfestem wasserführenden Gebirge (1), welcher aus mindestens einem dichten druckfesten Ausbau (B) ge­ bildet ist, welcher von einem zähflüssigen Mantel (C) umgeben ist, und der in an sich bekannter Weise was­ serdicht ausgebildet ist und aus einem äußeren was­ serdichten Stahlmantel (8) mit einer darin angeordne­ ten, übereinandergestapelte Tragringe aufweisenden Ringsäule (9) besteht, wobei die Tragringe in der Ringsäule (9) in dem Stahlmantel (8) gleitend ange­ ordnet sind, die Tragringe der einen inneren Aus­ bauzylinder (B) mit bildenden Ringsäule (9) aus druck- und biegefesten Gußeisen-Ringsegmenten (9a, 9b) bestehen und die Gußeisen-Ringsegmente (9a, 9b) stumpf aneinanderstoßen, gekennzeich­ net durch folgende Merkmale:

• - der Vertikalquerschnitt jedes Ringsegments (9a, 9b) ist H-förmig mit horizontalem Steg;
• - in jedem Steg ist mindestens ein Vergußloch (12) ausgebildet;
• - der von zwei benachbarten Tragringen eingeschlos­ sene Raum ist mit Füllbeton (11) ausgefüllt.

2. Schachtausbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (9a, 9b) aus Gußeisen mit Kugelgraphit GGG oder aus Gußeisen mit Lamellengraphit GG bestehen.

3. Schachtausbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (9a, 9b) derart angeordnet sind, daß ihre stumpf an­ einander stoßenden Kanten in jedem zweiten Tragring miteinander fluchten.

4. Schachtausbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, für im Gefrierverfahren abgeteufte Schächte, mit minde­ stens zwei mit radialem Abstand koaxial ineinander angeordneten tragenden Ausbauzylindern (A, B), deren Ringfuge (7) den zähflüssigen Mantel (C) aus weichem Asphalt aufnimmt, wobei das Raumgewicht des Asphalts das Raumgewicht von Wasser nur geringfügig über­ steigt, und wobei der äußere gebirgsverbundene und in Abhängigkeit vom Druckverhalten der durchteuften Ge­ birgsschichten aus einem oder mehreren Ausbauringen in Form von koaxial zueinander angeordneten Ringmau­ ern (3, 3a, 3b) zusammengesetzte Ausbauzylinder (A) wasserdurchlässig und gegenüber dem ihn beanspruchen­ den Gebirgsdruck druckfest, jedoch radial begrenzt verformbar ausgebildet ist, während der innere, den im umgebenden Gebirge anstehenden Wasserdruck aufneh­ mende Ausbauzylinder (B) aus dem Stahlmantel (8), der Ringsäule (9) und einer Ringfuge (10) zwischen dem Stahlmantel (8) und der Ringsäule (9) gebildet ist.

5. Schachtausbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, für im Gefrierverfahren abgeteufte Schächte, wobei der Ausbau mindestens zwei mit radialem Abstand koaxial ineinander angeordnete Ausbauzylinder (A, B) auf­ weist, in deren Ringfuge (7) der aus weichem Asphalt bestehende Mantel (C) aufgenommen ist, wobei der Außenausbau (A) als nichttragender Ausbau ausgebildet ist, das Raumgewicht des Asphalts das Raumgewicht des Wassers geringfügig übersteigt und der innere Aus­ bauzylinder (B) aus dem Stahlmantel (8), der Ringsäule (9) und der dazwischen liegenden Ringfuge (10) besteht.