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Verfahren zur Beobachtung der Bodenveränderungen von Hangendschichten
Durch das allmähliche Schwinden oder Einstürzen der Hohlräume des Abbaues von Flözen.
des Bergbaues wird das über dem Flöz befindliche Hangendgestein in Bewegung gesetzt,
und diese Bodenbewegung kann z. B. ein Durchbiegen oder -Nahstürzen .der Hangen@dschichten
im Gefolige haben. Dieser Vorgang kann sich allmählich bis zur Erdoberfläche fortsetzen,
und seine Auswirkung kann sich auf der Erdoberfläche in Form von Senkungen äußern.
Diese Folgen des Abbaues können durch Ausfüllen der Hohlräume mittels Versatzmaterials
wohl verringert werden, auschlieBldch durch Maßnahmen des Bergbaues selbst ist es
aber nicht möglich, dem Vorgange vorzubeugen, und .derselbe kann auf diese Weise,
falls er bereits eingetreten ist, nicht wieder zum Stillistande gebracht werden.
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In Iden Hangendschichten und auf der ErdoberfläChe können mehr oder
weniger ähnliche Erscheinungen und Wirkungen auch aus einer Reihe von anderen Gründlen
auftreten; so können z. B. ähnliche Bodenbewegungen auch von Untergrundgewässern
'herbeigeführt werden, z: B. falls deren Strö-mungs- oder Versickerungsrichtung
sich ändert, was ebenfalls infolge des Abbaues, aber auch aus anderen Gründen eintreten
kann.
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Die Erfindung bezweckt, ein Verfahren und Einrichtungen zu schaffen,
durch die ermöglicht wird, diese in den Hangendschichten sich ergebenden Bodenveränderungen
zu messen und, falls dies erforderlich sein sollte, die Auswirkungen der erwähnten
Bodenveränderungen, in Richtung zur Erdoberfläche mindestens teilweise vorbeugend
zu beseitigen bzw., falls diese Auswirkungen bereits eingetreten sein sollten,dieselben
an einer beliebigen Stelle oder in einer beliebigen Ebene (Tiefe) wieder zum Stillstand
zu bringen.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß die Schichten des Hangendgesteins
von einem zugeführten flüssigen oder gasförmgen Mittel in Abhängigkeit von ihrem
Aggregatzustandie sowie in Abhängigkeit von dem jeweils angewendeten Druck eine
von der Zähigkeit des betreffenden Mittels- abhängige Menge aufnehmen (ableiten
oder aufsaugen), und d?,e Erfindung beruht auf den
beiden neuen
Erkenntnissen, daß einerseits das Schluckvermögen des betreffenden Gesteins .gegenüber
einem im übrigen unter gl:eiahen Bedingungen zugeführten Mittel bei unverändertem
-Gesteinzustande konstant -iAr: d. b. die in der Zeiteinheit von dem betrefferi-:
den Mittel aufgenommene oder abgeleitete Menge bleibt konstant, und daß anderseits
die Änderung des erwähnten Schluckvermögens eine derartige Funktion des Ausmaßes
der im Aggregatzustande (Dichtigkeit) der Hanendschichten eingetretenen Änderungen
bildet, daß sie für derartige Bodenveränderungen als Maßstab dienen kann.
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Die Erfindung besteht nun unter Nutzbarmachung der obigen Erkenntnisse
darin, daß des Schluckvermögen der Hangendsobichten gegenüber einem flüssigen und/oder
gasförmigen Mittel, das den Hangendschichten über Bohrlöcher hindurch, die von Übertage
her oder von einem im Hangend:gestein liegenden Stollen o. dgl. abgeteuft wurden,
ständig zugeführt wird, in prüfender und messender Weise beobachtet wird und daß
in Abhängigkeit von der Größe oder Änderung des Schluckvermögens weitere gefahrvolleBodenveränderungen
dadurch beseitigt werden, daß in die Hangendschichten Versatzgut, vorzugsweise zementhaltiges,
eingeführt wird.
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Die Erfindung ist dort von :ganz besonderer Bedeutung, wo auf der
Erdoberfläche oder in der Nähe derselben bzw. in Verbindung mit derselben wichtige
und empfindliche Gebäude, Maschinenhäuser, Schornsteine, Eisenbahnanlagen, Rohrleitungen,
Förder- oder Luftschächte usw. errichtet sind, die infolge der durch Abbauarbeiten
oder aus sonstigen Gründen eintretenden Untergrundbewegungen Schäden erleiden können,
die in weiterer Folge ständige lästige Instandhaltungsmehrkosten und auch Betriebsstörungen
verursachen oder sogar gefahrdrohend sein können. Durch die Erfindung können diese
Nachteile unter Umständen schon vorbeugend beseitigt werden. Darüber hinausgehend
kann durch die Erfindung im Bergbau auch der weitere Vorteil erreicht werden, daß
die üblichen Schutzpfeiler der von Übertage her zu den Flözen o. dgl. führenden.
Schächte im Flöze weitgehendst abgebaut wenden, ohne daß die hierbei sonst befürchtetenFol;geerscheinungen
auftreten würden. Dadurch werden infolge Vermeidung der hier bisher sich stets ergebenden
Erz- und Kohlenverluste, ferner hinsichtlich Feuerschutz usw. Vorteile von ganz
außergewöhnlicher Wichtigkeit erzielt.
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Die Bedeutung und Zweckmäßigkeit der Erfindung wird @dadurch noch
weiter er'hö'ht, daß einerseits das neue Verfahren an sich und die zu seiner Verwirklichung
notwendigen technischen Mittel äußerst einfach sind, ferner daß .die schon an sich
.geringen Kosten, die durch die Anwendung der Erfindung entstehen, Gegenstand einer
verläßlichen Vor-` ])er echnung sein können, so daß diese Kosten . stets mit den
jeweils zu erreichenden Zielen, d. h. mit dem jeweils angestrebten Grad dies Schutzes
bzw. .der Stabilisierung der betreffenden Gegenstände, in Einklang gebracht werden
können.
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Obwohl zur Durchführung der erwähnten Versatzarbeiten auch besondere
Bohrlöcher angewendet werden könr*en, falls sich dieselben als notwendig erweisen
sollten, werden gemäß einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung die Versatzarbeiten,
gegebenenfalls wiederholt, über dasselbe Bohrloch bewirkt, welches vorher zwecks
Beobachtung oder Messung der Bodenveränderungen zum Einführen der flüssigen und/oder
gasförmigen Mittel benutzt worden ist. Auf diese Weise kann einerseits die Abteufung
von besonderen Bohrlöchern für die Bewirkung der Versatzarbeiten erspart werden,
und andererseits kann die Wirkung .des eingeführten Versatzmaterials auf demselben
Wege beobachtet und ausgeübt werden, auf welchem vorher die Messung bzw. die Beobachtung
der Bodenveränderungen bewirkt worden war; dadurch wird die Wirksamkeit und Sicherheit
des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht.
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Die Beobachtung und die Messung des Schluckvermögens braucht nicht
unbedingt mittels Wassers zu geschehen; hierzu können auch andere jeweils zur Verfügung
stehende Flüssigkeiten verwendet werden; noch vorteilhafter ist es aber, zur Beobachtung
bzw. Messung des Schluckvermögens als flüssiges Mittel ein Gas, vorzugsweise Druckluft,
zu verwenden. Die Anwendung von Wasser ist wohl einfacher, zumal hierbei auch die
Messung einfacher bewirkt -werden kann als im Falle eines Gases; Wasser kann jedoch
den im Boden sich ergebenden Veränderungen gegenüber, insbesondere im Falle eines
plastischen Bodenmaterials, eine abdichtende oder verstopfende Stauchwirkung ausüben,
während Gase infolge ihrer kleineren Zähigkeit in das Gestein leichter und besser
eindringen und weniger geneigt sind, eine Stopf-oder Stauchwirkung herbeizuführen,
so daß Gase zum Anzeigen von Bodenveränderungen empfindlichere Mittel als Flüssigkeit
darstellen und daher Flüssigkeiten gegenüber bedeutende Vorteile bieten.
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Die Erfindung soll noch ausführlicher an Hand der Zeichnung erläutert
werden, die einige Anw endungs- und Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht.
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Abb. i zeigt als Beispiel den senkrechten Schnitt einer Lagerstätte
von Kohle. Abb. z ist die Draufsicht zu Abb. i. Abb. 3 zeigt den
Querschnitt
zu Abb. 2 gemäß der gebrochenen Linie 3-3. Abb. ¢ zeigt im senkrechten Schnitt eine
Einzelheit. Die Abb. 5 bis 8 zeigen in Seitenansicht bzw. im senkrechten Schnitte
einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung.
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In Abb. i bedeutet a das Kohlenflöz, b den Förderschacht und
c den Luftschacht. Der Abb. i ist zu entnahmen, .daß durch den Abbau des Kohlenflözes
a innerhalb der senkrechten Ebenen A und B eine Bewegung der Hangendschichten
innerhalb dieser beiden senkrechten Ebenen ermöglicht wird, und daher werden jene
Gegenstände, die auf der Erdoberfläche oder in Zusammenhang damit innerhalb der
senkrechten Ebenen A und B
vorgesehen sind, unmittelbar bedroht. Die
Gefahr erstreckt sich aber auch auf jenen Bereich der Erdoberfläche und der Hangendschichten,
der sich außerhalb der senkrechten Ebenen A und B befindet, weil sich die Bewegung
.der Han:gendschicbten längs schrägen Gleitflächen C und D auch auf weitere Bereiche
des Hangen.dgesteins ausbreitet; auf diese Weise werden im dargestellten Ausführungsbeispiel
auch die Schächte b und c, ferner.alle jene Gegenstände gefährdet, die auf oder
bei der Erdoberfläche mindestens zum Teil innerhalb der Schrägflächen D und C vorgesehen
sind. Gerade mit Rücksicht hierauf werden um den Fuß der Schächte b und c herum
im Flöze a bekanntlich Schutzpfeiler für die Schächte belassen, um dadurch die Gefahr
von den Schächten entsprechend fernzuhalten.
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Zur Beobachtung und/oder zur Messung des Ausmaßes von Bodenveränderungen
werden innerhalb der Grundfläche der zu schützenden Gegenstände oder in geeigneter
Verteilung um diese Grundfläche herum unter Berücksichtigung eines bestimmten Wirkungskreises
Bohrlöcher abgeteuft, derenTiefeversohi.eiden, z. B. 5 bis a 5 m und noch mehr,
sein kann und die zugleich auch für den Fall von gefährdrohenden Bodenveränderungen
zur Versteinung der Hangendschichten benutzt werden können. Diese Bohrlöcher, die
in Abb. i und 3 klar zu sehen sind, wurden in Abb. 2 durch kleine Dreiecke angedeutet.
Die Tiefe der Bohrlöcher hängt davon ab, bis zu -,welcher Tiefe der Untergrund bzw.
das Fundament der Objekte gesichert oder stabilisiert werden soll, sie hängt aber
auch von der Beschaffenheit der Gesteinschichten ab, an deren Ausnutzungsmöglichkeiten
die Arbeiten angepaßt werden müssen. Es können z. B. in einem bestimmten Falle verhältnismäßig
widerstandsfähige Schichten vorhanden sein, die wie z. B. die in Abb. i mit d bezeichnete
Schicht, welche beispielsweise eine Sandstein-, schickt sein kann, als Aussteifungsträger-wirken,
die sich verhältnismäßig weniger durchbiegen, so daß unter denselben sich Hohlräume
f bilden können. Durch Ausfüllung dieser Hohlräume f. z. B. mit zementhaltigem Versatzgut
kann die weitere Durchbiegung der Schicht d verhindert und auf diese Weise kann
der Vorgang der Einsenkung schon hier zum Stillstand gebracht werden. In einem solchen
Falle wird man also mindestens ein Bohrloch bis unterhalb der Schicht d bzw. bis
zu dem Hohlraum f abteufen, wie dies .in Abb. i angedeutet ist.
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Jenes Mittel, das in einem gegebenen Falle jeweils als zweckentsprechendst
erachtet wird, also z. B. eine Flüssigkeit oder ein Gas, wird mit einem Druck, der
dem jeweiligen Schluckvermögen und dem jeweils zu erreichenden Ziel angepaßt ist,
in das Bohrloch eingeführt. Bei kleinerem Schluckvermögen ist es am einfachsten,
gewöhnliches Wasser mit seinem -gegebenen Druck zu verwenden. Hierbei kann beispielsweise
gemäß Abb. 5 ein Futterrohr g in das Bohrloch gelassen werden, wobei der Stand des
in das Bohrloch eingeführten Wassers mittels eines Schwimmers h beobachtet werden
kann. Gemäß Abb. 6 kann man an Stelle des Schwimmers h ein Schauglas
j anwenden, welches an einer über die Erdoberfläche reichenden Verlängerung
k des Futterrohres g angebracht ist. Die Wirkungsweise und Handhabung dieser Einrichtungen
ist ohne weiteres klar.
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Bei größerem Schluckvermögen wird das Wasser dem Futterrohr g mittels
einer Pumpe i zugeführt, deren Leistung und Druck veränderbar ist. Auf diese Weise
wird also dem Bohrloch. das Wasser mit künstlich erhöhtem Druck zugeführt, und die
Änderung des Schluckvermögens wird z. B. in der Weise gemessen, daß festgestellt
wird, mit welcher Pumpenleistung ein bestimmter, mittels eines Druckmessers in gemessener
Wasserdruck aufrechterhalten werden kann. Das jeweilige Schluckvermögen kann aber
auch auf andere Weise gemessen werden, z. B. mittels eines in die Rohrleitung eingeschalteten
Wassermengenmessers, einer Venturiröhre usw.
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Wird zur Beobachtung bzw. Messung des Schluckvermögens Druckluft verwendet,
so wird das obere Ende des Futterrohres b beispielsweise gemäß Abb. 8 mittels einer
Rohrleitung an einen Windkessel p angeschlossen, der mit einem Manometer n ausgerüstet
und an einen auf der Zeichnung der Einfachheit halber nicht dargestellten Kompressor
angeschlossen ist. Auch in diesem Falle kann die Änderung des Schluckvermögens auf
verschiedene Weise gemessen werden. Man kann z. B. die Änderung des Druckes im Kessel
p bei gegebener Kompressorleistung oder die Änderung der Kompressorleistung bei
konstantem
Druck im Kessel p messen, oder aber es kann auch hier
ein Gasmengemesser z. B. üblicher Bauart verwendet werden.
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Es ist vorteilhaft, die Bohrlöcher, die verschiedenen Durchmesser
haben können, mit gelochten Futterröhren g1 auszustatten, um das Mittel auf der
ganzen Länge des Bohrloches mit den durchgebohrten Gesteinschichten möglichst vollkommen
und unmittelbar in Berührung zu bringen. Das obere Ende des Bohrloches wird in Anpassung
an das jeweils verwendete Mittel derart ausgebildet und aus= gerüstet, daß es etwa
auf einer Länge von i bis a m praktisch vollkommen abgedichtet ist, um zu verhindern,
daß das Mittel zwischen der Außenfläche des Futterrohres g und der Innenwand des
Bohrloches entweicht. Diese Abdichtung kann z. B. durch Ausgießen mittels Zementmilch
erfolgen.
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Erfindungsgemäß können nicht nur senkrechte Bohrlöcher verwendet werden,
sondern® man kann unter Ausnutzung der Ausdehnung des zu schützenden Gegenstandes
oder der Bodenverhältnisse mit dem gleichen Zweck auch schräge Bohrlöcher abteufen,
wie dies in Abb. 3 auf der rechten Hälfte angedeutet ist, ja man kann sogar auch
waagerechte Bohrungen o. dgl. verwenden, wie dies auf der linken Hälfte der Abb.
3 gezeigt ist. Sollten im letzteren Falle die Bodenverhältnisse nicht die Vortreibung
einer waagerechten Bohrung ohne weiteres zulassen, so kann man hierzu einen Hilfsschacht
bzw. einen Stollen r ausheben. Durch diese schrägen oder waagerechten Bohrlöcher
wird ermöglicht, jede unterhalb eines Gegenstandes entstehende Richtung von Rissen,
Spalten oder sonstigen Bodenveränderungen zu kreuzen, und auf diese Weise können
derartige Bohrlöcher bei Sicherung und Stabilisierung der Fundamente vorzügliche
Dienste leisten.
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Wird durch die Veränderung des Schluckvermögens eine gefahrdrohende
Bodenveränderung angezeigt, so werden vorzugsweise mit zementhaltigem Versatzgut
die Versatzarbeiten durchgeführt. Auch hierbei kann j e nach der festgestellten
Größe des Schluckvermögens das Versatzgut, das vorzugsweise in Form eines Schlammes
oder flüssigen Breies angewendet wird, entweder mit natürlichem oder mit künstlich
erhöhtem Druck eingeführt werden. Es wird hierbei der Schlamm des Versatzgutes vorzugsweise
in die Futterröhre g der auch zur Beobachtung bzw. Messung des Schluckvermögens
verwendeten Bohrlöcher selbst eingeführt. Dies kann einfach mittels Trichter erfolgen,
die am oberen Ende der Bohrlöcher angebracht werden. Die Einführung unter Druck
bietet den Vorteil, daß der Schlamm o. dgl. in verläßlicherer Weise auch in die
feinen Risse o. dgl. eindringt und daß die Wirkung sich auf einen größeren Bereich
erstreckt.
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Nach beendeter Zementierung o. dgl. wird das Bohrloch ausgeräumt und
ausgespült, um es in gereinigtem Zustande wieder zur Beobachtung bzw. Messung und
hierauf folgend gegebenenfalls erneut zur Zementierung verwenden zu können. Da die
Abteufung kurzer Bohrlöcher schnell und leicht bewirkt werden kann, ist es in manchen
Fällen vorteilhaft, zur Erhöhung der Sicherheit neben dem zu einer Zementierung
o. dgl. verwendeten Bohrloch evtl. ein neues abzuteufen, um durch dasselbe hindurch
die mit der Zementierung erreichte Wirkung beobachten und prüfen zu können.
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Die Versatzarbeiten durch Einführung von Füllgut können natürlich
je nach den Ergebnissen der Beobachtungen und(oder Messungen dem jeweiligen Bedarf
entsprechend wiederholt werden.
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In Zusammenhang mit der Erfindung kann es manchmal zweckmäßig oder
erforderlich sein, zur Schaffung größerer Berührungsflächen oder zur Herstellung
von Betonpfeilern am unteren Ende eines Bohrloches einen größeren Hohlraum s gemäß
Abb. q. herzustellen, derart, daß derselbe mit den benachbarten Rissen s1 o. dgl.
in unmittelbare Verbindung gebracht wird. Hierzu kann ein eigenartiges Ausspülungsverfahren
verwendet werden, das darin besteht, daß in dem Bohrloch ein Rohr t kleineren Durchmessers
eingeführt und durch dasselbe hindurch Wasser eingedrückt wird, das am unteren Ende
des Bohrloches unter Umkehrung seiner Strömungsrichtung außerhalb des Rohres t wieder
hochsteigt und das am unteren Ende des Bohrloches ausgewaschene Material auf die
Erdoberfläche fördert. Bei der nachfolgenden Zementierung kann auf diese Weise zur
verläßlichen Sicherung des Fundaments eines Gebäudes ein entsprechend großer Betonpfeiler
mit ausgebreiteter Sohle erzeugt werden, und dabei können auch die Riss., Spalten
s1 mit zementhaltigem Gut ausgefüllt werden. Die Größe des auf diese Weise erzielten
Hohlraumes s kann beliebig sein, und der Hohlraum kann dem jeweiligen Zweck entsprechend
ausgedehnt werden. Die Versteinung durch Zementierung o. dgl. kann auf dem gleichen
Wege, also unter Nutzbarmachung des Ausspülungsrohres t der Abb. q. erfolgen, wodurch
der Vorteil erzielt wird, daß der als Versatzgut verwendete Schlamm während der
Durchführung der Versatzarbeiten in ständiger strömender Bewegung gehalten wird.
Auf diese Weise können erfahrungsgemäß geschlossene Hohlräume oder Hohlräume von
nicht ausreichendem Schluckvermögen ebenfalls wirksamst versteint werden.
Soll
der Schutzpfeiler eines z. B. zu der Erdoberfläche führenden Schachtes zum Teil
abgebaut werden (z. B. in Abhängigkeit von der jeweiligen 'Flözstärke etwa bis zu
einem Halbmesser von io bis io m), so werden zur Beseitigung oder Verhinderung der
Verformung des Schachtes je nach der Beschaffenheit des Gesteins und der zu befürchtenden
Bodeneinsenkungen z. B. in einem Abstand von 5 bis 15 m vom Schacht Bohrlöcher abgeteuft,
deren Tiefe von der Lage der Schrägflächen D und C der Abb. i abhängt, und diese
Bohrlöcher werden mit den Einrichtungen gemäß den Abb. 5 bis 8 ausgerüstet. Die
auf dieseWeise beobachteten undloder gemessenen Bodenbewegungen, z. B. Senkungen,
können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Stillstand gebracht und sogar vorbeugend
verhindert werden, indem in der Längsachslinie des Bohrloches durch die Zementierung
o. dgl. ein künstlicher Pfeiler geschaffen und dadurch vom Schacht die schädlichen
Auswirkungen des Abbaues bzw. die dadurch sonst verursachten Verformungen ferngehalten
werden. .
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Durch die Zugabe von Zement zu dem Schlamm kann natürlich ein Ausfüllungsgut
größerer Härte erhalten werden. Dies ist aber nicht in allen Fällen unbedingt notwendig,
man kann daher beim erfindungsgemäßen Verfahren als Versatzgut unter anderem auch
tonhaltige Stoffe oder Ton, z. B. Löß, verwenden.
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Die beim erfindungsgemägen Verfahren zur Beobachtung und/oder Messung
des Schluckvermögens bzw. zu den Versatzarbeiten herangezogenen Bohrlöcher muß man
nicht unbedingt von Übertage her abteufen, sondern dieselben können auch von einer
unterhalb der Erdoberfläche verlaufenden Strecke, Stollen o. dgl., ausgebend abgeteuft
werden.
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Die Erfindung kann nicht nur in Verbindung mit den erläuterten Versatzarbeiten
verwendet werden, sondern es können die durch bergmännische Abbauarbeiten gegebenenfalls
verursachten Bodenveränderungen lediglich nur beobachtet oder lediglich nur gemessen
werden, und die Erfindung kann ferner in Zusammenhang mit Bodenveränderungen oder
Bodenbewegungen jeglicher- Art verwendet werden, die in den Hangendschichten aus
ganz beliebigen Gründen eingetreten sind oder einzutreten drohen.