DE69125010T2 - Verfahren und gerät zum kontrollierten zerbrechen von hartem kompakten gestein und von betonmaterialien - Google Patents

Description

• Seit der Erfindung des Dynamits im Jahre 1866 ist das explosive Sprengen die bei der Aushöhlung von hartem Gestein primär verwendete Technik gewesen. Trotz vieler Verbesserungen in der Gesteinsbohr- bzw. Aushöhltechnik im Verlaufe der Jahre, existieren keine für die kontinuierliche Aushöhlung von hartem Gestein geeignete Verfahren, weder für den Bergbau noch für den Hoch- und Tiefbaubereich. Das konventionelle Bohren und Sprengen bleibt die einzige Technik, die für das Aushöhlen des härteren Gesteins, wie z. B. Granit und Gneis, mit vernünftigem Wirkungsgrad verwendet werden kann. Zahlreiche mechanische und durch Wasserstrahlen unterstützte Systeme sind für die wirksame Aushöhlung weicherer Gesteine, typischerweise von Sedimentgesteinen, entwickelt worden. Neuere Verbesserungen bei Tunnelbohrmaschinen haben es möglich gemacht, daß diese relativ hartes Gestein bis zu einer Druckfestigkeit von 300 MPa abtragen, jedoch bleibt der Verschleiß der Schneiden bzw. Schneidelemente ein ernsthaftes Problem. Diese Systeme sind jedoch nicht in der Lage, die härteren Gesteine effektiv auszuhöhlen. Außerdem sind die Maschinen vom TBM-Typ in ihrer Beweglichkeit und in ihrer Fähigkeit, unregelmäßig geformte Öffnungen herzustellen bzw. auszuhöhlen, beschränkt.
• Das konventionelle Bohren und Sprengen, auch wenn es in der Lage ist, die härtesten Gesteine mit annehmbarem Wirkungsgrad auszuhöhlen, ist insofern beschränkt, als die Technik in einem Zyklus aus Bohren, Sprengen und Ausräumen angewendet werden muß, was zu der ineffizienten und sich oft wechselseitig störenden Verwendung der für jeden Zyklus erforderlichen Maschinen führt. Das konventionelle Bohren und Sprengen ist auch insofern beschränkt, als auch das um die auszuhöhlende Struktur verbleibende Gestein beträchtlich beschädigt wird, wobei diese verbleibende Beschädigung oftmals eine zusätzliche und teure Abstützung des Bodens bzw. Gesteins erfordert. Für kommerzielle Bergbauvorhaben ist das konventionelle Verfahren des Bohrens und Sprengens insofern beschränkt, als das gesamte von einem Grubenvortrieb bei einem einzigen Bohr- und Sprengvorgang ausgehöhlte Gestein durcheinandergeworfen und vermischt ist, daß das gesamte Gestein aus der Grube entfernt, zerkleinert, gemahlen und für die Erzabtrennung verarbeitet werden muß. Zahlreiche Bergbauvorgänge beinhalten das Ausheben von adernförmigen Abscheidungen, wobei das Erz enthaltende Gestein auf einen kleinen Abschnitt der Aushubstirnfläche bzw. -querschnittsfläche begrenzt ist. Ein Verfahren, in welchem das das Erz enthaltende Gestein selektiv gewonnen und zur Oberfläche für das Mahlen und die Extraktion transportiert werden könnte, während die verbleibenden Gesteinsblöcke unter Tage bleiben könnten, würde die Wirtschaftlichkeit vieler Bergbauarbeiten beträchtlich verbessern. Im Baubereich (Tiefbau) ist das konventionelle Bohren und Sprengen oft insofern beschränkt, als die große Luftdruckwelle und Schockwelle im Erdboden, die mit jeder Sprengung verknüpft sind, es ausschließen, daß das Verfahren im Städtebau verwendet wird. Auch der im verbleibenden Gestein bewirkte Restschaden beeinträchtigt oftmals den mechanischen Zusammenhalt der Struktur, was eine zusätzliche und teure Abstützung des Erdbodens erfordert.
Schnelle Aushubtechniken
• Aufgrund der oben diskutierten Beschränkungen, welche den konventionellen Bohr- und Sprengverfahren innewohnen, ist während der vergangenen 20 Jahre eine beträchtliche Forschungsarbeit bezüglich der Entwicklung alternativer schneller Aushubtechniken, welche für hartes Gestein geeignet sind, investiert worden. Die Ansätze, die während dieser zwei Dekaden an Forschung in Betracht gezogen worden sind, reichen von dem Auftreffen von Wasserstrahlen (Young, 1977) über das Auftreffen von Hochgeschwindigkeitsprojektilen (Lundquist, 1974), bis hin zum Sprengen mit kleinen Ladungen (Lundquist und Peterson, 1983). Sowohl die kontinuierlichen (Zink et al, 1983) als auch die gepulsten Wasserstrahltechniken (Young, 1977, Young, 1985) sind sehr im Detail untersucht worden. Im allgemeinen können die kontinuierlichen Wasserstrahltechniken keine Wasserstrahldr ücke erzeugen, die groß genug sind, um die härteren Gesteine effizient abzutragen. Während die Schlagtechniken mit gepulstem Wasserstrahl auch die härtesten Gesteine abtragen können, hat die Energieeffizienz dieser Techniken und auch die mechanische Komplexität der Einrichtungen zur Erzeugung des gepulsten Strahles die kommerzielle Entwicklung der Techniken behindert. Schnelle Aushubtechniken auf der Basis des Auftreffens von Projektilen haben die Benicksichtigung des Auftreffens sehr kleiner Projektile (pellet) (Singh, 1960), des Auftreffens sehr großer Projektile (wobei die Projektile mit konventionellen, militärischen 105 mm Kanonen abgeschossen werden könnten (Lundquist, 1974)), und haben auch die Berücksichtigung explosiver Projektile eingeschlossen, welche aufgrund ihrer Detonation beim Auftreffen die Zerstörung des Gesteins verstärken würden (Louis, 1973). Die schlechten Wirkungsgrade der Ansätze mit dem Auftreffen kleiner Pellets haben deren weitere Entwicklung beendet, während die großen Luftdruckwellenprobleme, die bei den Ansätzen mit großen Projektilen und explosiven Projektilen verknüpft sind, deren kommerzielle Entwicklung behindert haben.
Sprengen mit kleiner Ladung
• Aufgrund der Eigenschaft einer relativen Wirksamkeit der konventionellen Bohr- und Sprengtechniken, ist beträchtliche Forschung der (maßstä blichen) Herabsetzung und Automation der Bohr- und Sprengansätze gewidment worden, so daß sie auf der Basis eines kontinuierlichen Bohrens und Sprengens mit kleiner Ladung angewendet werden könnten. Das unter diesen Ansätzen bemerkenswerteste System ist das Rapidex Spiralbohr- und Sprengsystem, welches seit den Siebzigern eine umfangreiche Berücksichtigung in der Forschung gefünden hat (Lundquist und Peterson, 1983). Das Interesse in der weiteren Entwicklung der kontinuierlichen Bohr- und Sprengtechniken war beschränkt aufgrund der relativ großen Explosionsladungen, die auch bei den entsprechend reduzierten (herabgesetzten) Systemen immer noch erforderlich waren und dem daraus resultierenden Erfordernis, daß beträchtliche Aufwendungen unternommen werden müßten, um sowohl die Maschinen als auch das an oder in der Nähe der Vortriebsfläche arbeitende Personal zu schützen. Die Mengen an Explosivstoffen bei diesen kontinuierlichen Bohr- und Sprengansätzen sind oft immer noch sehr groß geblieben, da konventionelle Ladungen verwendet wurden und mehrere Sprenglöcher typischerweise nahezu gleichzeitig detonieren mußten, damit die Technik richtig funktionierte (Clark et al., 1979).
Sprengen mit Rißkontrolle
• Ein dritter Ansatz für die Entwicklung von wirksameren Aushubtechniken beinhaltete die Berücksichtigung von Verfahren zum Aufbringen kontrollierter Riß- bzw. Bruchtechniken für den Vorgang des Gesteinsbrechens. Da weniger als 1% der beim konventionellen Bohren und Sprengen aufgewendeten Energie verwendet wird, um die gewünschten Spannungsrisse in dem Gestein zu entwickeln, ist es außerordentlich attraktiv, Verfahren zu untersuchen, mit welchen die für den Gesteinsbruch erforderliche Energie wesentlich effizienter auf den Rißbildungsvorgang aufgebracht werden kann. Die kontrollierten Rißbildungstechniken, die in jüngster Zeit von der Universität von Maryland (Dally und Fourney, 1977)V der schwedische Detonationsforschungsstiftung (Bjarnholt et al, 1983) und anderenorts (Young und Fourney, 1983) entwickelt worden sind, haben gezeigt, daß mit einer geeigneten Rißauslösung und -steuerung bzw. kontrolle die erforderliche Menge an Explosivladungen, um eine gegebene, gewünschte Rißbildung zu erreichen, beträchtlich vermindert werden kann. Weitere Forschung hinsichtlich der gesteuerten Rißbildung von Gestein hat zu der Entwicklung von sowohl statischen als auch dynamischen Techniken geführt, wobei die Geometrie des Bruchvorganges die Energieerfordernisse beträchtlich vermindern könnte. Generell beinhalten diese Ansätze Verfahren, durch welche die primären, das Gestein zerbrechenden Risse näherungsweise parallel zu einer freien Fläche entwickelt werden können, was dazu führen würde, daß für die Rißentwicklung weniger Energie erforderlich wäre. Eine statische Methode auf der Basis dieses Ansatzes umfaßt eine mechanische Einrichtung, die in einem relativ flachen Bohrloch (Bohrloch geringer Teife) wirken könnte und mit Hilfe von Greifern das Gestein in Richtung der freien Fläche ziehen (abbrechen) könnte, von welcher aus das Loch gebohrt wurde (Cooper et al, 1980V Anderson und Swansonv 1982). Ein dynamischer Ansatz, der eine vergleichbare Geometrie verwendet, beinhaltet das Abfeuern von Stahlkolben in flache, wassergefüllte Löcher, so daß das schnelle Unterdrucksetzen des Loches zu einem Anfang und Fortschreiten eines Risses führen sollte, ausgehend von der Spannungskonzentration, die an der scharfen Ecke des Grundes des Loches auftritt (Denisart et al, 1976). Ein so begonnener Riß hätte die Tendenz, von dem Loch aus und parallel zu der freien Fläche, von welcher aus das Loch gebohrt wurde, fortzuschreiten. Während dieser Ansatz sehr attraktive Wirkungsgrade bei der Gesteinsaushöhlung ergab, traten Schwierigkeiten durch den Verlust der Druckflüssigkeit auf, wenn eine Rißbildung an anderer Stelle als am Grund des Loches auftrat, sowie bei dem häufigen Festklemmen von Stahlkolben in unvollständig aufgebrochenen Löchern, was die weitere kommerzielle Entwicklung dieser Technik beendet hat. Um das Problem mit der Kolbenverklemmung zu vermeiden, ist auch ein Verfahren vorgeschlagen worden, welches das Abfeuern von Wassermassen (bzw. U"-klumpen") unter hohem Druck und mit hoher Geschwindigkeit in flache (nicht sehr tiefe) Löcher verwendet (Lavon, 1980).
• Auf der Grundlage der ausgezeichneten Effektivität hinsichtlich des Brechens von Gestein, die mit Techniken der Rißsteuerung erreicht werden konnten, welche auf spezielle Gesteinsbrechgeometrien angewendet wurden, und unter der Voraussetzung, daß noch bessere Verfahren zum Unterdrucksetzen und Fortschreiten dieser Risse entwickelt werden könnten, zeigte ein geringer Forschungsaufwand 1984, daß kleine Exposions- oder Treibladungen verwendet werden konnten, um in wirksamer Weise Techniken der gesteuerten Rißbildung auf besondere Gesteinsbrechgeometrien anzuwenden (Young und Barker, 1984). Die primär betrachtete Geometrie ist in Figur 1 dargestellt und beruht teilweise auf der von Denisart et al (1976) vorgeschlagenen Geometrie. Wie in Figur 1 gezeigt, hing diese Rißbildung von dem Beginn und Fortschreiten eines Risses vom Grund eines flachen (nicht sehr tiefen) und schnell unter Druck gesetzten Bohrloches ab. Man kann bzw. könnte erwarten, daß ein solcher Riß anfänglich nach unten bzw. hinten in den Felsen fortschreitet und dann in Richtung der freien Fläche umkehren würde, sobald Oberflächeneffekte wirksam wurden, was zum Entfernen bzw. Abisen eines großen Gesteinsvolumens führt. Der verbleibende, auf der Gesteinsfläche durch das anfängliche Eindringen des Risses in das Gestein hinterlassene Konus liefert die Grundlage für den Namen (eindringender Kegelriß bzw. konische Eindringrißbildung oder PCF)V der diesem Typ von Rißbildung gegeben wurde. Im Gegensatz zu der frühren Arbeit von Denisart et al., haben spätere Forschungsbemühungen die Möglichkeiten des Beginnens und Fortschreitens von Kegerissen von flachen Bohrlöchern aus mit geringen Treib- und entkoppelten Exposionsladungen berücksichtigt (Young und Barker, 1984).
Andere Aushöhlungstechniken
• Andere Aushöhlungstechniken sind für Kohle angewendet worden. Beispielsweise wird in der FR-A-1 246 448 eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 für das Brechen von Kohle offenbart. Die Einrichtung zündet ein Treibmittel und richtet das von dem Treibmittel erzeugte Gas herab in einen Durchgang in dem Bohrerschaft und aus Öffnungen in dem Bohrmeißel und in das Loch hinein. Um zu ermöglichen, daß sich Gasdruck in dem Loch aufbaut, wird das Loch an der Oberfläche des Materials oder am Kragen des Loches durch einen Konus abgedichtet. Das unter Druck gesetzte Gas überträgt dadurch Energie entlang der gesamten Länge des Loches, was eine Verteilung der Energie entlang der Lochlänge bewirkt.
• Auf diese Weise wird das Gas in die Teile (oder Übergänge) injiziert, die ein durchgehendes System von natürlichen Rissen in den Kohlebetten bilden, und bewirkt dadurch die Rißbildung.
• In dem U. K.-Patent Nr. 800,883 wird eine andere Einrichtung für das Zerbrechen von Kohle offenbart. Die Einrichtung verwendet einen Bohrer, um ein Loch in der Kohle zu bilden. Daraufhin wird ein Belüftungskopf in dem Loch angeordnet. Ein unter relativ niedrigen Druck gesetztes Gas wird durch die Perforationen in dem Belüftungskopf in das Loch gedrückt. Der Belüftungskopf richtet Gas in radialer Richtung nach außen von dem Lauf weg vom Grund des Loches, so daß die Reaktion auf den Austritt der Gase die Tendenz hat, die Einrichtung in dem Loch nach hinten zu stoßen. Wie in der vorherigen Einrichtung wird das Gas in die Keile (oder Übergänge) injiziert, die ein durchgehendes System natürlicher Risse in den Kohlebetten bilden, um die Kohle zu brechen.
• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht eine Vorrichtung für das Brechen von Materialien vor, wobei die Vorrichtung eine Gaserzeugungseinrichtung für das Erzeugen eines Gases, eine lnjiziereinrichtung in Verbindung mit der Gaserzeugungseinrichtung flir das Injizieren des erzeugten Gases in ein Loch in einer freien Fläche des Materials, und Dichtungseinrichtungen aufweist für das Abdichten der Inuziereinrichtungen in das Loch, um den erhöhten Druck in dem Loch beim Einspritzen von Gas in das Loch zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtungseinrichtung an oder in der Nähe des Endes der lnjiziereinrichtung vorgesehen und so angeordnet ist, daß sie mit einer Oberfläche des Loches in dem Loch und von der freien Oberfläche des Materials beabstandet eine Dichtung bildet.
• Jeweils weitere Aspekte der Erfindung sind in den Ansprüchen 12 und 18 dargelegt.
• Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen ein kontinuierliches, schnelles Aushöhlsytem mit Bohren und Sprengen (Vorrichtung und Verfahren) vor, welches auf dem Ansatz der eindringenden Kegelrißbildung (PCF) beruht.
• Die Aushöhlung von hartem Gestein sowohl für den Bergba, als auch für zivile (Tiefbau) Bauanwendungen wird üblicherweise mit dem traditionellen Bohr- und Sprengverfahren bewerkstelligt. Aufgrund der zyklischen Natur der Bohr- und Sprengvorgänge (Bohren, Sprengen, Belüften und Ausräumen) sind die Aushöhlraten bzw. -geschwindigkeiten begrenzt, und die Ausnutzung bzw. Gebrauchszeit der Ausrüstung ist gering. Es ist gezeigt worden, daß ein schnelles Aushöhlsytem mit kleiner Ladung, welches eine neue Rißausbildungs- und Fortschreittechnik verwendet, in der Lage ist, die härtesten Gesteine mit einer Effektivität (Energie pro Einheitsvolumen entfernten Gesteins) auszuhö hlen, welche vier bis zehnmal größer ist als es mit dem konventionellen Bohren und Sprengen erreichbar ist. Beträchtliche Steigerungen des Konzeptes schließen die Verwendung eines Treibmittels anstelle von Exposivladungen ein und die Ausgestaltung von Einrichtungen, um die Ladungen aufzunehmen und die Schußlöcher effektiv abzudichten.
• Ausführungsformen der Erfindung stellen ein verbessertes schnelles Aushöhlverfahren und eine entsprechende Vorrichtung bereit. Eine Maschine wird offenbart, welche in einer Einheit das Bohren, das Sprengen mit kleiner Ladung und das Ausräumen vereint, welches an der Aushöhlfläche während kontinuierlicher Vorgänge verbleibt. Ein Aushöhlverfahren, welches die Maschine verwendet, beinhaltet: Optimieren des Brechens von Gestein mit der Technik der konischen Eindringrißbildung, Bereitstellen optimaler Lochmuster und Wechselwirkungen der Kegerisse durch Beabstandung und Anordnung, Optimieren der Bohrlochabdichtung durch Einbeziehen etablierter Stopfparameter und neuer Abdichtungstechniken, und Optimieren der kontinuierlichen Bohr-, Spreng- und Ausräumvorgänge durch Einbeziehen etablierter Gesteinsbrechparameter, Bohrparameter und Parameter der Treibmittel(Explosions)ladung. Weiterhin könnte die Maschine eine Roboterkontrolle in ein intelligentes System einbeziehen, welches in der Lage ist, die Schußlöcheranordnung und -geometrie und die Ladungseigenschaften für bestimmte Gesteinsbedingungen bzw. -formationen zu optimieren.
• Das schnelle Aushöhlungssystem mit kleiner Ladung wäre attraktiv für den Bergbaubetrieb und für den Tiefbaubetrieb, bei welchen empfindliche Aufbauten bzw. Strukturen, Ausrüstung und Personal sich in der Nähe der Aushöhlungs- bzw. Vortriebsfläche befinden. Das schnelle Aushöhlsytem mit kleiner Ladung wäre attraktiv bei gezielten Operationen im Bergbau, bei welchen das Erzgestein ausgebrochen und getrennt von dem unbrauchbaren, umgebenden Abraumgestein verarbeitet werden könnte. Das Abraumgestein könnte dann unter Tage gehalten werden und aus den traditionellen Förder- und Mahlvorgängen herausgenommen werden.
• Harte kompakte Materialien, wie z. B. Fels, Beton usw., können gebrochen werden durch Zündung einer passend ausgestalteten Explosions- oder Treibmittelladung, die in dem Loch angeordnet ist oder in einer speziellen, die Ladung enthaltenden Einrichtung mit einem kurzen Lauf gehalten wird, welcher in ein vorgebohrtes Loch einer bestimmten Geometrie eingesetzt und darin abgedichtet wird. Ein oder mehrere näherungsweise zylindrische Löcher werden mit konventionellen Bohreinrichtungen, wie sie z. B. in der Bergbau- und Bauindustrie verwendet werden, in das zu brechende Material gebohrt. Die Löcher können ein relativ kleines Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser haben, welches in dem Bereich von etwa 2,5:1 bis 10:1 liegt, und vorzugsweise bei etwa 3:1 bis 4:1. Die Löcher können mit scharfen bzw. abrupt ansetzenden Lochböden hergestellt werden, um so die Rißauslösung am Grund der Löcher zu verstärken bzw. zu vergrößern, oder sie können am Lochgrund oder an anderen Stellen gekerbt sein, um eine bevorzugte Rißauslösung bereitzustellen. Mikrorisse vom Schlagbohren sind außerordentlich günstig für das Verfahren, um Rißauslösungspositionen bereitzustellen.
• Die Explosions- oder Treibmittelladungen können irgendwelche von mehreren kommerziell erhältlichen Explosionsmitteln oder Treibmitteln sein, einschließlich der standardmäßigen militärischen und kommerziellen Schießpulver und verschiedener, in jüngster Zeit entwickelter flüssiger Treibmittel.
• Die Treibmittelladungen, seien sie nun fest oder flüssig, können innerhalb einer eine Ladung enthaltenden Einrichtung angeordnet und gezündet werden, welche einen kurzen Lauf einschließt, der in die in das zu brechende Material gebohrten Löcher eingesetzt ist. Der Lauf dieser Einrichtung kann weiterhin in den Löchern mit Hilfe eines Dichtungsverfahrens mit schraubenförmiger Beilage abgedichtet werden, oder dadurch, daß eine leichte Schulter an dem Lauf gegen eine leichte Stufe auf der Lochwand gedrückt wird. Die die Ladung enthaltende Einrichtung wird daran gehindert, aus dem Loch heraus beschleunigt zu werden, und zwar mit Hilfe einer schweren Stahlstange oder eines vergleichbaren Aufbaus, der gegen das hintere Ende der die Ladung enthaltenden Einrichtung gehalten wird.
• Mit der kontrollierten Unterdrucksetzung des Loches, die durch die geeigneten Kombinationen des Exposions- und/oder Treibmittels, der die Ladung enthaltenden Einrichtung, des Heißdichtungsverfahrens und der Einschränkung der Ladung oder der die Ladung enthaltenden Einrichtung in dem Loch durch eine schwere Stahlstange oder einen Aufbau verwirklicht wird, kann eine kontrollierte Rißbildung des Materials verwirklicht werden.
• Eine bevorzugte Rißbildung beinhaltet das Auslösen und Fortschreiten eines Risses vom Grund des Loches aus, so daß der weitere Bruch grob parallel zu der Oberflcähe fortschreitet, in welche das Loch gebohrt worden war.
• Dieser Bruch schreitet mit einem geringeren Energieaufwand fort aufgrund seiner Beziehung zu der freien Fläche und entfernt das Material in wirkungsvollerer Weise als beim konventionellen Bohren und Sprengen oder Bohren. Aufgrund der niedrigeren Energien, die für ein effektives Brechen des Materials erforderlich sind, ist die dem gebrochenen Material mitgegebene Geschwindigkeit geringer als beim üblichen Sprengen, und daher können die Maschinen undloder das Personal nahe bei der Fläche bleiben, die gebohrt und ausgeräumt wird, was den kontinuierlichen Betrieb des Vorganges ermöglicht.
• Ausführungsformen der Erfindung werden jetzt anhand eines Beispiels unter Bezug auf die anhängenden Figuren beschrieben.
• Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer konischen Eindringrißentwicklung nach dem Stand der Technik von einem schnell unter Druck gesetzten Bohrloch. Die Figur veranschaulicht eine allgemeine konische Rißbahn.
• Fig. 2 sieht Einzelheiten von hohlen bzw. gefü llten, abgerundeten, gekerbten und durch Schlagbohren gebohrten Lochb öden vor, die in Labortests ausgewertet wurden.
• Eine gute konische Rißausbildung wurde in allen durch Schlagbohren gebohrten Löchern erhalten.
• Fig. 3a Fig. 3b und
• Fig. 3c zeigen Einzelheiten einer Untertagekanone mit einem verjüngt zulaufenden Düsenabschnitt und einer schraubenförmigen Beilage für eine einfache und wirksame Abdichtung des Laufes der Untertagekanone in PCF-Löchern.
• Fig. 4 zeigt weitere Einzelheiten der Verjüngung an dem PCF-Kanonenlauf für eine verbesserte Bohrlochabdichtung, und zeigt auch eine doppelt abgestufte Bohrlochausgestaltung.
• Fig. 5 veranschaulicht eine mögliche Maschinenausgestaltung unter Verwendung einer Bohrmaschine, die mit einem Ausleger ausgestattet ist, welcher den PCF-Bohrer und die PCF-Kanone trägt.
• Fig. 6 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der Maschine, bei welcher ein Untertagemaschinenfahrgestell mit einem Ausleger für den PCF-Bohrer und die PCF- Kanone modifiziert ist. Ein Räumschild und ein Fördersystem sind ebenfalls dargestellt.
• Fig. 7a Fig. 7b und
• Fig 7c zeigen drei mögliche Klauen- bzw. Spitzenausräumsysteme, die für das in Fig. 6 dargestellte modifizierte Untertagefahrgestell verfügbar sind.
• Fig. 8 stellt eine detaillierte Darstellung des PCF-Auslegers mit Bohr-, Ladungshandhabungs- und Abschußmöglichkeiten dar.
• Fig. 9a und Fig. 9b veranschaulichen einen mehrfach abgestuften Bohrmeißel, welcher den kleinen Durchmesserwechsel bzw. -sprung für die Bohrlochabdichtung und den größeren Bohrlochsprung für das Spiel der Kanone bereitstellt. Der tiefste, engste Abschnitt des Bohrloches ist dort, wo das schnelle Unterdrucksetzen auftritt und der PCF-Bruch ausgelöst wird.
• Fig. 10a Fig. 10b Fig. 10c und Fig. 10d zeigen Einzelheiten einer standardmäßigen Kassette bzw. Patrone vom Kaliber 50 mit einer hohlen Hülse, um ein zusätzliches Treibmittel zu tragen.
• Fig. 11a und Fig. 11b sind schematische Darstellungen der Ladung und der Sprengvorrichtung, welche den Geschützverschlußmechanismus der PCF-Kanone zeigen. Es werden modifizierte Patronen vom Kaliber 50 verwendet.
• Fig. 1 zeigt die Entwicklung der Eindringkegelrißbildung (PCF)U die auftritt, wenn ein im wesentlichen zylindrisches Bohrloch 1 abgedichtet wird und ein Treibmittel oder eine explosive Ladung 3 in dem Loch gezündet werden. Während der Verbrennung wird das Bohrloch schnell unter Druck gesetzt, und ein Gesteinsriß wird entlang des Umfanges des Lochgrundes 5 erzeugt bzw. ausgelöst. Der anfängliche Riß läuft typischerweise nach abwärts bzw. hinten in das Gestein hinein und wendet sich dann (zurück) in Richtung der freien Fläche, da Oberflächeneffekte zum Tragen kommen. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten auf diesem Gebiet werden die konischen Eindringrisse 7 gemäß der vorliegenden Offenbarung unter Verwendung von flachen bzw. nicht sehr tiefen Bohrlöchern mit kleinen Treibmittelladungen erzeugt.
• Fig. 2 zeigt die verschiedenen Lochtypen, die verwendet werden können, um das PCF- Herausbrechen zu ermöglichen. Es kann ein Loch 9 gebohrt werden, welches einen Lochgrund 11 mit einer scharfen 90º-Ecke hat. Eine abgerundete oder verschlissene Karbidspitze eines Meißels liefert einen Lochgrund 13 mit einem abgerundeten Radius. Ein solcher abgerundeter Lochgrund ist schädlich bzw. nachteilig. Es könnte auch ein anderer Meißel verwendet werden, der ein zylindrisches Loch 15 erzeugt, welches mit einer Kerbe 16 am Grund des Loches versehen ist, welche senkrecht zur Seitenwand des Loches verläuft. Außerordentlich scharfe (scharfkantige) wenn nicht gekerbte, Bohrlochgründe sind für eine erfolgreiche Konusrißauslösung förderlich. Bevorzugte Löcher 17 und Gründe 18 werden durch einen Schlagbohrmeißel erzeugt. Auch wenn sie weniger scharf sind als mit einem Diamantkern gebohrte Lochgr ünde, so erzeugen die durch Schlagbohren gebohrten Löcher 17 und Gründe 18 eine sehr gute konische Rißauslösung. Die zusätzliche Mikrorißbeschädigung 19V die durch das Schlag- bzw. Hammerbohren in dem Gestein hervorgerufen wird, insbesondere am Radius des Lochgrundes, ist für eine konsistente Rißbildung bzw. -auslösung mehr als angemessen. Das bevorzugte Schlagbohren für das Bohrloch beseitigt also das Erfordernis, eine spezielle Bohrlochgeometrie herzustellen.
• Fig. 3a veranschaulicht eine Bohrlochabdichtungsmethode unter Verwendung eines Beilagestreifens 21 aus Messing, der schraubenförmig um den verjüngt zulaufenden Abschnitt 23 des Laufes 25 einer Untertage- bzw. Bergbaukanone herumgewickelt ist. Während auch ein einfacher zylindrischer Bergbaukanonenlauf für das Abdichten des Bohrloches verwendet werden kann, ermöglicht die schraubenförmige Beilagenabdichtung ein besseres Einschließen des Gasdruckes und einen höheren Spitzendruck. Die schraubenförmige Beilage schränkt das Entweichen von Treibmittelgasen während der Unterdrucksetzung und während des Rißfortschreitens ein und vermindert auch die Erosion an der Außenseite des Bergbaukanonenlaufes.
• Die Fig. 3b und 3c zeigen eine Bergbaukanone 27 mit einem Geschützverschluß 29 für eine Treibmittelladung und einen mit Gewinde versehenen Durchgang 31, der einen Stopfenverschluß 32 aufnimmt. Ein Übergang bzw. eine Verbindung 33 aus Kugel und Hülse hat einen Stutzen 35 mit einer Bohrung 37, die ein Ende 39 einer Stopfstange 41 aufnimmt.
• Fig. 4 zeigt eine weitere Dichtungseinrichtung unter Verwendung eines Bergbaukanonenlaufes, der besonders dafür ausgelegt ist, ein Bohrloch 43 mit Doppelstufen 45 und 47 abzudichten. Das Bohrloch wird gebohrt, so daß ein sehr kleiner Durchmessersprung an der Abdichtschulter 45 auftritt. Wenn man an der Schulter einen zu großen Durchmesser hätte, so würde dies ermöglichen, daß ein beträchtliches Abspanen oder Brechen bzw. Reißen während der Unterdrucksetzung an der Schulter auftreten würde, was dementsprechend einen Gasdruckverlust und eine Behinderung des PCF-Abbrechens bzw. -Ausbrechens ermöglichen würde. Der bevorzugte kleine Durchmessersprung vermindert eine solche Spanbildung oder Rißbildung an der Schulter. Der Kanonenlauf 51 verläuft gemäß 53 verjüngt, so daß er teilweise in das PCF-Loch 43 paßt und eine Dichtung 55 an der Abdichtschulter 49 bildet. Wie in Fig. 4 dargestellt, ist die Dichtung 55 von der Oberfläche des Materials beabstandet, in welchem das Loch ausgebildet wird, und der Abstand zwischen der Dichtung 55 und dem Lochgrund beträgt weniger als 50% der Lochtiefe. Der Abstand zwischen dem abgeschrägten bzw. verjüngt zulaufenden Abschnitt 53 und dem Ende des Laufes beträgt weniger als 1/3 der Länge des Laufes.
• Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen Ausführungsformen der Bergbauvorrichtung. Kommerziell erhältliche Bergbaumaschinen 57 vom Raupentyp werden in Verbindung mit einem oder mehreren Auslegern 59 verwendet. Die Ausleger sind um ihre Längsachse drehbar. Eine Verlängerung 61 ist an dem Ausleger montiert, enthält hydraulische Zylinder und hat die Fähigkeit, sich entlang der Achse des Auslegers vorwärts zu bewegen. Ein Schwenkkonus 63 ist an der Verlängerung montiert und bestimmt die Drehachse für die Bohr- und Sprengsequenzen. Die PCF-Kanone 65 und der Aushö hlbohrer 67 werden auf gegenüberliegenden Seiten der Verlängerung 61 montiert. Ein Räumschild 68 und ein Fördersystem 69 sind an dem Grubenwagen angebracht.
• Die Fig. 7a, 7b und 7c zeigen drei mögliche Räumsysteme nach dem Stand der Technik für die Verwendung mit der Grubenbauvorrichtung der vorliegenden Erfindung. Die Standardräumoptionen sind Sammelarme 71V Sammelscheiben 73 oder Ladeketten 75. Vorderkantenplatten ("Zehenplatten") 77 und Förderer 79 gehören ebenfalls dazu. Maschinen, die mit bikonischen oder trommelfärmigen Schneidpicken ausgerüstet sind, sind Standard. Gesteinsbruchstücke, die bei vielen Bergbauvorgängen erzeugt werden, sind durchgehend fein und können entweder durch die Option der Sammelscheibe oder der Ladekette einfach gehandhabt werden. Für Maschinen, die modifiziert sind, so daß sie zwei Ausleger und eine PCF-Bohr- und -Ladungshandhabungsausrüstung haben, umfaßt die erzeugte Größenverteilung der Gesteinsbruchstücke mehr große Fragmente und weniger kleine Fragmente, und im allgemeinen wäre (dann) die Option der Sammelarme vorzuziehen. Das Räumen wird kontinuierlich fortgesetzt, während die Löcher gebohrt und gesprengt werden.
• Fig. 8 veranschaulicht die Auslegerverlängerung 61, die interne hydraulische Zylinder 81, eine Bohrausrüstung 67, Ladungshabungseinrichtungen 83 und eine Fähigkeit bzw. Einrichtung 65 zum Abfeuern hat. Die hydraulischen Zylinder sind in einem abgedichteten Rohrfahrgestell 85 enthalten. Die Verlängerung ist mit Hilfe einer Montageplatte an dem Ausleger angebracht. Der Bohrer 67 und die Kanone 65 sind beide an der Verlängerung 61 mit Gleitplatten 87 und 89 montiert und werden weiterhin durch Rohrwiegen bzw. Schlitten 91 und 93 gehaltert. Der Schwenkpunkt 63 zum Weiterschalten wird am Ende 64 der Verlängerung 61 zentriert, welches in etwa parallel zu der Aushubfläche 66 ist.
• Fig. 9a und 9b zeigen Einzelheiten des speziellen Karbidstahlbohrmeißels 95, welcher verwendet wird, um das Bohrloch mit dem kleinen Durchmessersprung für eine der Abdichtungsoptionen zu erzeugen. Der aus drei Bestandteilen kombinierte Meißel weist Stahlkarbideinsätze 97, 98 für die abgestuften Abschnitte des Meißels auf. Der Führungsmeißel 99 mit kleinem Durchmesser für das Bohren des konischen Rißbildungsabschnittes des Loches sollte das größte Maße an Verschleiß erfahren und ist gestrennt austauschbar.
• Die Fig. 10a, 10b, 10c und 10d veranschaulichen eine Patrone bzw. Kartusche 101 mit einer hohlen Hülse 103, um zusätzliches Treibmittel 104 darin zu tragen. Die hohle Hülse oder Schutzmanschette kann aus Kunststoff oder Aluminium hergestellt sein. Die Aluminiumhülsen oder Manschetten reagieren etwas mit dem brennenden Treibmittel, was eine zusätzliche Treibmittelenergie bereitstellt, und das geschmolzene Aluminium dient dazu, die Bohrlochabdichtung an der Schulter mit leicht abgestuftem Radius weiterzuverbessern. Für ein PCF- Ausbrechen in einem geringfügig größeren Maßstab oder für eine Betriebsweise, welche beträchtlich mehr Treibmittelladung erfordert, können standardm äßige militärische Patronen bzw. Kartuschen von 20 mm verwendet werden. Die Hülse 101 hat ein Zündhütchen 105, eine Primärladung 107 und eine optional vorhandene Polsterung 109.
• Die Fig. 11a und 11b zeigen einen Geschützverschlußmechanismus für die PCF-Kanone 111, gemäß welcher modifizierte Patronen bzw. Kartuschen 101 vom Kaliber 50 verwendet werden. Die Kanone hat einen einfachen, doppeltwirkenden hydraulischen Zylinder 113, um die Verschlußblockierung oder den Bolzen 115, der in der Figur dargestellt ist, zu aktivieren. Ein schwenktähiges Zuführgatter 117 wird verwendet, um die Patrone in Ausrichtung mit dem Verschluß 119 anzuordnen, während sie von dem Patronenzuführrohr 121 zugeführt werden. Das Schwenkgatter 117 wird durch einen Luft- oder hydraulischen Zylinder aktiviert. Das Entfernen der Kartusche bzw. Patrone wird durch eine einfache, mechanische Federklammer 123 bewirkt. Ein kleiner Luftstromsammler 125, der unter dem Verschlußabschnitt 27 der Kanone angeordnet ist, wird für den Patronenauswurf verwendet.
• Flüssige Treibmittel sind für die Verwendung in Verbindung mit der Erfindung besonders geeignet. Der Kanonenlauf wird in ein in Schlagbohrtechnik gebohrtes, mit Schultern versehenes Loch eingesetzt, verkeilt bzw. verstemmt und abgedichtet. Flüssigkeit wird durch eine Öffnung der Kammer zugeführt, die Öffnung wird verschlossen und das fiu ssige Treibmittel wird gezündet. Risse schreiten von den Seiten des Lochgrundes aus vor, und ein großer, im allgemeinen flacher, ausgelöster Abschnitt wird abgebrochen und fällt von der Vortriebsfläche ab für das Räumen und Herausfördern aus der Grube bzw. Mine.

Claims (19)

1. Vorrichtung für das Brechen von Material, wobei die Vorrichtung eine Gaserzeugungseinrichtung (101) für die Erzeugung eines Gases, eine Injiziereinrichtung (25, 27, 51, 11), welche mit der Gaserzeugungseinrichtung in Verbindung steht, zum Injizieren des erzeugten Gases in ein Loch (9, 15, 17, 43) in einer freien Oberfläche des Materials, sowie Dichtungseinrichtungen (21, 23, 53) aufweist, um die Injiziereinrichtung in dem Loch abzudichten, um in dem Loch beim Injizieren des Gases in das Loch einen erhöhten Druck zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungseinrichtung (21, 23, 53) an oder in der Nähe der Injiziereinrichtung vorgesehen und so angeordnet ist, daß sie eine Dichtung mit einer Oberfläche des Loches innerhalb des Loches und im Abstand von der freien Oberfläche des Materials bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die lnjiziereinrichtung (24, 27, 51, 111) so angeordnet ist, daß sie erzeugtes Gas in Richtung des Bodens des Loches einspritzt, um die Ausbildung und das Fortschreiten eines Bruches bzw. Risses (7) von einer Ecke am Grund des Loches aus zu bewirken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abstand zwischen der Dichteinrichtung (21, 23, 53) und dem Ende der Injiziereinrichtung weniger als ein Drittel der Länge der Injiziereinrichtung beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dichteinrichtung einen verjüngt zulaufenden Abschnitt (23) der Injiziereinrichtung aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Dichteinrichtung eine Beilage (21) aufweist, die wirksam mit der Injiziereinrichtung verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Injiziereinrichtung und die Dichteinrichtung eine verjüngt zulaufende Trommel (25, 27, 51) aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Injiziereinrichtung aufweist: eine im wesentlichen zylindrische Trommel (51), welche einen Abschnitt (53) mit reduziertem Durchmesser hat, sowie eine Bohrung in der Trommel, welche einen Auslaß für das Injizieren von Gas in das Loch hat, und

eine Kammer (119), welche die Gaserzeugungseinrichtung in Verbindung mit der Bohrung enthält.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gaserzeugungseinrichtung in einer Kammer in der lnjiziereinrichtung angeordnet ist und eine Treibmittelladung (107) enthält.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, einschließlich Einrichtungen (57, 41) zum Ausüben einer Kraft auf die Injiziereinrichtung, um nachdrücklich einer Kraft zu widerstehen, die durch den erhöhten Gasdruck auf die Injiziereinrichtung ausgeübt wird.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erhöhte Druck ausreicht, um einen Bruch an einer Ecke am Grund des Loches auszulösen.

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dichteinrichtung (21, 23, 53) so betreibbar ist, daß sie einen ausreichenden, erhöhten Gasdruck in dem Loch aufrechterhält, um einen Bruch bzw. Riß von einer Ecke am Grund des Loches fortschreiten zu lassen.

12. Verfahren zum Brechen von Material, wobei das Verfahren aufweist: Bilden eines Loches (9, 15, 17, 43) in einer freien Oberfläche des Materials, welches gebrochen werden soll, und Injizieren von Gas aus einer Gasquelle (101) in das Loch durch eine Gasinjiziereinrichtung (25, 27, 51, 111), welche mit der Gasquelle in Verbindung steht, nachdem die Gasinjiziereinrichtung in dem Loch abgedichtet worden ist, dadurch gekennzeichnet, das die Dichtung mit einer Oberfläche des Loches innerhalb des Loches und im Abstand von der freien Oberfläche gebildet wird, um einen Riß (7) zu bilden und fortschreiten zu lassen, welcher sich von dem Loch zu der freien Oberfläche des Materials erstreckt, um ein Volumen des Materials zu brechen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Ecke grund des Loches eingekerbt (16) ist, um die Ausbildung und das Fortschreiten des Risses zu erleichtern.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Abstand zwischen der Dichteinrichtung und dem Grund des Loches weniger als 50 % der Tiefe des Loches beträgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Loch ein Verhältnis der Tiefe zum Durchmesser von etwa 2,5 : 1 bis etwa 10 : 1 hat.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei man den Riß von einer Ecke am Grund des Loches aus fortschreiten läßt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Gasinjiziereinrichtung in dem Loch abgedichtet wird durch den Eingriff eines verjüngt zulaufenden Abschnittes (53) der Gasinjiziereinrichtung mit der Oberfläche des Loches.

18. Vorrichtung für das Brechen von Material, wobei die Vorrichtung Einrichtungen (67) aufweist, um ein Loch (9, 15, 17, 43) in einer freien Oberfläche des zu brechenden Materials zu bilden, Einspritzeinrichtungen (25, 27, 51, 111) aufweist, um Gas in das Loch zu injizieren, wobei die Injiziereinrichtung so angeordnet ist, daß sie Gas unter Druck in das Loch injiziert, um die Ausbildung und das Fortschreiten eines Risses zu bewirken, und eine Gaserzeugungseinrichtung (101) aufweist, um Gas in Verbindung mit der Injiziereinrichtung (25, 27, 51, 111) zu erzeugen, um das Gas der Injiziereinrichtung zuzuführen, und eine Abdichteinrichtung (21, 23, 53) aufweist, um die Gasinuziereinrichtung in dem Loch abzudichten, gekennzeichnet durch Ausrichteinrichtungen (63), die mit der das Loch bildenden Einrichtung (67) und der Einspritzeinrichtung (25, 27, 51, 111) wirksam verbunden sind, um nacheinander die Bildungseinrichtung (163) und die Injiziereinrichtung (25, 27, 51, 111) mit dem Loch auszurichten, und wobei die Dichteinrichtungen (21, 23, 53) an oder nahe dem Ende der Injiziereinrichtungen vorgesehen und so angeordnet sind, daß sie eine Dichtung mit einer Oberfläche des Loches innerhalb des Loches bilden und von der freien Oberfläche des Materials beabstandet sind, um das Loch unter Druck zu setzen und einen Riß (7) zu erzeugen, damit dieser von einer Bodenecke des Loches aus fortschreitet.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Ausrichteinrichtung (63) so angeordnet ist, daß sie sich um eine Achse dreht, um nacheinander die Bildungseinrichtung und die lnjiziereinrichtung mit dem Loch auszurichten.