DE69824073T2 - Felsanker mit Spannungsmesser - Google Patents

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DE69824073T2
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Canadian Mining Industry Research Organization / Organisation De Recherche De L'industrie Miniere Canadienne Sudbury
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CANADIAN MINING INDUSTRY RES O
Canadian Mining Industry Research Organization / Organisation De Recherche De L'industrie Miniere Canadienne Sudbury
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine Spannungen bzw. Verspannungen messende Felsankervorrichtung und spezifischer auf einen Mechanismus zum Bestimmen und Messen von axialer Zuglast oder Spannung auf einen Kabelbolzen, eine Reibungsstabilisiereinrichtung bzw. einen Reibungsanker oder ähnliche Mittel, die für das Abstützen von Felsschichten verwendet werden.
  • 2. Kurze Beschreibung des Stands der Technik
  • Es ist in Abbauarbeiten wünschenswert, daß zum maximalen Austrag von Erzen in unterschiedlichen Tiefen, Erzblöcke der größtmöglichen Abmessungen abgebaut werden. Der limitierende Faktor für das Design bzw. die Konstruktion ist die Festigkeit des Gesteins in der Nachbarschaft des Erzkörpers, welcher vor einem Abbauen inhärent schwach oder hoch durchbrochen aufgrund von geologischen Bedingungen sein kann. In Situationen, wo die Festigkeit des Erzkörpers überschritten wird, ist die Implikation für die Sicherheit des Personals, ebenso wie für eine "Verdünnung" des Erzes durch den umgebenden Abfallfelsen, einen Verlust von Reserven und dgl. sehr schwerwiegend.
  • Eine universell akzeptierte Ingenieurlösung bzw. technische Lösung für dieses Problem ist es, den Felsen unter Verwen dung von Stahlkabelbolzen oder Dübeln oder ähnlichen Vorrichtungen zu verstärken, die in Bohrlöcher zementiert oder gezwungen sind. Das Grundprinzip, im Prinzip dasselbe wie verstärkten Beton, ist es, die zusätzliche Festigkeit zur Verfügung zu stellen, die erforderlich ist, um es dem Felsen zu ermöglichen, sich selbst zu tragen. Eine gute Beschreibung von derartigen Felsbolzen bzw. -ankern, Dübeln und dgl. und von der Art, wie diese verwendet werden, wird in dem Buch mit dem Titel "Support of Underground Excavations in Hard Rock" von E. Hoek, P. K. Kaiser and W. F. Bawden, insbesondere auf Seiten 152–164, herausgegeben von A. A. Balkema/Rotterdam/Brookfield in 1995 gegeben.
  • Es ist jedoch wie bei jedem Verbundmaterial, umfassend Zement oder Beton, die schwächste Verbindung der Kontakt zwischen den verschiedenen Komponenten. Für einen Kabelbolzen entspricht dies der Kabel/Zement-Grenzfläche und resultiert oft im Versagen aufgrund eines Gleitens an der Zement-Stahl-Grenzfläche bei Lasten bzw. Belastungen signifikant unter der, welche für ein Brechen des Stahlkabels erforderlich ist.
  • Um diesem Problem entgegenzuwirken, umfaßten zahlreiche neuerliche Innovationen die Modifikation der Grundkabelgeometrie, indem die Verwebung bzw. Verdrillung des Kabels weit genug geöffnet wurde, um es dem Zement zu ermöglichen, zwischen die individuellen Drähte zu fließen, wodurch eine stärkere "mechanische" Verriegelung zwischen dem Zement und dem Kabel ausgebildet wurde. Derartige Alternativen bieten Vorteile und Nachteile in bezug auf die Leistung, Installationseinfachheit und den Preis. Gegenwärtig sind die sogenannten "Wulst"- und "Nußschalen"- ("nutcase") bzw. "Wirr"-Kabel Kabelbolzen modifizierter Geometrie, welche häufig in kanadischen Minen verwendet werden. Ein drittes modifiziertes Kabel, das GarfordTM-Blasenankerkabel wird auch in kanadischen Minen eingebracht.
  • Modifizierte Kabelgeometrien werden einen effizienteren Kabelsupport in Boden schlechter Qualität und unter nachteiligen Abbaubedingungen verleihen, jedoch hängt ihre weit verbreitete Akzeptanz von einer weiteren nicht ortspezifischen Auswertung und Überwachung der Leistung ab. Bedeutender ist, wenn modifizierte Kabelbolzen- bzw. Kabelankerausbildungen, d. h. sowohl im Hinblick auf Muster als auch die Länge zu optimieren sind, eine Instrumentierung erforderlich, um direkt und genau die Lasten bzw. Belastungen zu überwachen, welchen die Kabel modifizierter Geometrie unter verschieden in-situ-Bedingungen unterworfen werden. Auch hier wird immer eine signifikante Benutzung von konventionellen 7-Draht verseilten Kabelbolzen sein und es ist wichtig fähig zu sein, eine derartige Kabelbolzen- bzw. Kabelankerkonstruktion so zu adaptieren, daß sie auch genau und effizient überwacht werden kann. Darüber hinaus würden auch sogenannte Reibungsstabilisierungseinrichtungen, wie die Split SetTM-Stabilisierungseinrichtung, die durch Ingersoll-Rand hergestellt wird, von einem genauen Überwachen der Zugspannung oder Last stark profitieren, welchen sie unterworfen werden können.
  • Die Grundvoraussetzungen für eine derartige Instrumentierung sind wie folgt: (i) sie sollte leicht selbst unter nachteiligen Bedingungen zu installieren sein; (ii) sie sollte eine geeignete Empfindlichkeit und Genauigkeit für den beabsichtigten Zweck besitzen, jedoch sollte sie auch fähig sein, unter einem Bereich von erwarteten Verlagerungen zu arbeiten; (iii) sie sollte robust und geeignet geschützt sein, um eine Dauerhaftigkeit für die erforderliche Dauer der Arbeit sicherzustellen; (iv) sie sollte leicht abzulesen sein und Ergebnisse sollten unmittelbar dem Betätiger zur Verfügung stehen; (v) sie sollte nicht mit der Effektivität der Felsabstützungsmittel, wie dem Kabelbolzen oder dem Reibungsanker bzw. der Reibungsstabilisierungseinrichtung zusammenwirken bzw. diese beeinflussen, und (vi) sie sollte billig sein, um sich innerhalb des finanziellen möglichen Bereichs der meisten Arbeiten zu bewegen.
  • Es wurden Anstrengungen getätigt, ein derartiges Überwachungsmeßgerät unter Verwendung eines Widerstandsdrahtkonzeptes herzustellen. US-Patent Nr. 4.803.888 vom 14. Februar 1989 beschreibt eine derartige Widerstandsdrahtmeßeinrichtung. Jedoch ist das grundsätzliche Problem mit Widerstandsdrahtüberwachungen, daß Widerstandsdrähte, wie Nichrom, bei etwa 0,5% Spannung bzw. Belastung nachgeben, während das Kabel, welches sie messen, bei beispielsweise 0,8% Spannung nachgeben können. D. h., wenn sich das Kabel unter hoher Last befindet, beginnt der Widerstandsdraht nachzugeben, während das Kabel immer noch elastisch ist und es kann keine exakte Ablesung unter derartigen Bedingungen erhalten werden.
  • Ein weiteres Problem mit derartigen Vorrichtungen ist, daß die Widerstandsdrähte an das Äußere des Kabels festgelegt sind, d. h. an der Kabel-Zement- bzw. Kabel-Auskleidungs-Grenzfläche, welche die Grenzfläche ist, an welcher ein Versagen und Gleiten auftreten, wenn das Kabel progressiv unter Last gesetzt bzw. belastet wird. Jedoch können die Ergebnisse stark durch die Anwesenheit des Instruments selbst beeinflußt werden.
  • Eine genaue Meßvorrichtung von Spannungen für eine Gesteinsankervorrichtung würde insbesondere für Kabel mit modifizierter Geometrie vorteilhaft sein, da es hier das Ziel ist, das Kabelmuster zu optimieren, ohne das Kabel selbst zu überlasten und zu brechen. Bei Kabeln mit modifizierter Geometrie ist die prinzipielle Art eines Versagens der Zugbruch des Stahlkabels. So ist ein Bruch von derartigen Kabeln vorhersehbar bzw. vorhersagbar; er tritt bei etwa 25 Tonnen Axiallast in einem Einzelstrangkabel auf und es ist daher wichtig zu wissen, wann eine derartige Last erreicht wird.
  • Als eine Tatsache kann ein Kabeldesign modifizierter Geometrie auf zwei Arten nicht erfolgreich sein:
    • (1) Wenn Einzelstrang-Kabellasten 25 Tonnen übersteigen, resultiert ein Kabelbruch in unmittelbarem Einbrechen des Bodens, und
    • (2) wenn Kabellasten sehr niedrig sind (z. B. 10–15 Tonnen), ist das Design überkonservativ und somit unnötig teuer.
  • Weiters können, wenn das Abbauen fortschreitet, durch das Abbauen induzierte Belastungs- bzw. Spannungsänderungen in verzögerten Versagen resultieren. Die Spannungsmeßinstrumentausgaben können verwendet werden, um ein besseres Verständnis der Standzeit zu erzielen und um einen Hinweis von einem imminenten bzw. unmittelbar bevorstehenden Versagen zur Verfügung zu stellen. Derartige Daten sind für eine Risikoabschätzung in kritischen Bereichen (z. B. Zutritt- gegen Nicht-Zutritts-Bereiche) verwendbar.
  • Ziele und Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen und eine effiziente Spannungsmeßvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche mit Kabelbolzen bzw. -ankern, Reibungsstabilisierungseinrichtungen und dgl. beim Abbau und in ähnlichen Anwendungen verwendet werden können.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine neue Anordnung des Instrumentierungskopfs für die Spannungsmessungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Verfügung zu stellen.
  • Andere Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung derselben offensichtlich werden.
  • In ihrem breiten Aspekt umfaßt die Belastungs- bzw. Spannungsmeßvorrichtung der vorliegenden Erfindung Felsabstützmittel, wie einen Kabelbolzen bzw. -anker, eine Reibungsstabilisierungseinrichtung oder dgl., welches mit einem inneren bzw. internen, längsverlaufenden Hohlraum versehen ist, der sich dadurch erstreckt, um wenigstens einen starren Draht oder Faden aufzunehmen, von welchem ein Ende an einem vorbestimmten Ankerpunkt oder Punkten verankert ist, wenn sich mehr als ein derartiger Draht oder Faden innerhalb des Hohlraums befindet, und das andere Ende (oder die Enden) mit einem längsbewegbaren federbelasteten Betätigungsglied verbunden ist, das einen elektrischen Kontakt mit einem eine Linearverlagerungs- bzw. -bewegung erfassende Mittel, wie einem linearen bzw. Linearpotentiometer oder einem linearen Spannungsverlagerungswandler (LVDT) aufweist, welche die Bewegung der Betätigungseinrichtung und somit die Dehnung oder Streckung der Felsunterstützungs- bzw. -ankermittel aufgrund der Spannungen bzw. Belastungen in dem Felsen messen. Die Messung der Verlagerung der Betätigungseinrichtung kann somit mit der Zugspannung oder Last korreliert werden, die durch die Spannungen in den Felsschichten auftreten.
  • Wenn sie mit einem Kabelbolzen bzw. -anker assoziiert ist, kann die Spannungsmeßvorrichtung der vorliegenden Erfindung ein konventionelles Kabel aus 7 Drahtlitzen bzw. -strängen oder ein modifiziertes Kabel, wie ein Wulst-, Nußschalen- oder GarfordTM-Kabel umfassen, das eine Mehrzahl von gleichmäßig beabstandeten Knoten oder Vorsprüngen bzw. Erhebungen aufweist, die entlang seiner Länge ausgebildet sind, und ein oder mehrere starre Drähte oder Fäden, wie torsionsgerichtete Musikdrähte, die sich beispielsweise entlang eines inneren, längsverlaufenden Hohlraums erstrecken, der im Kabel vorgesehen ist, beispielsweise in der Form einer Abflachung oder einer Nut bzw. Rille, die auf einen zentralen Draht bzw. Hauptdraht geritzt ist, oder vorzugsweise in der Form eines Hohlraums, der sich durch das Zentrum des rohrförmigen zentralen Drahts erstreckt und an vorbestimmten Ankerpunkten verankert ist, welche mit den oben erwähnten, gleichmäßig beabstandeten Knoten übereinstimmen können. In dem Fall von hohlen Stabilisierungsmitteln sind diese ab initio mit den erforderlichen inneren Hohlräumen versehen, in welche die starren, eine Spannung messende Drähte oder Fäden eingesetzt und verankert werden können.
  • Anders als frühere Vorrichtungen, erlaubt es die neue Anordnung der Instrumentierung (anders als die Ausleseinstrumentierungskopfanordnung), daß sie im wesentlichen voll ständig innerhalb der Felsabstützmittel bzw. Felsankermittel verkapselt ist, was sicherstellt, daß sie im wesentlichen identisch zu ihrem nicht-instrumentierten Äquivalent arbeitet und aussieht, während sie gut geschützt ist. Das Instrument mißt effektiv eine Draht- oder Fädenverlagerung zwischen jedem Anker und der federbelasteten Betätigungseinrichtung am anderen Ende und kann daher verwendet werden, um eine Zugkabellast oder Spannung bzw. Belastung und den Sicherheitsfaktor gegenüber einem Bruch zu überwachen. Das Instrument kann leicht kalibriert werden, um effektive Kabellastmessungen zu ergeben.
  • Innerhalb der am meisten bevorzugten Ausbildung der vorliegenden Erfindung, ist, wenn ein Kabelanker instrumentiert ist, der zentrale Hauptdraht eines geeigneten Kabels hohl gemacht, d. h., er ist in Form eines Rohrs, und ein starrer Draht oder ein Faden oder eine Mehrzahl von derartigen starren Drähten oder Fäden ist in dem inneren Hohlraum des Rohrs installiert, wo derartige Drähte oder Filamente bzw. Fäden an vorbestimmten Ankerpunkten verankert sind, um eine geeignete Messung ihrer Verlagerung aufgrund der Deformation oder Dehnung des Kabels und somit der Spannung zur Verfügung zu stellen, welcher das Kabel unterworfen ist. Die starren Drähte bzw. der starre Draht oder Fäden oder (Faden) tritt aus dem äußeren Bodenende des rohrförmigen Hauptdrahts aus und ist bzw. sind an einer Instrumentenkopfanordnung angeschlossen, die ein geeignetes lineares Potentiometer oder LVDT aufweist, welches mit einem Auslesemittel oder einer Anzeigeeinheit für ein periodisches oder kontinuierliches Auslesen oder Anzeigen der Verlagerung der Betätigungseinrichtung(en) verbunden ist, die innerhalb der Instrumentenkopfanordnung am Ende des starren Drahts oder Fadens (der Drähte oder Fäden) angeordnet ist bzw. wird, wodurch die Kabellast gemessen wird, welche zu einer derartigen Verlagerung korreliert bzw. in Bezug gesetzt werden kann. Wenn eine Mehrzahl von derartigen starren Drähten oder Fäden verwendet wird, stellen sie eine noch genauere Spannungsmessung zur Verfügung. In einem derartigen Fall werden federbelastete torsionsgestreckte Drähte innerhalb des hohlen Hauptdrahts oder einem anderen Längshohlraum in unterschiedlichen Distanzen festgelegt. Eine Spannung bzw. Dehnung des Kabels wird dann zu den Betätigungseinrichtungen auf dem Instrumenten- bzw. Instrumentierungskopf durch diese Drähte übertragen. Wenn Reibungsstabilisierungseinrichtungen bzw. -stabilisatoren verwendet werden, werden die starren Drähte an ihren Wänden festgelegt bzw. verankert und laufen in dem zentralen Hohlraum davon. Eine Verwendung von sechs derartigen Drähten gemeinsam mit zwei diametral gegenüberliegenden dreifachen, linearen Potentiometern, die innerhalb der Instrumentierungskopfanordnung eingeschlossen sind, ist insbesondere vorteilhaft.
  • Es sollte erwähnt werden, daß das Prinzip einer Arbeitsweise der Spannungsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darauf basiert, das in Bohrlocher-Extensometern zum Überwachen von relativen Massenverlagerungen in einem Bohrloch verwendet wird, das in einen Felsen oder dgl. gebohrt ist. Ein derartiger Extensometer ist in US-Patent Nr. 4.719.803 vom 19. Jänner 1988 beschrieben. In einem derartigen Extensometer sind die Ankerpunkte mit Kontaktmitteln ausgebildet, welche die Bohrlochwand ergreifen und eine lineare Verlagerung erfassende Mittel sind angeordnet, um die relative Massenverlagerung als eine Änderung in einem Abstand zwischen den Ankergliedern innerhalb des Bohrlochs zu messen. Von Bohrlochextensometern ist bekannt, daß sie genau und zuverlässig sind.
  • Es wurde überraschender Weise gefunden, daß ein ähnliches Prinzip auf eine Spannungsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angewandt werden konnte, wo der Ankerpunkt oder die Punkte unter Verwendung von starren Drähten oder Fäden innerhalb der Kabelbolzen oder Dübel oder Stabilisierungseinrichtungen bzw. Stabilistoren oder ähnlichen Felsunterstützungsmitteln ausgebildet werden können, um eine Spannung bzw. Belastung innerhalb der so abgestützten Felsformation zu überwachen, indem die Verlagerung gemessen wird, die durch derartige Drähte oder Fäden aufgrund einer Kabeldeformation erzeugt wird, die aus einer derartigen Spannung resultiert. Die neue Vorrichtung kann kompakt und billig gemacht werden, wobei einfache starre Drähte oder Fäden für eine Spannungsmessung verwendet werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 eine Darstellung bzw. Illustration eines instrumentierten Kabelankers ist, der in einem Bohrloch in dem Felsen einzementiert ist, wobei die Instrumenten- bzw. Instrumentierungskopfanordnung an seinem Außenende zum Messen von Spannungen in dem Felsen vorgesehen ist;
  • 2 eine Querschnittsansicht eines Standard 7-Drähte-Kabelankers bzw. Kabelbolzens ist, der normalerweise für Felsanker- bzw. Felsunterstützungszwecke verwendet wird;
  • 3 eine Querschnittsansicht eines Kabelankers gemäß einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung ist, wo der Hauptdraht hohl oder rohrförmig ist;
  • 4 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Hauptdrahts ist, der in 3 gezeigt ist;
  • 5 eine Querschnittsansicht eines Kabelbolzens gemäß einer anderen Ausbildung der vorliegenden Erfindung ist, wo der Hauptdraht mit einer Längsnut bzw. -rille versehen ist;
  • 6 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Hauptdrahts ist, der in 5 gezeigt ist;
  • 7 eine Querschnittsansicht eines Kabelankers gemäß einer anderen Ausbildung der Erfindung ist, in welcher der Hauptdraht abgeflacht ist;
  • 8 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Hauptdrahts ist, der in 7 gezeigt ist;
  • 9 eine perspektivische Ansicht eines Split-SetTM-Stabilisators ist, der für eine Felsabstützung bzw. Felsverankerung und Stabilisierungszwecke verwendet sind, die seinen inneren hohlen Abschnitt und den Spalt in seinem Körper und die Instrumentierungskopfanordnung an seinem Außenende zeigt;
  • 10 eine perspektivische Ansicht eines rohrförmigen Hauptdrahts mit drei starren Drähten ist, die innerhalb des Hohlraums verlaufen und an einem Ende davon durch Löcher verankert sind, die in der Wand des Hauptrahmens ausgebildet sind;
  • 11 eine perspektivische Ansicht eines hohlen Hauptdrahts ähnlich zu jenem ist, der in 10 gezeigt ist, jedoch mit sechs starren Drähten, die darin in dem Hohlraum verlaufen, die mittels hohlen Dübeln innerhalb des Hauptdrahts verankert sind;
  • 12 die Festlegung eines Kabelankers an dem Innenmechanismus der Instrumentierungskopfanordnung illustriert;
  • 13 die Instrumentierungskopfanordnung illustriert, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
  • 14A und 14B in größerem Detail die Instrumentierung innerhalb der Kopfanordnung illustrieren;
  • 15 eine diagrammartige Illustration eines Dreifach-Ankerpunkt-Prototyps ist, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung getestet wurde;
  • 16 ein Graph ist, die die Kraft (F) gegen die Zeit in einem Prototyp zeigt, der in 15 illustriert ist; und
  • 17 ein Graph einer Kabeldehnung (DX) gegen die Zeit ist, die als ein Ergebnis der Kraft (F) erhalten wird, die auf den Prototyp angelegt wird, der in 15 illustriert ist.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 1 erläutert die allgemeine Anordnung eines Spannungsmeßkabelankers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. In dieser Fig. ist das Kabel 20 in ein Bohrloch 22 einzementiert, das in eine Felsschichtung 24 gebohrt ist. Der Mörtel 26 ist vorzugsweise unter Verwendung von wenigstens 0,4 Wasser/Zement-Verhältnis gefertigt, insbesondere wenn das Kabel 20 ein modifiziertes Kabel ist, wo eine gute Penetration bzw. Durchdringung des Mörtels in die Knoten erforderlich ist. Am Außenende des Kabels 20, welches aus dem Bohrloch 22 austritt, ist durch eine Hülse 74 eine Beanspruchungs- bzw. Spannungsmeßinstrumentkopfanordnung 28 angeschlossen, die ein lineares Potentiometer oder ein LVDT verwendet, um jede Deformation oder Spannung bzw. Dehnung in dem Kabel 20 zu messen, die durch die Spannung bzw. Belastung in dem Felsen 24 erzeugt wird. Die Kopfanordnung 28 ist mittels eines elektrischen Kabels 30 mit einer Anzeigeeinheit 32 verbunden, welche kalibriert ist, um die Zugspannung oder Zuglast anzuzeigen, die auf das Kabel 20 ausgeübt ist.
  • Wenn das Kabel 20 ein standardmäßiges, aus 7 Drähten geflochtenes bzw. gewickeltes Kabel ist, das eine Anordnung von Drähten aufweist, wo der zentrale Hauptdraht 34 vollständig durch Umfangsdrähte 36 umgeben ist, wie dies im Querschnitt in 2 gezeigt ist, würde es nicht für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignet sein, welche einen inneren längsverlaufenden Hohlraum oder eine Ausnehmung in dem Kabel erfordert, um starre Drähte oder Fäden aufzunehmen, die an vorbestimmten Ankerpunkten verankert sind und verwendet werden, um die Spannung oder Zuglast zu messen, die auf das Kabel ausgeübt wird.
  • So stellt im Fall eines Kabelbolzen bzw. eines Kabelankers die am meisten bevorzugte Ausbildung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine Anordnung von Drähten zur Verfügung, wo ein hohler oder rohrförmiger Hauptdraht 38 verwendet sind, wie dies im Querschnitt in 3 und in der Perspektive in 4 illustriert ist. Der Hohlraum 40 in diesem rohrförmigen Hauptdraht sollte ausreichend sein, um die gewünschte Anzahl von starren Drähten oder Fäden aufzunehmen. Beispielsweise kann der Hauptdraht 38 aus einem hohlen Stahlrohr geformt sein, das einen Außendurchmesser von 5,31 mm und einen Innendurchmesser von 3,5 mm aufweist zur Verwendung in einem 15,2 mm aus 7 Drähten bestehenden, verseilten Kabel geringer Relaxation. Die Querschnittsfläche des hohlen Hauptdrahts ist so um etwa 6% verglichen mit der Gesamtquerschnittsfläche des Kabels reduziert. Dies bildet eine 3–4% Reduktion in der Bruchkapazität, verglichen mit jenen, die in der ASTM A416 Empfehlung ausgeführt sind. Dies ist jedoch akzeptabel in bezug auf die Tatsache, daß der resultierende Kabelbolzen eine genaue Messung der Lasten zur Verfügung stellt, welchen das Kabel unterworfen ist. Vorzugsweise kann eine Antwort unter Verwendung eines vollständig getemperten (kaltverfestigten) im Gegensatz zu einem vergüteten rostfreien Stahl für rohrförmigen Hauptdraht oder eines speziell legierten Stahls verbessert werden, welcher Lasten sehr nahe zu der ASTM A416 Empfehlung trotz der rohrförmigen Form des Hauptdrahts erzeugen würde.
  • Anstelle eines in 3 und 4 gezeigten rohrförmigen Hauptdrahts 38 kann man auch beispielsweise einen Hauptdraht 42 mit einer Längsnut bzw. -rille verwenden, wie dies in 5 und 6 illustriert ist, wo die Nut 44 groß genug sein sollte, um die gewünschte Anzahl der starren Drähte oder Fäden aufzunehmen.
  • Weiters kann man anstatt eines mit einer Rille versehenen Hauptdrahts 42 auch einen abgeflachten Hauptdraht 46 verwenden, wie dies in 7 und 8 illustriert ist, wobei der ebene bzw. flache Abschnitt 48 derart ist, um eine geeignete Längsausnehmung oder einen Raum 50 zur Verfügung zu stellen, der groß genug ist, um die starren Drähte und Fäden aufzunehmen.
  • Es sollte daher verstanden werden, daß jede Anordnung von kabelbildenden Drähten, welche einen geeigneten inneren bzw. internen Längshohlraum oder Raum innerhalb des Kabelankers bildet, für die Zwecke der vorliegenden Erfindung zufriedenstellend sein würde.
  • Neben den Kabelbolzen bzw. Kabelankern kann die Erfindung auch auf Reibungsstabilisiereinrichtungen, wie den Split SetTM-Stabilisator angewandt werden, der in 9 illustriert ist. Hier erstreckt sich die Stabilisierungsein richtung 52 in ein Bohrloch, wie ein Bohrloch 22 in 1 und hat einen inneren Hohlraum 58, welcher ausreichend breit ist, um die starren Drähte oder Fäden aufzunehmen, und zusätzlich hat er auch einen Spalt 60 in seinem Körper, der zum Festlegen von derartigen starren Drähten oder Fäden innerhalb des Hohlraums 58 verwendet werden kann. Am Außenende der Stabilisierungseinrichtung bzw. des Stabilisators 52 außerhalb des Felskörpers ist über eine Hülse 74 eine Instrumenten- bzw. Instrumentierungskopfanordnung 28 verbunden, wie dies bereits in 1 gezeigt ist, welche selbst durch ein elektrisches Kabel 30 mit einer geeigneten Anzeigevorrichtung 32 verbunden ist.
  • In 10 ist ein hohler Hauptdraht 38 in dem inneren Hohlraum 40 gezeigt, von welchem drei starre Drähte 68 zur Verfügung gestellt sind, welche innerhalb des Hohlraums 40 an der Wand des Hauptdrahts 38 an Ankerpunkten A, B und C verankert sind. Dies kann durch ein Bohren von kleinen Löchern in der Wand des Hauptdrahts 38 an diesen Ankerpunkten und Einsetzen der Drähte 68 durch diese Löcher und dann ein Verschweißen oder anderes Verankern von einem Ende von jedem dieser Drähte 68 an dem geeigneten Anker durchgeführt werden. Beispielsweise kann man als geeignete Drähte 68 einen gerichteten Torsionsmusikdraht mit 0,020 mm Durchmesser verwenden. Ein nicht-metallischer Faden, der die gewünschte Festigkeit und Steifigkeit aufweist, würde auch geeignet sein.
  • Die starren Drähte 68 treten aus dem Hauptdraht 38 an dem Außen- oder Bodenende des Kabels aus (und bilden so das Kabel) und treten in die Instrumentierungskopfanordnung 28 ein, welche weiter unten beschrieben werden wird.
  • In 11 ist eine Anordnung analog bzw. ähnlich zu jener, die in 10 gezeigt ist, dargestellt bzw. illustriert, jedoch hat hier der Hauptdraht 38 sechs starre Spannungsmeßdrähte 68 innerhalb seines inneren Hohlraums 40. Jeder Draht 68 ist an einem hohlen Pfropfen 70 festgelegt bzw. verankert, der an dem Inneren des hohlen Hauptdrahts 38 an einem vorbestimmten Ankerpunkt gesichert ist. Der hohle Pfropfen 70 kann beispielsweise ein Epoxyharzpfropfen sein, der durch einen Zapfen (nicht gezeigt) an seinem Platz gehalten ist, welcher die Wand des Hauptdrahtrohrs durchdringt, oder er kann durch einen geeigneten Kleber gesichert sein. Die verbleibenden Drähte werden durch das zentrale Loch 72 des Pfropfens 70 hindurchtreten, um an weiter entlegenen Orten des Kabels verankert zu werden.
  • Obwohl 10 und 11 eine Anordnung illustrieren, in welcher Spannungsmeßdrähte 68 innerhalb eines rohrförmigen Hauptdrahts 38 verankert sind, sollte verstanden werden, daß statt dem rohrförmigen Hauptdraht 38 eine andere Hauptdrahtanordnung verwendet werden kann, wie dies beispielsweise in 5 bis 8 gezeigt ist. Darüber hinaus können derartige Anordnungen verwendet werden mit jeder Art von Kabelanker, beinhaltend modifizierte Kabel, wie das Nußschalenkabel, Wulstkabel, GarfordTM-Kabel und dgl. Das Verankern kann in jeder geeigneten Weise durchgeführt werden, wie Verschweißen, Pfropfen, Festlegung mit einem starken Kleber oder jeder Kombination von derartigen Verfahren. Wenn ein Einzementieren des Kabels verwendet wird und der Spannungsmeßdrähte 68 in einem System vorliegen, wie dies in 5 bis 8 gezeigt ist, sind sie vorzugsweise geschmiert, so daß sie nicht durch den Mörtel immobilisiert werden.
  • Weiters sind die Anordnungen, die in 10 und 11 gezeigt sind, obwohl sie im Zusammenhang mit einem hohlen Hauptdraht gezeigt sind, auf jegliche hohlen Felsunterstützungsmittel bzw. Felsankermittel anwendbar, wie beispielsweise den Stabilisator, der in 9 gezeigt ist.
  • Bezugnehmend auf 12 erläutert sie wie das Kabel 20 der vorliegenden Erfindung an der Instrumenten- bzw. Instrumentierungskopfanordnung 28 festgelegt ist, welche hier ohne ihren Außenabdeckungen gezeigt ist. Für diesen Zweck wird eine Verbindungshülse 74 vorgesehen, welche das Außenende des Kabels 20 mit der Instrumentierungskopfanordnung 28 verbindet, ohne die Bewegung der starren Drähte 68 zu behindern. In dieser speziellen Ausbildung treten sechs Drähte von dem Kabel 20 durch die Hülse 74 aus. An ihren Außenenden sind diese Drähte mit zylindrischen oder rohrförmigen Betätigungseinrichtungen 76 verbunden, welche nach außen vorragende Abstreifer 78 aufweisen. Die Betätigungseinrichtungen bzw. -glieder 76 sind federbelastet und werden in ein sternförmiges führendes bzw. Führungsglied 80 eingesetzt, das sechs halbkreisförmige Nuten bzw. Rillen 82 aufweist, die in einer hexagonalen Anordnung festgelegt sind, in welcher die Betätigungsglieder 76 adaptiert sind, sich in der Längsrichtung zu bewegen.
  • Wie dies in 13 gezeigt ist, wird das Führungsglied dann mit einer hexagonalen Abdeckung 84 abgedeckt, welche aus zwei voneinander trennbaren Längshälften gebildet sein kann, in welcher jeweils ein dreifaches, lineares Potentiometer festgelegt ist. Die elektrischen Drähte 86A und 86B sind mit jedem derartigen Potentiometer verbunden von diesem zu einer geeigneten Anzeigeeinheit durch Kabel 30 ebenso wie zu einem elektrischen Auslaß geführt, wie dies in 1 und 9 gezeigt ist. Um die zwei Hälften der hexagonalen Abdeckung 84 zusammenzuhalten, können sie in eine rohrförmige Abdeckung 88 eingesetzt sind.
  • 14A und 14B zeigen eine vergrößerte Darstellung der Instrumentenkopfanordnung gemäß dieser Ausbildung der Erfindung. So sind starre Drähte 68, die aus den Felsankermitteln austreten, an ihren Außenenden mit zylindrischen Betätigungsgliedern 76 verbunden, die nach außen vorragende Abstreifer 78 aufweisen. Diese Betätigungsglieder 76 bewegen sich in der Längsrichtung in halbkreisförmigen Rillen 82, die in dem sternförmigen Führungsglied 80 vorgesehen sind. Die Betätigungsglieder 76 und somit die Drähte 68 sind mittels Federn 90 federbelastet. Diese Anordnung ist durch eine hexagonale Abdeckung 84 abgedeckt, die aus zwei identischen halb-hexagonalen Hälften 84A und 84B gefertigt ist. Jede dieser Hälften ist mit einem dreifachen, linearen Potentiometer versehen, wobei eine Potentiometermembran 92 auf jeder hexagonalen Wand der Abdeckung 84A und 84B festgelegt bzw. montiert ist. Drähte bzw. Zuleitungen 94 von derartigen Potentiometern werden dann über geeignete Verdrahtungen 86A, 86B (13) mit dem elektrischen Auslaß und der Anzeigeeinheit verbunden.
  • Eine derartige Anordnung ist einfach, billig und leicht kalibrierbar. Wenn die Abstreifer 78 die Potentiometermembran 92 berühren und das System betätigbar gemacht bzw. in Betrieb genommen ist, wird die Anzeigevorrichtung kalibriert, um beispielsweise Null (0) auf der Anzeigeeinheit zu zeigen. Dann wird jede Bewegung der Betätigungseinrichtung 76 und somit des elektrischen Kontakts, die durch die Abstreifer 78 ausgebildet ist, eine Ablesung anzeigen, welche leicht korreliert werden kann, um die Last oder Spannung zu bestimmen, die auf das Kabel als ein Ergebnis der Spannungen in dem Felsen aufgebracht ist. Anders als die Situation bei den Widerstandsdrähten, wo 0,1 von einem Volt eine signifikante Ausgabe ergibt, was die Auflösung und die Kalibrierung schwierig macht, gibt es in diesem Fall Ausgaben in der Größenordnung von 5 Volt, welche eine bedeutend einfachere Kalibrierung und eine genauere Ablesung zur Verfügung stellen.
  • Es sollte festgehalten werden, daß statt der sechs starren Drähte 68 man mehr oder weniger mit geeigneten Einstellungen an dem Instrumentierungskopf verwenden kann. Dies hängt von der gewünschten Überwachung ab. In einigen Fällen kann ein starrer Draht oder Faden mit einem einzigen linearen Potentiometer ausreichend sein, während in anderen eine Anzahl von derartigen Drähten erforderlich sein wird.
  • Darüber hinaus kann man statt eines linearen Potentiometers einen linearen Spannungsverlagerungswandler (LVDT) verwenden, obwohl er etwas voluminöser ist und einen größeren Instrumentierungskopf erfordern würde.
  • Um die Korrelation zwischen einer gemessenen Dehnung bzw. Spannung, welcher eine Felsankervorrichtung unterworfen sein kann, und der Last oder Kraft (F) zu illustrieren, die aufgebracht ist, wurde ein Dreifach-Ankerpunkt-Prototyp-Kabelanker gebaut, wie dies diagrammartig bzw. schematisch in 15 dargestellt ist. Zu Beginn wurden die drei Drähte wie folgt verankert: einen bei 1 Meter Länge vom Außen- oder Austrittsende des Kabels; einen bei 0,56 Meter von einem derartigen Ende und einen sehr nahe zu dem Austrittsende des Kabels. Dann wurde eine Kraft F auf den Kabelanker bzw. Kabelbolzen aufgebracht, was in der Verlagerung von jedem Draht resultierte. Die Messung dieser Verlagerung durch den Instrumentierungskopf, wie er oben beschrieben ist, stellte die in 16 und 17 gezeigten graphischen Ergebnisse zur Verfügung. So ist in 16 die angelegte Kraft (F) gegen die Zeit ausgedruckt und in 17 ist die gemessene Kabeldehnung (DX) gegen die Zeit ausgedruckt, wie dies durch eine Verlagerung von jedem Draht bestimmt wurde. Es ist aus diesen Diagrammen klar, daß es eine sehr gute Korrelation zwischen der angelegten Kraft und der resultierenden Dehnung ergab, was unter Verwendung eines linearen Potentiometers oder eines LVDT leicht gemessen angezeigt bzw. dargestellt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Anzahl von wichtigen Vorteilen gegenüber den Systemen des Stands der Technik zur Verfügung. Das neue Instrument kann mit jeder Art von verseiltem Kabel, Reibungsstabilisator oder ähnlichen Abstütz- bzw. Supportmitteln verwendet werden, die für eine Verstärkung von Felsgestein bzw. -schichten oder Betonstrukturen oder jeder anderen Anwendung verwendet werden, wo derartige Vorrichtungen verwendet werden können. Somit beinhaltet, wenn eine Bezugnahme auf eine "Felsankervorrichtung" gemacht wird, sie derartige Vorrichtungen für jegliche Anwendung. Anders als bei anderen bekannten Vorrichtungen ist die Instrumentierung, bestehend aus starren Drähten oder Filamenten bzw. Fäden innerhalb der Vorrichtung eingeschlossen bzw. umschlossen, wodurch sichergestellt wird, daß das Kabel, die Stabilisiereinrichtung und dgl. im wesentlichen identisch wie das nicht-instrumentierte Äquivalent aussieht und wirkt.
  • Es sollte selbstverständlich verstanden werden, daß die Erfindung nicht auf die spezifischen, oben beschriebenen Aus bildungen beschränkt ist, sondern daß zahlreiche Modifikationen, die dem Fachmann offensichtlich sind, getätigt werden können, ohne den Rahmen davon zu verlassen. Beispielsweise kann eine Fernablesung zur Verfügung gestellt werden, wenn unter nachteiligen Abbau- bzw. Grubenbedingungen gearbeitet wird. Auch eine Computerkorrelation und Analyse der Daten kann implementiert werden.

Claims (13)

  1. Verspannungen messende Felsankervorrichtung, gekennzeichnet durch Felsankermittel mit einem länglichen Innenhohlraum, der sich dort derart hindurch erstreckt, dass wenigstens ein starrer Draht oder Faden (68) untergebracht ist, der sich in den Hohlraum erstreckt und an einem seiner Enden in dem Hohlraum verankert ist und an seinem anderen Ende an einem längs bewegbaren federbeaufschlagten Betätigungsglied (76) verbunden ist, das mit einem elektrischen Kontakt zu einem Linearbewegungen erfassenden Mittel versehen ist, um jede Bewegung des Betätigungsglieds (76) zu messen, die durch Bewegung des starren Drahtes oder Fadens (68) verursacht wird, welche durch Deformation der Felsankermittel aufgrund von Zugkraft oder -spannung erzeugt wird, die auf die Felsankermittel durch die im Fels auftretende Verspannung angewandt wird.
  2. Verspannungen messende Felsankervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Felsankermittel aus einem Kabelanker (20) bestehen, der einen zentralen Hauptdraht (34) umfasst, der von einer Vielzahl von verseilten umliegenden Drähten (36) umgeben ist.
  3. Verspannungen messende Felsankervorrichtung nach Anspruch 2, bei der der längliche Hohlraum dadurch gebildet wird, dass der Hauptdraht (34) hohl oder röhrenförmig (38, 40) gemacht wird.
  4. Verspannungen messende Felsankervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Felsankermittel ein Reibungsstabilisator (52) mit einem hohlen Inneren und einen Längsspalt in seinem Gehäuse ist.
  5. Verspannungen messende Felsankervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der eine Vielzahl von starrer Drähten oder Fäden (68) verwendet wird, wobei jeder an einem vorbestimmten Verankerungspunkt (A, B, C) in dem Hohlraum verankert ist, in dem sie angeordnet sind.
  6. Verspannungen messende Felsankervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Linearbewegungen erfassende Mittel ein lineares Potentiometer ist.
  7. Verspannungen messende Felsankervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das federbeaufschlagte Betätigungsglied (76) mit seinem elektrischen Kontakt und den Linearbewegungen erfassenden Mitteln in einer geeigneten Instrumentenkopfanordnung (28) eingeschlossen sind, der mit dem äußeren Ende der Felsankermittel verbunden ist, um die freie Bewegung der starren Drähte oder Fäden (68) nicht zu behindern.
  8. Instrumentenkopfanordnung für die Verspannungen messende Felsankervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenigstens ein starrer Draht oder Faden (68) von einem Außenende der Felsankermittel, in dem er verankert ist, hervorragt, wobei die Kopfanordnung gekennzeichnet ist durch (a) ein gerilltes Leitteil (80) mit einer Rille (82) für jeden starren Draht oder Faden (68); (b) ein längs bewegliches Betätigungsglied (76) in jeder Rille (82) mit elektrischen Kontaktmitteln, die davon nach außen hervorragen, wobei das Betätigungsglied (76) mit dem Ende des starren Drahtes oder Fadens (68) an einem Ende verbunden ist und am anderen federbeaufschlagt ist; (c) Linearbewegungen erfassende Mittel, die derart angebracht sind, dass die elektrischen Kontaktmittel in der Lage sind, dieselben zu betätigen und (d) eine Abdeckung, um die Gegenstände (a) bis (c) einzuschließen und sie zusammenzuhalten.
  9. Instrumentenkopfanordnung nach Anspruch 8, bei der das gerillte Leitteil (80) sternförmig mit sechs halbrunden Längsrillen (82) ist, die um seinen Umfang herum angeordnet sind.
  10. Instrumentenkopfanordnung nach Anspruch 9, bei der das Betätigungsglied (76) ein zylindrisches oder röhrenförmiges Bauteil ist, das in jeder Rille (82) bewegbar und federbeaufschlagt ist, so dass es an einem vorgegebenen Punkt in der Rille (82) zu Kalibrierungszwecken angeordnet werden kann.
  11. Instrumentenkopfanordnung nach Anspruch 10, bei der die elektrischen Kontaktmittel einen Abstreifer (78) umfassen, der an der Oberfläche des Betätigungsgliedes (76) angebracht ist und davon nach außen so vorsteht, dass er mit Betätigungsmembranen (92) der Linearbewegungen erfassenden Mittel in Kontakt tritt.
  12. Instrumentenkopfanordnung nach Anspruch 11, bei der die Linearbewegungen erfassenden Mittel aus zwei dreifachen linearen Potentiometern mit den Betätigungsmembranen (92) bestehen, die derart angebracht sind, dass die Abstreifer (78) damit in Kontakt treten können.
  13. Instrumentenkopfanordnung nach Anspruch 12, bei der die Abdeckung aus zwei halbhexagonalen Hälften (84A, 84B) bestehen, wobei jede Hälfte ein dreifaches lineares Potentiometer hat, das auf der Innenseite davon so angebracht ist, dass, wenn beide Hälften der Abdeckung die Gegenstände der Instrumentenkopfanordnung einschließen, jeder Abstreifer (78) eine Potentiometerbetätigungsmembran (92) berühren wird.
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