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Verfahren zum Absenken und Auskleiden von Schächten Für die Absenkung
von Schächten in wasserreichen Gebirgsschichten kommen in der Hauptsache zwei Verfahren
in Betracht, nämlich das Gefrierverfahren und das Schachtbohrverfahren mit Dickspülung.
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Beim erstgenannten Verfahren wird eine Vereisung der rings um den
projizierten Schacht befindlichen Deckschichten bewirkt, die während der Absenkperiode
die Schachtwand vor dem Einstürzen bewahrt. Zu diesem Zweck wird eine gewisse Anzahl
Bohrlöcher, die bis in das Anstehende reichen müssen, in konzentrischer Anordnung
rings um den Schacht niedergebracht. Nach der Verrohrung dieserBohrlöcher läßt man
durch dieRohre eine stark h:erabgekühlte Salzlösung zirkulieren, die die Vereisung
der angrenzenden Schwimmsand-und übrigen wasserhaltigen Schichten besorgt, wodurch
schließlich ein fester wasserundurchlässiger Frostring gebildet wird. Anschließend
besorgt man die Ausschachtung des innerhalb des inneren Kreises dieses Frostringes
vorhandenen Kerns. Die Schachtwand wird inzwischen nach Bedarf mit einer vorläufigen
Verkleidung versehen, wodurch verhütet wird, daß sich Gesteinsbrocken aus der Gebirgswand
lösen und in den Schacht hineinfallen. Sobald man mit dem Abteufen bis zu einer
gewissen
Tiefe vorgedrungen ist, wird ein Tragekranz in den Schacht
eingebracht, auf dem nachher die endgültige Verkleidung des bereits abgeteuften
Schachtteils aufgebaut wird. Diese Verkleidung besteht aus mehreren gußeisernen
Schachtringen, die an Ort und Stelle aus Keilkranzstücken zusammengesetzt werden.
Die gegenseitige Befestigung der Tragekränze und Keilkranzstücke wird durchVerbolzung
bewerkstelligt; ergeben sich nach deren Verbolzung an ihren Berührungsflächen undichte
Stellen, so werden diese mit Bleistreifen abgedichtet, wodurch das Schachtinnere
vor einem Eindringen von Wasser geschützt wird. Um ein einwandfreies Anschließen
der Bekleidung an die Gesteinswand .zu gewährleisten, wird. zwischen der Bekleidung
und der Schachtwand Beton geschüttet. Der Schacht wird sodann weiter abgeteuft und
in der obenerwähnten Weise verkleidet, bis man auf das Anstehende stößt. Die Deckschichten
können nun aufgetaut und das Niederbringen des Schachtes fortgesetzt werden, bis
die aufzuschließenden Lagerstätten erreicht sind.
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Dieses Verfahren ist in hohem Grade betriebssicher. Es besteht kaum
die Möglichkeit eines Wasserdurchbruchs, auch ein Hereinbrechen der Schachtwand
ist fast ausgeschlossen. Bei Verwendung des Gefrierverfahrens ist es möglich, der
Anforderung einer senkrechten Abteufung des Schachtes gerecht zu werden, ohne daß
sich Schwierigkeiten bemerkbar machen.
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Ein diesem Verfahren anhaftender Übelstand besteht nun,darin, daß
.die Verkleidung an Ort und Stelle angebracht werden muß. Die Verwendung von Beton
zu Verkleidungszwecken, ebenso die Anwendung einer Schachtausmauerung bringen bei
der in dem Gefrierschacht herrschenden niedrigen Temperatur ein unzeitiges Gefrieren
des Betons oder Mauermörtels, nämlich bevor eine genügende A@bbindung des betreffenden
Baustoffs oder Bindemittels stattgefunden hat, als Nachteil mit sich. Die Beschaffenheit
dieser Stoffe ist infolgedessen nach dem Auftauen porös und ihr Zusammenhalt als
schlecht zu .bezeichnen.
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Um diesen Übelstand zu vermeiden, verwendet man im Gefrierschacht
eine Verkleidung, die aus mit Flanschen versehenen Teilen besteht, welche miteinander
verbolzt werden. Weil eine solche Verkleidung bei Verwendung von Gußstahl zu teuer
ausfallen würde, ist man auf Gußeisen angewiesen. Das Gußeisen vermag aber keine
Zugspannungen aufzunehmen. Um nunmehr ,z.u vermeiden, daß eine solche gußeiserne
Verkleidung bei Gebirgsbewegungen, die etwa die Folge des Abbaus bereits erschlossener
Vorkommen sind, einer Beanspruchung auf Zug .unterliegen, sorgt man dafür, daß ein
sogenannter Sehachtsicherheitspfeiler unberührt bleibt, d. h. man läßt einen Kegel,
dessen Herzlinie den Schacht darstellt, stehen; innerhalb dessen Umgrenzung dürfen
keine Materialien durch Abbau gewonnen werden. Es ist klar; daß man dadurch größere
Mengen Mineralien einbüßt. Baut man trotzdem diesen Pfeiler ab, so treten längs
der Schachtwand Senkungen ein, die in der Bekleidung eine Beanspruchung auf Zug
verursachen. Besonders evenn sich im Deckgebirge eine harte Schicht, z. B. eine
Sandsteinbank, vorfindet, kann dieser Abbau verheerende Folgen haben. Es treten
Senkungen des unter der harten Schicht befindlichen Bodens auf, während die Schicht
selbst und die mit ihr verbundene Verkleidung häng:enbleiben. Die Flansche der Keilkranzstücke
gehen zu Bruch, und in der Verkleidung entstehen Risse, durch die hindurch Wasser
und Sand in den Schacht einströmen.
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Die Art, in der die Abdichtung vorgenommen wird, nämlich mittels einer
Einklemmung von Blei zwischen den Fugenkanten der Keilkranzstücke, macht es unvermeidlich,
daß beim Anziehen der Bolzen unterschiedliche Zugspannungen . in den Flanschen der
Keilkranzstücke auftreten. Diese haben keine große Bedeutung, wenn nicht noch andere
Zugspannungen im Gußeisen der Schachtverkleidung auftreten würden. Dieser Fall liegt
dann vor, wenn die Keilkranzstücke nicht einander aufliegen, sondern das eine an
dem andern hängt. Deswegen werden in regelmäßigen Abständen Schachtausbaukränze
eingebaut, denen die Aufgabe zufällt, einen Teil des Verkleidungszylinders zu tragen.
Es ist jedoch schwer vorauszusehen, was nach dem Auftauen des Frostkörpers geschehen
wird, der infolge der Frost- und Tauwirkung, die eine Dehnung bzw. eine Schrumpfung
seiner Masse hervorgerufen haben, sich gelockert hat. Der im Deckgebirge eingerichtete,
zum Tragen der Tragkränze dienende Stützpunkt kann während desAuftauens derart geschwächt
sein, daß er unter dem Gewicht der Bekleidung nachgibt und die gußeiserne Verkleidung
somit doch auf Zug beansprucht wird.
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Mit der Verwendung von die Flansche tragenden Verkleidungsteilen ist
der Nachteil verbunden, daß die innere Wand der mit jenen Teilen hergestellten Verkleidung
nicht gleichmäßig glatt ist. Deer Widerständ, der sich der durch den Schacht strömenden
Ventilationsluft entgegenstellt, ist verhältnismäßig beträchtlich und die Menge
Luft, die den Abbauorten bei einer bestimmten Kapazität der Ventilatoren zugestellt
werden kann, relativ gering. Der Versuch, diesen Nachteil durch Anwendung einer
verschweißten .guß-,eisernen Verkleidung zu beseitigen, scheitert an dem Umstand,
daß die Schweißnähte nicht zuverlässig sind, weil die Bleche nur von einer Seite
her der Schweißung zugänglich sind und eine Nachprüfung der Schweißnähte überhaupt
nicht möglich ist: Beim zweiterwähnten Verfahren bemüht man sich, den Schacht fortwährend
mit einer Tonsuspension aufgefüllt zu halten. Man sorgt dafür, daß der Flüssigkeitsspiegel
im Schacht stets über dem Niveau des Grundwassers liegt. Bei diesem Sachverhalt
liegt im Schacht ein hydrostatischer Überdruck vor, der dem Übelstand des Hereinbrechens
vorbeugt und das Grundwasser zurückdrängt. Weiterhin verursacht dieser Überdruck,
daß eine gewisse Menge der in dem Schacht vorhandenen Dickspülung in die durchschnittenen
Erdschichten dringt. Die Dickspülung läßt, zwischen
den Körnern
dieser Erdschichten durclifließen(1, eine dünne Tonschicht auf den dem Schacht benachbarten
Körnern zurück.
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Hat die Tonschicht durch ständige Ablagerung so weit zugenommen, daß
eine Schicht von l)°-stimmter Dicke entstanden ist, so wird sie für Wasser undurchdringlich,
und der Verlust an Dickspülung hört somit auf. Die Schachtwand bleibt bei der Anwendung
dieses Verfahrens unbekleidet; man ist imstande, den Schacht von der Oberfläche
aus durch die Deckschichten hindurch abzubohren, und zwar ohne daß man eine Verkleidung
anbringt. Das beim Bohrvorgang sich lösende Gestein wird mittels einer Pumpenvorrichtung
zutage befördert.
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Ist man mit dem Bohren bis zu der gewünschten Tiefe fortgeschritten,
mit anderen Worten ist der Schacht bis zu einer .bestimmten Entfernung in das Anstehende
gebohrt, so geht man dazu über, die Verkleidung anzubringen. Zu diesem Zweck wird
ein Zylinder, der an seiner unteren Seite mittels einem entfernbaren Boden verschlossen
ist, in den Schacht gesenkt, wo er auf der Dickspülung schwimmt. Der -erwähnte Boden
besteht z. B. aus einem verlorenen Betonboden, der später durch Ausspitzen entfernt
wird.
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Der Zylinder wird dadurch, daß man ihn durch Aufsetzen von Ringen
und mittels Hineinpumpen von Wasser in den Schacht beschwert, allmählich in den
Schacht gesenkt. Die Teile, aus denen sich dieBekleidung zusammensetzt, können zweckmäßig
über Tage miteinander verschweißt «-erden, und man ist somit nicht mehr wie bei
der Gefriermethode an eine Verwendung von Flanschverbindungen gebunden. Man kann
demnach eine stählerne Verkleidung in Anwendung bringen, z. B. aus Stahlblech. Die
Innenwand der Verkleidung ist bei Verwendung dieses Materials völlig glatt und stellt
somit der hineinströmenden Ventilationsluft ein Mindestmaß an Widerstand entgegen.
Eine solche Bekleidung ist billiger und zuverlässiger als eine gußeiserne Bekleidung,
während die Elemente dieser Bekleidung sich leichter wasserdicht zusammenfügen lassen.
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Hat man die Bekleidung bis auf den Boden des Schachtes gesenkt, so
wird der Raum, der zwischen den durchschnittenenErdschichten und derSchachtverkleidung
vorhanden ist, unter Entfernen der in diesem Raum verbliebenen Dickspülung aufgefüllt.
Sodann wird das im Zylinder vorhandene Wasser durch Pumpen weggeschafft, und nachdem
die Entfernung des verlorenen Betonbodens erfolgt ist, kann man den Schacht durch
Troclz:ribohrung durch das Anstehende niederbringen.
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Der besondere Vorteil des Schachtbohrverfahrens mit Dickspülung liegt
in der Tatsache, daß man die Schachtverkleidung in einfacher N@jeise anbringen kann,
und in der Möglichkeit, daß man eine starke und billige stählerne Verkleidung mit
glatter Innenwand anwenden kann.
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Mit dem eigentlichen Bohren sind jedoch verschiedene Unannehmlichkeiten
verbunden. In gestörtem Deckgebirge, z. B. wenn dort größere Störungen vorliegen
oder wenn die anzubohrenden Vorkommen bereits von einem benachbarten Schacht aus
abgebaut werden, kann man auf Risse und Hohlräume treffen. Wie bereits vorher erwähnt,
können diese Räume dadurch entstanden sein, daß eine harte Schicht sich nicht in
gl:ichem Maße an einer auftretenden Senkung beteiligt, wie die unter dieser Schicht
befindlichen weniger harten Schichten. Es ist bereits vorgekommen, daß die Dickspülung
beim Anbohren eines solchen Hohlraums schneller w.egfloß, als daß man sie ergänzen
konnte, was zur Folge hatte, daß die Schachtwand hereinbrach und der Schacht einstürzte.
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Eine große Schwierigkeit ist weiterhin, die Schachtabbohrung so auszuführen,
daß der resultierende Schacht schnurgerade verläuft. Bei dem Gefrierverfahren wird
man dieser Anforderung völlig gerecht. Trifft man beim Abbohren mit Dickspülung
auf eine harte Schicht auf, z. B. eine Mergelschicht, die eine geneigte Stellung
innehat, so weicht, besonders wenn eine solche Schicht in großer Tiefe gelegen ist,
der Bohrer seitwärts aus, weil die Steifigkeit derBohrstange bei zunehmender Tiefe
geringer wird. Bei Einbringung der Verkleidung in den betreffenden Schacht wird
sie sich an der Stelle; wo diese Abweichung von der Gerade auftritt, einklemmen,
und es wird manchmal nicht möglich sein, sie bis auf den Boden des Schachtes zu
senken. Wird eine solche Abweichung beim Bohren festgestellt, so muß die Schachtwand
durch nachträgliches Räumen begradigt werden. Die Gefahr bleibt aber stets vorhanden,
daß hei diesem nachträglichen Räumen ein Rand zurückbleibt, auf der im Verlauf des
Senkvorganges die Schachtwandverkleidung festsitzt. Dieser Rand ist beim späteren
Beschweren der Schachtwandverhleidung der zunehmenden Belastung nicht gewachs,en;
und bricht an einem gewissen Zeitpunkt ab., worauf die Verkleidung ruckartig ein
Stück `reges hinunterfährt. Infolgedessen können Bewegungen der im Schacht befindlichen
Flüssigkeit entstehen, die eine örtliche Zerbröckelung der Schachtwand und das Hinunterfallen
von Teilen dieser Wand herbeiführen.
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Wird im Verlauf der Arbeit eine plastische Tonschicht angebohrt, so
muß das spezifische Gewicht der Bohrflüssigkeit .durch Zusatz von Bargt gesteigert
werden, damit verhüt,-t wird, daß der Ton jener Schicht sich der Suspension beimischt.
Bargt ist als Beschwerungsstoff kostspieliger als der zu diesem Zweck verwendete
Ton, und der Schutz, den er gewähren soll, reicht nicht immer aus. Die Schachtwand
wird deswegen häufig durch Anwendung einer verlorenen Verrohrung an Ort und Stelle
der Tonschicht geschützt. Durch diese Verrohrung des Schachtsumpfes verringert sich
am Ende der lichte Durchmesser der endgültigen Schachtverkleidung.
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Fällt irgendein Gegenstand in den Schacht hinunter, so muß die Bohrarbeit
zeitweilig eingestellt werden. Nur wenn der betreffende Gegenstand wieder aus dem
Schachtsumpf herausgeangelt ist, darf man die hohrarbeit wiederaufnehmen. Das
I3erausangeln
ist manchmal sehr zeitraubend. Für den Fortgang der Bohrarbeit wirkt auch das wiederholte
Ausfahren der Bohrstange zur Auswechslung abgenutzter Bohrer ungünstig. Insbesondere
beim Abbohren harter Schichten muß dieses Auswechseln recht häufig vorgenommen werden.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Absenkung von Schächten
unter Aufrechterhaltung der Vorteile der vorher beschriebenen Verfahren und unter
Verineidung der den beschriebenen Verfahren anhaftenden Nachteile.
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Das Ziel des Verfahrens wird dadurch erreicht, daß, nachdem durch
eine Kältebehandlung die abzuteufenden wasserreichen Deckschichten bis zu dem Anstehenden
vereist worden sind, nacheinander die Abteufung des Schachtes vorgenommen, die Wand
des Schachtes mit einer verlorenen Verkleidung versehen, der Schacht mit einer Flüssigkeit
von wirklichem oder scheinbarem hohem spezifischen Gewicht aufgefüllt und die mit
einem entfernbaren Boden ausgestattete endgültige Verkleidung unter allmählicher
Beschwerung etwa mit einer Flüssigkeit und einer in Aufwärtsrichtung verlaufenden
Verlängerung der erwähnten Verkleidung in den Schacht gesenkt wird, worauf, nachdem
die Verkleidung auf dem Schachtboden angelangt ist, der zwischen der verlorenen
und der endgültigen Verkleidung vorhandene Raum aufgefüllt wird.
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Folgt man dieser Methode, so ist jegliche Gefahr beim Niederbringen
des Schachtes beseitigt, ebenfalls ist nun eine Schachtabteufung in schnurgerader
Richtung möglich. Für die Verkleidung kann Stahl oder Flußeisen verwendet werden.
Die mit. diesen Materialien hergestellte Schachtverkleidung ist stark und ihre Innenwand
glatt.
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Als Flüssigkeit zumAuffüllen -des Schachtes kann man eine Trübe verwenden,
notwendig ist dies aber nicht. Der Schacht kann auch mit einer Flüssigkeit mit niedrigem
Gefrierpunkt, wie z. B. mit einer Salzlösung, aufgefüllt werden. Im ersteren Falle
werden die vereisten Deckschichten nach der erwähnten Auffüllung des Schachtes und
vor Einbringern der endgültigen Bekleidung so weit aufgetaut, daß einer Eisbildung
an der Innenwand der verlorenen Verkleidung, die beim Senken der endgültigen Schachtverkleidung
den Arbeitsgang erschweren dürfte, vorgebeugt ist.
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Im zweiten Fall kann man gleich nach der Auffüllung mit dem Einbringen
der Verkleidung beginnen und das Auftauen während des Verkleidens oder zu einem
späteren Zeitpunkt bewerkstelligen.
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Ist eine Auffüllung mit Beton des zwischen der verlorenen- und endgültigen
Verkleidung vorhandenen Raums geplant, so empfiehlt es sich, diese Auffüllung erst
nach erfolgtem Auftauen vorzunehmen, damit man einer guten Abbindung des Betons
sicher sei. Als Füllmasse läßt sich auch zweckmäßig eine plastische Masse, wie Bitumen
oder Ton, verwenden. Die Schachtverkleidung steht dann frei und von den Deckschichten
nicht berührt, so daß etwaige Bewegungen dieser Schichten keine nachteiligem Auswirjiungen
auf die endgültige Verkleidung auszuüben vermögen. Man kann daher ohne Bedenken
zürn Abbau des Schachtsicherheitspfeiler s schreiten.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher
erläutert werden.
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Fig. i und 2 zeigen den Zustand des Deckgebirges während der Vereisungsbehandlung;
Fig: 3 stellt einen Querschnitt eines Gefrierrohrs (nicht maßstäblich) dar; in Fig.
4 ist ein Querschnitt des Schachtes gezeichnet (Zustand während der Anbringung der
Schachtv erkleidung), und Fig. 5 gibt eine Darstellung eines Teils der verkleideten
Schachtwand (nicht maßstäblich) wieder. In einem konzentrisch um den projizierten
Schacht i angeordneten Kreis wird durch das Deckgebirge 3 bis zum Anstehenden 4
eine Anzahl Bohrlöcher 2 abgebohrt. Sodann wird ein jedes dieser Bohrlöcher durch
ein unten geschlossenes Rohr 5 (Gefrierrohr) ausgekleidet. In diese Rohre hängt
man engere, unten offene Rohre (Einfallrohie) 6 -so weit ein, daß sich ihre Mündung
nahe über dem Boden der Gefrierrohre befindet. Eine tief herabgekühlte Lauge, z.
B. eine Chlorcalciumlösung mit einer Temperatur von -:2o' ' C, wird durch das Röhrensystem
gefördert. Das Gebirge gefriert zunächst um die einzelnen Gefrierrohre, bis die
so entstehenden, ständig an Stärke zunehmenden einzelnen Frostzylinder 7 zusammenstoßen
und sich zu einem Ring (Frostring) schließen, innerhalb dessen man später den Schacht
abteuft. Das Schließen des Ringes wird an einem merklichen Ansteigen des Grundwassers
an Ort und Stelle ersichtlich. Sobald die ringförmige Frostmauer eine genügende
Stärke erreicht hat, um den Zufluß von Wasser aus den sie umgebenden Schichten zu
unterbinden, wird der Schacht abgeteuft. Die Wand des Schachtes wird dann, um einen
Gesteinsnachfall zu verhüten, mit einer verlorenen Verkleidung 8 versehen. Ist der
Schacht alsdann bis zum Anstehenden abgeteuft, so wird er mit einer Tontrübe aufgefüllt.
Das Deckgebirge wird allmählich dadurch, daß durch die Gefrierrohre eine Salzlösung
mit einer Temperatur von 20° C zirkuliert, aufgetaut. Beim Auftauen verlegt sich
die Grenze der Auftauzone, mit anderen Worten der Innendurchmesser des Frostrings,
und nachdem dieser stetig wachsende Durchmesser größer als der Schachtdurchmesser
geworden ist, kann der Schacht mit der endgültigen Verkleidungg ausgestattet werden,
ohne daß man eine Eisbildung an der Innenwand des Schachtes, die das Senken der
Verkleidung erschweren würde, zu befürchten braucht.
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Die Verkleidung besteht aus einem doppelwandigen Zylinder aus Eisenblech,
der unten mittels eines verlorenen Betonbodens io geschlossen ist. Die unteren Verkleidungsbleche
wählt man dicker als die oberen, weil der hydrostatische Druck mit zunehmender Tiefe
wächst. Der ringförmige Raum ii zwischen der Innenwand 12, und der Außenwand 13
wird beim Senken der Verkleidung mit Beton aufgefüllt, der festgerammt wird. Stets
werden nun von neuem an der zylinderförmigen Verkleidung Ringe angeschweißt, während
man durch Einpumpen
von Wasser für ein allmähliches Einsenken der
Verkleidung in den Schacht sorgt. Wenn der Schacht zum Schluß über seine ganze Länge
mit der endgültigen Verkleidung versehen ist, wird zwischen dieser und der verlorenen
Bekleidung eine plastische Füllung 1q. angebracht. Nach Entfernung des verlorenen
Betonhodens zo kann man den Schacht weiter in normaler Weise durch das Anstehende
bis in das abzubauende Vorkommen niederbringen.