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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf unterirdischen Bergbau, im speziellen auf eine nachgiebige Abstützeinrichtung fur Stollendecken
Bei Stollen in hartem Fels verformen sich die Gesteinsmassen oft schnell, weshalb herkömmliche Abstützsysteme haufig versagen. Die derzeit verwendeten Abstützsysteme sind sehr steif Aufgrund ihrer Steifheit können sie sich nicht im selben Umfang verformen wie die Gesteinsmassen.
Aus sicherheitstechnischen Überlegungen muss das Gestein wiederhergestellt werden, wenn das Abstützsystem versagt Diese Wiederherstellung ist teuer und zeitaufwendig Das ausgefallene Abstützsystem wird normalerweise durch ein anderes steifes System ersetzt.
Es gibt derzeit auch eine Reihe nachgiebiger Abstützsysteme am Markt. Einige dieser Systeme, die offensichtlich für die Kohlenindustrie mit ihrem relativ weicheren Gestein entwickelt wurden, haben sich bei den härteren Gesteinsbedingungen, die bei Stollen in hartem Fels vorgefunden werden, nicht bewährt. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die derzeitigen nachgiebigen Abstützsysteme nicht zufriedenstellen sind
Ein Hauptproblem der erhältlichen nachgiebigen Kabelbolzen bestand darin, dass keine wirksame Harzmischung zur Verankerung des Kabels in der Bohrung zur Verfügung stand.
Dieser Nachteil führte zu der Schlussfolgerung, dass ein Abstützsystem nicht über seine gesamte Abstützlänge nachgeben sollte, sodass der vorliegende nachgiebige Kopfteil so gestaltet wurde, dass er leicht an einem herkömmlichen starren Bolzen angebracht werden kann
Erfahrungen bestehen bei mit Harz verankerten starren Verlängerungsbolzen, die eine Elastizitätsgrenze von etwa 31 Tonnen (2,73x105N) bei einer Bruchlast von etwa 38 Tonnen (3,38x105N) aufweisen
Eine Reihe verschiedener, nachgiebiger Konstruktionen wurde untersucht und verworfen:
1) Nachgiebiger Metallzylinder Ein Zylinder oder ein Rohr aus Metall wurde über einem
Abschnitt des Bolzens angeordnet. Die Last steigt dabei an, bis es zu einem sprunghaft auftretenden Ausfall kommt. Die Leistungsfähigkeit des Zylinders unterschreitet akzeptierbare Grenzen.
2) Metallfeder: Da Federn bei zunehmender Belastung an Festigkeit zunehmen können, dachte man, dass ein Feder-System funktionieren würde. Die Feder mit der höchsten
Nennfestigkeit, die einfach von einer einzelnen Person gehandhabt werden kann, weist eine obere Belastungsgrenze von weniger als 5 Tonnen (4,45x104N) auf. Es gibt keine kommerziell erhältlichen Federn mit einer höheren oberen Belastungsgrenze, deren Grösse und Gewicht annehmbar wären.
3) Buchse aus Polyurethan, angeordnet in einem Stahlrohr: Es wurden hohe
Belastungsniveaus gemessen, jedoch bei weniger als 1 Zoll (2,54 cm) Verformung. Das
Rohr selbst verformt sich. Es wurde letztlich festgestellt, dass eine Bruchdehnung von ungefähr 6 Zoll (15,24 cm) für eine sinnvolle Anwendung notwendig ist. Eine Abänderung wurde versucht, indem belastungsmindernde Löcher in das Rohr gebohrt wurden. Wie erwartet, trat das Polyurethan aus den Löchern aus, wodurch sich die Belastbarkeit reduzierte.
4) Käuflicher Verankerungskopf für Tunnels: Dieser Anker weist eine modifizierte U-Form auf.
Die Einrichtung hat eine flache Kurve im Spannungs-Dehnungs-Diagramm, die die Erfinder der vorliegenden Erfindung für nicht akzeptabel halten. Sie würde eine Beschleunigung der
Gesteinsmassen erlauben, wenn der Bolzen nachgibt.
Es besteht der Bedarf an einem nachgiebigen, jedoch festen Abstützsystem für Bolzen, das die Notwendigkeit der Nachbearbeitung des Gesteins bei Stollen in hartem Fels verringert.
Daher ist ein nachgiebiges Kopfstück vorgesehen, das in der Lage ist, den enormen Belastungen zu widerstehen, die durch die Deformation von hartem Fels verursacht werden. Ein rohrförmiges, nachgiebiges Element, das eine Vielzahl äusserer, gerundeter Ausbauchungen aufweist, umgibt eine Stange, die mit einem Bolzen im Inneren der Bohrung verbunden ist.
Wenn sich das Gestein verformt, wird die Stange in die Bohrung gezogen, wobei das nachgiebige Element zusammengedrückt wird. Die Stange kann eine Bewegung im Umfang von 6 Zoll (15,24 cm) durchführen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemässen Einrichtung,
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Fig. 2 eine Ansicht desnachgiebigen Kopfteiles,
Fig 3 eine Querschnittsansicht des Gehäuses,
Fig. 4 eine Querschnittsansicht der Stange,
Fig. 5 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm für die vorliegende Erfindung und
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemässen Einrichtung.
Fig. 1 zeigt einen nachgiebigen Kopfteil 10 in einem Bohrloch 12. Das Bohrloch 12 hat einen aufgeweiteten Abschnitt 14, der einen grösseren Durchmesser als das restliche Bohrloch 12 aufweist
Der nachgiebige Kopfteil 10 besteht aus einem Gehäuse 16 (siehe Fig. 3), das eine feste Stange 18 (siehe Fig. 4) umgibt. Die Stange 18 weist an den beiden Enden 20 und 22 ein Gewinde auf Am Gehäuse 16 ist an dessen äusserem bzw zum Stollen weisendem Ende 26 ein integrierter, balliger Sitz 24 angeschlossen Eine mit einer Abschrägung versehene Platte 28 stellt eine zufriedenstellende Passung zwischen dem Sitz 24 und dem Rand des Bohrloches 12 sicher.
Das innere, mit einem Gewinde versehene Ende 22 der Stange 18 ist in ein Verbindungsstück 30 eingeschraubt, das seinerseits an einem Standard-Verlängerungsbolzen 46 mit einem Durchmesser von 1 Zoll (2,54 cm) und einer Länge von 16 Fuss (4,9 m) befestigt ist. Der Verlängerungsbolzen 46 umfasst einen Felsanker (nicht gezeigt) tiefer im Inneren der Bohrung 12.
Es ist zu beachten, wie der aufgeweitete Bereich 14 den Durchmesser des Gehäuses 16 aufnimmt.
Ein nachgiebiges Element 32 weist eine Vielzahl von Ringwülsten 34 auf und umgibt die Stange 18 im Gehäuse 16 (siehe Fig. 2). Das innere verstärkte Ende 38 des nachgiebigen Elements 32 stützt sich an einem Anschlag 36 des Gehäuses 16 ab.
Eine abbbrechbare Heftschweissung 40 hält die Stange 18, das Gehäuse 16 und das äussere verstärkte Ende 48 des nachgiebigen Elements 32 zusammen. Zwei verstärkte Muttern 42 und 44 werden verwendet, um den nachgiebigen Kopfteil 10 in seiner Lage zu fixieren
Fig. 6 stellt den nachgiebigen Kopfteil 10 in einer perspektivischen Ansicht dar.
Als Ergebnis der oben diskutierten, technischen Fehlversuche wurde festgestellt, dass ein deformierbares Element aus Metall notwendig sei, um die gewünschten Belastungsspitzen zu erreichen. Es war ausserdem klar, dass das Element derart gestaltet sein müsste, dass es zu einem Versagen unter definierten Bedingungen führen würde. Dies würde eine gleichmässige Deformation und gleichmässige Belastbarkeit erlauben.
Anfangs wurden eingeschnittene, konische Zylinder verwendet, um die Stange eines Felsankers damit zu umgeben. Nachdem einige vielversprechende Versuche mit einem scharf eingeschnittenen Schlauchverbinder einen Beginn der Deformation bei 8 Tonnen (7,12x104N) und eine vollständige Kompression bei 29 Tonnen (2,5x105N) bei 5 Zoll (12,7 cm) Dehnung ergaben, nahm die vorliegende Erfindung Gestalt an.
Während der Tests mit eingeschnittenen Elementen wurde bemerkt, dass die verschiedenen Metallelemente dazu neigten, Ausbauchungen im rechten Winkel zur Druckrichtung auszubilden.
Es wurde beschlossen, dass bei einer neuen Ausgestaltung dieses Ausbauchen erleichtert werden sollte. Bei der neuen Ausgestaltung wird eine Reihe runder oder blasenförmiger Ausbauchungen 34 anstelle der geraden Einschnitte verwendet.
Das nachgiebige Element 32 wurde aus einem nahtlosen Stahlrohr mit 1 Zoll (2,54 cm) Durchmesser hergestellt. Bei den Tests gab das Element 32 auf gleichförmige und kontrollierte Weise ohne auffällige Belastungsabfälle nach. Das Element 32 begann bei ungefähr 10 Tonnen (8,9x104N) nachzugeben und schien bei etwa 28 Tonnen (2,49x105N) vollständig zusammengedrückt zu sein. Die Testergebnisse sind in Fig. 5 gezeigt. Nachfolgende Tests verschiedener Prototypen zeigten ähnliche Ergebnisse. Alle nachgiebigen Elemente 32 folgten der gleichen Dehnungskurve, wobei längere Elemente ein zusätzliches Zusammendrücken erlauben.
Durch fortlaufende Tests von Elementen unterschiedlicher Länge wurde festgestellt, dass ein nachgiebiges Element 32 mit einer Länge von 12 Zoll (30,5 cm) erforderlich ist, um das angestrebte Ziel einer Verschiebung um 6 Zoll (15,2 cm) zu erreichen. Mängel im Herstellungsprozess und im Stahlrohr schienen keinen signifikanten Einfluss auf die Ergebnisse zu haben. Sobald das Element 32 vollständig zusammengedrückt ist, zählt nur mehr die Belastungscharakteristik des Felsankers.
Um das nachgiebige Element 32 abzustützen und um dessen Beschädigung zu verhindern, war es notwendig, ein Gehäuse 16 zu konstruieren. Die Festigkeit des Gehäuses 16 ist so
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ausgelegt, dass die Plastizitätsgrenze des Verlängerungsbolzens 46 mit 1 Zoll (2,54 cm) Stärke überschritten wird Das Gehäuse 16 erfordert einen balligen Sitz 24, um eine Drehung um den Rand der Bohrung 12 zu ermöglichen, da die Bohrungen für die Bolzen selten normal zur Gesteinsoberfläche verlaufen Beim vorliegenden Entwurf bildet der ballige Sitz 24 das Kragenstück des Gehäuses 16, wodurch die Notwendigkeit eines getrennten Ansatzstückes vermieden wird Durch die Vereinigung dieser beiden Elemente wurde einerseits Gewicht eingespart und andererseits die Zahl der Komponenten reduziert
Die mit einer Abschragung versehene Platte 28 wurde so ausgebildet,
dass sie den grossen Durchmesser des Gehäuses 16 aufzunehmen vermag. Die ringförmige Platte 28 wird verwendet, um Gewicht einzusparen, wobei im Inneren eine Öffnung ausgearbeitet ist, um den balligen Sitz 24 aufzunehmen.
Um das Kopfstück 10 mit dem Bolzen zu verbinden, ist es notwendig, ein kurzes Verbindungsstück vorzusehen, da der Bolzen 46 nicht in das nachgiebige Element 32 passt.
Demgemass ist die Stange 18 mittels eines Verbindungsstücks 30 mit dem Bolzen 46 verbunden, wobei das Verbindungsstuck dasselbe Material und dieselbe Grösse wie ein herkömmlicher Bolzenverbinder aufweist, jedoch eine unterschiedliche Gewindeart, um das Gewinde am Ende des Bolzens 46 aufzunehmen
Die beiden Muttern 42,44 sind verstarke Muttern Diese Muttern 42,44 gleiten in den Kragen, wenn das Element 32 zusammengedrückt wird Weiters weisen die Muttern eine höhere Festigkeit als der Bolzen 46 auf.
Das nachgiebige Element 32 und die Stange 18 sind beispielsweise mit Schmierfett uberzogen, um Korrosion zu verhindern Jegliche Korrosion an diesem Element könnte die Belastungscharakteristik des Kopfteiles verändern. Das Element ist mit einer Heftschweissung 40 an den oberen Rand des Gehäuses 16 angeheftet, um es zentriert ausgerichtet zu halten, nachdem die Stange und das nachgiebige Element 32 eingefettet wurden.
Der nachgiebige Kopfteil 10 wurde so konstruiert, dass er mittels eines Verbindungsstücks 30 an einem herkömmlichen Verlängerungsbolzen 46 mit einer Stärke von 1 Zoll (2,54 cm) befestigt werden kann Die Bohrung 12 wird um 13 Zoll (33,02 cm) länger ausgebildet, wobei die vorderen 13 Zoll (33,02 cm) der Bohrung 12 mit einer Schneidspitze auf 2,25 Zoll (5,72 cm) aufgeweitet werden (Bezugszeichen 14). Im Inneren der Bohrung kann ein herkommlicher Harzanker verwendet werden
Der Verlängerungsbolzen 46 wird mit einem fahrbaren Montagegerät angebracht, wobei die Montage der eines herkömmlichen Verlängerungsbolzens ähnlich ist. Der nachgiebige Kopfteil 10 ist mit zwei Muttern 42,44 versehen, sodass die Harzmischung eingebracht werden kann. Das endgültige Anziehen des Bolzens erfolgt nach dem Entfernen der Zusatzmutter 42.
Die nachfolgend angegebenen physikalischen Parameter stellen lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele dar. Es ist selbstverständlich, dass durch Variation der Abmessungen, der Zusammensetzung und der Wärmebehandlung der Komponenten unterschiedliche Werte erzielt werden.
Die nachfolgende Tabelle zeigt eine bevorzugte Zusammensetzung von Komponenten:
TABELLE
EMI3.1
<tb> Teilstück <SEP> Stahlart <SEP> Hersteller
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Nachgiebiges <SEP> Element <SEP> (32) <SEP> SMLS <SEP> HSR <SEP> Rohr <SEP> ASTM <SEP> Medallion <SEP> Pipe <SEP> Supply
<tb>
<tb>
<tb> A106 <SEP> GR <SEP> B/ASME <SEP> SA <SEP> 106 <SEP> Ltd.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
GR <SEP> B <SEP> REG <SEP> Saskatoon,
<tb>
<tb>
<tb> Saskatchewan,
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Canada <SEP> ¯¯¯¯¯¯¯
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Integrierter <SEP> balliger <SEP> Sitz <SEP> (24) <SEP> CSA <SEP> G40.21M <SEP> 350W
<tb>
EMI3.2
EMI3.3
<tb> Gehäuse <SEP> (16) <SEP> ASTM <SEP> A513-94,1026 <SEP> Alliance <SEP> Tubular
<tb>
<tb> ERW, <SEP> Type <SEP> 5 <SEP> Products
<tb>
<tb> SR,AW <SEP> Alliance, <SEP> Ohio, <SEP> U.S.A.
<tb>
<tb>
GRAD <SEP> 1026/228MC
<tb>
<tb> Wärmebehandlung:
<tb>
<tb>
<tb> spannungsarm <SEP> geglüht
<tb>
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EMI4.1
<tb> Teilstück <SEP> Stahlart <SEP> Hersteller
<tb>
<tb>
<tb> Stange <SEP> (18) <SEP> ASTM <SEP> A434 <SEP> 90A <SEP> CLBD <SEP> Atlas <SEP> Specialty <SEP> Steels
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> BHN <SEP> 311/352, <SEP> Grad <SEP> 4340 <SEP> Welland, <SEP> Ontario, <SEP> Canada
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Warmebehandlung- <SEP> Q/TEMP/SR
<tb>
<tb>
<tb> Oberfläche:
<SEP> HR <SEP> MS
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Qualität- <SEP> COM. <SEP> QUAL
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Schmelzverfahren- <SEP> VAD <SEP> ¯¯¯¯¯¯¯
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Platte <SEP> (28) <SEP> CSA <SEP> G40 <SEP> 21m350w
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Weicheisen
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Verbindungsstück <SEP> (30) <SEP> AISI <SEP> 1045 <SEP> Stahl
<tb>
Mit dem am Verlangerungsbolzen 46 befestigten Kopfteil 10 konnen zumindest 6 Zoll (15,24 cm) an Verschiebung erreicht werden. Das nachgiebige Element 32 ist bei etwa 32 Tonnen (28,5x104N) komprimiert, sodass die Elastizitätsgrenze unterhalb jener des Bolzens 46 liegt Dies sollte sich nicht nachteilig auf die Anwendung im unterirdischen Bergbau auswirken.
Aufgrund der gleichförmigen Verschiebung bei bestimmten Belastungen kann der nachgiebige Kopfteil 10 dazu verwendet werden, die Belastung des Bolzens zu bestimmen, indem der Grad der Kompression des Kopfteils 10 gemessen wird. Daraus resultiert eine Reihe von Anwendungsfallen, beginnend bei einer Lastanzeige für die umgegebenden Gesteinsmassen bis hin zu einer Abschätzung der Notwendigkeit für eine Nachbearbeitung. Wenn die Stange 18 aufgrund von Gesteinsdeformationen in das Gehäuse 16 gezogen wird, kann eine Funktion zwischen der Belastung und der Verschiebung ermittelt werden. Eine Auswertung des Gesteinszustandes kann auf einfache Weise durch Messung der Länge der Stange 18 erfolgen, die noch aus dem Gehause 16 vorsteht.
Das erfindungsgemässe Abstützsystem erlaubt wesentlich stärkere Gesteinsverschiebungen als herkömmliche steife Abstützsystem, wie sie derzeit verwendet werden. Dies wird auf eine Weise erzielt, bei der gleichzeitig eine ausreichende Unterstützung der sich verschiebenden Gesteinsmassen erreicht wird, sodass unvorhergesehene Einbrüche vermieden werden Der nachgiebige Kopfteil 10 wird in vielen Fällen die Kosten für Nacharbeit verringern, da das erfindungsgemässe Abstützsystem weiterhin wirksam bleibt, nachdem herkömmliche starre Systeme bereits versagt haben.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Nachgiebiger Kopfteil (10) für einen Felsanker, umfassend ein zum Einführen in ein
Bohrloch (12) geeignetes Gehäuse (16), durch das der nachgiebige Kopfteil (10) in einer bestimmten Lage im Bohrloch (12) gehalten ist, eine im Gehäuse (16) beweglich ange- ordnete Stange (18) mit einem äusseren Ende (20) und einem inneren Ende (22), ein belastungsmindemdes, zusammendrückbares, rohrförmiges Element (32), das die Stange (18) umgibt, und ein Verbindungsstück (30), um die Stange (18) am Felsanker im Inneren des Bohrloches (12) zu befestigen, dadurch gekennzeichnet, dass das zusam- mendrückbare, rohrförmige Element (32) eine Vielzahl aussenseitiger Ringwülste (34) mit bombierter Oberfläche aufweist.