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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbruch von Gestein. Gestein im Sinne der Erfindung ist sowohl natürliches Gestein als auch künstliches Gestein, wie beispielsweise Beton. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Abbruchwerkzeug zum Abbruch von Gestein.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Abbruch von Gestein bekannt. Gesteine werden derzeit üblicherweise durch Sprengen, mittels Hydraulikhammer oder durch die Bohr-Spalt-Technik abgebaut. Bei der Bohr-Spalt-Technik werden reihenweise Löcher in das abzubauende Gestein gebohrt, in welche nachfolgend keilförmige Spaltwerkzeuge eingeführt werden, um das Gestein zu spalten.
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Die
EP 2 489 823 B1 beschreibt ein Vorrichtung und ein Verfahren zum Spalten von festen Materialen, wie Felsgestein und Beton mit Hilfe der Bohr-Spalt-Technik. Die Vorrichtung umfasst eine Lafette mit einem auf der Lafette entlang einer ersten Achse transversal verschiebbaren Arbeitskopf, welcher in Bezug zur Lafette um eine zweite Achse drehbar ist. Am Arbeitskopf sind eine Bohrvorrichtung und eine Spaltvorrichtung angebracht, die wechselweise in Arbeitsposition bringbar sind.
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Die
DE 10 2013 206 565 B4 zeigt ein hydraulisch betriebenes Spaltgerät in Form einer Keillanze, welches zum Abbau von Gestein die Bohr-Spalt-Methode nutzt.
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Weiterhin ist es bekannt, Gestein mit Hilfe von Baggeranbaufräsen abzubauen. In der
EP 2 324 158 B1 ist eine derartige Baggeranbaufräse beschrieben.
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Die bekannten Methoden zum Abbruch von Gestein haben verschiedene Vor- und Nachteile. So ist das Sprengen derzeit zwar die effektivste Methode, wird jedoch aufgrund seiner Gefährlichkeit und der starken Vibrationsbelastungen der Umwelt immer weiter eingeschränkt. In den Fällen, in denen Sprengen oder Bohren nicht erlaubt oder möglich ist, erfolgt der Abbruch derzeit zumeist mittels Hydraulikhammer. Hydraulikhammer ermöglichen einen Abbruch mit geringeren Umweltbelastungen, sind aber bei weitem nicht so effektiv wie das Sprengen oder die Bohr-Spalt-Technik. Beim Sprengen oder beim Abbruch mit Hydraulikhammer entstehen unkontrolliert große Bruchstücke. Die Bruchstücke müssen in der Regel nachzerkleinert werden, um sie anschließend einem Brecher zuführen zu können. Die Produktionsleistung von Baggeranbaufräsen hängt wesentlich von der einachsigen Druckfestigkeit des zu bearbeitenden Gesteines ab. Der Abbruch mit Baggeranbaufräsen ist nur bis zu einer einachsigen Druckfestigkeit des Gesteins von 60 MPa wirtschaftlich und sinnvoll. Baggeranbaufräsen werden daher überwiegend zum Abbau von weichem und mittelhartem Gestein, wie beispielsweise Kalkstein oder Gips, eingesetzt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zum Abbruch von Gestein zur Verfügung zu stellen, welches einen effektiveren Abbruch von Gestein ermöglicht und gleichzeitig erschütterungsarm arbeitet. Die Stückgröße der abgebrochenen Bruchstücke soll kontrollierbar sein, um sie insbesondere an die Größe eines Brechers anpassen zu können. Die Abbruchstelle soll dennoch möglichst ohne weitere Nachbearbeitung eine weitgehend ebene Oberfläche aufweisen. Weiterhin soll ein Abbruchwerkzeug zum Abbruch von Gestein bereitgestellt werden.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dienen ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie ein Abbruchwerkzeug gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 5.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abbruch von Gestein umfasst die nachfolgend beschriebenen Schritte. Zunächst werden mindestens drei parallel zueinander verlaufende Schlitze in das Gestein gefräst. Die Schlitze können sowohl horizontal als auch vertikal in das Gestein eingebracht werden. Sie haben eine vorbestimmte Tiefe, eine vorbestimmte Breite und einen vorbestimmten Abstand zueinander. Die jeweils zu wählende Tiefe und Breite der Schlitze sowie der jeweilige Abstand der Schlitze zueinander sind abhängig von der Beschaffenheit des zu brechenden Materials. Einflussgrößen sind hierbei die Gesteinshärte und die Gesteinsstruktur des zu brechenden Materials. Außerdem beeinflussen Tiefe, Breite und Abstand die Korngröße des Endproduktes. Die Parameter der Schlitze sind weiterhin abhängig von der Dimensionierung eines im nachfolgenden Verfahrensschritt genutzten Abbruchwerkzeuges. So sollte die Tiefe der Schlitze bevorzugt der Länge, d. h. Eindringtiefe des Abbruchwerkzeuges entsprechen. Ebenso ist die Breite der Schlitze an die Breite des Abbruchwerkzeuges anzupassen. Das Einbringen der Schlitze erfolgt bevorzugt mit Hilfe eines mit geeigneten Fräswerkzeugen bestückten Schneidrades. Zum Fräsen von Gestein eignen sich zum Beispiel mit Hartmetallwerkzeugen ausgestattete Schneidräder. Die Hartmetallwerkzeuge können als Rundschaftmeißel ausgebildet sein. Das Schneidrad wird vorzugsweise hydraulisch oder mittels einer Antriebswelle eines Baufahrzeugs, beispielsweise einer Traktorwelle angetrieben. Als günstig haben sich als Anbaugerät ausgeführte Schneidräder erwiesen, welche sich zum Anbau an einen beweglichen Trägerarm einer Baumaschine, wie beispielsweise einen Bagger, Baggerlader oder Traktor eignen. Durch den mittels Schlitzen geschaffenen Freiraum wird das Gestein entspannt und kann nachfolgend effizienter gebrochen werden.
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Nach Einbringen der Schlitze wird in einem ersten Wandabschnitt eines der Schlitze ein parallel zum Boden des Schlitzes verlaufender Ritz erzeugt. Hierbei ist sicherzustellen, dass sich der Schlitz, in welchem der Ritz erzeugt wird, mindestens benachbart zu einem weiteren Schlitz, vorzugsweise zwischen zwei der anderen Schlitze befindet, da verfahrensgemäß das Material zwischen zwei Schlitzen gebrochen werden soll. Der erzeugte Ritz dient als Sollbruchstelle und sorgt dafür, dass das Gestein kontrolliert in unmittelbarer Nähe des Bodens des Schlitzes bricht und dadurch eine relativ glatte Bruchfläche am Boden entsteht. Während der Ritzerzeugung oder unmittelbar danach wird das zwischen den Schlitzen befindliche Material gebrochen. Dies erfolgt durch Ausüben einer Druckkraft auf einen zweiten Wandabschnitt des Schlitzes. Der zweite Wandabschnitt des Schlitzes erstreckt sich von einem dem Boden gegenüberliegenden Anfang des Schlitzes.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt im Vergleich zu den vorbekannten Verfahren mehrere Vorteile. So können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren größere Mengen Gestein effizient gebrochen werden. Außerdem erfolgt der Abbruch erschütterungsarm. Dies ist ein wesentlicher Vorteil im Vergleich zum Sprengen, welches zwar einen effizienten Abbruch ermöglicht, aber die Umwelt erheblich belastet. Die Stückgröße des abgebrochenen Gesteins kann erfindungsgemäß an die Dimensionierung eines nachfolgend zur Zerkleinerung genutzten Brechers angepasst werden. Hierfür werden Tiefe bzw. Breite der Schlitze bzw. der Abstand der Schlitze zueinander entsprechend variiert. Der Abbruch mittels Hydraulikhammer als auch mittels Sprengen liefert hingegen unkontrolliert große Bruchstücke, die zumeist nachzerkleinert werden müssen, um sie dem Brecher zuführen zu können. Beim Abbruch von bewehrtem Beton können im Beton vorhandene Bewehrungseisen mit Hilfe des zur Erzeugung der Schlitze dienenden Werkzeugs durchtrennt werden.
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Das Verfahren wurde erfolgreich mit Schlitztiefen von 500 cm bis 1000 cm getestet. Es soll jedoch keine Einschränkung auf die genannten Schlitztiefen erfolgen. Andere Schlitztiefen sind durchaus möglich.
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Das für das Verfahren vorzugsweise zum Einsatz kommende erfindungsgemäße Abbruchwerkzeug besitzt einen Grundkörper, welcher mit einer Anbaukonsole zum Anbau des Abbruchwerkzeuges an einen beweglichen Trägerarm einer Baumaschine fest verbunden ist. Das Abbruchwerkzeug kann vorzugweise an dieselbe Baumaschine angebaut werden, an welche auch das zum Fräsen der Schlitze verwendete Schneidrad angebaut werden kann, im Austausch mit diesem. Für eine schnelle und aufwandsarme Umrüstung zwischen Schneidrad und erfindungsgemäßem Abbruchwerkzeug ist die Baumaschine vorzugsweise mit einer automatischen Schnellwechseleinrichtung ausgerüstet.
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Der Grundkörper des Abbruchwerkzeuges weist einen ersten Endbereich und einen zweiten Endbereich auf. An dem ersten Endbereich ist mindestens ein Ritzwerkzeug angeordnet, welches zum Einbringen des parallel zu dem Boden des Schlitzes verlaufenden Ritzes in den ersten Wandabschnitt des Schlitzes dient. Über den zweiten Endbereich wird auf den zweiten Wandabschnitt des Schlitzes eine Druckkraft ausgeübt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Abbruchwerkzeug mehrere Ritzwerkzeuge. Mehrere Ritzwerkzeuge ermöglichen eine schnelle und gleichmäßige Ritzerzeugung.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform verwendet ein Abbruchwerkzeug mit einem zylinderförmigen Grundkörper, welches jeweils eine elliptische Querschnittserweiterung in dem ersten und dem zweiten Endbereich aufweist. Zwei einander gegenüberliegende erste Querschnittsbereiche der elliptischen Querschnittserweiterung besitzen einen größeren Durchmesser als zwei einander gegenüberliegende zweite Querschnittsbereiche der elliptischen Querschnittserweiterung. Das in dem ersten Endbereich angeordnete mindestens eine Ritzwerkzeug ist an einem der ersten Querschnittsbereiche angeordnet. Eine bevorzugte weitergebildete Ausführungsform nutzt mehrere Ritzwerkzeuge in jedem der beiden ersten Querschnittsbereiche. Der Durchmesser der zweiten Querschnittsbereiche entspricht in etwa der Breite der Schlitze, wobei der Durchmesser geringfügig kleiner zu wählen ist, um das Abbruchwerkzeug in den Schlitz einführen zu können. Das Abbruchwerkzeug kann entweder von oben oder seitlich in den Schlitz eingebracht werden. Das in den Schlitz eingebrachte Abbruchwerkzeug wird nachfolgend gedreht, wobei das mindestens eine Ritzwerkzeug in Kontakt mit dem ersten Wandabschnitt kommt und den Ritz erzeugt. Gleichzeitig wird durch den zweiten Endbereich auf den zweiten Wandabschnitt eine Druckkraft ausgeübt, um das Material zwischen den Schlitzen zu brechen. Diese Ausführungsform des Abbruchwerkzeuges eignet sich insbesondere für kompaktes und hartes Gestein.
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Das Abbruchwerkzeug besitzt gemäß einer alternativen Ausführungsform einen Grundkörper mit einem keilförmigen Querschnitt, der in Längsrichtung konvex gekrümmt ist. Der erste Endbereich des Grundkörpers ist vorzugsweise mit mehreren Ritzwerkzeugen ausgestattet, die sich bevorzugt als Verlängerung des ersten Endbereichs von dem ersten Endbereich erstrecken. Der erste Endbereich des Abbruchwerkzeuges besitzt eine größere Breite als der Schlitz. Das derart ausgeführte Abbruchwerkzeug wird seitlich mit seiner schmaleren Seite in den Schlitz eingebracht und linear durch den Schlitz bewegt. Hierbei kommen die Ritzwerkzeuge mit dem ersten Wandabschnitt in Kontakt und erzeugen den Ritz. Gleichzeit wird das Gestein zwischen den Schlitzen durch die von dem zweiten Wandabschnitt ausgeübte Druckkraft gebrochen, die aufgrund der Keilform des Brechwerkzeuges wirkt. Diese Ausführungsform kann bevorzugt in mittelhartem oder zerklüftetem Material eingesetzt werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sowie deren Vorteile und Einzelheiten werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Teildarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abbruchwerkzeuges;
- 2: eine Prinzipdarstellung zum Fräsen eines Schlitzes in ein Gestein;
- 3: eine Schnittansicht des in dem Schlitz eingebrachten Abbruchwerkzeuges gemäß 1;
- 4: ein Detail A aus 3;
- 5: eine Schnittansicht im Moment des Brechens des Gesteins mittels des Abbruchwerkzeuges gemäß 1;
- 6: ein Detail B aus 5;
- 7: eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abbruchwerkzeuges;
- 8: eine Schnittansicht im Moment des Brechens des Gesteins mittels des Abbruchwerkzeuges gemäß 7.
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1 zeigt eine perspektivische Teildarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abbruchwerkzeuges 01. Das erfindungsgemäße Abbruchwerkzeug 01 umfasst einen zylinderförmigen Grundkörper 02. Der Grundkörper 02 weist an einem ersten und an einem zweiten Endbereich 03, 04 jeweils eine im Wesentlichen elliptische Querschnittserweiterung auf, d. h. eine Querschnittserweiterung, die den Querschnitt des Endbereichs nicht rotationssymmetrische erweitert. Zwei einander gegenüberliegende erste Querschnittsbereiche der elliptischen Querschnittserweiterung besitzen einen größeren Durchmesser als zwei einander gegenüberliegende zweite Querschnittsbereiche der elliptischen Querschnittserweiterung. An den ersten Querschnittsbereichen sind jeweils drei Ritzwerkzeuge 05 angeordnet. Bei abgewandelten Ausführungsformen können auch mehr als drei oder weniger als drei Ritzwerkzeuge 05 Verwendung finden. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass nur einer der beiden ersten Querschnittsbereiche mit Ritzwerkzeugen 05 ausgestattet ist. Mit dem zweiten Endbereich 04 des Grundkörpers 02 ist eine Anbaukonsole 07 fest verbunden, welche zur Befestigung des Abbruchwerkzeuges 01 an einem beweglichen Trägerarm einer Baumaschine dient.
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Nachfolgend soll anhand der 2 bis 6 das erfindungsgemäße Verfahren zum Abbruch von Gestein näher erläutert werden. Im ersten Verfahrensschritt werden mindestens zwei, bevorzugt drei parallel zueinander verlaufende Schlitze 08 in das Gestein 09 gefräst. In 2 ist das Fräsen eines der Schlitze 08 dargestellt. Der Schlitz 08 wird mit Hilfe eines bekannten Schneidrades 10 eingebracht. Das Schneidrad 10 ist als Anbaugerät für eine Baumaschine 12 ausgebildet. Zwischen Baumaschine 12 und Schneidrad 10 besteht eine feste, lösbare Verbindung. Das Schneidrad 10 ist mit zahlreichen Fräswerkzeugen 13 ausgestattet, welche in der gezeigten Ausführung als Rundschaftmeißel ausgebildet sind. Die Baumaschine 12 kann ein Bagger, Baggerlader oder Traktor sein. Das Schneidrad 10 wird durch die Baumaschine hydraulisch oder mit Hilfe einer Arbeitswelle angetrieben. In das Gestein 09 werden verfahrensgemäß mindestens zwei, bevorzugt drei gleich dimensionierte Schlitze 08 eingebracht.
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Nach Einbringen der Schlitze 08 wird das Abbruchwerkzeug 01 bevorzugt in den mittleren der drei Schlitze 08 eingeführt. 3 zeigt das innerhalb des Schlitzes 08 angeordnete Abbruchwerkzeug 01. Das Abbruchwerkzeug 01 kann von oben oder seitlich in den Schlitz 08 eingebracht werden. Der Durchmesser der zweiten Querschnittsbereiche der elliptischen Querschnittserweiterung des Grundkörpers 02 des Abbruchwerkzeuges 01 ist vorzugsweise geringfügig kleiner als die Breite der Schlitze 08, um das Abbruchwerkzeug 01 in den Schlitz 08 problemlos einführen zu können.
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Der in 4 gezeigten Detaildarstellung kann entnommen werden, dass die Ritzwerkzeuge 05 in dieser Positionierung des Abbruchwerkzeuges 01, also beim Einsetzen in den Schlitz, noch keinen Kontakt mit einem ersten Wandabschnitt 14 des Schlitzes 08 haben. Der erste Wandabschnitt 14 erstreckt sich unmittelbar von einem Boden 15 des Schlitzes 08. Ebenso besteht kein Kontakt zwischen dem zweiten Endbereich 04 des Abbruchwerkzeuges 01 und einem zweiten Wandabschnitt 17 des Schlitzes 08. Der zweite Wandabschnitt 17 erstreckt sich von einem dem Boden 15 gegenüberliegenden Anfang 18 des Schlitzes 08.
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Nachdem das Abbruchwerkzeug 01 in dem Schlitz positioniert wurde, wird das Abbruchwerkzeug 01 in Rotation versetzt. Hierbei gelangen die Ritzwerkzeuge 05 in Kontakt mit dem ersten Wandabschnitt 14 und erzeugen einen Ritz in dem ersten Wandabschnitt 14 des Schlitzes 08. Gleichzeitig oder durch einen Winkelversatz etwas nachlaufend wird durch den zweiten Endbereich 04 eine Druckkraft auf den zweiten Wandabschnitt 17 des Schlitzes 08 ausgeübt. Infolge dieser Druckkraft bricht das Gestein 09 zwischen den Schlitzen 08. Der erzeugte Ritz dient als Sollbruchstelle und gewährleistet ein kontrolliertes Brechen des Gesteins, wobei eine relativ glatte Bruchfläche am Boden des Schlitzes entsteht. 5 verdeutlicht das Brechen des Gesteins 09, während 6 die mit dem ersten Wandabschnitt 14 des Schlitzes 08 in Kontakt stehenden Ritzwerkzeuge 05 zeigt.
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7 zeigt eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abbruchwerkzeuges 01. Der Grundkörper 02 dieser Ausführungsform besitzt einen keilförmigen Querschnitt, der in Längsrichtung konvex gekrümmt ist. Der erste Endbereich 03 des Grundkörpers 02 ist mit drei Ritzwerkzeugen 05 ausgestattet, welche sich in Verlängerung des Grundkörpers 02 erstrecken. Der erste Endbereich 03 besitzt eine größere Breite als der Schlitz 08. Über die Anbaukonsole 07 kann das Abbruchwerkzeug 01 an den beweglichen Trägerarm der Baumaschine 12 (siehe 2) angebaut werden.
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Das Abbruchwerkzeug 01 gemäß der zweiten Ausführungsform wird seitlich mit seiner schmaleren Seite in den Schlitz 08 eingebracht und linear durch den Schlitz 08 bewegt. Während dieser Linearbewegung kontaktieren die Ritzwerkzeuge 05 den ersten Wandabschnitt 14 des Schlitzes und erzeugen einen parallel zu dem Boden 15 des Schlitzes 08 verlaufenden Ritz. Währenddessen wird aufgrund der Keilform des Brechwerkzeuges 01 eine Druckkraft auf den zweiten Wandabschnitt 17 des Schlitzes 08 ausgeübt, wodurch das Gestein 09 zwischen den Schlitzen 08 gebrochen wird. 8 veranschaulicht das Brechen des Gesteins 09.
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Bezugszeichenliste
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- 01 -
- Abbruchwerkzeug
- 02 -
- Grundkörper
- 03 -
- erster Endbereich des Grundkörpers
- 04 -
- zweiter Endbereich des Grundkörpers
- 05 -
- Ritzwerkzeug
- 06 -
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- 07 -
- Anbaukonsole
- 08 -
- Schlitz
- 09 -
- Gestein
- 10 -
- Schneidrad
- 11 -
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- 12 -
- Baumaschine
- 13 -
- Fräswerkzeuge
- 14 -
- erster Wandabschnitt
- 15 -
- Boden des Schlitzes
- 16 -
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- 17 -
- zweiter Wandabschnitt
- 18 -
- Anfang des Schlitzes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2489823 B1 [0003]
- DE 102013206565 B4 [0004]
- EP 2324158 B1 [0005]
