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Spreizhülsenanker, insbesondere für den Grubenbetrieb Es sind Spreizhülsenanker,
insbesondere für den Grubenbetrieb, mit auf der Ankerstange verschieblich geführter
und mit mehreren, vorzugsweise zwei sich diametral gegenüberliegenden Schlitzen
versehener Spreizhülse bekannt, welche mittels eines am hinteren, dem Bohrlochtiefsten
zugekehrten Ende der Ankerstange vorgesehenen Spreizkonus durch Relativverschiebung
- vorzugsweise unter Zuhilfenahme eines Setzrohres - gegen die Bohrlochwandung verspannbar
ist. Bei Spreizhülsenankern dieser Gattung hat der Spreizkonus vielfach die Form
eines sich zum Bohrlochtiefsten hin erweiternden Kreiskegels, durch den die Spreizhülse
gleichmäßig auf gesamter Umfangslänge aufgespreizt und gegen die Bohrlochwandung
gepreßt wird. Es hat sich gezeigt, daß Anker mit einer derartigen Gestaltung des
Spreizkonus nicht für sämtliche Gebirgsverhältnisse gleich gut geeignet sind. Während
nämlich bei einem relativ weichen Gebirge eine möglichst weitgehende Aufspreizung
der Spreizhülse notwendig ist, um eine sichere, die erforderliche Setzspannung aufnehmende
Verankerung der Ankerstange im Gebirge zu gewährleisten, ist bei verhältnismäßig
hartem Gebirge, welches der Verspreizung der Hülse einen erheblich höheren Widerstand
entgegensetzt, eine möglichst hohe spezifische Flächenpressung notwendig, um eine
ausreichende Verankerung zu gewährleisten.
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Werden die bekannten Anker mit insbesondere kreiskegelig geformtem
Spreizkonus in weichem, d. h. verhältnismäßig nachgiebigem Gebirge gesetzt, so bilden
die gespreizten Teile der Hülse zwar verhältnismäßig große, im Sinn eines Formschlusses
wirksame Tragflächen. Wird dieser für weiches Gebirge besonders geeignete Anker
dagegen in verhältnismäßig hartem Gebirge gesetzt, in welchem eine größere Aufspreizung
der Hülse an der Festigkeit des Gebirges scheitert, reicht die hierbei erzielbare
spezifische Flächenpressung der Spreizhülse gegen die Bohrlochwandung jedoch nur
dazu aus, eine im wesentlichen auf Reibung beruhende Verspannung zu erzeugen, die
aber mit Rücksicht auf den fehlender Formschluß vielfach nicht genügt, eine einwandfreie
Verankerung sicherzustellen.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Spreizhülsenanker gemäß
der eingangs erläuterten Gattung durch Vermeidung dieser Schwierigkeiten zu verbessern,
und kennzeichnet sich dadurch, daß der am hinteren Ankerende vorgesehene Spreizkonus,
vom Querschnitt der Ankerstange ausgehend, zum Bohrlochtiefsten hin mit zunehmend
ellipsenähnlichem Querschnitt stufenartig erweitert ist. Es hat sich gezeigt, daß
es durch diese Gestaltung des Spreizkonus möglich ist, den Anker unabhängig von
der jeweiligen Gebirgsbeschaffenheit sowohl bei hartem als auch bei weichem Gebirge
mit im wesentlichen der gleichen ausreichend großen Setzspannung im Bohrloch zu
verankern.
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Dadurch, daß der Spreizkonus in seinem hinteren, dem Bohrlochtiefsten
zugekehrten Längenbereich einen größeren Keilwinkel einschließt als in dem der Bohrlochmündung
zugekehrten Bereich, wird in Verbindung mit der Veränderung der Querschnittsform
erreicht, daß der Anker bei hartem Gebirge und bei demzufolge geringerer Relativverschiebung
zwischen Spreizkonus und Spreizhülse eine relativ hohe Flächenpressung erzeugt,
während demgegenüber bei weicheren Gebirgsschichten und dementsprechend größerem
Einschubmaß des Spreizkonus in die Spreizhülse zufolge des dort größeren Keilwinkels
eine wesentlich größere Aufspreizung ermöglicht wird. Dadurch, daß der Spreizkonus
in diesem hinteren Längenbereich neben der größeren Keilsteigung elliptischen Querschnitt
aufweist, wird trotz des hierdurch bedingten großen Spreizmaßes in der Ebene der
großen Halbachse zugleich eine ausreichend große spezifische Flächenpressung in
den diese Achse schneidenden Mantelabschnitten der Spreizhülse erzeugt, auf die
sich die Anlage an der Bohrlochwandung im wesentlichen konzentriert. Auf diese Weise
ist es inöb lich, auch in mittelhartem Gebirge eine genügend hohe Flächenpressung
zu erzeugen, wie sie Voraussetzung für die Erzielung eines wesentlichen Fortschritts
bildet.
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Obwohl die Vorteile der Erfindung bereits eintreten, wenn lediglich
die die große Halbachse des Ellipsenquerschnitts schneidenden Mantelabschnitte
des
hinteren Längenbereichs des Spreizkonus einen gegenüber dem übrigen Längenbereich
des Konus größeren Keilwinkel einschließen, ist es zweckmäßig, wenn die beide Hauptsymmetrieebenen
des Spreizkonus schneidenden Mantelabschnitte im hinteren Längenbereich einen gegenüber
dem übrigen Längenbereich größeren, wenn auch untereinander unterschiedlich großen
Keilwinkel einschließen. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht darin,
daß der Konus in Längsrichtung derart abgestuft ist, daß die die beiden Hauptsymmetrieebenen
des Konus schneidenden Mantelabschnitte seines vorderen und hinteren Längenbereichs
einen gegenüber einem dazwischenliegenden Längenbereich größeren Keilwinkel einschließen.
Hierdurch wird erreicht, daß die Spreizhülse bei Beginn des Setzvorganges bereits
bei einer kleinen Relativverschiebung zwischen Konus und Hülse sicher gegen die
Bohrlochwandung angepreßt wird, bevor die eigentliche Verspannung einsetzt. Die
Abstufung der drei Längenabschnitte kann hierbei derart vorgesehen sein, daß die
die in der langen Querschnittsachse liegende Symmetrieebene schneidenden Mantelabschnitte
in Richtung zum Bohrlochtiefsten hin jeweils einen Keilwinkel von etwa 12, 8 und
12' besitzen, während die die in der kleinen Querschnittsachse liegende Symmetrieebene
schneidenden Mantelabschniite demgegenüber einen Keilwinkel von etwa 4, 0 und 8°
einschließen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können auf dem vorderen,
an die Ankerstange angrenzenden Längenabschnitt des Spreizkonus diametral gegenüberliegend
zwei etwa in der kleinen Symmetrieebene liegende, in die Schlitze der Spreizhülse
eingreifende Führungsansätze vorgesehen werden. Abgesehen davon, daß hierdurch ein
Verdrehen oder Verkanten der Spreizhülse gegenüber dem Spreizkonus verhindert wird,
können die Führungsansätze gegebenenfalls zusätzlich auch beim Spreizvorgang mitwirken
und sind darüber hinaus geeignet, das Rauben des Ankers zu erleichtern. Zu diesem
Zweck kann die Ankerstange beim Rauben entgegen ihrer Verspannungsrichtung aus der
in der Bohrlochwandung festsitzenden Spreizhülse herausgeschlagen, um ein größeres
Winkelmaß gegenüber der Hülse verdreht und anschließend unter Mitnahme der Hülse
aus dem Bohrloch herausgezogen werden.
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Zweckmäßig werden die Seitenflanken der Führungsansätze mit etwa dem
gleichen Keilwinkel zueinander geneigt ausgebildet wie die die große Symmetrieebene
schneidenden Mantelabschnitte des vorderen Längenabschnitts. Hierdurch sind die
Führungsansätze in etwa dem Winkel angepaßt, den die einander gegenüberliegenden
Flächen der Spreizhülsenschlitze bilden.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausi `h L: -ui-i,-sbei3piel
erläat°=t. Es zeigt Fig. 1 einen Spreizhülsenanker in schaubildlicher Darstellung,
Fig. 2 das als Spreizkonus ausgebildete Ende der Ankerstange in Ansicht, Fig. 3
eine Seitenansicht zu Fig. 2, Fig. 4 eine Draufsicht zu Fig. 2, Fig. 5 einen Schnitt
nach Linie V-V in Fig. 2 und Fig. 6 einen Schnitt nach Linie VI-VI in Fig. 2. Der
insbesondere für den Grubenbetrieb vorgesehene Spreizhülsenanker besteht aus einer
Ankerstange 1, auf der eine Spreizhülse 2 verschieblich geführt ist. Die Spreizhülse
2 besitzt zwei sich über einen wesentlichen Teil ihrer Länge erstreckende und sich
zum Bohrlochtiefsten öffnende Führungsschlitze 3, von denen Fig. 1 nur einen Schlitz
erkennen läßt. Quer zu den Schlitzen 3, d. h. in der Spreizebene der Spreizhülse,
sind diametralgegenüberliegendSchlitze4 in der Spreizhülse vorgesehen, die eine
gegenüber den Schlitzen 3 wesentlich geringere Länge haben und sich ebenfalls zum
Bohrlochtiefsten öffnen. Die Schlitze 3 dienen zur Führung der Spreizhülse an Führungsansätzen
5 der Ankerstange. Das aus dem Bohrlochmund herausragende Ende der Ankerstange ist
mit einem Gewinde 6 versehen, auf das eine Spannmutter 7 zwecks Verspannung des
Ankers gegen das Hangendgebirge aufgeschraubt ist. Die Verspannung des Ankers erfolgt
zweckmäßig unter Zuhilfenahme eines nicht dargestellten Setzrohres, wobei der an
der dem Bohrlochtiefsten zugekehrten Seite an die Ankerstange angeschmiedete, sich
zum Bohrlochtiefsten @sweiternde Spreizkonus 8 derart durch Relativverschiebung
gegenüber der Spreizhülse in diese hineingezogen wird, daß die Innenflächen der
Spreizhülse zumindest im verspannten Zustand an den sich zum Bohrlochmund verjüngenden
Keilflächen des Durchdringungskörpers anliegen und gleichzeitig gegen die Bohrlochwandung
verspannt werden.
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Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, erweitert sich der
am hinteren Ankerende vorgesehene Spreizkonus 8, ausgehend vom runden Querschnitt
der Ankerstange, zum Bohrlochtiefsten hin mit zunehmend ellipsenähnlichem Querschnitt.
Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die die beiden Hauptsymmetrieebenen des Spreizkonus
schneidenden Mantelabschnitte des hinteren Längenbereichs des Konus einen gegenüber
dem übrigen Längenbereich des Konus größeren Keilwinkel einschließen, wobei die
Abstufung des Konus in Längsrichtung derart vorgesehen ist, daß die die beiden Hauptsymmetrieebenen
des Konus 8 schneidenden Mantelabschnitte seines vorderen und hinteren Längenbereichs
einen gegenüber dem dazwischenliegenden Längenbereich größeren Keilwinkel einschließen.
Im vorliegenden Fall ist die Größe des Keilwinkels zwischen den die in der großen
Querschnittsachse liegende Symmetrieebene schneidenden Mantelabschnitten des vorderen
und hinteren Längenbereichs des Konus etwa gleich bemessen, während die die in der
kleinen Querschnittsachse liegende Symmetrieebene schneidenden Mantelabschnitte
des hinteren Längenbereichs einen größeren Keilwinkel als die entsprechenden Mantelabschnitte
des vorderen Längenbereichs einfassen. Der Konus 8 ist in drei Längenabschnitte
9, 10 und 11 abgestuft, wobei die die in der langen Querschnittsachse liegende Symmetrieebene
schneidenden Mantelabschnitte dieser Längenabschnitte 9, 10, 11 in Richtung zum
Bohrlochtiefsten jeweils einen Keilwinkel von etwa 12, 8 und 12z einschließen (Fig.
2), während die die in der kleinen Querschnittachse liegende Symmetrieebene schneidenden
Mantelabschnitte in der gleichen Reihenfolge einen Keilwinkel von etwa 4, 0 und
8° aufweisen (Fig. 3). Selbstverständlich ist es möglich, für die Keilwinkel der
Längenabschnitte 9, 10 und 11 des Spreizkonus 8 in Anpassung an besonders gelagerte
Gebirgsverhältnisse auch andere Maße zu wählen.
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Aus den Fig. 2 bis 6 ist ersichtlich, daß auf dem vorderen, sich an
den runden Querschnitt der Ankerstange anschließenden Längenabschnitt 9 des Spreizkonus
8, in der kleinen Symmetrieebene diametral
gegenüberliegend, die
beiden Führungsansätze 5 der Ankerstange 1 angeordnet sind, die in die Schlitze
3 der Spreizhülse 2 eingreifen. Die Seitenflächen 5 a, 5 b
der Führungsansätze
5 schließen etwa den gleichen Keilwinkel ein wie die die große Symmetrieebene schneidenden
Mantelabschnitte des vorderen Längenabschnitts 9 des Konus, wie Fig. 2 erkennen
läßt, wobei die Außenflächen 5 c der Führungsansätze etwa parallel zur Längsachse
der Ankerstange verlaufen.
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Beim Setzvorgang des Spreizhülsenankers wird die Ankerstange 1 mit
ihrem Spreizkonus 8 durch Anziehen der Schraubenmutter 7 in die Spreizhülse 2 hineingezogen,
die sich über ein auf die Ankerstange aufgeschobenes Setzrohr gegen die Schraubenmutter
abstützt. Dabei greifen zunächst die Führungsansätze 5 in die sich am hinteren Ende
geringfügig erweiternden Schlitze 3 der Spreizhülse 2 ein, welche durch den in der
großen und kleinen Achse liegenden Keilwinkel von etwa 12 und 4° des vorderen Längenabschnitts
9 in erheblichem Maße, überwiegend aber in Richtung der langen Achse, gespreizt
wird. Bei Beginn des Längenabschnitts 10 des Spreizkonus findet ausschließlich eine
Spreizung in Richtung der langen Querschnittsachse durch die den Keilwinkel von
8° einschließenden Mantelabschnitte statt, so daß bei Vorhandensein harten Gesteins
durch die ausschließlich in einer Ebene erfolgende Verspreizung der Spreizhülse
infolge des verhältnismäßig kleinen Keilwinkels eine hohe Verspreizkraft und eine
hohe spezifische Flächenpressung bewirkt wird, die zu einer festen und sicheren
Verspannung der Spreizhülse gegenüber härterem Gestein führt.
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Für den Fall, daß der Spreizhülsenanker in weicherem Gestein gesetzt
werden soll, wird dieses notwendigerweise unter der Wirkung der erheblichen, von
dem mittleren Längenabschnitt 10 auf die Spreizhülse ausgeübten Spreizkräfte nachgeben,
so daß es noch nicht zu einer Verspannung der Ankerstange im Sinn einer axialen
Unverschieblichkeit gegenüber der Bohrlochwandung kommt. Vielmehr wird. die Ankerstange
mit ihrem hinteren Längenabschnitt 11 nunmehr in die Spreizhülse eingezogen, der,
wie Fig. 6 erkennen läßt, im Gegensatz zu dem mittleren Längenabschnitt 10 in beiden
Richtungen der Querschnittsachsen einen großen Keilwinkel einschließt und im vorliegenden
Fall in Richtung der langen Achse 12° und in Richtung der kurzen Achse 8° beträgt.
Hierdurch wird die Spreizhülse um ein großes Maß aufgespreizt, so daß eine große,
quer zur Ankerachse wirkende Tragfläche erzielt wird, die unter gleichzeitiger Verdichtung
des diesen Flächen gegenüberliegenden Gesteins eine sichere Abstützung der Ankerstange
unter gleichzeitiger Erzielung der erforderlichen Setzspannung gewährleistet.