DE1211568B - Verfahren und Vorrichtung zum Sprengen und/oder Zerkleinern von Gestein mit Hilfe elektrischer Energie - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

E21c

Deutsche Kl.: 5b- 35/20

Nummer: 1211568

Aktenzeichen: G 36168 VI a/5 b

Anmeldetag: 18. Oktober 1962

Auslegetag: 3. März 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Sprengen und/oder Zerkleinern von Gestein mit Hilfe elektrischer Energie.

Ein bekanntes Zerkleinerungsverfahren macht sich die Erscheinung zunutze, daß sich die elektrische Leitfähigkeit eines Gesteins zwischen zwei an entgegengesetzten Seiten eines Gesteinsbrockens angelegten Elektroden mit der Temperatur erhöht. Der zwischen den Elektroden in dem Gestein fließende Strom heizt das Gestein längs des Strompfades stark auf, wobei durch das starke Temperaturgefälle zwischen dem stromleitenden Pfad und dem übrigen Bereich des Gesteins eine Sprengwirkung erreicht wird. Als Energiequelle verwendet das bekannte Verfahren Hochfrequenzstrom. Es ist ferner bekannt, daß der Zerkleinerungsprozeß um so schneller abläuft, je höher die Frequenz und Stärke des angelegten Wechselfeides ist.

Es ist weiter ein sogenanntes kombiniertes Kontaktverfahren zur Gesteinszertrümmerung bekannt, das außer der Hochfrequenz- eine Gleichstromquelle oder eine solche mit Industriefrequenz (50 Hz) verwendet, deren Anteil während der Ausbildung des stromleitenden Pfades in dem Gestein ständig wächst und bei einem bestimmten Wärmewert oder einem spezifischen Widerstand des Gesteins allein wirksam wird, während der Hochfrequenzgenerator automatisch abgeschaltet wird.

Schließlich ist noch ein sogenanntes kombiniertes Hochfrequenzimpulsverfahren bekannt, bei dem die Gesteinszerkleinerimg durch das Entladen eines Kondensators innerhalb des stromführenden Pfades in dem Gestein erfolgt. Der Nachteil all dieser Verfahren besteht darin, daß ein teuerer und komplizierter Hochfrequenzgenerator benötigt v/ird und ferner mit den Elektroden verbundene, relativ teuere Koaxialkabel erforderlich sind. Außerdem sind komplizierte Regeleinrichtungen für den Hochfrequenzgenerator vorzusehen, die auf die sich stetig ändernden Strom- und Spannungsverhäitnisse bei der Ausbildung des Strompfades in dem Gestein anprechen und den Generator entsprechend steuern. Schließlich besteht bei der Verwendung von Hochfrequenzgeneratoren zur Gesteinszertrümmerung noch die Gefahr, daß die Rundfunkfrequenzen störend beeinflußt werden und unter Umständen Sprengstofldetonatoren in der Nähe des Abbaugebietes zufällig zur Explosion gebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zur Gesteinszertrümmerung zu schaffen, das mit Hilfe relativ unkomplizierter Einrichtungen durch-Verfahren und Vorrichtung zum Sprengen
und/oder Zerkleinern von Gestein mit Hilfe
elektrischer Energie

Anmelder:

General Electric Company,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

Frankfurt/M., Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:
Francis Meade Bailey,
S. W. Roanoke, Va. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. Oktober 1961
(146307)

führbar ist und eine kostensparende wirtschaftliche Gesteinszertrümmerung ermöglicht.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Flüssigkeit in die Fugen des Gesteins eingeführt wird, so daß elektrolytische Wege ausgebildet werden, daß Elektroden in voneinander versetzte Teile des Gesteins eingesetzt werden, daß an die Elektroden eine hohe elektrische Gleichspannung gelegt wird, die wenigstens aus einem Impuls besteht, und daß der gleichgerichtete Spannungsimpuls durch Kondensatorentladung erzeugt wird. Durch die Ausbildung elektrolytischer Wege in dem Gestein mittels einer entsprechenden Flüssigkeit werden stromleitende Pfade mit verhältnismäßig geringem elektrischem Widerstand geschaffen, so daß ausschließlich mit Hilfe der gleichgerichteten Spannungsimpulse durch Kondensatorentladung die gewünschte Zersprengung des Gesteins erreicht werden kann.

Bei bestimmten Gesteinsarten, die wasserlösliche Salze u. dgl. enthalten, kann zur Ausbildung der stromleitenden Pfade in dem Gestein in die Fugen desselben Wasser oder Wasserdampf eingeführt werden. Dadurch wird ebenfalls der elektrische Widerstand in dem stromführenden Pfad zwischen den Elektroden verringert.

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Im folgenden wird an Hand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltdiagramm einer Hochspannungsquelle, die zum Sprengen von Gestein gemäß der Erfindung verwendet wird,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel der Zuführung der elektrischen Energie zu einem Gesteinsbrocken, wobei die elektrische Energie von einer Stromquelle nach F i g. 1 entnommen wird,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorbehandlung eines Gesteinsbrockens mit einer leitenden Flüssigkeit,

F i g. 4 eine schematische Darstellung der Vorbehandlung eines Gesteinsbrockens gemäß der Erfindung unter Verwendung von Dampf,

Fig. 5 eine Anordnung der Elektroden zum Absprengen von Teilen einer Gesteinsfläche gemäß der Erfindung,

F i g. 6 eine der F i g. 5 ähnliche Ansicht, jedoch mit einem mit den Elektroden verbundenen Auffangbehälter zum Aufnehmen abgesprengter Gesteinsbrocken,

F i g. 7 eine Anordnung von zangenförmigen Elektroden zur Sprengung von Gesteinsbrocken gemäß der Erfindung,

F i g. 8 eine fahrbare Anordnung, mit der gemäß der Erfindung die Zerkleinerung von Gestein im Abschiebebetrieb durchgeführt werden kann,

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung zum Zerkleinern von großen Gesteinsbrocken in relativ kleine Brocken in kontinuierlichem Betrieb.

In Fig. 1 wird ein Transformator T-I über einen Schalter 5-1 aus einer Wechselstromquelle von 115VoIt, 60Hz über einen Spartransformator A T erregt. Der Ausgang des Transformators T-I weist eine Spannung von etwa 30 kV auf. Um eine höhere Spannung zu erzielen, wird die Sekundärseite bzw. der Ausgang des Transformators T-I über die Gleichrichter RC-I und RC-2 und die Strombegrenzerwiderstände R-2, R-3 und R-4 an zwei Kondensatoren C-I und C-2 gelegt, die abwechselnd in aufeinanderfolgenden HäKten des Zyklus parallel geladen werden, so daß ihre Ladungen sich auf Grund der Serienschaltung, die in F i g. 1 gezeigt ist, addieren. Wenn diese Kondensatoren voll geladen sind, liegen sie auf einem Potential von 60 kV. Dieses Potential erscheint an den Widerständen R-T, R-6 und R-5 in Reihe, und die Werte der Widerstände sind so gewählt, daß nur ein sehr geringer Teil dieses Potentials an dem Widerstand R-I erscheint. Das Hochspannungspotential an den Widerständen R-S und R-6 wird ferner an die Spalte G-I und G-3 sowie G-2 und G-3 gelegt. Diese Spalte sind normalerweise so gewählt, daß bei der angelegten Spannung kein Überschlag eintritt.

Die Wechselstromquelle von 115 Volt und 60 Hz ist ferner über den Schalter S-I und einen Gleichrichter RC-3 geschaltet und lädt einen Kondensator C-4 über einen Begrenzerwiderstand R-I unter Steuerung eines Schalters S-2, so daß der Kondensator geladen wird, wenn der Schalter S-2 auf den Kontakt X geschaltet ist, und über die Primärseite eines Aufwärtstransformators Γ-2 entladen wird, wenn der Schalter 5-2 auf den Kontakt Y gelegt ist. Ist der Kondensator C-4 auf diese Weise entladen, speist die Sekundärseite des Transformators Γ-2 über den Kondensator C-3 einen Hochspannungsimpuls ausreichender Größe ein, so daß der durch G-2 und G-3 gebildete Spalt durchschlägt. Dabei ergibt sich, daß das hohe Potential der Kondensatoren C-I und C-2 in Reihe den Spalt, bestehend aus G-I und G-3, überwindet, so daß das Gesamtpotential der Kondensatoren an dem Widerstand R-I und an die Elektroden P-I und P-2 gelegt wird. Auf diese Weise werden den Elektroden P-I und P-2 Hochspannungsgleichstromimpulse zugeführt.

Mit Hilfe des elektrischen Impulsgenerators, der vorstehend beschrieben wurde, kann ein Gesteinsbrocken RK (F i g. 2) dadurch gesprengt werden, daß die Elektroden P-I und P-2 an den Kontaktstellen CT-I und CT-2 an die Oberfläche des Gesteinsbrokkens angelegt werden. Gewöhnlich wird ein einzelner Hochspannungsimpuls nicht ausreichen, um den Gesteinsbrocken zu sprengen. Es können aber wiederholt Impulse aufgegeben werden, bis ein einen elektrischen stromführender Pfad oder Kanal längs der strichpunktierten und in der Fig. 2 gezeigten Linie zwischen den Kontaktstellen CT-I und CT-2 ausgebildet ist. Dieser stromführende Pfad tritt normalerweise durch den Gesteinsbrocken hindurch auf, obwohl auch gelegentlich Überschläge auf der Gesteinsoberfläche selbst auftreten können.

Wie bereits erwähnt, ist die Ausbildung eines stromführenden Pfades durch den Gesteinsbrocken hindurch notwendig, damit eine ausreichende Wärmewirkung innerhalb des Gesteinsbrockens entsteht, die eine Sprengung des Gesteinsgefüges ergibt. In erzhaltigen Gesteinsbildungen können stromleitende Pfade bereits ausgebildet sein oder teilweise auf Grund von halbleitenden Eigenschaften der Erzablagerungen ausgebildet werden. In den meisten Gesteinsbildungen wird jedoch die Ausbildung eines stromleitenden Kanals wesentlich verbessert, wenn nicht überhaupt erst möglich, indem stromleitende Flüssigkeiten in das Innere des Gesteins eingeführt werden, wodurch der Widerstand eines oder mehrerer Pfade längs der Fugen der Gesteinsbildung verringert wird. Die leitenden Flüssigkeiten können Leitungswasser, Salzwasser, Kupfersulfatlösung oder ein anderer Elektrolyt entweder in wäßriger oder in anderer Form sein.

Die stromleitende Flüssigkeit kann auf den Gesteinsbrocken aufgesprüht oder aufgegossen werden, wie in Fig. 3 gezeigt ist, in der eine DüseN Wasser oder einen Elektrolyten aus einer Quelle WS versprüht, mit der das Gestein RK vorbehandelt ist, bevor ein Hochspannungsimpuls an den Gesteinskörper über die Elektroden P-I und P-2 angelegt wird. Der Gesteinsbrocken kann auch in die stromleitende Flüssigkeit eingetaucht werden, und er kann auch, wie in Fig. 4 gezeigt ist, mit Dampf aus einem Behälter BB über eine Düse NN besprüht werden. Während Dampf an sich kein stromleitendes Medium ist, ebenso wie reines Wasser, enthalten viele Gesteine Salz oder andere wasserlösliche Substanzen, die in Verbindung mit Wasser oder Dampf stromleitende Flüssigkeiten oder deren Äquivalente ergeben. Da es erwünscht ist, einen stromführenden Pfad zur thermischen Beanspruchung des Gesteins auszubilden, die eine Sprengung zustande bringt, anstatt die Oberfläche des Gesteinsbrockens leitfähiger zu machen, ist es erforderlich, daß die Oberfläche eines jeden Gesteinsbrockens, der mit stromleitender Flüssigkeit behandelt ist, trocken ist, bevor der

Hochspsnnungsimpuls über die Elektroden P-I und P-2 aufgebracht wird. Bei den meisten wäßrigen Flüssigkeiten reicht eine normale Verdampfung zu diesem Zweck aus. Eine verstärkte Trocknung des Gesteinsbrockens kann durch bewegte Luft oder auf andere Weise erzielt werden.

Die Erfindung kann auch dazu verwendet werden. Bestandteile von einer Gesteinsfläche RF abzulösen (vgl. Fig. 5). LöcherHL verhältnismäßig kleinen Durchmessers können in die Gesteinsfläche oberhalb der Fläche SA, die gesprengt werden soll, gebohrt werden, und in diese Löcher wird dann eine leitende Flüssigkeit eingeführt. Die Elektroden P-I und P-2 der Vorrichtung, die Hochspannungsimpulse abgibt und in der Fig. 1 gezeigt ist, werden dann in andere Löcher, die im Gestein gebohrt sind, eingesetzt, so daß ein stromleitender Pfad im Inneren der Gesteinsbildung zwischen den Spitzen H-I und H-2 der Elektroden P-I, P-2 ausgebildet wird, wenn der Hochspannungsimpuls zugeführt wird. Eine Fläche 5/4 zwischen den Elektroden P-I, P-2 wird die eingeführte Flüssigkeit absorbiert haben, so daß das elektrische Überschlagen und infolgedessen das Aufbrechen der Gesteinsfläche in diesem Bereich eintritt.

Die F i g. 6 zeigt eine der F i g. 5 ähnliche Anordnung der Elektroden P-I und P-2, die an den Kontaktstellen CT-I und CT-2 einer Gesteinsfläche RFF eingesetzt sind. Die Elektroden P-I und P-2 sind bei dieser Anordnung durch einen Bügel IS aus Isoliermaterial miteinander verbunden und an einem Behälter PN angebracht, der zum Auffangen der abgesprengten Gesteinsbrocken dient. Der Behälter PN wird durch eine Halterung RR abgestützt.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, gemäß dem das Gestein in der erfindungsgemäßen Weise gesprengt werden kann, werden Zangen TG-I und TG-2 zum Ergreifen des Gesteinsbrockens RK verwendet. Nachdem das Gestein mit einer leitenden Flüssigkeit vorbehandelt und getrocknet ist, wird es mit der Zange TG-2 mit zwei oder mehr Schäften T-I, T-I, Γ-3 erfaßt. Die Schäfte wirken als Elektroden, so daß die stromführenden Pfade innerhalb des Gesteins zwischen den Spitzen ausgebildet werden. Die weitere Zange TG-I weist vorzugsweise nur zwei Schäfte IT und Γ-4 auf, deren einer gegenüber dem anderen isoliert ist. Wenn Hochspannung über Kabel CB-I und CB-2 an die Zangen gelegt wird, ist das Ergebnis ähnlich, wie weiter oben in Verbindung mit den Elektroden P-I und P-2 erläutert worden ist, mit der Ausnahme, daß zusätzliche Strompfade zwischen den Schäften der verschiedenen Zangen vorhanden sind. Die Schäfte jeder Zange können federvorgespannt sein, so daß sie sich über das Gestein schließen und der Bedienende frei steht, wenn der Hochspannungsimpuls abgegeben wird.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist in der F i g. 8 gezeigt, nämlich ein Fahrzeug V, das einen Abschiebebetrieb durchführen kann. Das auf Rädern oder Ketten laufende Fahrzeug V besitzt eine Verlängerung mit einem Joch, das die Elektroden P-I oder P-2 trägt, an die Kabel CB-I und CB-2 angeschlossen sind, die mit einer Hochspannungsimpulsquelle (nicht dargestellt) in Verbindung stehen. Ferner ist eine Sprühdüse WS zur Verteilung einer stromleitenden Flüssigkeit im Bewegungsverlauf des Fahrzeuges vorgesehen. Das Fahrzeug bewegt sich langsam über den Bereich, der abgeschoben werden soll, und kann einen Eigenantrieb aufweisen oder von einem Traktor od. dgl. gezogen werden. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Fahrzeuges V ist so gewählt, daß die stromleitende Flüssigkeit in die Poren der Gesteinsbildung einsickert, wodurch stromführende Pfade unter der Oberfläche des Gesteins ausgebildet werden, wenn die Elektroden P-I und P-2 fortschreiten, wobei letzteren laufend Hochspannungsimpulse zugeführt werden. Dadurch wurden Teile von einem Bereich losgelöst, der

ίο durch gestrichelte Linien angedeutet ist, und diese Teile werden von einem sich kontinuierlich bewegenden Förderer CVB aufgenommen "und in einen Behälter HP abgegeben.

Eine weitere Ausführungsform eines elektrischen Gesteinszerkleinerers gemäß der Erfindung ist in der F i g. 9 gezeigt. Hier bewegt sich ein Förderband CVR kontinuierlich und gibt Gesteinsbrocken RK aus einem Behälter HP-I an eine Düse JV ab, die leitende Flüssigkeit aus einer Leitung WSC auf das Gestein sprüht. Dann wird das Gestein von flexiblen Fingern F-I und F-2 erfaßt und bewegt. Die Finger sind an den Elektroden P-I und P-2 befestigt, die über Kabel mit einer Hochspannungsimpulsquelle, wie sie in Verbindung mit der F i g. 1 beschrieben ist, verbunden sind. Eine verstärkte Lufttrocknung (nicht dargestellt) kann dazu verwendet werden, die Flächen des Gesteins zu trocknen, bevor die Finger F-I und F-2 wirksam werden. Eine normale Verdampfung ergibt jedoch gewöhnlich eine trockne Gesteinsoberfläche, so daß Oberflächenüberschläge nur auftreten, wenn die Hochspannungsimpulse über die Finger P-I und P-2 zugeführt werden. Infolgedessen bilden die stromführenden Pfade, die im Gestein auf Grund der Behandlung mit leitender Flüssigkeit ausgebildet werden, die größeren Pfade der Stromentladung, und die Gesteinsbrocken RK werden, wie bereits oben erläutert, zerkleinert, wobei die zerkleinerten Teile durch den Förderer CVB in einen anderen Behälter HP-2 und von dort in einen Behälter BN gegeben werden.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Sprengen und/oder Zerkleinern von Gestein mit Hilfe elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flüssigkeit in die Fugen des Gesteins eingeführt wird, so daß elektrolytische Wege ausgebildet werden, daß Elektroden (P-I, P-2) in voneinander versetzte Teile des Gesteins eingesetzt werden, daß an die Elektroden eine hohe elektrische Gleichspannung gelegt wird, die wenigstens aus einem Impuls besteht, und daß der gleichgerichtete Spannungsimpuls durch Kondensatorentladung erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Fugen des Gesteins eingeführte Flüssigkeit Wasser, Dampf oder ein Elektrolyt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Löcher unter der Oberfläche des Gesteins ausgebildet werden und daß die Flüssigkeit in die Löcher eingeführt wird, damit sie in die Fugen unter die Oberfläche einsickert.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestein (N) mit der Flüssigkeit besprüht wird, damit diese in die Fugen des Gesteins eingeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in die Fugen des Gesteins durch Eintauchen des Gesteins in die Flüssigkeit eingeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Gesteins nach Einführung der Flüssigkeit und vor Anlegen des elektrischen Potentials getrocknet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Löcher im Gestein ausgebildet werden und daß die Elektroden in diese Löcher eingesetzt werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zange (TG-2) vorgesehen ist, die mehrere Schäfte aufweist, welche einen Gesteinsbrocken umfassen, und daß durch eine zweite Zange (TG-I), die nur zwei gegeneinander abisolierte Schäfte aufweist, eine elektrische Spannung an den von den Zangen umfaßten Gesteinsbrocken angelegt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fahrzeug (F) vorgesehen ist, auf dem vorn ein Paar von Elektroden (P-I, P-2) angeordnet ist, daß die Elektroden (P-I, P-2) gegen das Fahrzeug und gegeneinander abisoliert sind, daß am Fahrzeug vor den Elektroden eine Sprühdüse (WS) angeordnet ist, daß elektrische Zuleitungen (CS-I, CB-I) zu den Elektroden vorgesehen sind und daß am Fahrzeug (F) hinter den Elektroden (P-I und P-2) ein Förderer (CVB) vorgesehen ist, der die zerkleinerten Gesteinsbrocken in einen Behälter (HP) befördert.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein Förderband (CVR), das Gesteinsbrocken aus dem Behälter (HP-I) aufnimmt, auf die eine Sprühvorrichtung (N) eine leitende Flüssigkeit aufsprüht, durch eine Trocknungsvorrichtung zur Lufttrocknung der Oberfläche der Gesteinsbrocken, durch die Ausbildung der beiden Elektroden (P-I und P-2) als flexible Finger, welche die Oberfläche eines jeden Gesteinsbrockens berühren und durch einen zweiten Behälter (HP-2), der die Gesteinsbrocken vom Band (CVR) aufnimmt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Zeitschrift »Neue Hütte« vom Mai 1962, S. 265 bis 268.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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