DE2228270A1

DE2228270A1 - Verfahren zur Befestigung von Rohren in Bohrlöchern

Info

Publication number: DE2228270A1
Application number: DE19722228270
Authority: DE
Inventors: John Michael Mansfield Nottinghamshire; Jones John Alfred Ripley Derbyshire; Murphy (Großbritannien)
Original assignee: Explosives And Chemical Products Ltd., London
Priority date: 1971-06-10
Filing date: 1972-06-09
Publication date: 1972-12-28
Also published as: BE784695A; FR2141359A5; IT956388B; GB1387263A; ES404031A1; CA952428A; ZA723608B

Description

DR. O. DlTTMANN K. L. SCHIFF DR. A. ν. FÜNER DIPL. ING. P. STRBHL

8 MÜNCHEN BO MARIAHILFPLATZ 2 Sc 3

DA-4890

Beschreibung

zu der

Patentanmeldung
der Firma

EXPLOSIVES AND CHEMICAL PRODUCTS LIMITED, 31-35 Wilson Street, London EC2M 2UA

England

betreffend

Verfahren zur Befestigung von Rohren in Bohrlöchern (Priorität: 10. Juni 1971, Großbritannien, Nr. 19 999/71)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung von Rohren in Bohrlöchern sowie ein hierfür geeignetes Rohr. -

Häufig müssen im Bergbau und in der Bauindustrie verhältnismäßig lange Rohre mit großen Durchmesser in Borhlöchern befestigt und abgedichtet werden, die in Stein- oder Felsschichten gebohrt sind. Die Rohre müssen für eine Vielzahl von Zwekken abgedichtet werden, beispielsweise zum Abziehen des Methangases aus dem Kohlenflöze umgebenden Gestein und zum Injizieren von unter Druck stehenden Vergußmaterialien zur Verstärkung und Abdichtung von brüchigem oder ausgebrochenem Gestein. Bei den derzeit bekannten Verfahren werden entweder mechanische Dichtungseinrichtungen verwendet, die eine dehnbare Gummi- oder Kautschukhülse enthalten, die zur Ausfüllung des Ringspaltes zwischen dem

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Rohr und dem Bohrloch verzerrt oder verbogen wird, oder Vergußmateiralien auf Bindemittel- oder Zementbasis, die nach der Einbringung des Kohrs in den Ringspalt gepumpt werden können. Die mechanischen Dichtungen sind, wenn sie nicht durch Zementverguß verstärkt werden, unbefriedigend, da die Dichtungsfläche in dem rissigen Gestein leicht umgangen werden und das Gas an der Dichtung vorbeiströmen kann. Vergußmaterialien auf der Basis von Zement oder Bindemittel haben den Nachteil, daß sie verhältnismäßig langsam aushärten und nur' eine geringe Schlagfestigkeit haben, so daß sie bei in der Umgebung durchgeführten Sprengarbeiten brechen können und das Austreten von Gas oder Vergußmaterial am abgedichteten Bereich vorbei gestatten« Es wurden daher Versuche mit Vergußmaterialien auf der Basis synthetischer Harze durchgeführt, die eine hohe Schlagfestigkeit und schnelle Aushärtung mit äußerst hohe¹-mechanischer Festigkeit verbinden. Vergußmaterialien auf der Basis von Kunstharz können selbstverständlich mittels Verfahren eingebracht v/erden, die ähnlich denen beim Einbringen vom Zementmaterialien sind. Es gibt jedoch ernste Schwierigkeiten beim Pumpen von Harzmaterialien, insbesondere im Kohlenbergbau, und zwar wegen der Schwierigkeit der Reinigung der Pumpeinrichtungen vor der Gel.ierr.ing des Harzes. Diese Schwierigkeiten konnten bisher nicht gelöst werden.

Der vorliegenden Erfindung li^jt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Befestigung von Rohren in Bohrlöchern, beispielsweise in Gesteinsschichten eines Berguerksschachtes oder -strecke anzugeben, durch das die Nachteile bekannter Verfahren vermieden oder wenigstens gemildert werden, insbesondere, wenn Vergußmassen auf der Basis von Harz verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Befestigung eines Rohrs in einem Bohrloch, dessen Durchmesser größer ist als der Außendurchmessers des Rohrs, so daß zwischen dem Rohr und dem Bohrloch ein Ringspalt besteht, zeichnet sich dadurch aus, daß wenigstens

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ein Endteil des Rohrs mit einer Vergußmasse gefüllt wird, daß der Endteil so in das Bohrloch eingesetzt wird, daß das Ende des Rohrs angrenzend an das geschlossene Ende des Bohrlochs zu liegen kommt, daß ein im Rohr angeordneter verlorener Kolben in Richtung zum Ende des Rohrs gedruckt wird, so daß die Vergußmasse aus dem Rohr verdrängt und vom Ende desselben in den Ringspalt zwischen dem Rohr und dem Bohrloch extrudiert wird, so daß sie wenigstens zum Teil den Ringspalt füllt, und daß die Vergußmasse ausgehärtet und dadurch das Rohr im Bohrloch befestigt wird.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Rohr selbst als Injektionszylinder für die Vergußmasse verwendet und die Vergußmasse wird durch das Ende des Rohrs extrudiert, wobei sie längs des Ringspalts zwischen dem Rohr \mä dem Bohrloch in Richtung zur Mündung des Bohrlochs nach rückwärts verdrängt wird. Ein verlorener Kolben, der vorzugsweise mit wenigstens einer ringförmigen Ausnehmung versehen ist, die einen Dichtungsring aufnimmt, beispielsweise einen Gummi- oder Kautschukring, wird innerhalb des Rohrs verwendet und länge des Rohrs gcdürckt, so daß die im Rohr vor dem Kolben befindliche "Vergußmasse vom Ende des Rohrs aus gepumpt wird. Vorzugsweise ir.t das Ende des Rohrs mit einer verlorenen Endkappe Kit einem oder mehreren Hohlräumen versehen. Die in der Kappe ausgcbilüeten Hohlräume bilden Kanäle, durch die die Vergußmasse vorn Rohr in den Iiiii£ spalt fließen kann. Die Kappe verhindert ferner, daß das Rohrende durch den Druck gegen das geschlossene Ende des Bohrlochs vorzeitig zerstört oder ■beschädigt wird.

Gegebenenfalls kann am Rohr in einem Abstand von dem Röhrende ein Dichtungsring angeordnet sein, der äquivalent demjenigen ist, der durch die im Rohr enthaltene Vergußmasse befestigt worden muß.

Da Kunstharz schnell aushärtet, werden nach dem erfindungsgeinäßen Verfahren vorzugsweise Vergußmassen auf der Basis synthe-

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tischer warmhärtender Harze verwendet, beispielsweise ungesättigte Polyester-, Polyurethan-, Epoxy-, Phenolformaldehyd-, Harnstoffformaldehyd-'oder Acrylharze. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch mit langsamer aushärtenden Vergußmaterialien auf der Basis von Zement oder Gips durchgeführt werden, "beispielsweise mit Portlandzement, stark tonerdehaltigem Zement und supersulfatiertem Zement. Vergußmassen auf Tonbasis können in bestimmten Anwendungsfällen in Verbindung mit Zement oder chemischen Gelieroder Bindemitteln von Vorteil'sein. Typischerweise können Vergußmassen auf Tonbasis aus Bentonitton, Phosphat- und Natriumsilikat verwendet werden. Die Kunstharze, auf deren Basis die Vergußmasse vorzugsweise aufgebaut ist, sind bekannt. Die Gesamt-Vergußmasse kann bis zu 90 Gew.-% ein oder mehrere geeignete anorganische Füllmittel enthalten, beispielsweise Silikasand, Kalkstein, Talkum, Schiefer, Gips und/oder Asbest. Die Aushärtzeiten der Vergußmassen werden so eingestellt, daß eine ausreichende Zeit zum Einsetzen des Rohrs und der Dichtung verbleibt, während andererseits eine ausreichend schnelle Härtung sichergestellt sein soll, so daß im Zyklus der Bohrvorgänge nur geringe Verzögerungen eintreten. Beispielsweise kann bei einer Vergußmasse auf der Basis von ungesättigtem Polyesterharz mit einer Topfzeit von 60 min nur 45 min nach dem Einsetzen des Rohrs wieder mit dem Bohren begonnen v/erden.

Vorzugsweise wird am Einsatzort eine Zweikomponenten-Harzvergußmasse (d. h. Harz und Härtemittel) gemischt und auf das Rohr übertragen, das innen bereits mit dem verlorenen Kolben und außen mit dem Dichtungsring versehen ist. Nach dem Füllen des Rohrs bis zur erforderlichen . Tiefe wird die Endkappe angebraoht und das Rohr vollständig in das Bohrloch abgesenkt. Der Kolben, der mittels des hydraulischen Stempels der Bohranlage betätigt werden kann, oder von Hand über eine in das Rohr eingesetzte Stange, wird stetig zum Ende des Rohrs gedrückt,so daß die Vergußmasse aus dem Rohr in den Ringspalt zwischen dem Rohr

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und dem Bohrloch verdrängt wird. Nach der vollständigen Verdrängung der Vergußmasse wird eine gewisse Zeitspanne lang gewartet, damit das Harz aushärten kann. Darauf wird gegebenenfalls durch das abgedichtete Rohr hindurch weiter gebohrt.

Der verlorene Kolben und die verlorene Endkappe bestehen vorzugsweise aus einem Material, das mittels normaler Gesteinbohranlagen leicht geschnitten werden kann, und das keine Bruchstücke bildet, durch die der Wasserstrom durch den Bohrkopf leicht behindert werden könnte. Für diesen Zweck haben sich Zusammensetzungen auf der Basis von ungesättigtem Polyesterharz bewährt. Ebenso können aber auch andere Materialien auf der Basis von warmhärtendem Kunstharz oder auf der Basis von Zement öder Bindemitteln verwendet werden. Der Kolben oder die Endkappe können aus derartigen Materialien gegossen oder geformt v/erden. Allgemein sind thermoplastische Materialien nicht geeignet, da sie beim Bohren verhältnismäßig große Bruchstücke bilden, die den Wasserstrom bei Systemen mit Wasserspülung behindern können.

Der erfindungsgemäße verlorene Kolben besteht aus einer Masse auf der Basis von warmhärtendem Kunstharz oder Zement bzw. Bindemittel und enthält vorzugsweise wenigstens eine ringförmige Ausnehmung zur Aufnahme eines Dichtungsringes bei der Benutzung. Die erfindungsgemäße verlorene Endkappe für ein Rohr besteht aus einer Masse auf der Basis von warmhärtendem Kunstharz oder Zement bzw. Bindemittel und enthält einen oder mehrere Hohlräume, die Kanäle durch die Kappe ergeben, wenn sie sich am Ende eines Rohrs befinden.

Anhand der in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 in schematischer Darstellung verschiedene Stufen des erfindungsgemäßen Befestigungsverfahrens;

Fig. 2 die Seitenansicht einer zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbaren verlorenen Endkappe;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Endkappe der Fig. 2 von unten;

Fig. 4 die Seitenansicht eines verlorenen Kolbens zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 5 den Vertikalschnitt eines anderen verlorenen Kolbens.

Fig. 1 zeigt eine verlorene Endkappe 1 (genauer in den Fig. 2 und 3) und einen verlorenen Kolben 2 (genauer in Fig. 4), die in einem Rohr 3 angeordnet sind. Das Rohr 3 soll in einer in eine Gesteinschicht 5 gebohrten Bohrung befestigt werden. Ein Dichtungsring 6 ist außerhalb des Rohrs angeordnet, während zwei ringförmige Ausnehmungen am Kolben 2 je einen Dichtungsring 7 aufnehmen. Die Vergußmasse 8 befindet sich anfangs innerhalb des Rohrs 3 zwischen der Endkappe 1 und dem Kolben 2. Wenn der Kolben 2 längs des Rohrs mittels einer Stange 9 vorgeschoben wird, so wird die Vergußmasse aus dem inneren Ende des Rohrs durch die Hohlräume in der Endkappe 1 in den Ringspalt 10 zwischen dem Rohr und dem Bohrloch ausgedrückt.

Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform des Kolbens, die zwekcmäßigerweise dann verwendet wird, wenn der Durchmesser des zu befestigenden Rohrs vom üblichen Maß abweicht. Der Kolben enthält eine einzige ringförmige Ausnehmung zur Aufnahme eines Dichtrings, der in Fig. 4 gezeigte Kolben, jedoch anstelle der zweiten Ausnehmung eine ringförmige Dichtung aus geschäumtem Kunststoff, beispielsweise aus geschäumtem Polyurethan oder Polyvinylchlorid.

Im folgenden sollen einige Beispiele angeführt werden.

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Beispiel 1

Es soll ein Standrohr zum Abziehen von Methan in einer laminierten Tonschicht oberhalb eines Kohlenflözes befestigt und abgedichtet werden.

Es wird eine Erdbohrung von 115 mm Durchmesser mit Hilfe einer herkömmlichen,umlaufenden Bohrmaschine bis zu einer Tiefe von 10 m niedergebracht. In ein Rohrstück mit einem Außendurchmesser von 88 mm und einem Innendurchmesser von 75 mm wird ein geformter oder gegossener Polyesterharzkolben eingebracht, der mit zwei O-Dichtungsringen aus Gummi oder Kautschuk versehen ist, die gemäß Fig. 1 in zwei ringförmigen Ausnehmungen des Kolbens liegen. Der Kolben wird in einer Entfernung von zwei Meter vom inneren Ende des Rohrs angeordnet und das innere Ende mit einer Harz-Vergußmasse gefüllt, die zu 75 Gew.-?S aus einem inertem Füllmittel und zu 25 Gew.-?£ aus ungesättigtem Polyesterharz mit einem Benzoylperoxid/Dimethylanilin-Katalysatorsystem besteht". Nach dem Mischen hat die Harzvergußmasse eine Gelierzeit von 55 min bei 25 C Nach der Füllung des inneren Endes des Rohrs wird eine geformte oder gegossene Polyesterharzkappe gemäß Fig. 2 und 3 in das Ende des Rohrs eingesetzt. Die Kappe ist so ausgebildet, daß sich ein passender Kanal für die anschließende Extrusion des Harzes ergibt, ohne daß die Endkappe selbst verschoben oder verdrängt wird. Außerhalb des Rohrs, in einem Abstand von 2 m vom inneren Ende befindet sich ein Dichtungsring aus weichgemachtem Polyvinylchlorid. Der Dichtungsring ist konisch. Sein maximaler Außendurchmesser beträgt 115 mm, sein minimaler Außendurchmesser 95 mm und der Innendurchmesser 88 mm. Er liegt am Rohr dicht an. Das gefüllte Rohr wird dann in das Bohrloch vorgeschoben, bis die Endkappe das Ende des Loches berührt. Es wird dann eine Bohrstange von etwa 5 cm Durchmesser (2 inch) in das äußere Ende des Rohrs eingeführt* bis es den geformten inneren Kolben berührt. Mittels der Bohrstange wird dann der Kolben längs des Rohrs gedrückt, und zwar unter Verwendung

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eines Preßkolbendrucks von etwa 135 kg (300 lbs.)· Hierdurch wird die Harzvergußmasse aus dem inneren Ende des Rohrs verdrängt und längs des Ringspalts zwischen dem Rohr und dem Bohrloch zurückgedrückt. Der Kolben wird dann auf die volle Länge des Rohrs vorgeschoben, bis er die gegossene Endkappe berührt, wodurch die gesamte Harzvergußmasse verdrängt und der Ringraum bis zu dem Dichtungsring aus Polyvinylchlorid gefüllt ist.

Das so installierte Rohr wird dann zwei Stunden lang stehengelassen. Während dieser Zeit härtet das Harz über eine Strecke von 2 m längs des Rohrs aus und bildet eine wirkungsvolle Dichtung. Am Ende der Aushärtung wird die etwa 5 cm starke Bohrstange -mit einer Bohrerspitze versehen und die Bohrung durch den gegossenen Kolben und die Endkappe hindurch in das. Gestein hinter dem Ende des Rohrs fortgesetzt. Das Lach von 5 cm Durchmesser wird auf eine Gesamttiefe von beispielsweise 40 m niedergebracht, wobei keinerlei Schwierigkeiten mit dem Wasserspülsystem des Bohrgeräts entstehen. Das Stehrohr wird darauf mit geeigneten Ventilen und Anschlußrohren versehen, so daß das Methangas- aus dem an das Kohlenflöz angrenzenden Gestein kontrolliert abgeführt werden kann. Bei Versuchen-hat sich gezeigt, daß keinerlei Luft durch die Dichtung—in das Gas eintritt. Das Problem des Lufteintritts an der Dichtung vorbei in das Gas, wenn das Methan unter Vakuum abgeführt wird, stellt bei der Anwendung herkömmlicher mechanischer Dichtungseinrichtungen häufig die Hauptschwierigkeit dar,

Beispiel 2

Ein Stehrohr mit einem Außendurchmesser von 50 mm wird in ausgebrochnem oder brüchigem Gestein auf folgende Weise befestigt und abgedichtet. Es wird eine Erdbohrung von 65 mm in gebrochenem und rissigem Gestein unter Verwendung einer herkömmlichen Bohrmaschine auf eine Tiefe von 4 m niedergebracht. Ein

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Rohrstück von 2 m Länge, einem Außendurchmesser von 50 mm und einem Innendurchmesser von 44 mm wird mit einem Kolben versehen. Der Kolben ist mit zwei weichen O-Ringen aus Kautschuk oder Gummi versehen, der eimwirkungsvolle Dichtung zwischen dem Kolben und der Rohrwandung bildet. Eine Harzvergußmasse bestehend, aus 50 Gew.-% inertem Füllmittel und 50 Gew.-56 aus polyamidkatalysiertem Epoxyharz wird in das obere Ende des Rohrs oberhalb des Kolbens gegossen. Das Ende des Rohrs wird dann durch eine gegossene Ehenolformaldehyd-Endkappe mit Auslaßöffnungen verr schlossen, durch die die Vergußmasse anschließend durch die Kolbenbewegung gepumpt werden kann. An der Außenseite des Rohrsr ist in einem Abstand vorr"t,5.m vom Ende ein Dichtungsring aus weichgemachtem Polyvinylchlorid befestigt, Das Rohr wird dann in das. Bohrloch eingeführt und mit einem zweiten, 2,5 raulangen Rohr.gekuppelt. Das zweite Rohr wird dann zum Ende des Bohrloches ge- . schoben. Eine Stahlstange-mit einem Durchmesser von etwa 2,5 cm · (2 inch) wird dann von Hand in-das- Rohr eingeschoben, bis das innere Ende den Kolben berührt. Beim Weiterschieben der Stange, in das Rohr wird der Kolben längs des Rohrs verschoben, so daß die Vergußmasse durch die öffnungen .In der Endkappe und längs des Ringspaltes zv/ischen. dem Rohr, und den Wandungen des Bohrloches gedrückt .wird. Nachdem die Stange über die volle Länge '. des Rohrs bewegt wurde, wird das letztere für fünf Stunden stehengelassen. Darauf wird eine 35 mm starke Bohrstange mit einem Bohrkopf durch das Rohr geführt und das Bohrloch durch

, den Kolben und die Endkappe hindurch in das Gestein hinter dem Ende des Rohrs weitergeführt. Das Rohr wird dann mit Schlauchanschlüssen und Ventilen versehen und zur Injektion von Zementvergußmasse in das gebrochene Gestein benutzt. Die injizierte . Vergußmasse tritt dabei rings um das Rohr nicht aus. Der Dichtungs-

, ring wird auch bei maximalen Injektionspumpdrücken weder zerstört noch beschädigt.

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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Befestigung von Rohren ermöglicht es auch, Rohre in Überkopfbohrlöchern auf verhältnimäßig einfad ; Weise zu installieren, während bei bekannten Vergußpumpverfahren häufig Schwierigkeiten auftreten. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren wirtschaftlich, insbesondere wenn verhältnismäßig billige Vergußmassen auf Kunstharzbasis verwendet werden. Es können nämlich praktisch sämtliche Vergußmassen iidrkungsvoll zur Befestigung des Rohrendes benutzt werden, während bei herkömmlichen Pumpverfahren bedeutende Mengen an Vergußmasse in der Pumpeinrichtung verlorengehen.

Patentansprüche

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Claims

DA-4890 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Befestigung eines Rohrs in-einem Bohrloch, dessen Durchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Rohrs, so daß zwischen dem Rohr und dem Bohrloch ein Ringspalt besteht, dadurch gekennzeichnet , daß

— wenigstens ein Endteil des Rohrs mit einer Vergußmasse gefüllt wird, daß das Endteil in das Bohrloch eingesetzt wird, so daß sich das Ende des Rohrs angrenzend an das geschlossene Ende des Rohrs befindet, daß e_in im Rohr angeordneter verlorener Kolben zum Ende des Rohrs gedrückt wird, so daß die Vergußmasse aus dem Rohr verdrängt und-vom Ende desselben in . den Ringspalt zwischen dem Rohr und dem Bohrloch extrudiert wird und den Ringspalt wenigstens zum Teil füllt und daß die Vergußmasse zum Härten stehengelassen wird, so daß das Rohr im Bohrloch befestigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Rohrs mit einer verlorenen Endkappe mit einem oder mehreren darin ausgebildeten Hohlräumen versehen ist,- so daß sich Kanäle ergeben, durch die die Vergußmasse aus dem Rohr in den Ringspalt fließen kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß auf dem Rohr in einem Abstand vom Ende desselben, der gleich ist der durch die Vergußmasse im Rohr zu sichernden Länge des Bohrlochs ein Dichtring angeordnet wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergußmasse auf der Basis eines warmhärtenden Kunstharzes aufgebaut ist.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das warmhärtende Kunstharz aus einem ungesättigten Polyesterharz besteht.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der verlorene Kolben mit wenigstens einer ringförmigen Ausnehmung zur Aufnahme eines Dichtungsrings versehen ist.

7— Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der verlorene Kolben aus einer Masse auf der Basis eines ungesättigten Polyesterharzes besteht.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der verlorene Kolben zum vorderen Ende hin konisch ist, und daß das konische Ende"mit einem Dichtungsring aus synthetischem Schaumstoff besteht.

9. Verlorener Kolben, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e η η zeichnet , daß er aus einer Masse auf der Basis eines warmhärtenden Kunstharzes oder Zement besteht.

10. Kolben nach Anspruch 9,gekennzeichnet durch wenigstens eine ringförmige Ausnehmung zur Aufnahme eines Dichtungsrings (7).

11. Verlorene Endkappe für ein Rohr, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, dadurch g e k e η η zeich'η et , daß die Kappe (1) aus einer Masse auf der Basis von warmhärtendem Kunstharz oder Zement besteht und mit einem oder mehreren Hohlräumen versehen ist, die als Kanäle dienen, wenn die Kappe (1) am Ende eines Rohrs (3) angebracht ist.

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