DE3033376C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Verfüllen von Hohlräumen nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Im Kohlenbergbau ist es üblich, beispielsweise zur
Verbindung zu einem Langfront-Abbaubetrieb eine Anzahl
von Strecken vorzutreiben, wobei jede Strecke
fortschreitend weiter vorgetrieben wird, um die
Verbindung mit dem fortschreitenden Abbaubetrieb
aufrechtzuerhalten. In vielen Fällen wird jede Strecke
als sog. Abbaustrecke
durch Ausbrechen des Gebirges
vorgetrieben.
Das durch den neu vorgetriebenen Strecken
teil freigelegte Gebirge der Strecke wird dabei meist durch
einen nachgiebigen Ausbau in bestimmten Abständen längs
der Strecke abgestützt, gegebenenfalls durch Schalungen,
die über dem Ausbau angeordnet sind.
Um die Abstützung des Gebirges im Bereich der Strecke zu
sichern, ist es in vielen Fällen auch üblich, abschnitts
weise an einem Streckenstoß einen Versatz aus Gesteins
material, wie es beispielsweise beim Vortrieb der Strecke
anfällt, vorzusehen, oder an diesem Streckenstoß Holz
pfeiler vorzusehen oder eine Abstützung mit einer Beton
mischung, welche aus Zement und Gesteinsbrocken besteht.
Eine derartige Verpackung oder Ausfüllung ist bekannt und
üblich und wird im allgemeinen als "Pfeiler" bezeichnet.
Das Material, aus dem die Pfeiler aufgebaut sind, muß
widerstandsfähig genug sein, um das Hangende
für ein gewünschtes maximales Zeitintervall abzustützen,
nachdem der Pfeiler gebaut oder geformt wird. Da nach be
hördlichen Vorschriften der fortschreitende Abbaustoß nicht
mehr als einen bestimmten Abstand dem Streckenausbau
vorauseilen darf, ist das gewünschte maximale Zeitinter
vall von dem gewünschten Abbaufortschritt abhängig und
muß so kurz wie irgend praktisch möglich sein. Diese For
derung ist insbesondere bei modernen Langfront-Abbaube
trieben erforderlich, in denen verhältnismäßig große Ab
baufortschritte wesentlich sind, um die hohen Kapital
kosten der Strebausrüstung zu rechtfertigen und wirtschaft
lich auszunutzen.
Aus der DE-OS 24 28 711 ist bereits ein Verfahren nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Dabei wird das
Gemisch aus Calciumaluminat und Calciumsulfat, das als
Schnellhärtungsmittel eingesetzt wird, dem Hohlraum
getrennt von der Zementaufschlämmung zugeführt. Die
Abbindezeit und die Festigkeit der danach hergestellten
Pfeiler, insbesondere gegenüber Sprödbruch, läßt jedoch
zu wünschen übrig.
Aus der DE-OS 28 20 067 ist es bekannt, getrennt von der
Zementaufschlämmung dem Hohlraum eine Kohleaufschlämmung
zuzuführen, welcher zur Stabilisierung Natriumbentonit
zugesetzt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum
Verfüllen von Hohlräumen, insbesondere in
Bergbaubetrieben, bereitzustellen, bei dem die
hohlraumverfüllende Masse problemlos transportierbar
ist, schnell abbindet und nach dem Abbinden eine hohe
Festigkeit, insbesondere gegenüber Sprödbruch, aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1
gekennzeichnete Verfahren erreicht. In den
Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung wiedergegeben.
Nach der Erfindung werden also eine
Portland-Zementaufschlämmung, die ein Gemisch aus
Calciumaluminat in Form von Tonerde-Zement sowie
Calciumsulfat enthält sowie eine Tonaufschlämmung, die
einen Abbindebeschleuniger enthält, dem betreffenden
Hohlraum getrennt zugeführt.
Das Gewichtsverhältnis in dem Gemisch aus
Calciumaluminat und Calciumsulfat beträgt in den meisten
Fällen 3 : 1 bis 1 : 3. Das Calciumaluminat liegt
zweckmäßig in kristallisierter Form vor. CaO · Al2O3 wird
als Tonerde-Zement im allgemeinen vorgezogen.
Beispiele für brauchbaren Portland-Zement sind normaler
Portland-Zement, schnell härtender Portland-Zement und
sulfatresistenter Portland-Zement.
Das Calciumsulfat kann wahlweise ein Dihydrat, ein
Hemihydrat und/oder ein Anhydrid sein. Wasserfreies
Calciumsulfat wird vorzugsweise mit CaO · Al2O3 in einem
Gewichtsverhältnis von 10 : 8 bis 10 : 12 gemischt.
Geeignete organische Abbindeverzögerungsmittel sind
Carbonsäuren, Hydroxycarbonsäuren und deren Salze, ein
schließlich eines oder mehrerer der folgenden Carbon
säuren bzw. -salze: Malonsäure, Bernsteinsäure, Malein
säure, Citronensäure, Weinsäure und Gluconsäure sowie
deren Alkali- und Erdalkalimetallsalze. Die Alkali-
bzw. Erdalkalimetalle können Natrium und Kalium bzw.
Magnesium und Calcium sein. Vorzugsweise werden Salze
der Hydroxycarbonsäuren verwendet. Der Anteil der Säure
bzw. des Salzes beträgt, bezogen auf den Zement, 0,02
bis 3 Gew.-%.
Geeignete anorganische Salze für das Zementgemisch
können ein oder mehrere Halogenide, Sulfate, Nitrite,
Nitrate, Borate, Carbonate sowie Hydroxide sein, wobei
Carbonate im allgemeinen vorgezogen werden. Beispiele
für geeignete anorganische Salze sind Aluminiumchlorid,
Calciumchlorid, Magnesiumbromid, Kaliumsulfat, Natrium
nitrat, Kaliumnitrat, Calciumborat, Natriumcarbonat,
Kaliumbicarbonat und Natriumhydroxid. Das anorganische
Salz wirkt als Abbindebeschleuniger.
Der Ton enthält meistens wenigstens eines der folgenden
Tonmaterialien: Hektorit, Bentonit, Smektit aus der Montmorillonit-Gruppe und Kaolinit.
Im allgemeinen wird Bentonit vorgezogen. Der Anteil des
Bentonits gegenüber dem Wasser in dem Ton beträgt zweck
mäßigerweise 0,25 bis 10 Gew.-%. Die Gegenwart einer
kolloidalen Tonaufschlämmung verhindert, daß sich der Zement vom
Wasser trennt, wenn die Zementaufschlämmung und die Tonaufschlämmung ver
mischt werden, wobei die Gegenwart des Tons dazu führt,
daß die Zementteilchen suspendiert bleiben. Es ist aller
dings festgestellt worden, daß der Ton das Abbinden des
Zements beschleunigt, wobei er die Wirkung des als anor
ganisches Salz vorliegenden Abbindebeschleunigers ver
stärkt, wodurch er zu der gewünschten schnellen Firstab
stützung der Pfeiler bei deren Bildung beiträgt. Die
Gegenwart des Tons verleiht dem ausgehärteten Pfeiler
Elastizität in einem Ausmaß, daß ein Sprödbruch ver
hindert ist, wenn der Pfeiler größeren Kräften des ab
gestützten Gebirges ausgesetzt ist. Ein Pfeiler, der nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, neigt
weniger dazu, die Strecke in diesem Bereich zu beeinträchtigen.
Da die Pfeiler als Ganzes beibehalten werden, ist
der Wetterstrom durch die Pfeiler vermindert.
Die Bewetterung stellt bei der Erwärmung und
der Ausgasung in Untertagekohlebergwerken
einen wichtigen Faktor dar.
Die Verarbeitungszeit des Zements wird im allgemeinen durch
Zugabe einer Hydroxycarbonsäure als Verzögerungsmittel
geregelt. Die Verarbeitungszeit ist die Zeitspanne
zwischen der Vermischung der Aufschlämmungen und dem Zeitpunkt, in
dem der Zement so weit ausgehärtet ist, daß er nicht mehr
pumpbar ist. Eine Verbesserung der Verarbeitbarkeit, d. h.
eine Verlängerung der Verarbeitungszeit, kann durch Zu
gabe oberflächenaktiver Mittel, beispielsweise von Calcium
lignosulfonat, erreicht werden. Die Verarbeitungszeit des
Zements muß ausreichend sein, um den Zementbrei durch
das zugehörige Zufuhrrohr hindurch und durch den Mischer
in den Pfeilerhohlraum zu pumpen, bevor das Aushärten
die Fließfähigkeit spürbar beeinträchtigt.
Bei einem typischen Beispiel reagiert der schnell abbinden
de Zement mit Wasser um große Kristalle aus Ettringit,
6 CaO · Al2O3 · 3 SO3 · 32 H2O, zu bilden, wodurch eine erhöhte
Festigkeit erzielt wird.
Es werden wenigstens zwei Zufuhrleitungen
vorgesehen, um die Aufschlämmungen dem Hohlraum zuzuführen.
Dabei wird mit einer Rohrleitung die Zementaufschlämmung
dem Hohlraum zugeführt, während
die andere Rohrleitung zur Zufuhr der den Ton enthaltenden
Aufschlämmung zum Hohlraum dient.
In der Vergangen
heit sind ernste Probleme beim Untertagebetrieb aufgetre
ten, wenn ein Stillstand beim Abbau dazu führte, daß sich
die Zementmischungen in den Zufuhrleitungen verfestigten. Durch
die beiden getrennt zugeführten Aufschlämmungen wird dies
erfindungsgemäß vermieden.
Bei der vorliegenden
Erfindung wird also eine schnell abbindende Zementaufschlämmung und
eine Tonaufschlämmung durch zwei gesonderte Rohrleitungen von einer
verhältnismäßig entfernten Pumpe oder Aufgabestation zu
einem Pfeilerhohlraum oder sonstigen Versatzort gepumpt,
welcher seitlich durch eine bewegliche Schalung begrenzt
ist, die sich vertikal von der Streckensohle bis zur
Streckenfirste erstreckt (beispielsweise tragbare Schalung).
Der Pfeilerhohlraum oder Versatzort liegt in einem Teil
des Hohlraumes hinter einer fortschreitenden Abbaufront
und neben einer Förderstrecke, welche den Abbaubetrieb mit
dem Schacht und damit mit dem Förderschacht oder der För
derstrecke verbindet.
Bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der
Pfeilerhohlraum oder Versatzraum längs dem Kohlestoß ange
ordnet werden, welcher von einer Förderstrecke abgewendet
ist.
Am Ort des Versatzes werden die beiden Aufschlämmungen in den För
derleitungen in eine gemeinsame Mischeinrichtung entleert,
welche eine Auslaßdüse für die Zufuhr der Mischung in den
Versatzhohlraum aufweist. Eine dritte Förderleitung kann
vorgesehen werden, um zu der Mischeinrichtung Wasser zu
zuführen.
Die Mischung wird in den Versatzhohlraum solange hineinge
pumpt, bis der gebildete Versatz sich bis zu der durch die
Schalung gebildeten Grenze und von der Streckensohle
bis zur Streckenfirste erstreckt. Sodann wird dem gebilde
ten Versatz (oder Pfeiler) Gelegenheit zur Abbindung
oder Härtung gegeben und darauf die tragbare Schalung ent
fernt und zu dem nächsten Versatzort gebracht. Die Abbinde
zeit hängt von den Bestandteilen der Zementaufschlämmung ab und
kann aufgrund von Versuchen eingestellt werden.
Die Zusammensetzung und die Zufuhrgeschwindigkeit der
gepumpten Zement- und Tonaufschlämmung ist derart, daß die
Masse, mit der der Hohlraum verfüllt wird, eine Zement
mischung, Ton und Wasser in folgenden Volumenanteilen
enthält: Zementmischung 1 bis 30%, Ton 0,001 bis 5%
und Wasser 65 bis 98,9%.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung besteht
die Zementaufschlämmung aus Wasser und Zement, die in einem Gewichts
verhältnis von 0,5 : 1 bis 2 : 1 miteinander vermischt
sind. Die Tonaufschlämmung besteht aus mit Wasser vermischtem
Bentonit, wobei der Bentonit 0,25 bis 10 Gew.-% der Aufschlämmung
ausmacht. In einem typischen Fall besteht die in dem
Pfeilerhohlraum zu füllende Masse aus einer Zementmischung,
Bentonit und Wasser, und zwar im wesentlichen in Volumen
anteilen von 14,1 bis 85%. Die Anteile werden erhalten,
indem eine schnell härtende Zementaufschlämmung mit einem Wasser-/
Zementgewichtsverhältnis von 0,8 bis 1 mit im wesentlichen
dem gleichenVolumen einer 3 gew.-%igen Bentonit-/Wasser-
Aufschlämmung vermischt wird. Bei dem erhaltenen Gemisch ist
es möglich, bei einer Temperatur von etwa 20°C die trag
bare Schalung 15 min, nachdem der Pfeiler gebildet worden
ist, zu entfernen.
Bei dieser Ausführungsform weist der schnell härtende
Zement folgende Zusammensetzung auf:
- 65,35% normaler Portland Zement
- 18% Tonerdezement
- 14% wasserfreies Calciumsulfat
- 2,4% Natriumcarbonat
- 0,25% Citronensäure.
Diese Zusammensetzung wird mit Wasser mit einem Wasser-/
Zementverhältnis von 0,8 bis 1 vermischt.
In die Mischeinrichtung wird der Zementaufschlämmung die Bentonit-/
Wasser-Aufschlämmung, die 1 bis 3 Gew.-% Bentonit enthält, mit
dem gleichen Volumen zugemischt.
In einem typischen Fall enthält die Zementaufschlämmung,
bezogen auf das Gewicht des Port
lang-Zements, 10 bis 75% eines Gemischs aus Calcium
aluminat und Calciumsulfat sowie 0,05 bis 3% wenigstens
einer der folgenden Verbindungen: Carbonsäure, Hydroxy
carbonsäure oder ein Salz entweder dieser Säuren oder
eines anorganischen Verzögerungsmittels.
Bei einer weiteren Ausführungsform besteht die Zementaufschlämmung
aus Wasser und Zement, die in einem Gewichtsverhältnis
von 0,5 : 1 bis 2 : 1 miteinander vermischt sind. Die Aufschlämmung
die Ton und anorganischen Zementabbindebeschleuniger
enthält, besteht aus mit Wasser vermischtem Bentonit und
Natriumcarbonat. Der Bentonit liegt in einer Menge von
0,25 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Wasser, vor, und die
Menge an Natriumcarbonat ist so berechnet, daß es in
der Zementaufschlämmung 1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf den Zement,
ausmacht. In einem typischen Fall besteht die Masse, mit
der der Pfeilerhohlraum verfüllt wird, aus einem Gemisch
aus einer Zementmischung, Bentonit und Wasser, und zwar
in Volumenanteilen von im wesentlichen 14,1 bzw. 85%.
Diese Anteile werden erhalten, indem in einer Mischeinrich
tung die Zementaufschlämmung mit einem Wasser/Zement-Gewichtsverhält
nis von 0,8 bis 1 gemischt wird, und dann mit im wesent
lichen dem gleichen Volumen einer Aufschlämmung vermischt wird,
die aus einer Mischung aus einer 3 gew.-%igen Bentonit/
Wasser-Aufschlämmung und 4 Gew.-%, bezogen auf den Zement in der
Zementaufschlämmung, Natriumcarbonat als anorganischem Zementab
bindebeschleuniger besteht. Mit dem erhaltenen Gemisch ist
es möglich, bei einer Temperatur von etwa 20°C die
tragbare Schalung nach 15 min von dem gebildeten Pfeiler
zu entfernen.
In der vorstehenden Ausführungsform weist der Zement folgende
Zusammensetzung auf:
- 66,65% normaler Portland-Zement
- 18,4% Tonerdezement
- 14,7% wasserfreies Calciumsulfat
- 0,25% Citronensäure.
Diese Zusammensetzung wird mit Wasser mit einem Wasser/
Zement-Verhältnis von 0,8 bis 1 vermischt.
Bei der Erfindung wird von einer fließfähigen, hohlraumver
füllenden Masse Gebrauch gemacht, die vor allem aufgrund
ihres hohen Wassergehaltes verhältnismäßig billig ist
gegenüber den bekannten fließfähigen Massen. Sie stellt
ein zuverlässiges Verfahren zur Verfügung, das nicht
mehr die vielen Materialhandhabungsprobleme aufweist, auf
die man bei den bekannten Verfahren trifft, wobei die
praktische Anwendung im Untertagebetrieb zu hervorragenden
Ergebnissen geführt hat.
Claims (7)
1. Verfahren zum Verfüllen von Hohlräumen,
insbesondere in Bergbaubetrieben, bei dem eine
Zementaufschlämmung dem betreffenden Hohlraum
zugeführt wird, um eine hohlraumverfüllende Masse
zu bilden, welche 1 bis 30% Zement und mehr als 65%
Wasser enthält, wobei der Zement aus
Portland-Zement und, bezogen auf das Gewicht des
Portland-Zements, aus 10 bis 75% eines Gemischs aus
Calciumaluminat und Calciumsulfat sowie 0,005 bis
3% wenigstens eines organischen
Abbindeverzögerungsmittels und 0,5 bis 15% eines
Abbindebeschleunigers in Form wenigstens eines
anorganischen Salzes besteht, dadurch
gekennzeichnet, daß der hohlraumverfüllenden Masse
0,001 bis 5% Ton zugegeben wird, das Gemisch aus
Calciumaluminat und Calciumsulfat der
Zementaufschlämmung zugesetzt wird, der Ton in Form
einer den Abbindebeschleuniger enthaltenden
Aufschlämmung getrennt von der Zementaufschlämmung
dem Hohlraum zugeführt wird, als Calciumaluminat
Tonerde-Zement zugesetzt wird und ein Verhältnis
des wasserfreien Calciumsulfats zu dem
Tonerde-Zement von 10 : 8 bis 10 : 12 eingestellt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Ton Hektorit, Bentonit, Smektit aus der
Montmorillonit-Gruppe und/oder Kaolinit eingesetzt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Bentonit bezogen auf das Wasser in der
Tonaufschlämmung in einem Anteil von 0,25 bis 10
Gew.-% eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß als organisches
Abbindeverzögerungsmittel eine Carbonsäure, eine
Hydroxycarbonsäure oder ein Salz davon verwendet
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß als anorganisches Salz ein
Halogenid, ein Sulfat, ein Nitrit, ein Nitrat, ein
Borat, ein Carbonat oder ein Hydroxid verwendet
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß als Salz Natrium- oder Kaliumcarbonat verwendet
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß normaler Portland-Zement
verwendet wird.
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