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Aus dem DE-GM 17 59 414 ist eine elastische Manschette für das Stoßtränkverfahren
mit einem federgelagerten Rückschlagventil bekannt. Im Bohrloch wird die Manschette
dadurch verspannt, daß das flüssige Medium zunächst über einen Nebenkanal und einen
umfangseitigen Druckraum ein auf dem Tränkrohr verschiebbares Kopfstück unter Aufweitung
des elasti schen Spannteiles antreibt Übersteigt der Druck des Mediums die Rückstellkraft
einer Ventilfeder eines Rückschlagventils, so kann das Druckmittel über einen Hauptkanal
in das Bohrloch eintreten. Ist dann das
Stoßtränkverfahren abgeschlossen
und damit der Mediumdruck abgebaut, wird das elastische Spannteil über eine in ihm
integrierte Rückstellfeder entspannt Ein bleibend fester Sitz der elastischen Manschette
im Bohrloch ist damit weder beabsichtigt noch möglich.
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Ein im Bohrloch verklebbares Halteelement zur Befestigung von Gegenständen
ist aus der DE-OS 31 38 610 bekannt. Auf einem bohrlochseitig geschlossenen Grundkörper
ist eine aufweitbare Ummantelung gelagert. Ein Klebstoff gelangt durch Öffnungen
des Grundkörpers zur Ummantelung, weitet diese bis zur Bohrlochwand auf und tritt
schließlich zur umfangsseitigen Verklebung des Halteelements in der Bohrung aus
Öffnungen der Ummantelung aus.
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Bohrlochverschlüsse mit elastisch aufweitbaren Dichtungselementen
sind aus der DE-OS 27 32 059 und DE-OS 30 14 834 bekannt. Der Druck des Injektions-Mediums
preßt die Dichtungselemente an die Bohrlochwand an. Zusätzlich ist aus der DE-OS
27 32 059 eine Rückhaltevorrichtung bestehend aus einem Federblech bekannt, das
den Bohrlochverschluß im Gebirge formschlüssig festlegt. Diese Bohrlochverschlüsse
haben das Prinzip der unmittelbar vom Druck des Mediums abhängigen Dichtwirkung.
Nachteilig dabei ist, daß bei hohen Drücken des Mediums die Verschlüsse mangels
einer Vorspannung der Dichtelemente der Bohrlochwand nicht von Anfang an dicht sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verlorenen Verschlußstopfen
vorzuschlagen, der in der Bohrung in Gestein oder in der Kohle den auftretenden
hohen Drücken des Mediums sicher Stand hält.
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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches
1 angegebenen Merkmale gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes
sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Durch die Kombination von hydraulisch antreibbaren Spreizelementen
und einem elastischen Schlauch, der durch die Spreizelemente gegen die Wand des
Bohrloches gedrückt wird, ist der ortsfeste und flüssigkeitsdichte Sitz des Verschlußstopfens
im Bohrloch gewährleistet. Das flüssige Medium, das - wie nach dem Stand der Technik
bekannt - zum Ausfüllen der Spalten und Hohlräume im Gestein bzw. in der Kohle dient,
drückt in einer ersten Arbeitsphase auf den ringförmigen Spreizkolben und schiebt
ihn axial vorwärts. An dem Spreizkolben angeordnete, aufweitbare Spannzangen gleiten
an einem Konus entlang und werden dadurch radial auseinandergespreizt. Der Hub des
Kolbens ist abhängig von dem Durchmesser des Bohrloches. Bei einem engen Bohrloch
reicht ein relativ geringer Hub aus, um einen festen Sitz zu erreichen. Bei einem
verhältnismäßig weiten Bohrloch ist der Hub des Kolbens größer. In jedem Fall ist
gewährleistet, daß die Spreizelemente in Verbindung mit dem elastischen Schlauch
durch entsprechendes Aufdornen einen festen und dichten Sitz des Stopfens in dem
Gestein bzw. der Kohle gewährleisten. Nach Beendigung des Hubes des Kolbens entsteht
durch den stillstehenden Kolben ein Staudruck vor dem Kolben, der den Schlauch vom
Kolben abhebt, so daß das Medium zwischen dem Kolben und dem Schlauch sowie durch
die Fließquerschnitte zwischen den Spannzangen in das Bohrloch fließt. Die Druckschwelle
für den Beginn des Fließens des Mediums ist u. a. von der Werkstoffdicke und der
Werkstoffart des Schlauches abhängig.
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Das Zurückfließen und Ausfließen des Mediums aus dem Stopfen tritt
bei dem Verschlußstopfen nicht auf.
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Der Fließquerschnitt zwischen dem Kolben und dem
Schlauch ist sehr
klein, so daß eine Druckminderung erreicht wird. Das mechanisch wirkende Rückschlagventil
gewährleistet in jedem Fall die Dichtigkeit der Einfüllbohrung. Die umfangsseitige
Dichtung erfolgt durch den aufgespreizten und radial komprimierten Schlauch.
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Nach dem Anspruch 2 ist vorteilhaft, daß im Falle eines Zweikomponenten-Mediums
die beiden Komponenten im Füllrohr unvermischt in den Verschlußstopfen eingeführt
werden, und die Vermischung der Komponenten im Bereich des Rückschlagventiles erfolgt,
wobei die rechtwinklige Umlenkung des Mediums, nämlich aus der axialen Richtung
in die radiale Richtung die Vermischung begünstigt. Dazu trägt noch bei, daß -entsprechend
der Anzahl der Spreizabschnitte und dadurch der damit bestimmten Anzahl von ausgangsseitigen
Fließquerschnitten - das Medium durch Aufteilung in mehrere, im Abstand zueinander
liegende Strahlen durch Sprühen im Bohrloch vermischt wird.
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Mit der Klemmvorrichtung für den elastischen Wulst wird in einfacher
Weise der Wulst auf dem Zentralrohr befestigt.
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Durch das Zentralrohr, an dem bzw. auf dem sämtliche Wirkungselemente
angeordnet sind, ist ein konstruktiv einfacher Aufbau des Verschlußstopfens möglich.
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Nach dem Anspruch 3 ist der Spreizkolben mit den Spannzangen einstückig
ausgebildet und daher einfach herstellbar. Der Konus an dem Zentralrohr und der
mit ihm zusammenwirkende Konus an den Spannzangen ist im Bereich der Selbsthemmung,
das bedeutet, daß der in vorderer Endstellung stehende Kolben mit Spannzange dort
verbleibt. Der Kolben ist also blockiert und daher durch den Druck des Mediums nicht
mehr rückversetzbar.
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Nach dem Anspruch 4 umhüllt der Schlauch nahezu den gesamten Verschlußstopfen.
Die wesentlichen Teile des Verschlußstopfens, nämlich die Bohrungen im Zentralrohr,
die Führungsabschnitte des Zentralrohres mit dem Kolben sind gegen Verschmutzung
oder mechanische Beschädigung geschützt. Die beiden unterschiedlich dicken Querschnitte
des Schlauches erfüllen folgende Funktionen. Durch den dicken Querschnitt im Bereich
des zylindrischen Abschnittes, also im Bereich des Führungsabschnittes des Spreizkolbens,
ist ein ausreichend großer Fließquerschnitt für das flüssige Medium durch Verdrängen
des elastischen Materials, das an dem Kolben anliegt, ohne weiteres möglich.
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Der dünne Querschnitt des Schlauches erhöht maßgebend die Haftwerte
bzw. Spannwirkung der Spannzangen an der Bohrlochwand. Daneben wird im gespannten
Zustand durch den elastischen Werkstoff eine gewisse Keilwirkung erreicht, da der
Werkstoff des Schlauches im Spalt zwischen den Spannzangen und der Bohrlochwand
einen Sicherungskeil gegen die Kräfte bildet, die entgegengesetzt der Fließrichtung
des Mediums wirken. Die Haltekraft und die umfangseitige Dichtwirkung des Verschlußstopfens
wird daher durch zwei zusammenwirkende jedoch unterschiedliche Elemente erreicht,
nämlich durch den selbsthemmenden Konus und durch die Keilwirkung des verdichteten
Schlauches.
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Nach dem Anspruch 5 ist die durch das Rückschlagventil und durch
die Scheibe gebildete Kammer relativ klein, so daß der Verlustanteil des Mediums,
der nach Abschluß des Injektionsvorganges in dieser Kammer bzw. Volumen bleibt,
gering. Außerdem wird bei einer Zweikomponenten-Injektion durch die intermittierende
Bewegung
des Rückschlagventils, den Aufprall des Mediums an der Innenwand des Zentralrohres
und an der Scheibe sowie durch die rechtwinklige Umlenkung des Mediums zu den Bohrungen
bereits ein guter Mischungswert erreicht.
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Nach dem Anspruch 6 unterliegt der Spreizkolben einer Folgesteuerung,
die mit einfächen Mitteln erreicht wird. Die druckseitige Stirnfläche des Kolbens
ist umfangseitig relativ scharfkantig, d. h., der Schlauch dichtet mit einer gewissen
Vorspannung bereits den umfangseitigen Rand an der Kolbenstirnfläche ab. Steigt
beim Beginn des Injektionsvorganges der Druck des Mediums vor der Stirnfläche des
Kolbens an, so bewirkt der Druck des Mediums die Axialverschiebung des Spreizkolbens
bis in die vordere Endstellung, ohne daß während dieses Axialhubes - das Medium
die stirnseitige Kante des Kolbens überfließt. Erst wenn die vordere Endstellung
erreicht ist, verdrängt das Medium den dicken Querschnitt des Schlauches im Bereich
der Stirnfläche des Kolbens und es bildet sich ein ringförmiger Fließquerschnitt.
Dieser ringförmige Fließquerschnitt teilt sich dann entsprechend der Anzahl der
Spannzangen in schmale, einzelne Fließkanäle.
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Die Selbsthaltung des Verschlußstopfens im Bohrloch wird nach dem
Anspruch 7 durch ein einfaches mechanisches Bauteil erreicht.
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Der über das Füllrohr in das -Bohrloch eingeführte Verschlußstopfen
wird entsprechend der Gesteins- bzw.
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Kohleart ausreichend tief genug eingeführt. Die Rückstoßkräfte bei
der Injektion werden durch die sich in das Gestein einspreizende Feder vollständig
aufgenommen.
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Nach dem Anspruch 8 ist durch das Federband die Funktionssicherheit
des druckabhängigen Ventils zwischen dem Kolben und dem Schlauch gewährleistet.
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Beim Einführen des Stopfens kann sich der Schlauch nicht umstülpen.
Auch können keine Fremdkörper in den Bereich des druckabhängigen Ventils gelangen.
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Weiterhin ist der Spreizkolben in bezug auf seine Ausgangsstellung
lagefixiert.
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Nach dem Anspruch 9 ist das Einführen des Verschlußstopfens in das
Bohrloch erleichtert. Die Gefahr des Umstülpens des Schlauches liegt nicht vor.
Das Eindringen von Fremdkörpern in den Bereich des Spreizkolbens ist durch den als
Schutzschild wirkenden, konisch verengten Abschnitt nicht möglich.
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Wesentlich ist für die Erfindung, daß ein druckabhängig wirkendes
Ventil mit zwei Funktionen vorliegt, nämlich der zwangsläufig erfolgenden axialen
Verschiebung des als Kolben ausgebildeten Ventilkörpers mit daran angeordneten Spreizelementen
und der darauf folgenden Öffnungsfunktion des Ventils in der Endstellung für das
Medium. Durch die ringförmige Ausbildung des Ventils liegen relativ große Druckflächen
am Kolben und für die Öffnungsfunktion des Ventils maßgebende, relativ große Flächen
am Schlauch vor. Die vom Medium auf den Kolben übertragbaren Kräfte sind daher sehr
groß, so daß im Zusammenhang mit dem selbsthemmenden Konus eine hervorragende mechanische
Verriegelung und Abdichtung im Gestein erreicht wird.
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Durch die ringförmige, druckabhängige Ventilausbildung genügen auch
relativ kurze Führungsflächen des Kolbens in bezug auf das Zentralrohr, ohne daß
die Gefahr des Verkantens besteht.
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Der erfindungsgemäße Verschlußstopfen hat sich in der Praxis bereits
bewährt.
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Der Verschlußstopfen eignet sich für alle flüssigen und aushärtbaren
Medien, wie Einkomponenten- oder Zweikomponenten-Schäume.
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Bei einem geeigneten Injektionsmittel kann das Rückschlagventil entfallen,
da dessen Funktion durch das Membranventil übernommen wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 einen Verschlußstopfen, Fig. la einen Schnitt 1-1 nach Fig. 1,
Fig.2 einen in das Bohrloch eines Gesteins eingesetzten Verschlußstopfen, F i g.
3 den Verschlußstopfen nach F i g. 2 nach Abschluß der mechanischen Verriegelung,
Fig.4 das Fließen des Mediums durch den Verschlußstopfen nach den F i g. 2 und 3.
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Nach F i g. 1 weist ein Verschlußstopfen 1 ein Zentralrohr 10 aus
Stahl auf. Im vorderen Drittel 2 der Länge des Zentralrohres 10 sind ein Gewinde
3 für ein Füllrohr 4, ein Rückschlagventil 5 - bestehend aus Gewindering 15, Scheibe
17, Feder 18 und Kugel 20-, zwei Bohrungen 6, auf einem profillierten Haltering
14 zwei Rückhaltefedern 19 und ein Schlauch 13 mit Quetschring 16 angeordnet. Der
Schlauch 13 weist einen dicken Querschnitt 25, einen dünnen Querschnitt 26 und einen
konischen Abschnitt 27 auf. Der dicke Querschnitt 25 liegt im mittleren Drittel
7 der Länge des Zentralrohres 10.
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Die Scheibe 17 des Rückschlagventiles 5 liegt an einem Absatz 28 des
Zentralrohres 10 an.
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Das Zentralrohr 10 ist über die Abschnitte 2 und 7 zylindrisch ausgebildet
und im Abschnitt 8 mit einem Konus 11 mit einem Winkel von etwa 5" versehen. Im
Abschnitt 7 ist auf dem Zentralrohr 10 ein Spreizkolben 12 verschiebbar gelagert.
Der Spreizkolben 12 besteht aus einer Hülse 30 mit Kolbenringfläche 31, rechtwinkliger
Kolbenkante und mit der Hülse 30 einstückig verbundenen Spannzangen 33 mit elastischen
Halsabschnitten 34 und ist aus einem geeigneten Werkstoff wie Metall od. Kunststoff
gefertigt. Zwischen den Spannzangen 33 ist jeweils ein Abstand 35 vorgesehen, der
den Fließquerschnitt 36 festlegt.
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Die Spannzangen 33 sind mit einem dem Konus 11 entsprechenden Konus
37 versehen. Der Schlauch 13 weist im Halsabschnitt 34 ein Federband 40 auf.
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Zwischen der Hülse 30 und dem Haltering 14 besteht ein ringförmiger
Druckraum 42.
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Der Spreizkolben 12 bildet im Bereich der Hülse 30 mit dem dicken
Querschnitt 25 des Schlauches 13 ein Membranventil 9 mit einem Fließquerschnitt
48.
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Nach F i g. 2 ist der Verschlußstopfen 1 mit Hilfe eines eingeschraubten
Füllrohres in ein Bohrloch 44 eingeführt. Die Rückhaltefedern 19 drücken gegen die
Bohrlochwand 45 und halten den Verschlußstopfen 1 in der gesetzten Lage.
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Nach F i g. 3 wird das Medium 46 durch das Füllrohr 4 in den Verschlußstopfen
1 gepumpt. Durch den Druck hebt die Kugel 20 vom Gewindering 15 ab. Das Medium 46
fließt - entsprechend den angegebenen Pfeilen in etwa an der Außenseite der Kugel
20 entlang, prallt an der Scheibe 17 ab, d. h., wird in seiner Richtung umgelenkt
und wird dadurch vermischt - und fließt durch die Bohrungen 6 gegen die Kolbenringfläche
31 des Spreizkolbens 12. Der Spreizkolben 12 wird dadurch in Pfeilrichtung 47 bewegt,
so daß die Spannzangen 33 den dünnen Querschnitt 26 des Schlauches 13 über den selbsthemmenden
Konus 11,37 an die Bohrlochwand 45 pressen und hierdurch eine Abdichtung des Bohrloches
44 erfolgt. Mit der Abdichtung wird gleichzeitig auch die Haltefunktion des Verschlußstopfens
1 in der Bohrung 44 verstärkt bzw. maßgebend bewirkt.
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Nach F i g. 4 überströmt das Medium 46 mit einem
Fließquerschnitt
48 die Hülse 30 und gelangt durch die Fließquerschnitte 36 in die auszufüllende
Bohrung 45.
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Durch die Rückhaltefeder 19 wird bereits zu Beginn der Injektion ein
Herausrutschen des Verschlußstopfens 1 aus dem Bohrloch 44 verhindert.
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Versuche haben gezeigt, daß das üblicherweise mit einem Druck von
200 kg/cm2 in den Verschlußstopfen 1 eingepreßte Medium 46 durch den Verschlußstopfen
1 sicher abgedichtet wird. Das bedeutet auch, daß die Position des Verschlußstopfens
1 im Bohrloch 44 unverrutschbar fixiert bleibt, auch bei dem im Bohrloch 44 entstehenden
höheren Druck, der beim Aushärtevorgang des Mediums entsteht.
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Zur Lagefixierung des Verschlußstopfens 1 in dem Bohrloch 44 dient
die Rückhaltefeder 19, die sich nach F i g. 4 in die Wand 45 des Bohrloches 44 etwas
eindrückt und damit den Verschlußstopfen 1 über den Haltering 14, der fest mit dem
Zentralrohr 10 verbunden ist.
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festkeilt.
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Bei entsprechender Ausgestaltung eines Füllrohres, das hier nicht
gezeigt ist, kann der Verschlußstopfen 1 auch ohne das Rückschlagventil 18 bis 20
ausgebildet sein. Diesbezüglich ist dann eine geringe konstruktive Änderung vorzunehmen,
die darin besteht, daß die Scheibe 17 nicht nur in Fließrichtung des Mediums 47
sondern auch entgegengesetzt dazu fest in dem Zentralrohr 10 angeordnet ist.
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Wesentlich ist für das Kegelgetriebe, bestehend aus dem Konus 11
des Zentralrohres 10 und dem Konus 37 an den Spannzangen 33, daß bei einer axialen
Verschiebung (Pfeil 47) des Spreizkolbens 12 die gesamte zylindrische Außenseite
38 der Spannzangen radial, also achsparallel (Parallelhub) nach außen bewegt wird.
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Dadurch liegen die Spannzangen 33 über den Schlauch 13 großflächig
an der Bohrlochwand 45 an, d. h., die spezifische Flächenlast ist relativ klein
bei großer Anpreßkraft.