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Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung und Förderung von Mineralien
Es gibt -.L%ineralvorkoinmen, die für eine wirtschaftliche Gewinnung im Tagebau
zu tief liegen und für die wegen der Deckgebirgs- und Grundwasserverhältnisse eine
Gewinnung im Tiefbau einen zu erheblichen Aufwand erfordern würde. Zu diesen Vorkommen
können z. B. auch tiefliegende Kohlen, und zwar insbesondere Braunkohlenvorkommen,
gehören. Es kommen aber auch Lagerstätten anderer Mineralien in Betracht, die vielleicht
bei großer Teufe nur geringe Mächtigkeit haben, wenn der Wert des Minerals entsprechend
hoch liegt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche Lagerstätten wirtschaftlich
zu gewinnen. Das gleiche Verfahren kann dann mit Vorteil auch in der Erdöltechnik
Anwendung finden. Dort gibt es Lagerstätten, in denen der CSlträger nicht sandig
ist, sondern hart und klüftig. In solchen Lagerstätten kann der Olzufluß bedeutend
erhöht werden, wenn die freie Fläche entsprechend vergrößert wird.
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I)aß es bekannt ist, zur Erforschung derartiger Lagerstätten Bohrlöcher
niederzubringen, bedarf keiner Erwähnung. Erfindungsgemäß soll die Gewinnung derart
gelagerter Mineralien in der Weise bewirkt werden, daß ein Bohrloch innerhalb der
Lagerstätte kammerartig erweitert und das dabei gelöste Haufwerk zutage gespült
wird. Zur Unterstützung der Förderung und auch zur alleinigen
@-Virkung
kann in besonderen Fällen eine künstliche Beschwerung der Spülung durch Ton; Salzlösung
usw. angewandt werden, so daß das gelöste Material in dieser schweren Flüssigkeit
von selbst hochtreibt oder die Arbeit der Pumpe wesentlich unterstützt wird, wie
dies beim Tiefbohren bekannt ist.
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Es ist zwar in der Bohrtechnik bekannt, durch Verwendung geeigneter
Nachschneider ein Bohrloch unterhalb des Rohrschuhs geringfügig zu erweitern, um
die Möglichkeit zu einem weiteren i'#bsenken der Verrohrung zu schaffen. Praktisch
findet dieses Verfahren nur bei sehr tiefen Bohrlöchern Anwendung, um die Kosten
einer zusätzlich einzutreibenden Verrohrung, die dazu noch einen geringeren Durchmesser
hat, zu vermeiden oder hinauszuschieben. Die bekannten Erweiterungsbohrer bewirken
ein Aufweiten des Bohrloches auf einen Betrag, der praktisch nur unwesentlich größer
ist als der Außendurchmesser des niederzubringenden Rohres. Von einer kammerartigen
Erweiterung des Bohrloches, wie sie gemäß der Erfindung vorgenommen werden soll,
kann bei dem bekannten Unterschneiden nicht die Rede sein. Es ist ferner schon vorgeschlagen
worden, beim Sprengen ein Bohrloch im Bohrlochtiefsten etwas zu erweitern, um an
dieser Stelle mehr Sprengstoff unterzubringen und dadurch die Sprengwirkung zu erhöhen.
Diese Erweiterung des Bohrloches sollte, wie die Herstellung des Bohrloches selbst,
unter Anwendung eines Bohrhammers, jedoch unter Benutzung eines besonderen Bohrers
erfolgen.
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Erfindungsgemäß wird innerhalb der zu gewinnenden Lagerstätte eine
Kammer vorteilhaft in der Meise ausgeräumt, daß sie an ihrem unteren-Ende kegelförmig
mit nach unten gekehrter Spitze oder kalbkugelig ausgebildet ist. Alsdann sammelt
sich das bei der Erweiterung der Kammer gelöste .Haufwerk vorwiegend in der Kammermitte,
also zentrisch unter dem Bohrloch. Das hat zur Folge, daß das Haufwerk von dem aufwärts
fließenden Spülstrom mit Sicherheit erfaßt und zutage gefördert wird. Durch die
Erzeugung einer Sekundärströmung der Spülflüssigkeit innerhalb der Kammer kann die
Anreicherung der mineralischen Bestandteile in der Bohrlochachse noch begünstigt
werden.
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Das Ausräumen des Haufwerks kann gleichzeitig mit dem Lösen desselben
aus den Kammerstößen erfolgen; es kann aber auch zunächst nur gelöst und dann das
Ausspülen bewirkt werden.
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Die Größe der auszuräumenden Kammer richtet sich nach der Festigkeit
des Gebirges. Zur Vermeidung von Bergschäden wird es sich vielfach empfehlen, die
mehr oder minder großen Auskesselungen innerhalb der Lagerstätte nachträglich mit
Sand oder sonstigem losem Material wieder zu versetzen. Das kann in zweckmäßiger
Weise durch Umkehrung des Spülstromes bewirkt werden. Wird das Versatzgut durch
die enge Rohrfahrt eingespült, so werden sich die festen Bestandteile wegen des
großen Querschnittes der Kammer am Boden derselben absetzen, und die Spülflüssigkeit
wird zwischen (lein Bohrlochstoß und der genannten Rohrfahrt wieder aufwärts steigen.
Wegen des höheren spezifischen Gewichts der in der Rohrfahrt abw iirt's führenden
und das Versatzgut mit sich führenden Spülflüssigkeit wird die letztere selbsttätig
mit einem immerhin recht beträchtlichen Druck in der genannten Strömungsrichtung
umgetrieben. Das Heben des gelösten Haufwerks durch den Spülstrom wird vorteilhaft
durch eine mit hochperlender Luft fördernde Pumpe bewirkt, wobei der aufwärts fließende'Strom
durch .die schon erwähnte enge Rohrfahrt bewirkt wird, die in das Bohrloch eingeführt
ist. Die Spülflüssigkeit kann dann, nachdem sie durch eine geeignete Sieb- oder
Absetzvorrichtung von dem Haufwerk befreit ist, zwischen der Rohrfahrt und der Bohrlochwandung
wieder abwärts strömen.
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Für die Erweiterung des Bohrloches innerhalb der Lagerstätte sind
Vorrichtungen der verschiedensten Art anwendbar. Nachfolgend soll an Hand von Zeichnungen
die Erfindung nochmals erläutert werden. Es zeigt Fig. i schematisch einen Vertikalschnitt
durch ein Bohrloch sowie den Abbau und die Gewinnung der Lagerstätte durch dieses
Bohrloch, Fig.2 die Verfüllung der ausgebauten Kammer durch das Bohrloch, Fig. 3
bis 15 verschiedene Ausführungsmöglichkeiten für die Ausräumeinrichtung.
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Gemäß Fig. i der Zeichnung ist vom Tage aus durch das Deckgebirge
20 ein Bohrloch 21 bis in die Lagerstätte 22 niedergebracht. Das Bohrloch ist durch
eine Verrohrung 23 geschützt, die gegebenenfalls im Hangenden der Lagerstätte 22
bis 24 mit Hilfe von Zement oder Ton abgedichtet ist. Das Bohrloch selbst ist sodann
noch bis zum Liegenden der Lagerstätte 22 weiter abgeteuft. Erfindungsgemäß wird
nunmehr innerhalb der Lagerstätte (las Bohrloch zu einer Kammer 25 aufgeweitet.
Der Boden der Kammer ist so ausgebildet, daß sein tiefster Punkt 26 zentral unter
dem Bohrloch 21 liegt. Das Ausräumen der Kammer 25 erfolgt unter Verwendung eines
Bohrgestänges 27, welches an einem Gestängehaken 28 drehbar aufgehängt ist und welches
an seinem unteren Ende die eigentlichen Ausräumwerkzeuge 29 trägt. Das Bohrgestänge
ist durch eine Rohrfahrt 3o hindurchgeführt, die zusätzlich vom Tage aus bis in
die Kammer 25 herabgeführt wurde. Wegen der geringen Querschnittsfläche ist die
Strömung innerhalb der Verrohrung 3o verhältnismäßig hoch, @so daß @sie die entsprechend
großen Mengen des Minerals, welches bei der Bildung der Kammer 25 durch die Werkzeuge
29 gelöst wurde, aufwärts tragen und zutage fördern kann. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel wird der Umtrieb der Spülflüssigkeit durch eine mit hochperlender
Luft fördernde Pumpe bewirkt. Die von dem Kompressor 32 verdichtete Luft wird bei
33 in das Innere des Rohres 3o eingeführt, so daß die Flüssigkeit in der erwähnten
Weise aufwärts getrieben wird. Die gehobene Spülflüssigkeit hießt auf eine Siebeinrichtung
3,4, auf welcher die mineralischen Bestandteile zurückbehalten werden, während die
Flüssigkeit in den Ringraum 31
zurückgeleitet wird. Das Spülwasser
wird somit umgetrieben, und der Wasserverbrauch ist entsprechend gering. Die Rohrfahrt
3o kann bis zu wechselnder Tiefe in der Kammer 25 herabgeführt werden. Es empfiehlt
sich, sie nahe an das Bohrlochtiefste 26 heranzubringen, damit sich an der
Eintrittsstelle in der Verrohrung 3o eine möglichst hohe Geschwindigkeit ergibt,
so daß auch größere und schwerere Mineralstücke von dem Strom erfaßt und aufw@"rts
gef<irdeit werden. Wie eingangs schon erwvähnt wurde, kann die Anreicherung der
Mineralien in der Bohrlochachse begünstigt werden durch Erzeugung einer Sekundärströmung
innerhalb der Kammer 25. Diese Sekundärströmung kann durch einen zweckentsprechenden
austretenden Wasserstrahl oder durch Rührwerkzeuge erreicht werden.
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Nachdem die Kammer 25 in der Lagerstätte ihre größtmögliche Ausdehnung
erreicht hat und das gelöste I-laufwerk zutage gespült ist, kann zur Verineidung
von Bergschäden Sand oder ein sonstiges geeignetes Versatzmaterial in die Kammer
eingeführt werden. Große Mengen Versatzgut lassen sich sehr schnell und dicht einspülen,
wenn die Einfüllung eiitsl>recliend Fig. 2 der Zeichnung durch die innere IN'olirfalirt
30 bewirkt wird. Es ergibt sich alsdann selbsttätig ein Umlauf der Spülflüssigkeit,
der dein Unitrieb beim Fördern entgegengesetzt ist. Das Spülwasser strömt also mit
dem Versatzgut in dem Rohr 2o abwärts. Wegen des großen Querschnittes der Kammer
25 scheiden sich innerhalb derselben die festen Bestandteile ab und sinken zu Boden.
Das von dem Versatz befreite Spülwasser strömt anschließend durch den Ringraum 31
wieder aufwärts. Dabei ergibt sich infolge des höheren spezifischen Gewichts des
Sand-Wasser-Gemisches im Innern des Rohres 30 ein recht erheblicher Druck,
der das Wasser in dem Ringraum 3i wieder hochtreibt. Das aufsteigende Wasser wird
dann durch (las Strahlrohr 35 wieder von oben in das Rohr 30 eingeführt. Mit dem
fortschreitenden Versatz wird das Rohr 30 und schließlich auch die Verrohrung
23 ausgezogen.
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Unter Belassung geeigneter Sicherheitspfeiler l:önneii nacheinander
durch verschiedene Bohrlöcher Kanunern 25 der genannten Art ausgeräumt werden. Die
moderne Bohrtechnik bietet allerdings auch die 'löglichlceit, ein und dasselbe Bohrloch
kurz oberhalb der Lagerstätte nacheinander nach verschiedenen Richtungen hin abzulenken.
Es können dann durch das gleiche Bohrloch mehrere Kaminern 25 hergestellt und ausgeräumt
werden.
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Zuni Ausräumen der Kammer 25 sind Sonderwerkzeuge erforderlich, wie
sie bisher in der Bohrtechnik nicht verwandt werden.
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So sind z. B. bei der Ausführung entsprechend Fig. i der Zeichnung
an dem unteren Ende des Bohrgestänges 27 ein Paar Räumarme 29 angelenkt, die an
ihrem freien Ende zu geeigneten Werkzeugen zugespitzt sind. Bei der Drehung des
Gestänges 27 werden die Arme 29 durch die Fliehkraft nach außen bewegt und lösen
Teile des Minerals aus (lein Stoß der Kammer 25 heraus. Durch gleichzeitiges Hochziehen
des Gestänges 27 wird dann die Kammer schichtweise in ihrem Durchmesser vergrößert.
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Bei der Ausbildung entsprechend Fig.3 der Zeichnung sind an dem Gestänge
27 ähnliche Räumarme 36 angebracht, die jedoch durch die Wirkung der Feder 37 gespreizt
werden. Die Feder 37 kann durch ein Seil 38 vom Tage aus gespannt werden. Dadurch
wird die Gleitmuffe 39 angehoben, die gegen Verdrehung gesichert in dem unteren
Teil des Rohres 27 geführt ist. Die Räumarme 36 sind dusch Streben 40 mit der Gleitmuffe
39 verbunden. Läßt die Spannung in dem Seil 38 nach, so nähern sich die Schwenkarme
36 wieder, so daß das Gewinnungsgerät durch das Bohrloch ausgezogen werden kann.
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Gemäß Fig.4 erfolgt die Spreizung der Räumarme 41 durch einen Druckkolben
42. An dem unteren Ende der Kolbenstange sind die Räumarme 41 angelenkt. Zwischen
den beiden Räumarmen befindet sich eine als Widerlager wirkende Druckrolle 43. Hört
der vom Tage aus durch das hohle Rohrgestänge auf den Kolben 42 ausgeübte pneumatische
oder hydraulische Druck auf, so tritt die Feder 4.4 in Tätigkeit, die den Kolben
42 zurückschiebt. Ein Konvergieren der Räumarme 41 ist die Folge.
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Die Einrichtung nach Fig. 5 der Zeichnung ähnelt der an Hand der Fig.
i beschriebenen Ausräumvorrichtung. Die Räumarme 45 werden bei der Drehung des Bohrgestänges
27 durch Zentrifugalkraft gespreizt. Zusätzlich tragen sie aber noch schaufelförmige
Prallflächen 46, die so angeordnet sind, daß sich eine radial nach außen gerichtete
Kraftkomponente ergibt. Die Prallflächen stützen sich dabei auf dem Wasser ab, welches
das Bohrloch ausfüllt.
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Gemäß F ig. 6 der Zeichnung ist an dem unteren Ende des Bohrgestängen
27, das z. B. einen quadratischen Querschnitt aufweist, eine Gleitmuffe 47 angeordnet.
An dieser Gleitmuffe ist ein lenkerartig wirkender Kratzarm 48 angelenkt, der bei
49 mit einem doppelarmigen Hebel 50 verbunden ist, der seinerseits bei 51
an dem Bohrgestänge 27 angelenkt ist. Dreht sich das Bohrgestänge 27, so wird einmal
der Lenker 48 mit seinen seitlich angebrachten Werkzeugen gegen den Stoß gedrückt.
Gleichzeitig wird aber auch das freie Ende des Räumbalkens 50 in Arbeitsstellung
geschwenkt. Mit der Beendigung des Drehvorganges streckt sich durch das Gewicht
des freien Endes des Räumbalkens 5o die Gewinnungseinrichtung wieder, so daß das
Ausziehen derselben keine Schwierigkeiten bereitet.
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In Fig. 7 sind zwei Ausräumarme 52 an dem Gestänge 27 angelenkt. Sie
werden beide durch je eine Feder 53 in Ruhestellung gezogen. Die Räumarme 52 schwingen
entgegen der Spannung der Federn 53 infolge Zentrifugalkraft aus. Hört die Zentrifugalkraft
auf, so bewirken die Federn 53, daß die Räumarme 52 nach oben einschwenk°n, so daß
sie heim Ausziehen ebenfalls nicht hinderlich sind.
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Gemäß Fig.8 dient ebenfalls die Fliehkraft zum Auslösen der Gewinnungsgeräte,
während die
Schwerstange 27 für eine weitere Spreizung durch Gewichtsbelastung
sorgt. Es sind Räumarme 54 und 55 parallelogrammförinig miteinander verbunden und
sämtlich an der Außenseite mit Gewinnungswerkzeugen versehen. Die Wirkung dieser
Einrichtung bedarf keiner weiteren Erläuterung.
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In Fig. 9- ist an dem unteren Ende des Gestänges 27 ein doppelarmiger
Räumbalken 56 angelenkt, der an seinem einen Ende ein Gewinnungswerkzeug trägt,
während das andere Ende schaufelartig,ausgebildet ist. Gegen dieses zweite Ende
stößt ein Druckwasserstrahl, welcher aus der Öffnung 57 am unteren Ende des Gestänges
27 austritt.
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Nach Fig. io der Zeichnung sind die .Gewinnungswerkzeuge wiederum
an zwei parallelogrammförmig miteinander verbundenen Räumarmen.58 und 59 angebracht.
Die beiden letzteren sind an einer Gleitmuffe 6o angelenkt, die durch die Wirkung
einer Feder 61 hochgedrückt wird. Durch das Bohrloch ist ein Sei1'62 abwärts geführt,
welches um eine feste Rolle 63 am freien unteren Ende des Gewinnungswerkzeuges herumgeführt
und an der Gleitmuffe 6o befestigt ist. Durch Hochziehen des Seiles und also des
Räumwerkzeuges schneiden die Spitzen der Arme 59 Mineral vom Stoß ab. Wird die Seilkraft
dabei zu groß, so wird die Muffe 6o entgegen der Kraft der Feder 61 abwärts bewegt,
und die Schneidspitzen werden aus dem Stoß herausgezogen. Die Feder 61 bewirkt,
daß die Seilkraft beim Schneiden und auch beim Hereinziehen des Gerätes in die enge
Rohrfahrt ein bestimmtes zulässiges Maß nicht überschreitet. Nocken 64 verhindern,
daß die Schneidspitzen beim Ausziehen des Gerätes unter den Rohrschuh haken.
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Eine besonders einfache aber außerordentlich wirksame Einrichtung
zum Erweitern des unteren Bohrlochendes ist in Fig. i i der Zeichnung dargestellt.
An dem unteren Ende des Bohrgestänges 27 ist über ein Kardangelenk 65 ein Räumbalken
66 angeschlossen, der feststehende Werkzeuge 67 trägt. Wie insbesondere der unterhalb
der Hauptfig. i i dargestellte Schnitt erkennen läßt, sind die Werkzeuge strahlenförmig
angeordnet. Wird dieses Gewinnungsgerät in mehr oder minder schnelle Umdrehungen
versetzt und stößt dabei eins der Werkzeuge aus der Bohrlochachse hinausschwingend
gegen die Wandung der Kammer, so wälzen sich die Werkzeuge nacheinander an der Kammerwandung
ab, und zwar gegenläufig zu der Drehrichtung des Gestänges 27. Praktische Versuche
haben ergeben, daß bei dieser Ausbildung ein ganz erheblicher Anpreßdruck der Werkzeuge
gegen die Kammerwandung erzielt wird und daß entsprechend groß auch die Menge des
gelösten Minerals ist.
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Fig. i2 zeigt ein ähnliches Gerät. Dabei sind an dem Räumbalken 66
jedoch Schlagwerkzeuge 68 mit einem Ende angelenkt. Bei der Drehung des Gestänges
27 spreizen sich infolge der Fliehkraft die Räumarme 68 wie das Gestell eines Regenschirms.
Die Wirkung ist die gleiche, die soeben an Hand der Fig. i i beschrieben wurde.
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Gemäß Fig. 13 erfolgt die Gewinnung des Minerals innerhalb der Lagerstätte
durch Explosivmittel. Am unteren Ende des Bohrgestänges befindet sich eine dünnwandige
Tauchglocke 69, die durch geeignete Mittel mit Wasser gefüllt wird, so daß sie ohne
weiteres in dem Spülwasser bis zu der Lagerstätte herabgeführt werden kann. Alsdann
wird durch eine Leitung 7o Strom an die beiden Elektroden 71 und 72 innerhalb der
Glocke 69 gelegt. Es bildet sich dann infolge Elektrolyse Knallgas, welches sich
unter der Glocke 69 sammelt. Da sich dieses Gas unter dem hydrostatischen Druck
der Flüssigkeitssäule in dem Bohrloch befindet, ist es sehr stark komprimiert. Entsprechend
stark ist auch die bei der Zündung des Gasgemisches sich ergebende Explosion, durch
welche mehr oder minder große Mengen des Minerals aus den Wandungen der Kammer herausgelöst
werden.
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Ebenfalls unter Anwendung explosiver Mittel arbeitet die in Fig. 14
dargestellte Gewinnungseinrichtung. In der Tauchglocke 73 befindet sich auf einer
Schale 74 eine abgemessene Menge Calciumkarbid. Die Glocke wird luftgefüllt eingelassen;
das Wasser steigt @in ihr mit zunehmender Teufe und strömt schließlich in die Schale
74 ein. Nachdem (las Azetylen gebildet ist, erfolgt die Zündung mit Hilfe der Zündeinrichtung
78. Die Explosion löst dann ihrerseits wieder Teile aus der Seitenwandung der Kammer.
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Eine sehr einfache Gewinnungseinrichtung ist in Fig. 15 dargestellt.
Dabei ist an dem unteren Ende des Bohrgestänges ein spornartiges Gewinnungsgerät
79 angebracht. Wird durch die Öffnung 8o ;ruf der Rückseite des Gestänges mit sehr
hohem Druck Flüssigkeit ausgestoßen, so wird der Sporn mit entsprechend großer Kraft
hüf edier gegenüberliegenden Seite in die Kaininerwandung hineingetrieben. Bei der
Drehung des Gestänges werden dann wiederum Teile der Kammerwandung herausgerissen.
Der gleiche Vorgang wiederholt sich durch stoßartiges Auspressen der Flüssigkeit
durch die Öffnung 8o.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten und beschriebenen
Gewinnungseinrichtungen. Diese sollen vielmehr lediglich als Beweis dafür dienen,
daß der Aufbau und das Arbeitsprinzip dieser Vorrichtungen in weiten Grenzen wechseln
kann ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.