Verfahren zur elastischen und/oder plastischen Verfestigung, Abdichtung und Ausfüllung von aufgelockerten Kohle-, Mineral- oder Gesteinsformationen Im Bergbau, Tunnelbau und Stollenbau treten durch das Auffahren von Strecken und den Abbau der Kohle und Mineralien erhebliche Veränderungen der Druckverhältnisse im Grubengebäude auf, die zu entsprechenden Gebirgsbewegungen führen.
Bei wachsenden Gebirgsdrucken werden die ste hengebliebenen Gebirgs- und Flözteile allmählich in ihrem Gefüge aufgelockert, so dass sie die ihnen zu gedachte natürliche tragende Funktion nicht mehr ausüben können. Der eingebrachte Ausbau wird des halb immer stärker belastet, bis neben der Verfor mung des Ausbaues unter Umständen sogar ein Zu bruchgehen dieses Teils des Grubengebäudes eintritt.
Es wurde nunmehr erkannt, dass es bei Verfesti- gungsverfahren durch Injizieren von härtbaren Kunststoffen in besonders druckhaften Verhältnissen von Vorteil ist, wenn das einzupressende Kunstharz neben guten Haft- und Verfestigungseigenschaften eine hohe Elastizität und/oder Plastizität besitzt.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht es, die untertage eine tragende Funktion ausübenden Formationen in ihrem Gefüge unter gleichzeitiger Erzielung einer hohen Elastizität und/oder Plastizität soweit ausreichend zu verfestigen und ihr Riss- und Makroporenvolumen soweit auszufüllen, dass auch bei wachsendem Gebirgsdruck keine Zerstörung des Gefüges der tragenden Gebirgs- und Flözteile eintritt.
Erfindungsgemäss wird diese elastische und/oder plastische Verfestigung dadurch erreicht, dass man in die anstehenden Gesteins-, Mineral- oder Kohlefor- mationen ein Gemisch aus härtbaren Kunstharzen , einem Härter und plastifizierenden und/oder elastifi- zierenden Komponenten einpresst.
Es ist ein besonderer Vorteil des erfindungsge- mässen Verfahrens, dass durch den zugesetzten pla- stifizierenden und/oder elastifizierenden Stoff die Haftfähigkeit des Kunstharzes erhöht wird. Ausser- dem kann man je nach der Natur des beigemischten Stoffes, z. B. eines bituminösen Stoffes, eines Weich machers oder eines Öles einen mehr plastifizierenden oder mehr elastifizierenden Effekt .durch die Beimi schung erzielen. Dies rührt vom Grad der Reaktivität beispielsweise des bituminösen Stoffes her.
Bekannt lich enthalten bituminöse Stoffe Verbindungen mit mehr oder weniger reaktionsfähigen Gruppen, wie u. a. alkoholische und phenolische Hydroxyl-, Carbo- nyl- oder Carboxylgruppen. Je nach dem Masse, wie die bituminösen Stoffe als reiner Füllstoff in das Kunstharz eingebaut werden, kann ein mehr oder weniger grosser plastifizierender Effekt erzielt wer den.
Tritt aber aufgrund der reaktionsfähigen Gruppen eine gewisse Orientierung der bituminösen Stoffe im Molekülverband des Kunstharzes ein, so kann ein mehr oder weniger grosser elastifizierender Effekt in der eingepressten Harzmasse nach dem Aushärten erreicht werden. Beide Effekte können selbstver ständlich auch gleichzeitig auftreten, wobei der eine oder der andere überwiegen kann. Gleiches gilt auch für die verwendbaren Weichmacher und Öle.
Als plastifizierende und/oder elastifizierende Zu satzstoffe sind beispielsweise geeignet: Steinkohlen teer, Steinkohlenteerpech, Erdölbitumen, Schweröle, Stearinpech, Sulfatpech, Säureschlamm, Thallöl oder Weichmacher. Diese Aufzählung nennt nur eine Aus wahl brauchbarer Stoffe. Sie ist keineswegs vollstän dig.
Als Kunstharze können vorzugsweise bei Raum temperatur und tiefer härtende, niedrig viskose Harze mit hoher Klebkraft, wie z. B. Phenolharze, Amino- plaste, Polyurethane, Epoxy- oder Polyesterharze verwendet werden. Als Härter sind je nach Harz- komponente z. B. Säuren, Polyalkohole, Polyamide oder Radikalbildner geeignet.
Durch das Einpressen des mit plastifizierenden und/oder elastifizierenden Stoffen und einem Härter vermischten Kunstharzes kann mit einem geringen Aufwand an Kunstharz und Zusatzstoffen die Festig keit des anstehenden Gesteins und/oder der Kohle rasch auf ,die Festigkeit eines völlig intakten Gefüges erhöht werden,
Im allgemeinen genügt hierfür ein Aufwand an Harzgemisch von z. B. etwa 0,5-3 %, dem auf das Harz bezogen etwa 3-90 %,
vorzugs- weise etwa l0-75 % plastifizierende und/oder elasti- fizierende Stoffe zugesetzt werden können. Bei einem höheren Harzaufwand lässt sich die Festigkeit sogar noch über die Eigenfestigkeit des Gesteins oder der Kohle steigern. Im allgemeinen wird man sich jedoch mit dem Erreichen der Eigenfestigkeit des intakten Gefüges begnügen.
In manchen Fällen ist es empfeh lenswert, auch den Härter z. B. mit einem bituminö sen Stoff oder einem<B>Öl</B> zu vermischen, da er sich dann leichter mit der Harzkomponente mischt.
Neben der Verfestigung der Gesteinsformationen und der Kohle durch Einpressen des Harzes wird Hand in Hand ein Ausfüllen und damit ein Abdich tungseffekt hoher Wirksamkeit der Porenräume ein hergehen. Hierdurch werden z. B. schleichende Wet terströme unterbunden und die Gefahr der Selbstent zündung der Kohle herabgesetzt. Durch die sich bil dende elastische bzw. plastische Masse werden die Poren auch bei Gebirgsbewegungen immer vollstän dig gefüllt bleiben, während sich bei einem unelasti schen, spröden Harz bei Gebirgsbewegungen neue Hohlräume bilden können.
Diese Nebenwirkung des erfindungsgemässen Verfahrens kann durch Zusatz von feuerhemmenden Komponenten, wie z. B. Chlorparaffine und Phosphorsäureester, noch wesentlich gesteigert wer den. Durch einen solchen Zusatz wird nicht nur die Harzmischung schwer entflammbar gemacht, sondern auch das Kohlematerial selbst gegen Entzündung weitgehend inhibiert. Ein weiterer Vorteil ist die Ver minderung der Entzündungsgefahr,
die beim Ein pressen unverschnittener Harze in grössere Hohl räume als Folge der Wärmestauung durch die Här- tungsreaktionen besteht. Den gleichen Effekt kann man auch erreichen, indem man ein nicht- oder schwerentflammbares, härtbares Harz, z. B. vom Typ der Polyester, benutzt, bei dessen Aufbau hochchlo rierte Carbonsäuren, wie z. B. Tetrachlorphthalsäure, verwendet wurden.
Ist der zu verfestigende Teil des Gebirges oder Flözes stark aufgelockert, ist es weiterhin vorteilhaft, der Harzmischung zusätzlich anorganische Füllstoffe, wie z. B. Sand, Kies, Quarzmehl, Kaolin, beizumi schen, weil hierdurch die Standfestigkeit erhöht wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht es, tragenden Gebirgs- und/oder Mineralformationen, speziell Kohle, in Abbau- und Flözstrecken und streben eine hohe Festigkeit zu verleihen, die wegen der elastischen und/oder plastischen Eigenschaften des die Hohlräume ausfüllenden Materials auch bei steigenden Gebirgs- oder Abbaudrucken standhält. Damit ist das Grubengebäude in die Lage versetzt, mit hoher Sicherheit tragende Funktionen zu über nehmen und den Ausbau weitgehend zu entlasten. Gleichzeitig kann die Gefahr einer Selbstentzündung der anstehenden Kohle praktisch ausgeschaltet wer den.
<I>Beispiel 1</I> In das hangende Gestein einer Vortriebsstrecke im Tunnelbau werden 2,50 m lange Bohrlöcher ge bohrt. In die Bohrlöcher werden Stosstränkrohre ein gebracht und gegen den Bohrlochmund hin abgedich tet.
Aus zwei getrennten Behältern werden die Kom ponente A (30 Gewichtsteile Epoxyharz, 10 Gewichts- teile Anthracenöl und 20 Gewichtsteile Weichpech) und B (25 Gewichtsteile Polyamidhärter und 10 Ge- wichtsteile Teeröl)
über getrennte Zuleitungen von einem aus zwei Pumpen bestehenden pressluftbetrie- benen Pumpaggregat angesaugt und druckseitig über zwei getrennte Zuleitungen einer pressluftbetriebenen Mischkammer zugeführt, in der die beiden Kompo nenten vollständig vermischt werden. Durch einen Hochdruckschlauch und das Stosstränkrohr wird das nun katalysierte Gemisch, das auf eine Gelzeit von 4 Stunden bei 25 C eingestellt ist, unter Druck in das Gebirge injiziert.
Nach einem anfänglichen Druckan stieg beim Injizieren bis auf maximal 250 atü (der im wesentlichen von der Schichten- und Porenstruktur des Gebirges abhängig ist) wird bei einem konstanten Druck von etwa 15-50 atü solange weiter gepresst, bis durch erneuten Druckanstieg oder durch Austritt der Harzmischung aus benachbarten Bohrlöchern die vollständige Ausfüllung des Poren- und Schlechten volumens durch die injizierte Kunstharzmischung angezeigt wird.
Nach 36 Stunden Wartezeit werden aus dem ver festigten Gestein stückige Proben entnommen und ihre Druckfestigkeit bestimmt. Ein würfelförmiges Stück nahm dann ohne zu brechen bei einer elasti- schen Verformung von 1,3 % einen Druck von 245 kg/cm2 auf. Die vorher bestimmte Druckfestig keit des unverfestigten Gesteins betrug 65 kg/em2.
<I>Beispiel 2</I> Ein 1,60 m mächtiges Kohlenflöz wurde im Be reich des Schachtpfeilers mit der in Beispiel 1 aus führlich beschriebenen Injiziermethode erschöpfend mit einem Phenolharzgemisch verpresst. Hierbei wurde aus dem Behälter A ein Gemisch aus 35 Ge wichtsteilen flüssiges Phenol-Resolharz, 15 Gewichts teilen Stearinpech und aus dem Behälter B ein Ge misch von 3 Gewichtsteilen Säureharz und 10 Ge wichtsteilen Anthracenöl über Mischkammer und Tränkrohr in das Flöz eingepresst.
Nach einer Härtungszeit von 24 Stunden wurden aus dem Flöz Proben entnommen, an denen die Druckaufnahme bestimmt wurde. Diese betrug beim Bruch 62 kg/cm' bei einer Stauchung von 3 0/0. Bei der unverfestigten Kohle lag die Druckfestigkeit bei 17,3 kg/cm2. Eine Stauchung konnte nicht festgestellt werden.
<I>Beispiel 3</I> In einer Förderstrecke betrug der Wasserzulauf auf einer Streckenlänge von 6 m auf dem gesamten Umfang der Strecke 2501/min.
Aus einer Doppelförderpumpe wurde eine spe zielle, schnell härtende Epoxyharzkombination wie in Beispiel 1 beschrieben über insgesamt 23 Bohrlöcher in rund 2,80 m Länge 496 kg Harzgemisch verpresst.
Die mittlere Verpressmenge an Harz betrug 21,6 kg/Bohrloch oder rund 11,8 kg/m3 verpresstes Gestein.
Die Messung der zulaufenden Wassermenge in diesem Abschnitt betrug 24 Tage nach Abschluss der Verpressarbeiten etwa 4,21/min.