DE3033376C2

DE3033376C2 -

Info

Publication number: DE3033376C2
Application number: DE3033376A
Authority: DE
Inventors: William Harold Coalville Leicestershire Gb Kellet; Peter Shelley Burton-On-Trent Staffordshire Gb Mills
Original assignee: Coal Industry Patents Ltd
Current assignee: Coal Industry Patents Ltd
Priority date: 1979-09-07
Filing date: 1980-09-04
Publication date: 1989-10-26
Also published as: AU527735B2; AU6206180A; US4357167A; DE3033376A1

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

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.