DE60320577T2

DE60320577T2 - Grubenstempel

Info

Publication number: DE60320577T2
Application number: DE60320577T
Authority: DE
Inventors: Nico Erasmus; Joseph Cornelius Visagie
Original assignee: AVENG (AFRIKA) Ltd; AVENG AFRIKA Ltd
Current assignee: Aveng (afrika) Ltd Westonaria Za
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2023-11-07
Also published as: AU2003291212B2; EP1563166A1; US20070092344A1; DE60320577D1; US7909542B2; AU2003291212A1; ATE393299T1; EP1563166B1; WO2004044382A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Grubenstempel, der zur Verwendung in einem unterirdischen Grubenbau geeignet ist, um eine Abstützung zwischen einer Sohle und einer gegenüberliegenden überhängenden Wand bereitzustellen.
Ausgedehnte Grubenbauten dieser Art werden zum Beispiel im Kohlebergbau angetroffen, in denen Kohleflöze unter Verwendung mechanischer Verfahren, wie kontinuierlicher Kohleabbaueinrichtungen entfernt werden, erfordern starke Abstützungen. Diese Abstützungen können zum Beispiel durch Aufeinanderstapeln einer großen Menge an Holz- oder Betonplatten zur Bildung eines Packs konstruiert werden. Obwohl dieser Ansatz funktionieren kann, ist er mühsam und teuer. Wenn zum Beispiel die Höhe des Grubenbaus etwa mehr als 3 m beträgt, muss eine große Anzahl an Platten übereinander gestapelt werden, um die erforderliche Höhe zu erreichen und darüber hinaus muss die Querschnittsfläche des Stapels ausreichend groß sein, um zu gewährleisten, dass das Verhältnis von Höhe zu Fläche im Stapel unter den Betriebsbedingungen akzeptabel und stabil ist.
In einem alternativen Ansatz für dieses Problem ist es bekannt, eine röhrenförmige Säule zu verwenden, die vollständig mit einem formveränderlichen Material gefüllt ist. Die Säule wird unter Verwendung einer geeigneten Maschine im Grubenbau positioniert. Dieser Ansatz vermindert die erforderliche Zeit zur Bereitstellung einer Abstützung wesentlich. Hingegen sind die Merkmale des formveränderlichen Materials derart, dass wiederum die Querschnittsfläche der Abstützung signifikant sein muss, um ein akzeptables Verhältnis von Höhe zu Fläche für die Säule zu erhalten. Zum Beispiel ist bei einer Säulenhöhe in der Größenord nung von 3,5 m ein Säulendurchmesser von ungefähr 900 mm erforderlich. Daher ist es notwendig, die Größe der Säule und ihre Kosten sorgfältig in Betracht zu ziehen, bevor die Entscheidung zur Verwendung einer Stütze dieses Typs gefällt wird.
Ähnliche Probleme und Überlegungen stellen sich, wenn eine Abstützung in Bereichen bereitgestellt wird, in denen langgestreckte Träger, wie Holzbalken oder Stahlstützen verwendet werden, damit der Schlankheitsgrad der Stütze (das Verhältnis seiner Länge oder Höhe zur Querschnittsfläche) nicht zu hoch wird, da die Stütze katastrophal versagen kann, z. B. beim Biegen oder Einschnappen unter Last, statt allmählich auf kontrollierte Weise nachzugeben.
Es ist ein Grubenstempel bekannt, der in einem äußeren Behälter eine Anordnung von Abteilen beherbergt, die durch Trennwände aus einem flexiblen Material unterteilt sind. Die Abteile können in Reihen und Säulen angeordnet sein. Die Abteile sind mit Last tragendem Material und mit einem Material, das keine oder eine geringere Lasttragfähigkeit aufweist, gefüllt ( WO 00/14384 ).
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt einen Grubenstempel zur Verfügung, der eine verformbare rohrförmige Hülse, ein erstes Material mit einer ersten Festigkeitscharakteristik darin, das einen ersten Innenteil der Hülse füllt, und ein zweites Material mit einer zweiten Festigkeitscharakteristik, die sich von der ersten Festigkeitscharakteristik unterscheidet, darin aufweist, das einen zweiten Innenteil der Hülse füllt.
Der erste Innenteil kann an den zweiten Innenteil angrenzen. Die Länge des ersten Innenteils kann in einer axialen Richtung der Hülse länger sein als die Länge des zweiten Innenteils in axialer Richtung der Hülse.
Die Länge des ersten Innenteils kann gemäß den Erfordernissen veränderlich sein und kann mehr als 60% der axialen Länge der Hülse betragen, bevorzugt von 70 bis 90% der axialen Länge der Hülse betragen. Gleichermaßen kann die Länge des zweiten Innenteils gemäß den Erfordernissen veränderlich sein und kann bis zu 40% der axialen Länge der Hülse betragen, bevorzugt im Bereich von 30 bis 10% der axialen Länge der Hülse betragen.
Das erste Material kann eine leichte zementartige Mischung umfassen, zum Beispiel verschäumten oder lufthaltigen Beton.
Das zweite Material kann eine leichte zementartige Mischung umfassen, zum Beispiel einen verschäumten oder lufthaltigen Beton.
Das erste Material kann stärker sein als das zweite Material, d. h. es kann eine größere Härte oder eine höhere Dichte aufweisen.
Die Dichte des ersten Materials kann über 900 kg/m³ betragen und liegt typischerweise im Bereich von 1000 bis 1100 kg/m³.
Die Dichte des zweiten Materials kann weniger als 1000 kg/m³ betragen und liegt typischerweise im Bereich von 800 bis 900 kg/m³.
Es versteht sich, dass die Dichtewerte nur als Beispiel angegeben sind und gemäß den Erfordernissen verändert werden können, um unterschiedliche Formänderungscharakteristiken zu erzeugen.
Die rohrförmige Hülse kann ein beliebiges geeignetes Material umfassen und ist bevorzugt aus einem duktilen Metall gebildet. Die Dicke des Metalls, z. B. Weichstahl, kann im Bereich von 1,6 mm bis 3,0 mm liegen.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Hülse aus einem zerbrechlichen Material gebildet, wie Kunststoff, Fasern, armierter Beton, mit Harz imprägniertes Papier oder dergleichen, die unter Last in relativ kleine Schritten brechen können, statt sich auf elastische Weise zu verformen wie ein duktiles Metall.
Die Hülse kann eine Länge von bis zu 4,5 m aufweisen und der Durchmesser der Hülse kann in der Größenordnung von 600 mm liegen.
Bei einer kürzeren Hülse von ungefähr 3,6 m kann der Durchmesser ungefähr 450 mm betragen. Wenn hingegen die Prinzipien der Erfindung angewendet werden, um langgestreckte Abstützungen als Alternative zu traditionellen Holzbalken oder Stahlstützen zur Verfügung zu stellen, kann die Hülsenlänge im Bereich von 1,5 m bis 2,1 m liegen und ihr Durchmesser von 150 bis 200 mm veränderlich sein.
Die zuvor genannten Werte dienen nur der Erläuterung und sind nicht bindend. Ein bedeutender Aspekt ist in dieser Hinsicht, dass der Grubenstempel unter Last eine kontrollierte Kennlinie von Lasttragfähigkeit zu Formänderung zeigt, und er sollte nicht zu fest sein, da er dann leicht ein Loch in eine Hangendschicht "stoßen" oder auch plötzlich versagen kann.
Die Erfindung stellt auch einen Grubenstempel zur Verfügung, der eine Hülse aus einem duktilen Metall aufweist, deren Inneres mit einem ersten lufthaltigen zementartigen Material mit einer ersten Dichte gefüllt ist, das sich über mindestens 60% der axialen Länge der Hülse erstreckt, und mit einem zweiten lufthaltigen zementartigen Material mit einer zweiten Dichte, die geringer ist als die erste Dichte, und die einen Restteil des Hülseninneren füllt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird ferner als Beispiel mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 in Seitenansicht und im Querschnitt einen Grubenstempel gemäß der Erfindung darstellt und
2 und 3 Kurven von Last gegen Verschiebung oder Formveränderung für verschiedene Arten von Grubenstempeln angeben.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 der begleitenden Zeichnungen stellt einen Grubenstempel 10 dar, der in einem unterirdischen Grubenbau 12 positioniert ist, der sich zwischen einer Sohle 14 und einem gegenüberstehenden Hangenden 16 des Grubenbaus erstreckt.
Die Höhe 18 des Grubenbaus kann erheblich sein und liegt normalerweise in der Größenordnung von 3 bis 5,5 m.
Der Grubenstempel 10 weist eine rohrförmige Hülse 22 auf, die aus einem duktilen Metall, wie Weichstahl, armiertem Beton, Kunststoff, mit Harz imprägniertem Papier usw. gebildet ist. Die rohrförmige Hülse ist rund und weist einen Durchmesser 24 auf, der gemäß den Erfordernissen veränderlich ist, der aber typischerweise in der Größenordnung von 450 mm liegt. Wenn die Hülse aus Weichstahl ausgebildet ist, liegt die Dicke des Stahls normalerweise im Bereich von 1,6 mm bis 2,5 mm.
In Abhängigkeit von den verfügbaren Einrichtungen wird das Innere der Hülse über Tage oder unter Tage mit einer ersten zementartigen Mischung 28 gefüllt, die sich von einem Ende der Hülse über einen ersten Abschnitt 30 der Länge der Hülse erstreckt. Die Mischung 28 ist eine leichte zementartige Mischung, die aus lufthaltigem Beton gebildet ist und eine Dichte im Bereich von 1000 bis 1100 kg/m³ aufweist.
Sobald die Mischung 28 sich abgesetzt hat, wird der Rest des Hülseninneren mit einem zweiten leichten verschäumten oder lufthaltigen zementartigen Gemisch 32 gefüllt, das eine Dichte im Bereich von 600 bis 900 kg/m³ aufweist. Die Mischung 32 kommt mit einer Innenfläche 34 der Mischung 28 in Kontakt und, wie angegeben, erstreckt sie sich über den Rest der Länge der Hülse, mit 36 bezeichnet, zum zugehörigen Ende der Hülse.
Der Grubenstempel wird unter kontrollierten Bedingungen hergestellt, um zu gewährleisten, dass der Grubenstempel die technischen Vorgaben einhält. Der Grubenstempel wird unter Verwendung mechanisierter Mittel zu einer Einbaustelle an einem Ort unter Tage transportiert. Wenn die Hülse für den speziellen Grubenbau, in dem sie eingesetzt werden soll, zu lang ist, dann wird sie durch Abschneiden eines Stücks der Hülse und ihres zementartigen Inneren verkürzt.
An der Einbaustelle wird der Grubenstempel unter Verwendung einer Vorrichtung, wie eines modifizierten Gabelstaplers, in eine vertikale Position aufgerichtet. 1 stellt ein oberes Ende 40 des Grubenstempels dar, der etwas von einer gegenüberliegenden Seite des Hangenden 16 beabstandet ist. Ein Spannbett oder eine Spannvorrichtung 42 von einer im Fachbereich bekannten Art, wird dann in den Spalt zwischen das Ende 40 und das Hangende 16 positioniert und so betätigt, dass der Grubenstempel unter axial gerichtete Belastung platziert wird. Dieser Aspekt ist im Fachbereich bekannt und wird daher hier nicht näher beschrieben.
Wenn ein Aufschließen des Hangenden zur Sohle stattfindet, beginnt das weniger dichte Material 32, das nicht so fest ist wie das dichtere Material 28, nachzugeben. Das Material 28 gibt nicht nach, zumindest zu Anfang. Wenn das Material 32 nachgibt, wird der zugehörige Teil der Hülse 22 axial und radial verformt. Wenn das Material 32 auf das maximale Maß nachgegeben hat, muss eine weitere Zunahme der Last erfolgen, die durch das Aufschließen ausgeübt wird, bevor das Material 28 nachgibt.
Der Grubenstempel der Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass das Material 28, das fester ist als das Material 32, sich über einen größeren Teil der Länge des Grubenstempels erstreckt und folglich dem Stempel eine signifikante Festigkeit und Starrheit verleiht. Dies ermöglicht, dass die Querschnittsfläche des Grubenstempels verringert werden kann. Um andererseits zu ermöglichen, dass der Grubenstempel unter Last kontrolliert nachgibt, ist das Material 32 schwächer ausgebildet als das Material 28. Die Länge 36 ist signifikant kürzer als die Länge 30 und das Vorsehen des schwächeren Materials 32 hat keinen substanziellen Einfluss auf die Steifigkeit des Grubenstempels. Da der Grubenstempel normalerweise nicht über seine gesamte Länge nachgeben muss, weil dies bedeuten würde, dass der Grubenbau, in dem er eingesetzt ist, vollständig geschlossen ist, wird eine Entscheidung zum Grad der erforderlichen Formveränderung gefällt und die Länge 36 des Materials 32 gemäß dieser Entscheidung festgelegt.
Es folgt, dass die gesamten Abmessungen des Grubenstempels der Erfindung im Vergleich zu dem Fall, in dem ein rohrförmiger Grubenstempel aus einer Hülse gebildet ist, die nur mit einer Art von Material gefüllt ist, signifikant verringert werden können.
Die 2 und 3 stellen Kurven von Last gegen Verschiebung für verschiedene Arten von Grubenstempeln dar.
2 beinhaltet zwei Kurven, die mit A bzw. B markiert sind. Kurve A stellt die Last/Formänderungs-Kennlinie einer duktilen Metallhülse mit einer Länge von 3,6 m und einem Durchmesser von 900 mm dar, die mit einem leichten zementartigen Material in einer Dichte gefüllt ist. Kurve B ist die Last/Formänderungs-Kennlinie einer Grubenstempelstütze, die aus einer duktilen Metallhülse mit einer Länge von 3,6 m und einem Durchmesser von 450 mm gebildet ist, die über 70% ihrer Länge mit einer ersten zementartigen Mischung mit einer höheren Dichte gefüllt ist als sie für die Stütze in Kurve A verwendet wurde, und über die restlichen 30% des Hülseninneren mit einer zweiten zementartigen Mischung gefüllt ist, die eine gleiche Dichte aufweist wie sie für die Stütze in Kurve A verwendet wurde, wie es in der vorhergehenden Beschreibung angegeben ist.
Der Grubenstempel mit zweierlei Dichte verwendet ungefähr 1/4 des Materials des Grubenstempels mit einer einzigen Dichte. Ungeachtet der signifikant geringeren Menge an eingesetztem Material beim Grubenstempel mit zweierlei Dichte ist der Unterschied in den Grenzfestigkeiten der beiden Grubenstempel, mit dem Bezugszeichen US bezeichnet, relativ gering. Der Grubenstempel mit einfacher Dichte wird über einen wesentlichen Bereich deformiert, während der Grubenstempel mit zweierlei Dichte eine beträchtliche Deformation aufweist, aber nicht so stark wie der Grubenstempel mit einfacher Dichte. Der Unterschied zwischen den beiden Deformationsbereichen ist durch das Bezugszeichen R dargestellt.
Es ist ersichtlich, dass die Anfangsfestigkeit des Grubenstempels mit zweierlei Dichte geringer ist als die des Grubenstempels mit einfacher Dichte, wobei der Unterschied durch das Bezugszeichen S angegeben ist. Eine Analyse der Kurve B zeigt, dass die Anfangsfestigkeitscharakteristik, mit kleiner Verschiebung, primär durch das Material mit geringerer Dichte bedingt ist und danach die Festigkeit auf einen Wert zunimmt, der primär durch das Material mit höherer Dichte bedingt ist, wobei der Unterschied durch das Bezugszeichen LH angegeben ist.
3 zeigt zwei Kurven, die mit C bzw. D markiert sind. Die erste Kurve betrifft einen langgestreckten Grubenstempel mit einer Länge von 1,5 m und einem Durchmesser von 150 mm gefüllt mit einem zementartigen Material in einer Dichte. Die mit D markierte Kurve betrifft einen langgestreckten Grubenstempel mit zweierlei Dichte, der die gleichen Abmessungen aufweist (Länge = 1,5 m und Durchmesser = 150 mm) und der über 70% seiner Länge mit einem zementartigen Material hoher Dichte und über die restlichen 30% seiner Länge mit einem zementartigen Material geringer Dichte gefüllt ist. In jedem Fall liegen die Dichten der zementartigen Materialien in den in der vorhergehenden Beschreibung angegebenen Bereichen.
Wie zu erwarten ist, weist der Grubenstempel mit Material in einfacher Dichte eine höhere Anfangsfestigkeit vor dem Nachgeben auf, weist aber vor dem Versagen einen signifikant relativ niedrigen Formänderungsbereich von ungefähr 125 mm auf. Der Grubenstempel mit zweierlei Dichte ist andererseits in der Lage, sich über einen signifikant größeren Bereich, in der Größenordnung von 220 mm, zu deformieren, bevor er versagt. Die erhöhte Formänderungsfähigkeit wird mit nur einer geringen Verminderung der Grenzfestigkeit der Stütze erreicht, die in 3 mit dem Bezugszeichen K bezeichnet ist.
Es ist möglich, die beschriebenen Prinzipien durch Einführen eines dritten Materials in die Hülse, das schwächer (weniger dicht) als die Materialien 28 und 32 ist, zu erweitern. Dies ergibt einen Grubenstempel, der drei Stufen mit unterschiedlichen Formänderungscharakteristiken aufweist. Es ist auch möglich, das Material 28 zwischen das Material 32, das an einem Ende der Hülse positioniert ist, und ähnlichem Material 32, das am gegenüberliegenden Ende der Hülse positioniert ist, einzusetzen. Mit anderen Worten, jedes Ende der Hülse erfährt daher eine Formänderung, wenn es einer axialen Last ausgesetzt ist, und danach fängt das Material 28 an sich zu verformen.
Das Material 32 ist bevorzugt lufthaltiger Beton. Es ist aber möglich, eine geeignete Betonmischung auf andere Weise zu schwächen, zum Beispiel durch Ausbilden von Hohlräumen oder Löchern im Beton, die bei axialer Belastung eine Formänderung in kontrollierter Weise begünstigen.
Ähnliche Prinzipien wie sie beschrieben wurden, können zur Herstellung kleinerer Grubenstempel in der Art von langgestreckten Stützen angewendet werden, die Längen im Bereich von etwa 1,5 bis 2,1 m und Durchmesser im Bereich von etwa 150 mm bis 200 mm aufweisen.
Die Hülse ist bevorzugt ein duktiles Metall, das sich unter Last elastisch deformiert, ohne zu brechen. Die Hülse kann jedoch aus Fiberglas, Beton, Kunststoff oder dergleichen Material gebildet sein, das unter Last bricht, anstatt sich elastisch zu deformieren. Allgemein führt dies dazu, dass der Grubenstempel eine Last/Formänderungs-Kennlinie in einer zufriedenstellenden Form aufweist, aber die Werte, bei denen eine Formänderung stattfindet, sind niedriger als im Falle einer Metallhülse.
Andere Materialien als zementartige Mischungen können im Inneren der Hülse verwendet werden. Es kann zum Beispiel Holz mit niedriger oder hoher Dichte, Schaumkunststoffmaterial oder dergleichen verwendet werden, aber in dieser Hinsicht sind Kosten und vorhersagbare und wiederholbare physikalische Eigenschaften bedeutende Faktoren, die ermöglichen, dass die Eigenschaften des Grubenstempels im Einsatz zuverlässig bestimmbar sind.

Claims

Grubenstempel, der eine verformbare rohrförmige Hülse (22) aus einem duktilen Metall aufweist, ein erstes lufthaltiges zementartiges Material (28) mit einer Dichte über 900 kg/m³ und mit einer ersten Festigkeitscharakteristik in einem ersten Innenteil (30) der Hülse (22), und das den ersten Innenteil (30) der Hülse (22) füllt, und ein zweites lufthaltiges zementartiges Material mit einer Dichte von weniger als 1000 kg/m³ und mit einer zweiten Festigkeitscharakteristik, die sich von der ersten Festigkeitscharakteristik unterscheidet, in einem Restteil (36) des Hülseninneren (22) und das den Restteil (36) des Hülseninneren (22) füllt, wobei der ersten Innenteil (30) in einer axialen Richtung der Hülse (22) eine Länge aufweist, die größer ist als die Länge des Restteils (36) des Hülseninneren in axialer Richtung der Hülse (22), und wobei, im Einsatz, ein lufthaltiges zementartiges Material über dem anderen lufthaltigen zementartigen Material liegt.
Grubenstempel nach Anspruch 1, wobei der erste Innenteil (30) unter dem Restteil (36) des Hülseninneren liegt.
Grubenstempel nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Innenteil (30) eine Länge in einer axialen Richtung der Hülse (22) von 70% bis 90% der axialen Länge der Hülse (22) aufweist.
Grubenstempel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Innenteil (30) eine Länge in einer axialen Richtung der Hülse (22) von 10% bis 30% der axialen Länge der Hülse (22) aufweist.
Grubenstempel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dichte des ersten lufthaltigen zementartigen Materials im Bereich von 1000 bis 1100 kg/m³ liegt.
Grubenstempel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dichte des zweiten lufthaltigen zementartigen Materials im Bereich von 800 bis 900 kg/m³ liegt.
Grubenstempel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Hülse (22) aus Weichstahl mit einer Dicke im Bereich von 1,6 mm bis 3,0 mm ausgebildet ist.
Grubenstempel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Hülse (22) eine axiale Länge im Bereich von 1,5 m bis 4,5 m und einen Durchmesser im Bereich von 150 mm bis 600 mm aufweist.