DE19710372C2 - Wasser-Hebevorrichtung für den untertägigen Bergbau - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasser-Hebevorrichtung für den untertägigen Bergbau zur Förderung untertägig anfallenden Grubenwassers nach über Tage, die durch übertägig eingespeistes Frischwasser angetrieben wird, welches unter einem der Förderhöhe entsprechenden hydrostatischen Druck steht, mit wenigstens zwei zugleich als Antriebszylindern dienenden Förder­ zylindern, in denen jeweils ein Kolben verschiebbar ist, der jeweils von der einen Seite her mit Frischwasser und von der anderen Seite her mit Grubenwasser beaufschlagbar ist, wobei den Förderräumen und den Antriebsräumen der Antriebs- und Förderzylinder jeweils Steuerventile zur Steuerung des Frischwassers und des Grubenwassers zugeordnet sind.

Derartige Wasser-Hebevorrichtungen, die beispielsweise aus der DE 31 08 936 A1 bekannt sind, werden in der Regel untertägig in Berg­ werksanlagen installiert und dazu eingesetzt, anfallendes Grubenwasser, d. h. Grundwasser und sonstige Abwässer, aus dem Entwässerungssumpf der Schachtanlage nach über Tage zu fördern. Dabei nutzt man den Um­ stand, daß gleichzeitig große Mengen Frischwasser benötigt werden, die von über Tage über entsprechende Fallrohre im Schacht druckvariabel mit­ tels Druckerhöhungspumpen eingespeist werden. Es ist nämlich bereits bekannt, mittels derartiger Pumpanlagen die erhebliche potentielle Energie der anstehenden Frischwassersäule für die zur Förderung des Gruben­ wassers benötigte Pumparbeit zu nutzen und auf diese Weise Energie zu sparen. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß das unter hohem hydrosta­ tischem Druck anstehende Frischwasser direkt zum Antrieb von Pumpen­ kolben genutzt wird.

Diese nach dem Stand der Technik bekannten Kolbenpumpen sind im wesentlichen Weiterbildungen von sogenannten Dreikammer-Rohraufgebern, die unter Tage seit langem eingesetzt werden und beispielsweise in der DE 39 26 464 C2 beschrieben sind. Wie bei diesen sind bei den eingangs genannten Kolbenpumpen zwei oder drei Antriebs- und Förderzylinder parallel nebeneinander angeordnet, wobei ein fliegend gelagerter, das heißt frei hin- und herverschiebbarer, kolbenartig ausgebildeter Schwimmer die Frischwassersäule von der Grubenwassersäule in den Zylindern trennt. Daraus ergibt sich zwar der Vorteil, daß die Vermischung bis auf Spaltver­ luste reduziert wird; wie die bekannten Dreikammer-Rohraufgeber haben diese Anlagen jedoch ein verhältnismäßig großes Bauvolumen. Angesichts des Umstandes, daß naturgemäß Installationsräume unter Tage nur mit großen Aufwand geschaffen werden können, ist die bei diesen Anlagen technisch zwingend vorgegebene Baugröße ein erheblicher Nachteil.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß die Antriebs- und Förderzylinder lediglich hydraulisch, nicht aber mechanisch gekoppelt sind, so daß eine Synchronisierung der Kolben nur indirekt über die Ventilsteuerung vorge­ nommen werden kann. Infolgedessen lassen sich die Mengenströme des Frischwassers einerseits und des Grubenwassers andererseits häufig nicht mit für die kontinuierliche Förderung ausreichender Genauigkeit steuern.

Eine Maschine mit sämtlichen Merkmalen des eingangs erwähnten Ober­ begriffs ist in der bereits erwähnten DE 31 08 936 A1 beschrieben, und zwar darin in der Abbildung in Fig. 5. Diese hat insgesamt drei Förderzylin­ der, die jeweils zugleich als Förder- und Antriebszylinder dienen. Diese Maschine würde ihre Funktion auch mit zwei oder mehr Antriebs-Förder­ zylindern erfüllen.

Ein Problem bei der letztgenannten Wasser-Hebevorrichtung liegt in ihrem relativ komplizierten Aufbau. Die mindestens zwei Förder-Antriebszylinder sind nämlich über einen externen Kurbeltrieb mechanisch miteinander gekoppelt. Die Kolbenstangen müssen also gegen den - erheblichen - anste­ henden Wasserdruck gedichtet aus dem Zylinder herausgeführt werden und über Kreuzkopf und Pleuelstange mit einer außenliegenden Kurbelwelle ver­ bunden werden. Aufgrund ihrer aufwendigen Mechanik erfordert diese Hebevorrichtung einen erheblichen Herstellungs- und Wartungsaufwand. Darüber hinaus beansprucht sie relativ viel Aufstellraum. Bei den beengten Platzverhältnissen unter Tage und den rauhen Einsatzbedingungen hat diese Vorrichtung folglich ihre Schwächen.

Angesichts dessen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wasser-Hebevorrichtung für den untertägigen Bergbau zur Verfügung zu stellen, die einen robusten und kompakten Aufbau hat und dabei einfach in der Herstellung und sicher im Betrieb ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß jeweils zwei, jeweils einen Kolben einschließende Antriebs- und Förderzylinder hinter­ einanderliegend in einem gemeinsamen, durch eine Zwischenwand unter­ teilten Zylindergehäuse angeordnet sind, und daß die beiden Kolben starr durch eine Kolbenstange verbunden sind, die abgedichtet durch die Zwischenwand hindurchgeführt ist, wobei die Anschlüsse für den Zu- und Ablauf des Frischwassers in der Mitte des Zylindergehäuses beiderseits der Zwischenwand und die Anschlüsse für das Grubenwasser an den äußeren Enden des Zylindergehäuses angeordnet sind.

Bei der Erfindung sind erstmals zwei gleichzeitig als Antriebszylinder dienende Förderzylinder in einer besonders kompakten Baugruppe zusam­ mengefaßt. Dadurch, daß die beiden Kolben über eine starre Kolbenstange miteinander verbunden sind, arbeiten die beiden Antriebs- und Förderzylinder gegenläufig, das heißt sie sind um 180° phasenverschoben.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in ihrem einfachen Aufbau. Es sind nämlich weder Gelenke, Kurbelwellen oder sonstige mechanische Elemente erforderlich. Darüber hinaus haben die beweglichen Elemente, also die Kolben, keine mechanische Verbindung nach außen. Damit ist auch keine verschleißanfällige Gehäusedichtung für eine Kolbenstange oder dergleichen vorhanden, wie sie beispielsweise in der vorgenannten Hebevorrichtung im Stand der Technik für jede einzelne Antriebs-Förderzylinder-Einheit benötigt wird.

Nach außen hin hat die erfindungsgemäße, aus zwei Antriebs-Förder­ zylindern gebildete Hebevorrichtung ausschließlich hydraulische Anschlüsse. Die Handhabung und der Betrieb wird somit erheblich erleichtert. Unter den naturgemäß rauhen Betriebsbedingungen unter Tage kommt der erfindungs­ gemäßen Hebevorrichtung zugute, daß keine komplizierte Mechanik vorhan­ den ist. Dies führt natürlich auch zu einem günstigeren Herstellungs- und Wartungsaufwand.

Gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen hat die erfindungsgemäße Wasser-Hebevorrichtung einen erheblich kompakteren Aufbau und erfordert dementsprechend einen wesentlich kleineren Einbauraum. Wie bereits erläutert, ist der geringere Raumbedarf insbeson­ dere angesichts der beengten Platzverhältnisse in untertägigen Gruben­ anlagen ein wichtiges Argument.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Wasser-Hebevorrichtung ist, daß aufgrund der starren Kopplung durch die Kolbenstange die Bewegungen der beiden Kolben absolut synchron verlaufen. Dadurch wird eine wesentlich genauere Steuerung und Vergleichmäßigung der Mengenströme beiderseits der Kolben, das heißt des Frischwasser- bzw. Grubenwasserstroms, in Abhängigkeit von den Kolbenbewegungen ermöglicht.

Durch die Vergleichmäßigung der Förderung treten auch praktisch keine Schläge mehr in der in dem Fallrohr anstehenden, in der Regel mehrere hundert Meter hohen Wassersäule auf, die bei diskontinuierlicher Förderung eine erhebliche Belastung der Anlagen darstellen.

Eine besonderer Vorteil der Erfindung ist, daß die Anschlüsse für den Zu- und Ablauf des Frischwassers in der Mitte des Zylindergehäuses beiderseits der Zwischenwand und die Anschlüsse für das Grubenwasser an den äußeren Enden des Zylindergehäuses angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, daß das mit Schmutz oder zum Teil abrasiven Feststoffpartikeln belastete Grubenwasser von der abgedichteten Durchführung der Kolben­ stange durch die Zwischenwand ferngehalten wird, so daß in diesem Bereich kein Verschleiß durch Feststoffpartikel oder dergleichen auftreten kann. Außerdem werden die Kolbendichtungen frischwasserseitig mit Über­ druck beaufschlagt, so daß sich keine Feststoffpartikel einlagern können.

Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, die Zylinderräume für das Frischwasser und das Grubenwasser zu vertauschen, um beispielsweise andere Mengen- und/oder Übersetzungsverhältnisse zu erreichen.

Vorzugsweise sind die Steuerventile als zwangsgeschaltete Ventile ausge­ bildet, die an eine Steuereinheit angeschlossen sind. Die Steuerventile sind beispielsweise als hydraulische Tellerventile ausgebildet, die an eine ent­ sprechende Steuereinrichtung angeschlossen sind und über diese betätigt bzw. synchronisiert werden. Die Synchronisierung erfolgt dabei vorzugs­ weise über die Kolben selbst, in dem diese in ihren Bewegungsendpunkten, das heißt Totpunkten, jeweils Schalter betätigen, die ebenfalls an die Steuer­ einheit angeschlossen sind und dabei die Ventilsteuerung auslösen. Zweck­ mäßigerweise sind die Totpunktschalter als berührungslose Sensoren aus­ gebildet, beispielsweise als induktive oder kapazitive Geber.

Es ist überaus zweckmäßig, daß die Steuerventile der Förderzylinder als Kugelventile ausgebildet sind. Bei diesen handelt es sich um robuste und besonders zuverlässig arbeitende Rückschlagventile, in denen eine Kugel bei Druckbeaufschlagung in Durchlaßrichtung gegen ihre Gewichtskraft ange­ hoben wird, während sie beim Nachlassen der Druckbeaufschlagung in ihren Ventilsitz zurückfällt und den Rückfluß versperrt. Infolge der strömungs­ technischen Besonderheiten bei dieser Ventilbauform sind derartige Kugel­ ventile besonders feststoffresistent und deswegen insbesondere als Ein- und Auslaßventile für das feststoffbeladene Grubenwasser geeignet.

Vorzugsweise sind die Kolbenführungen mit einem Labyrinth-Dichtungs­ system versehen. Diese sind so gestaltet, daß sie durch den frischwasser­ seitigen Überdruck in den Antriebsräumen gespült werden, so daß die über das Grubenwasser eingetragenen Feststoffpartikel vom Dichtungsbereich ferngehalten werden. Die dadurch erreichte Verringerung des Reibungsver­ schleisses durch abrasive Partikel führt zu einer erheblichen Verlängerung der Standzeit bzw. der Wartungsintervalle.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 ein schematischer Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Wasser-Hebevorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines unter­ tägigen Bergwerks mit einer erfindungsge­ mäßen Wasser-Hebevorrichtung.

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Wasser-Hebevorrichtung 1 schematisch im Schnitt dargestellt.

Diese weist ein gemeinsames Zylindergehäuse 2 auf, welches durch eine Zwischenwand 3 in zwei Gehäuseabschnitte 2a und 2b unterteilt ist. In diesen sind längsverschiebbar Kolben 4a und 4b angeordnet, die durch eine gemeinsame Kolbenstange 5 starr miteinander verbunden sind. Diese ver­ läuft abgedichtet durch eine Öffnung 6 in der Zwischenwand 3.

Zwischen den Kolben 4a bzw. 4b und der Zwischenwand 3 befinden sich die mit Frischwasser beaufschlagbaren Antriebsräume 7a und 7b der Wasser-Hebevorrichtung 1. Zwischen den Kolben 4a bzw. 4b und den Enden des Zylindergehäuses 2 befinden sich die vom Grubenwasser durch­ strömten Förderräume 8a und 8b.

Den Antriebsräumen 7a und 7b sind jeweils Anschlüsse 9a und 9b für den Zu- und Ablauf des Antriebsmediums zugeordnet, die sich im Bereich der Mitte des Zylindergehäuses 2 beiderseits der Zwischenwand 3 befinden und denen zwangsgeschaltete Steuerventile 10 vorgeschaltet sind. Die Förder­ räume 8a und 8b weisen demgegenüber Anschlüsse 11a und 11b auf, denen jeweils druckgesteuerte Ventile 12, vorzugsweise Kugelventile, zu­ geordnet sind.

Die Steuerventile 10 sind an eine Steuereinheit 13 angeschlossen, die jeweils durch im einzelnen nicht dargestellte berührungslose Schalter durch die Kolben 4a bzw. 4b beim Erreichen der Totpunkte angesteuert wird und auf diese Weise die Ventile 10 entsprechend umgeschaltet werden.

Das geförderte Grubenwasser wird durch die zugeordneten Ventile 12 nach dem Prinzip einer doppelt wirkenden Kolbenpumpe in die Förderräume 8a bzw. 8b angesaugt bzw. aus diesen wieder verdrängt.

Da das Grubenwasser gewöhnlich erheblich mit Feststoffpartikeln beladen ist, befinden sich die Antriebsräume 7a und 7b beiderseits der Zwischen­ wand 3. Damit bleibt die Dichtung in der Öffnung 6 im Bereich der Kolben­ stangendurchführung feststofffrei. Die im einzelnen nicht eingezeichneten Kolbendichtungen, die bevorzugt als Labyrinth-Dichtungen ausgeführt sind, stehen auf der feststofffreien Seite unter Überdruck, so daß durch die Spü­ lung mit Frischwasser die Einlagerung von Feststoffpartikeln in die Kolben­ dichtungen verhindert wird.

Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung einer erfindungsgemäßen Wasser-Hebevorrichtung 1 in einem untertägigen Bergwerk. Dabei wird das Frischwasser aus einem Vorlagebehälter mittels einer Druckerhöhungspumpe über im Schacht angeordnete Falleitungen 14 nach unter Tage gepumpt. Allein aufgrund der in den Falleitungen anstehenden, in der Regel mehrere hundert Meter hohen Wassersäule, wird ein erheblicher hydrostatischer Druck aufgebaut, dieser wird in der vorbeschriebenen Weise in der erfin­ dungsgemäßen Wasser-Hebevorrichtung 1 zum Antrieb der Kolben 4a und 4b genutzt. Durch die Kolbenbewegung wird gleichzeitig Grubenwasser aus einen untertägigen Vorlagebecken 15 durch Steigleitungen, die ebenfalls im Schacht angeordnet sind, nach über Tage abgepumpt.

Die gesamte Wasser-Hebevorrichtung 1 ist ausgesprochen kompakt gestal­ tet, so daß es transporttechnisch ohne weiteres möglich ist, sie fertig mon­ tiert an ihren untertägigen Einsatzort zu bringen. Dadurch und durch den geringen erforderlichen Einbauraum werden Aufwand und Kosten in erheb­ lichem Maß eingespart.

Claims (5)

1. Wasser-Hebevorrichtung für den untertägigen Bergbau zur För­ derung untertägig anfallenden Grubenwassers nach über Tage, die durch übertägig eingespeistes Frischwasser angetrieben wird, welches unter einem der Förderhöhe entsprechenden hydrostatischen Druck steht, mit wenig­ stens zwei zugleich als Antriebszylindern dienenden Förderzylindern, in denen jeweils ein Kolben verschiebbar ist, der jeweils von der einen Seite her mit Frischwasser und von der anderen Seite mit Grubenwasser beauf­ schlagbar ist, wobei den Förderräumen und den Antriebsräumen der Antriebs- und Förderzylinder jeweils Steuerventile zur Steuerung des Frisch­ wassers und des Grubenwassers zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei, jeweils einen Kolben (4a, 4b) einschließenden Antriebs- und Förderzylinder hintereinanderliegend in einem gemeinsamen, durch eine Zwischenwand (3) unterteilten Zylindergehäuse (2) angeordnet sind, und daß die beiden Kolben (4a, 4b) starr durch eine Kolbenstange (5) verbunden sind, die abgedichtet durch die Zwischenwand (3) hindurchgeführt ist, wobei die Anschlüsse für den Zu- und Ablauf des Frischwassers in der Mitte des Zylindergehäuses (2) beiderseits der Zwischenwand (3) und die Anschlüsse für das Grubenwasser an den äußeren Enden des Zylinderge­ häuses (2) angeordnet sind.

2. Wasser-Hebevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerventile (10) als zwangsgeschaltete Ventile ausge­ bildet sind, die an eine Steuereinheit (13) angeschlossen sind.

3. Wasser-Hebevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinheit (13) an Totpunktschalter angeschlossen ist, die durch die Kolben (4a, 4b) betätigt werden.

4. Wasser-Hebevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerventile (12) der Förderzylinder als Kugelven­ tile ausgebildet sind.

5. Wasser-Hebevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kolbenführungen mit einem Labyrinth-Dichtungssystem versehen sind.