DE8112005U1 - Abbauvorrichtung zum auflockern und loesen von lockergestein im streckenvortrieb und tunnelbau - Google Patents

Description

LIEDL,

Patentanwälte
Steinsdorfstr. 21-22 · D-8000 München 22 · Tel. 089/229441 · Telex: 05/22208

GKN Keller GmbH
G 81 12 005.2
10 062 - Z/Le
13. September 1982

Abbauvorrichtung zum Auflockern und Lösen von Locker- . gestein im Streckenvortrieb und Tunnelbau

Die Erfindung betrifft eine Abbauvorrichtung zum Auflockern und Lösen von Lockergestein im Streckenvortrieb und Tunnelbau gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Lösen von Lockergestein im Streckenvortrieb und im oberflächennahen Tunnelbau bereitet in festgelagerten Schichten ansonsten rolliger Böden, bei festem Ton und fest gelagerten Schiuffschichten sowie im Felsgestein geringer Härte besondere Schwierigkeiten. Der Grund dafür liegt darin, daß die Abbauwerkzeuge der bekannten Abbaugeräte, wie Grab-, Fräsoder Bohrwerkzeuge, nicht dafür geeignet sind, die unterschiedlichen, stetig wechselnden Bodenarten des Lockergesteins rasch aufzulockern und abzuscheren. Es ist vielmehr oft notwendig, das Abbauwerkzeug von Hand mittels einfacher Werkzeuge durch Aufreißen und Abstemmen des stehengebliebenen Lockergesteins zu unterstützen. Oft wird auch versucht, die behindernden festen Bodenschichten mit Hilfe eines an der Schneide des Abbauwerkzeuges bewirkten höheren hydraulischen Drucks auf die Ortsbrust abzubauen. Dies führt jedoch zu vorzeitigem Verschleiß des Abbau-

Werkzeuges und zu Störungen der Funktion des eingesetzten Abbaugerätes. Beim hydraulischen Schildvortrieb führt dies zur Deformation und Versteuerung am Schneidschuh sowie zum Verrollen des Schildes. Die genannten vielfältigen Abbauschwierigkeiten bewirken somit insgesamt nicht nur einen erhöhten Arbeits- und Reparaturaufwand, sondern auch eine erhebliche Minderung der Vortriebsleistung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Abbauvorrichtung der gattungsgemäßen Art zur Beseitigung der geschilderten Nachteile derart auszugestalten, daß der Abbau des Lockergesteins kontinuierlich durchgeführt werden kann und das Abbauwerkzeug in der Lage ist, den anstehenden Boden so vorzulockern, daß er mit geringem Kraftaufwand von der Ortsbrust abscherbar ist. Hierbei soll es möglich sein, allen übermäßigen Kraftaufwand beim Abbauwerkzeug und beim Abbaugerät auszuschalten, den Einsatz manuell betätigter, zusätzlicher Werkzeuge unnötig zu machen und durch störungsfreien, stetigen Abbau eine beträchtliche Steigerung der Vortriebsleistung zu erreichen sowie die Arbeits- und Reparaturkosten nachhaltig zu senken. Schließlich soll der Vorgang zum Abbau des Lockergesteins durch das Bedienungspersonal vom Steuerstand aus leicht auszuführen sein und weitgehend ohne Belästigung durch Gesteinsstaub ablaufen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Abbauvorrichtung sind die Grab-, Fräs- oder Bohrwerkzeuge der mechanischen Abbaugeräte zusätzlich mit einer aus einer Hochdruckflüssigkeitspumpe, einer oder mehreren Hochdruckdüsen und den sie verbindenden Hochdruckverbindungselementen bestehenden Düseneinrichtung für das Zusammenwirken der mechanischen Abbauwerkzeuge mit dem auf rd. 100 - 1. 000 bar hochgespannten Wasserdüsenstrahl ausgerüstet. Die Hochdruckdüsen sind in den Abbauwerkzeugen in

geschützter Position und im kürzesten Abstand zum Lockergestein angeordnet. Der Düsenstrahl tritt aus den Düsen mit hoher Geschwindigkeit aus und erzeugt im Lockergestein durch stetiges, den Abbauansatzpunkt ununterbrochen wechselndes Bestreichen der Ortsbrust eine Auflockerungsschicht, so daß diese anschließend mit geringem Kraftaufwand durch das mechanische Abbauwerkzeug von der Ortsbrust abgetrennt und durch den Förderer in die Strecke abgefördert werden kann. Bei diesem kombinierten hydraulisch-mechanisch ablaufenden Abbauvorgang wird durch die hohe Bestreichgeschwindigkeit des Düsenstrahles eine weitgehend gleichmäßige Eindringtiefe des hochgespannten Flüssigkeitsstrahles in das Lockergestein bewirkt und damit eine beträchtliche nachhaltige Steigerung der Abbauleistung des Abbaugerätes bei geringstmöglichem Energieaufwand erreicht. Bei der Erfindung sind demgemäß die üblichen Abbau- und Lösegeräte zusätzlich zu deren mechanischen Abbauwerkzeug um ein hydraulisches Werkzeug, den hochgespannten Düsenstrahl, ergänzt, wobei beide Werkzeuge beim Abbauvorgang ihrem Vermögen entsprechend am wirkungsvollsten eingesetzt werden.

Die Hauptarbeit beim Abbau des Lockergesteins besteht in der Auflockerung des Bodens an der Ortsbrust. Diese Arbeit ist dem hochgespannten Düsenstrahl zugeordnet, da er im Vergleich zum mechanischen Werkzeug ein Vielfaches an Energie gezielt zur Zerstörung des Gesteinsgefüges aufbringen kann. Im Anschluß an diesen Auflockerungsprozeß erfolgt dann der Einsatz des mechanischen Werkzeuges zum Abscheren des aufgelockerten Bodens. Durch dieses Zusammenwirken des hydraulischen mit dem mechanischen Werkzeug werden Zerstörungen des Werkzeugs und des Abbaugerätes vermieden, weil dem mechanischen Werkzeug keine übermäßig großen Kräfte zugemutet werden. Damit entfallen die zeitraubenden Betriebsstörungen, und es kann der Abbau kontinuierlich erfolgen. Dadurch ergibt sich auch eine beträchtliche Steigerung der Vortriebsleistung. Der hydromechanisch^ Abbau erfolgt mit geringstmöglichem Energieaufwand, da die erforderlichen Kräfte zweckentsprechend

aufgewendet werden.

Um die Auflockerung im Gestein mit dem hochgespannten Düsenstrahl wirkungsvoll zu gestalten, ist es notwendig, die Hochdruckdüsen im kürzesten Abstand von der Ortsbrust anzuordnen und gegen abplatzendes Gestein und Schlamm zu schützen. Diese Forderung ist bei der Erfindung dadurch erfüllt, daß die Hochdruckdüsen im mechanischen Werkzeug in geschützter Position und im kürzestmöglichen Abstand zum Lockergestein angeordnet sind.

Der Arbeitsteilvorgang der Gesteinsauflockerung erfolgt dann am schnellsten und wirksamsten, wenn der Düsenstrahl die Ortsbrust mit hoher Bestreichgeschwindigkeit bearbeitet. Dadurch wird die hohe kinetische Energie des Düsenstrahls voll zur Auflockerung des Bodens ausgenutzt. Ein längeres Verharren des Düsenstrahls an einem Ansatzpunkt führt zur Vergeudung der Energie im eigenen Wasser des Düsenstrahls. Hingegen wird mit einer hohen Bestreichgeschwindigkeit eine große Eindringtiefe des Düsenstrahls in die Ortsbrust, und damit ein großer Abbaufortschritt, erreicht.

Bei dem erfindungsgemäßen hydromechanischen Abbaugerät kann sich der Düsenstrahl den wechselnden Eigenschaften des Lockergesteins anpassen. Für den Abbau von schwer lösbaren Bodenarten oder leicht lösbarem Fels ist ein Düsenstrahl von relativ hohem Druck von rd. 700 1.000 bar und einer entsprechend geringen Wassermenge von 50 - 40 l/min erforderlich, während für den Abbau von fließender oder leicht lösbarer Bodenart schon ein Druck von rd. ¹I^-OO - 300 bar bei relativ hoher Wassermenge von 150 - 120 l/min für die aufzuwendende Lockerungsarbeit ausreicht. Zu diesem Zweck ist die Düseneinrichtung durch stufenlose Regelung der dazugehörigen Hochdruckpumpe in weiten Grenzen des Drucks von rd. 100 - 1. 000 bar und der entsprechenden Hochdruckwassermenge von rd. 150 - 40 l/min gezielt einstellbar und den wechseln-

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den Eigenschaften des abzubauenden Lockergesteins anpaßbar. Wesentlich bei dem Abtaugerät ist weiterhin, daß die Düseneinrichtung über die dazugehörigen Hochdruckverbindungselemente in das im Steuerstand untergebrachte zentrale !Regelsystem des Abbaugerätes einbezogen ist und daß der Teilvorgang der Bodenauflockerung mittels des Düsenstrahls dem Teilvorgang des Abscherens des aufgelockerten Bodens mittels des mechanischen Werkzeugs im angemessenen Zeitabstand voreilt. Dadurch erfolgt der Abbau des Lockergesteins in einem kontinuierlichen, auf die übrigen Arbeitsvorgänge des Abbaugerätes abgestimmten und auf die vorgefundenen Eigenschaften des Lockergesteins angepaßten Arbeitsvorgang.

Ein wesentlicher Anteil an dem wirksam ablaufenden Teilvorgang der Auflockerung hängt von der Formgebung und Anordnung der Hochdruckdüsen im mechanischen Werkzeug ab. Dabei sollen die Strahldüsen einen mögliehst weitflächigen Einwirkbereich an der Ortsbrust erfassen. Dies ist

dadurch erreicht, daß der Düsenstrahl durch die Formgebung und die Wahl f des Durchmessers der zur Düseneinrichtung gehörigen auswechselbaren Hochdruckdüsen hinsichtlich der Strahlrichtung, d.h. aufwärts, abwärts j

oder seitwärts, und der Strahlbreite den Eigenschaften des abzubauenden Lockergesteins anpaßbar ist.

Es ist zwar schon eine Vorrichtung zum Hereingewinnen von Kohle mit Hilfe eines Hobels bekannt (GB-PS 14 90 351), wobei die bekannte Vorrichtung genau wie die gefindungsgemäße Vorrichtung von der Hochdruckwas™ | sertechnik Gebrauch macht. Jedoch erfolgt dies auf einem völlig anderen |?

Gebiet der Technik. Während nämlich bei der bekannten Vorrichtung die Kohle mit Hilfe von intermittierenden Wasserstößen hereingewonnen wird, wird im Gegensatz hierzu bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die im Lockergestein zum Einsatz gelangt, die Ortsbrust mit Hilfe eines hochgespannten Wasserstrahls aufgelockert, und zwar infolge dessen hoher Bestreichgeschwindigkeit im Verbund mit dem mechanischen Brechwerkzeug der Vortriebsmaschine. Der wesentliche erfinderische Gedan-

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ke besteht hierbei darin, daß die Düsen der Düseneinrichtung sich im Brechwerkzeug selbst in geschützter Position und in kürzester Entfernung zur Ortsbrust befinden und daß sowohl das hydraulische als auch das mechanische Werkzeug so eingesetzt ist, daß es seine optimale Wirksamkeit entfalten kann, d.h. also, daß der Düsenstrahl zur Auflockerung des Lockergesteins eingesetzt, jedoch das Brechwerkzeug zum Abscheren des noch stehengebliebenen Lockergesteins eingesetzt wird. Der hierzu erforderliche Kraftaufwand ist aber wesentlich geringer als bei der bekannten Vorrichtung.

Es ist weiterhin eine Tunnelbaumaschine bekannt (AT-PS 326 171), die zum Ausbrechen eines Tunnelraumes unter Herstellung von Schlitzen an der Tunnelbrust dient. Hierbei wird die Schlitzung durch Erosion mit Hilfe von Flüssigkeitsstrahlen hoher Geschwindigkeit vorgenommen. Diese bekannte Tunnelbaumaschine ist jedoch für das Arbeiten im Hartgestein konzipiert, während im Unterschied hierzu die erfindungsgemaße Vorrichtung zum Abbau von Lockergestein zur Anwendung gelangt. Ein wesentlicher Unterschied besteht weiterhin im Zusammenwirken des hydraulischen Werkzeuges mit dem mechanischen Werkzeug. So arbeitet bei der bekannten Tunnelbaumaschine das hydraulische Werkzeug vollkommen getrennt vom mechanischen Brechwerkzeug, das durch Schlaghämmer gebildet wird. Die bekannte Tunnelbaumaschine arbeitet daher absatzweise, nach einer Methode also, bei der zuerst Schlitze in der Tunnelbrust hergestellt werden, die anschließend, also in einem zeitlich nachfolgenden Arbeitsgang, mit Hilfe von Schlaghämmern herausgebrochen werden. Im Unterschied hierzu arbeiten die beiden Werkzeuge der erfindungsgemäßen Abbauvorrichtung, d.h. die hydraulischen Hochdruckdüsen und das mechanische Brechwerkzeug, kontinuierlich zusammen. Beide We rkzeuge sind zu einer Einheit räumlich zusammengebaut, wobei das hydraulische Werkzeug in dem mechanischen Werkzeug gegenüber dem ausgebrochenen Lockergestein in sicherer Position geschützt und in nächster Distanz zum Lockergestein angeordnet ist. Es ist dem-

gemäß nicht erforderlich, mittels des hydraulischen Werkzeuges Schlitze in der Ortsbrust herzustellen. Eine derartige Wirkung ist auch gar nicht beabsichtigt und zudem unerwünscht, da bei der Erfindung das Lockergestein der Ortsbrust durch die Energie der Wasserstrahlen aufgelockert werden soll und dann das auf diese Weise hydraulisch aufgelockerte Lockergestein mechanisch hereingewonnen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch perspektivisch eine Gesamtübersicht der hy-

dromechanischen Abbau vorrichtung beim Abbau des Lockergesteins;

Fig. 2 · einen Längsschnitt durch die Abbau vor richtung in Verbindung mit einem Vortriebsschild in Abbaustellung an der Ortsbrust;

Fig. 3 vergrößert als Einzelheit aus Fig. 2 das hydromechanische Abbauwerkzeug.

Das aus Fig.l ersichtliche Abbaugerät 2, das im dargestellten Ausführungsbeispiel als Löffelbagger mit Baggerarm 2a, Baggeraufhängung 2b und Vortriebsschild 2c ausgestaltet ist, wird im Streckenvortrieb zum Lösen und Abbauen von Lockergestein 1 an der Ortsbrust Ib eingesetzt. Der Abbau erfolgt durch ein Abbauwerkzeug 3, das mit dem Baggerarm 2a gelenkig verbunden ist und das Lockergestein 1 von der Ortsbrust Ib löst sowie über ein Abfördergerät 2d in die Strecke wegtransportiert.

Zur Unterstützung des Lösungsvorganges im Lockergestein 1 ist das mechanische Abbauwerkzeug 3 mit einer Düsen einrichtung 4 ausgestattet, die aus einer im Abbaugerät 2 mitgeführten Hochdruckflüssigkeits-

pumpe 5, mehreren im Abbauwerkzeug 3 in geschützter Position angeordneten Hochdruckdüsen 7 sowie aus zwischen der Hochdruckflüssigkeitspumpe 5 und den Hochdruckdüsen 7 verlegten, über einen Steuerstand 9 geführten Hochdruckverbindungselementen 6bestehtJDabei handelt es sich um Hochdruckrohrleitungen und flexible Hochdruckschläuche zur Förderung der hochgespannten Flüssigkeit, vorzugsweise des auf etwa 100 1.000 bar verdichteten Wassers.

ι. Die Düseneinrichtung 4 unterstützt den LösungsVorgang des Abbauwerk-

ji zeugs 3 durch einen mit hoher Geschwindigkeit aus den Hochdruckdüsen

; austretenden Düsenstrahl 8 und erzeugt in dem an der Ortsbrust Ib anstehenden Lockergestein 1 eine Auflockerungsschicht la (Fig. 2), die anschließend vom Abbauwerkzeug 3 mit geringem Kraftaufwand abscherbar ist.

Im Steuerstand 9 wird der gesamte Arbeitsvorgang des Abbaugerätes so gesteuert, daß ein kontinuierlicher Abbaufortschritt erreicht wird. In das zentrale Steuersystem ist auch der Einsatz der Düseneinrichtung 4 einbezogen. Dadurch ist sichergestellt, daß Druck und Menge der Hochdruckflüssigkeit den wechselnden Eigenschaften des Lockergesteins angepaßt sind und der Düsenstrahl 8 eine wirksame Auflockerungsarbeit mit ausreichender Tiefenwirkung im Lockergestein 1 leistet.

Aus Fig. 2 ist im einzelnen die Arbeitsweise der im Abbauwerkzeug 3 untergebrachten Hochdruckdüsen 7 und des aus ihnen austretenden Düsenstrahls 8 ersichtlich. Die Düsen 7 erhalten ihr Arbeitsmedium, das hochgespannte Wasser, von den Hochdruckverbindungselementen 6, die im Baggerarm 2a und in dem damit gelenkig verbundenen Abbauwerkzeug 3 flexibel verlegt sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Lockergestein 1 an der Or+sbrust Ib aus einer harten Schicht Ic und einer gestauchten Zone Id aus weicherem Lockergestein.

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Der Teilvorgang der Auflockerung des anstehenden Bodens wird mit Hilfe der im Düsenstrahl 8 freigesetzten, hohen kinetischen Energie sowie durch Anpassung des Druckes und der Wassermenge an die unterschiedlichen Eigenschaften des Lockergesteins lc, Id ermöglicht. Im vorliegen- _;. den Fall gelangt zur Auflockerung der harten Schicht Ic ein Düsenstrahl 8 von rd. 700 - 1. 000 bar mit einer relativ geringen Wassermenge von 50 - 40 l/min zur Anwendung. Dagegen reicht für die Auflockerung der gestauchten Zone Id mit weicherem Boden ein Düsenstrahl 8 von nur rd. 100 - 500 bar bei einer relativ hohen Wassermenge von 150 - 110 l/min aus. Die vom Steuerstand 9 aus gesteuerte Hochdruckflüssigkeitspumpe (Fig.l) folgt diesen Anforderungen mit der notwendigen Schnelligkeit und Zuverlässigkeit.

Fig. 3 zeigt als Einzelheit die Schlauchführung als Beispiel für die Verlegung der Hochdruckverbindungselemente 6 zwischen dem Baggerarm 2a und dem Abbauwerkzeug 3. Damit ist sichergestellt, daß die Hochdruckdüsen 7 bei jeder Arbeitsstellung des Baggerarmes 2a und des Abbauwerkzeuges 3 mit dem hochgespannten Wasser versorgt werden und daß der Düsenstrahl 8 die ihm abverlangte Auflockerungsarbeit zum Abbau des Lockergesteins 1 aufbringt.

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Claims (3)

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1. Abbauvorrichtung zum Auflockern und Lösen von Lockergestein im Streckenvortrieb und Tunnelbau, mit einem Abbaugerät, das wenigstens ein mechanisches Abbauwerkzeug in Form eines Grab-, Fräs- oder Bohrwerkzeuges aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbaugerät (2) zusätzlich eine Düseneinrichtung (4) aufweist, die aus einer mit dem mechanischen Abbaugerät (2) mitgeführten Hochdruckpumpe (5), aus den über den Steuerstand (9) geführten Hochdruck-Verbindungselementen (6) und aus im Abbauwerkzeug (3) angeordneten Hochdruckdüsen (7) besteht, aus denen der Düsenstrahl (8) mit hoher Geschwindigkeit in Richtung auf die Ortsbrust (Ib) austritt, und daß die Düseneinrichtung (4) zur Anpassung an die wechselnden Eigenschaften des abzubauenden Lockergesteins (1) durch stufenlose Regelung der Hochdruckpumpe (5) im Druckbereich von etwa 100 - 1000 bar und im Bereich der entsprechenden Hochdruckwassermenge von etwa 150 - 40 l/min einstellbar ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Düseneinrichtung (4) und das mit den Hochdruckdüsen (7) ausgerüstete Abbauwerkzeug (3) zu einer geschlossenen Montageeinheit zusammengefaßt sind, die in das Abbaugerät (2) einbaubar sowie aus diesem ausbaubar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseneinrichtung (4) über die dazugehörigen Hochdruckverbindungselemente (6) in das im Steuerstand (9) untergebrachte zentrale Steuersystem des Abbaugerätes (2) einbezogen ist.

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