Die Erfindung betrifft eine Ausbaustütze für den untertägigen
Berg- und Tunnelbau gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Ausbaustütze ist durch den Prospekt "PINK-AS"
der Kolk Maschinenbau GmbH bekannt. Sie weist ein Außenrohr und ein darin mittels
eines hydraulisch beaufschlagbaren, im Außenrohr geführten Hubkolbens
teleskopierbares Innenrohr auf. Dem Innenrohr ist am unteren Ende ein vom Hubkolben
belastbarer Ringkolben zugeordnet. Dieser Ringkolben in Form eines umfangsseitig
geschlossenen Innenkeilrings wirkt mit mehreren auf dem Umfang verteilten Außenkeilringsegmenten
zusammen, die zwischen dem Innenkeilring, dem Hubkolben und dem Außenrohr angeordnet
sind.
In der Ausgangsposition (Anlieferzustand der Ausbaustütze) befindet
sich der Hubkolben im unteren Ende des Außenrohrs. Die Außenkeilringsegmente
liegen auf dem Hubkolben und erstrecken sich in das untere Ende eines ringförmigen
Keilspalts zwischen dem Innenkeilring und dem Außenrohr. Das Innenrohr stützt
sich auf dem Innenkeilring ab.
Bei Beaufschlagung des unterhalb des Hubkolbens liegenden Druckraums
mit z.B. Druckwasser fährt das Innenrohr aus, bis es zur Anlage am Gebirge
gelangt und dort mit einem bestimmten Wasserdruck und aktiver Setzkraft anliegt.
Bei dieser Bewegung gleiten die Außenkeilringsegmente entlang des Innenkeilrings
nach oben, werden aufgrund der Schrägflächen an den beiden Bauteilen radial
verlagert und verformen somit das Außenrohr. Diese Verformung ist außen
an der Ausbaustütze sichtbar. Die Ausbaustütze ist gesetzt. Bei steigendem
Gebirgsdruck fährt das Innenrohr ein, bis die Außenkeilringsegmente am
oberen Ende des Innenkeilrings anliegen. Die sichtbare Verformung des Außenrohrs
wird deutlich größer.
Der Erfindung liegt – ausgehend vom Stand der Technik –
die Aufgabe zugrunde, eine Ausbaustütze für den untertägigen Berg-
und Tunnelbau zu schaffen, welche als Einmalstempel unter Reduzierung des wirtschaftlichen
Aufwands in der Anwendung und im Einsatz verbessert werden soll.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen des Anspruchs
1.
Der zylindrisch gestaltete Ringkolben ist ein einfaches Drehteil,
das am oberen Ende im Außendurchmesser verringert ist, um mit diesem Bereich
in das Innenrohr zu fassen. Das Innenrohr wird an seinem unteren Ende mit dem Ringkolben
verschweißt. Dies kann mittels einer Kehlnaht durchgeführt werden. Im
Ringkolben ist ein Spannring vertikal gleitfähig angeordnet. Der Spannring
liegt in der Ausgangsposition (Anlieferungszustand der Ausbaustütze) mit seiner
oberen Stirnseite an mehreren im Ringkolben gelagerten, umfangsseitig verteilten
und nach innen vorstehenden Sollbruchstiften. Die untere Stirnseite des Spannrings
befindet sich mit Abstand zu einer oberen Kreisringfläche am Hubkolben, die
von einem zylindrischen hohlen Stutzen gebildet wird, der vom Hubkolben aus in den
Spannring fasst. Stutzen und Spannring sind mittels auf dem Umfang verteilter Sollbruchstifte
miteinander verbunden. Die Sollbruchstifte sind schwächer als die Sollbruchstifte
zwischen dem Spannring und dem Ringkolben ausgebildet.
Im oberen Höhenbereich weist der Spannring umfangseitig eine
sich in Richtung zum Hubkolben in der Tiefe verringernde Keilnute auf. Zwischen
dem tiefsten Abschnitt der Keilnute und der inneren Oberfläche des Außenrohrs
sind Druckbolzen angeordnet, die in Ausnehmungen des Ringkolbens gleitfähig
geführt sind.
Wird der Raum unterhalb des Hubkolbens mit einem hydraulischen Medium,
wie beispielsweise Druckwasser, beaufschlagt, wird das Innenrohr aufgrund der Verbindungen
über die Sollbruchstifte angehoben, bis es unter Setzlast gerät. Bei weiter
anhaltendem Setzdruck werden zunächst die Sollbruchstifte zwischen dem Stutzen
und dem Spannring abgeschert. Der Stutzen gleitet weiter in den Spannring hinein,
bis unter Ausfüllung des Spalts die Kreisringfläche am Hubkolben an der
unteren Stirnseite des Spannrings anliegt. Der Spannring gleitet dann weiter in
den Ringkolben hinein und schert anschließend die Sollbruchstifte zwischen
dem Spannring und dem Ringkolben ab. Hierbei drückt die Schrägfläche
der Keilnute die Druckbolzen radial nach außen, welche dann die Wand des Außenrohrs
verformen. Das Innenrohr ist nunmehr mit dem Außenrohr mechanisch verspannt.
Bei Druckeinwirkung aus dem Gebirge übernehmen die Druckbolzen die Last, da
sie nicht mehr radial nach innen ausweichen können. Der Spannring verhindert
eine radiale Verlagerung der Druckbolzen nach innen.
Die Befüllung des Raums unterhalb des Hubkolbens erfolgt insbesondere
über einen Ventilstutzen am unteren Ende des Außenrohrs, der im Ausgangszustand
des Innenrohrs unterhalb des Hubkolbens liegt.
Die sichere Lage der Druckbolzen im zwischen dem Liegenden und dem
Gebirge verspannten Zustand der Ausbaustütze wird nach Anspruch 2 dadurch verbessert,
dass benachbart des unteren Endes der Keilnute eine Ringnute in der äußeren
Oberfläche des Spannrings vorgesehen ist. In dieser Ringnute finden die inneren
Stirnseiten der Druckbolzen einwandfreie Abstützungen.
Entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 3 sind die Stirnseiten der
Druckbolzen, der tiefste Abschnitt der Keilnute und die Ringnute in gegenseitiger
Anpassung gerundet. Dies hat Vorteile, was den Ausdrückvorgang der Druckbolzen
und die Gleitbewegungen auf der Schrägfläche der Keilnute anlangt, aber
auch, was die Verformung des Außenrohrs betrifft, um dort das Material kontrolliert
zu deformieren.
Nach Anspruch 4 sind die die Druckbolzen führenden Ausnehmungen
im Ringkolben von innen nach außen geneigt. Dies ist mit dem Vorteil verbunden,
dass eine Keilwirkung nach unten entsteht, wenn von oben die Setzlast auf die Ausbaustütze
einwirkt. Außerdem hat die Neigung der Ausnehmungen den weiteren Vorteil, dass
bei der radialen Verlagerung der Druckbolzen nach außen eine nach oben gerichtete
Kraft erzeugt wird, die den Setzvorgang unterstützt.
Gemäß Anspruch 5 ist es ferner von Vorteil, dass das Material
der Druckbolzen härter als das Material des Außenrohrs ist. Bevorzugt
kommt ein gehärteter Stahlwerkstoff zur Anwendung.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in
den Merkmalen des Anspruchs 6 gekennzeichnet. Bevor der Raum unterhalb des Hubkolbens
mit einem hydraulischen Medium beaufschlagt wird, ist er mit Luft befüllt.
Bei Druckbeaufschlagung mit dem hydraulischen Medium wird die Luft komprimiert und
nach oben gepresst. Hierbei erwärmt sich die Luft sehr stark mit der Folge,
dass die Dichtungen am Außenumfang des Hubkolbens beschädigt werden können.
Die Höhe der Lufttemperatur ist auch abhängig von der Schnelligkeit des
Kompressionsvorgangs. Aufgrund der kalottenförmigen Ausnehmung an der Unterseite
des Hubkolbens kann sich nunmehr hierin die Luft sammeln und die Wärme über
die vergrößerte Oberfläche des Hubkolbens abgeleitet werden, ohne
dass die Dichtungen in Mitleidenschaft gezogen werden.
Nach Anspruch 7 sind das Innenrohr und das Außenrohr an ihren
äußeren Oberflächen mit quer abstehenden Handgriffen versehen. Diese
Handgriffe dienen einerseits dem Transport der Ausbaustütze. Der Handgriff
am Innenrohr hat darüber hinaus die Aufgabe, die Lage des Innenrohrs und damit
die des Hubkolbens in der Ausgangsposition so zu gewährleisten, dass der Hubkolben
nicht auf der Fußplatte des Außenrohrs, sondern oberhalb des Ventilstutzens
für das Befüllen mit dem hydraulischen Medium liegt. Hierfür ist
der Handgriff auf der oberen Stirnseite des Außenrohrs abgestützt. Dies
ist wichtig für den Füllvorgang, damit das hydraulische Medium einwandfrei
in den Raum unterhalb des Hubkolbens einströmen kann.
Ferner ist es gemäß Anspruch 8 von Vorteil, dass in der
Ausgangsposition des Innenrohrs das Außenrohr und das Innenrohr miteinander
transportgesichert verbunden sind. Hierfür können die Handgriffe am Innenrohr
und Außenrohr mit einem einfachen Bindedraht gekoppelt sein, der dann vor dem
Setzen der Ausbaustütze problemlos entfernt werden kann.
Nach Anspruch 9 ist an der äußeren Oberfläche des Innenrohrs
eine Ausschubmarkierung vorgesehen. Dies kann eine Farbmarkierung sein, um einem
Bergmann den maximal zulässigen Ausfahrweg des Innenrohrs zu signalisieren.
Ist die Ausschubmarkierung sichtbar, sieht der Bergmann, dass der maximale Ausfahrweg
erreicht ist. Liegt das Innenrohr dann noch nicht am Gebirge, muss zwischen dem
oberen Ende des Innenrohrs und dem Gebirge ein Distanzstück eingebracht werden.
Die Ausschubmarkierung stellt ferner sicher, dass die Überdeckung zwischen
dem Außenrohr und dem Innenrohr ausreichend groß ist, um die Tragfähigkeit
der Ausbaustütze zu gewährleisten.
Aufgrund seiner Einfachheit eignet sich die erfindungsgemäße
Ausbaustütze vorteilhaft dafür, dass nach Anspruch 10 der Raum oberhalb
des Hubkolbens mit einem tragfähigen Baustoff, wie z.B. Beton, befüllbar
ist. Dieser Baustoff wird nach Erreichen der Setzlast eingebracht und verhindert,
dass bei Druck aus dem Gebirge die Ausbaustütze ihre Tragfähigkeit verliert.
Der Baustoff kann insbesondere über ein am oberen Ende des Innenrohrs
vorgesehenes Füllventil eingebracht werden. Von dem Baustoff wird der Hubkolben
abwärts bewegt, bis er die Fußplatte des Außenrohrs kontaktiert.
Da der Hubkolben vorzugsweise aus Stahl besteht, ist er hochbelastbar und kann Kraft
über die Fußplatte ins Liegende ableiten. Der Hubkolben trägt also
wesentlich mit zur Lastübertragung bei. Außerdem ist der Hubkolben so
konfiguriert, dass er bei Kontakt mit der Fußplatte einen Öffnungsbereich
des Ventilstutzens für das hydraulische Medium so weit freigibt, dass aus dem
Baustoff Wasser über den Ventilstutzen entweichen kann, um das Aushärten
des Baustoffs zu beschleunigen.
Gemäß den Merkmalen von Anspruch 11 weist der Hubkolben
eine Öffnung in Form einer Entlüftungsbohrung auf, wobei der Entlüftungsbohrung
ein Ventil, insbesondere ein Schwimmerventil, zugeordnet ist. Vorzugsweise ist die
Entlüftungsbohrung am höchsten Punkt der kalottenartigen Ausnehmung im
Hubkolben angeordnet. Über das Schwimmerventil und die Entlüftungsbohrung
entweicht beim Befüllen der Ausbaustütze zunächst die Luft, bis das
nachsteigende hydraulische Medium das Schwimmerventil schließt. Dadurch, dass
keine Luft unterhalb des Hubkolbens vorhanden ist, ist sichergestellt, dass die
Ausbaustütze bei einem eventuellen Abspringen am Hangenden
oder Liegenden nicht schlagartig verlängert wird. Dies ist ein wesentlicher
Sicherheitsaspekt zum Schutze eines Bergmanns.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen veranschaulichten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Ausbaustütze in der Ausgangsposition, teilweise
im vertikalen Längsschnitt;
2 in vergrößertem Maßstab den Höhenbereich
II der 2 im vertikalen Längsschnitt;
3 die Ausbaustütze der 1
nach dem Setzen und Verspannen, teilweise im vertikalen Längsschnitt;
4 in vergrößertem Maßstab den Höhenbereich
IV der 3 im vertikalen Längsschnitt;
5 die Ausbaustütze der 1
nach dem Befüllen mit Baustoff und
6 in vergrößertem Maßstab den Höhenbereich
VI der 5 im vertikalen Längsschnitt.
In den 1, 3
und 5 ist mit 1 eine Ausbaustütze für
den untertägigen Berg- und Tunnelbau bezeichnet. Es handelt sich hierbei um
eine Ausbaustütze 1, die für den Einmaleinsatz vorgesehen ist.
Die Ausbaustütze 1 umfasst ein stählernes Außenrohr
2 mit einer Fußplatte 3 und ein ebenfalls stählernes
Innenrohr 4 mit einer Kopfplatte 5. Das Innenrohr 4 ist
zum Außenrohr 2 relativ verlagerbar. Wie die 2
erkennen lässt, übergreift das untere Ende 6 des Innenrohrs
4 das im Außendurchmesser reduzierte obere Ende 7 eines im
Außenrohr 2 geführten Ringkolbens 8 und ist mit diesem
über eine umfangsseitige Kehlschweißnaht 9 verbunden. Mit geringem
Abstand unterhalb der Kehlschweißnaht 9 sind in Querbohrungen
10 des Ringkolbens 8 mehrere auf dem Umfang zueinander versetzte
Sollbruchstifte 11 eingesetzt. Die S&sgr;ltbruchstifte 11 kragen
mit einem bestimmten Längenabschnitt 12 gegenüber der inneren
zylindrischen Oberfläche 13 des Ringkolbens 8 vor.
Mit Abstand unterhalb der Sollbruchstifte 11 sind in den
Ringkolben 8 über den Umfang verteilte geneigte Ausnehmungen
14 eingebracht. Die Ausnehmungen 14 neigen sich in Richtung zum
Außenrohr 2. In die Ausnehmungen 14 sind an den Stirnseiten
15 gerundete Druckbolzen 16 eingesetzt. In der in der
2 veranschaulichten Ausgangsposition (Anlieferungszustand
der Ausbaustütze 1) liegen die Druckbolzen 16 mit ihren inneren
Stirnseiten 15 im gerundeten Tiefsten 17 einer umfangsseitig eines
Spannrings 18 angeordneten Keilnute 19, die sich in Richtung zur
unteren Stirnseite 20 des Spannrings 18 in der Tiefe verringert.
Mit ihren äußeren Stirnseiten 15 liegen die Druckbolzen
16 an der inneren Oberfläche 21 des Außenrohrs
2. Die obere Stirnseite 22 des Spannrings 18 liegt an
den nach innen vorstehenden Längenabschnitten 12 der Sollbruchstifte
11. Die untere Stirnseite 20 des Spannrings 18 liegt
mit Abstand zu einer Kreisringfläche 23 an einem im Außenrohr
2 geführten Hubkolben 24. Die Kreisringfläche
23 wird von einem hohlen zylindrischen Stutzen 25 am Hubkolben
24 gebildet. Umfangsseitig besitzt der Hubkolben 24 eine Dichtung
26. Von der Kreisringfläche 23 und der unteren Stirnseite
20 des Spannrings 18 wird ein Spalt 27 gebildet. Unterseitig
ist der Hubkolben 24 mit einer kalottenförmigen Ausnehmung
28 versehen. Der Hubkolben 24 ist über den Raum
29 unterhalb des Hubkolbens 24 mit einem hydraulischen Medium
HM, wie beispielsweise Druckwasser, beaufschlagbar. Dazu ist ein Ventilstutzen
30 vorgesehen (siehe auch 1).
Der Stutzen 25 am Hubkolben 24 ist über Sollbruchstifte
31 mit dem unteren Ende 32 des Spannrings 18 verbunden.
Die Sollbruchstifte 31 sind schwächer als die Sollbruchstifte
11 ausgebildet, die sich im Ringkolben 8 befinden und an denen
sich der Spannring 18 abstützt.
Ferner ist aus 2 noch zu erkennen, dass
benachbart des unteren Endes der in die äußere Oberfläche
33 des Spannrings 18 auslaufenden Schrägfläche
34 der Keilnute 19 eine Ringnute 35 in der äußeren
Oberfläche 33 vorgesehen ist. Diese Ringnute 35 ist gemuldet
und an die gerundeten Stirnseiten 15 der Druckbolzen 16 angepasst.
Der Spannring 18 weist innenseitig über den wesentlichen
Teil seiner Höhe eine zylindrische Gestaltung auf. Der zylindrische Längenabschnitt
36 geht am oberen Ende des Spannrings 18 in einen kegelförmigen
Längenabschnitt 37 über.
Im unteren Höhenbereich der Ausbaustütze 1 (siehe
1) ist an der äußeren Oberfläche
38 des Außenrohrs 2 ein sich vertikal erstreckender U-förmiger
Handgriff 39 befestigt. Ein weiterer U-förmiger Handgriff
40 befindet sich mit ebenfalls vertikaler Erstreckung im oberen Höhenbereich
des Innenrohrs 4. Er ist an der äußeren Oberfläche
41 des Innenrohrs 4 befestigt. Hierbei stützt sich der Handgriff
40 in der dargestellten Ausgangsposition an der oberen Stirnseite
42 des Außenrohrs 2 ab. Die Höhenlage des Handgriffs
40 ist so gewählt, dass der Hubkolben 24 oberhalb des Ventilstutzens
30 gehalten wird. Ferner ist zur Sicherstellung der Ausbaustütze
1 beim Transport ein Bindedraht 43 zwischen den Handgriffen
39, 40 verspannt.
Bei einer Beaufschlagung des Druckraums 29
unterhalb des Hubkolbens 24 mit dem hydraulischen Medium HM (1)
schiebt der Hubkolben 24 den Spannring 18 nach oben und aufgrund
der Anlage der oberen Stirnseite 22 des Spannrings 18 an den Sollbruchstiften
11 wird auch das Innenrohr 4 nach oben verlagert, bis die Kopfplatte
5 am Gebirge 44 zur Anlage gelangt (3).
Bei weiter steigendem Druck im Raum 29 unterhalb des Hubkolbens
24 werden die Sollbruchstifte 31 abgeschert und es gelangt die
Kreisringfläche 23 am Hubkolben 24 unter Ausfüllung
des Spalts 27 mit der unteren Stirnseite 20 des Spannrings
18 in Kontakt. Bei weiter anhaltendem Fülldruck im Raum
29 werden auch die Sollbruchstifte 11 abgeschert und es wird der
Spannring 18 von dem Hubkolben 24 relativ zum Ringkolben
8 nach oben verschoben. Bei dieser Bewegung werden die Druckbolzen
16 von der Schrägfläche 34 der Keilnute 19
in Richtung auf das Außenrohr 2 verlagert, wobei das Außenrohr
2, wie die 3 und 4
zu erkennen geben, im Höhenbereich 45 radial nach außen verformt
wird. Die Druckbolzen 16 schaffen sich folglich Abstützungen am Außenrohr
2. In der Endstellung gemäß 4 liegen
die inneren Stirnseiten 15 der Druckbolzen 16 in der Ringnute
35, während die äußeren Stirnseiten 15 in dem verformten
Höhenbereich 45 des Außenrohrs 2 liegen. Die unteren
Stirnseiten 46 des Ringkolbens 28 des Spannrings 18 verlaufen
bündig mit der Kreisringfläche 23 des Hubkolbens 24.
Da beim Befüllen des Raums 29 die hierin befindliche
Luft L komprimiert wird, erwärmt sie sich vergleichsweise stark. Die kalottenförmige
Ausnehmung 28 im Hubkolben 24 sammelt dann die komprimierte Luft
L und leitet sie nach oben über den Hubkolben 24 ab. Hierfür
ist im Hubkolben 24 eine Entlüftungsbohrung 50 vorgesehen.
Der Entlüftungsbohrung 50 ist ein Ventil 51 in Form eines
Schwimmerventils zugeordnet. Über das Schwimmerventil 51 und die Entlüftungsbohrung
50 kann die Luft entweichen, bis das hydraulische Medium das Schwimmerventil
51 schließt. Auf diese Weise wird vermieden, dass komprimierte Luft
unterhalb des Hubkolbens 24 ansteht. Hierdurch ist sichergestellt, dass
die Ausbaustütze 1 bei einem eventuellen Abspringen am Hangenden oder
Liegenden nicht schlagartig verlängert wird. Dies ist ein wesentlicher Sicherheitsaspekt
zum Schutze eines Bergmanns.
Zur Sicherstellung der Tragkraft der Ausbaustütze 1
wird nach ihrem Verspannen zwischen den Liegenden 47 und dem Gebirge
44 der Raum 48 oberhalb des Hubkolbens 6 über ein
Füllventil 49 mit einem tragfähigen Baustoff BST, wie beispielsweise
aushärtender Beton, befüllt (5). Durch den
Baustoff BST wird dann der Hubkolben 24 nach unten verlagert, bis er die
Fußplatte 3 kontaktiert. Auf Grund der Kreisringfläche
23 am Hubkolben 24 wird der Öffnungsquerschnitt des Ventilstutzens
so weit freigehalten, dass gemäß dem Pfeil PF Wasser aus dem Baustoff
BST über den Ventilstutzen 30 entweichen kann, um das Aushärten
des Baustoffs BST zu beschleunigen.
An der äußeren Oberfläche 41 des Innenrohrs
4 ist in einem vorbestimmten Höhenbereich eine Ausschubmarkierung
52 angebracht, um einem Bergmann den maximalen Ausfahrweg des Innenrohrs
4 zu signalisieren. Wird die Ausschubmarkierung gemäß
3 oberhalb der oberen Stirnseite 42 des Außenrohrs
2 sichtbar, erkennt der Bergmann, dass der maximale Ausfahrweg erreicht
ist.
- 1
- Ausbaustütze
- 2
- Außenrohr v. 1
- 3
- Fußplatte v. 2
- 4
- Innenrohr v. 1
- 5
- Kopfplatte v. 4
- 6
- unteres Ende v. 4
- 7
- oberes Ende v. 8
- 8
- Ringkolben
- 9
- Kehlschweißnaht
- 10
- Querbohrungen in 8
- 11
- Sollbruchstifte
- 12
- Längenabschnitt v. 11
- 13
- zylindrische Innenfläche v. 8
- 14
- Ausnehmungen in 8
- 15
- Stirnseiten v. 16
- 16
- Druckbolzen
- 17
- Tiefstes v. 19
- 18
- Spannring
- 19
- Keilnute
- 20
- untere Stirnseite v. 18
- 21
- innere Oberfläche v. 2
- 22
- obere Stirnseite v. 18
- 23
- Kreisringfläche an 24
- 24
- Hubkolben
- 25
- Stutzen an 24
- 26
- Dichtung an 24
- 27
- Spalt zwischen 20 und 23
- 28
- Kalotte in 24
- 29
- Raum unter 24
- 30
- Ventilstutzen
- 31
- Sollbruchstifte
- 32
- unteres Ende v. 18
- 33
- äußere Oberfläche v. 18
- 34
- Schrägfläche v. 19
- 35
- Ringnute in 33
- 36
- zylindrischer Längenabschnitt v. 18
- 37
- kegelförmiger Längenabschnitt v. 18
- 38
- äußere Oberfläche v. 2
- 39
- Handgriff an 2
- 40
- Handgriff an 4
- 41
- äußere Oberfläche v. 4
- 42
- obere Stirnseite v. 2
- 43
- Bindedraht
- 44
- Gebirge
- 45
- ausgewölbter Bereich v. 2
- 46
- untere Stirnseite v. 8
- 47
- Liegendes
- 48
- Raum oberhalb v. 24
- 49
- Füllventil
- 50
- Entlüftungsbohrung in 24
- 51
- Ventil
- 52
- Ausschubmarkierung an 41
- BST
- Baustoff
- HM
- hydraulisches Medium
- L
- Luft in 28
- PF
- Pfeil