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Dokumentenidentifikation DE102007006277A1 23.08.2007
Titel Gesteinsanker mit Fließgeometrie für Mörtel
Anmelder Raytheon UTD Inc., Springfield, Va., US
Erfinder Giraldo, Luis B., Fairfax, Va., US;
Cotten, Steven A., Dumfries, Va., US
Vertreter Gleiss Große Schrell & Partner Patentanwälte Rechtsanwälte, 70469 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 31.01.2007
DE-Aktenzeichen 102007006277
Offenlegungstag 23.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.08.2007
IPC-Hauptklasse E21D 21/00(2006.01)A, F, I, 20070131, B, H, DE
Zusammenfassung Gesteinsanker mit modifizierter Geometrie der Spitze, zur Verbreitung von Verpressmaterial den Anker entlang und/oder zum Zerreißen eines Behälters mit Verpressmaterial sowie Verfahren zur Anwendung eines derartigen Gesteinsankers zur Unterstützung von Substrat.

Beschreibung[de]
Rechte der Regierung

Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika hat aufgrund der Finanzierung unter Vertragsnummer R01 OHO7727, vergeben durch NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health, Staatliche Agentur für Sicherheit und Gesundheit am Arbeitsplatz), möglicherweise gewisse Rechte an dieser Erfindung.

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gesteinsanker und auf Verfahren für den Gebrauch derartiger Anker.

Hintergrund

In den Vereinigten Staaten von Amerika ist in kaum einem anderen Industriezweig die Sterblichkeitsrate aufgrund tödlicher Verletzungen so hoch wie im Bergbau unter Tage, nämlich mehr als fünf mal so hoch wie der Landesdurchschnitt im Vergleich zu anderen Industriezweigen. Trotz technologischer Fortschritte und industrieweiter Bemühungen stellen Hangendbrüche in Bergwerken nach wie vor eines der größten Sicherheitsrisiken im Untertagebergbau dar. In den letzten zehn Jahren wurden rund 50 Prozent aller tödlichen Unfälle unter Tage durch Gebirgsbrüche verursacht. Da die am leichtesten zugänglichen Kohlereserven erschöpft sind, müssen Bergwerke den Kohlebedarf gezwungenermaßen durch Arbeiten in Gebieten decken, in denen die geologischen Bedingungen sowie die damit verbundenen Bedingungen für die Felsüberwachung schwieriger sind.

Gesteinsverpressanker und mechanische Expansionsgesteinsanker sind die üblicherweise für die Sicherung und Stabilisierung von Firsten und Abbaukanten in Bergwerken am häufigsten gebrauchten Mittel, die insgesamt über 99 Prozent der in Kohlebergwerken in den Vereinigten Staaten eingesetzten Gesteinsanker umfassen. Typischerweise sind für die Unterstützung von Bergwerksfirsten Gesteinsanker vorgesehen, und zwar entweder durch Balkenbildung (mehrere Gesteinsschichten werden zusammen verankert, damit sie als größerer Einzelbalken fungieren können), durch Aufhängung von weichem Fels an kompetenteren Schichten, Bildung eines Druckgewölbes oder Unterstützung von Einzelblöcken. Für beide Stützverfahren, das heißt sowohl für Gesteinsverpressanker als auch für mechanische Expansionsgesteinsanker, erfordern Pilotbohrungen im Gestein und die Anbringung von Verankerungen in diesen Bohrungen. Die Tatsache, dass mechanische Anker seltener und Verpressanker häufiger verwendet werden, ist darauf zurückzuführen, dass Gesteinsverpressanker ihre Ankerlast auf dem Gestein über eine größere Fläche verteilen und daher im Allgemeinen höchste Verankerungsleistung bieten. Die Anwendung von Gesteinsverpessankern für die Felsüberwachung ist jedoch mit Problemen verbunden, von denen einige durch das Vorhandensein von mechanisch weichem Gestein noch verschlimmert werden.

1A zeigt eine schematische Darstellung des Verankerungsverfahrens mit einem Gesteinsverpressanker. 1B zeigt eine schematische Darstellung des Verankerungsverfahrens mit einem mechanischen Expansionsgesteinsanker. Bei dem in 1A gezeigten Verpressanker 101 handelt es sich um einen Bewehrungsanker mit einem aus der Pilotbohrung 118 hervorragenden Gewindeende 109. Der Bewehrungsstab 103 ist von Harz oder Mörtel 105 umgeben und mit einer durch eine Mutter 111 gehaltene Stirnplatte 107 versehen. Der in 1B gezeigte mechanisch befestigte Anker 102 besitzt eine Gewindespitze 106 und ein Gewindeende 108. Die Spitze 106 ist in den mechanischen Anker 110 eingeschraubt, der sich bei diesem Vorgang spreizt. Das Gewindeende 108 ist mit einer Stirnplatte 112, einer Unterlegscheibe 116 und einer Mutter 114 versehen. Andere Bauarten derartiger Anker können ein in Form einer Mutter (208, 2) geschmiedetes Ende anstelle eines Gewindeendes 108 besitzen.

2 zeigt die zylinderförmige Geometrie des stumpfen Einführendes 206 eines typischen Gesteinsverpressankers 202 mit einem geschmiedeten Kopf 208. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, sind an der Spitze 206 des Gesteinsankers keinerlei Modifikationen für ein signifikantes Zusammenwirken des Ankers 202 mit einem Verpressmaterial vorhanden. In 3A bis 3C ist die Abfolge der Vorgänge veranschaulicht, die für die Installation eines derartigen Gesteinsankers 202 für eine Mörtelverankerung im First eines Bergwerks 313 erforderlich sind (jedoch können ein derartiger Vorgang und ein derartiger Anker für die Sicherung jedes beliebigen Gesteins angewendet werden).

Wie in 3A gezeigt, wird nach Herstellen einer Pilotbohrung 318 mit der richtigen Länge und dem richtigen Durchmesser im First 313 eine dichte Patrone 320 mit Zweikomponentenmörtel 305 in die Pilotbohrung 318 eingeführt. Dann wird der Firstanker 202 in die Bohrung 318 eingeführt. Danach wird der Firstanker 202 in schnelle Drehung versetzt und gleichzeitig in die Bohrung 318 vorgetrieben. An dem in 3B gezeigten Ankereinführpunkt 325 komprimiert die vortreibende stumpfe Spitze 206 des Ankers die dichte Mörtelpatrone 320 und spreizt dadurch die Patronenhülle 322, bis sie das Ende der Pilotbohrung 318 vollständig gefüllt hat. Durch die Eigenbruchfestigkeit der Mörtelpatronenhülle 322 und die Eingrenzung durch die Wände der Pilotbohrung 318 kann der Anker 202 mehrere Zoll in das durch die Mörtelpatrone 320 eingenommene Volumen eindringen, bevor die Patronenhülle 322 nachgibt und das in ihr enthaltene Verpressmaterial 305 freigibt und damit einen beträchtlichen Druck in dem Mörtel 305 aufbaut. Nachdem die Hülle 322 zerreißt, treibt sich der rotierende Anker 202 weiterhin durch den Mörtel 305 voran, durchmischt dabei dessen Komponenten und drückt den durchmischten Mörtel zurück den Anker 202 entlang und durch den zwischen dem Firstanker 202 und der Wandung der Pilotbohrung 318 gebildeten engen Ring 315.

Wie in 3C gezeigt, umgibt der Mörtel 305 danach wenigstens teilweise den vollständig eingeführten Anker 202 und verbindet nach Aushärten den Anker 202 mit dem Firstmaterial 313 mit dem Ziel, die Gesamtintegrität des Bergwerkfirstes 313 zu verbessern. Durch eine ungenügende Durchmischung und Beförderung des Verpressmaterials 305 durch den Anker 202 kann es dazu kommen, dass das Verpressmaterial 305 den Anker 202 nicht über dessen gesamte Länge umgibt. Selbst bei einem strukturierten Bewehrungsstab (103, 1A) sind die relativ weiche Oberfläche und die stumpfe Spitze 206 nicht dazu ausgelegt, diese Durchmischung und Beförderung zu erreichen.

Die in Kohlebergwerken unter Tage anzutreffenden Firstbedingungen werden in zunehmendem Maße weicher. Wie in der Zusammenfassung der Arbeit von Zhang et al., „Design Considerations of Roof Bolting under Very Weak Roof Conditions", vorgelegt bei der Technikkonferenz „SME Annual Meeting and Exhibit" im Jahre 2006, dargelegt, deren Offenbarung im vorliegenden Dokument durch Bezugnahme enthalten ist, stellte man fest, dass im Illinois-Becken die leichter abgebauten Reserven mit kompetenterem Firstgestein schnell erschöpft sind, während die schwefelärmeren Kohlen höherer Qualität stärker mit schwächerem Schichtengestein verbunden sind. Die Anbringung von Firstankern unter Bedingungen mit weniger kompetenten Firsten in Kohlebergwerken unter Tage ist häufig schwierig, nicht nur, weil der First eine sehr niedrige mechanische Eigenfestigkeit besitzt, sondern auch, weil er aus dünnen Schichten von unterschiedlichen Gesteinsarten besteht.

Jüngere Untersuchungen in Bergwerken mit schwachem Firstgestein haben gezeigt, dass die herkömmlichen Verankerungsverfahren unter Verwendung von standardmäßigen vollständig von Mörtel umgebenen Bewehrungsankern eine hydraulische Bruchbildung des Firstes aufgrund eines Druckaufbaus in dem Mörtel verursachen können, wobei der Druck ausgeübt wird, kurz bevor der Behälter mit dem Verpressmaterial reißt, wie in 3B gezeigt. Zu diesen Untersuchungen gehören beispielsweise Pile J. et al., „Short-encapulsation Pull Test for Roof Bolt Evaluation at an Operating Coal Mine", in Proceedings: 22nd International Conference on Ground Control in Mining, WV, 5.–7. August 2003; Compton C., et al., „Investigation of Fully Grouted Roof Bolts Installed Under In Situ Conditions", in Proceedings: 24th International Conference on Ground Control in Mining, WV, 2.–4. August 2005; und Campbell R. N., et al., „Investigation into the Extent and Mechanisms of Gloving and Un-mixed Resin in Fully Encapsulated Roof Bolts", in Proceedings: 22nd International Conference on Ground Control in Mining, WV, 5.–7. August 2003. Die Offenbarungen dieser Schriften sind durch Bezugnahme im vorliegenden Dokument enthalten.

Infolge der hydraulischen Bruchbildung kann außerhalb der Pilotbohrung Mörtel seitlich in den First injiziert werden (auch als Mörtelmigration bekannt), was zu einer Trennung der Gesteinsschichten und einer Verkürzung der in dem Verpressmaterial befindlichen Länge der Ankerumhüllung führt.

Der Verlust von Mörtel aufgrund seitlicher Mörtelmigration bewirkt außerdem, dass die Mörtelsäule in der Länge verkürzt wird. Dies hat eine erhebliche Wirkung auf die Bemessungsannahmen und die Stabilität von Grubenräumen. Darüber hinaus kann aufgrund von Verpressankern mit durch die geringere Länge der Mörtelsäule verursachter verkürzter Umhüllung der Ankerschaft mit der Grubenumgebung in Berührung kommen, was möglicherweise zu Korrosion und letztendlich zu einer Verschlechterung des Firstabstützsystems führt. Unter manchen Bedingungen, wie beispielsweise bei Bergwerken mit einem hohen Gehalt an Schwefelwasserstoff im Firstgestein, sind die Korrosionsauswirkungen noch ausgeprägter, so dass der Bedarf an einer vollständigen Umhüllung der Anker sogar noch wichtiger wird.

Ein von den Erfindern durchgeführtes Feldtestprogramm mit verschiedenen Mörtelarten, Einführgeschwindigkeiten und Ringgrößen war speziell dafür ausgelegt, die für die Einführung von standardmäßigen Ankern mit stumpfem Ende erforderlichen Kräfte zu kennzeichnen. In den Tests wurden Anker mit stumpfem Ende bei konstanter Geschwindigkeit und ohne Drehung in mörtelgefüllte Pilotbohrungen in einen Bergwerksfirst (das Substrat) geschoben. Zwischen dem Bohrkopf und dem Anker wurde zur Messung der Last ein Kraftaufnehmer installiert. Zur Messung der Ankerverschiebung wurde ein Dehnungsmesser verwendet. Die Last- und Verschiebungswerte wurden gleichzeitig gemessen.

Im Testplan wurden drei Ankersysteme unter Einsatz von standardmäßigen Bewehrungsankern, zwei Mörtelarten und zwei Einführgeschwindigkeiten festgelegt. Bei diesen Parametern sind zwölf Kombinationen möglich, wobei zwei Tests für jede Kombination für insgesamt 24 Tests durchführt wurden. Die Ankersysteme waren folgende: (a) ein Anker Nr. 6 (Durchmesser 0,75 Zoll = 19 mm) in einer Bohrung mit einem Durchmesser von 1,03" (= 26,16 mm), (b) ein Anker Nr. 6 (Durchmesser 0,75 Zoll = 19 mm) in einer Bohrung mit einem Durchmesser von 1,25" (= 31,75 mm) und (c) ein Anker Nr. 7 (Durchmesser 0,875 Zoll = 22,22 mm) in einer Bohrung mit einem Durchmesser von 1,375" (= 34,9 mm), jeweils mit 6 Fuß (= 1,83 m) langen Bewehrungsankern mit Standardkopf. Die getesteten Mörteltypen waren Minova LIF und Fasloc niedriger Viskosität, jeweils mit einer Abbindezeit von zwei Minuten. Passend für das jeweilige Ankersystem wurden Mörtelpatronen mit einem Durchmesser von 0,9 Zoll (= 22,86 mm), 1,125 Zoll (= 28,58 mm) und 1,25 Zoll (= 31,75 mm) verwendet. Die Einführgeschwindigkeiten der Anker in die Pilotbohrungen betrugen 4,5 Zoll (= 114,3 mm) und 7 Zoll (= 177,8 mm) pro Sekunde.

Diese Tests ermöglichten die Messung der Einführkraft und zeigten, wie die Testparameter sich gegenseitig beeinflussen, um die Druckfront vor der Ankerspitze zu erzeugen. Erwartungsgemäß erhöhte sich die Kraft, die erforderlich war, um den Anker in die mit Mörtel gefüllte Bohrung zu schieben, um so mehr, je tiefer der Anker eingeführt wurde. Die beobachteten Lastkurven waren für die beiden verwendeten Mörtelarten ähnlich, und in den Tests wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen den Lastbereichen festgestellt. Jedoch löste in einigen Fällen die frühe Erzeugung eines höheren Druckes eine hydraulische Bruchbildung des Firsts aus, gefolgt von einem Harzverlust, was wiederum die beobachtete Länge der Ankerumhüllung verkürzte.

Die Einführlast (bzw. -kraft) wurde für jeden Test gegen die Tiefe aufgetragen. Alle Kurven zeigten ein gemeinsames Verhalten, wobei sich drei deutliche Lastbereiche zeigten, wie in 4 dargestellt. Die anfängliche Einführlast stieg mit einer relativ niedrigen Rate bis zu einer Einführtiefe von ungefähr 20 Zoll (= 50,8 cm) konstant an (Bereich I im Diagramm). An diesem Punkt stieg die Last für kurze Zeit beschleunigt an (Bereich II im Diagramm). Danach sank die Lastrate auf eine Rate ab, die nur geringfügig höher war als die anfangs beobachtete Rate (Bereich III im Diagramm). Bereich I war in den meisten Tests klar abgegrenzt. Die Bereiche II und III zeigten in stärkerem Maße Schwankungen und überlappten sich in einigen Fällen.

Die Kurve in 4 kann in Bezug auf die stattfindenden Auswirkungen wie folgt interpretiert werden. In Bereich I erfolgte ein Komprimierung der intakten Mörtelpatrone mit einem auf die Patrone einwirkenden Poisson-Effekt. Das bedeutet, dass sich die Patrone, während sie in ihrer Länge komprimiert wurde, in der Bohrung ausdehnte, bis der Übergang des ersten Bereichs erreicht war. Da die Patrone die Bohrung nun ausgefüllt hat, erhöhte sich der Druck, bis die Bruchfestigkeit der Patronenhülle überschritten war. Nach dem Zerreißen der Hülle begann ähnlich wie bei einem Wasserfluss in einem Rohr der Mörtel zu fließen, auch wenn der Mörtel sehr viel zähflüssiger ist als Wasser. Die Flussrate blieb konstant, da die Einführgeschwindigkeit auf einem konstanten Wert gehalten wurde und die Last proportional zur Länge der Ankereinführung anstieg. In einigen Fällen löste die frühe Erzeugung eines höheren Druckes eine hydraulische Bruchbildung des Firsts aus, gefolgt von Harzverlust, was wiederum die beobachtete Länge der Ankerumhüllung verkürzte.

Die Möglichkeit, die Viskosität des Mörtels zu verringern, um so den Innendruck bei der Installation zu reduzieren, ist keine praktische Lösung, weil Mörtel niedriger Viskosität während der Installation des Ankers aus der Bohrung austreten und daher alle Vorteile zunichte machen könnte. Ferner würde Mörtel mit einer Viskosität, die niedriger als die gegenwärtig benutzte ist, einen höheren Anteil der teuersten Mörtelkomponenten enthalten und somit keine wirtschaftliche Lösung des Problems der Mörteldruckverminderung darstellen.

Um einen Druckaufbau zu verhindern, wurde in Bergwerken auch schon eine Bohrung mit Übergröße verwendet. Jedoch ist diese Lösung nicht optimal, weil dafür zusätzlicher Mörtel erforderlich ist und die Verankerungsleistung des Ankers vermindert wird. Daher besteht ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Überwindung der nach dem Stand der Technik auftretenden Probleme.

Zusammenfassung

Die Erfindung bezieht sich auf Modifikationen und Verbesserungen von Ausführungen und Verfahrensweisen in Bezug auf bestehende Verpressanker, mit dem Ziel, die Verankerungsleistung der Anker bei allen gegebenen Bedingungen zu verbessern, insbesondere bei Vorhandensein von Gestein mit geringer Druckfestigkeit oder Schichtstruktur.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine modifizierte Geometrie der zuerst in eine Pilotbohrung eingeführte Spitze eines Gesteinsankers. Die modifizierte Geometrie sieht ein physikalisches Mittel vor, das den Fluss von Mörtel am Ende des Ankers vorbei erleichtert, die Verteilung des Mörtels in dem zwischen dem Anker und der Pilotbohrung gebildeten Ring begünstigt und/oder das Zerreißen des Behälters mit dem Verpressmaterial in der Pilotbohrung ermöglicht.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die verbesserte Leistung des Gesteinsverpressankersystems dadurch erreicht, dass die Spitze des Gesteinsankers in Form einer Schnecke modifiziert wird, was ein Fließen des Mörtels und dessen Durchmischung in der Bohrung erleichtert und somit eine höhere Verankerungsleistung jedes Ankers durch Bereitstellen einer längeren Mörtelsäule ermöglicht, die effektive Dicke der durch die Befestigung des Ankers in dem abgestützten First gebildeten Konstruktion erhöht und die Möglichkeit einer Korrosion des Ankers durch eine Verkürzung der Länge des Ankers, die der Grubenumgebung ausgesetzt ist, verringert.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Geometrie der Spitze des Gesteinsankers so modifiziert, dass sie ein physikalisches Mittel umfasst, welches ein schnelles Zerreißen einer dichten Mörtelpatrone ermöglicht und dadurch den Druckaufbau des Mörtels in der Patrone reduziert. Durch die Verminderung des Mörtelinnendrucks bei der Installation des Ankers kann die Möglichkeit einer hydraulischen Bruchbildung des Firstgesteins reduziert werden, die effektive Länge der Ankerumhüllung wird durch Vermeiden eines Mörtelverlustes in das Firstgestein vergrößert, eine „Behandschuhung" des Ankers wird durch Verhindern einer auf den Mörtelinnendruck während der Installation zurückzuführenden Dehnung der Patrone reduziert, und die Verankerungsleistung des Ankers wird infolge der verringerten Anker-„Behandschuhung" und der vergrößerten Ankerumhüllung verbessert.

Die oben beschriebenen sowie weitere Konstruktionen, Verfahrensweisen und Vorteile der Erfindung werden mit Hilfe der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1A zeigt eine schematische Darstellung eines Gesteinsverpressankers mit entsprechendem Verankerungsverfahren.

1B zeigt eine schematische Darstellung eines mechanischen Expansionsgesteinsankers mit entsprechendem Verankerungsverfahren.

2 zeigt das stumpfe Einführende eines herkömmlichen Verpressankers.

3A, 3B und 3C zeigen Stufen bei der herkömmlichen Installation eines mit Mörtel im Substrat befestigten Ankers, beispielsweise in einem Bergwerksfirst.

4 zeigt ein Diagramm, in dem die Einführlast (bzw. -kraft) gegen die Einführtiefe aufgetragen ist und das eine Reihe von Beobachtungen aus Feldtests mit herkömmlichen Gesteinsankern darstellt.

5 zeigt einen Gesteinsanker mit einer erfindungsgemäß modifizierten Geometrie.

6 zeigt einen Gesteinsanker mit einer erfindungsgemäß modifizierten Geometrie.

7 zeigt einen Gesteinsanker mit einer erfindungsgemäß modifizierten Geometrie.

8 zeigt einen Gesteinsanker mit einer erfindungsgemäß modifizierten Geometrie.

9 zeigt einen Gesteinsanker mit Vorsprüngen für ein besseres Haltevermögen, jedoch ohne eine erfindungsgemäß modifizierte Geometrie der Spitze.

10 zeigt einen Gesteinsanker mit Vorsprüngen für ein besseres Haltevermögen und einer erfindungsgemäß modifizierten Geometrie der Spitze.

11 zeigt eine grafische Darstellung, in der der Haltefaktor gegen den Ankertyp aufgetragen ist und die den höheren Haltefaktor sowohl von herkömmlichen als auch erfindungsgemäßen Gesteinsankern veranschaulicht.

12 zeigt einen Gesteinsanker mit Vorsprüngen für ein besseres Haltevermögen und einer erfindungsgemäß modifizierten Geometrie der Spitze.

Detaillierte Beschreibung

In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die Teil des vorliegenden Dokuments sind und mit Hilfe von Darstellungen spezifische Ausgestaltungen zeigen, in denen die Erfindung angewendet werden kann. Diese Ausgestaltungen sind ausreichend detailliert beschrieben, so dass Fachleute die Erfindung anwenden können; es versteht sich, dass auch weitere Ausgestaltungen verwendet werden können und dass es möglich ist, konstruktive, logische und weitere Veränderungen vorzunehmen, ohne dass der Geist und der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen werden. Die Abfolge der beschriebenen Verfahrensschritte ist für die Ausgestaltungen der Erfindung beispielhaft, jedoch ist die Abfolge der Schritte nicht auf die hier dargelegte beschränkt, sondern kann wie nach dem Stand der Technik bekannt verändert werden, mit Ausnahme solcher Schritte, die zwingend in einer bestimmten Reihenfolge durchzuführen sind. Die Begriffe „Harz" und „Mörtel" sind im vorliegenden Dokument austauschbar. Die Erfindung wird insbesondere in Bezug auf die Verstärkung von Bergwerksfirsten vorgestellt, ist jedoch auch für die Verstärkung oder Verankerung jedes beliebigen bohrfähigen Substrats geeignet und kann daher in ihrer Größe angepasst werden.

Ausgestaltungen der Erfindung beziehen sich auf einen Gesteinsanker zur Verstärkung eines Substrats, beispielsweise des Firstes in einem Bergwerk. Der Gesteinsanker besitzt an der zuerst in eine Pilotbohrung eingeführten Spitze eine modifizierte Geometrie. Die modifizierte Geometrie stellt ein physikalisches Mittel bereit, das den Fluss von Mörtel am Ende des Ankers vorbei erleichtert, die Verteilung des Mörtels in dem zwischen dem Anker und der Pilotbohrung gebildeten Ring unterstützt und/oder das Zerreißen des Behälters mit dem Verpressmaterial in der Pilotbohrung ermöglicht. Die erfindungsgemäßen Gesteinsanker und Verfahren können mit Bohrungen und Gesteinsankern verwendet werden, die entsprechend dem in der Patentanmeldung US 10/919,271 beschriebenen Gegenstand hergestellt beziehungsweise ausgebildet sind, welche durch Bezugnahme in Gänze im vorliegenden Dokument enthalten ist. Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Bei verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung ist das stumpfe Einführende typischer Verpressanker nicht mehr vorhanden; statt dessen wird eine modifizierte Geometrie der Ankerspitze verwendet. Diese Geometrie ermöglicht eine kleinere Querschnittsfläche an der Spitze des Ankers und/oder eine Pumpwirkung ähnlich der eines Bohrstocks, während der rotierende Anker im gewöhnlichen Installationsprozess in die Bohrung vorangetrieben wird. Diese Pumpwirkung unterstützt den Fluss von Mörtel durch den Ring zwischen dem Gesteinsanker und der Pilotbohrung, reduziert so das Druckgefälle beim Einführen des Ankers durch das Verpressmaterial und minimiert dadurch den maximalen Gesamtdruck in der Pilotbohrung.

5 zeigt einen Gesteinsanker 502 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welcher eine Spitze 508 in Form einer Schnecke umfasst. Während diese Spitze 508 durch das Verpressmaterial rotiert, wird das Verpressmaterial durch die Schneckenform gezwungenermaßen durchmischt und weiter nach unten an der Spitze 508 vorbei transportiert. Das Verpressmaterial wird den Gesteinsanker 502 entlang nach unten gedrückt, während sich der Anker 502 weiter in die Pilotbohrung dreht. Die äußere Spitze 506 des Gesteinsankers 502 besitzt eine kleinere Querschnittsfläche.

6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die äußere Spitze 606 des Gesteinsankers ist zwar wie bei einem herkömmlichen Anker stumpf ausgeführt, die Spitze 608 besitzt aber unterhalb des äußeren Endes eine modifizierte Geometrie. Die Schneckenform dieser modifizierten Geometrie zeigt ihre Wirkung, wenn die Spitze 608 in das Verpressmaterial oder in den Behälter mit dem Verpressmaterial eingeführt wird. Sobald der Behälter zerreißt, wird der Mörtel durch die schneckenförmige Geometrie der Spitze durchmischt und nach unten den Gesteinsanker 602 entlang geschoben.

Die tatsächliche Geometrie der Anstiegskante des Ankers, die Schneckensteigung und weitere physikalische Anforderungen des in 5 und 6 beispielhaft dargestellten Gesteinsankers können auf Grundlage des Durchmessers des Ankers, des Durchmessers der Pilotbohrung, der Viskosität des Mörtels, der Ankereinführgeschwindigkeit und der Ankerrotationsgeschwindigkeit ausgelegt werden. Die Aufgabe bei der Auslegung der Geometrie der Spitze ist es, die Geometrie in Bezug auf diese Betriebsparameter so zu optimieren, dass der Fluss des Mörtels um den Anker maximiert und der Grad des Druckanstiegs des Mörtels in der Pilotbohrung minimiert werden.

9 zeigt einen Gesteinsanker 902 mit Rockwellhärte HRB-E, wie er in der Patentanmeldung US 10/919,271 beschrieben ist und welcher zum Schneiden einer Pilotbohrungsrille Vorsprünge 910 an der Spitze 908 besitzt, jedoch ohne schneckenförmige Modifikation. Der Gesteinsanker 902 mit Rockwellhärte HRB-E umfasst eine äußere Spitze 906 in abgeflachter Form. Beim Einführen des Gesteinsankers 902 mit Rockwellhärte HRB-E in eine Bohrung stellen die Vorsprünge 910 eine Rille in der Bohrungswand her und erzeugen Bohrklein, das sich mit dem Mörtel vermischt.

10 zeigt einen Gesteinsanker 1002 mit Rockwellhärte HRB-EP, welcher eine Spitze 1008 umfasst, die nach einer Ausgestaltung der Erfindung so modifiziert ist, dass sie für den Transport des Verpressmaterials die Form einer Schnecke besitzt. Auch der Gesteinsanker 1002 mit Rockwellhärte HRB-EP umfasst Vorsprünge 1010 und eine äußere Spitze 1006 in abgeflachter Form

11 zeigt eine grafische Darstellung mit einem Vergleich zwischen einem durchschnittlichen Haltefaktor (der Verankerungskraft eines installierten Gesteinsankers) und dem Ankertyp, und zwar für einen in 9 gezeigten Gesteinsanker 902 mit Rockwellhärte HRB-E, einen in 10 gezeigten Gesteinsanker 1002 mit Rockwellhärte HRB-EP sowie für standardmäßige Gesteinsanker DP103 und DP125. Wie 11 zeigt, ist der durchschnittliche Haltefaktor des Gesteinsankers 1002 mit Rockwellhärte HRB-EP von beispielsweise 1,01 Tonnen/Zoll größer als der der anderen Gesteinsanker. 11 zeigt, dass der Gesteinsanker 1002 mit Rockwellhärte HRB-EP und einer Spitze 1008 mit einem Pumpmerkmal nach einer Ausgestaltung der Erfindung eine beständigere Verankerungsleistung erzeugte als der Gesteinsanker 902 mit Rockwellhärte HRB-E, bei dem es sich zwar um einen ähnlichen Anker handelt, der aber nicht das Pumpmerkmal besitzt. Ohne an eine Lehrmeinung gebunden sein zu wollen, scheint es, dass durch das Pumpmerkmal der Mörtelfluss derart geleitet wird, dass die Durchmischung des Bohrkleins verstärkt und die im Test beobachteten Ergebnisse erzielt werden.

Das Mörtelpumpmerkmal der Gesteinsanker nach verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung kann in Verbindung mit anderen gewendelten Gesteinsankerverbesserungen verwendet werden, um den Mörtelfluss zu verbessern und den vor dem Anker bei der Ankereinführung entstehenden Druck zu reduzieren, was einen Mörtelverlust seitlich in die Schichten bewirken könnte. Diese Verbesserungen können die unten beschriebene Hinzufügung eines Merkmals für die Durchbohrung der Mörtelpatrone sowie die Verwendung eines Bewehrungsstabs mit gewindeähnlicher Form umfassen, um den Fluss von Mörtel in Richtung des Ankerkopfes zu begünstigen und das Druckgefälle im Mörtel zu reduzieren.

Nach einem weiterem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Druckgefälle in dem in 4 gezeigten Bereich II dadurch reduziert oder beseitigt, dass das stumpfe kolbenartige Ende eines typischen Gesteinsverpressankers durch eine modifizierte Spitze ersetzt wird, welche eine äußere Spitze mit einer Geometrie besitzt, die die Mörtelpatrone schnell zerreißt. Ein früheres Zerreißen der Patrone verringert den in dem in 4 gezeigten Bereich II erreichten Höchstdruck, wobei es sich bei diesem Bereich um den Zeitraum handelt, in dem der Mörtel am schnellsten mit Druck beaufschlagt wird. Mit Hilfe dieser neuen Geometrie kann verhindert werden, dass der Mörteldruck eine Größe annimmt, die ausreicht, durch Zerreißen der Mörtelpatrone in der Bohrung zu einer Bruchbildung des umgebenden Gesteins zu führen. Die Erfinder haben in der Grube von San Juan in New Mexico Versuche durchgeführt, welche zeigen, dass ein frühes Zerreißen der Patrone einen Druckaufbau verhindert und die Möglichkeit einer hydraulischen Bruchbildung im Substrat verringert, in das der Gesteinsanker eingeführt wird, was einen Mörtelverlust verursachen und einer vollständigen Umhüllung hinderlich sein würde.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Geometrie der Spitze des in 7 gezeigten Gesteinsankers 702 die Form eines Meißels. Diese Form ermöglicht das schnelle Zerreißen eines Behälters mit Verpressmaterial in einer Pilotbohrung, sobald der Gesteinsanker in dieselbe eingeführt wird. Eine derartige Konfiguration erhält die außerordentliche Festigkeit der Spitze des Gesteinsankers 708 aufrecht und kann den Mörtelbehälter durchbohren, ob sich dieser dreht oder nicht.

8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das äußere Ende 806 der Spitze 808 des Gesteinsankers 802 dieser Ausgestaltung umfasst eine Vielzahl von Durchbohrungsmerkmalen für eine Zerreißgeometrie. Mit dieser Ausgestaltung kann der rotierende oder nicht rotierende Mörtelbehälter durchbohrt werden; dieser kann rotieren oder nicht rotieren, sollte beim Einführen jedoch vorzugsweise rotieren.

Die Anstiegskantengeometrie des Gesteinsankers gemäß 7 und 8 kann bestimmt werden, indem die Festigkeit der Hülle der das Verpressmaterial enthaltenden Patrone, der Durchmesser der Patrone, der Durchmesser der Pilotbohrung, die Viskosität des Mörtels, die Ankereinführgeschwindigkeit und die Fähigkeit der verfügbaren Herstellprozesse, eine spezielle Geometrie zu erzeugen, gemessen werden. Das Ziel dieser Ausgestaltungen der Erfindung ist es, die Geometrie des Ankerendes in Bezug auf diese Betriebsparameter so zu optimieren, dass das Zerreißen der Mörtelpatrone beschleunigt und der endgültige Mörteldruck in der Pilotbohrung minimiert werden.

12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit der Abbildung eines Gesteinsankers 1202, welcher eine schneckenförmige Spitze 1208 zum Transport des Verpressmaterials, eine äußere Spitze 1206 mit einer Reißgeometrie und einer Vielzahl von Durchbohrmerkmalen zum Zerreißen eines Behälters mit Verpressmaterial sowie Vorsprünge 1210 an seiner Spitze 1208 zum Ausbilden einer Rille in einer Bohrungswand umfasst.

Oben wurden verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben. Obwohl diese Erfindung unter Bezugnahme auf diese speziellen Ausgestaltungen beschrieben wurde, dienen die Beschreibungen der Veranschaulichung der Erfindung und sollen diese nicht einschränken. Für Fachleute werden verschiedene Modifikationen und Anwendungen möglich sein, ohne dass der in den nachfolgenden Ansprüchen festgelegte Geist und Umfang der Erfindung verlassen wird.

Die aktuelle Anmeldung basiert auf der vorläufigen Patentanmeldung Nr. 60/763,370, die am 31. Januar 2006 beim United States Patent and Trademark Office eingereicht wurde und deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in Gänze enthalten ist.

Was als neu und durch eine Patenturkunde der Vereinigten Staaten schützenswert beansprucht wird, ist Folgendes:


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat, umfassend einen Anker mit einer Spitze mit einer Geometrie, die für den Transport von Verpressmaterialien ab der Spitze den Anker entlang ausgelegt ist. Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat nach Anspruch 1, wobei die Geometrie der Spitze eine Durchmischung der Verpressmaterialien begünstigt. Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat nach Anspruch 1, wobei die Geometrie der Spitze den Fluss der Verpressmaterialien um die Spitze begünstigt. Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat nach Anspruch 1, wobei die Geometrie der Spitze den Fluss des Verpressmaterials durch einen zwischen dem Anker und einer Wand einer Pilotbohrung ausgebildeten Ring begünstigt. Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat nach Anspruch 1, wobei die Geometrie die Form einer Schnecke umfasst. Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat nach Anspruch 5, wobei die Schneckenform in Form und Steigung in Bezug auf den Durchmesser des Ankers, den Durchmesser der Pilotbohrung, die Viskosität des Verpressmaterials, die Ankereinführgeschwindigkeit relativ zu der Pilotbohrung und die Ankerrotationsgeschwindigkeit relativ zu der Pilotbohrung ausgelegt ist. Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat nach Anspruch 1, wobei die Geometrie ferner so ausgelegt ist, dass ein in der Pilotbohrung befindlicher Behälter mit Verpressmaterialien zerrissen wird. Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat nach Anspruch 7, wobei die Geometrie eine äußere Spitze mit einer kleineren Fläche als der Querschnitt des Ankers umfasst. Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat nach Anspruch 1, wobei die Geometrie ferner so ausgelegt ist, dass in einer Wand der Pilotbohrung eine Rille erzeugt wird. Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat nach Anspruch 9, wobei die Geometrie einen Vorsprung umfasst, um in der Wand der Pilotbohrung eine Rille zu erzeugen. Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat, umfassend einen Anker mit einer Spitze mit einer Geometrie, die für das Zerreißen eines in einer Pilotbohrung befindlichen Behälters mit Verpressmaterialien ausgelegt ist. Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat nach Anspruch 11, wobei die Geometrie die Form eines Meißels umfasst. Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat nach Anspruch 11, wobei die Geometrie eine Vielzahl von Durchbohrungsmerkmalen umfasst. Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat nach Anspruch 11, wobei die Geometrie eine schnelle Freigabe des in dem Behälter enthaltenen Verpressmaterials bei Kontakt mit dem Behälter begünstigt. Vorrichtung zur Verstärkung von Substrat nach Anspruch 11, wobei die Geometrie der Spitze eine schnelle Freigabe des in dem Behälter enthaltenen Verpressmaterials bei Drehkontakt mit dem Behälter begünstigt. Gesteinsanker, umfassend eine Welle mit einem Spitzenende, welches wenigstens ein Merkmal aus der Gruppe mit Schneckenform sowie eine äußere Spitze mit einer kleineren Fläche als ein Querschnitt der Welle umfasst. Verfahren zur Stabilisierung von Substrat, umfassend:

– Herstellen einer Pilotbohrung in einem Substrat,

– Bereitstellen eines Verpressmaterials in der Pilotbohrung,

– Einführen eines Ankers in die Pilotbohrung und in das Verpressmaterial, wobei der Anker eine Spitze mit einer Geometrie umfasst, die für den Transport von Verpressmaterialien ab der Spitze den Anker entlang ausgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Spitze wenigstens eine Schneckenform für den Transport von Verpressmaterialien umfasst. Verfahren nach Anspruch 18, welches ferner die Einführung des Ankers in die Pilotbohrung bei einer Einführgeschwindigkeit unter gleichzeitigem Rotieren des Ankers bei einer Rotationsgeschwindigkeit umfasst, wobei die Schneckenform in Form und Steigung in Bezug auf den Durchmesser des Ankers, den Durchmesser der Pilotbohrung, die Viskosität der Verpressmaterialien, die Ankereinführgeschwindigkeit und die Ankerrotationsgeschwindigkeit ausgelegt ist. Verfahren zur Stabilisierung von Substrat, umfassend:

– Herstellen einer Pilotbohrung in einem Substrat,

– Bereitstellen eines Verpressmaterials in der Pilotbohrung, wobei sich das Verpressmaterial in einem Behälter befindet,

– Einführen eines Ankers in die Pilotbohrung und in das Verpressmaterial, wobei der Anker eine Spitze mit einer Geometrie umfasst, die für das Zerreißen des Behälters zur Freigabe des Verpressmaterials ausgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend das Rotieren des Ankers bei der Einführung desselben.






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