Die Erfindung betrifft einen flexiblen Gebirgsanker, der in beliebiger Länge in Bohrlöcher einführbar ist und an seinem dem Bohrlochtiefsten zugewandten Ende oder auf seiner gesamten Länge, vorzugsweise über Kleber, mit der Bohrlochwandung verbindbar ist.
Gebirgs- oder Felsanker werden - entsprechend dem Verwendungszweck - in unterschiedlicher Länge, mit unterschiedlichem Durchmesser und unterschiedlicher Tragkraft von untertägigen Bauwerken aus in den umgebenden Gebirgsmantel eingebracht, um dessen Eigentragfähigkeit zu erhöhen. Die Erhöhung der Eigentragfähigkeit des die Tunnel oder Grubenbaue umgebenden Gebirgsmantels kann entweder dadurch erfolgen, daß geschichtete, wenig standfeste Gebirgsschichten an darüber befindlichen festeren und kompakteren Schichten "aufgehängt" werden oder daß durch die Tragkraft der Anker (Vorspannung oder durch Gebirgsbewegung aufgebaute Tragkraft) der Reibungsschluß zwischen jeweils benachbarten Schichten und damit die Standfestigkeit des geankerten Gesamtverbandes erhöht wird, daß Gebirgsbewegungen direkt durch den Scherwiderstand der Anker entgegengewirkt wird oder daß die Anker - vergleichbar der Bewehrung im Beton - die Verbandfestigkeit des Gebirges erhöhen.
Um diese Funktionen erfüllen zu können, werden die Gebirgsanker in der Regel an ihrem im Bohrlochtiefsten befindlichen Ende mit besonderen Mechanismen ausgestattet, welche durch Aufspreizen eine Haftung im Gebirge erzeugen, oder mit vorzugsweise Mehrkomponentenklebern an der Bohrlochwandung befestigt. Es gibt auch Einsatzfälle, in denen die Gebirgsanker auf ihrer ganzen Länge im Bohrloch verklebt werden. An ihren freien, aus dem Bohrloch herausragenden Enden werden die Gebirgsanker mit Gewinde und auf diesen angeordneten Muttern oder mit fest an den Ankern angebrachten Schraubenköpfen versehen, über die meist mittels einer Ankerplatte ein Widerlager zur Abstützung der Ankerkraft auf der freiliegenden Gebirgsoberfläche gebildet wird.
Im Tunnelbau dient der Ankerausbau meist dazu, das Gebirge um die unterirdischen Hohlräume herum bis zur Einbringung des endgültigen Ausbaus (meist ein- oder mehrschaliger, häufig bewehrter Beton) standfest zu erhalten und nach Einbringung des endgültigen Ausbaus das "Eigentragverhalten" des umgebenden Gebirgsmantels zu erhöhen. Bei Tunnelbauwerken kann diese Funktion dadurch unterstützt werden, daß eine für das Wirksamwerden des Ankerausbaus optimale Querschnittsform gewählt wird.
Bei Abbauverfahren, z.B. beim Örterpfeilerbau, bei denen nur ein Teil des Minerals gewonnen wird und zwischen den durch die Mineralgewinnung entstandenen Hohlräumen Pfeiler zur Abstützung der überlagernden Schichten in der Lagerstätte verbleiben, ergibt sich der Querschnitt der Grubenbaue meist aus der Lagerstätte selbst und aus dem gewählten Abbauverfahren, so daß die Funktion des Ankerausbaus in diesem Falle nicht durch eine optimale Querschnittsform unterstützt werden kann. Ankerausbau hat sich zur Sicherung der Grubenbaue im Steinkohlenbergbau der Vereinigten Staaten, Kanadas, Australiens und Südafrikas außerordentlich gut bewährt.
Bei der Verwendung des Ankerausbaus in Tunnelbauten oder bei Abbauverfahren, bei denen Pfeiler des abzubauenden Minerals zwischen den Grubenbauen zur Abstützung der überlagernden Gebirgsschichten in der Lagerstätte verbleiben, braucht der Ankerausbau nur verhältnismäßig geringe Gebirgsbewegungen aufzunehmen, die sich aus der elastischen "Rückfederung" des die Hohlräume umgebenden Gebirges und aus plastischen Bewegungen ergeben, welche auf die Spannungs-Umverteilung in der Umgebung der Grubenräume zurückzuführen sind. Beim vollständigem Abbau der Lagerstätte, der im europäischen Steinkohlenbergbau die vorherrschende Abbaumethode ist, entstehen erheblich größere Gebirgsbewegungen, welche eine wesentlich stärkere Zerstörung des die Grubenräume umgebenden Gebirges zur Folge haben. Beim Strebbau, welcher das vorherrschende Abbauverfahren ist, müssen die Abbaubegleitstrecken auch in Zonen aufrechterhalten werden, in welchen infolge des Zusatzdruckes außerordentlich hohe Druckerscheinungen auftreten. Der Zusatzdruck beträgt in diesen Zonen meist ein Mehrfaches des Überlagerungsdruckes.
Diese gegenüber den Tunnelbauten und dem Abbau im Orterpfeilerbau wesentlich erhöhten Druckerscheinungen sind der Grund dafür, daß Ankerausbau im europäischen und insbesondere bundesdeutschen Steinkohlenbergbau nur unter besonders günstigen Nebengesteinsverhältnissen, d.h. bei relativ guter Standfestigkeit des die Grubenbaue umgebenden Gebirges, eingesetzt werden kann. Man hat auch versucht, nachgiebigen Ankerausbau einzusetzen, um den sich beim vollständigen Abbau der Lagerstätte ergebenden höheren Gebirgsbewegungen besser entsprechen zu können. Obwohl diese Versuche seit einer Reihe von Jahren intensiv betrieben wer den, konnte bisher kein durchschlagender Erfolg erzielt werden. Der Anwendungsbereich des Ankerausbaus im deutschen Steinkohlenbergbau ist damit nach wie vor sehr gering.
Die am weitesten verbreitete Bauform von Ankerausbau im Steinkohlenbergbau (sowohl beim Örterpfeilerbau als auch bei vollständigem Abbau der Lagerstätte) besteht aus Ankerstangen, auf deren Oberfläche eine Profilierung aufgewälzt ist, um die Wirkung der Verklebung zu verbessern. Da die Anker der Gebirgsbewegung ausgesetzt sind, können hier nur Werkstoffe eingesetzt werden, welche jenseits der Streckgrenze bis hin zum Bruch über eine ausreichend große Dehnfähigkeit verfügen. Hierdurch wird bei vorgegebenem Ankerquerschnitt die höchste zulässige Belastung auf einen relativ niedrigen Wert begrenzt.
Wegen der beim vollständigen Abbau der Lagerstätte gegenüber dem Örterpfeilerbau erheblich höheren Gebirgsbewegungen werden darüber hinaus auch Anker eingesetzt, die aus Werkstoffen mit außerordentlich hoher Dehnfähigkeit bestehen. Abgesehen davon, daß bei diesen Ankern die höchste zulässige Belastung bei vorgegebenem Ankerquerschnitt gegenüber der am stärksten verbreiteten Bauform noch einmal um ein erhebliches Maß herabgesetzt wird, sind diese Anker wegen des hohen Werkstoffpreises vergleichsweise sehr teuer.
Versuche unternommen worden, Anker mit zwei Durchmessern einzusetzen, bei denen der größere Durchmesser in einer "Zieh-Düse" auf das Maß des kleineren verringert wird. Hierdurch wollte man eine Nachgiebigkeit unter Last erreichen. Abgesehen davon, daß derartige Anker um ein Mehrfaches teurer als Normalanker sind, haben die untertägigen Versuche bisher zu keinem befriedigenden Ergebnis geführt.
Weiterhin wurde vorgeschlagen, Spannbetonlitzen zu verwenden, welche bei vorgegebenem Bohrlochdurchmesser infolge der Verwendung von Werkstoffen hoher Festigkeit den Bau von Ankern erheblich höherer Tragkraft gestatten würden. Sie sind mit Nachgiebigkeitselementen ausgestattet, welche nach dem Reibungsprinzip (analog den bekannten Reibungsstempeln) arbeiten. Sie haben gegenüber allen anderen gegenwärtig im Steinkohlenbergbau eingesetzten Bauformen den Vorteil, daß die Ankerstangen flexibel sind und sich "um die Ecke herum" einbringen lassen. Diese Art der Einbringung ist insbesondere in beengten Bogenräumen wichtig, welche mit Ankern gesichert werden sollen, deren Länge die Abmessungen der Grubenbaue überschreitet. Sie bringt darüber hinaus beim Streckenvortrieb ganz erhebliche technische und wirschaftliche Vorteile mit sich, weil die Anker über der Vortriebsmaschine eingebracht werden können und die heute üblichen Stillstandszeiten vermieden werden können, welche gegenwärtig etwa 50 % der
verfügbaren Laufzeit der Maschinen erreichen. Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung vorerwähnter Nachteile, insbesondere beim vollständigen Abbau von Lagerstätten, die Sicherheit und das Tragverhalten des Ankerausbaus zu verbessern und dessen Anwendungsbereich zu erweitern. Da Gebirgsanker für den Steinkohlenbergbau in sehr großen Stückzahlen benötigt werden ist außerdem angestrebt, diese trotz hoher technischer Anforderungen mit vergleichsweise geringem Aufwand herzustellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die im Kennzeichen des Hauptanspruchs aufgeführten Merkmale vorgeschlagen. Die zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagenen Mittel sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Lamellenanker verbindet in seinen verschiedenen Ausführungsvarianten die Vorteile der bekannten Bauformen unter Vermeidung ihrer Nachteile und weist darüber hinaus einen erheblichen Überschuß gegenüber diesen Bauformen in Bezug auf sein gebirgsmechanisches Verhalten und eine kostengünstige wirtschaftliche Herstellung auf.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an Hand der Zeichnung näher beschrieben, und zwar zeigt:
Auf Abb. 1 ist ein Lamellenanker in einem Bohrloch 1 dargestellt, welcher nur im Bereich des Bohrlochtiefsten 2 mit der Bohrlochwandung verklebt ist. Der Kleber 3 ist in bekannter Weise aus mehreren Komponenten aufgebaut, welche in einer Patrone in getrennten Hohlräumen enthalten sind. Die Patrone wird ins. Bohriochtiefste geschoben und durch den nachgeführten Anker zerstört. Hierbei erfolgt die Mischung entweder durch Drehen des Ankers oder - bei neueren Entwicklungen - selbsttätig, indem die beiden Kleberkomponenten ineinander penetrieren.
Der Anker selbst besteht aus nebeneinander angeordneten Blechlamellen 4, die vorzugsweise aus endlosen Bändern unterschiedlicher Breite und/oder unterschiedlicher Stärke hergestellt werden. Hierbei wird für das Lamellenpaket eine solche Form gewählt, daß der Querschnitt des Lamellenankers einem Kreisquerschnitt möglichst nahe kommt. Die Differenz zwischen dem Durchmesser dieses Hüllkreises und dem Bohrlochdurchmesser ergibt sich aus der Größe des Ringraumes, welcher für den Kleber benötigt wird.
An seiner im Bohrlochtiefsten angeordneten Seite sind die unterschiedlich langen Lamellen tannenbaumförmig aufgefächert 5, um eine möglichst große Haftfläche für den Kleber abzugeben, jede einzelne Lamelle zu verkleben und durch Drehen des Lamellenankers eine besonders gute Vermischung der Komponenten des Klebers zu erreichen. Hinter der tannenbaumförmigen Auffächerung sind die Lamellen über einen Ring 6, welcher aufgepreßt sein oder auch eine gewisse Relativbewegung der Einzellamelle zulassen kann, formschlüssig miteinander verbunden.
Am streckenseitigen Ende des Lamellenankers ist im Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 1 eine Hülse 7 über die freien Enden der Lamellen geschoben, welche mit ihrer einen Seite in das Bohrloch hineinragen kann und an ihrem freien, streckenseitigen Ende ein Bauelement 8 - vorzugsweise einen Schraubenkopf - trägt, welcher die Ubertragung eines Drehmomentes durch von außen angreifende Werkzeuge erlaubt, um den Mischvorgang der Kleberkomponenten zu begünstigen. Die Hülse kann mit den Lamellen verschweißt sein, sie kann aufgepreßt oder auf andere Weise mit dem Anker verbunden werden. Im Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 1 erfolgt die Verbindung durch Schweißnähte 9, es kann jedoch auch eine Punkt- oder Buckelschweißung benutzt werden. Der Kragen des Bauelementes 8 des Lamellenankers stützt sich auf der Ankerplatte 10 ab, die in bekannter Weise ausgewölbt ist, um unterschiedliche Winkel zwischen Anker und Ankerplatte zu ermöglichen.
Auf Abb. 2 ist eine Konstruktionsvariante der tannenbaumförmigen Auffächerung des im Bohrlochtiefsten befindlichen Ankerendes 5 dargestellt, bei der die einzelnen Lamellen maschinell profiliert sind 11, um dem Kleber eine größere Oberfläche darzubieten und bei Zugbeanspruchungen die Haftung zu begünstigen. Im Herstellungsprozeß wird die maschinelle Profilierung während der Fließfertigung aus Bändern mit dem Ablängvorgang verbunden.
Die Befestigung der einzelnen Ankerlamellen untereinander erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch eine elektrische Punktschweißung 12.
Anker werden häufig als "vollverklebte Anker" eingebracht, d.h. vor dem Anker werden mehrere Klebepatronen in das Bohrloch eingeführt, so daß der Hohlraum zwischen Anker und Bohrlochwandung auf der gesamten Ankerlänge mit Kleber ausgefüllt wird. Um einen der wesentlichen Vorteile des Lamellenankers, nämlich hohe Schubbewegungen, aufnehmen zu können, dabei nicht einzubüßen, wird der Anker gemäß Abb. 3 in diesen Fällen mit einem Kunststoffschlauch 13 überzogen. Hierdurch wird erreicht, daß sich bei Schubbeanspruchungen die einzelnen Ankerlamellen trotz Vollverklebung gegenüber dem Kleber und auch untereinander axial bewegen können.
In Abb. 4 ist der Lamellenanker in einer Belastungsform dargestellt, die in Abbaustrecken, welche unter hohe Druckeinwirkungen geraten, besonders häufig anzutreffen ist. Bei den Druckbeanspruchungen wird die Festigkeit der den Streckenhohlraum umgebenden Schichtenpakete an vielen Stellen überschritten, so daß sich die Spannungen über Bewegungen auf den entstandenen Bruchflächen abbauen. Bei diesen Relativbewegungen zwischen den einzelnen Gebirgsschichten werden eingebrachte Anker in besonders hohem Maße Schubbelastungen unterworfen. Sie müssen den Bewegungen der Gebirgsschichten über relativ große Wege hinweg folgen können, ohne dabei zerstört zu werden. Infolge des Lamellen-Aufbaus ist der der Erfindung zugrundeliegende Gebirgsanker in der Lage, diese Schubbewegungen aufzunehmen, ohne daß allzu große Dehnungen in den Einzellamellen auftreten, welche zu Anrissen und damit zum Bruch führen könnten. Lamellen, die im Bereich 14 "Außenfasern" des Biegevorganges bilden, stellen im Bereich 15 "Innenfasern" dar. Da sich die Einzellamellen im Gegensatz zu einteiligen Gebirgsankern gegeneinander axial verschieben können, treten bei dieser S-förmigen Verbiegung keine allzu hohen Spannungen in den einzelnen Bauelementen auf.
Der Lamellenanker verhält sich bei Schubbeanspruchungen, deren Richtung in der Lamellenebene liegt, ähnlich wie bei den in Abb. 4 dargestellten senkrecht zur Lamellenebene wirkenden Schubkräften. Die Einzellamellen weichen bei der Beanspruchung in Lamellenebene gemäß einer Grundregel der Mechanik in die Ebene des geringsten Widerstandsmomentes aus, so daß sie im Bohrloch tordieren und sich anschließend gemäß Abb. 4 verhalten. Das bedeutet, daß die Vorteile des Lamellenankers in allen Richtungen möglicher Schubbeanspruchungen voll wirksam werden. Keine der bisher bekannt gewordenen eingesetzten bzw. vorgeschlagenen Bauformen von Gebirgsankern erreicht auch nur annähernd die Schubbelastbarkeit des Lamellenankers.
Auf Abb. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für einen nachgiebigen Lamellenanker dargestellt. Die Nachgiebigkeit des Ankerausbaus ist in den Abbaustrecken, in denen im streckennahen Bereich relativ große Gebirgsbewegungen stattfinden, außerordentlich vorteilhaft. Sie gestattet es ferner, Anker höherer Werkstoffqualitäten einzusetzen, die meist über geringere Bruchdehnungen verfügen. Durch die höheren Werkstoffqualitäten wird die Tragkraft der Anker wesentlich erhöht, der Nachteil der geringen Dehnung wird durch die Nachgiebigkeit mehr als ausgeglichen. Im Ausführungsbeispiel.-gemäß Abb. 5 ist die über die streckenseitigen Lamellenenden geschobene Hülse 7 mit hoher Druck kraft aufgepreßt, so daß die Haftung der Hülse an den Lamellen größer ist als die Bruchkraft des Ankers. Maschinen, mit denen Hülsen auf Seile oder Stab- bzw. Blechbündel mit derartig hohen Haftkräften aufgepreßt werden können, sind an sich bekannt. Auf dem Außenmantel der Hülse 7 ist ein konischer Servoring 16 angeordnet, welcher bei Belastung in einen Spannring 17 eintaucht. Hierbei sind die jeweiligen Berührungsflächen so ausgebildet, daß die Reibung zwischen den Ringen 16 und 17 klein, die Reibung zwischen dem Ring 16 und der Oberfläche der Hülse 7 dagegen sehr groß ist. Bei Belastung läuft demzufolge zunächst der Ring 16 in den Ring 17 bis zum Anschlag 18 ein. Hierbei wird der Ring 17 gespannt, so daß eine hohe Normalkraft und damit auch eine hohe Reibkraft entsteht. Der Reibvorgang zwischen der Oberfläche der Hülse 7 und dem Servoring 16 kann ein Mischvorgang zwischen Reibung, Oberflächenverformung und Fressen sein, da der Bewegungshub während der Standzeit des Ankers nur einmal durchfahren wird.
Die aufgepreßte Hülse 7 trägt an ihrem freien Ende einen Schraubenkopf 19, um durch von außen angreifende Werkzeuge die für den Mischvorgang der Kleberkomponenten notwendigen Drehbewegungen erzeugen zu können.
Auf Abb. 6 ist eine besonders fertigungs- und kostengünstige Bauform für das in die Strecke hineinragende Ende des Lamellenankers dargestellt. Die Lamellen 4 werden zunächst durch elektrische Punktschweißung 20 fest miteinander verbunden. Anschließend wird unter Ausnutzung der durch die Punktschweißung entstandenen starken Erwärmung durch von außen angreifende Preßwerkzeuge eine Zylinderform 21 hergestellt, auf welcher der in Abb. 6 nicht dargestellte Servoring 16 und der ebenfalls nicht dargestellte Spannring 17 angeordnet werden können. Durch diese konstruktive Ausführungsform ergibt sich bei der Massenherstellung ein besonders kostengünstiger nachgiebiger Lamellenanker.
Abb. 7 zeigt einen Querschnitt durch das Lamellenpaket 4. Die Einzellamellen, die vorzugsweise in einem kontinuierlichen Fertigungsprozeß aus Blechbändern geschnitten werden, können einen Rechteckquerschnitt haben oder - wie in Abb. 7 dargestellt - schräge, sich dem Hüllkreis besser annähernde Außenkanten 22 besitzen. Für die einzelnen Lagen können die Außenkanten bei dem vorbeschriebenen Fertigungsprozeß durchaus in unterschiedlichen Winkeln geschnitten werden. Auf diese Weise wird der tragende Querschnitt des Ankers besonders groß. Er erreicht praktisch den Querschnitt von vergleichbaren Ankerstangen, hat jedoch durch seinen lamellaren Aufbau die außerordentlich wichtigen vorbeschriebenen Vorteile der besseren Aufnahme von Schubbelastungen und -bewegungen.
Auf Abb. 8 ist eine Befestigungsform zwischen dem Lamellenpaket 4 und der am streckenseitigen Ende des Lamellenankers angeordneten Hülse 7 dargestellt, bei der das Lamellenpaket aufgespreizt und ein Keil 23 in die Hülse eingetrieben wird. Die Hülse 7 ist hierbei im Bereich 24 vorzugsweise leicht aufgeweitet, so daß sich ein einwandfreier Formschuß zwischen dem Lamellenpaket 4 und der Hülse 7 ergibt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 9 wird der gleiche Formschluß dadurch erreicht, daß das Lamellenpaket und auch die Hülse 7 im Bereich 24 durch einen nicht dargestellten Werkzeugdorn aufgeweitet werden und der sich hierbei ergebende Hohlraum anschließend durch Kleber oder eingegossenes Metall 25 verfüllt wird.
Auf Abb. 10 ist eine besonders schwierige Ausbausituation in einem Streb dargestellt, in der das Strebhangende 26 vor der Kappenspitze des Ausbaus 27 ausgelaufen ist. Insbesondere in geringmächtigen Flözen ist es in derartigen Fällen aus sicherheitlichen Gründen empfehlenswert, Gebirgs anker 4a zu setzen, deren Länge größer als die Streböffnung ist. Dies kann in besonders einfacher Weise mit Lamellenankern geschehen, die abgewinkelt 28 in die Ankerbohrlöcher eingeführt werden.
Aus Abb. 11 ist zu entnehmen, wie durch das abgewinkelte Einführen 28 der Lamellenanker 4a in einem Aufhauhen Anker gesetzt werden können, deren Länge größer ist als die Flözmächtigkeit.
Besonders vorteilhaft wirkt sich Ankerausbau mit Lamellenankern gemäß Abb. 12 in Streckenvortrieben aus. Hier wird es durch das abgewinkelte Einbringen 28 der flexiblen Lamellenanker 4a möglich, den Ankerausbau über der Vortriebsmaschine 29 über geeignete, auf Abb. 12 nicht dargestellte Hilfseinrichtungen einzubringen, ohne daß die Vortriebsmaschine - wie bisher - für das Setzen der Anker stillgesetzt werden müßte. Da die Zeit für das Einbringen des Ausbaus im Mittel aller maschinellen Abbaustreckenvortriebe oftmals größer ist als die Schneidzeit, würden sich durch die Verwendung von Lamellenankern die Vortriebsgeschwindigkeiten in den Abbaustrecken mehr als verdoppeln lassen.