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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Abbau von Bodenmaterial unterhalb einer Wasseroberfläche mittels
eines Bearbeitungsgerätes,
welches auf einem Schwimmkörper
gelagert ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum
Abbau von Bodenmaterial unterhalb einer Wasseroberfläche zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Es ist bekannt, unter Wasser liegende
Bodenschichten mittels Schürfkübeln an
einer Förderkette
abzubauen. Dieses Verfahren ist jedoch relativ ungenau und bei harten
Bodenschichten nicht besonders leistungsfähig. Zudem führt das
Abbauen mit Schürfkübeln zu
einer erheblichen Belastung der Wasser mit Trübstoffen.
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Aus der
EP 0 819 819 A1 geht ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Entnahme von Gesteinsproben aus
dem Meeresboden hervor. Hierzu wird mit einem Fräskopf mit einem in etwa runden
Bohrquerschnitt von einem Schiff aus in den Meeresboden gebohrt,
wodurch eine punktuelle Probenentnahme erfolgen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu
Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche einen
gezielten und besonders wirtschaftlichen Abbau auch von harten Bodenschichten
unter Wasser ermöglichen.
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Verfahrensmäßig wird die Aufgabe gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
dass eine flächige
Bodenschicht durch mehrmaliges Absenken des Bearbeitungsgerätes zerkleinert
und das zerkleinerte Bodenmaterial an die Wasseroberfläche gefördert wird.
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Ein Grundgedanke der Erfindung liegt
darin, durch Absenken einer bodenbrechenden und -zerkleinernden
Einrichtung von einem Schwimmkörper den
Boden innerhalb eines Abbaufeldes abzutragen und das abgetragene
Material zum Schwimmkörper zu
fördern.
Durch wiederholtes und gezieltes Absenken der bodenabhebenden und
-zerkleinernden Einrichtung wird der Boden innerhalb weiterer Abbaufelder
abgetragen. Indem jeweils gezielt eine Vielzahl von bestimmten Abbaufeldern
abgetragen werden, kann die gewünschte
Bodenschicht effizient abgebaut werden. Insgesamt ist eine vollständige, schichtweise
Abtragung einer Bodenschicht auch beim Vorliegen von hartem Gestein
zu erreichen. Das etwa vertikale Absenken und direkte Abfördern des zerkleinerten
Bodenmaterials sorgen für
eine geringe Belastung der Umgebung der Abbaustelle.
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Grundsätzlich sind zum Abbau von einer
flächigen
Bodenschicht durch mehrmaliges Absenken des Bearbeitungsgerätes eine
Vielzahl von Abbausequenzen möglich.
So können
in einer linearen Abbausequenz beispielsweise die einzelnen Felder
unmittelbar aneinander anschließen.
Es ist jedoch bevorzugt, dass von der Bodenschicht bei jedem Absenken
des Bearbeitungsgerätes
ein Feld etwa senkrecht zur Wasseroberfläche abgebaut wird, dass in einem
ersten Abbauschritt zunächst
primäre
Felder versetzt zueinander abgebaut werden, wobei zwischen den primären Feldern
Bodenmaterial in sekundären
Feldern verbleibt, und dass mit dem zweiten Abbauschritt die sekundären Felder
geräumt
werden. Bei dieser bevorzugten Verfahrensführung bleiben in der Bodenschicht
nach dem ersten Abbauschritt Bodenwände oder Säulen zurück, die zur Führung des Bearbeitungswerkzeugs
dienen können.
Die Gefahr eines Verlaufens des Bearbeitungswerkzeugs kann somit
weitgehend verhindert und die vorgesehene senkrechte Abbaurichtung
beibehalten werden, was einen besonders schnellen und gründlichen
Abbau erlaubt.
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Zweckmäßig ist es hierbei, dass die
primären und
sekundären
Felder schachbrettartig angeordnet werden, da eine solche Anordnung
besonders einfach herzustellen ist. Dabei ist es besonders bevorzugt,
dass die sekundären
Felder kleiner sind als die primären
Felder, da dies eine besonders zuverlässige Führung des Be arbeitungsgerätes erlaubt.
Die Querschnittsfläche
der sekundären
Felder ist insbesondere so bemessen, dass sie geringer als die Abbaufläche des
Bearbeitungsgerätes
ist.
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Grundsätzlich können die primären Felder und
die sekundären
Felder bis zu einer gleichen Tiefe abgeteuft werden. Es ist jedoch
bevorzugt, die primären
Felder und die sekundären
Felder bis zu einer unterschiedlichen Tiefe abzuteufen. Sollte es
erforderlich werden, die Bodenschicht im Anschluss an den zweiten
Abbauschritt in weiteren Abbauschritten nachträglich bis zu einer größeren Tiefe
abzubauen, so können
die nach dem zweiten Abbauschritt verbleibenden Bodenwände oder
Säulen
zur Führung des
Bearbeitungsgerätes
in den darauffolgenden Abbauschritten verwendet werden.
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Grundsätzlich kann das Bearbeitungsgerät beim Abbau
der Felder allein durch die Schwerkraft und die eigene Massenträgheit in
Bearbeitungsrichtung gehalten werden. Bevorzugt wird das Bearbeitungsgerät jedoch
an einer Führungseinrichtung
geführt,
welche vorzugsweise in der Bodenschicht befestigt wird. Sollte die
Führungseinrichtung
beim Abbau der sekundären
Felder vorgesehen sein, so kann diese vorteilhafterweise an den
Seitenwänden
der nach dem ersten Abbauschritt entstandenen Säulen befestigt werden.
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Es ist weiter erfindungsgemäß, dass
das Bearbeitungsgerät
durch ein vorauseilendes Werkzeug geführt wird. Das vorauseilende
Werkzeug kann insbesondere eine Fräse sein. Eine Führung mit
einer Führungseinrichtung
bzw. einem vorauseilenden Werkzeug erlaubt eine besonders genaue
Positionierung des Bearbeitungsgerätes und somit einen gründlichen
Abbau der Bodenschicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann zum Abbau
von Bodenschichten unterhalb jeder natürlichen Wasseroberfläche wie
Seen, Flüsse
und Meere eingesetzt werden. Ein erfindungsgemäßes Verfahren liegt darin,
dass die Wasseroberfläche
durch Fluten eines Tagebaukessels künstlich geschaffen wird. Solche üblicherweise
runden oder ovalen Kessel werden etwa beim Tagebau von Diamanten entlang erloschener
Vulkanschlote verwendet. Die nach unten konisch enger werdenden
Kessel müssen
einen bestimmten Mindestdurchmesser besitzen, damit die für den Transport
des Abbaumaterials benötgten LKW
spiralförmig
am Kesselrand entlangfahren können.
Der Startdurchmesser solcher Kessel legt also die erreichbare Endtiefe
fest. Wird unterhalb der maximal erreichbaren Endtiefe abbaubares
Material entdeckt, so muss der Durchmesser des Kessels vergrößert werden,
um eine größere Endtiefe
zu erreichen, was einen sehr großen Materialabbau mit sich
bringt. Durch das erfindungsgemäße Fluten
der Sohle des Tagebaukessels um einige Meter Höhe ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren
zum weiteren Abbau der Kesselsohle einzusetzen. Somit kann, ohne
Veränderung
der Kesselwandung, eine erhebliche Steigerung der Endtiefe um bis
zu 200 m oder mehr erreicht werden.
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Grundsätzlich kann das zerkleinerte
Bodenmaterial mittels einer Absaugvorrichtung, die eine Pumpe aufweisen
kann, an die Wasseroberfläche gefördert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform
kann jedoch die Förderung
des Bodenmaterials auch durch Zuleiten von Druckluft zum zerkleinerten Bodenmaterial über eine
erste Leitung erfolgen, wobei das Bodenmaterial mit der Druckluft über eine zweite
Leitung abgeführt
wird.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es vorteilhaft, die Position des Schwimmkörpers auf der Wasseroberfläche exakt festzulegen.
Dies kann beispielsweise durch eine aktive Steuerung von Antrieben
des Schwimmkörpers durch
ein Positionsbestimmungssystem geschehen. Besonders bevorzugt ist
es jedoch, dass die Position des Schwimmkörpers durch Einstellen der
Länge von mindestens
zwei Seilen, die den Schwimmkörper
mit dem Ufer oder mit Ankerpunkten verbinden, eingestellt wird.
Dies ermöglicht
eine genaue Festlegung der Position bei einem sehr geringen Energieaufwand.
Die Ankerpunkte können
insbesondere auch am Grund unterhalb der Wasseroberfläche angebracht
sein.
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Eine weitere erfindungsgemäße Verfahrensführung ist
dadurch gekennzeichnet, dass das zerkleinerte Bodenmaterial zur
Gewinnung von Bodenschätzen
einer Separier- oder einer Aufbereitungsanlage zugeführt wird.
Bei den Bodenschätzen
kann es sich beispielsweise um Diamanten oder Edelmetalle handeln.
Grundsätzlich
kann die Separier- oder Aufbereitungsanlage auf dem Schwimmkörper, am
Ufer oder auf einem weiteren Schwimmkörper angeordnet sein. Nach
Durchgang durch die Separier- oder Aufbereitungsanlage kann der
wertlose Teil des Bodenmaterials zu einer Abraumhalde gefördert oder
in die Abbaufelder zurückgeführt werden.
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Die Förderung des zerkleinerten Bodenmaterials
vom Schwimmkörper
zur Separier- oder Aufbereitungsanlage kann kontinuierlich mittels
einer Pumpleitung erfolgen, die im Gewässerbereich schwimmend ausgeführt werden
kann. Alternativ kann eine Übergabestation
am Ufer vorgesehen sein, der das zerkleinerte Bodenmaterial mittels
einer Pumpleitung zugeführt
wird, und die das Bodenmaterial an LKW's übergibt,
welche es zur Separier- oder Aufbereitungsanlage transportieren.
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Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe durch eine
Vorrichtung zum Abbau von Bodenmaterial unterhalb einer Wasseroberfläche mit
einem Bearbeitungsgerät
zum Zerkleinern von Bodenmaterial, einem Schwimmkörper, einem
Hebezeug, mit dem das Bearbeitungsgerät von dem Schwimmkörper auf
den Grund abgelassen werden kann und mindestens einer Förderleitung
zum Fördern
des zerkleinerten Bodenmaterials an die Wasseroberfläche gelöst.
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Bei dem Schwimmkörper der erfindungsgemäßen Vorrichtung
handelt es sich bevorzugt um ein Ponton, ein Schiff oder eine Barke,
wobei der Schwimmkörper
bevorzugt einen Antrieb, wie z.B. eine Schiffsschraube, aufweist.
Bevorzugt umfasst der Schwimmkörper
mindestens zwei steuerbare Seilwinden mit Seilen, die am Ufer oder
an Ankerpunkten befestigt sind. Hiermit kann eine energetisch günstige und
sehr genaue Positionierung des Schwimmkörpers erzielt werden.
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Grundsätzlich kann es sich bei dem
Bearbeitungsgerät
um jedes für
den Bodenabbau geeignete Werkzeug handeln. Besonders bevorzugt ist
es jedoch, dass das Bearbeitungsgerät eine Fräseinrichtung ist, die mindestens
eine Fräse
umfasst. Eine Fräseinrich tung
erlaubt ein besonders effizientes Abbauen und Zerkleinern auch von
sehr hartem Bodenmaterial. Der Abbauquerschnitt der Fräseinrichtung ist
bevorzugt rechteckig, da dies einen vollständigen Abbau der Bodenschicht
erlaubt. Als Fräsen
kommen grundsätzlich
sogenannte Schlitzwandfräsen
in Frage, bei welchen der Antrieb in einem Gestell zwischen den
Fräsenrädern und
der Kranaufhängung angeordnet
ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
weist mindestens eine Fräse
dabei ein Fräsradpaar
auf, was ein besonders effizientes Fräsen ermöglicht.
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Zur Vergrößerung des bei einem einmaligen Absenkens
des Bearbeitungswerkzeuges erzielbaren Bohrquerschnitts ist es besonders
bevorzugt, dass zwei Fräsen
vorgesehen sind, die parallel angeordnet sind. Grundsätzlich ist
es aber auch möglich, drei
oder mehr Fräsen
vorzusehen. Besonders bevorzugt ist es, dass die zwei Fräsen derart
angeordnet sind, dass die Fräsradpaare
achsparallel sind. Dies ermöglicht
eine besonders einfache Konstruktion der Fräseinrichtung. Der Antrieb der
Fräsräder ist bevorzugt
hydraulisch, aber auch sonstige, wie z.B. elektrische oder mechanische
Antriebe, sind denkbar.
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Bevorzugt sind die zwei Fräsen gegeneinander
verschiebbar gelagert. Bei einer Querverschiebbarkeit ermöglicht dies
ein auseinanderschieben und damit einen Zugang zu den innen liegenden
Fräsrädern, was
aus Wartungsgründen
vorteilhaft ist. Ein Zugang zum Wechseln der inneren Fräsräder kann aber
auch dadurch ermöglicht
werden, dass die zwei Fräsen
zumindest teilweise voneinander trennbar ausgeführt werden. Bei einer vertikalen
Verschiebbarkeit ist es mit verschiebbar gelagerten Fräsen möglich, in
einem gegenseitigen Verfahren der beiden Fräsen eine voreilende Fräse zur Führung der gesamten
Fräseinrichtung
zu benutzen.
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Eine besonders genaue Führung des
Bearbeitungsgerätes
beim Abteufen kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
dadurch erzielt werden, dass das Verarbeitungsgerät einen
Füh rungsrahmen
aufweist, der an einer oder mehreren Seiten des Bearbeitungsgerätes angebracht
werden kann. Besonders bevorzugt ist es weiterhin, dass an dem Schwimmkörper ein
Erdbohrer zur Festlegung des Führungsrahmens
am Fräsgrund
vorgesehen ist. Die Befestigung kann jeweils mittels einer Erdbohrschnecke
oder anderer Befestigungseinrichtung durchgeführt werden.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
ist weiterhin dadurch fortgebildet, dass das Bearbeitungsgerät mittels
des Hebezeugs in einer Ebene parallel zur Wasseroberfläche relativ
zu dem Schwimmkörper
bewegbar ist. Hierdurch wird eine besonders genaue Positionierung
des Bearbeitungsgerätes
ermöglicht.
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Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand
der Figuren weiter erläutert.
Es zeigen schematisch:
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1 eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abbau von
Bodenmaterial;
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2 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abbau von
Bodenmaterial;
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3 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abbau von
Bodenmaterial bei gleichzeitiger Darstellung des Gewässergrundes
zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die 1 und 2 zeigen einen Ponton als Schwimmkörper 10,
der auf einer Wasseroberfläche 7 schwimmt.
Ruf dem Ponton ist ein Bearbeitungsgerät 20 angebracht, das
aus einem Rahmen 21 und einer unten liegenden Fräse 22 besteht.
Mittels eines Hebezeugs kann das Bearbeitungsgerät 20 durch eine Öffnung 11,
einen sogenannten Moon Pool, herabgelassen und wieder hinaufgezogen
werden.
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Das Hebezeug umfasst Tragseile 45, 45' die über Umlenkrollen 38, 38' mit Tragseilwinden 46, 46' in Verbindung
stehen.
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Die Umlenkrollen 38, 38' sind an einem
Krangerüst 30 gelagert,
das einen Ausleger 32 umfasst. Außerdem weist das Krangerüst 30 einen
Hydraulikzylinder 31 auf, der eine Einstellung der Position
des Bearbeitungsgerätes 20 erlaubt.
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Dem Bearbeitungsgerät 20 werden
Versorgungsschläuche
bzw. Versorgungsleitungen 41, 41' und 43 zugeführt, durch
welche zerkleinertes Bodenmaterial gefördert und Druckluft und Hydraulikfluid zu-
bzw. abgeführt
wird. Die Versorgungsschläuche 41 bzw. 41' verlaufen über Umlenkrollen 36 vom
Verarbeitungsgerät 20 zu
Trommeln 42 bzw. 42'. Der Versorgungsschlauch 43 verläuft über Umlenkrollen 37, 37' zu der Trommel 44.
Beim Herablassen bzw. beim Hinaufziehen des Verarbeitungsgerätes 20 wird eine
entsprechende Länge
der Versorgungsschläuche 41, 41' und 43 von
den Trommeln 42, 42' und 44 ab-
bzw. aufgewickelt.
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Randseitig an den vier Ecken des
Pontons sind Seilwinden 16, 16', 16'' und 16''' angebracht. Diese
Seilwinden dienen der gezielten Verkürzung bzw. Verlängerung
von Seilen, die mit dem Ufer und/oder Ankerpunkten verbunden sind,
wodurch sich die Position des Pontons genau versetzen und fixieren
lässt.
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Weiterhin sind auf dem Ponton diesel-hydraulische
Aggregate 13, 13' und
eine Kabine 14 für das
Bedienpersonal angeordnet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Abbau einer
Bodenschicht ist in 3 illustriert.
Diese Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung und den darunter
liegenden Gewässergrund 6 beim
Abbau primärer
Felder in einem ersten Abbauschritt. Hierbei wird der Ponton in
einer Richtung bewegt, und dabei durch wiederholtes Absenken des Verarbeitungsgerätes 20 der
Boden innerhalb der primären
Felder 1 bis zu einer Tiefe von etwa 15 Metern abgearbeitet.
Zwischen den primären
Feldern 1 verbleibt in den sekundären Feldern 2 Bodenmaterial
in Form von Säulen.
Die primären
Felder haben beispielsweise eine Länge lP von
3,2 Metern und die sekundären
Felder eine Länge
von lS von 2 Metern. Beide Felder haben
eine Breite b von 3 Metern.
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Die Abbausequenz während eines
Durchgangs des Pontons in X-Richtung
ist mit gestrichelten Pfeilen dargestellt. Zum Erzielen dieser Abbausequenz
kann das Verarbeitungsgerät 20 mittels
des Krangerüstes 30 in
Y-Richtung alternierend versetzt werden. Durch die dargestellte
Abbausequenz ergibt sich nach Abschluss des ersten Abbauschrittes
eine schachbrettartige Anordnung von primären Feldern 1, zwischen
denen kleinere sekundäre
Felder 2 verbleiben. Diese sekundären Felder 2 werden
in einem darauffolgenden Arbeitsgang, bei dem sich der Ponton in
X- oder in Y-Richtung
bewegen kann, durch Absenken des Bearbeitungsgerätes 20 ausgeräumt. Beim
Einsatz unter extremen Witterungsbedingungen kann der gesamte Ponton
oder nur der Kran mit den Versorgungseinrichtungen und der Öffnung eingehaust
werden, insbesondere durch eine Kuppel oder ein Gehäuse.