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Vorrichtung zur Abdichtung von Gasabsaugebohrlöchern in Bergwerksbetrieben
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Abdichtung der Rohre von Gasabsaugebohrlöchern
in Bergwerksbetrieben mittels einer nach außen durch eine elastische Gummi- oder
Kunststoffmanschette abgeschlossenen und das Rohr umgebenden aufweitbaren Ringkammer.
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Als wirksames Mittel zur Bekämpfung von Schlagwetteransammlungen hat
sich die Anwendung der sogenannten Absaugungen von hauptsächlich CH4 mittels Bohrlöchern
im Hangenden oder Liegenden erwiesen. Dabei ist das Abdichten der sogenannten Standrohre
gegenüber dem Wetterstrom von entscheidender Bedeutung. Die Wirksamkeit und das
Gasausbringen dieser Bohrlöcher zum Absaugen von Grubengas aus dem Nebengestein
hängt einmal davon ab, daß die Bohrlöcher mit entsprechender Neigung und Länge in
die Zonen großen Gasreichtums gebracht und zum anderen aus. wirtschaftlichen Gründen
jede Bohrung auch aktiv zum Absaugen gebracht werden kann.
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Die Abdichtung erfolgt im Innern des Gasbohrloches und hat die Aufgabe,
das eingebrachte Stahlrohr (Bohrstandrohr) gegen das es im oberen Teil umgebende
Kohlengebirge (Sandstein, Ton- und Sandschiefer, Tonstein und Kohle) abzudichten.
Zweck der Abdichtung ist der, das im Gebirge anstehende Methangas möglichst in seiner
vollen Konzentration und Menge hereinzugewinnen, damit es später als Energiequelle
verwendet werden kann. Das Methan befindet sich über und unter dem abzubauenden
Kohlenflöz in tektonisch verschiedenartig beschaffenen Schichtenzonen: 1. in einer
direkt über dem Flöz liegenden, stark durch den Abbaudruck (Kämpferdruck) zerstörten
Schichtfolge und 2. in einer weniger, lediglich durch die ursprünglich in ihr vorhandenen
Risse und Klüfte gestörten Zone.
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Das einzubringende Gasabsaugebohrloch durchörtert diese beiden Zonen,
wobei sich im Zustand der Absaugung um den oberen Bohrlochteil eine Unterdruckzone
bildet. Hierbei würden aus dem Spaltenraum der stark zerklüfteten Zone Grubenwetter
mit angesaugt, so daß einmal mit nur geringen Unterdrücken abgesaugt werden könnte
(Folge: Mengenverlust an C H4), zum anderen aber auch ein Konzentrationsverlust
des Methans eintreten würde. Um dieses zu verhindern, wird die 1. Zone mit einer
Verrohrung derart versehen, daß bei Anwendung einer entsprechenden Dichtungsart
die beiden Gebirgszonen innerhalb des Bohrloches gegeneinander abgedichtet werden.
Es können demnach mit einer wirksamen Abdichtung keine Wetterkurzschlußströme mehr
aus den Grubenbauen in das Bohrloch eingesaugt werden. Die Abdichtung kommt also
zwischen die beiden, verschieden gestörten Gebirgszonen zu liegen.
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Die bisher im Bergbau üblichen Abdichtungsarten für Standrohre führten
meist nicht zu dem gewünschten Erfolg. Es wurde bei der Zementierungsmethode festgestellt,
daß oft schon kurz nach dem Abbindevorgang des Zement-Staub-Gemisches Undichtigkeiten
auftraten. Die umgehenden Gebirgsbewegungen hatten den Betonblock um das Standrohr
herum zerstört und rissig gemacht, so daß Wetterkurzschlußströme auftraten. Bei
diesem vorbekannten Verfahren kam es mitunter gar nicht zu einer wirklichen Abbindung
des Zementes, da die Gebirgskräfte schon während dieses Vorganges in Erscheinung
traten. Dies trat um so wahrscheinlicher ein, als man die Zementabdichtung in den
Spaltenraum einbrachte, also in jenen Raum, der laufend vom Gebirgsdruck durchbewegt
wird. Andererseits hatten Untersuchungen auf einigen Zechen gezeigt, daß die praktische
Einbringung der Zementtrübe oft nur oberflächlich und unvollständig durchgeführt
wurde. Vor allem wurden vielfach die Mischungen für die Zementtrübe vollkommen falsch
angefertigt, so daß sich häufig nur ein geringmächtiger Sedimentationsmantel um
das Standrohr bildete. Man sieht also, daß diese Methode von sehr vielenUnsicherheitsfaktoren
begleitet wurde.
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Ähnlich verhält es sich mit der Abdichtung mit Hilfe von mit Dichtmaterial
getränkten Binden. Da man heute weiß, daß es bei der Gasabsaugung in der Hauptsache
auf eine vollkommene Abdichtung am oberen Teil der Standrohrsäule ankommt, ist eine
wirksame
Abdichtung mittels solcher Binden in vielen Fällen ebenfalls nicht gegeben. Der
Bindenpfropfen kann sich während des Einbringens - vor allem bei großen Standrohrlängen
- derart verformen, daß nach dem endgültigen Festdrücken der Standrohrsäule durch
die Bohrmaschine eine wirksame Abdichtung kaum erreicht wird.
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Das weiterhin vorbekannte Abdichtungsverfahren mittels Doppelstandrohren
unter Zwischenschaltung von Dichtungsmuffen stellt eine bessere Abdichtungsart dar
als die Zementier- und Bindenmethode. Allerdings ist sie von dem maßgeblichen Nachteil
behaftet, das teuerste aller bisherigen Verfahren zu sein. Zudem ist es bei brüchigen
Hangenden nicht anzuwenden, da hier die Doppelstandrohre wohl kaum auf die notwendige
Länge eingeführt werden können. Ein weiterer Nachteil ist das große Gewicht der
Doppelrohre sowie die für eine sichere Abdichtung erforderliche große Kraft.
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Es ist auch bereits eine Abdichtung für Gasabsaugebohrlöcher bekannt,
bei welcher eine - eine Ringkammer bildende - elastische Manschette, welche die
Rohrwand umgibt, durch Druck eines Mediums gegen das Gebirge angedrückt wird. Allerdings
wird als Medium Druckluft verwendet, deren Druck dauernd überwacht werden muß.
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Hier setzt nun die vorliegende Erfindung ein. und bezweckt, eine derartige
Abdichtung noch zu vereinfachen. Erreicht wird dieses gemäß der vorliegenden Erfindung
dadurch, daß die Ringkammer einen absperrbaren Wasseranschluß zum Rohrinnern hin
aufweist und mit einem vorzugsweise pulvrigen Füllstoff gefüllt ist, der bei Wassereinwirkung
quillt. Es ist an sich zur Abdichtung der Elemente eines Schachtausbaues bekannt,
Manschetten mit selbsthärtenden Kunststoffen zu füllen, doch werden diese Manschetten
erst nach dem Einbau im Schacht gefüllt und die Füllung bläht die Manschetten nur,
wenn sie unter Druck eingebracht wird. Wohl aus diesem Grunde hat der bekannte Vorschlag
keine Anregung zur Ausbildung von Dichtungen für Standrohre in Gasabsaugebohrlöchern
gegeben.
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Die Erfindung kann dadurch vorteilhaft weiterentwickelt werden, daß
die den Füllstoff aufnehmende Kammer an einem beidseitig mit Anschlußgewinde für
ein normales Rohrgestänge versehenen Zwischenstück angeordnet ist und über Rückschlagventile
und Bohrungen mit dem Innern des rohrförmigen Zwischenstückes in Verbindung steht.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das Zwischenstück oberhalb der Bohrungen einen
gegenüber der normalen Innenbohrung des Zwischenstückes verkleinerten Ringsitz für
eine Ventilkugel aufweist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung ergibt sich dadurch, daß der
größte äußere Durchmesser der den Füllstoff aufnehmenden Ringkammer im ungespannten
Zustand nicht über den Außendurchmesser der Anschlußbohrleitung hinausgeht.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn die als Außenwand der Ringkammer dienende
elastische Manschette mittels zweier Fed'erstahlringe am Zwischenstück festgehalten
ist. Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn in den vom Innern des Zwischenstückes zur
Ringkammer gehenden Leitungen für das Druckwasser einstellbare Druckventile angeordnet
sind. Dabei scheint es zweckmäßig, daß für die Einstellung der Druckventile innerhalb
des Anschlußgewindes des Zwischenstückes ein Gewindestellstück eingeschraubt ist,
das als verstellbares Gegenlager für die Druckfedern der Ventile dient.
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Ein weiteres Ausbildungsmerkmal wird darin gesehen, daß die die den
Füllstoff aufnehmende Ringkammer abschließende elastische Manschette in ihren Endbereichen
mittels Gewindeprofilierungen innerhalb entsprechender Aussparungen des Rohrprofils
liegt. Auch ist es möglich, daß das Zwischenstück zum Anschluß an beliebige Verrohrungen
mit entsprechenden auswechselbaren Anschlußnippeln ausgerüstet ist.
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Die Erfindung wird an Hand einer Zeichnung, die mehrere beliebige
Ausführungsbeispiele zum Teil schematisch darstellt, näher erläutert. Es zeigt Fig.
1 einen schematischen Querschnitt durch eine Strecke mit Gasabsaugebohrungen und
eingebrachtem Standrohr mit Abdichtung, Fig. 2 die Dichtvorrichtung im Längsschnitt
und Fig.3 die erfindungsgemäße Dichtung in etwas anderer Ausführung.
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Wie Fig. 1 zeigt, wird die Gasabsaugebohrung 25 über die sogenannte
Spaltenraumzone 20 bis in die weniger oder gar nicht gestörten Schichtenzonen 21,
22 und 23 vorgetrieben. Dann wird diese Bohrung, wie mit 26 angedeutet ist, zur
Aufnahme der Standrohre 1 bis in den Bereich der weniger gestörten Schichtenzonen
21, 22 aufgebohrt, wobei die Standrohre im vorderen Bereich beispielsweise mit einer
Bohrkrone 2 versehen sind. Anschließend erfolgt im Punkt 10 die entsprechende
Abdichtung.
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Die erfindungsgemäße Abdichtung wird in Verbindung mit der Bohrstandrohrmethode
an Hand der Fig. 2 näher beschrieben. Sie läßt sich aber genauso für alle bisher
in Anwendung stehenden Verrohrungsarten verwenden, ohne daß der Grundgedanke der
vorliegenden Erfindung verlassen wird. Die Dichtung besteht im wesentlichen aus
einem zwischen Bohrstandrohrgestänge 1 und Bohrkrone 2 einschraubbaren Zwischenstück
3, welches die neue Abdichtung aufnimmt. Der Abdichtungsgedanke besteht darin, ein
zwischen einem Rohrstück und einer Manschette eingebrachtes Füllstoffpulver mit
Hilfe von Wasser zum Quellen zu bringen, so daß sich die Manschette fest an die
Bohrlochwand anlegt und somit auf unbegrenzte Zeit eineAbdichtung zwischen Gebirge
und Bohrstandrohr erzeugt wird.
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Das Zwischenstück 3 besteht aus dem Rohrstück 4 und dem Verbindungsnippel
5. Das Rohrstück 4 hat hat am oberen Ende ein Innengewinde zum Verschrauben mit
der Bohrkrone 2 sowie am unteren Ende ein Außengewinde zum Verschrauben mit dem
Verbindungsnippels. Im oberen Teil des Zwischenstückes 3 sind im Innenraum Bohrungen
6 vorgesehen, über die Druckwasser zu Druckventilen 7 gelangt. Diese Druckventile
7 sitzen in Bohrungen des Rohrstückes 4 und bestehen in an sich bekannter Art aus
dem Ventilkörper, dem Ventilkegel und einer Druckfeder. Die Druckfeder des Ventils
ist auf einen bestimmten Wasserdruck eingestellt. Die Ventile werden in der Bohrung
durch den Nutring 11 abgedichtet. Die Ventile 7 werden durch den Distanzring 13
in ihrer Lage gehalten. Dieser Distanzring ist mit einem Gewinde verschraubbar und
kann daher in seiner Lage der jeweils gewünschten Federkraft angepaßt werden, wodurch
letzthin die Möglichkeit gegeben ist, sich dem Wasserdruck in der Streckenwasserleitung
anzugleichen. Das Druckwasser gelangt aus den Ventilen 7 in Wasserkanäle 14, vor
deren
unteren Öffnungen ein Siebring 15 angeordnet ist. Dieser dient
dem Zweck, das Eindringen von Füllpulver in die Kanäle 14 zu verhindern. Der unter
den Wasserkanälen liegende Ringraum 9, gebildet aus der Rohrwandung des Rohres 4
und der in den beiden Gewinden 16 verschraubten Kunststoffmanschette 17, enthält
das Füllstoffpulver 18. Die Manschette 17
wird oben und unten jeweils
über ihrem Gewindeteil von zwei Stahlbandagen 19 von außen her festgehalten.
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Die der Abdichtung des Bohrstandrohres 1 gegenüber dem aufsteigenden
Druckwasser dienende Dichtkugel 26 aus Gummii oder Kunststoff liegt, durch den Druck
des durch die Pfeile 8 angedeuteten Wassers festgehalten, in dem Ringsitz
27 in der Bohrkrone 2.
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Das Einfüllen des Füllpulvers 18 kann auf folgende Weise erfolgen:
Auf das Rohrstück 4 ist die Manschette 17 aufgeschraubt worden. Danach wird der
Siebring 15 zum Verschließen der Wasserkanäle 14 eingelegt. Das Füllpulver
18 wird nun in den Ringraum eingegeben und durch Aufstoßen des Rohrstückes
fest zusammengeschüttelt. Der Ringraum wird sodann durch Einschrauben des Verbindungsnippels
5 verschlossen. Der Verbindungsnippe15 hat unten ein Innengewinde, das der Verbindung
mit dem Bohrstandrohr 1 dient. Am oberen Teil nimmt innen ein Gewinde das Rohrstück
4 auf, und ein Außengewinde hält die Manschette 17 fest. Hiernach werden
die beiden Stahlbandagen 19 aufgezogen. Nach Einstellung der Druckventile 7 auf
den zu erwartenden Wasserdruck der Streckenleitung unter Tage ist das Zwischenstück
zur Abdichtung auf Füllstoffbasis einsatzfähig und kann zwischen Bohrkrone 2 und
Bohrstandrohrgestänge 1 eingeschraubt werden.
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Das eigentliche Gasabsaugebohrloch 25 wird in der üblichen Weise beispielsweise
mit einem Druckmesser von 65 mm zur Endteufe hochgestoßen. Danach erfolgt das Nachschneiden
auf etwa 85 mm Durchmesser und gleichzeitig Verrohren des Bohrloches bis zur festgelegten
Abdichtungsteufe (ermittelt durch die Sondenmessung). Vorher wurde zwischen Bohrkrone
2 und erstes Bohrstandrohr Gestänge das Abdichtungszwischenstück 3 mit der Füllstoffpackung
eingeschraubt, nachdem die Druckventile 7 auf den mit der Streckenwasserleitung
erreichbaren Druck eingestellt wurden. Ist zum Beispiel der mit Sicherheit zu erreichende
Maximaldruck in der Streckenwasserleitung 12 at, so werden die Ventile mit Schraubenfedern
von 10 at Öffnungsdruck ausgerüstet. Das Einsetzen der Federn kann bei bekanntem
Streckenleitungsdruck bereits über Tage vorgenommen werden. Beim Nachschneiden und
Erweitern des Bohrloches mit dem Bohrstandrohr darf nun nicht mit einem Spülwasserdruck
gefahren werden, der gleich oder größer als 10 at ist. Die Regulierung und Einhaltung
dieser Druckbegrenzung des Spülwasserstromes während des Bohrens geschieht mit Hilfe
des am Bohrtisch angebrachten, nicht näher dargestellten Regulierventils mit Manometeranzeige.
Diese Maßnahme erfüllt den Zweck, daß während des Bohrens und Setzens des Standrohres
der Dichtmechanismus nicht ausgelöst werden kann.
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Ist die vorgesehene Abdichtungsteufe erreicht, so wird das Bohrstandrohr
festgelegt und von der Bohrspindel der Maschine gelöst. Danach wird die Dichtkugel
26 aus Gummi oder Kunststoff (gegebenenfalls mit Stahlkerneinlage) in das Bohrstandrohr
1 eingeführt. Nun wird Spülwasser von einem höheren Druck als 10 at aufgegeben.
Der Wasserstrom schleudert die Dichtkugel 5 nach oben in den Ringsitz 21 der Bohrkrone
und verhindert den Wasserabluß ins Gebirge. Gleichzeitig gelangt das Wasser durch
die Öffnungen 6 zu den Druckventilen 7, welche sich bei dem nunmehr größeren Druck
als 10 at öffnen und den Weg über die Wasserkanäle 14 zum Füllstoffringraum 9 freigeben.
Unter Wassereinwirkung beginnt nun die Füllstoffmasse zu quellen und preßt die Kunststoffmanschette
17 gegen die Bohrlochwandung 10. Die Ventile 7 bleiben so lange unter Druck,
bis nach empirischen Wertem das gesamte Füllpulver aufgequollen ist. Danach wird
das Wasser abgelassen und die heruntergefallene Dichtkugel 26 dem Bohrstandrohr
1 wieder entnommen. Die Ventile 7 haben sich wieder geschlossen, und der Abdichtungsvorgang
ist beendet.
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Die erfindungsgemäße Abdichtungsart in der vorliegenden Ausführung
läßt sich immer in Verbindung mit der Bohrstandrohnnethode zur Herstellung von Hangend-
und Liegendgasbohrlöchern verwenden. Die Dichtung ist jedoch, entsprechend abgeändert,
wie Fig. 3 zeigt, für alle bisher im Bergbau angewendeten Verrohrungsarten zu gebrauchen.
In diesem Falle ist in das Zwischenstück 3 zur Aufnahme der Dichtkugel 26 ein besonderer
Ringsitz 28 eingeschraubt, wobei ein solcher Gewindebereich 29 frei bleibt, daß
an diesen jeder beliebige weitere Anschluß erfolgen kann.