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Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Belastung mehrteiliger Grubenstempel
Die neuzeitliche Entwicklung der mechanischen Kohlegewinnung stellt immer höher
«erdende Anforderungen an den Ausbau. plan verlangt heute von Grubenstempeln und
Kappen einen möglichst genau bestimmten Widerstand gegen das Absinken des Hangenden.
Je nach Gebirgsverhältnissen, Ausbau- und Versatzart soll der Ausbau einmal sehr
starr sein, z. B. bei Bruchbau, i in anderen Falle bei Vollversatz eine bestimmte
Nachgiebigkeit aufweisen. Ferner muß der Ausbau gegen Überlastung gesichert sein,
wobei es erwünscht ist, daß etwa vor dem Erreichen eines der konstruktionsmäßigen
Tragfähigkeit des Ausbaues entsprechenden Drukkes ein Nachgeben des Ausbaues ohne
Zerstörung und Absinken seiner Widerstandskraft erfolgt. Eine solche Sicherung ist
um so «-ichtiger, je weniger jeweils der Druckverlauf nach erfolgtem Ausbau bekannt
ist.
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Es ist bekannt, daß niemals der volleGebirgsdruck, der dem Gewicht
der gesamten überlagernden Gebirgsschichten entsprechen würde, vom Ausbau aufgenommen
werden kann. Ein solcher Widerstand müßte aber vom Ausbau dein Gebirge entgegengesetzt
@@ erden. wenn man dieses in der ursprünglichen Lage halten wollte, in welcher es
mit seinem ganzen Gewicht auf der Kohle lastete. Erfahrungsgcmäß kommt min aber
das Gebirge nach dem Ausheben cler Kohle durch eine gewisse Absenkung oder Durchbiegung
des Hangenden in sich wenigstens teilweise zum Tragen. Wird dieses je nach der Struktur
der Gebirgsschichten verschiedene NIaß der Absenkung überschritten, so tritt eine
Zerrüttung des Gebirges und damit wieder eine Abnahme der eigenen Tragfähigkeit
ein. Daraus ergibt sich, daß mit zunehmender Absenkung des Hangenden der erforderliche
Ausbauwiderstand zunächst kleiner und dann wieder größer wird.
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lIan hat solchen Verhältnissen bisher insofern Rechnung getragen,
als abgesehen von den bereits erwähnten, im vorliegenden Zusammenhang aber nicht
in Betracht kommenden Fällen, in denen ein starrer Ausbau und damit die Verwendung
von unnachgiebigen Grubenstempeln angebracht ist, mehrteilige Stempel mit mehr oder
weniger großer Nachgiebigkeit verwendet werden. Dabei läßt man im allgemeinen den
Widerstand, mit dem der Stempel
nach <lern Setzen dem Druck des
Hangenden entgegenwirkt, durch eine entsprechende keilförmige Ausbildung des Innenstempels
oder durch Anordnung besonderer, beim Einsinken des Innenstempels mitgenommener
Keilstücke, sogenannter Rutschkeile, verhältnismäßig stark ansteigen. Die volle,
eine weitere Absenkung des Hangenden ausschließende Tragfähigkeit des Stempels ist
dann also schon bald erreicht. Daneben ist es allerdings auch bekannt, den Oberstempel
zunächst in einem bestimmten Ausmaß bei im wesentlichen gleichbleibender Klemmwirkung
einsinken und erst dann Keilstücke zwangläufig mitnehmen zu lassen.
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Die vorliegende Erfindung geht nun von der Überlegung aus, daß es
schon im Hinblick auf eine möglichst leichte, einfache und damit auch billige Konstruktion
des gesamten Ausbaues, insbesondere also der als Stützelemente dienenden Grubenstempel,
von großer Wichtigkeit ist, den Gebirgsdruck mit dem jeweils geringstmöglichen Ausbauwiderstand
aufzunehmen.
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Deshalb wird zweckmäßig nach dem Setzen der Stempel eine Absenkung
des Hangenden jeweils nur bis zum Minimum der Gebirgsdruckkurve zugelassen und darin
ein weiteres Nachgeben der Stempel ganz verhindert oder doch so weit erschwert,
daß eine mit dem anschließenden Verlauf der Druckkurve wieder, und zwar gegebenenfalls
sogar überproportional zunehmende Belastung vermieden wird. In diesem Falle braucht
also die Knickfestigkeit des Stempels nur nach dem betreffenden Mindestdruck zuzüglich
eines erfahrungsgemäß ausreichenden Sicherheitsfaktors bemessen zu werden.
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Die Erfindung, deren Bedeutung weniger in der Erkenntnis dieser Zusammenhänge
als vielmehr in ihrer erstmaligen systematischen Berücksichtigung liegt, besteht
im wesentlichen in einem Verfahren zum Messen und Anzeigen der Belastung eine mehrteiligen
Grubenstempels, derart, daß der Innenstempel nach einem bestimmten, jeweils verschiedenen
Einsinkweg sich gegen den Außenstempel ganz oder annähernd starr abstutzt und daß
dann nach der entsprechenden Absenkung des Hangenden der weitere Druckverlauf in
Abhängigkeit von den maßgebenden Faktoren, wie Zeit, Abbaufortschritt, Struktur
und Spannweite der Gebirgsschichten ('Stempelabstand, Strecken- oder Strebbreite),
durch eine von der Stempelbelastung beeinflußte Meßvorrichtung und ein Anzeige-
oder Registriergerät erniittelt wird.
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Im Zusammenhang mit diesem Verfahren kann der Stempel so ausgebildet
werden, daß Oberstempel und Unterstempel nach dem Setzen, wie an sich bekannt, in
einem bestimmten Ausmaß praktisch ohne Veränderung des jeweils eingestellten Einsinkwiderstandes
ineinander verschiebbar sind. Als weiteres Merkmal zur Durchführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Stempelkopf nach dem vorgesehenen
Einsinkweg des Oberstempels gegen eine etwa auf der Oberseite der Schloßtasche sich
abstützende Hülse zur Anlage kommt. Schließlich sind für jeden Ausbau der gegenseitige
Stempelabstand und die Größe des Einsinkweges der einzelnen Stempel entsprechend
einer solchen Absenkung des Hangenden zu bemessen, bei der im Wege des vorerwähnten
Verfahrens der Kleinstwert derGebirgsdruckkurve ermitteltworden ist.
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Auf der Zeichnung ist in Abb. i graphisch der Zusammenhang zwischen
Gebirgsdruck und Stempelwiderstand und in Abt). z ein mehrteiligerGrubenstempel
zurDurchführung des Verfahrens dargestellt.
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In dem Diagramm der.jlbb. i bezeichnet die Abszisse die Absenkung
des Hang'eriden bzw. den Einsinkweg des Stempels und die Ordinatrr den Gebirgsdruck
bzw. den Stempelwiderstand. Die willkürlich gewählte, im grundsätzlichen Verlauf,
aber den tatsächlichen Verhältnissen erfahrungsgeniiB entsprechende Gebirgsdruckkurve
a nähert sich lieirn Nullwert der Absenkung der Ordinatenachse etwä' asymptotisch,
<l. 1i. die vom Stempel aufzunehmende -Belastung ist entsprechend dem vollen
Gewicht der überlagernden Gebirgsschichteri innerhalb der in Betracht kommenden
Grenzen praktischunendlichgroß. Im Bereich einer verhältnismäßig geringen Absenkung
des Hangenden ninmit der Gebirgsdruck sehr stark ab, diese Abnahme wird dann allmählich
geringer, bis im Punkte L? ein Kleinstwert erreicht ist. Anschließend steigt die
Gebirgsdruckkurve wieder.
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Der Linienzug c stellt den Stempelwiderstand dar. Beim Setzen des
Stempels wird, gewöhnlich durch Einspannen des Oberteils im Schloß, ein bestimmter
Widerstand eingestellt; dieser ist natürlich, was aus den bereits erwähnten Gründen
gar nicht anders sein kann, erheblich geringer als die Belastung durch (las Gebirge.
Damit soll auch nicht der Gebirgsdruck in dem betreffenden Zustande voll aufgenommen,
sondern nur ein plötzliches, die mit Setzen der Stempel beschäftigten Bergleute
gefährdendes Einsinken verhindert werden. Der überschüssige Gebirgsdruck bewirkt
dann ein allmähliches Nachgeben des Stempels, wobei dessen Widerstand in dem hier
angenommenen Falle zunächst gleichbleibt. Abweichend davon ist es vielfach. auch
üblich, den Stempelwiderstand von Anfang an durch Keilwirkung in einem bestimmten
Verhältnis zur fortschreitenden Absenkung des Hangenden ansteigen zu lassen.
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Im Punkte d ist die Grenze der Nachgiebigkeit des Stempels erreicht,
indem der Ober- und der Unterstempel in irgendwie geeigneter Weise unmittelbar oder
über Zwischenglieder sich starr gegeneinander abstützen. Von diesem Punkte an steigt
der Stempelwiderstand in senkrechter Richtung an, also ohne weitere Verkürzung des
Stempels und damit auch ohne weitere Absenkung des Hangenden, bis er die Größe des
in dieser Lage auf dem Stempel lastenden Gebirgsdruckes erreicht hat. An Stelle
eines solchen gebrochenen Linienzuges für den Stempelwiderstand kann auch ein Nachgeben
des Stempels bei gleichzeitiger Zunahme. seines Widerstandes durch Keilwirkung nach
einer schräg verlaufenden Geraden so weit fortgesetzt werden, bis der Ausgleich
zwischen Stempelwiderstand und Gebirgsdruck erreicht ist.
In jedem
Falle muß die volle Tragfähigkeit, also die Knickfestigkeit des Stempels, um ein
gewisses Maß größer sein als derjectige Gebirgsdruck, bei welchem Belastung und
\\-lderstan<Iskrafi sich gegenseitig ausgleichen. In Abb. i ist gerade der günstigste
Fall veranschaulicht, daßGebirgsdruckkurve und Stempelwiderstandslinie sich im Punkte
der geringsten Belastung schneiden. Um diese Verhältnisse nicht nur vereinzelt und
gelegentlich durch Zufall, sondern überall und immer planmäßig zu erreichen, werden
in dem Bereich, dessen Gebirgsdruckkurve ermittelt werden soll, \Ießstempel, etwa
der aus Abb.2 ersichtlichen Art, aufgestellt. Sie bestehen aus einem Oberstempel
r tnit Stempelkopf 2 und einem Unterstentpel3 mit all seinem oberen Ende angeordneter
Schloßtasche d, gegen deren Oberseite sich eine bis zu einem ganz bestirnmtenAbstand
von der Unterseite des Stempelkopfes reichende Hülse 5 abstützt. Die Einspannung
des Oberstempels in der Schloßtasche beine Setzen des Stempels erfolgt in einer
geeigneten, an sich bekannten Weise und braucht deshall> nicht besonders beschrieben
und dargestellt zu werden. Inn Fuß des Unterstempels befindet sich eine Druckmeßdose
6 von ebenfalls an sich bekannter Bauart, mittels der die an einem nicht gezeichneten
Anzeigegerät abzulesende oder von einem Registriergerät aufgezeichnete jeweilige
Belastung des gesetzten Stempels durch den Druck des Hangenden festgestellt wird.
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Die Durchführung des 1Ießverfahrens gemäß der Erfindung erfolgt nun
in der Weise, daß man an mehreren Stellen einer Strecke oder eines Strebes solche
itIeßstempel anordnet, und zwar mit durch entsprechende Längen der Hülse 5 verschieden
großen Einsinkwegen. Es wird dann zunächst unmittelbar nach der jeweiligen Abserkung
des Hangenden die sich ergebende Belastung des starr gewordenen Stempels und anschließend
der «eitere zeitliche Verlauf dieser Belastung während des fortschreitenden Abbaues
beobachtet oder registriert. Außerdem wird in ähnlicher Weise, z. 13. durch einen
verschiedenen gegenseitigen Abstand der einzelnen Stempel, ermittelt, welchen Finfluß
die freitragende Spannweite der Gebirgsschichten bei einer bestimmten Absenkung
des Hangenden auf den von diesem ausgeübten Druck hat.
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Alle so ermittelten Werte «-erden zu einer Gebirgsdruckkurve zusammengestellt,
die dann jeweils fier die vorteilhaftesten .-\uslrttt\-erltältnisse(Stemi)elabstand,
Strecken- oder Strebbreite) sowie eine bestimmte Höhe und Struktur der überlagernden
Schichten auch an anderen Stellen gültig ist. Liegt aber erst einmal eine größere
Anzahl von Gebirgsdruckkurven für die am häufigsten wiederkehrenden Ausbaubedingungen
vor, so kann man für einen neuen Ausbau, notfalls im Wege einer Interpolation aus
den für den betreffenden Fall nächstliegenden Kurven, voll vornherein den Einsinkweg
und die Tragfähigkeit aller hier verwendeten Stempel so bemessen, daß unnötige Belastung
und Stärke derselben vermieden werden.