Schneidkopf (Bergbau)

Querschneidköpfe an einer TSM
Längsschneidkopf vorne an einer TSM

Als Schneidkopf oder Fräskopf bezeichnet man ein Gewinnungswerkzeug, mit dem bei der mechanischen Streckenauffahrung die Ortsbrust bearbeitet wird.[1] Um die Schneidarbeit durchführen zu können, werden die Schneidköpfe mit Schneidmeißeln bestückt.[2] Schneidköpfe werden an Umfangfräsen wie Teilschnittmaschinen oder Continuous Minern eingesetzt.[3] Außerdem kommen sie an der Bohreinheit von Schachtabsenkanlagen zum Einsatz.[4]

Aufbau

Schneidköpfe

Es gibt zwei Typen von Schneidköpfen, Querschneidköpfe und Längsschneidköpfe.[2] Querschneidköpfe haben eine walzenförmige Geometrie.[3] Die Schneidköpfe sind seitlich so am Ausleger der Maschine angebracht, dass sie sich axial quer zur Vortriebsrichtung drehen.[2] Längsschneidköpfe sind am oberen Ende des Auslegers vor Kopf montiert und bewegen sich radial um den Ausleger.[2] Die Drehachse liegt bei Längsschneidköpfen orthogonal zur Schwenkrichtung.[5] Beim Einsatz von Längsschneidköpfen wirken hohe Torsionskräfte auf das Trägergerät, was wiederum durch ein hohes Maschinengewicht kompensiert werden muss.[6] An den Schneidköpfen sind in einem bestimmten Abstand Meißeltaschen angeschweißt.[2] Diese Meißeltaschen dienen zur Aufnahme der Schneidmeißel.[6] Die Meißeltaschen sind so aufgebaut, dass sich die Meißel in der Meißeltasche drehen können.[7] Die Meißeltaschen sind so an den Schneidkopf angeschweißt, dass die Schneidmeißel in einem bestimmten Winkel gehalten werden.[3] Bei Querschneidköpfen lässt sich durch eine entsprechende Einstellung des Anstellwinkels zur Rotationsachse der Verschleiß der Meißelspitzen minimieren.[8] Zur Kühlung der Meißelspitzen und zur Staubbekämpfung werden die Schneidköpfe mit einer Innenbedüsung ausgestattet.[9] Hierbei wird mittels einer Wasserpumpe Wasser durch Kanäle, die sich in den Meißeln befinden, gepumpt.[5]

Meißeltypen

Es gibt verschiedene Meißeltypen, die auf die jeweilige Gesteinsart abgestimmt sein müssen.[8] Bei Teilschnittmaschinen kommen Flachmeißel oder Rundmeißel zur Anwendung.[10] Continuous Miner werden in der Regel mit Spitzmeißeln oder mit Kegelstumpfmeißeln bestückt.[3] Sämtliche Meißel sind mit einer Hartmetallspitze bestückt.[11] Flach und Rundmeißel werden für Gestein mit geringer Festigkeit eingesetzt.[10] Spitzmeißel haben einen zylindrischen Meißelschaft und ein konische Meißelspitze.[12] Kegelstumpfmeißel haben einen ähnlichen Schaft wie Spitzmeißel, allerdings hat die Meißelspitze eine kreisförmige, konkave Fläche. Sie haben eine höhere Standzeit als Spitzmeißel.[3] Des Weiteren hat die Größe der Meißel einen direkten Einfluss[ANM 1] auf die Entstehung der Feinstaubkonzentration vor Ort.[13]

Arbeitsweise

Durch die konzentrische Bewegung des Schneidkopfes werden Rillen in das Gestein geschnitten und die stehenbleibenden Gesteinsrippen werden anschließend durch sogenannte Verdränger weggebrochen.[14] Bei Querschneidköpfen werden aufgrund der walzenförmigen Geometrie der Schneidköpfe beim Schneiden des Gesteins Stufen in die Stöße geschnitten.[5] Damit diese Stufen wieder beseitigt werden können, muss die Maschine verfahren werden.[3] Das Haufwerk vor der Maschine wird durch die Rotation der Schneidköpfe auf den Ladetisch befördert.[9] Längsschneidköpfe haben eine konische Form mit spiralförmig angeordneten Schneidmeißeln.[11] Mit Längsschneidköpfen kann im Bereich der Firste und der Stöße ein ebenes Schnittprofil erstellt werden.[12] Längsschneidköpfe schleudern das herausgelöste Gestein nicht direkt auf den Ladetisch der Maschine, sondern auf die Sohle.[3]

Werkzeugverschleiß

Je nach Belastung kommt es zu einer entsprechenden Abnutzung der Schneidköpfe und hierbei insbesondere der Meißel.[8] Der Abnutzungsgrad der Meißel ist abhängig von der Abrasivität des zu schneidenden Gesteins, der Festigkeit des Meißelmaterials, der Qualität der Werkstoffe und der Einsatzdauer der Werkzeuge.[12] Bei bestimmten Gesteinssorten, z. B. Ton oder Schluff, kommt es in Verbindung mit Wasser dazu, dass der Schneidkopf mit der Gesteinsmasse verklebt.[10] Dadurch können sich die Meißel nicht mehr in der Meißeltasche drehen und werden einseitig abgenutzt.[12] Dies führt zu einseitigem Verschleiß und dadurch zu vorzeitigem Ausfall der Meißel.[8] Entsprechend der jeweiligen Belastung kommt es zum Abrasivverschleiß, zum Verschleiß durch Sprödbruch oder zum thermischen Verschleiß.[12] Der Abrasivverschleiß entsteht aufgrund der gleitenden Kontakte zwischen Gesteinsoberfläche und Werkzeug.[9] Dadurch kommt es zu einem kontinuierlichen Materialabtrag.[12] Sprödbrüche entstehen durch hohe Spannungen bei schlagender Belastung.[10] Thermischer Verschleiß entsteht durch hohe Temperaturen.[12] Außerdem gibt es auch Verschleißformen infolge von Kontakten zwischen Werkzeugoberfläche und Zwischenstoffen wie Spülmedien in Kombination mit mitgeführten Stoffen.[8]

Explosionsschutz und Staubbekämpfung

Im Untertagebereich kann es durch ausströmendes Grubengas im Zusammenhang mit Funkenbildung beim Schneidvorgang zu einer Entzündung des Grubengases und zu weiteren Folgen wie einer Schlagwetterexplosion kommen.[9] Damit entstehende Methanausgasungen verdünnt werden, müssen zusätzliche Bewetterungsmaßnahmen im Bereich der Schneidköpfe erfolgen.[15] Dies kann mittels Zusatzluftdüsen, Luft-/Wasserbedüsung und Jetblöcken erreicht werden.[7] Im Bereich der Ortsbrust muss der Methangehalt der Wetter erfasst und ausgewertet werden.[9] Werden bestimmte Grenzwerte überschritten, dürfen die Schneidköpfe nicht weiter betrieben werden.[15] Zur Kühlung der Schneidköpfe müssen entsprechende Bedüsungsanlagen eingesetzt werden.[7] Des Weiteren erreicht man mit der Bedüsung des Schneidkopfes eine Reduzierung der Staubentwicklung.[16]

Einzelnachweise

  1. ↑ Helmut Prinz, Roland Strauß: Ingenieurgeologie. 5. bearbeitete und erweiterte Auflage, Spektrum akademischer Verlag, Heidelberg 2011, ISBN 978-3-8274-2472-3, S. 549.
  2. ↑ a b c d e Walter Bischoff, Heinz Bramann, Westfälische Berggewerkschaftskasse Bochum: Das kleine Bergbaulexikon. 7. Auflage, Verlag Glückauf GmbH, Essen 1988, ISBN 3-7739-0501-7.
  3. ↑ a b c d e f g Eric Drüppel: Entwicklung eines Konzeptes für die schneidende Gewinnung im Steinsalz. Dissertation 2010, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, S. 42–55.
  4. ↑ Heinrich Otto Buja: Ingenieurhandbuch Bergbautechnik, Lagerstätten und Gewinnungstechnik. 1. Auflage, Beuth Verlag GmbH Berlin-Wien-Zürich, Berlin 2013, ISBN 978-3-410-22618-5, S. 254–256.
  5. ↑ a b c Heinz M. Hiersig (Hrsg.): VDI-Lexikon Maschinenbau. VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1995, ISBN 978-3-540-62133-1.
  6. ↑ a b Gerhard Girmscheid: Bauprozesse und Bauverfahren des Tunnelbaus. 3. überarbeitete und erweiterte Auflage. Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH und Co.KG., Berlin 2013, ISBN 978-3-433-03047-9, S. 150–152, 155.
  7. ↑ a b c Gerhard Girmscheid: Baubetrieb und Bauverfahren im Tunnelbau. Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH und Co.KG., Berlin 2008, ISBN 978-3-433-01852-1, S. 136–141.
  8. ↑ a b c d e Maxim Vorona: Optimierung des Schneidprozesses und Prognose der relevanten Arbeitsgrößen bei der Gesteinszerstörung unter Berücksichtigung des Meißelverschleißes. Dissertation 2012, Technische Universität Bergakademie Freiberg, S. 20, 22–26, 42–49.
  9. ↑ a b c d e Ernst-Ulrich Reuther: Lehrbuch der Bergbaukunde. Mit besonderer Berücksichtigung des Steinkohlenbergbaus. Erster Band, 12. Auflage, VGE Verlag GmbH, Essen 2010, ISBN 978-3-86797-076-1, S. 347–358.
  10. ↑ a b c d Klaus Eichler und 11 Mitautoren: Fels und Tunnelbau. Verwitterung und Verbauung - Baustoffe und Umwelt - Vortrieb und Sicherung - Abdichtung und Ankerung. Mit 237 Bildern, 56 Tabellen und 124 Literaturstellen, Kontakt und Studium Band 592, Expert Verlag, Renningen-Malmsheim 2000, ISBN 3-8169-1741-0, S. 127, 128.
  11. ↑ a b Friedrich Brune: Erfahrungen beim Einsatz einer Teilschnittmaschine in Tübingen. In: Deilmann-Haniel GmbH. (Hrsg.): Unser Betrieb, Werkszeitschrift für die Unternehmen der Deilmann-Haniel-Gruppe. Nr. 14, Druck Firma A. Heilendorn (Bentheim), Dortmund September 1974, S. 24–28
  12. ↑ a b c d e f g Kurosch Thuro: Geologisch-felsmechanische Grundlagen der Gebirgslösung im Tunnelbau. Habilitationsschrift 2002, ETH Zürich, ISSN 1430-5674, S. 28–39.
  13. ↑ Willy Meyeroltmanns: Staubbekämpfung beim Einsatz von Teilschnittmaschinen. In: Schweizer Ingenieur und Architekt Zeitschrift. 102 Band, Heft 13, Zürich 1984, S. 247.
  14. ↑ Horst Roschlau, Wolfram Heintze: Bergmaschinentechnik. Erzbergbau - Kalibergbau. Mit 333 Bildern und 54 Tabellen, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1977, S. 202–205.
  15. ↑ a b Maßnahmen gegen Entzündungen von Grubengas in Streckenvortrieben mit Schneidkopf-Teilschnittmaschinen. Rundverfügung des Landesoberbergamt NRW vom 20. Oktober 200 (abgerufen am 16. September 2011).
  16. ↑ Hans-Gustav Olshausen (Hrsg.): VDI-Lexikon Bauingenieurwesen. Zweite, überarbeitete und erweiterte Auflage. VDI-Gesellschaft Bautechnik, Springer Verlag, Berlin Heidelberg 1997, ISBN 978-3-642-48098-0.

Anmerkungen

  1. ↑ In einem Versuch über die Staubentwicklung und Staubbekämpfung beim Einsatz von Teilschnittmaschinen wurde untersucht, welchen Einfluss die Art von Schneidmeißeln und deren Länge auf die Entstehung und Konzentration von Feinstaub haben. Dabei konnte festgestellt werden, dass Meißel unterschiedlichen Typs keinen Einfluss auf die Feinstaubkonzentration vor Ort hatten. Allerdings konnte die Feinstaubkonzentration durch kürzerer Meißel im Versuch um 29 Prozent reduziert werden. (Quelle: Willy Meyeroltmanns: Staubbekämpfung beim Einsatz von Teilschnittmaschinen. In: Schweizer Ingenieur und Architekt Zeitschrift.)

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