Grenzteufe

Als Grenzteufe bezeichnet man in der Schachtfördertechnik die Teufe einer Schachtförderanlage, bei der die Belastung des Förderseils durch das Eigengewicht des Förderseils rechnerisch unendlich groß wird.[1] In der Praxis wird die Grenzteufe stets im Bezug zur jeweiligen Grenzlast betrachtet.[2]

Grundlagen

Wenn man ein Seil mit theoretisch unendlich großer Länge senkrecht der Länge nach hochheben würde, dann kommt man ab einer bestimmten Seillänge zu dem Punkt, bei dem das Seil aufgrund seines eigenen Gewichtes zerreißt.[3] Der Punkt, wann das Seil nun zerreißt, hängt von seiner Bruchfestigkeit ab, die bei Förderseilen zwischen 110 und 220 kg pro mm2 liegt.[4] Je nach Bruchfestigkeit des Materials beträgt diese Länge 12.000 Meter[1] bis zu 20.000 Meter.[3] Man bezeichnet diese Länge, bei der das Seil aufgrund seines Eigengewichtes zerreißt, als Zerreißlänge.[3] Unter Berücksichtigung der Seilsicherheit erhält man die Grenzteufe.[1] Um die jeweiligen Nutzlasten tragen zu können, müssen die Förderseile aufgrund der an ihnen hängenden Lasten einen immer größeren Seildurchmesser haben und sind somit auch immer schwerer.[5]

Grenzteufen für Förderseile[ANM 1] mit verschiedenen Seilnenndurchmessern[6]
Seilnenndurchmesser Grenzteufe bei Korblast (in Tonnen)
51015202530
76 mm 2083 m 1833 m 1583 m 1333 m 1083 m 833 m
71 mm 2047 m 1762 m 1476 m 1190 m 904 m 619 m
66 mm 2000 m 1667 m 1333 m 1000 m 667 m 333 m
60 mm 1933 m 1533 m 1133 m 733 m 333 m
54 mm 1833 m 1333 m 833 m 333 m
46 mm 1667 m 1000 m 333 m

Mit größer werdender Teufe wird somit auch der Anteil des Seilgewichts an der Gesamtlast stetig größer.[7] Das hat zur Folge, dass bereits ab einer Teufe von 500 Metern das Förderseil etwa genauso viel wie wiegt die normale Nutzlast.[8] Ein größerer Seildurchmesser erfordert aber wiederum Seilscheiben mit einem größeren Durchmesser.[9] Um den erforderlichen Seildurchmesser und die damit verbundenen Ausmaße der Anlagenteile in praktisch erträglichen Grenzen zu halten, gibt es unterschiedliche Maßnahmen.[6]

Maßnahmen zur Vergrößerung der Grenzteufe

Um die Grenzteufe vergrößern und somit aus größeren Teufen fördern zu können, gibt es verschiedene Maßnahmen.[10] Hierfür eignen sich in erster Linie technische Maßnahmen am Förderseil.[6] Dies sind Maßnahmen, die darauf abzielen, den Seildurchmesser zu verringern und dadurch das Eigengewicht des Seiles zu reduzieren.[11] Eine Möglichkeit besteht darin, dass der Seildurchmesser des Förderseils in Teilbereichen reduziert wird, indem man verjüngte Förderseile verwendet.[12] Eine weitere technische Maßnahme ist die Verwendung von Seilen mit einer höheren Festigkeit.[13] Zudem besteht die Möglichkeit, mehrere Förderseile parallel als Mehrseilförderung zu nutzen.[10] Des Weiteren gibt es auch organisatorische und/oder bergrechtliche Maßnahmen.[14] Allerdings können diese Maßnahmen weitestgehend nur dort angewendet werden, wo die Anlagen nur zur Schachtförderung und nicht für die Seilfahrt genutzt werden.[12]

Verjüngte Förderseile

Die Maßnahme, die Grenzteufe durch verjüngte Seile zu vergrößern, wurde bereits in den 1830er Jahren in den Kohlengruben von Lüttich angewendet.[1] Hierfür werden Seile verwendet, deren Querschnitt von oben nach unten schwächer wird.[15] Das Prinzip beruht auf der Erkenntnis, dass der untere Seilquerschnitt stets nur die Förderlast tragen muss.[3] Somit wird der untere Seilabschnitt nur für die maximal zulässige Förderlast berechnet und ausgelegt.[15] Jeder weiter oben befindliche Seilquerschnitt muss dann zusätzlich zur Förderlast auch noch das Gewicht des unter ihm hängenden Seilstücks tragen.[3] Das oberste Seilstück muss so ausgelegt sein, dass der Seilquerschnitt ausreicht, um das volle Gewicht (Nutzlast und Totlast) tragen zu können.[16] Je größer die Teufe wird und somit auch die Länge des Seiles, umso größer wird die Seillast und umso größer muss der Seilquerschnitt sein.[3] Insbesondere bei größeren Teufen kann durch diese Maßnahme viel Seilgewicht eingespart werden.[16] Bedingt durch diese Gewichtseinsparung ist die Grenzteufe von verjüngten Förderseilen wesentlich größer als die von „normalen“ Förderseilen.[1] Die Vorteile der verjüngten Seile machen sich nach Riehn allerdings erst bei Teufen über 500 Meter bemerkbar.[15] Nach Hrabak sollten verjüngte Seile erst ab einer Teufe von 700–800 Metern zur Anwendung[ANM 2] kommen.[3] Allerdings sind verjüngte Seile nicht für Treibscheibenförderanlagen und Maschinen mit zylindrischen Trommeln geeignet, sondern nur für Bobinen oder Spiraltrommeln.[12]

Tragfähigere Seile

Eine weitere Möglichkeit, das Seilgewicht zu verringern, um dadurch die Grenzteufe zu vergrößern, ist die Verwendung von Seilen aus verbesserten Stählen.[1] Die Anforderungen an Förderseile für große Teufen sind eine sehr hohe Bruchkraft, gute Biegsamkeit, Querdruckbeständigkeit, hoher Verschleißwiderstand und geringer Belastungsdrall.[17] Durch Veränderungen im Bereich der Metallurgie konnten höhere Reinheitsgrade bei Seilstählen erreicht und somit die Zugfestigkeit bei Förderseilen gesteigert werden.[18] Insbesonders Seile aus Materialien mit hoher Bruchfestigkeit werden für größere Teufen verwendet.[19] So werden für größere Teufen Förderseile mit einer Bruchfestigkeit von 220 kg pro mm2 verwendet.[4] Hochfeste Förderseile haben sogar eine Bruchfestigkeit von 240 kg pro mm2.[12]

Veränderung der Seildaten durch Erhöhung der Bruchlast (9-fache Seilsicherheit bei Güterförderung)[4]
Förderweg
m		 Bruchlast
kg/mm2		 Nutzlast
kg		 Totlast
kg		 Seilquerschnitt
mm2		 Seildurchmesser
mm		 Seilgewicht
kg
1200 120 4000 4000 6000 131 72.000
1200 180 4000 4000 1000 53 12.000
1200 240 4000 4000 545 39 6.500

Diese Möglichkeit, das Seilgewicht zu verringern, ist für Förderschächte denkbar, jedoch muss, bedingt durch den höheren Sicherheitsfaktor, bei Schächten mit Seilfahrt der Seildurchmesser unverhältnismäßig größer gewählt werden als bei reinen Förderschächten.[12] Zudem müssen bei diesen Stählen mit hoher Bruchfestigkeit die Krümmungshalbmesser größer gewählt werden.[19] Das bedeutet, dass sowohl der Seilträger als auch die Seilscheibe entsprechend dimensioniert werden müssen.[20] Für Anlagen mit Fahrgeschwindigkeiten über 4 m/s sollte der Durchmesser dem 100-fachen Seilnenndurchmesser[ANM 3] entsprechen.[21]

Verwendung mehrerer Seile
Diagramm Grenzteufe und Grenzlast

Eine zusätzliche Möglichkeit, die Teufe zu vergrößern, ist die Verwendung von zwei oder mehr Förderseilen an einem Fördergutträger.[17] Diese Form der Förderungen mit Seilen wird als Mehrseilförderung bezeichnet.[19] Durch die Verwendung von zwei oder mehr Seilen wird die Last auf die entsprechende Anzahl der Seile verteilt.[22] Dadurch ist es möglich, Seile zu verwenden, die einen kleineren Querschnitt haben,[ANM 4] was wiederum dazu führt, dass Seilträger und Seilscheibe einen kleineren Querschnitt haben können.[19] Allerdings müssen die einzelnen Seile über ein spezielles Zwischengeschirr mit dem Fördergutträger verbunden werden, damit sich die Last gleichmäßig auf die einzelnen Seile verteilen kann.[23] Eine andere Möglichkeit, die bei Blair Fördermaschinen eingesetzt wird, ist die Lastverteilung mittels Seilrollenkompensation und Fehlstellungsüberwachung[ANM 5] der Förderseile.[14] Die Lastverteilung auf mehrere Seile erhöht allgemein die Sicherheit der Schachtförderanlage, zudem können dünnere Seile bei der Seilrevision einfacher kontrolliert werden, da bei ihnen das Verhältnis von Seiloberfläche zu Seilquerschnitt für die Kontrolle günstiger ist.[19]

Bergrechtliche Maßnahmen

Zu guter Letzt besteht auch die Möglichkeit, den Seilsicherheitsfaktor zu verkleinern.[24] Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts wurde die Maßnahme eingeführt, den Sicherheitsfaktor für große Teufen von 6 auf 5 oder sogar 4 zu reduzieren.[6]

Seillängen in Abhängigkeit vom Seilsicherheitsfaktor[1][3]
Seilart Zerreißlänge in Meter Seillänge / m
Seilsicherheitsfaktor 6		 Seillänge / m
Seilsicherheitsfaktor 5		 Seillänge / m
Seilsicherheitsfaktor 4
Tiegelgußstahl
Bruchfestigkeit 120 kg/mm2		12.500200024003000
Pflugstahldraht
Bruchfestigkeit 180 kg/mm2		20.000300036004500

Für die Reduzierung des Seilsicherheitsfaktors muss jedoch eine Zulassung durch die für den Bergbau zuständigen Behörden erfolgen.[14] Dabei muss berücksichtigt werden, dass der Seilsicherheitsfaktor während der Betriebsdauer sinkt.[25] Allerdings konnte durch Untersuchungen nachgewiesen werden, dass der Seilfestigkeit und somit die Seilsicherheit während der Betriebsdauer, in der Regel um maximal 20 Prozent[ANM 6] sinkt.[26] Hinzu kommt, dass sich das Seilgewicht bei großen Teufen aufgrund der Elastizität des Förderseiles nicht so stark auswirkt wie das starre Gewicht des Förderkorbes und des weiteren die schädlichen Stoßwirkungen bei längeren Seilen nur abgeschwächt auftreten.[7] Die Maßnahme, den Seilsicherheitsfaktor zu reduzieren, wird so z. B. im südafrikanischen Bergbau bei den dort eingesetzten Blair Trommelfördermaschinen angewandt.[14] Um das Seil nicht zu stark zu belasten, werden die Förderströme möglichst gering gehalten.[27]

Einzelnachweise
  1. Otto Kammerer - Charlottenburg: Die Technik der Lastenförderung einst und jetzt. Eine Studie über die Entwicklung der Hebemaschinen und ihren Einfluß auf Wirtschaftsleben und Kulturgeschichte. Mit Schmuck von O. Blümel - München, Druck und Verlag von R. Oldenbourg, München und Berlin 1907, S. 57–66.
  2. Paul Burgwinkel: Mehrseilförderanlagen. Fachskript RWTH, Ziffer 3.5. Tragmittel, Seile, S. 1.
  3. Hans Bansen (Hrsg.): Die Bergwerksmaschinen. Eine Sammlung von Handbüchern für Betriebsbeamte. Vierter Band, Die Schachtförderung. Verlag von Julius Springer, Berlin 1913, S. 14–16.
  4. Fritz Schmidt: Die Schachtfördermaschinen. Erster Teil. Die Grundlagen des Fördermaschinenwesens. Zweite, vermehrte und verbesserte Auflage, mit 178 Abbildungen im Text, Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH, Berlin Heidelberg 1923, S. 126–132.
  5. F. Baumann: Sicherheit hochfester Förderseile. In: Glückauf, Berg- und Hüttenmännische Zeitschrift. Verein für die bergbaulichen Interessen im Oberbergamtsbezirk Dortmund (Hrsg.), Nr. 4, 49. Jahrgang, 25. Januar 1913, S. 117–120.
  6. F. Baumann, Warmbrunn: Die Förderseile für große Schachtteufen. In: Glückauf, Berg- und Hüttenmännische Zeitschrift. Verein für die bergbaulichen Interessen im Oberbergamtsbezirk Dortmund (Hrsg.), Nr. 40, 49. Jahrgang, 4. Oktober 1913, S. 1646–1652.
  7. Fritz Herbst: Berechnung des Sicherheitsfaktor der Schachtförderseile mit gesonderter Berücksichtigung des Gewichts der Förderlast und des Seilgewichts. In: Glückauf, Berg- und Hüttenmännische Zeitschrift. Verein für die bergbaulichen Interessen im Oberbergamtsbezirk Dortmund (Hrsg.), Nr. 47, 49. Jahrgang, 22. November 1913, S. 1936–1940.
  8. H. Hoffmann: Lehrbuch der Bergwerksmaschinen (Kraft und Arbeitsmaschinen). Mit 523 Textabbildungen. Springer - Verlag, Berlin 1926, S. 169–171, 183.
  9. Thomas Kuczera: Ermittlung der Beanspruchung großer Seilscheiben. Genehmigte Dissertationsschrift an der Fakultät Konstruktions-, Produktions-, und Fahrzeugtechnik der Universität Stuttgart, Stuttgart 2012, S. 16, 23, 24, 26,
  10. Kommission der Europäischen Gemeinschaften (Hrsg.): Erhaltung des Sicherheitsstandards und Verbesserung der Sicherheit von hochbeanspruchten Litzenförderseilen in Treibscheibenanlagen. Ständiger Ausschuss für die Betriebssicherheit und den Gesundheitsschutz im Steinkohlenbergbau und in den anderen mineralgewinnenden Industriezweigen. Bericht der Arbeitsgruppe aus dem Jahr 1978, Luxembourg 1979, S. 1–3, 8–12.
  11. H. Herbst: Praktische Winke für die Wahl zweckmäßiger Förderseilmacharten. In: Glückauf, Berg- und Hüttenmännische Zeitschrift. Verein für die bergbaulichen Interessen im Oberbergamtsbezirk Dortmund (Hrsg.), Nr. 28, 58. Jahrgang, 15. Oktober 1922, S. 867–872.
  12. Hans Bansen (Hrsg.): Die Bergwerksmaschinen. Eine Sammlung von Handbüchern für Betriebsbeamte. Dritter Band, Die Schachtfördermaschinen. Zweite, vermehrte und verbesserte Auflage, Verlag von Julius Springer, Berlin 1913, S. 68–70.
  13. Richard Meebold: Die Drahtseile in der Praxis. Mit 75 Abbildungen im Text. Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH, Berlin 1938, S. 21, 22.
  14. Alfred Carbogno: Mine hoisting in deep shafts in the 1. half of 21. Century. In: Acta Montanistica Slovaca. Rocnik 7, No. 3, 2002, S. 188–192.
  15. Gustav Köhler: Lehrbuch der Bergbaukunde. Sechste, verbesserte Auflage. Mit 728 Textfiguren und 9 Lithogr. Tafeln, Verlag von Wilhelm Engelmann, Leipzig 1903, S. 422.
  16. Alfred Wyszomirski: Die Drahtseile als Schachtförderseile. Mit 30 Textabbildungen. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 1920, S. 12.
  17. Liu Bin: Schachtförderanlagen deren Auslegung Konstruktion und Sicherheitsnormen. Diplomarbeit am Lehrstuhl für Fördertechnik und Konstruktionslehre der Montanuniversität Leoben, Leoben 2015, S. 8–10, 32, 33, 35, 36.
  18. H. Arnold, D. Fuchs, H. Nöller, E. Ulrich: Untersuchungen zur Leistungssteigerung der Hauptschacht-, Blindschacht- und Abteufförderanlagen durch Totgewichtsverringerung. In: Kommission der Europäischen Gemeinschaften (Hrsg.): Technische Forschung Kohle, Abschlussbericht, Bochum 1980, S. 12.
  19. F. Mechtold: Hebe- und Förderanlagen; Grundlagen - Bauarten - Anwendungen. 5. völlig neubearbeitete und stark erweiterte Auflage. Mit 568 Abbildungen, Springer Verlag Berlin-Heidelberg-New York, Berlin 1969, S. 499, 502–504.
  20. Roland Verreet: Die Berechnung der Lebensdauer von laufenden Drahtseilen. Ingenieurbüro für Drahtseiltechnik Wire Rope Technology Aachen GmbH (Hrsg.). Aachen 2018, S. 4–11.
  21. Technische Anforderungen an Schacht- und Schrägförderanlagen (TAS). Verlag Hermann Bellmann, Dortmund 2005, Blatt 1/3, 6/11.
  22. Martin Scheffler (Hrsg.), Klaus Feyrer, Karl Matthias: Fördermaschinen, Hebezeuge, Aufzüge, Flurförderzeuge. Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Wiesbaden 1998, ISBN 978-3-663-16319-0, S. 267–269.
  23. Walter Bischoff, Heinz Bramann, Westfälische Berggewerkschaftskasse Bochum: Das kleine Bergbaulexikon. 7. Auflage, Verlag Glückauf GmbH, Essen 1988, ISBN 3-7739-0501-7.
  24. Heinrich Aumund, Fritz Mechtold: Hebe- und Förderanlagen. Ein Lehrbuch für Studierende und Ingenieure. Vierte neubearbeitete und erweiterte Auflage, mit 312 Abbildungen, Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 1958, S. 270–272, 282.
  25. Adolf Heilandt: Ein Beitrag zur Berechnung der Drahtseile. An Hand eines Vergleiches der Seilsicherheiten bei Fördermaschinen und bei Personenaufzügen. Unter Berücksichtigung der Seilschwingungen, mit einer Tafel, Druck und Verlag von R. Oldenbourg, München und Berlin 1916, S. 11–14.
  26. F. Baumann, Warmbrunn: Die Sicherheitsfaktor der Schachtförderseile. In: Glückauf, Berg- und Hüttenmännische Zeitschrift. Verein für die bergbaulichen Interessen im Oberbergamtsbezirk Dortmund (Hrsg.), Nr. 35, 50. Jahrgang, 15. August 1914, S. 1293–1298.
  27. Thorsten Heinze, Markus Speck: Textile Tragmittel in der Fördertechnik. In: Logistik Journal. 2010, ISSN 2192-9084, S. 2.

Anmerkungen
  1. Die verwendete Seile haben eine Bruchfestigkeit von 210 kg / mm2. der Seilsicherheitsfaktor beträgt 6. (Quelle: F. Baumann, Warmbrunn: Die Förderseile für große Schachtteufen. In: Glückauf, Berg- und Hüttenmännische Zeitschrift.)
  2. Dabei sollte das unterste Seilstück 300 bis 400 Meter lang sein. Die weiteren Absätze des oberen Seilstücks sollten jeweils etwa 200 Meter lang sein. Hrabak begründete dies damit, dass jedes Förderseil heftigen axialen Stößen ausgesetzt ist, die am unteren Seilende am heftigsten sind und die nach oben hin - bedingt durch die Elastizität des Seiles - abnehmen. Durch dieses Verjüngungsverfahren nach Hrabak ist eine möglichst hohe Sicherheit des unteren Seilendes gegeben. (Quelle: Hans Bansen (Hrsg.): Die Bergwerksmaschinen. Eine Sammlung von Handbüchern für Betriebsbeamte. Vierter Band, Die Schachtförderung.)
  3. Der Seilnenndurchmesser ist der für die Berechnung des Seiles verwendete Durchmesser, er wird in mm gemessen. (Quelle: Klaus Feyrer: Drahtseile. Bemessung, Betrieb, Sicherheit.) Bei der Seilberechnung unterscheidet man zwischen dem optimalen und dem wirtschaftlichsten Seilnenndurchmesser. Der optimale Seilnenndurchmesser ist der Seildurchmesser bei dem die schädigenden Einflüsse aus Zugbeanspruchung und Biegespannung am minimalsten sind. Bei der Ermittlung des wirtschaftlichsten Seilnenndurchmesser spielen auch die Kosten des Seiles eine Rolle. Der wirtschaftlichste Seilnenndurchmesser liegt geringfügig, in der Regel mehr als zehn Prozent, unterhalb des optimalen Seilnenndurchmessers. (Quelle: Roland Verreet: Die Berechnung der Lebensdauer von laufenden Drahtseilen.)
  4. Dünnere Förderseile haben eine längere Lebensdauer als dickere Seile. Das liegt daran, dass es bei dünneren Seilen zu weniger Reibung zwischen den einzelnen Drähten kommt, was wiederum dazu führt, dass die Drähte weniger geschwächt werden. Zudem ist die Pressung zwischen Seil und Treibscheibenfutter geringer als bei Seilen mit größerem Durchmesser. (Quelle: F. Mechtold: Hebe- und Förderanlagen; Grundlagen - Bauarten - Anwendungen. 5. völlig neubearbeitete und stark erweiterte Auflage.)
  5. Durch die Umlenkrolle wird der unterschiedliche Seilzug in den beiden Förderseilen größtenteils ausgeglichen. Um die begrenzte Kompensation durch die Umlenkrolle weiter auszugleichen, ist noch ein Steuergerät erforderlich, das Seilfehlstellungen auf der Trommel erkennt und eliminiert. Dadurch wird die Last auf die beiden Seile gleichmäßig verteilt. Dies führte letztendlich dazu, dass der Sicherheitsfaktor für die Seile bei Produktenförderung gesenkt und somit aus größeren Teufen gefördert werden kann. (Quelle: Alfred Carbogno: Mine hoisting in deep shafts in the 1. half of 21. Century.)
  6. Dadurch würde die Seilsicherheit bei einem Förderseil mit einer 7,5-fachen Anfangssicherheit während der Betriebsdauer auf eine 6-fache Endsicherheit reduziert werden. (Quelle: F. Baumann, Warmbrunn: Die Sicherheitsfaktor der Schachtförderseile.)
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