Über gebirgsmechanische Entwicklungen im Bergbau

Zusammenfassung

Über gebirgsmechanische Entwicklungen im Bergbau. Die Verfasser geben einen gerafften Überblick über das Thema, wobei eingangs Aufgaben und Stellung der Bergmännischen Gebirgsmechanik im Bereich des Bergwesens und ihr Verhältnis zum Bauwesen umrissen werden. Die Kernfragen liegen auf dem Gebiet der Abbautechnik (Fragen der Gebirgserhaltung; Standfestigkeit) und der Gebirgszerstörung (Gewinnung). Ausführlicher wird auf Fragen der Gebirgserhaltung bei wichtigen Abbauverfahren eingegangen.

Als Beispiel der langfrontartigen Bauweise wird der Strebbruchbau herangezogen. Für ihn sind vier Theorien des Gebirgsverhaltens entwickelt worden, die jedoch weiterer Bearbeitung bedürfen. Die Ausbildung und Wirksamkeit der in den unmittelbaren Hangendschichten auftretenden Risse ist weitgehend geklärt. Für den Strebausbau konnte eine Theorie des Gebirgsverhaltens entwickelt werden, die es ermöglicht, die auftretenden Lasten zu berechnen.

Bei den Abbauverfahren der kammerartigen Bauweise steht die Problematik der Bemessung von Kammern und Bergfesten im Vordergrund. Vor allem im Salzbergbau sind genauere Berechnungen ermöglicht worden. Von den Abbauverfahren der stoßartigen Bauweise werden Firstenstoßbau und Querbau und die mit diesen verbundene Problematik des Abbaues von unten nach oben behandelt. Die dabei entstehende Auflockerung ist bis heute schwer zu erfassen, zu beeinflussen und hinsichtlich ihrer Auswirkungen im voraus zu beurteilen. Neuerdings sind Studien zu ihrer meßtechnischen Erfassung angestellt worden. Von den Abbauverfahren der pfeilerartigen Bauweise wird der Teilsohlenbruchbau als repräsentatives Beispiel verwendet. Zur Vermeidung der Durchmischung des Haufwerks mit taubem Bruchmaterial sind Experimente an Modellen und in der Praxis mit verschiedener Neigung des Abbaustoßes zwischen den Teilsohlen vorgenommen worden. Als wichtigstes Abbauverfahren der blockartigen Bauweise wird der Blockbruchbau mit seinen gebirgsmechanischen Problemen angeführt. Die durch die großen Gebirgsdrücke hervorgerufenen Verformungen und Schäden an den Grubenbauen sind vor allem in Climax, USA, eingehend untersucht worden.

Weitere Ausführungen sind den Verfahren zur Gewinnung im Abbau gewidmet. Gebirgsmechanische Untersuchungen bezwecken sowohl eine Erfassung der Gebirgseigenschaften im Hinblick auf die Wahl des Gewinnungsverfahrens als auch des Bruchverhaltens des Gebirges bei verschiedener Hereingewinnung. Bei der Sprengarbeit hängt der Charakter der vorherrschenden Bruchmechanismen vor allem von der Klüftigkeit des Gebirges ab.

Die Forschungen auf dem Gebiete der Bohrtechnik und der maschinellen Hereingewinnung sind weitgehend kongruent — in beiden Fällen handelt es sich um einen Angriff auf das Gestein mit Hilfe maschinell angetriebener Werkzeuge. Obwohl bereits zahlreiche Zusammenhänge, insbesondere von Gesteinseigenschaften, Schnittkräften, Schneidenverschleiß und Schnittgeschwindigkeit, beschrieben wurden, konnte eine geschlossene Theorie der maschinellen Gesteinszerstörung bisher nicht erarbeitet werden. In der Praxis wächst der Anteil der maschinellen Gewinnung im Abbau gegenüber der sprengtechnischen. Andererseits deuten sich jedoch in überproportionalem Anstieg des Werkzeugverschleißes in abrasivem Gestein Anwendungsgrenzen an. Unter anderem sind deshalb Sonderverfahren der Gewinnung, wie hydromechanische, thermische oder solche des unmittelbaren Einsatzes elektrischer Energie sowie der Verwendung von Lösungsmitteln, zunehmend Gegenstand einschlägiger Forschungen.

Summary

Rock Mechanics Developments in Mining. In this condensed survey first the function and status of rock mechanics as applied to mining and its relationship to civil engineering is outlined. The principal questions of rock mechanics in relation to mining lie in the area of stoping techniques as well as in the areas of strata control (stability) and rock disintegration (extraction). The following report deals initially with the questions of strata control in important stoping methods. In this the line followed is according to the classification of stoping methods used in the German-language countries.

As a special example of the long-front mode the long-wall caving stope is used. In this connection, four theories of rock behavior have been developed, but these still need further study. Among other things, the behavior of the immediate roof becomes clear in the form of cracks, the nature and effect of which have been largely explained. For the design of the required long-wall support, a theory of roof behavior could be developed which allows the computation of the occurring loads. For stoping methods of the chamber-type mode the particular problem of designing the pillars is eminent. Particularly in salt mining, progress has been made which enables a more precise calculation. Among the stoping methods of the shelf-type mode, the cut-and-fill stope and the cross-cut stope are discussed and the related problem of overhand mining is also considered. The effect of rock loosening caused by the stope is still difficult to evaluate, to influence, and to predict with respect to its consequences. Recently, studies have been conducted for its determination by means of measurements. Among the stoping methods of the pillar-type mode, the sublevel caving stope is taken as a typical example. In order to avoid contamination of the ore with barren rock, experiments have been successfully performed with models and in the field at varying inclinations of the stope shelf between the sublevels. The block-caving technique with its rock mechanics problems is suggested as the most important stoping method of the block type mode. Deformation and damage to mine workings caused by large rock pressures have been especially well investigated in Climax, U. S. A., and have been interpreted with respect to a better coordination of the caving fronts.

Another part of the contribution is exclusively devoted to the extraction process in the stope. Rock mechanics investigations are also furthered by the determination of rock properties with respect to the selection of the most competent extraction method as also by the investigation of fracture behavior of rock in the different forms of extraction. In blasting, the character of the prevailing fracture mechanism depends mainly on the jointing of the rock. Rock mechanics research in the field of drilling techniques and extraction by means of cutting machines are closely related — in both cases the rock is attacked by mechanically driven tools.

Although there are already numerous research results for the relationships occurring by these methods, especially those between rock properties, cutting forces, cutter wear, and cutting speed, so far a comprehensive theory of mechanical rock disintegration by the use of tools has not yet been developed. In industry, the role of mechanical extraction is expanding as compared to drilling and blasting. On the other hand, however, there are obvious limits of applicability, based on accelerated increase of the cutter wear in highly abrasive rock. Among other things, this is also the reason why special methods of extraction — like the hydromechanical or thermal method, or the immediate application of electrical energy, and also the application of solvents — become more and more the object of pertinent research.

Résumé

Développements de la mécanique des roches dans l’exploitation des mines. L’introduction montre la place et les fonctions de la mécanique des roches dans l’art des mines.

Les questions fondamentales se posent dans la technique d’extraction (soutènement du massif et résistance) et dans la fragmentation du massif (dépilage). L’article concerne la maîtrise des pressions de terrain dans les procédés d’extraction importants pris dans l’ordre de la classification en usage dans les pays de langue allemande.

La taille foudroyée est donnée comme exemple d’extraction en front allongé. Quatre théories de comportement du massif ont été dévelloppée qui demandent encore davantage de travail.

Le dévelloppement des fissures et leur importance sur le comportement du toit sont longuement expliqués. Pour projeter le soutènement de la taille, une théorie de comportement du massif est développée qui permet de calculer les charges.

L’abattage par chambres pose le problème du dimensionnement des chambres et des piliers. Un calcul plus exact est devenu possible dans les mines de sel.

Parmi les méthodes d’abattage en gradins, on présente la taille remblayée en dressant et l’abattage par recoupes pour discuter les problèmes de dépilage du bas vers le haut.

Jusqu’à aujourd’hui, il est difficile de déterminer la décompression due à l’abbattage, et de savoir dans quelle mesure on peut l’influencer. Des études récentes se basent sur des mesures.

Parmi les méthodes à récupération de piliers, on présente l’exemple de l’abattage par tranches. Pour éviter le mélange de minerai et du stérile, on a conduit avec succès des essais sur modèles et dans des mines, en variant l’inclinaison du front entre les deux niveaux de la tranche.

Parmi les méthodes d’abattage par blocs les plus importantes, on cite les blocs foudroyés. Les déformations et les dégats aux ouvrages souterrains produits par des contraintes élevées ont été étudiées à fond à Climax (Etats-Unis), et ont été interprétés pour une meilleure coordination des fronts d’abattage.

Une autre partie de l’article est consacrée aux méthodes de dépilage. On étudie la détermination des qualités des roches en vue de choisir la méthode de dépilage, et aussi le processus de rupture en fonction de cette méthode. Dans l’abattage à l’explosif, le caractère des processus de fragmentation dépend avant tout de la fracturation naturelle du massif.

Les recherches dans les domaines du forage et du minage mécanique sont largement convergentes: les unes et les autres s’occupent de l’attaque du rocher par des outils actionnés mécaniquement.

Bien qu’il y ait déjà de nombreuses relations entre les propriétés des roches, l’effort de coupe, l’usure de l’arête, et la vitesse de coupe, il était jusqu’à aujourd’hui impossible d’élaborer une théorie générale de la fragmentation mécanique des roches.

En pratique, la proportion de dépilage par machine augmente par rapport au travail à l’explosif.

D’autre part, l’augmentation de l’usure des outils dans les roches abrasives constitue une limite d’emploi.

C’est une raison parmi d’autres pour laquelle des méthodes spéciales, hydrodynamique, thermique, ou par solvants, deviennent peu à peu l’objet de recherches plus précises.