Gebirgsmechanische Herausforderungen des tiefen Bergbaus

Voraussetzungen für eine erfolgreiche gebirgsmechanische Planung sind eine gute Kenntnis der geologischen Verhältnisse, der Form, Größe und Inhaltsverteilung der Lagerstätte, der Störungssysteme, des In situ-Spannungszustandes sowie der geomechanischen Eigenschaften des Gebirges. Im Falle tiefer Rohstoffvorkommen sind die für die Planung erforderlichen Informationen vielfach nicht oder nur unvollständig vorhanden. Dies gilt insbesondere für die geomechanischen Eigenschaften des Gebirges.

In den vergangenen 40 Jahren wurde eine Reihe von empirischen Gebirgsklassifikationsverfahren entwickelt, die alle zum Ziel haben, Aussagen über das zu erwartende Gebirgsverhalten zu machen. Die bekanntesten Verfahren sind das RMR-Verfahren von Bieniawski [2, 3], das Q‑Verfahren von Barton [4], das MRMR-Verfahren von Laubscher [5, 6]. Diese Verfahren versuchen in unterschiedlicher Weise den Einfluss der im Gebirge vorhandenen Diskontinuitäten auf das Gebirgsverhalten mit Hilfe einer Kennzahl, RMR-Wert, Q‑Wert oder MRMR-Wert zu beschreiben. Eingangswerte sind der RQD-Wert, die Zahl der Kluftsysteme, der Kluftabstand und der Kluftzustand sowie die Gesteinsfestigkeit. Auf die Details dieser Verfahren wird nicht näher eingegangen, da sie in der Literatur gut dokumentiert sind.

Auf der Grundlage der genannten Kennwerte wurde eine Reihe von empirischen Formeln zur Beurteilung der Gebirgsfestigkeit und des Verformungsverhaltens des Gebirges entwickelt. Abb. 1 gibt eine Zusammenfassung der wichtigsten Formeln und zeigt den Zusammenhang zwischen den Gebirgskennwerten und der mit der Labordruckfestigkeit der verschiedenen Gesteine normierten Gebirgsdruckfestigkeit. Von besonderer Bedeutung sind die Daten betreffend die Bergfesten, da die Belastung der Bergfesten mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden kann. Im Bereich niedriger Gebirgskennwerte, hier handelt es sich um ein stark geklüftetes Gebirge mit ungünstigen Trennflächeneigenschaften, kann die Gebirgsdruckfestigkeit weniger als 20 % der Gesteinsdruckfestigkeit sein. Erst in einem weitgehend ungeklüfteten Gebirge überschreitet die Gebirgsfestigkeit 70 % der Gesteinsfestigkeit.

Die Bestimmung der dreiaxialen Gebirgsdruckfestigkeit erfolgt meist auf der Basis des allgemeinen Hoek-Brown Bruchkriteriums [7, 8]. Das Bruchkriterium von Hoek und Brown wurde für die erste Abschätzung der Festigkeit eines ungeklüfteten und eines durch zahlreiche Kluftscharen durchtrennten quasi isotropen Gebirges entwickelt. Es ist daher für die Bestimmung der Festigkeit von Gebirge mit wenigen, dominanten Diskontinuitätsflächen nicht geeignet. Dieser Aspekt wird häufig ignoriert.

Der Einfluss des Gebirgskennwerts auf den Verformungsmodul des Gebirges geht aus Abb. 2 hervor. Der generelle Trend ist ähnlich jenem der Gebirgsfestigkeit. Im Falle des Verformungsmoduls des Gebirges gilt, dass dieser spannungsabhängig ist und insbesondere im Bereich niedriger Gebirgskennwerte mit der Spannung zunimmt.

Voraussetzung für den langen ungestörten Betrieb tiefer Bergwerke ist eine standfeste Bergbauinfrastruktur, d. h. Schächte, Hauptstrecken, Querschläge, Füllörter, Pumpenkammern etc. Die gebirgsmechanische Planung der erforderlichen Infrastruktur hat auf der Grundlage der langfristigen abbaubedingten Spannungsumlagerungen zu erfolgen. Daraus folgt, dass bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt Klarheit über das Abbauverfahren, den Zuschnitt der Abbaubereiche und die Abbaureihenfolge bestehen muss. Darauf aufbauend kann die Spannungssituation im Bereich der Infrastrukturbauwerke bestimmt werden.

Im ultratiefen Bergbau ist es üblich, die Bergbauinfrastruktur, soweit möglich, in druckentspannten Bereichen aufzufahren. Abb. 3 zeigt eine beim Abbau tiefer plattenförmiger Lagerstätten typische Spannungsverteilung. Vor dem Abbaustoß befindet sich der Bereich hoher Druckspannungen, hinter dem Abbaustoß im abgebauten Bereich ist das Gebirge weitgehend druckentlastet. In diesem Bereich befinden sich z. B. die Abbaustrecken, die dem Abbau nachgeführt werden. Der Zugang zum Abbau erfolgt durch kurze Querschläge und Aufhauen. Schrägschächte werden im Allgemeinen auch im druckentspannten Bereich aufgefahren. Durch diese Vorgehensweise ist es möglich, in Teufen von mehreren tausend Metern Strecken in einem Spannungsumfeld, das einer Teufe von weniger als fünfhundert Metern entspricht, aufzufahren. Seit etwa 1980 ist man im tiefen Goldbergbau auch vom traditionellen Konzept des Schutzes der Hauptschächte durch Schachtsicherheitsfesten abgegangen und beginnt mit dem Abbau der Lagerstätte in unmittelbarer Umgebung des Schachtes, um diesen und zahlreiche Grubenbaue in der Umgebung des Schachtes zu entspannen [11]. Der tiefe Bergbau erfordert ein vollständiges Umdenken.

Die gebirgsmechanische Planung der Bergbauinfrastruktur erfordert einerseits die Kenntnis der über die Lebensdauer des Grubenbaus auftretenden Spannungen und andererseits ein Kriterium zur Beurteilung der Auswirkungen der Spannungen auf den Grubenbau. Dieses könnte einerseits die Gesteins- oder besser Gebirgsfestigkeit sein oder ein semi-empirisches Kriterium, welches auch Aussagen über den Einfluss des Ausbaus auf den Grubenbau erlaubt. Ein derartiges Kriterium ist der „Rock Wall Condition (RCF) Faktor“. Dieser beschreibt den Streckenzustand in Abhängigkeit von der regionalen Spannung im Streckenbereich, der Gesteinsfestigkeit und des eingesetzten Ausbaus,wobei σ₁undσ₃ die Hauptspannungen im Bereich des Grubenbaus sind und σ_c die einaxiale Gesteinsdruckfestigkeit ist. F ist der Festigkeitsreduktionsfaktor. Dieser hat im Falle von einem sehr massivem Festgestein den Wert 1, in leicht geküftetem Gebirge 0,75 und in stärker geklüftetem Gebirge 0,5 [13]. Der Zusammenhang RCF-Faktor und Hohlraumzustand geht aus Abb. 4 hervor. Aus der Abbildung folgt, dass sich im Fall von nicht ausgebauten Strecken deren Zustand rasch verschlechtert, wenn der RCF-Wert kleiner als 0,7 wird. Mit entsprechendem Ausbau können gute Streckenverhältnisse auch bei höheren RCF-Werten gewährleistet werden. Das aus dem Goldbergbau stammende RCF-Konzept wurde mit Erfolg auch im tiefen österreichischen Bergbau angewendet [14].

Auf die Entstehung von Bruchzonen um Hohlräume in tiefen Bergwerken wurde bereits hingewiesen. Der Wahl geeigneter Ausbausysteme kommt im tiefen Bergbau besondere Bedeutung zu. Mit der Einführung von Ankerausbau in der Mitte des 20. Jahrhunderts hat im Bergbau eine entscheidende Wende vom traditionellen Unterstützungsausbau (Türstock, Holzstempel, Stahlbogen) zum Gebirgsverfestigungsausbau (rock reinforcement) stattgefunden. Das moderne Ausbausystem im tiefen Bergbau besteht darin, die Eigentragfähigkeit des gebrochenen Gebirges im Hohlraumbereich zu erhöhen. Dies geschieht durch Schaffung eines dreiaxialen Druckspannungszustands um den Hohlraum und die Vermeidung bzw. Verringerung der Gebirgsauflockerung durch vorgespannte Gebirgsanker und wo erforderlich, die Schaffung eines Ausbauverbundsystems mit hoher Biegezugfestigkeit durch Integration der Gebirgsanker mit Drahtnetzen und Geflechten und gegebenenfalls auch Spritzbeton. Mit Hilfe derartiger Ausbausysteme ist es möglich geworden, Grubenbaue auch unter extremen Gebirgsdrucksituationen offen und gebrauchsfähig zu halten [14]. Ein Bereich, der noch Verbesserungspotential hat, ist das begrenzte Energieaufnahmevermögen der Gebirgsanker.

Festenartige Abbauverfahren finden im tiefen Bergbau nur begrenzte Anwendung und erfordern infolge der hohen Belastungen und des Gebirgsschlagpotentials besondere Aufmerksamkeit. Soweit möglich soll die Abbaureihenfolge so geplant und durchgeführt werden, dass die Festen hinter der Abbaufront entstehen und nicht in oder vor der Front. Insgesamt gilt, dass die Abbauplanung und Reihenfolge im tiefen Bergbau wesentlich kritischer zu betrachten ist als beim Abbau in geringer Teufe. Die Entwicklung von Restfestensituationen muss vermieden werden, da diese ein sehr großes Gebirgsschlagrisiko darstellen.