Quo vadis – Bergmännische Gebirgsmechanik?

Maßgebend für das bessere Verständnis des Verhaltens von Gestein unter Druckbeanspruchung waren die Arbeiten von Cook (Chamber of Mines of South Africa) [5] sowie Fairhurst und Wawersik (University of Minnesota) [6]. Zu dem damaligen Zeitpunkt bestand, auf der Grundlage von Druckversuchen in Prüfpressen, die allgemeine Auffassung, dass spröde Gesteine unter Druckbelastung schlagartig und unter Freisetzung kinetischer Energie versagen. Dieses Verhalten stand jedoch nicht im Einklang mit dem Versagen spröder Gesteine um untertägige Hohlräume, welches in der überwiegenden Zahl der Fälle stabil erfolgt. Cook [5] und später Wawersik und Fairhurst [6] konnten nachweisen, dass die Ursache für das plötzliche schlagartige Versagen der Gesteinsproben beim Druckversuch die im Prüfsystem gespeicherte Energie ist, welche beim Abfall des Widerstandes der Gesteinsprobe nach Überschreiten der maximalen Festigkeit freigesetzt wird. Diese Erkenntnis hat das Verständnis der Bruchvorgänge im Gebirge von Grund auf verändert und weitreichende Auswirkung auf die Planung und Auslegung von Abbausystemen in ultratiefen Bergwerken und solchen, die auf der Verwendung von Bergfesten beruhen, beeinflusst [7]. Mit Hilfe von ultrasteifen servo-gesteuerten Prüfsystemen konnten Wawersik und Fairhurst [6] zeigen, dass bei den Hartgesteinen zwei unterschiedliche Klassen zu finden sind, nämlich solche, die inhärent spröde sind, d. h. Gesteine, bei denen die zum Bruchbeginn gespeicherte Energie größer ist als die zur Schaffung neuer Bruchflächen erforderliche Energie, Klasse II, während bei den anderen Hartgesteinen das Verhalten nach Überschreiten der maximalen Festigkeit von der Steifigkeit des Belastungssystems abhängig ist und die Zufuhr von externer Energie erfordert, um den Bruchvorgang fortzusetzen, Klasse I (Abb. 1).

Mit Hilfe der servo-gesteuerten Prüfsysteme wurde es möglich, das Verhalten von Gesteinsproben nach Überschreiten der maximalen Festigkeit näher zu untersuchen. Damit konnte ein erster Schritt zum besseren Verständnis des Verhaltens von Gebirge gemacht werden. Abb. 2 zeigt das Kraft-Verformungsverhalten einer Marmorprobe für verschiedene Stufen der Verformung nach Überschreiten der maximalen Festigkeit. Die Degradation der mechanischen Eigenschaften der gebrochenen Marmorprobe mit zunehmenden Belastungsschritten ist deutlich erkennbar.

Das Gebirge als Material unterscheidet sich von anderen Ingenieurmaterialien dadurch, dass es von wenigen Ausnahmen abgesehen anisotrop, inhomogen, diskontinuierlich, unregelmäßig und voller Defekte ist. Zudem ist das Gebirge im Allgemeinen nicht zugänglich und kann in vielen Fällen nicht oder nur unvollständig erschlossen und häufig nur mit indirekten Methoden erfasst oder beurteilt werden. Zudem kann das Gebirge nicht mit einfachen mechanischen Verfahren in situ geprüft werden. Das Gebirge stellt daher einen wesentlichen Unsicherheitsfaktor bei der ingenieurmäßigen Bearbeitung gebirgsmechanischer Problemstellungen dar. Gegen diesen Hintergrund ist es daher nicht überraschend, dass sich der Salzburger Kreis schon frühzeitig und intensiv mit dem Gebirge beschäftigt. Die Ergebnisse vieler Arbeiten haben ihren Niederschlag in den umfangreichen Arbeiten von Müller [4] gefunden. Während sich der Salzburger Kreis vornehmlich mit detaillierten Untersuchungen einzelner Komponenten des Gebirges befasste und stark geologisch und strukturgeologisch ausgerichtet war, ist man in den englisch sprechenden Ländern einen anderen Weg gegangen, nämlich den der Gebirgsklassifikation. Die verschiedenen Einflussfaktoren wurden in Gruppen zusammengefasst und entsprechend der ihnen zugeordneten Bedeutung gewichtet. Die drei verbreitetsten Klassifikationsverfahren unterscheiden drei Gruppen von Eingabeparametern, nämlich Gesteinsfestigkeit, Diskontinuitäten und Diskontinuitätseigenschaften und Orientierung der Diskontinuitäten in Relation zur betrachteten Hohlraumwandung sowie Einfluss von Wasser. Abb. 3 gibt einen Überblick der verschiedenen Verfahren. Die drei Verfahren verwenden die gleichen Parameter, jedoch in unterschiedlicher Weise. Dies gilt nicht nur für die Gewichtung, sondern auch für die Bestimmung der Klassifikationszahl. Im Falle der Verfahren von Marinos et al. [8] und Bieniawski [9] ist die Bewertung eine Zahl zwischen 0 und 100, wobei die Zahl 100 ein weitestgehend ungestörtes Gebirge beschreibt. Im Falle des Q‑Systems von Barton et al. [10] entspricht der Wert 1000 einem exzellenten Gebirge. Aus der Sicht des Anwenders ergibt sich die Frage, ob eine skalare Größe ein komplexes geologisches Material mit ausgeprägter Richtungsabhängigkeit beurteilen kann.

Von den verschiedenen Gebirgsklassifikationsverfahren hat das GSI-Verfahren breite Anwendung gefunden, da mit Hilfe der GSI-Werte die Parameter für das Hoek-Brown Gebirgsfestigkeitskriterium bestimmt werden können. Das ursprüngliche von Marinos et al. [8] entwickelte GSI-Modell wurde später erweitert und verfeinert. Die Erfahrungen zeigten, dass ein beruflicher Hintergrund auf dem Gebiet der Ingenieurgeologie erforderlich ist, um das GSI-Modell richtig anzuwenden. Die letzte Version von Hoek et al. [11] hat das Modell anwendungsfreundlicher gemacht.

Abb. 4 zeigt den Einfluss des Gebirgszustandes ausgedrückt durch den Gebirgsklassifikationswert auf die normalisierte Gebirgsfestigkeit und den Verformungsmodul. Aus der Abbildung geht die Bedeutung der Beurteilung der Gebirgsgüte für die mechanischen Gebirgseigenschaften hervor. Obwohl der allgemeine Trend eindeutig ist, bestehen, insbesondere im Bereich niedriger Gebirgsklassifikationswerte, große Unterschiede zwischen den verschiedenen Prognoseformeln.

Auf der Grundlage der Gebirgsklassifikationswerte wurde eine Reihe von Nomogrammen zur Beurteilung der Ausbauerfordernisse erstellt, auf die jedoch nicht näher eingegangen wird, da insbesondere im Falle von Hohlraumausbau die Orientierung des Trennflächengefüges auf die erforderlichen Stützmaßnahmen eine große Rolle spielt, die jedoch nicht durch eine einzelne Zahl ausgedrückt werden kann.

Auf dem Gebiet des Grubenausbaus fand in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts ein Paradigmenwechsel statt, nämlich der Wechsel vom Unterstützungsausbau zum Konzept der Förderung der Eigentragfähigkeit des Gebirges in der unmittelbaren Umgebung des Grubenbaus. Über Jahrhunderte waren der Holzstempel und der Türstock der Inbegriff des Grubenausbaus. Später wurde der Holzausbau durch den Stahlausbau ersetzt. Der Holzstempel durch den stählernen Reibungsstempel und in weiterer Folge durch den Hydraulikstempel. Der Türstock durch den Stahlbogen- und den Stahlringausbau. Wo erforderlich, wurde der Stahlausbau durch ineinander verschiebbare Profilbögen nachgiebig gemacht. Die einzige technische Entwicklung in Richtung Anpassung an höhere Gebirgsdrücke war die Erhöhung des Metergewichts der Stahlbögen und Ringe von 21 kg/m auf über 50 kg/m. Im Rahmen des Snowy Mountain Hydroprojektes in Tasmanien fand Mitte des vergangenen Jahrhunderts eine Ausbaurevolution statt, nämlich die Einführung des Ankerausbaus. Führend war dabei der amerikanische Bergbauingenieur Tom Lang [13]. Im europäischen Raum wurden erste Ankerversuche von Rabcewicz [14] durchgeführt, der zeigte, dass man mit mechanischen Ankern Hohlräume in losem Geröll offen halten kann. Im Tunnelbau gewann der Ankerverbundausbau in Zusammenwirkung mit Spritzbeton an Bedeutung. Im Örterbau in Kohlebergwerken in den USA, Australien und Südafrika wurde innerhalb kurzer Zeit die Firstsicherung mit Gebirgsankern die Standardausbaumethode. Im Sandstein wurden mechanische Endanker eingesetzt, im Kohleschiefer bewährten sich die Klebeanker. Trotz anfänglichem Widerstand setzte sich der Ankerausbau auch im tiefen deutschen Steinkohlebergbau durch. Der Erfolg des Ankerausbaus gründet sich auf seiner Wirkungsweise. Der Gebirgsanker erhöht die Scherfestigkeit des aufgelockerten Gebirges in der Umgebung des Grubenbaus einerseits durch seine Scherfestigkeit, vor allem jedoch durch die Vorspannung, die Druckspannungen um den Hohlraum erzeugt und die Reibungskräfte in der Auflockerungszone mobilisiert. Dies zusammen mit der Orientierung der Krafteinleitung, die der Bewegung des aufgelockerten Gebirges in den Hohlraum entgegenwirkt, führt zu einer Stabilisierung des Gebirges um den Hohlraum. Im englischen Sprachgebrauch spricht man bezeichnender Weise von „rock reinforcement“.

Einer der Nutzeffekte des Ankerausbaus ist die viel effizientere Nutzung des Stahls. Im Schnitt beträgt der Stahleinsatz beim Ankerausbau im Vergleich zum Stahlbogenausbau nur etwa 20 %. In ähnlicher Weise hat sich der Ankerverbundausbau auch im tiefen Hartgesteinsbergbau durchgesetzt. Einer der Nachteile des Ankerausbaus ist geringe Bruchverformung und eng damit verbunden die geringe Energieaufnahme von Ankerausbausystemen. Dieses ist ein wesentliches Kriterium für die Eignung von Ausbausystemen unter dynamischen Belastungssituationen, wie sie bei Gebirgsschlägen auftreten [15]. Spezielle nachgiebige Gebirgsanker für den Einsatz in Bergwerken mit Gebirgsschlägen wurden entwickelt. Diese können mehrere 100 mm Gebirgsverformung bruchfrei, bei Aufrechterhaltung der Ankerkraft aufnehmen, und dadurch Energie absorbieren [16]. Ankerverbundausbausysteme bestehend aus nachgiebigen Ankern, Maschendraht und Drahtseilverzug haben sich in tiefen Goldbergwerken gut bewährt [17].

Die Anforderungen an moderne Ausbausysteme können wie folgt zusammengefasst werden (Abb. 5):

Vor 1950 war die numerische Analyse gebirgsmechanischer Problemstellungen auf einfache Geometrien und Materialgesetze, für die analytische Lösungen vorhanden waren, beschränkt wie z. B. kreisförmige Hohlräume oder einfache Geometrien wie Balken oder Platten. Komplexere Geometrien wurden mit Methoden der Spannungsoptik untersucht. Die Möglichkeiten der quantitativen Beurteilung des Spannungs- und Verformungszustandes in der Umgebung von Grubenbauen waren daher sehr beschränkt. Für die Beurteilung und Interpretation des Spannungszustandes im Gebirge wurden daher einfache Gebirgsdruckmodelle herangezogen, wie die Gewölbetheorie von Spackeler ([2]; Abb. 6) oder die Theorie der pseudoplastischen Trogdecke von Jacobi [19].

Parallel zu den Fortschritten auf dem Gebiet der Grundlagen des Verhaltens von Gestein und Gebirge sowie dem neuen Verständnis der Aufgaben und Anforderungen an Ausbausystemen hat eine dramatische Entwicklung im Bereich der numerischen Verfahren für die Analyse der Auswirkung der bergbaulichen Tätigkeiten auf die Spannungen und Verformungen im Gebirge stattgefunden. Dies betrifft sowohl

Eine detaillierte Beschreibung und Diskussion der verschiedenen numerischen Verfahren, die heute vorhanden sind und eingesetzt werden, geht weit über den Rahmen dieses Beitrags hinaus. Der interessierte Leser wird auf die umfangreichen Zusammenfassungen des Entwicklungsstandes auf dem Gebiet der numerischen Modellierung gebirgsmechanischer Frage- und Problemstellungen verwiesen [17, 20, 21].

Auf der Grundlage der Fortschritte im Verständnis des Verhaltens von Gestein und Gebirge und der Fähigkeit, die Spannungen und Verformungen im Grubengebäude mit Hilfe der numerischen Verfahren zu beschreiben, ist es nunmehr möglich geworden, die Spannungen und Verformungen im Grubengebäude zu bestimmen und in Zahlenwerten auszudrücken. Dadurch können die Gebirgsdruckerscheinungen im Grubengebäude in Beziehung zu den Spannungen und Verformungen gebracht und auf diese Weise semi-empirische Planungskriterien entwickelt werden.

Damit eröffnen sich völlig neue Dimensionen für die Bergbauplanung. Voraussetzung dafür sind jedoch relevante und zuverlässige Planungskriterien, d. h. Parameter, die eine realistische Beurteilung des In-situ-Zustandes der Grubenbaue auf der Basis der numerisch bestimmten Planungskennwerte erlauben. Das beste Beispiel ist der tiefe Goldbergbau in Südafrika. Für diesen wurde eine Reihe von Planungskriterien entwickelt, die die Grundlage für die langfristige Planung und den Betrieb von tiefen Bergwerken bilden [17, 22]. Beispiele derartiger Kriterien sind:

Gemeinsam ist diesen Planungskriterien, dass sie auf einer soliden gebirgsmechanischen Grundlage beruhen und durch umfangreiche Industriedaten gestützt werden. Im Falle des RCF-Faktors wurden ungefähr 100 km Strecken in verschiedenen Goldbergwerken analysiert und evaluiert [23]. Dabei wurde der Spannungszustand entlang der Strecken unter Berücksichtigung der Abbaugeometrie mit Hilfe eines Spannungsanalyseprogramms für plattenförmige Lagerstätten berechnet und der Streckenzustand sorgfältig aufgenommen und dokumentiert. Die Ausbaudetails wurden erfasst und bei der Auswertung berücksichtigt. Zusätzlich wurde die Gesteinsfestigkeit bei den jeweiligen Beurteilungspunkten bestimmt. Daraus ergaben sich die in Abb. 7 dargestellten Zusammenhänge. Der RCF-Faktor hat sich auch für die Beurteilung von Strecken im alpinen Bergbau als geeignet erwiesen.

Andere Planungskriterien auf semi-empirischer Basis sind die Stabiltätsdiagramme von Mathews [24], Laubscher [25], Esterhuizen et al. [26], Mawdesley et al. [27], die zur Beurteilung von Abbaudimensionen herangezogen werden. Mit Hilfe dieser Diagramme können die maximalen Abmessungen für permanent offene Abbauhohlräume bzw. die für einen zuverlässigen Bruchbau erforderlichen Mindestspannweiten bestimmt werden. Diese Verfahren werden vor allem in Australien, Kanada, Südafrika und USA angewandt. Stellvertretend für andere Stabilitätsdiagramme zeigt Abb. 8 jenes von Mathews [24]. Die Stabilitäts-Zahl basiert auf dem Gebirgsklassifikationsverfahren von Barton [10]. Der hydraulische Radius ist das Verhältnis der betrachteten Hohlraumfläche und deren Umfang.