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29.01.2020 | Originalarbeit | Ausgabe 2/2020 Open Access

BHM Berg- und Hüttenmännische Monatshefte 2/2020

Quo vadis – Bergmännische Gebirgsmechanik?

Zeitschrift:
BHM Berg- und Hüttenmännische Monatshefte > Ausgabe 2/2020
Autor:
Em. O. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. mont. Horst Wagner
Wichtige Hinweise
Nach einem Vortrag, gehalten am 6. November 2019 beim Rohstoffkolloquium 2019 an der Montanuniversität Leoben, Österreich.

Hinweis des Verlags

Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.

1 Einleitung

Nach 60 Jahren beruflicher und fachlicher Tätigkeit auf dem Gebiet der bergmännischen Gebirgsmechanik darf die Frage gestellt werden, wie sich dieser für den Bergbau so wichtige Wissenszweig entwickelt hat und wohin er sich weiter entwickeln soll. Ich war und bin in der glücklichen Lage, dass ich im Laufe meiner beruflichen Entwicklung und Tätigkeit im Inland wie auch im Ausland, sowohl als Forscher als auch als Anwender, die Entwicklung der Gebirgsmechanik zu einer Ingenieurdisziplin hautnah erleben und auch gestalten durfte. Für meine Betrachtungen habe ich bewusst die Bezeichnung „bergmännische Gebirgsmechanik“ gewählt. Damit will ich zum Ausdruck bringen, dass es um die Anwendung der Grundlagen der Gebirgsmechanik auf die Bearbeitung und Behandlung der Gebirgsdruckprobleme im Bergbau geht. In diesem Zusammenhang soll und muss die Frage gestellt werden, in welcher Weise sich die Gebirgsdruckproblematik im Bergbau von jener in anderen Bereichen des Hohlraumbaus unterscheidet. Die Antwort ist einfach. Durch den großräumigen Abbau der Rohstoffvorkommen kommt es zu regionalen Spannungsumlagerungen im Gebirge und damit verbunden zu dynamischen Gebirgsdruckerscheinungen. Diese können jedoch durch entsprechende Planung gesteuert werden. Diese wichtige Komponente fehlt beim üblichen Hohlraumbau.

2 Vom Gebirgsdruck zur Gebirgsmechanik

Als ich vor 60 Jahren mein Bergbaustudium an der damaligen Montanistischen Hochschule begann, war der Begriff Gebirgsmechanik noch weitgehend unbekannt und man sprach von Gebirgsdruck. Ausdrücke wie standfestes Gebirge oder druckhaftes Gebirge waren üblich, um den Gebirgszustand zu beschreiben. Von den mehr als 1200 Seiten des damaligen zweibändigen Standardwerkes des Bergbaus, der „Bergbaukunde“ von C.H. Fritzsche [ 1], behandelten gerade 20 Seiten Grundlagen des Gebirgsdrucks, während sich 200 Seiten mit Fragen des Ausbaus von Schächten, Strecken und Abbauen befassen. Dies beschreibt den damaligen Zugang zur Frage der Gebirgsbeherrschung im Bergbau, nämlich die Auswirkungen des Gebirgsdruckes durch Ausbau zu behandeln. Die Auswirkungen des Abbaus der Lagerstätten auf den Gebirgszustand wurden mit Hilfe von Gebirgsdruckmodellen beschrieben. Diese sind im Wesentlichen einfache mechanistische Modelle, die die gleichen charakteristischen Eigenschaften aufweisen, wie sie unter Tage beobachtet werden. Beispiele sind die Gewölbetheorie von Spackeler [ 2] oder die Plattentheorie von Kegel (1942), die die Spannungsverteilung vor und hinter einem Langfrontabbau zeigen. Diese Modellvorstellungen waren geeignet, die Spannungssituation in der Umgebung des Abbaustoßes eines Langfrontabbaus zu beschreiben, jedoch nicht für deren quantitative Beurteilung.
Die Verfügbarkeit von Rohstoffen, insbesondere Kohle und Erze, war eine der Voraussetzungen für den Wiederaufbau Europas nach dem 2. Weltkrieg. Der Großteil des europäischen Bergbaus war verstaatlicht und von nationalem Interesse. In diesen Zeitraum fiel auch die Blütezeit der Rohstoffforschung. Führend war dabei der Kohlebergbau mit den bekannten Forschungszentren, wie Bergbauforschung (Deutschland), Bretby-NCB (England), CERCHAR (Frankreich), GIG (Polen) und Internationales Büro für Gebirgsmechanik (damalige DDR). Jedoch auch außerhalb von Europa wurde intensiv geforscht. Beispiele sind das US Bureau of Mines (USA), CANMET (Kanada), CSIRO (Australien) sowie CSIR und Chamber of Mines (Südafrika). Weiterhin zu erwähnen sind die Forschungsinstitute der früheren UdSSR.
Es muss an dieser Stelle vermerkt werden, dass beginnend mit etwa 1980, d. h. nach beendetem Wiederaufbau, die staatlichen Bergbaubetriebe in Europa zum größten Teil geschlossen wurden und als Folge davon auch die damit verbundenen Forschungsorganisationen. Etwas später wurden auch zahlreiche Forschungsorganisationen in Nordamerika und Südafrika entweder geschlossen oder privatisiert. Dies führte weitgehend zum Ende der langfristig angelegten strukturierten Forschung auf dem Gebiet der Gebirgsmechanik. In verstärktem Maß verlagerte sich die Forschung an die Universität. Von wenigen Ausnahmen abgesehen, war diese jedoch projektspezifisch und kurzzeitorientiert (vgl. Wagner und Fettweis [ 3]).
Parallel zu diesen bergbaubezogenen gebirgsmechanischen Forschungsaktivitäten fanden die Aktivitäten des legendären Salzburger Kreises statt. Es handelte sich hier um eine multi-disziplinäre Gruppe von führenden Geologen, Bau- und Bergbauingenieuren, Mechanikern, Physikern und Mathematikern, die sich in regelmäßigen Abständen in Salzburg traf, um Gebirgsdruckfragestellungen, vor allem aus dem Bereich des untertägigen Infrastrukturbaus, mit Ingenieurmethoden zu lösen. Der Arbeitsschwerpunkt dieser Gruppe war vor allem die ingenieurmäßige Behandlung des diskontinuierlichen Gebirgsverbandes. Prominente Mitglieder dieser Gruppe waren Clar, Stini, Föppl, Prandtl, Müller und Rabcewicz [ 4]. Diese Aktivitäten führten im Jahr 1962 zur Gründung der Internationalen Gesellschaft für Gebirgsmechanik (ISRM) mit Prof. Leopold Müller als erstem Präsidenten. Heute ist die ISRM eine globale Vereinigung mit mehr als 7500 Mitgliedern und über 55 nationalen Gruppen.

3 Entwicklungen der Grundlagen der Gebirgsmechanik

Die intensive Beschäftigung der Bergbau- und der Bauindustrie mit grundlegenden Fragen des Verhaltens von Gestein und Gebirge in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts führte zu einem rasanten Wissenszuwachs auf dem Gebiet des mechanischen Verhaltens von Gestein und Gebirge und des Verständnisses der grundlegenden Mechanismen der Bruchvorgänge um Grubenbaue sowie der Anforderungen an Ausbausysteme. Die Erfolge dieser Forschungsaktivitäten beruhten vor allem darauf, dass sie auf strukturierten Langzeitprogrammen aufbauen konnten. Parallel zu diesen Aktivitäten fand die explosionsartige Entwicklung auf dem Gebiet der numerischen Modellierung und Analyse statt. Damit wurden die Voraussetzungen geschaffen für die Analyse und Bearbeitung komplexer gebirgsmechanischer Problemstellungen.
Das wesentliche Ergebnis dieser Forschungsaktivitäten war die Erarbeitung der wissenschaftlichen Grundlagen betreffend das Verhalten von Gestein und Gebirge und damit des wissenschaftlichen Fundaments für die Gebirgsmechanik. Gebirgsmechanik ist die theoretische und angewandte Wissenschaft des mechanischen Verhaltens von Gestein und Gebirge; es ist der Teilbereich der Mechanik, der sich mit der Reaktion von Gestein und Gebirge auf das Kräftefeld in seinem physikalischen Umfeld befasst. Im Folgenden werden die aus der Sicht des Autors bedeutendsten Entwicklungen zusammengefasst.

3.1 Mechanisches Verhalten von Gestein

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.

3.2 Gebirgsklassifikation und Gebirgsverhalten

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.

3.3 Ausbau

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):
  • Einschluss der Bruchzone um den Grubenbau
  • Schaffung von Druckspannungen im Umfangsbereich des Hohlraumes
  • Kontrolle der Gebirgsdeformationen um den Grubenbau
  • Hohes Energieaufnahmevermögen des Ausbausystems

3.4 Numerische Verfahren

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
  • die Natur der Modelle, die kontinuierlich oder diskontinuierlich sein kann,
  • das Materialverhalten, welches elastisch, plastisch, zeitabhängig oder zeitunabhängig sein kann, und
  • den Lösungsalgorithmus.
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].

3.5 Planungskriterien

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:
  • der RCF – Rock wall condition factor für die Planung der Bergbauinfrastruktur
  • die ERR – Energy release rate für die Abbauplanung
  • der ESS – Excess shear stress für die Abbauplanung in der Nähe von Störungen
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.

4 Paradigmenwechsel in der bergmännischen Gebirgsmechanik

Die Entwicklungen seit der Mitte des vergangenen Jahrhunderts haben zu einem Paradigmenwechsel der bergmännischen Gebirgsmechanik geführt, nämlich von der Schadenbegrenzung zur Schadenvermeidung. War der Schwerpunkt früher auf dem Ausbausektor, so liegt er nunmehr auf der gebirgsmechanischen Planung.
Ziel der modernen gebirgsmechanischen Planung ist es, Bereiche ungünstiger Spannungsverhältnisse zu vermeiden und Bereiche günstiger Spannungsverhältnisse bewusst zu schaffen. Das Mittel dazu sind die durch den Abbau verursachten regionalen Spannungsumlagerungen. Das Prinzip kann am Beispiel der Spannungsumlagerungen beim Langfrontabbau plattenförmiger Lagerstätten gezeigt werden (Abb.  9). Vor dem Abbaustoß ist der Bereich hoher Spannungskonzentrationen, Isolinien >1, ober- und unterhalb des abgebauten Bereichs ist der druckentspannte Bereich, Isolinien <1. Dieser Bereich kann genutzt werden, um Strecken und sonstige wichtige Bergbauinfrastruktur vor hohem Gebirgsdruck zu schützen.
Wahrscheinlich das extremste Beispiel ist der Schutz tiefer Schächte vor den Abbauauswirkungen. Die traditionelle Methode ist, Schachtsicherheitsfesten stehen zu lassen. Da die Spannungen in Bergfesten immer höher sind als die primären Gebirgsspannungen, bedeutet dies, dass die zahlreichen Grubenbaue in der unmittelbaren Umgebung von Schächten in großen Teufen überbelastet und beschädigt werden. Aus diesem Grunde wurde 1970 von dem Konzept der Schachtsicherheitsfesten abgegangen und der Bereich um tiefe Schächte planmäßig abgebaut und versetzt, um die Verformungen der Schachtsäule und der Einbauten so zu gestalten, dass diese technisch beherrscht werden können. Es ist bezeichnend, dass seit diesem Zeitpunkt kein neuer sehr tiefer Schacht im Goldbergbau durch Schachtsicherheitsfesten geschützt wird [ 28].

5 Schlussfolgerungen

In den vergangenen Jahrzehnten wurden große Fortschritte im Verständnis des Verhaltens des Gebirges und der Strukturen im Gebirge gemacht [ 20]. Wir haben gelernt, die Eigentragfähigkeit des Gebirges zu verbessern und die Spannungen und Verformungen im Gebirge mit Hilfe einer breiten Palette von numerischen Verfahren zu berechnen. Die breite Umsetzung dieser Fortschritte wird jedoch durch das mangelnde Wissen der Geologie und insbesondere der Strukturgeologie, die Schwierigkeiten bei der Bestimmung und Quantifizierung der mechanischen Gebirgseigenschaften und Parameter sowie das mangelnde Wissen über die In-situ-Spannungszustände eingeengt. Dies gilt insbesondere für den Wissensstand zum Planungszeitpunkt. Der alte Bergmannsspruch „Vor der Hacke ist es duster“ hat leider immer noch Gültigkeit.

6 Quo vadis?

In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die bergmännische Gebirgsmechanik immer mehr spezialisiert und in zahlreiche Teilbereiche aufgespalten und dieser Trend setzt sich immer noch fort. Der Drang zum Spezialistentum und der damit verbundenen Fachsprache führt dazu, dass die verschiedenen Spezialisten nicht mehr miteinander kommunizieren können und aneinander vorbei reden. Darüber hinaus sind die Spezialisten so mit sich beschäftigt, dass sie den Kontakt mit der Wirklichkeit und den Blick für die großen Zusammenhänge verlieren.
Was war die Stärke und das Geheimnis des „Salzburger Kreises“, der als Beginn der modernen Gebirgsmechanik angesehen werden kann? Es war die Vielzahl der Disziplinen und das Bemühen, miteinander zu sprechen und voneinander zu lernen. Davon entfernen wir uns immer mehr.
Viele der bedeutenden Fortschritte auf dem Gebiet der Grundlagen der modernen Gebirgsmechanik und deren praktischer Anwendung in der Bergbauindustrie gehen auf die früher erwähnten Industrieforschungszentren zurück. Diese wurden jedoch als Folge struktureller Änderungen der Bergbauindustrie geschlossen. Die heutigen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Gebirgsmechanik erfolgen vornehmlich auf Universitäten und mit Einbindung von Dissertanten. Die Themen werden von den Auftraggebern bestimmt. Die Schaffung von Forschungsschwerpunkten wird dadurch sehr erschwert. Mit schuld an dieser Situation ist die Organisationsform der Universitäten, die fachspezifisch ist, während die Probleme der Gesellschaft komplex und multidisziplinär sind. Der immer größer werdende Druck für die Lehrstühle, Drittmittel einzuwerben, führt zu einem ungesunden Wettbewerb an den Universitäten und beeinträchtigt die Zusammenarbeit. Hier sind die Universitätsleitungen gefordert. Gemeinsame fächerübergreifende Schwerpunkte könnten die Antwort sein. Diese Entwicklung erfüllt mich mit Sorge, denn die im Kapitel „Schlussfolgerungen“ angesprochenen Problembereiche können meiner Meinung nach nur durch enge Zusammenarbeit der Fachleute auf dem Gebiet der Geologie, Geophysik, Geomechanik, Numerik, Messtechnik, Bergbau und Tunnelbau miteinander und zusammen mit der Industrie gelöst werden.
Lassen Sie mich mit dem Leitspruch meines verehrten Lehrers Günther Fettweis schließen:
„Bergbau ist nicht eines Mannes Sache“.
Das gilt auch für die Gebirgsmechanik.
Open Access Dieser Artikel wird unter der Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz veröffentlicht, welche die Nutzung, Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und Wiedergabe in jeglichem Medium und Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle ordnungsgemäß nennen, einen Link zur Creative Commons Lizenz beifügen und angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden.
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