Bericht über das 11. Ländertreffen des Internationalen Büros für Gebirgsmechanik: Rahmenathema: Der Mechanismus der Gebirgsbewegungen – Mechanische Betrachtung der Gebirgsbewegungen vom Abbau bis zur Tagesoberfläche – Leipzig, 2. bis 6. November 1969 [Leipzig, 2. bis 6. November. Reprint 2021 ed.] 9783112594186, 9783112594179

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D E U T S C H E A K A D E M I E D E R W I S S E N S C H A F T E N ZU B E R L I N I N T E R N A T I O N A L E S BÜRO FÜR GEBIRGSMECHANIK

BERICHT ÜBER DAS 11. LÄNDERTREFFEN DES INTERNATIONALEN BÜROS FÜR GEBIRGSMECHANIK Rahmenthema Der Mechanismus — Mechanische

der

Gebirgsbewegungen

Betrachtung der

Gebirgsbewegungen

vom Abbau bis zur Tagesoberjläche —-

Leipzig, 2. bis 6. November 1969 Gegründet von Prof. Dr.-Ing. Dr. e. h. GEORG BILKENROTH Herausgegeben von

Dr.-Ing. KARL-HEINZ HÖFER Leiter des Internationalen Büros für Gebirgsmechanik

Mit 194 Abbildungen, 7 Tafeln, 6 Tabellen, 1 Skizze

AKADEMIE-VERLAG

19 7 1

•

B E R L I N

Erschienen i m Akademie-Verlag G m b H , 108 Berlin, Leipziger Straße 3 — 4 Copyright 1971 b y Akademie-Verlag G m b H L i z e n z n u m m e r : 202- 100/524/71 K a r t e n g e n e h m i g u n g : N r . P 391/71 Gesamtherstellung: V E B Druckerei „ T h o m a s Müntzer 4 ', 582 B a d Langensalza Bestellnummer: 2 0 0 1 / 7 0 / I I I / 1 • E S 20 F l , 18 F 2, 18 E 2 EDV 7614253 76,P r i n t e d in G e r m a n D e m o c r a t i c R e p u b l i c

INHALTSVERZEICHNIS

Vorwort

5

Referate zum Rahmenthema K . - H . HÖFER

R . RICHTER

Zum Rahmenthema „Der Mechanismus der Gebirgsbewegungen" — Mechanische Betrachtung der Gebirgsbewegungen vom Abbau bis zur Tagesoberfläche — Zeitlich begrenzte Beharrungszustände in hangenden Gebirgsstrukturen bei der Entstehung von Tagebrüchen und Erdfällen Einige Aufgaben der Theorie der Gesteinsverschiebungen unter dem Einfluß bergmännischer Hohlräume Über einige mathematische lineare Modelle in der Mechanik des Gebirges (Stochastisches Medium) Einige prinzipielle Bemerkungen zur Vereinigung von Kontinuumsmechanik und stochastischer Betrachtungsweise in Richtung auf eine physikalische Theorie des Gebirges . . . . Über die mechanische Betrachtung der Gebirgsbewegungen .

ST. KNOTHE

A n w e n d u n g d e r GATJSSSCHEN E i n f l u ß f u n k t i o n zur B e s t i m m u n g

H. BERGER S. G. AVERSIN J . LITWINISZYN und A. Z. SMOLARSKI W. BUCHHEIM

J . BRADÄC J . ZNAI&SKI J . GRAMBERG J . F . RAFFOUX D. F . COATES und W. G. MTJIR F . W. UTILENBEOKER

von Gebirgsbewegungen mit besonderer Berücksichtigung des Abbaues von Schachtsicherheitspfeilern Der Einfluß der Deformierbarkeit des Liegenden des Flözes auf den Spannungs- und Verformungszustand des Grubenbaues Das Trennflächennetz des Gebirges um Grubenbaue von ihrer Entstehung an bis zur Bewegung des Gebirges Axiale Sprödbruchbildung zweiter und höherer Ordnung infolge scherender Bewegung Gestemsexpansion und Stratigraphie der in der Kohle aufgefahrenen und mit Ankerausbau versehenen Strecken . . . Einige untertägige Deformationsbeobachtungen in verschiedenen kanadischen Gruben Markscheiderische Verformungsmessungen in der Grube des Kaliwerkes Hattorf zur Überwachung der Standfestigkeit der Grubenbaue

9 12 24 35

47 60

69 81 101 109 129 135

149

Zum 11. Ländertreifen des Internationalen Büros für Gebirgsmechanik vorgelegte Arbeiten T. ZOLTAN A. G. AKIMOV und M. V. KOROTKOV M. VENKOVSKi und V. SiBEK

Das Anlegen und Führen von Abbauen mit Stahlstempelausbau.in steil gelagerten Flözen (Einfallen 50—60°) . . . . 165 Die in der U d S S R angewendeten Vorausberechnungsmethoden für Bewegungen und Verformungen der Erdoberfläche und die Verfahren zum Schutz von Gebäuden und Anlagen 178 Photogrammetrische Messungen der Deformationen eines Gebirgsmodells und einige Ergebnisse 187

Inhaltsverzeichnis

4

R . D . PARASCHKEVOV, K . L . KOLEV u n d

U n t e r s u c h u n g des M e c h a n i s m u s d e r u m Vorrichtungsbaue und Abbaue

Gebirgsverschiebungen 194

B . M . STOJANOV

L . SI§KA u n d M. 2ENC

B e i t r a g z u r P r o b l e m a t i k des G e b i r g s b e w e g u n g s v o r g a n g e s v o m A b b a u bis z u r T a g e s o b e r f l ä c h e 212

Wissenschaftliche Aussprache Diskussion z u m Rahmenthema:

„Der Mechanismus der Gebirgsbewegungen" — Mechanische B e t r a c h t u n g e n d e r G e b i r g s b e w e g u n g e n v o m A b b a u bis z u r Tagesoberfläche — 231

B e r i c h t e über die Arbeit des I n t e r n a t i o n a l e n B ü r o s für G e b i r g s m e c h a n i k u n d seiner A r b e i t s g r u p p e n i m J a h r e 1 9 6 9 K . - H . HÖFER R . GOCMAN K . - H . HÖFER W . MENZEL

D i e A r b e i t des I n t e r n a t i o n a l e n B ü r o s f ü r G e b i r g s m e c h a n i k . . B e r i c h t ü b e r die T ä t i g k e i t d e r A r b e i t s g r u p p e I I „ M e ß g e r ä t e technik" B e r i c h t ü b e r die T ä t i g k e i t d e r A r b e i t s g r u p p e I I I „ F e s t i g k e i t s untersuchungen" B e r i c h t ü b e r die T ä t i g k e i t d e r A r b e i t s g r u p p e I V „ A n a l y t i s c h e Gebirgsmechanik"

279 280 282 284

E i n f ü h r u n g s v o r t r a g zur E x k u r s i o n W . MÜNDER Teilnehmerverzeichnis

Ü b e r b l i c k ü b e r die g e b i r g s m e c h a n i s c h e n V e r h ä l t n i s s e Kupferschicferbergbaues im Sangerhäuser Revier

des 289 307

VORWORT

Der vorliegende Bericht über das 11. Ländertreffen des Internationalen Büros für Gebirgsmechanik bei der Deutschen Akademie der Wissenschaften zu Berlin beendet die Serie der seit dem 1. Ländertreffen 1959 in jährlicher Folge erschienenen Berichte. Wie den an der Arbeit des IBG beteiligten Wissenschaftlern bereits mitgeteilt wurde, hat das Internationale Büro für Gebirgsmechanik mit Wirkung vom 1. 8. 1970 seine Arbeit eingestellt. An dieser Stelle sei nochmals allen Mitarbeitern und Institutionen gedankt, die das IBG in seiner 11jährigen Tätigkeit unterstützt haben. Glückauf! D r . - I n g . K . - H . HÖFER

Zum R a h m e n t h e m a

Der Mechanismus der Gebirgsbewegungen Gebirgsbewegungen — Mechanische Betrachtung der vom Abbau bis zur Tagesoberfläche — von K . - H . HÖFEK, Leipzig

Meine geehrten Herren! Wenn wir an Gebirgsbewegungen denken, meinen wir beim ersten Gedanken meist die markscheiderischen Arbeiten im Zusammenhang mit den durch den Abbau verursachten Bergschäden. Tatsächlich waren es die Markscheider, die sich mit den großräumigen Bewegungen der Erdkruste im durch den Abbau gestörten Bereich beschäftigten. Ihre Arbeiten haben auf meßtechnischer Grundlage mit empirischen Berechnungsverfahren sehr viel zur bisherigen Kenntnis der abbaubedingten Senkungen und Verschiebungen beigetragen. Erinnert sei an die Namen LEHMANN, BALS, FLÄSCHENTRÄGER, NIEMCZYK, KEINHORST, NEUBERT u n d HOFFMANN,

die im deutschen Steinkohlenbergbau wesentliche Erkenntnisse sammeln konnten; an Arbeiten von

in Ungarn,

MARTOS BUDRYCK, KOCHMANSKI, KOWALCZYK

und

ORCHARD, K I N G

KNOTHE

und

VAN I T E R S O N , G R O N D an

WARDELL

und

SELDENRATH

in Polen, in England, in Holland.

BACHURIN, AVERSIN, MÜLLER u n d KUZNECOV

und all die Mitarbeiter des VNIMI in der Sowjetunion, an und viele andere.

PERZ

in Österreich

Aus den Erkenntnissen solcher Forschungen wurden nicht nur Vorausberechnungsmethoden für die Übertagesenkungen entwickelt, sondern auch Grundsatzregeln für die Vermeidung von Gebirgsschlägen erarbeitet, wie dies beispielsweise N I E M C Z Y K getan hat. Diese Arbeiten nahmen vorzugsweise im Steinkohlenbergbau ihren Anfang. In letzter Zeit sind neuere Untersuchungen auch in anderen Bergbauzweigen, die mit kammerartigen Abbauverfahren arbeiteten, durchgeführt worden. Erwähnt seien hier nur die Arbeiten von W A R D E L L im elsässischen Kalibergbau, von N E U W I R T H und E R A S M U S im westdeutschen Kali- bzw. Steinsalzbergbau und die sehr sorgfältigen Untersuchungen im Kalibergbau der DDR, die der leider zu früh verstorbene hoffnungsvolle Markscheider Dr. K O T T E W I T Z durchgeführt hat.

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K . - H . HÖFER

So lobensweit die markscheiderischen Arbeiten auf der Grandlage von Messungen im Flözhorizont, in Schächten und an der Tagesoberfläche sind, muß man jedoch leider sagen, daß sie uns nur einen bescheidenen Einblick in das tatsächliche Wesen der Gebirgsbewegungen vermitteln. So ist es auch nicht verwunderlich, daß sich Wissenschaftler anderer Fachgebiete ebenfalls mit diesen Problemen beschäftigten, um durch theoretische Untersuchungen tiefer in das physikalische Wesen der Gebirgsbewegungen einzudringen. LITWINISZYN und SMOLARSKI in Polen entwickelten theoretische Ansätze einer stochastischen Theorie der Gebirgsbewegungen und konnten nachweisen, daß diese den mathematischen Gleichungen des Wärmedurchganges entsprechen. BUCHHEIM verfolgte die Wanderung eines Hohlraumes von untertage bis übertage an Hand der Diffusionstheorie und kommt hierbei zu interessanten Ansätzen. BERRY, RICHTER und AVERSIN betrachten die Vorgänge auf der Grundlage der Kontinuumstheorie als elastische Verformungen in einem transversal isotropen Medium bzw. mit Hilfe von Gleichungen der Plastizitätstheorie. Wesentlich für die neuen Betrachtungsweisen ist das tiefere Eindringen in die physikalischen Vorgänge und die dadurch besser mögliche Verallgemeinerung der Ergebnisse. Trotz aller Fortschritte können wir jedoch noch nicht behaupten, daß wir heute schon genügend Kenntnisse über alle tatsächlichen Vorgänge rings um den Abbauraum mit seinen elastischen und plastischen Verformungen und den Bewegungen der gebrochenen Gesteinspartien haben, geschweige denn, über alle Vorgänge, die zwischen Abbauraum und Tagesoberfläche liegen. Das Problem ist wegen der Vielseitigkeit des Gebirgsaufbaues und wegen der Unzulänglichkeit der Gebirgsschichten auch äußerst schwierig. Neben einer Verfeinerung der Meßmethoden, nicht nur an den unmittelbar zugänglichen Stellen im Grubengebäude und an dei Tagesoberfläche, sondern auch in dazwischenliegenden Schichten durch großräumige Bohrlochmessungen, — wie sie beispielsweise KANLYBAJEVA und TURCANINOV in der UdSSR durchgeführt haben — wie sie vom Institut für Grabensicherheit, Leipzig, im Kalibergbau durchgeführt wurden standen versuchsweise Methoden der Geophysik, insbesondere der Seismik, für die Untersuchungen der Vorgänge zur Diskussion. In Frankreich bemühten sich TINCELIN und SINOIT, durch Refraktionsmessungen die Lage des Uberganges vom festen Gebirge zu Bruchzonen festzustellen. Vielfältig sind auch die Probleme in der Richtung, ob untertägige Hohlräume sich in ihrer Auswirkung bis zur Tagesoberfläche nur als Senkungen zeigen oder ob sie weitreichende Tagesbrüche und Erdfälle hervorrufen können. Erinnert sei hierbei — an die plötzlichen Einbrüche auf der Grube West-Driefontein, über die vor Jahren an dieser Stelle Herr HILL berichtete, — an Einbrüche über wassergefüllten alten Kalibergwerken, — an Erdfälle in Auslaugungszonen. Neue Beispiele über solche katastrophale Tagesbrüche und Erdfällle behandelt BERGER in seinem vorliegenden Beitrag. Eine neue Untersuchungsmöglichkeit bieten die in den letzten Jahren in der gebirgsmechanischen Forschung verstärkt angewandten Modellversuche, die unter Inkaufnahme von Vereinfachungen ein reales Bild von den Vorgängen zwischen Ursprungshohlraum und Tagesoberfläche geben können. Es ist erfreulich, zu sehen, wie die von G. N. KUZNEZOV 1937 in der Sowjetunion erstmalig angewandte Methode der Modellierung mit äquivalenten Materialien immer mehr verfeinert wurde und jetzt weltweit in allen gebirgsmechanischen Laboratorien angewendet wird. Die bisherigen Aufzählungen der verschiedenen Forschungsrichtungen in der Gebirgsmechanik, die sich mit der Frage des Mechanismus der Gebirgsbewegungen beschäftigen, zeigt uns, welch breiten Rahmen dieses Thema einnimmt.

Der Mechanismus der Gebirgsbewegungen

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Die ökonomischen Bedeutungen einer besseren Kenntnis des Mechanismus der Gebirgsbewegungen sind, wenn man an bereits eingetretene Schäden in den Grubengebäuden oder an der Tagesoberfläche denkt, immens. Deshalb ist es wohl auch gerechtfertigt, daß wir dieses Thema heute hier mit Experten des Fachgebietes behandeln, wobei gezeigt werden kann, daß unser Rahmenthema nicht nur ein markscheiderisches Thema ist, sondern ein Thema, das alle Forscher der Gebirgsmechanik mit ihren speziellen Arbeitsmethoden interessieren muß. Die sicherheitliche Bedeutung neuer Erkenntnisse auf diesem Gebiete braucht wohl nicht betont zu werden, da entsprechende Ereignisse Ihnen allen bekannt sind, wo Gebirgsschläge oder Erdbrüche, Rutschungen oder Grundbrüche zu bedeutenden Schäden geführt haben. Wenn wir von unserem Ausgangspunkt, dem Bergbau, auch formuliert haben „Gebirgsbewegungen vom Abbau bis zur Tagesoberfläche", so sollen in der Diskussion doch auch andere Vorgänge im durch menschliche Tätigkeit gestörten Teil der Erdkruste mit erörtert werden, soweit sie für unser Problem nützlich sein können. Es ist fast zu befürchten, daß wir mit dem Rahmenthema den Kreis zu weit abgesteckt haben, da hier praktisch alle vorangegangenen Themen unserer bisherigen Ländertreffen in irgendeiner Weise berührt werden: — — — —

seien es die rheologischen Eigenschaften des Gebirges oder die Modellversuchstechnik seien es die Festigkeitseigenschaften oder die gebirgsmechanische Meßtechnik seien es die Fragen des Bruchmechanismus im Gebirge und der Gebirgsschläge oder die mathematische Behandlung gebirgsmechanischer Probleme.

Wir sind uns indes gewiß, daß nicht alle Fragen auf dieser dreitägigen Tagung gelöst werden können. Es werden jedoch viele Anregungen durch die Referate und durch die wissenschaftliche Aussprache gegeben werden, die die Möglichkeit zu weiterer Forschung und damit zur Lösung des Problems geben. Die vorliegenden Beiträge zum Rahmenthema vermitteln einen repräsentativen Querschnitt der Probleme und sind damit eine gute Grundlage für die folgende wissenschaftliche Aussprache.

Zeitlich begrenzte Beharrungszustände in hangenden Gebirgsstrukturen bei der Entstehung von Tagebrüchen und Erdfällen von H .

BEROKR,

Leipzig

Kurzfassung Die fortschreitende stufenweise Auflockerung der Decken- bzw. Firstbereiche natürlicher oder sich der Kontrolle entziehender bergmännischer Hohlräume f ü h r t zu sehr differenzierten Aufbruchvorgängen. Die Ursachen und Faktoren, die zwischen dem primären Volumenschwund u n d der endlichen Deformation an der Tagesoberfläche die einzelnen Bruehphasen beeinflussen, hängen in erster Linie von den regional beschreibbaren geologisch-stratigraphischen Verhältnissen, den jeweilig betroffenen Gebirgsstrukturen, Festoder Lockergesteinsbereichen. Klüftigkeitsverhältnissen und nicht zuletzt von der Festigkeit, Dichte und den rheologischen Eigenschaften des gesamten erdfallgefährdeten Gebirgsverbandes ab. E s wird versucht, anhand ausgewählter Erdfallschäden und einiger Modellversuche darzulegen, daß bereits mit den vorhandenen gebirgs- und bodenmechanischen Erkenntnissen die Möglichkeit besteht, nach Probennahme, örtlichem Bohrlochtest oder geophysikalischer P r ü f u n g bestimmte Kennzahlen zu ermitteln, die in erster Linie bei Lockergestemsverbänden zu einer Aussage über evtl. Verspannungswilligkeit (z. B. Ungleichförmigkeitsgrad, natürlicher Verdichtungsgrad, Kornanordnung, Reibungswinkel, Porenwinkelwasser) oder Neigung zum plötzlichen siloartigem Schichtendurchbruch führen können. E s ist anzustreben, daß solche Überlegungen recht bald zu einer zeitlichen Einschätzung der Bruchphasen Anlaß geben u n d die geophysikalische H o h l r a u m o r t u n g auch für die tiefer liegenden Primär- u n d Zwischenbereiche wirksam wird.

Summary The progressing gradual looscning-up of t h e overlying rock mass or roof rock of n a t u r a l cavities of those mining cavities t h a t are beyond of control leads to very differentiated breaking-through processes towards t h e surface. The causes and factors t h a t influence the different breaking stages between t h e p r i m a r y loss ill volume u p to the definite deformation on the surface depend above all on t h e regionally describable conditions, the rock structures concerned, t h e zones of solid or loose ground, the jointing conditions and last not least the strength, density and rheological properties of t h e entire rock mass endagnered by funnelshaped subsidence due to naturally caused loss in substance. By means of a selection of damages caused by funnel-shaped subsidence due to naturally caused loss in substance and some model tests an a t t e m p t is made for revealing t h a t , basing on t h e existent knowledge in rock and soil mechanics and after carrying out sampling, drill-hole tests or geophysical studies, there is yet some possibility of determining certain characteristics t h a t can primarily for loose ground lead to a statement on the potential readiness for arching (e. g. degree of unconformability, natural degree of compression, grain arrangement, friction angle, water of pore angles) or tendency to the sudden silo-like break-through of s t r a t a . I t m u s t be aimed a t such reflexions soon to give rise to a temporary evaluation of t h e breaking stages and t h e geophysical cavity location also to become efficient for the primary and intermediate zones situated a t greater depths.

Résumé La désagrégation progressive par étapes des zones des morts-terrains et du toit de vides naturels ou de vides miniers incontrôlables aboutit à des processus de r u p t u r e très différenciés en direction de la surface. Les causes et facteurs influençant les différentes phases de déformation entre la perte en volume primaire et la déformation ultérieure à la surface dépendent en premier lieu des conditions géologiques et stratigraphiques qui peuvent être dérrites régionalement, des structures de roches concernées, des zones de roches solides ou meubles, des conditions de fissuration et non finalement de la résistance, de la densité et des propriétés rhéologiques du massif entier mis en danger p a r des affaissements.

Beharrungszustände in hangenden Gebirgsstrukturen

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L'essai est fait de démontrer à l'aide d'une sélection de dommages causés par des affaissements que l'état actuel des connaissances de mécanique des roches et du sol donne la possibilité, après prélèvement

des

échantillons, essais de sondage locaux ou de géophysique, de déterminer certains caractéristiques qui, en premier chef pour les structures des roches meubles, peuvent mener à une information sur la susceptibilité de la f o r m a t i o n d ' u n e v o û t e en plein cintre (par e x a m p l e degré d'irréguliarité, degré de compression naturel, disposition des grains, angle de friction, eau des angles de pores) et la tendence des strates à la rupture instantanée sous la f r o m e d'un silo. I l faut faire des efforts pour que de pareilles réflexions donnent aussitôt que possible lieu à une estimation temporelle des phases de rupture et que le repérage de vides géophysique devienne efficace aussi pour les zones primaires et intermédiaires situées plus profondément.

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