Der Gebirgsdruck und seine Beherrschung durch den Bergmann [Reprint 2021 ed.] 9783112584507, 9783112584491

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B E R I C H T E Ü B E R DIE V E R H A N D L U N G E N D E K

SÄCHSISCHKN

AKADEMIE DER WISSENSCHAFTEN ZU LEIPZIG M a thematisch

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enschaft

99 •

liehe

Klasse

Heft

SPACKELER

DER GEBIRGSDRUCK UND SEINE BEHERRSCHUNG DURCH DEN BERGMANN

1 95 1

A K A D K M I K - V E R I. A G • B E R L T N

Vorgetragen in der Sitzung vom 12. Februar 1951 Manuskript eingeliefert am 20. April 1951 Druckfertig erklärt am 10. Oktober 1951

Erschienen im Akademie-Verlag GmbH., Berlin NW 7, Schiffbauerdamm 1!> Lizenz-Nr. 202 • 100/59/51 Satz und Druck der Buchdruckerei F. Mitzlaff, Rudolstadt/Thür. (707) Bestell- und Verlagsnummer 2027/99/2 Preis: DM 1,05 Printed in Germany

Inhalt Seite 1.

Die

Gebirgsdrucklehre

2.

Mathematische

auf

Grund

bergmännischer

Beob-

achtungen

(> und

naturwissenschaftliche

Beiträge

zur

K l ä r u n g der G e b i r g s d r u c k f r a g e n

'

21

a) V e r m e s s u n g s t e c h n i k I))

21

R e c h n e r i s c h e E r f a s s u n g der P r o b l e m e

22

Modellversuche

25

4.

Festigkeitsuntersuchungen

2i)

.).

P h y s i k a l i s c h e und g e o p h y s i k a l i s c h e U n t e r s u c h u n g e n

6.

Ergebnis

.

.

.

1*

.'¡2

Die Lehre vom Gebirgsdruck ist eine verhältnismäßig junge Wissensehaft. Vereinzelt hatten sich schon früher Forscher mit Gebirgsdruckfragen beschäftigt. Insbesondere ist die Lehre des Schweizer Geologen Heim von der latenten Plastizität der Gesteine in größerer Teufe zu erwähnen, die er 1878 in Zusammenhang mit dem Bau des Gotthardttunnels in seinem Werk „Mechanismus der Gebirgsbildung" aufstellte. 1899 erschien das Buch von Trompeter „Über die Expansivkraft im Gestein'". Später haben einzelne T u n n e l b a u e r (KOMERELL 1912 u n d VON WILI.MAXN 1911) u n d ebenso

Bergleute (E. WEBER 1915) an Problemen des Gebirgsdruckes gearbeitet. Von einer planmäßigen Forschling kann aber erst seit 1928 gesprochen werden, als gleichzeitig eine Reihe größerer Arbeiten die Aufmerksamkeit der gesamten bergmännischen Fachwelt auf Gebirgsdruckfragen lenkte. Bis dahin war der Gebirgsdruck als unabänderlich und gottgegeben hingenommen worden. Inzwischen hat man gelernt, den Druck zu lenken und in gewissem Umfange zu beherrschen. Aber nur die qualitative Analyse ist gelungen. Zu einer zuverlässigen Vorausberechnung von Druck und Ausbau fehlen noch alle Unterlagen. Die quantitative Analyse bedarf noch der Ermittelung vieler Unterlagen auf physikalischem und mathematisch-mechanischem Gebiet. Es soll der Zweck meines Vortrages sein, das Interesse der Kollegen dieser Wissenschaften auf dieses noch fast vollständig offene, aber lohnende Forschungsgebiet zu lenken.

G. SPAOKF.r.KK

1. Die (iebirgsdrucklelire auf (iriiml bergmännischer Beobachtungen Eine Beherrschung des Gebirges ist für den Bergbau nicht nur eine Kostenfrage; sie ist der Schlüssel für eine sachgemäße Nutzung unserer Bodenschätze, insbesondere für die Verminderung der Abbauverluste ebenso wie für Verminderung der großen Gefahren (Steinfall, Gasausbrüche mit Schlagwetterexplosionen, Gebirgsschläge usw.). XJm das grundlegende Problem klar zu kennzeichnen, darf ich auf ein persönliches Erlebnis zurückkommen. Nach einem meiner ersten Vorträge über Gebirgsdruckfr&gen — es war 1928 in Essen vor Fachleuten des Rulirkohlenbergbaus —• wurde mir von ernsthaften Fachvertretern entgegengehalten, ich hätte vorausgesetzt, daß das Gebirge unter der Last der überlagernden Massen stände; wenn das der Fall wäre, müßte das Gebirge in 000 m Teufe unter einer Spannung von rd. 150 Atm., in 1000 m Teufe sogar von 250 Atm. stehen. Wäre das der Fall, so könnte der Bergmann seine Grubenbaue unmöglich offenhalten, sie müßten zusammengedrückt werden, was nicht der Fall sei. Der Einwand kennzeichnet das Kernproblem, um das es sich handelt: Die tiefsten Bergwerke der Erde haben über 2G00 m Teufe erreicht; der geplante Mont-Blanc-Tunnel wird über 3000 m Gebirgsdecke haben. Das entspricht mindestens Überlagerungsdrucken von 650 bzw. 700 kg/cm 2 . Worin liegt es begründet, daß der Bergmann die tatsächlich vorhandene Spannung im Gebirge nicht unmittelbar verspürt, daß er im Gegenteil die Grubenbaue oft mühelos offenhält und sogar gelernt hat, den Druck zu lenken und ihn in vielen Fällen zur Erleichterung seiner Arbeit auszunutzen? Zur grundsätzlichen Klärung dieser Frage sei zunächst ein senkrechter Schacht betrachtet, der im homogenen Gebirge mit kreisförmigem Querschnitt steht. Vor dem Eindringen des Bergmannes ist ein allseitiger Spannungszustand vorhanden. Mit der Schaffung des Hohlraumes wird das Gleichgewicht gestört; die Massenteilchen rings um den Schacht erhalten die Möglichkeit, sich zu verschieben

J)er Gebirgsdruck und seine Beherrschung durch den Bergmann

u n d in Richtung auf den Hohlraum vorzudrücken. Die Massenteilchen werden also von allen Seiten radial in den Schacht einzudringen suchen, wobei sich aber der Kreisumfang, auf dem eine Reihe von Massenteilchen angeordnet ist, ständig verkleinert. Abb. 1 zeigt im oberen Teil schematisch die Vorgänge. Die radiale K r a f t wird in eine radiale und tangentiale Komponente zerlegt; die erstere wird nach dem Schacht zu kleiner, bis sie a m Schachtuml'ang nur noch einen Teil ihrer ursprünglichen Größe hat. Die tangentiale Komponente dagegen m u ß in einem gewissen Umkreis u m den Schacht ein Maximum erreichen. Im unteren Teile der Abbildung sind die beiden Komponenten der Kräfte als Kurven dargestellt. Daraus ergibt sich, daß am Schachtumfang nur ein Bruchteil der gesamten Überlagerungskräfte, nämlich der Rest der radialen Komponente, wirksam Abb. 1. Kräfteverteilung um senkrechten ist, da sich aus der tanSchacht (nach F E N N E R ) gentialen Komponente die Ablenkung der Druckkräfte in das Gebirge hinein ergibt. Haben wir nicht einen senkrechten Schacht, sondern einen horizontalen Grubenbau, einen Stollen oder eine Strecke voi uns, so ist die Eigenlast der Massen innerhalb der beeinflußten Zone zu beachten. Die tangentiale Komponente verläuft dann nicht in Kreisform, sondern nimmt die Gestalt einer Ellipse an, deren größte Achse bei horizontaler Lagerung der Schichten senkrecht steht. Das Gebirge innerhalb des Maximums der tangentialen Komponente wird dabei durch den Entspannungsvorgang und die daraus entstellenden sekundären Spannungen, besonders durch

G. Sl'AC'KELKR

8

S c h e r k r ä f t e je n a c h der E i g e n a r t zertrümmert. auftretenden Gesteins.

des G e s t e i n s m e h r oder

weniger

In geringer T e n f e u n d in f e s t e m G e s t e i n b l e i b e n die Kestigkeitsgrenze

des

W e n n der B e r g m a n n iiier g l e i c h w o h l die S t r e c k e n

Beanspruchungen

unter

der

aus-

z i m m e r t . so g e s c h i e h t dieses n u r , um die S t e i n f a l l g e f a h r d u r c h die infolge der S c h i e ß a r b e i t und V e r w i t t e r u n g sich a b l ö s e n d e n zu b e s e i t i g e n .

Schalen

Mit z u n e h m e n d e r T e u f e b e g i n n e n s c h a l e n f ö r m i g e A b -

1 f > s 11 ngen a in g e s a m t e n S t r c e k e n u n i f a n g . wodurch die S t r e c k e sich nach oben

auswölbt.

B e r g i n a nn die V o r g ä n g e mit

einem

Gewölbe von

Der

vergleicht deshalb

wirklichen

und

spricht

Gewölbe Wirkung

und K ä m p f e r d r ü c k auf die

seitlichen

Nimmt

Stöße.

die

Teufe

weiter

zu,

so

werden

die

Zerklüftungser-

scheinungen rings

um

die S t r e c k e i m m e r h e f t i g e r u n d zugleich viel-

Ahb. 2. (Jiicisc-hliijj; auf Zeche Blumentlial mogenes

Gebirge

Kinzelschichten

vorliegt,

sondern

verschieden

sind.

die

seitiger,

da selten h o -

Druckwirkungen

Kine dünne

in

allen

Tonlage kann

da-

d u r c h , a u c h wenn sie nur M i l l i m e t e r d i c k e h a t , g r o ß e n H i n f l u ß auf das

Gebirgsvcrlialten

verschiedene

ausüben.

Verhalten

Steinkohlenbergbau

der

wieder;

Z e c h e aus rd. 7 0 0 m T e u f e .

Abb. 2 gibt einzelnen

es

.stammt

ein B e i s p i e l

Gesteinsbänke von

einer

Strecke

gut

zu

dem

westfälischen

Gesteinsschichten

wurde zu e i n e m g r o ß e n , modernen A n s p r ü c h e n g e n ü g e n d e n so d a ß sich

vieler -Jahre e n t s t a n d e n e n

aus

das

Kine alte, schon mehrfach nachgerissene

und jedesnir.l n u i a u s g e b a u t e S t r e c k e quer zu den (|uerschlag e r w e i t e r t ,

für

Gelegenheit

Wetter-

b o t . die im

Laufe

G e b i r g s w a n d e r u n g e n rings um die a l t e

beobachten.

Der

weiß d a r g e s t e l l t e g e s u n d e

Ton-

Der (¡ebirgsdruck und seine Beherrschung d u r c h den B e r g m a n n

schiefer erhielt die gezeichneten Risse mit Bildung schalenförmiger Ablösungen etwa parallel zur Gewölbelinie, ohne aber vollständig hereinzubrechen, während die schwarz gezeichnete, viel weichere Steinkohle sich von der Seite her völlig zermürbt in den Druckschatten vorgeschoben und über der Streckenfirste (ine Massenanstauung hervorgerufen h a t . Der Schiefer zwischen dem Kohlenflöz und der Firste der alten Strecke ist durch diese Wanderung ebenfalls in Bewegung gekommen, hereingedrückt und schon bei früheren Nachrißarbeiten z. T. entfernt. In noch größerer Teufe

Abb. 3. Schieierung und Verformung des H a n g e n d e n beim .Xachreißen eines Quersehlages auf der Zeche Sachsen bei H a m m . Die weiße L i n i e bezeichnet die ursprüngliche Lage der Schichten

würde auch der Schiefer zertrümmert und zerrieben sein, wobei dickbankige gesunde Schichten in feinste Schieferplatten und -plättchen aufgelöst zu werden pflegen. Abb. 3 zeigt im Foto die Aufwältigung eines alten Querschlages in ganz ähnlichen Tonschiefern wie in Abb. 2, aber in 950 m Teufe. Die weiße Linie quer über das Bild deutet das ursprüngliche Einfallen der Schichten an. Der ursprünglich dickplattige Schiefer ist von beiden Seiten her zusammengeschoben und dabei nicht nur in feinste Plättchen auf-

10

Ii. Sl'ACKELKK

gelöst, sondern auch von den seitlich nachdrückenden Massen gestaucht und gefaltet. In der Sohle gehen grundsätzlich die gleichen Erscheinungen vor sich; nur das freie Herabfallen der sich lockernden Teile ist ausgeschlossen. Die Sohle wird daher hochgedrückt, so daß der Bergmann sie, um sein Gleisplanum zu erhalten, nachreißen muß. Gleichwohl kann man beobachten, daß in Sohle und Firste spiegelbildliche Erscheinungen zu beobachten sind. Alle diese Betrachtungen führen zur Beantwortung der eingangs aufgeworfenen Krage, warum der Bergmann die hohen Gebirgsspannungen nicht unmittelbar verspürt: er bekommt das hochgepreßte Gebirge überhaupt nicht zu sehen. Um jeden vom Bergmann erzeugten Hohlraum bildet sich sofort eine mehr oder weniger entspannte Zone aus, gegen welche zwar von außen her radiale Kräfte wirken, die aber einen Schutzgürtel um die Strecke bildet. Wenn die Schalen auch lose sitzen, so lange sie sich in ihrer ursprünglichen Lage befinden, üben sie einen gewissen Widerstand aus, so daß die am Streckenumfang verbleibende radiale Komponente der Überlagerungskräfte klein ist. Zweck der Grubenzimmerung oder heute meist des in Stahl oder Betonsteinen ausgeführten Grubenausbaus kann es niemals sein, das überlagernde Gebirge zu tragen; tritt dieser Fall ein, so knickt jeder Ausbau in größerer Teufe zusammen. Er hat nur in radialer Richtung einen Anfangswiderstand gegen das Gebirge auszuüben, der durch die Massen innerhalb des Schutzgürtels vergrößert wird. In d«r Firste trägt der Ausbau max. das Gewicht des Gesteins innerhalb der zerklüfteten Zone; damit schützt er den Bergmann vor Steinfallgefahr. Hauptaufgabe des Ausbaus ist aber nicht die Sicherung nach oben, sondern der Widerstand gegen die radialen Kräfte, also der Widerstand nach allen Seiten. Man paßt daher den Ausbau heute in seiner Form nach Möglichkeit der elliptischen Form der Schutzgürtelzone an, was bei Stahl und Beton als Ausbaumaterial leicht möglich ist. Im schwerdrückenden Gebirge baut man geschlossene Ringe ein. Nach Möglichkeit verzichtet man allerdings der hohen Kosten wegen auf einen Ausbau der Sohle, zumal man damit ein Sicherheitsventil schafft, da das Nachreißen

D e r Gebirgsdi uck und seine Beherrschung durch den B e r g m a n n

1 1

der Sohle die billigste Reparatur einer Strecke darstellt. Um die Ausbildung der entspannten Zone zu ermöglichen, pflegt man heute keinen starren Ausbau zu wählen, sondern ihm Beweglichkeit (Möglichkeit der Änderung der Querschnittsform) und Nachgiebigkeit (Möglichkeit der Querschnittsverminderung) zu geben, wobei jedoch auf steigenden Widerstand gegen weitere Querschnittsverminderungen Wert zu legen ist, u m baldigst zu einem neuen Gleichgewicht zu kommen. Mit der Zeit und nach genügender Entspannungsbewegung kann die Ruhe aber auch ohne Ausbau eintreten. Häufig kommt es deshalb vor, daß, wenn der Ausbau unter Querschnittsverminderung zerstört ist, auch der neue Gleichgewichtszustand hergestellt ist und Ruhe im Gebirge eintritt. E n t f e r n t man dagegen den zerbrochenen Ausbau und reißt die Strecke nach, weil z. B. ihr Querschnitt zu klein geworden ist. so kommt das ganze Gebirge erneut in Bewegung, weil die radialen Kräfte nicht mehr auf den Widerstand der wenn auch gelockerten Massen stoßen. Im jüngeren, besonders im tonigen Gebirge, ist häufig beobachtet, daß der Ausbau zunächst mehrmals zusammengedrückt wurde u n d jedesmal erneuert werden mußte, d a ß die Standdauer jedes neuen Ausbaus aber größer wurde und daß nach drei- oder viermaligem Auf wältigen der Strecke im Gebirge Ruhe geschaffen war. Am größten ist und bleibt der Druck im plastischen Ton, an welchem auch die radiale Wirkung gleichmäßig von allen Seiten her am deutlichsten in Erscheinung t r i t t und kaum Ruhe zu erzielen ist. Im Bergbau auf feuerfeste Tone z. B. hat man in nur 40—50 m Teufe die Strecken in geschlossener Ellipsenforni mit Betonsteinen ausgebaut, wobei trotz des kleinen Querschnittes von nur 0,8 bzw. 1,8 in Achsenlänge sich eine Mauerstärke von 0,3 m als erforderlich erwies. Bei großen Teufen ist einem solchen Ton überhaupt kein Ausbau gewachsen. Man h a t in solchen Fällen starke Stahlträger (I P 30—40 von 120—160 k g / m Gewicht) als runde Profilrahmen eingebaut, aber jeden Verzug hinter diesen Trägern fortgelassen. Der Ton quoll dann zwischen den Rahmen in die Strecke hinein, wo er regelmäßig entfernt werden mußte. Allmählich aber erzielt man auch in diesem Falle Ruhe, wenn eine

12

(!. Sr.U'KKLEK

b e s t i m m t e Menge Ton entfernt u n d die Tiefe der e n t s p a n n t e n Zone so groß geworden ist, d a ß a u c h der geringe W i d e r s t a n d des Tones zur Gleichgewiclitsbildung a u s r e i c h t . In festes Gebirge eingelagerte Tone werden oit vollständig a u s g e q u e t s c h t . B e o b a c h t e t ist z. B im S t e i n k o h l e n b e r g b a u , d a ß solche Tone i m Liegenden eines Flözes in eine a l t e , im Flöz a u f g e f a h r e n e F ö r d e r s t r e c k e von der S e i t e her so a b g e w a n d e r t w a r e n , d a ß die Tonschicht auf 10 m B r e i t e jederseits dieser a l t e n S t r e c k e vollkommen verschwunden w a r u n d erst in 20 m E n t f e r n u n g ihre volle S t ä r k e von 1 m wieder erreicht h a t t e . Der B e r g m a n h a t f ü r diese Schutzzone der E n t s p a n n u n g u n d Z e r k l ü f t u n g rings u m die S t r e c k e n einen kurzen F a c h a u s d r u c k e i n g e f ü h r t ; er bezeichnet sie als „Trompetersche Zone", g e n a n n t n a c h dem o b e n e r w ä h n t e n Verfasser des Buches „ Ü b e r die E x p a n s i v k r a f t im Gestein", in welchem 1899 zum ersten Male die Gedanken vom Hereinschieben der Massen u n d der B i l d u n g einer E n t s p a n n u n g s z o n e g e ä u ß e r t w u r d e n . Selbst der k l e i n s t e Hohlr a u m , selbst ein Sprengbohrloch von 20 oder 30 m m 0 , erzeugt sofort eine Trompetersche Zone u m sich. Sie ist der A n l a ß d a f ü r , d a ß der B e r g m a n n immer nur das e n t s p a n n t e Gebirge zu sehen b e k o m m t , d a ß er a b e r nicht in die Zone des K ä m p f e r d r u c k e s eindringt. Gelingt dieses, d. h. k ä m e der B e r g m a n n schneller vorw ä r t s , als der Gebirgsoruck sich verlagern k a n n , so m u ß der Grubenbau sofort zusammenbrechen. Im Steinkohlenbergbau ist dieser Kall bei Herstellung tiefer Schlitze vereinzelt beobachtet u n d durch g e w a l t i g e Kohlenstaub- und S c h l a g w e t t e r b i l d u n g gekennzeichnet gefunden. Ein geregelter B e r g w e r k s b e t r i e b ist nur dort möglich, wo die L e n k u n g des Gebirgsdruckes so weit gelingt, d a ß der Gewölbedruck stets auf dem a n s t e h e n d e n Gestein liegt. Bei jeder IVeuherstellung eines Hohlraumes ist die E n t s p a n n u n g s z o n e zunächst klein, die S c h e r k r ä f t e in ihr entsprechend groß. A n f a n g s t r i t t daher eine schnelle und deutliche Zerklüftung, meist S c h a l e n ablösung ein. A l l m ä h l i c h aber dehnt sich die Zone in das Gebirge hinein aus, womit die Spannungsdifferenzen sich auf größeren R a u m verteilen, so d a ß die R i ß b i l d u n g n a c h l ä ß t . Die Größe der Trompeterschen Zone ist daher nicht nur eine F u n k t i o n des Ge-

I );. B. oft nicht eine echte Dehnung d a r : sie geht vielmehr aus Biegung an der konvexen Seite hervor. Es k o m m t daher alles auf eine richtige D e u t u n g der Messungen an. b) Rechnerische

Erfassung

der

Probleme

H ä u f i g ist versucht, die Vorgänge im Gebirge auf m a t h e m a tischem Wege zu klären. Vor allem haben die Tunnelbauer dieses immer wieder versucht, u m die Stärke des notwendigen Tunnelmauerwerkes zu errechnen. D a ß das nicht gelungen ist. ergibt sich aus der Tatsache, d a ß fast in jedem größeren Tunnelbau Strecken a u f g e t r e t e n sind, in denen das beste Mauerwerk vom Gebirgsdruck einfach zerdrückt wurde. In schwierigen Fällen pflegt man zunächst nur mit kleinen Querschnitten vorwärts zu kommen u n d k a n n erst nach einer gewissen E n t s p a n n u n g des Gebirges den Stollenvortrieb allmählich zum Tunnel erweitern. Der Grund für den Mißerfolg der Rechnung ist z. T. darin zu suchen, d a ß man zu wenig von der B e o b a c h t u n g ausging, •/. T. aber a u c h darin, d a ß m a n sich die Sache zu einfach vorstellte. Es wurde z. B. mehrfach mit der allgemeinen Gültigkeit des Hookesehen Gesetzes gerechnet, das im Gebirgszusainmenhang nur sehr begrenzt zut r i f f t , u n d es wurden Kennziffern verwandt, die nicht unter den Bedingungen allseitigen Druckes festgestellt waren, worauf zurückzukommen ist. In der bergmännischen L i t e r a t u r ist der Versuch von P. K ü n x (Glückauf 1931, S. 167) erwähnenswert, der die S p a n n u n g s ä n d e r u n g u m eine kreisrunde Strecke rein m a t h e m a t i s c h klären wollte. E r m u ß t e dabei auf Grund seiner Rechnung die Bildung der Trompeterschen Zone ablehnen, obwohl jeder Bergmann sie täglich beobachtet, womit seine Rechnung sich von vorn-

.Der Gcbirgsdruck und seine Beherrschung durch den Bergmann

23

iurcin als irrig erwies. Am erfolgreichsten war die Arbeit von Fenner, der auf einfachsten Annahmen, nämlich einer Einzelstrecke runden oder elliptischen Querschnitts im ungestörten homogenen Gebirge autbaute und von den beobachteten E n t spannungsvorgängen ausging, gerade dadurch aber die Vielseitigkeit der Erscheinungen zeigte (E. F E X X E R , Untersuchungen zur Erkenntnis des Gebirgsdruekes, Diss. TU. Breslau 1838, und Glückauf 1938, S. 681). Die Berücksichtigung der zahlreichen mitsprechenden Faktoren führte zu verwickelten Gleichungen höheren Grades. Die wichtigsten praktischen Ergebnisse daraus waren: 1. Als Folge der Druekauswirkung unterscheidet er drei Teut'enzonen, nämlich: a) Eine Zone geringer Teufe, in welcher alle Spannungen unterhalb der Festigkeit des Gesteins bleiben, so daß nur elastische Formänderungen in Frage kommen und das Gestein unversehrt bleibt. Ein Ausbau in dieser Zone ist überflüssig; wenn er eingebracht wird, dient er nur dem Schutze gegen Steinfall infolge der Zerklüftung des Gesteins durch Schießarbeit und Verwitterung. b) Eine Zone der Zerklüftung des Gesteins, in welcher die Spannungen, insbesondere die Scherkräfte, zwar die Festigkeit übersteigen, also Zerklüftung eintritt, in der aber, wie Fenner nachweist, die Reibung auf den Kluftflächen eine Verschiebung der Gesteinsteile gegeneinander verhindert. Man erhält, wie es auf der internationalen Gebirgsdrucktagung in Hecrlen 1948 ausgedrückt wurde, einen „Präliminarbruch", der zunächst unsichtbar bleibt, aber den späteren sichtbaren Bruch erleichtert und in seiner Lage bestimmt. Auch in dieser Zone ist ein Ausbau zunächst nicht erforderlich. Geringe Veränderungen der Spannungen im Gebirge, z. B. als Folge eines neuen benachbarten Grubenbaus, wird aber neue Bewegungen auslösen, so daß vorsorglich ein Ausbau zweckmäßig erscheint.

24

(!. SVACKKI.KR c) Eine Zone der Zerklüftung und .Bewegung des Gesteins, in welcher die Spannungen Festigkeit und Reibung überwinden, so daß die Strecke durch Hereinbrechen oder Hereinschieben des Gesteins zerdrückt wird, was bis zum vollständigen Verschließen der Strecke führen kann. In diesem Falle ist ein Ausbau von vornherein erforderlich, da nur ein erheblicher Widerstand gegen die radiale Kraftkomponente des Gebirgsdruckes das Gleichgewicht im Gebirge herstellen kann, j e größer die Teufe wird, desto plastischer erscheint das Gebirge. Während man zunächst noch einen quasiplastischen Zustand des Gebirges innerhalb der Trompeterschen Zone anerkennt, gewinnt man mit zunehmender Teufe immer mehr den Eindruck einer wirklichen Plastizität mancher ursprünglich fester Gesteine.

Fenners Rechnungen stimmen, und darin liegt ihre große Bedeutung, mit der bergmännischen Beobachtung überein (G. Spackkl e r . Vergleich der Forschungsarbeiten Fenners über das Wesen des Gebirgsdrucks mit den Beobachtungen im deutschen Bergbau, Glückauf 1939, S. .192); er errechnet z. B. im normalen Steinkohlengebirge die Grenze der genannten Zonen a und b bei Teufen zwischen 500 und 600 m, was durchaus den Erfahrungen des Bergmannes entspricht. Im weichen Gestein, z. B. im Ton, fällt die Zone b aus; hier beginnt die Zone c mit völlig plastischen Formänderungen, wie dargelegt, schon in geringer Teufe. 2. Die günstigste Form einer Strecke ist eine Ellipse mit senkrechter großer Achse. Bei jedem anderen Querschnitt treten unbedingt am Umfang der Strecke, besonders an Firste und Sohlt!, Zugspannungen auf, denen das Gebirge wenig gewachsen ist. Nur bei einer ganz bestimmten Ellipse werden Zugspannungen am Streckenumfang völlig vermieden. Diese günstigste Ellipse ist durch die Gleichung gegeben (m — Poissonsche Konstante): 4 x2 y2 2 2 + (m — 2) b b2 :!. Die oben angegebene Aufgabe des Ausbaues, einen Anfangswiderstand gegen das Vordrücken der StreckenstöBe zu geben,

Der Gebirgsdruck u n d seine Beherrschung d u r c h den Bergmann

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wird durch Fenners Rechnung belegt. Fenner ist jedoch äußerst vorsichtig, an seine grundsätzlichen Rechnungen Zahlenbeispiele anzuschließen, da die Kennziffern unter den Bedingungen des dreidimensionalen Spannungszustandes als Unbekannte gelten müssen. In der ausländischen Literatur sind mir gleichwertige Rechnungen bisher nicht bekannt geworden. 3. Modellversuche Versuche, die Entspannungsvorgänge und damit die Ausbildung der im Gebirge um die bergmännischen Hohlräume entstehenden Risse und Bewegungen an Modellen zu erkunden, ' • r* * habe ich selbst seinerzeit unter Mitwirkung von 0 . D O M A N N (Glückauf 1934, S. 589, und 1936, Nr. 47) im Labor der TH. Breslau angestellt. Abb. 9 gibt den Erfolg eines der grundlegenden Versuche wieder. Ein genau eingeschliffener Gesteinswürfel wurde in einer Preßform unter hohen Abb. 9. Gewölbebildung m i t Ablösung allseitigen Druck gebracht. einer Schale aus dor Gcwölbezonc Als Unterlage für den Würfel diente eine Stahlplatte, welche in der Mitte eine quadratische Öffnung erhielt, um die Abbaufläche darzustellen. Der senkrechte Druck der Presse wurde bis auf über 1000 kg/cm 2 gesteigert, obwohl die Druckfestigkeit des Gesteins vorher mit nur 220 kg/cm 2 ermittelt war. Man erkennt in Abb. 9 deutlich den herausgepreßten Gewölbekern über dem Hohlraum der Stahlplatte. Die Scheitelhöhe des Gewölbes erwies sich unabhängig vom Druck als konstant. Das Herauslösen des Kernes begann bei 470 kg/cm 2 deutlich zu werden. Die Drucksteigerung erfolgte schnell; der

Der Gebirgsdruck u n d seine Beherrschung d u r c h den Bergmann

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wird durch Fenners Rechnung belegt. Fenner ist jedoch äußerst vorsichtig, an seine grundsätzlichen Rechnungen Zahlenbeispiele anzuschließen, da die Kennziffern unter den Bedingungen des dreidimensionalen Spannungszustandes als Unbekannte gelten müssen. In der ausländischen Literatur sind mir gleichwertige Rechnungen bisher nicht bekannt geworden. 3. Modellversuche Versuche, die Entspannungsvorgänge und damit die Ausbildung der im Gebirge um die bergmännischen Hohlräume entstehenden Risse und Bewegungen an Modellen zu erkunden, ' • r* * habe ich selbst seinerzeit unter Mitwirkung von 0 . D O M A N N (Glückauf 1934, S. 589, und 1936, Nr. 47) im Labor der TH. Breslau angestellt. Abb. 9 gibt den Erfolg eines der grundlegenden Versuche wieder. Ein genau eingeschliffener Gesteinswürfel wurde in einer Preßform unter hohen Abb. 9. Gewölbebildung m i t Ablösung allseitigen Druck gebracht. einer Schale aus dor Gcwölbezonc Als Unterlage für den Würfel diente eine Stahlplatte, welche in der Mitte eine quadratische Öffnung erhielt, um die Abbaufläche darzustellen. Der senkrechte Druck der Presse wurde bis auf über 1000 kg/cm 2 gesteigert, obwohl die Druckfestigkeit des Gesteins vorher mit nur 220 kg/cm 2 ermittelt war. Man erkennt in Abb. 9 deutlich den herausgepreßten Gewölbekern über dem Hohlraum der Stahlplatte. Die Scheitelhöhe des Gewölbes erwies sich unabhängig vom Druck als konstant. Das Herauslösen des Kernes begann bei 470 kg/cm 2 deutlich zu werden. Die Drucksteigerung erfolgte schnell; der

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G.

Sl'ACKEI.EB

F a k t o r Zeit wurde nicht b e a c h t e t . AiuU'i'c Versuche sollten die Vorhältnisse an einer langen A b b a u f r o n t , z. B. in einein Kohlenstreb n a c h a h m e n . Unter dem W ü r f e l lagen ein S t ü c k S t a h l u n d ein S t ü c k G u m m i , zwischen beiden der den S t r e b r a u m darstellende H o h l r a u m . Auch liier ergab sich die Ausbildung einer Gewölbelinie von der Kohle (Stahl) zum Versatz ( G u m m i ) u n d ein H e r a u s platzen des Gewölbekerns. An der Versatzseite erschien jedoch kein einheitlicher scharfer Ablösungsriß des Kerns; vielmehr löste sich der eine H a u p t r i l i infolge der Nachgiebigkeit der Unterlage in mehrere Risse auf, an denen das Gestein z u m Teil noch z u s a m m e n hing. In jedem Falle bes t ä t i g t e n die Versuche die V o r h e r r s c h a f t der Gewölbebildung über die anderen E r s c h e i n u n g e n . Abb. 10. Querschnittsveränderung einer runden Strecke (Modellversuch in Plastilin Sie ließen verschiedentmit Raster nach JACOBI; das dünne Netz lich jedoch a u c h die im auf fler linken Seite zeigt das ursprüngliche V o r a b s c h n i t t u n t e r b) Aussehen des Kasters) e r w ä h n t e Bruchlinie erkennen. D a ß tatsächlich plastische oder wenigstens quasiplastische Verf o r m u n g e n des Gesteins rings u m eine Strecke vor sich gehen, zeigte O. J A C O M kürzlich bei Versuchen mit Plastillin (Bericht I n t e r n a t . F a c h t a g u n g über G e b i r g s d r u c k f r a g e n u n d T u n n e l b a u , Leoben 1950, S. 161). D u r c h ein eingebautes Kaster k o n n t e er die Bewegungen im Gestein u n d die Verengung u n d V e r f o r m u n g der ursprünglich r u n d e n Strecke lt. Abb. 10 nachweisen, ohne d a ß

Der Clehirgsdruek uml seine Beherrschung durch den B e r g m a n n

irgendwelche

Brucherscheinungen

27

seine

Versuchsmasse

ließ.

In gleicher Weise wies er die g ü n s t i g e A u s w i r k u n g der ellip-

t i s c h e n S t r e c k e n f o r m auf das G e s t e i n s v e r h a l t e n

erkennen

nach.

Man h a t f e r n e r v e r s u c h t , die E n t s p a n n u n g s v o r g ä n g e im G e b i r g e auf

spannungsoptischem

Wege zu

klären.

Gewisse

Kunststoffe,

wie z. B. D e k o r i t , h a b e n die E i g e n s c h a f t , u n t e r S p a n n u n g o p t i s c h d o p p e l b r e c h e n d zu w e r d e n , w o b e i die D o p p e l b r e c h u n g p r o p o r t i o n a l zur

Spannung

zunimmt.

Bei

Durchleuchtung

unter

gekreuzten

Nikols e n t s t e h e n d a n a c h die b e k a n n t e n hellen u n d d u n k l e n Linien, d e r e n D i c h t e ein M a ß f ü r die D o p p e l b r e c h u n g u n d d a m i t f ü r die S p a n n u n g ist.

Man h a t aus solchem Stoffe Scheiben

hergestellt,

h a t d a r i n die F o r m der S t r e c k e z. B. als T r a p e z (üblicher

Holz-,

sog. T ü r s t o c k a u s b a u ) , als g e w ö l b t e n B o g e n ( S t a h l a u s b a u ) u n d als geschlossenen

K r e i s oder Ellipse ( S t a h l - oder B e t o n a u s b a u )

g e s c h n i t t e n u n d d a s Modell h i n t e r Nikols d u r c h l e u c h t e t .

ein-

A b b . 11

zeigt in F i g . a das Modell einer t r a p e z f ö r m i g e n , in Fig. b einer b o g e n f ö r m i g e n u n d in F i g . c einer e l l i p t i s c h e n S t r e c k e . und

dunkle

J e schneller helle

Linien wechseln, d e s t o g r ö ß e r ist die S p a n n u n g

dieser Stelle,

an

i n F i g . a e r k e n n t m a n b e s o n d e r s die u n g ü n s t i g e W i r -

k u n g der T r a p e z f o r m d u r c h S p a n n u n g s h ä u f u n g a n d e n K e r b e c k e n u n d in der Mitte von F i r s t e u n d Sohle. I m u n t e r e n Teil der F i g u r e n ist e r m i t t e l t , ob u n d wo es sich u m D r u c k - (-¡-) oder u m Z u g - (—) Spannungen handelt.

Die V e r s u c h e b e s t ä t i g e n die R e c h n u n g FKX-

XERS, d a ß bei einer b e s t i m m t e n Ellipse alle g e f ä h r l i c h e n Z u g s p a n n u n g e n a m S t o ß v e r m i e d e n w e r d e n k ö n n e n . Bei der h o h e n D r u c k - , aber

geringen Z u g f e s t i g k e i t

praktische Bedeutung.

der

Gesteine h a t

das

entscheidende

Die V e r s u c h e g e b e n a b e r kein v o l l s t ä n d i g e s

Bild der V o r g ä n g e , da sie: a) o h n e D a r s t e l l u n g des S t r e c k e n a u s b a u s d u r c h g e f ü h r t sind, also die V o r g ä n g e in u n a u s g e b a u t e n

Strecken

w i e d e r g e b e n , b) nur m i t elastischer V e r f o r m u n g des Materials a r b e i t e n , also n u r die V e r h ä l t n i s s e in F e n n e r s Zone a (geringe T e u f e ) w i e d e r g e b e n u n d c) k e i n e n g e n ü g e n d g r o ß e n A u s s c h n i t t a u s d e m Gebirge darstellen,

so d a ß n i c h t

da i n s b e s o n d e r e

die

alle

Spannungsänderungen

Gewölbelinie

m e n e n Bilder b e f i n d e n d ü r f t e .

sich a u ß e r h a l b

erfaßt

der

sind,

aufgenom-

28

G. iSP.U kei.IOR

1 )ci' G e b i r g s d r u c k u n d seine B e h e r r s c h u n g d u r c h d e n B e r g m a n n

29

4. Festigkeitsuntersuchungeii Bevor der Borgmann in die Teufe eindringt; herrscht zwar ein dreiachsiger Spannungszustand im Gebirge; die senkrechte Kraft übertrifft aber an Größe die beiden unter sich gleichen Spannungen in den anderen Achsenrichtungen. In der Nähe eines bergmännischen Hohlraumes verschiebt sich das Bild, da die beiden letztgenannten Kräfte ungleich werden. Leider liegen experimentelle Untersuchungen bei einem derartigen ungleichen dreidimensionalen Spannungszustand bisher nicht vor. Die ersten Untersuchungen über Verformung an dreiachsig beanspruchten Körpern führte KARMÄN bereits 1911 durch, indem er einen Marmorzylinder nicht nur an den Basisllächen preßte, sondern gegen ihn zugleich einen beliebig regulierbaren Manteldruck ausübte. Er erhielt eine wesentliche Erhöhung der Bruchfestigkeit unter geringer tonnenförmiger Aushauchung der Zylinderwand. 0. MÜLLER und H. WÖHLUIER führten die Versuche an bergmännisch wichtigen Gesteinen, Steinkohle und ihrem Nebengestein bzw. Gesteinen des Salzgebirges durch (0. MÜLLER, Untersuchungen zur Klärung von Gebirgsdruckfragen, Diss. TH. Breslau und Glückauf 1930, S. 1601; H. WOHLBIER, Untersuchungen an Gesteinen der Zechsteinformation zur Klärung von Gebirgsdruckfragen, Diss. TH» Breslau und Kali 1931, S. 167). Die Versuche wiesen nach, daß die Druckfestigkeit eines carbonischen Sandsteins aus dem oberschlesischen Steinkohlenbergbau durch 600. kg/cm 2 Manteldruck von 800 auf über 4000 kg/cm 2 , die von Steinsalz durch 400 kg/cm 2 Manteldruck von 300 auf 900 kg/cm 2 erhöht wird. Bergmännisch ist diese Feststellung dadurch von besonderer Bedeutung, daß ein gewisser Manteldruck gegen das Innere eines stehengebliebenen Gebirgspfeilers durch die Tronipetersche Zone geschaffen wird, so daß die spezifische Tragfähigkeit eines solchen Pfeilers in der Mitte größer als an seinem Rande ist. Ein großer Pfeiler besitzt daher durchschnittlich eine wesentlich größere spezifische Tragfähigkeit als ein kleiner Pfeiler. STAMATIU (Habilitationsschrift Freiberg 1936) wies die Richtigkeit dieser Annahme am Steinsalz durch zahlreiche Druckversuche an Würfeln und Prismen von 5, 10 und 20 cm Kantenlänge nach; K. KEOEI,

30

(!. Spackeler

baute darauf, wenigstens für Steinsalz, eine Formel für die Zunahme der Bruchfestigkeit mit der Kantenlänge eines solchen Pfeilers (Gebirgsmechanik, Verlag Knapp-Halle, 1950, S. 34) auf. In jedem Falle steht fest, daß im Grubengebäude die bekannte Formel für die Tragfähigkeit eines Körpers Pmax = K0d nicht ohne weiteres anwendbar ist, da ad nicht wie sonst als Konstante gelten darf. Ein wichtiger Beitrag zur Klärung der Druckerscheinungen vor allem im Salzbergbau liegt auch in der Feststellung, daß manche Gesteine, besonders deutlich das Steinsalz, im Bereich der elastischen Verformung bereits kg/va' gleichzeitig eine plastische A 190 Verformung erfahren. Wie 11 i 1 schnell die bruchfreie Ver1iO / formung von Salz mit der / 100 t / Höhe des Druckes zul/\ nimmt, zeigt die Abb. 12, /V / ' > welche die Verformungs20 / / zone von Steinsalzwiirfeln 1600 2*00 3200 Langenünderurjg X in Viooomm unter einachsigem Druck Jüngere» Stein>»h wiedergibt. Das sog. ältere 'A'tteres Steinsalz Steinsalz unter unserem Abb. 12. Plastische und elastische Verformung Kalilager hat einen Gehalt von Steinsalz (nach W ö h l b i e r ) von einigen Prozenten Anhydrit, das jüngere Steinsalz ist fast frei davon. Die Abbildung zeigt die großen Unterschiede, die sich daraus ergeben. Bis zu 40 k g / c m 2 Belastung verlaufen beide Kurven fast geradlinig, es findet also rein elastische Formänderung s t a t t . Nunmehr beginnt aber neben der elastischen eine bleibende Verformung. Bei 220 kg/cni 2 macht die erstere beim älteren Steinsalz n o c h r d . 5 0 % , beim jüngeren Steinsalz dagegen nur noch rd. 1 2 % der Gesamtverformung aus. Folge dieser plastischen Verformung sind Materialwanderungen im Gebirge, die zu einer iVlinderung der Spannungsspitzen und damit zu einer günstigen Neuverteilung der Spannungen führen. Darauf ist es vermutlich zurückzuführen, daß man im Salz sehr große Hohlräume ohne Ausbau offenhalten kann, viel größere als

//

!

D e r Gehirgsdruck und seine Beherrschung durch den Bergmann

31

in allen anderen Gesteinen, obwohl die Festigkeit des Salzes weit unter der anderer Gesteine liegt, mit denen der Bergmann zu tun zu haben pflegt. Untersuchungen Uber Zug-, Scher- und Biegefestigkeit unter allseitigen Spannungen sind mir leider unbekannt. Auf die Festigkeit der Gesteine ist weiter die geologische Lagerung, vor allem die Schichtung und Schieferung, sowie die tektonische Beanspruchung mit ihrer Kluft- und Schlechtenbildung von Einfluß. Jm geschichteten Gestein ist die Druckfestigkeit rechtwinklig zur Schichtung im allgemeinen größer als parallel zu ihr. Groß ist auch der Einfluß der Feuchtigkeit. Durch Wasseraufnahme geht die Festigkeit vieler Gesteine erheblich zurück, wobei oft schon die geringe Feuchtigkeitsaufnähme aus dem Wetterstrom genügt, um nicht nur die Druck-, sondern auch die Biege- und Scherfestigkeit fühlbar herabzusetzen, was sich im Widerstand gegen die radiale Komponente der Druckkräfte nachteilig äußert lind dadurch die Tragfähigkeit stehengebliebener Pfeiler vermindert. Besonderes bergmännisches Interesse hat der Elastizitätsmodul. So zeigen die erwähnten Messungen von 0 . M Ü L L E R an carbonischen Gesteinen, daß der E-Modul des Tonschiefers am Handstück gemessen größer ist als der des Sandsteins. Im Gebirgszusamnienliang beobachtet der Bergmann das Gegenteil. Der Tonschiefer biegt sich und bricht schnell, während der Sandstein unter gleichen Bedingungen große Kräfte bei beschränkter Biegung elastisch aufspeichern kann, die dann bei plötzlichem Bruch zu den erwähnten gefürchteten Gebirgssehlägcn führen. Die Erklärung dafür, daß im Steinkohlenbergbau Gebirgsschläge nur unter Sandsteinen, nicht unter Tonschiefern auftreten, liegt in folgendem: Durch die erwähnten Messungen von 0 . M Ü L L K R und H. W Ö H I . B I E B ist festgestellt, daß der E-Modul f ü r Gesteine keine Konstante ist, sondern von der Spannung beeinflußt ist. Der E-Modul des Tonschiefers nimmt mit steigender Spannung ab, der des Sandsteins dagegen zu. Leider sind die Versuche nicht soweit fortgeführt, daß die im Bergwerk auftretenden Spannungen erreicht wurden. Die praktische Beobachtung zeigt aber, daß diese Tendenz der Abnahme beim Tonschiefer u n d der Zunahme beim Sandstein offenbar an-

32

( 1 . SPAOKELKK

hält. Nur im gepreßten Gebirge reicht der E-Modul der Gesteine aus, die f ü r große Schläge erforderlichen K r ä f t e anzusammeln. Gebirgsschläge sind daher an eine Mindestteufe gebunden; ihre Heftigkeit nimmt mit der Teufe zu. 5. Physikalische und geophysikalische

Untersuchungen

Wir müssen noch etwas beim E-Modul verbleiben! Er wird nicht nur durch mechanische Messungen gefunden, sondern auch geophysikalisch aus der Laufzeitkurve seismischer Wellen errechnet. Kür Gesteine hat sich dabei gezeigt, daß die mechanisch und die seismisch festgestellten Ziffern weit voneinander abweichen können. Kennzeichnend sind die Verhältnisse a m Steinsalz. Der Bergmann pflegt es auf Grund seiner Beobachtungen im Einvernehmen mit den Wöhlbierschen Messungen als plastisch zu bezeichnen, was durch, die Abb. 12 bestätigt wird. Der Physiker bezeichnet Steinsalz als hochelastisch, da es durch eine besonders hohe Laufgeschwindigkeit der AVellen ausgezeichnet ist. Der Widerspruch liegt offenbar in der Gleichzeitigkeit elastischer und plastischer Verformung begründet, die beim Steinsalz gerade besonders ausgeprägt ist, die aber auch bei anderen Gesteinen vor allem nach Feuchtigkeitsaufnahme verbreitet sein dürfte. Interessante Zahlen über die Abweichung des unter verschiedenen Bedingungen ermittelten E-Moduls hat kürzlich L. B E X D E L - L U Z C T I I veröffentlicht (Internat. Gebirgsdrucktagung Leoben 1950, Vorträge S. 78). Er fand a m schiefrigen alpinen Gneis durch Druckverformung E -= 50 000, durch seismische Messung dagegen E = 500 000 kg/cm 2 ; am Granit maß er, in beiden Fällen auf seismischem Wege, am gewachsenen Kelsen E = 350 000, dagegen an Probestücken nur E — 130 000 kg/cm 2 . L. B E N D E L hebt dabei hervor, was nach unseren Betrachtungen über die allmähliche Ausbildung der Trompeterschen Zone natürlich erscheint, daß die Messungsergebnisse im Gebirgszusammenhang sich auch am gleichen Stoß mit der Zeit ändern können und daß deshalb gerade wiederholte Messungen einen Einblick in die Art der Veränderungen der Spannungsverhältnisse und damit des GebirgsVerhaltens geben.

32

( 1 . SPAOKELKK

hält. Nur im gepreßten Gebirge reicht der E-Modul der Gesteine aus, die f ü r große Schläge erforderlichen K r ä f t e anzusammeln. Gebirgsschläge sind daher an eine Mindestteufe gebunden; ihre Heftigkeit nimmt mit der Teufe zu. 5. Physikalische und geophysikalische

Untersuchungen

Wir müssen noch etwas beim E-Modul verbleiben! Er wird nicht nur durch mechanische Messungen gefunden, sondern auch geophysikalisch aus der Laufzeitkurve seismischer Wellen errechnet. Kür Gesteine hat sich dabei gezeigt, daß die mechanisch und die seismisch festgestellten Ziffern weit voneinander abweichen können. Kennzeichnend sind die Verhältnisse a m Steinsalz. Der Bergmann pflegt es auf Grund seiner Beobachtungen im Einvernehmen mit den Wöhlbierschen Messungen als plastisch zu bezeichnen, was durch, die Abb. 12 bestätigt wird. Der Physiker bezeichnet Steinsalz als hochelastisch, da es durch eine besonders hohe Laufgeschwindigkeit der AVellen ausgezeichnet ist. Der Widerspruch liegt offenbar in der Gleichzeitigkeit elastischer und plastischer Verformung begründet, die beim Steinsalz gerade besonders ausgeprägt ist, die aber auch bei anderen Gesteinen vor allem nach Feuchtigkeitsaufnahme verbreitet sein dürfte. Interessante Zahlen über die Abweichung des unter verschiedenen Bedingungen ermittelten E-Moduls hat kürzlich L. B E X D E L - L U Z C T I I veröffentlicht (Internat. Gebirgsdrucktagung Leoben 1950, Vorträge S. 78). Er fand a m schiefrigen alpinen Gneis durch Druckverformung E -= 50 000, durch seismische Messung dagegen E = 500 000 kg/cm 2 ; am Granit maß er, in beiden Fällen auf seismischem Wege, am gewachsenen Kelsen E = 350 000, dagegen an Probestücken nur E — 130 000 kg/cm 2 . L. B E N D E L hebt dabei hervor, was nach unseren Betrachtungen über die allmähliche Ausbildung der Trompeterschen Zone natürlich erscheint, daß die Messungsergebnisse im Gebirgszusammenhang sich auch am gleichen Stoß mit der Zeit ändern können und daß deshalb gerade wiederholte Messungen einen Einblick in die Art der Veränderungen der Spannungsverhältnisse und damit des GebirgsVerhaltens geben.

D e r (jebirgsdriK'k und seine B e h e r r s c h u n g d u r c h d e n B e r g m a n n

33

Die Geophysik hat mit Strömen und Wellen, sowie durch Messung der Schwere, der magnetischen Feldstärke, der Temperatur Ii. a. tief in die Erde hineingeleuchtet. Aber sie hat ihre Arbeit bisher überwiegend zum Schürfen, d. h. zum Aufsuchen neuer Lagerstätten eingesetzt und dazu über Tage gearbeitet. Ein Einsatz der Geophysik unter Tage ist nur in wenigen Spezialfällen, z. B. zur Untersuchung von Tiefbohrungen, erfolgt. Die großen Erfolge, welche die Geophysik bei ihrer Arbeit erzielt hat, berechtigen zu der Erwartung, daß sie auch beim Einsatz f ü r andere bergmännische Zwecke als für Schürfarbeiten wesentliche Hilfe leisten kann. ß. Ergebnis Die Ausführungen zeigen, daß vorläufig eine wirkliche Aufklärung der Vorgänge im Gebirge unmöglich ist, da alle Unterlagen fehlen, um einmal die Größe und Richtung des Druckes, zum anderen aber auch seine Auswirkung im Gebirge richtig beurteilen zu können. FENNERS mathematische Untersuchungen haben gezeigt, daß eine generelle Klärung der Probleme auf diesem Wege unmöglich ist, da schon die unter einfachsten Annahmen aufgestellten Gleichungen nur in der Hand eines geübten Mathematikers verwertbar sind. Bei betrieblich schwierigen Fragen ist auf diesem Wege nicht zum Ziele zu kommen. Es m u ß versucht werden, für Teilvorgänge Lösungen zu finden, wenn wir uns auch mit Annäherungslösungen begnügen müssen, um zu Rechnungen zu kommen, die im Betriebe ausgewertet werden können. Noch wichtiger erscheinen f ü r den Bergwerksbetrieb, geeignete Meßinstrumente f ü r Beobachtung der Spannungen im Gebirge und der dadurch veranlaßten Veränderungen. Schließlich gilt es, alle notwendigen Koeffizienten für die Gleichungen zu bestimmen, was dadurch erschwert ist, daß der Bergmann im Gebirge nicht erwarten kann, Kennziffern konstanter Größe zu erhalten, daß jede Kennziffer vielmehr erst in Abhängigkeit vom Spannungszustand bestimmt werden muß. —• Um ein Beispiel zu nennen f ü r das, was m. E. erreicht werden muß, sei folgendes a n g e f ü h r t : Sicherheit und Arbeitserfolg des Kohlenhauers am Strebstoß sind wesentlich Spaekeler

3

D e r (jebirgsdriK'k und seine B e h e r r s c h u n g d u r c h d e n B e r g m a n n

33

Die Geophysik hat mit Strömen und Wellen, sowie durch Messung der Schwere, der magnetischen Feldstärke, der Temperatur Ii. a. tief in die Erde hineingeleuchtet. Aber sie hat ihre Arbeit bisher überwiegend zum Schürfen, d. h. zum Aufsuchen neuer Lagerstätten eingesetzt und dazu über Tage gearbeitet. Ein Einsatz der Geophysik unter Tage ist nur in wenigen Spezialfällen, z. B. zur Untersuchung von Tiefbohrungen, erfolgt. Die großen Erfolge, welche die Geophysik bei ihrer Arbeit erzielt hat, berechtigen zu der Erwartung, daß sie auch beim Einsatz f ü r andere bergmännische Zwecke als für Schürfarbeiten wesentliche Hilfe leisten kann. ß. Ergebnis Die Ausführungen zeigen, daß vorläufig eine wirkliche Aufklärung der Vorgänge im Gebirge unmöglich ist, da alle Unterlagen fehlen, um einmal die Größe und Richtung des Druckes, zum anderen aber auch seine Auswirkung im Gebirge richtig beurteilen zu können. FENNERS mathematische Untersuchungen haben gezeigt, daß eine generelle Klärung der Probleme auf diesem Wege unmöglich ist, da schon die unter einfachsten Annahmen aufgestellten Gleichungen nur in der Hand eines geübten Mathematikers verwertbar sind. Bei betrieblich schwierigen Fragen ist auf diesem Wege nicht zum Ziele zu kommen. Es m u ß versucht werden, für Teilvorgänge Lösungen zu finden, wenn wir uns auch mit Annäherungslösungen begnügen müssen, um zu Rechnungen zu kommen, die im Betriebe ausgewertet werden können. Noch wichtiger erscheinen f ü r den Bergwerksbetrieb, geeignete Meßinstrumente f ü r Beobachtung der Spannungen im Gebirge und der dadurch veranlaßten Veränderungen. Schließlich gilt es, alle notwendigen Koeffizienten für die Gleichungen zu bestimmen, was dadurch erschwert ist, daß der Bergmann im Gebirge nicht erwarten kann, Kennziffern konstanter Größe zu erhalten, daß jede Kennziffer vielmehr erst in Abhängigkeit vom Spannungszustand bestimmt werden muß. —• Um ein Beispiel zu nennen f ü r das, was m. E. erreicht werden muß, sei folgendes a n g e f ü h r t : Sicherheit und Arbeitserfolg des Kohlenhauers am Strebstoß sind wesentlich Spaekeler

3

(I. Sl'ACKElJilt

34 davon

abhängig,

in

welcher

Entfernung

vom

Kohlenstoß

der

K ä m p f e r d r u c k auf dein Flöz liegt. Gelingt es, diesen A b s t a n d l a u f e n d festzustellen, so ist geschwindigkeit

daraus auch

eingehalten

zu

werden

ersehen,

welche

muß, um

das

Sicherheit u n d A r b e i t s p r o d u k t i v i t ä t zu erreichen. g e o p h y s i k a l i s c h e m Wege e r r e i c h b a r . physikalische Elastizität

Chemie

und

Aufklärung

Plastizität

der

Vortriebs-

Optimum

an

Das ist nur auf

D a n e b e n müssen Physik u n d bringen

Gesteine,

über über

die die

Kragen

der

Grenzen

der

G e l t u n g des Hookeschen Gesetzes, über die q u a s i p l a s t i s c h e n gänge, über die F e s t i g k e i t s e i g e n s c h a f t e n der

Gesteine n i c h t

Vornur

gegenüber D r u c k , sondern ebenso gegenüber S c h u b , B i e g u n g u n d Z e r r u n g im dreiachsigen S p a n n u n g s z u s t a n d u n d über vieles a n d e r e . Das Ziel, auf das der B e r g m a n n z u n ä c h s t h i n s t e u e r n m u ß , sei in den folgenden A u f g a b e n a n g e d e u t e t : a) B e h e r r s c h u n g

des

Gebirges

so weit,

daß

schwere

Unfälle

u n d K a t a s t r o p h e n d u r c h Steinfall, Gebirgsschläge u n d a.usbriiche ausgeschlossen

werden, d a ß also der

Bruch

Gasdes

Gebirges p l a n m ä ß i g h e r b e i g e f ü h r t , a b e r jede u n g e w o l l t e u n d zur Unzeit a u f t r e t e n d e Z e r k l ü f t u n g v e r h ü t e t wird, b)

L e n k u n g der S p a n n u n g e n u n d Bewegungen des Gebirges so, d a ß der D r u c k n a c h Bedarf v o m B e r g m a n n zur E r l e i c h t e r u n g seiner A r b e i t a u s g e n u t z t oder v o m A r b e i t s s t o ß f e r n g e h a l t e n werden k a n n ,

c) p l a n m ä ß i g e F ü h r u n g des A b b a u s b e n a c h b a r t e r Flöze, d) Anlage sicherer F ö r d e r - u n d W e t t e r s t r e c k e n bzw. ihre trägliche

Sicherung durch Ausbau, u m

nach-

ihre d a u e r n d e

ein-

w a n d f r e i e U n t e r h a l t u n g zu gewährleisten, e) im K o h l e n b e r g b a u

L e n k u n g der E n t g a s u n g der Kohle,

um

die u n g e h e u r e n W e r t e des j e t z t v e r g e u d e t e n CH 4 -Gases n u t z b a r zu m a c h e n u n d f) V e r h ü t u n g von

Grubenbrand.

Fiir viele Zweige der F o r s c h u n g b i e t e t sich Gelegenheit, A u f k l ä r u n g der hier geschilderten P r o b l e m e m i t z u a r b e i t e n .

a n der Loh-

n e n d e r E r f o l g einer solchen A r b e i t s t e h t in A u s s i c h t ; d e n n sie soll

Der Gebirgsdruck und seine Beherrschung durch den Bergmann

35

nicht nur dazu dienen, dem Bergmann seine Arbeit zu erleichtern u n d ihn vor Gefahren zu schützen, sie soll zugleich mithelfen, die Bodenschätze des Landes, die sich nicht erneuern und daher einer pfleglichen Behandlung bedürfen, möglichst ohne Abbauverluste zu gewinnen. Besondere Aufgaben werden dabei der Geophysik zufallen, da sie allein in der Lage ist, in das Innere des Gebirges hineinzuleuchten, ohne einen Grubenbau zu betreiben, der. sofort unter Bildung einer Trompeterschen Zone (ine Veränderung des Gleichgewichtes im Gebirge bedingt. Der Physiker hat dem Ingenieur schon viele Meßgeräte zur Verfügung gestellt, die zu einfachen Betriebsüberwachungen brauchbar sind, indem z. B. der Einfluß der Temperatur auf die elektrische Leitfähigkeit eines Drahtes es erlaubt, umgekehrt aus der Stromstärke die Temper a t u r des umgebenden Mediums zu entnehmen. In ähnlicher Weise m u ß es möglich sein, etwa aus elektrischen Strömen oder seismischen Wellen auf die Spannungen innerhalb eines Pfeilers zu schließen, wrenn der Einfluß solcher Spannungen auf die Leitfähigkeit oder auf die Laufzeitgeschwindigkeit vorher festgelegt ist.

BERICHTE

ÜBER

D I E VERHANDLL'N GEN D E R

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

SÄCHSISCHEN LEIPZIG

MATHÜMATIS0H-NATUKWIS8ENS0HAFTLI0HE

KLA SSE

Band 97 H e f t 1 Erich Heft Heft H. Heft

Heft

Heft

Heft Heft

Strack:

Beobachtungen über den endogenen Anteil des Kot-Stickstoffes. 1949 DM 2.60 2 Ernst Holder: Ü b e r die Variationsprinzipe der Mechanik der Kontinua. 1950 vergr. 3 H. Gerstner / Baark / H. Graul: D e r Wechselstromwiderstand der Froschhaut. 1950 DM 2.75 4 H. Beckerl: Existenz- und Eindeutigkeitsbeweise für das Differenzenverfahren zur Lösung des Anfangswertproblems, des gemischten Anfangs-Randwert- und des charakteristischen Problems einer hyperbolischen Differentialgleichung 2. Ordnung 'DM 9 . — mit zwei unabhängigen Variablen. 1950 Über quasilineare hyperbolische Systeme par5 H. Beckert: tieller Differentialgleichungen 1. Ordnung mit zwei unabhängigen Variablen. Das Anfangswertproblem, die gemischte Anfangs-Randwertaufgabe, das charakteristische Problem. 1950 DM 14.50 6 E. Heidebroek: Das Verhalten von zähen Flüssigkeiten, insbesondere Schmierflüssigkeiten, in engen Spalten. 1950 vergr. 7 Hans Schubert: Ü b e r eine lineare Integrodifferentialgleichung m i t Zusatzkern. 1950 DM 9.25 8 Helmar Krupp: Bestimmung der allgemeinen Lösung der Schrödinger Gleichung für Coulomb-Potential. 1950 DM 5.50

Band 9 8 ü b e r magische Quadrate und lineare Gitterpunktprobleme. 1951 Ü b e r die Beziehungen zwischen Schmierung und Heft 2 E. Heidebroek: Verschleiß bei geschmierter Gleitreibung. 1950 Der Salzstock Mirowo bei Provadia in Bulgarien. Heft 3 Karl Kegel: 1951 Bemerkungen über die Verbiegung hyperbolisch H e f t 4 H. Beckert / Hans Salté: gekrümmter Flächenstücke. Ü b e r Abels Verallgemeinerung der binomischen Formel. 1951

H e f t 1 Walter

Schnee:

DM 4.65 DM 2.75 DM 3.— DM 2.25

Band,99 Über das quadratische Reziprozitätsgesetz. 19511; DM 1.90 H e f t 1 H. Brandt: Heft 2 Georg Spackeier: D e r Gebirgsdruck und seine Beherrschung durch den Bergmann (vorliegende Veröffentlichung) Bestellungen an eine Bnobhandlung erbeten A K A D E M I E - V E R L A G

B E R L I N

NW7

ERNST

KRAUS

VERGLEICHENDE BAUGESCHICHTE DER

GEBIRGE

Bei Baarbeitung der „Baugeschiohte der Alpen" erkannte der Verfasser, ehemals Inhaber des allgemeingeologischen Lehrstuhls der Universität München, • an dem für die Gaologie klassischen Alpengebirge wesentliche Grundsätze der Erdrindenentwicklung. Diese Grundsätze wurden nun durch den Vergleich gut bekannter Gebirge in allen Kontinenten in dem vorliegenden Werke ausgebaut. Unter Zugrundelegung der modernen Unterströmungstheorie konnte dabei zum ersten Male eine wohlbegründete, umfassende Schau der geologischen Erdentwicklung gewonnen werden. Die gegenwärtigen Züge unseres Erdantlitzes verstehen wir ja nur aus ihrem Werdegang. So können wir heute das Primitivstadium des Stillen Ozeans abtrennen von den später verdrifteten Ozeanen, dem Atlantischen und dem Indischen Ozean. Wir sehen die orogenen Folgen der Konvektionsströmung in einem höheren, die Folgen einer überaus langsamen, aber beharrlichen Ost-Unterdrift in einem tieferen Fließstockwerk der Eide. XVI und 592 Seiten — 144 Abbildungen im Text und auf 12 Tafeln — 1951 — in Halbl. DM 52.— (Bestell- und Verlagsnummer 5007)

PA UL

DIE

ERZMINERALIEN

RAMDOHR

UND I H R E

VERWACHSUNGEN

Das zweiteilig angelegte Werk ist als Lehrbuch und Nachschlagewerk für Studierende und Wissenschaftler, vor allen Dingen den Erzfachmann und den Erzmikroskopiker gedacht. Der erste, allgemein^ Teil behandelt vorwiegend in Form von Einzeldarstellungen die Erzstrukturen und die mögliche Auswertung von Strukturen und Mineralbestand der genetischen Deutung, der zweite, systematische Teil die Eigenschaften aller Mineralien. Großen Wert legte der Verfasser auf die Ausstattung mit instruktiven Abbildungen. Über 350 ausgezeichnete Mikroaufnahmen, die bewußt zum großen Teil Objekte ungewöhnlicher Art da.rstellen, und zahlreiche Zeichnungen sind dem Text eingefügt. X V I und 828 Seiten — 431 Textabb. — 1950 brosch. DM 88.—, in Halbl. DM 93.— (Bestell- und Verlagsnummer 5011) Bestellungen

an eine Buchhandlung

AKADAMIE-VERLAG

erbeten

BERLIN

NW 7