Gebirgsbeherrschung von Flözstrecken

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1 Gebirgsbeherrschung von Flözstrecken Dr.-Ing. Martin Junker Dipl.-Ing. Peter Achilles Prof. Dr.-Ing. Michael Alber Ralf Bartel Dr.-Ing. Michael Bauer Dipl.-Ing. Wolfgang Büse Dr.rer.nat. Andreas Hucke Dipl.-Geol. Hans-Werner Huwe Dipl.-Ing. Willi Kammer Dr.-Ing. Jürgen te Kook Dipl.-Ing. Jürgen Krähe Dipl.-Ing. Ulrich Langosch Dipl.-Ing. Klaus Opolony Dipl.-Geol. Stephan Peters Dr.rer.nat. Nikolaos Polysos Dipl.-Ing. Ulrich Ruppel Dipl.-Ing. Volker Samse Michael Schmidt Dipl.-Ing. Ralf Schmidt Dipl.-Ing. Heinrich Schultheis Dr.-Ing. Ulrich Stadie Dr.-Ing. Peter C.W. Stephan Dipl.-Ing. Axel Studeny Dipl.-Ing. Dieter Wittenberg Dr.-Ing. Holger Witthaus Dr.phil. UlfZischinsky Verlag Glückauf GmbH Essen 2006

2 1. Einleitung Geologie der Steinkohlenlagerstätten Entstehung der Steinkohlenlagerstätten und ihr lithologischer Aufbau Inkohlung Stratigraphische Gliederung des flözführenden Oberkarbons Tektonischer Bau der Steinkohlenlagerstätten Tektonischer Bau des Ruhr-Reviers Tektonischer Bau des Ibbenbürener Reviers Tektonischer Bau des Saar-Reviers Hydrogeologische Eigenschaften des Steinkohlengebirges Deckgebirge Geotechnische Grundlagen zur Gebirgsbeherrschung Geologisch-geotechnische Gesteins- und Gebirgskenngrößen Gesteinsfestigkeit Verformungsvermögen des Gesteins Gesteinskennzahlen Trennflächengefüge Schichtparallele Trennflächen Schichtschneidende Trennflächen Störungen Gebirgskenngrößen Bankigkeit Klüftigkeit Durchtrennungsgrad Zertrennungsgrad RQLD-Wert Störungen Ausbildung von Trennflächenkörpern Gebirgswasser Gebirgsbewertung Einflussfaktoren für den Löse- und Bohrvorgang Gebirgsverhalten Bruch- und Verformungsverhalten des Gebirges Ermittlung geologisch-geotechnischer Parameter Geotechnische Bohrkernaufnahme Geotechnische Ortsbrustaufnahme 70 6

3 3.6.3 Bohrlochgeophysik Laboruntersuchungen Darstellung geologisch-geotechnischer Parameter Ermittlung und Darstellung von Trennflächenkörpern Gebirgsschlagrelevante Gesteinseigenschaften Bohrkern-Untersuchungsverfahren SRD Darstellung und Beurteilung der Nebengesteinsuntersuchung Gebirgsdruck und Gebirgsspannungen Definitionen und Begriffe Der Spannungszustand im unverritzten Gebirge (Primärspannungszustand) Änderung des Spannungszustands durch bergmännische Eingriffe (Sekundärspannungszustand) Spannungsänderung bei der Auffahrung von Strecken Änderung der großräumigen Spannungsverteilung durch den Abbau Prinzipielle Druckverteilung beim Abbau eines Flözes Verfahren zur Spannungsmessung Absolutspannungsmessmethoden Relativspannungsmessungen Beurteilung der verschiedenen Messverfahren Verfahren zur Spannungsberechnung Das Gebirgsdruckrechenmodell GEDRU Weitere Modelle zur Spannungsberechnung Beispielhafte Gebirgsdrucksituationen beim Mehrflözbergbau Gebirgsdruckverteilung im Abbauflöz Gebirgsdruckverteilung unter bzw. über Abbaukanten und Restfesten Spannungsänderung und Absenkung durch Über- und Unterbauen von Strecken Zuschnitt Abbauverfahren in der flachen Lagerung Strebbau mit Einzel- und Mehrstreckensystemen Streckenlage und Abbauführung beim Strebbau aus gebirgsmechanischer Sicht Streckenlage Abbauführung 141

4 5.3.3 Abbau in höher- oder tiefergelegenen Flözen Der Ideale Zuschnitt" bei der DSK Gebirgs- und Streckenverformung Einflüsse auf die Gebirgs- und Streckenverformung Gebirgsdruck Gebirgsaufbau Ausbaustützdruck und Ausbauwiderstand Bruchformen und Bruchverformungen Allgemeiner Bruchmechanismus von Flözstrecken Bruchverformungen im Vor-Ort-Bereich Einfluss von Gleitlösen und Begleitflözen auf die Bruchverformung Bruchverformungen durch den Einfluss von Klüften Bruchverformungen durch geologische Störungen Bruchverformungen beim Abbau Wechselwirkung zwischen Ausbau und Gebirge Streckenverformung Auffahrverformung, Höhe und zeitlicher Verlauf Auffahrverformung von Bogenstrecken Auffahrverformung von Rechteckstrecken Kriechverformung Streckenverformungen durch Abbau in anderen Flözen Streckenverformungen durch die Streckennutzung Basisstrecken, Start- und Zielgrubenbaue von Abbaubetrieben Abbaubegleitstrecke Streckenverformung durch Gebirgsschläge Gebirgsschläge in Flözstrecken Erkannte Gebirgsschlaggefahr in Flözstrecken Gasausbrüche Planungswerkzeuge und Ausbaubemessung Methoden der Ausbaubemessung Hilfsmittel Empirik, Ausbauvarianten Numerische Modelle Grundlagen Modellkomponenten 220

5 Erstellung des Berechnungsgitters Quantifizierung der Gebirgskennwerte Ausbauimplementierung Streckenplanung Vor- und Nachteile der Numerik Physikalische Modelltechnik Grundlagen der Modelltechnik Strecken modell prüf stand Eingangsgrößen Ergebnisse Aufgabenbereiche und Nutzen der physikalischen Modelltechnik Messprogramme Ausbautechnische Planung unter Berücksichtigung aller Betriebsphasen Verfahren zum Nachweis der Standsicherheit einer Strecke Vorgehen Standsicherheitsnachweis Berechnungsmethoden für den Nachweis der Standsicherheit Berechnungsverfahren für den Standsicherheitsnachweis von Ankerausbau in Bogenstrecken Bogenstrecke Kombiausbau Typ A und Typ B Abfangankerung in Strecken mit Gleitbogenausbau Sicherung des Streb-Streckenübergangs mit Ausbaukombinationen Ankerausbau in Rechteckstrecken Türstockausbau Kombinierter Anker-Türstockausbau (Substitutionsverfahren) Streckenabzweige in Ankerausbau Strebentwicklung aus Basisstrecken Standardplanung der DSK Ablauf der Standardplanung für die Streckenauffahrung Instrumentarium für die Standardplanung Geotechnik Gebirgsmechanik Gebirgsklassifizierung Aussagesicherheit Ausbaudimensionierung Wissensmanagement 266

6 8.2.7 Verfahrenstechnik Messtechnik und Qualitätsüberwachung Ergebnis der Standardplanung Streckenausbau Anforderungen Materialien für den Streckenausbau Holz Stahl Baustoff Anforderungen an die Baustoffe Zusammensetzung zementgebundener Baustoffe Pneumatischer Transport Hydraulischer Transport Endverarbeitung Kunststoff Ausbauelemente Ausbauelemente aus Holz Ausbauelemente aus Stahl Elemente des Unterstützungsausbaus Prüfungen der Elemente des Unterstützungsausbaus Elemente des Ankerausbaus Prüfungen der Elemente des Ankerausbaus Ausbauelemente aus Baustoff Baustoff-Teleskop-Stempel (BTS) Baustoff-Teleskop-Stütze (Pink-AS) Baustoffpfeiler Stahlfaserspritzbeton Mineralische Ankermörtel Ausbauelemente aus Kunststoff Ausbausysteme Unterstützungsausbau Querschnittsformen Starre Ausbausysteme Nachgiebige Ausbausysteme Ausbauprüfung Ankerausbau als Hauptausbau Verbund zwischen Anker und Gebirge Verzug beim Ankerausbau 364

7 Ankerausbau als Hauptausbau in Rechteckstrecken Anker als Hauptausbau in Bogenstrecken Starre Anker als Hauptausbau in Bogenstrecken Starre und konstruktiv nachgiebige Anker als Hauptausbau in Bogenstrecken Modularer Ankerausbau mit mehrphasig arbeitenden Ankern und volltragfähigem Verzug Kombinationen von Ausbausystemen Türstock mit Ankerausbau Anker mit Gleitbögen und Vollhinterfüllung ( Kombiausbau") Einfluss von Kombiausbau auf die Rissbildung im Gebirge Einfluss von Kombiausbau auf die Streckenverformungen Anwendungsgrenzen von Kombiausbau Einsatzfelder kombinierter Ausbausysteme Entwicklungen alternativer Ausbausysteme Streckenabzweige und Kreuzungsbauwerke Türstockträgerabzweig Polydoorabzweig Polygonträgerabzweig Polytrababzweig Kontiabzweig Rechtwinkliger höhengleicher Streckenabzweig Strecken kreuzung Streckengabelung Zubehör für Abzweige - spezielle Ausbauelemente Prüfwesen für den Streckenausbau Qualitätssicherung und -management Vortriebsverfahren Abgrenzung und Beschreibung der Arbeitsvorgänge Lösearbeit Lösearbeit im Sprengvortrieb Lösearbeit im maschinellen Streckenvortrieb Wegfüllarbeit Wegfüllarbeit im Sprengvortrieb Wegfüllarbeit im maschinellen Vortrieb Ausbauarbeit Ausbauarbeit im Sprengvortrieb Ausbauarbeit im maschinellen Vortrieb 463

8 10.2 Auswahl des Vortriebsverfahrens Geotechnische Randbedingungen Betriebliche Randbedingungen und Streckenmatrix Standardvortriebs- und -ausbausysteme Sprengvortrieb Kombiausbau Typ A im Sprengvortrieb Kombiausbau Typ B im Sprengvortrieb Maschineller Vortrieb Kombiausbau Typ A im maschinellen Vortrieb Kombiausbau Typ B im maschinellen Vortrieb Randvortriebsverfahren und Innovationen Maschineller Vortrieb in Rechteckstrecken Alpine Bolter Miner - ABM Bolter Miner BM 12ED Sonderverfahren Maschineller Vortrieb in Bogenstrecken Alternatives Vortriebssystem Schneiden Ankern"- AVSA Modifiziertes Alternatives Vortriebssystem Schneiden Ankern" - AVSA II Verhalten bei wechselnden Einflüssen der Vortriebsbedingungen Störungen anfahren/durchfahren Auffahrung in Sattel- und Muldenbereichen Wasserzuflüsse vor Ort/wasserführendes Gebirge Wasserempfindliches Nebengestein Test- und Entspannungsmaßnahmen Zukünftige Entwicklungen Streckenüberwachung Messungen im Gebirge Auflockerungen Bohrlochendoskopie Extensometermessungen Gebirgsschlagrelevante Spannungskonzentrationen Messungen in der Strecke Aufnahme der Messwerte Aufbereitung und Darstellung der Messwerte Messungen am Streckenausbau Unterstützungsausbau Ankerausbau 513

9 Messsonden zur Ermittlung der Ankerschaftbeanspruchung Ermittlung der Ankerschaftbeanspruchung an planmäßig gesetzten Ankern Messstationen zur Streckenüberwachung Zukünftige Entwicklungen Gebirgsvergütung und Streckensanierung Gebirgsvergütung Vergütungsankerung Ankerung im gesamten Streckenquerschnitt Firstankerung Saumankerung Stoßankerung Sohlenankerung Injektionen Injektionsarten Prüfung von Injektionsmitteln Prüfung der Materialeigenschaften von Injektionsmitteln Prüfung der Gebrauchseigenschaften von Injektionsmitteln Injektionsmittel Injektionsmittel aus Kunstharz Mineralische Injektionsmittel Vergleich der Eigenschaften von Injektionsmitteln Injektionsanlagen Durchführung von Injektionsmaßnahmen Qualitätssicherung von Injektionsmaßnahmen Streckensanierung Senken Verstärken Reparieren Durchbauen Ausbau am Übergang Streb/Strecke Räumliche Abgrenzung und Anforderungen Antriebstechnik Hauptantrieb (Kohlenabfuhrstrecke) Vor-Kopf-Austrag Seitenaustrag Kreuzrahmen

10 Hilfsantrieb (Kopfstrecke) Platzbedarf der Antriebsstationen Öffnen des Streckenausbaus Bogenausbau Sichern des Bogenausbaus durch Anker Sichern des Bogenausbaus durch Unterzüge Sichern des Bogenausbaus durch Schreitausbau Kombiausbau Typ A und Typ B Sichern des Bogenausbaus durch Anker Sichern des Bogenausbaus durch Unterzüge Sichern des Bogenausbaus durch Schreitausbau Rechteckstrecken Sichern von Rechteckstrecken durch Anker Sichern von Rechteckstrecken durch Schreitausbau und Unterzüge Sicherung der Saumkante bei der Streckenauffahrung Sicherung durch Anker Sicherung durch Gebirgsinjektion Sicherung und Ausbau des Saums im Abbau Manuell eingebrachter Saumausbau Kombinierte Ausbausysteme Schreitausbau am Saum Sondermaßnahmen Saumversatz Fazit und Entwicklungsziele Ausblick 635 Stichwortverzeichnis