Bemessungsverfahren für große bergmännische Hohlräume

Forschungsprojekt P 13805Bemessungsverfahren für große bergmännische HohlräumeHorst WAGNER28.06.1999 Aufgrund der wachsenden Umweltsensibilität in der Gesellschaft und einer Erschöpfung der oberflächennahen Mineralvorkommen zeigt sich eine zunehmende Tendenz Natursteine und Industriemineralien untertägig zu gewinnen. Die Anforderungen an das hierbei anzuwendende Abbauverfahren sind einerseits die Gewinnungskosten im Bereich der Tagebaukosten zu halten und andererseits sind Auswirkungen der Abbautätigkeit auf die Tagesoberfläche auszuschließen. Weiters sollte aus volkswirtschaftlichen Überlegungen heraus, ein möglichst vollständiger Abbau der Lagerstätte gewährleistet werden. Um eine etwaige Beeinflussung der Tagesoberfläche zu vermeiden, muß daher gewährleistet werden, daß die aufgefahrenen Hohlräume auch langfristig standfest sind. Die Standfestigkeit wird durch das Verbleiben von Bergfesten zwischen den Abbauhohlräumen erreicht. Um die Lagerstättenverluste durch die Bergfesten zu minimieren wird versucht, diese Festen so klein wie möglich zu gestalten. Die Frage der Dimensionierung der Abbauhohlräume sowie der Bergfesten ist somit ein elementares Problem bei der technischen und wirtschaftlichen Planung untertägiger Bergwerksanlagen. Während es aufgrund langjähriger Forschungsarbeiten im Bereich des Steinkohle- und Kalisalzbergbaues gelungen ist, entsprechende Dimensionierungsmodelle zu entwickeln, gibt es derzeit keine allgemein gültigen Lösungsansätze für den Hartgesteinsbergbau. Ziel des Forschungsprojektes ist es ein Dimensionierungsmodel für permariente Abbauhohlräurne und Bergfesten für massige alpine Festgesteinslagerstätten zu entwickelt. Aufgrund der derzeitigen Situation im bsterreichischen Bergbau sollen insbesondere Bergbaubetriebe auf Industriemineralien untersucht werden. Die zu erarbeitenden Dimensionierungsmodelle sind jedoch nicht auf diese Rohstoffe beschränkt. Während der gesamten Projektdauer sind eine Reihe von Versuchsserien in verschiedenen Bergwerksbetrieben sowie Laboruntersuchungen an Bohrkernen und numerische Simulationen der Abbaugeometrie vorgesehen. Die somit ermittelten Daten sollen in einer zentralen Datenbank gespeichert und ausgewertet werden. Auf der Basis dieser Datenbank und einer daraus entwickelten Bemessungsmethologie soll abschlieflend ein allgemein gültiges Konzept zur Bemessung von Bergfesten abgeleitet werden.

Der Bedarf an mineralischen Rohstoffen nimmt weltweit zu und ist in Österreich auf dem beachtlichen Wert von 13 Tonnen pro Einwohner und Jahr. Die zunehmende Umweltsensibilität der Gesellschaft und die Erschöpfung oberflächennaher Vorkommen mineralischer Rohstoffe führen in einem verstärkten Maß dazu, daß neben Kohle und Erz nunmehr auch Natursteine und Industrieminerale untertägig gewonnen werden. Die Anforderungen an die hierbei anzuwendenden Abbauverfahren sind einerseits die Gewinnungskosten im Bereich der Tagebaukosten zu halten und andererseits Auswirkungen der Abbautätigkeit auf die Tagesoberfläche auszuschließen. Diese Forderungen haben gegenläufige Auswirkungen auf die Dimensionierung der Abbauhohlräume. Kostenüberlegungen führen zu möglichst großen Abbauhohlräumen während die sicherheitlichen und umwelttechnischen Erfordernisse von kleinen Abbauhohlräumen besser erfüllt werden. Neben der Größe der einzelnen Abbauhohlräume kommt auch der Bemessung der Festen zwischen den einzelnen Abbauen eine besondere Bedeutung zu. Die Festen sollen einerseits groß genug sein um die langfristige Standsicherheit der Grubenbaue zu gewährleisten andererseits jedoch so klein wie möglich sein um die Rohstoffverluste minimieren. Daraus ergibt sich die Frage nach einem Dimensionierungs- und Beurteilungsverfahren für Bergfesten. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Festigkeit des Gebirges , d.h. des Materials aus dem die Festen gemacht sind, nicht im Labormaßstab bestimmt werden kann. Sedimentationsflächen, Kluftsysteme sowie Scher- und Störungszonen bestimmen neben der Gesteinsfestigkeit die Festigkeit des Gebirgsverbandes. Gegen diesen Hintergrund ist es nicht verwunderlich, dass die Bemessung von Bergfesten und Abbauhohlräumen vor allem auf empirischer Basis erfolgte. Das Ergebnis waren eine Reihe von sogenannten "Festenformeln" die lokal recht erfolgreich angewendet wurden, jedoch außerhalb ihres Geltungsbereiches zu Fehldimensionierungen von Bergfesten führen können. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde die Standsicherheit von Bergfesten mit Hilfe subjektiver, empirischer, numerischer und geophysikalischer Methoden untersucht. Ein Vergleich der unterschiedlichen Daten brachte in vielen Bereichen eine gute Übereinstimmung bezüglich der Beurteilung des Zustandes von Bergfesten. Besonders zielführend hat sich dabei die Durchschallung von Bergfesten erwiesen. Mit zunehmenden Zerstörungsgrad einer Feste nimmt die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit ab. Damit wird es möglich den Zustand von Bergfesten quantitativ zu überwachen und frühzeitig Problembereiche zu identifizieren. Die im Rahmen dieses Projektes entwickelte Methodik der Festenbeurteilung macht es möglich Festen/Abbaubereiche mit unterschiedlichem geomechanischen Verhalten zu identifizieren sowie die Veränderung des Festenzustandes über die Zeit zu dokumentieren und quantifizieren. In mehreren Fällen führten die vorliegenden Untersuchungsergebnisse direkt zu einer Neubeurteilung der Standsicherheit der Abbauhohlräume und Bergfesten sowie zu den daraus resultierenden bergbaulichen Maßnahmen. Die im Rahmen dieses Projektes entwickelte Methode der Festenbeurteilung soll in einem nächsten Schritt zu einem neuen Bemessungsverfahren für Bergfesten Anwendung finden.