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Verfahren zur Ermittlung der Gebirgs-
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schlaggefahr in Steinkohlengruben Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren, mit dem sich in Steinkohlengruben feststellen läßt, ob die Voraussetzungen
für das Entstehen eines Gebirgsschlags gegeben sind und damit Gebirgsschlaggefahr
herrscht.
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Das Auftreten von Gebirgsschlägen, worunter man da: schlagartige Hineinschieben
des Kohlestoßes in den bergmännischen Hohlraum um mehr als 0,5 m versteht, stellt
beim Steinkohlenabbau in größeren Teufen eine latealte Gefahr für den Bergmann und
für den gesamten Abbau)etrieb dar. Daher muß beim Steinkohlenabbau ständig geprüft
werden, ob die Gefahr eines Gebirgsschlages besteht.
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Nach neuen Erkenntnissen ist eine Gebirgsschlaggef ihr gegeben, wenn
1. in unmittelbarer Nähe hinter dem Kohlestoß elastisch vorgespannte Kohle ansteht
und
wenn 2. die Vorbelastung dieser -Kohle so hoch ist, daß geringe Druckerhöhungen
zum Zerbrechen der Kohle führen können.
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Ist nur die erste Bedingung erfüllt, liegt eine GebirgsschlagGEFAHRDUNG
vor.
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Es ist bereits bekannt und gebräuchlich, durch Testbohrungen, die
in Abständen von einigen Metern an den Stößen in die Kohle vorgetrieben werden,
die Bereiche zu orten, in denen eine Gebi-rgsschlaggefahr besteht. Hierzu wird der
Bohrmehlanfall pro Längeneinheit gemessen und mit dem jeweiligen Bohrlochvolumen
verglichen. Liegt die Belastung der elastisch vorgespannten Flözbe,reiche in der
Nähe der für die jeweiligen Einspannungsverhältnisse gültigen Festigkeitzgrenze,
fällt bei diesen Testbohrungen eine relativ zum Bohrlochvolumen wesentlich größere
Bohrmehlmenge an; das Testbohrergebnis ist in diesen Fällen positiv.
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Das Testbohrergebnis ist nur dann positiv, wenn beide Bedingungen
für das Auftreten von Gebirgsschlägen erfüllt sind. Eine reine Gefährdung, die von
dem Vorhandensein elastisch vorgespannter Kohle in Stoßnähe ausgeht, ohne daß die
kritische Vorbelastung dieser Kohle erreicht ist, läßt sich mit dem Testbohren nicht
erkennen.
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Nachteilig ist es des weiteren, daß beim Testbohren der Abbaubetrieb
für'das Einbringen der Bohrungen unterbrochen werden muß, weil bei den Testbohrungen
in die stoßnahen Flözbereiche eingegriffen wird.
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Da bislang keine anderen Methoden zur Feststellung einer Gebirgsschlaggefahr
bekannt waren, mußten Testbohrungen mit
ihren nachteiligen Begleiterscheinungen
nicht nur oei akuter Gefahr, sondern auch in den Fällen eingebracnt werden, in denen
aus der bergmännischen Beurteilung der Abbausituation heraus, ein Auftreten von
Gebirgsschlägen nicht ausgeschlossen werden konnte. Der erforderliche Überwachungsaufwand
war daher sehr groß.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln,
mit dem mit vergleichsweise geringem Zeit- und Personalaufwand sowie mit möglichst
seltenen Eingriffen in den Abbaubetrieb die Gefahr von Gebirgsschlägen zuverlässig
erkennbar ist.
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Es hat sich nun herausgestellt, daß sich diese Aufgabe in überraschend
einfacher, technisch fortschrittlicher Weise dadurch lösen läßt, daß das Auswandern
der Kohle am Stoß, d.h. die Relativverschiebung der Kohle gegenüber dem Nebengestein
und die Konvergenz in der Nähe des Kohlestoßes, d.h. die Annäherung des Hangenden
an das Liegende, gemessen werden und daß der Quotient der jeweils annähernd im gleichen
Vertikalschnitt senkrecht zum Kohlestoß ermittelten Werte des Auswanderns Lind der
Konvergenz gebildet, daß aus diesem Quotienten auf die Gebirgsschlaggefährdupg geschlossen
wird und daß nur bei Erkennung einer Gefährdung in an sich bekannter Weise Testbohrungen
zur Feststellung der Gebirgsschlaggefahr durchgeführt werden. Der aus den Meßwerten
des Au3wanderns und der Konvergenz grebil(leLe Quotient läßt Rückschlüsse zu auf
die Lage des elastisch vorgespannten Flözbereiches relativ zum Kohlestoß und damit
auf die Gebirgsschlaggefährdung.
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Die Erfindung beruht somit auf den Überlegungen, daß a) eine Gebirgsschlaggefahr
nur gegeben ist, wenn die beiden eingangs genannten Voraussetzungen, nämlich (1)
das Vorhandensein von elastisch vorgespannter Kohle in Nähe des Kohlestoßes und
(2) hohe Vorbelastung dieser Kohle, gleichzeitig erfüllt sind, daß b) die erste
der beiden Bedingungen, deren Erfüllung allein noch nicht zum Auslösen eines Gebirgsschlags
ausreicht, jedoch eine Gefährdung signalisiert, ohne Eingriff in den stoßnahen Flözbereich
und mit sehr geringem Meßaufwand ermittelt werden kann, und daß c) beim Kohleabbau
der personelle und zeitliche Gesamtaufwand der Überwachung auf Gebirgsschlaggefahr
erheblich verringert werden kann, wenn Testbohrungen nur dann eingebracht werden,
sobald der aus Auswandern der Kohle und Konvergenz gebildete Quotient einen bestimmten
Grenzwert überschreitet und dadurch anzeigt, daß in unmittelbarer Nähe hinter dem
Kohlestoß elastisch vorgespannte Kohle ansteht.
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Während bisher Testbohrungen während des gesamten Kohleabbaues eingebracht
werden mußten, kann nunmehr diese aufwendige Arbeit auf die wesentlich selteneren
Fälle beschränkt werden, in denen eine Gebirgsschlaggefährdung geortet wurde. Die
Gefährdung wird ständig ermittelt, jeloch ist hierzu - im Gegensatz zum Testbohren
- keine Störung des Abbaubetriebes und nur ein geringer Zeit- und Personalaufwand
erforderlich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung wird zusätzlich
die Verdrehung des Hangenden gegenüber dem Lie-
genden bei der Ermittlung
der Gebirgsschlaggefährdung berücksichtigt.
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Die Deutung der Meßwerte und das Erkennen einer Gebirgsschlaggefährdung
läßt sich in vielen Fällen noch steigern, wenn zusätzlich die zeitliche Veränderung
der Tiefe der plastifizierten Zone in der Kohle sowie die Aufladungsintensität nach
den Beziehungen
wobei M die Flözmächtigkeit bedeutet, ermittelt werden und wenn daraus die zeitliche
Anderung der Gebirgsschlaggefährdung festgestellt wird.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
gehen aus der folgenden Erläuterung weiterer Einzelheiten anhand der beigefügten
Abbildungen hervor.
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Es zeigen in grafischer Darstellung schematisch vereinfacht Figur
1 a und 1 b im Vertikalschnitt die Geometrie der Abbauzone einer Steinkohlengrube
zwecks mathematischer Ableitung der Zusammenhänge zwischen Konvergenz und Auswandern
der Kohle, Figur 2 in ähnlicher Darstellung wie Figur 1 die Zusammenhänge zwecks
Ableitung der Kinematik im stoßnahen Bereich im Streb,
Figur 3 eine
ähnliche Darstellung wie Figur 2 zur Ableitung der Kinematik im stoßnahen Bereich
bei stehendem Stoß.
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Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst anhand
Figur 1 die Einflußgrößen im Streb, das ist der Hohlraum, in dem der Abbau durchgeführt
wird, dargestellt. Das betrachtete Flöz ist in diesem Fall zwischen hartem und dickem
Nebengestein eingelagert. Am Kohlestoß 1 wird die Kohle 2 abgebaut. Der Strebausbau
ist nicht in der Lage, merkliche Anteile des Gebirgsdrucks aufzunehmen.
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Durch den fortschreitenden Abbau senkt sich das Hangende 3 gegenüber
dem Liegenden 4 ab. Hierdurch ergibt sich an einem ortsfesten Punkt in der Nähe
des Kohlestoßes 1 die Konvergenz des Hangenden gegenüber dem Liegenden. Durch die
Konvergenz ergibt sich wiederum eine Relativbewegung der Kohle gegenüber dem Nebengestein,
die als Auswandern der Kohle bezeichnet wird. Inwieweit diese Bewegungen von den
geometrischen Abmessungen des Hohlraums bzw. des stoßnähen Bereichs abhängen und
wie sie miteinander verknüpft sind, läßt sich anhand des Massenerhaltungssatzes
ermitteln. Hierzu sind die Annahmen in Figur 1 skizziert.
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Geht man von einem kontinuierlichen Abbaubetrieb aus, so bewegt sich
der Stoß 1 mit cler Abbaugeschwindigkeit a (linker Teil in Figur 1 a und 1 b). Entgegengesetzt
zu dieser Richtung erfolgt der Gang der Kohle mit der Geschwindigkeit g.
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Die Konvergenzgeschwindigkeit beträgt k. Bei Annahme eines kontinuierlichen
Abbaubetriebs bleibt die Tiefe der plastifixierten Zone konstant. Die Grenze G zwischen
plastifizierter Zone und elastisch vorgespanntem Bereich bewegt sich Damit ebenfalls
wie der Kohlestoß mit der Abbaugeschwindig-
keit a in das Flöz
hinein. Die Dichte der Kohle am linken Rand der Kontrollfläche betrage P. Die Dichteabnahme,
die sich beim Durchtritt der Kohle durch die KontrollfLäche ergibt, betrage ##.
Die Flözmächtigkeit am Kohiest 0ß sei M und die Absenkung des Rangenden vom rechten
Rand der Kontrollfläche bis zum linken Rand werde mit A bezeichnet.
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Bei Anwendung des Massenerhaltungssatzes erhält man unter der Annahme
kontinuierlichen Abbaubetriebes folgenden Zusammenhang: M (a+g) # = (M+A) a (# +
##) (1) Wie in Figur 2 skizziert, läßt sich folgende Beziehung zwischen der Abbaugeschwindigkeit
a und der Konvergenzgeschwindigkeit k sowie den Abmessungen A und X'p herleiten:
a - X'p (2) K A Wie aus Figur 2 zu ersehen, ist X'p kleiner als die Länge der plastifizierten
Zone. Durch Einsetzen der Gleichung 2 in Gleichung 1 erhält man nach Umformung
| X'p ## N |
| g = # 1 + ( + 1) (3) |
| k M # A |
Aus Gleichung 3 ersieht man, daß sich die auf die Konvergenzgeschwindigkeit k bezogene
dimensionslose Geschwindigkeit des Auswanderns der Kohle g aus zwei Anteilen zusamk
mensetzt. Ein AnteiL resultiert aus der Verdrängung der
Kohle bedingt
durch die Absenkung des Hangenden gegenüber dem Liegenden. Ein zweiter Anteil ergibt
sich aus der Aufockerung der plastifizierten Kohle. Die Größe des zweiten anteils
läßt sich mit ##/# # 5 % und A/M #10 % wie folgt abschätzen: ## # (- + 1) # 0,5
(4) # A Gleichung 3 läßt sich nach Einsetzen von Gleichung 4 schreiben g X'p # 1,5
# (5) k M Wie aus Figur 2 zu ersehenJist die Größe 1,5. Xlp ein ungefähres Maß für
die Tiefe des plastifizierten Bereichs Damit kann gesetzt werden g Xp # (6) k M
Gleichung 6 besagt, daß das Verhältnis der Konvergenzgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit,
mit der das Auswandern der Kohle erfolgt, ein Maß dafür ist, in welcher Tiefe -
gemessen in vielfachen der Mächtigkeit des Flözes - der elastisch vorgespannte Flözbereich
beginnt.
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Zur Bestimmung des Geschwindigkeitsverhältnisses reicht clie Messung
der im Zeitintervall #t gemessenen Verschiebungen LSX und dZ aus, wobei #X = g #
#t (7) a z = k
bedeutet, da mit Gleichung 7 gilt:
Die Tiefe der plastifizierten Zone kann nach Gleichung 8 mit guter Näherung durch
die Kinematik der Bewegung, die sich im Stoßbereich vollzieht, ermittelt werden.
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Überraschend an dem Zusammenhang nach Gleichung 8 ist, daß der Einfluß
der Abbaugeschwindigkeit nicht explizit auftaucht, da die Zunahme der Abbaugeschwindigkeit,-wie
aus bergmännischer Erfahrung bekannt, die Gebirgsschlaggefahr erhöht. Diese Zunahme
der Gefahr läßt sich jedoch auch anhand von Gleichung 8 deuten. Bei Erhöhung der
Abbaugeschwindigkeit nämlich ist weniger Zeit für die Plastifizierung des stoßnahen
Bereichs gegeben. Die relative Tiefe Xp/M verringert sich damit. Das, bedeutet nach
Gleichung 8, daß das Auswandern der Kohle im Verhältnis zur Absenkung des Hangenden
geringer wird. Damit ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, den
Einfluß der Abbau geschwindigkeit zu erfassen.
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Überraschend ist auch, daß keine Einflußgrößen in Gleichung 8 eingehen,
die sich auf den generellen Verlauf von Hangendem und Liegendem beziehen (Verhältnisse,
die beispielsweise für Streb, Strecke, Aufhauen charakteristisch sind). Für die
stehenden Stöße - beispielsweise in Strecke und Aufhauen - läßt sich daher die beschriebene
Methode modifizieren. Auch am stehenden Stoß tretcn Konvergenz und Auswandern auf.
Hierauf lassen sich jedoch die Bedingungen des kontinuierlichen Abbaubetriebes nicht
anwenden. Das
erfahren läßt sich für diese Betriebspunkte wie im
folgenden gezeigt jedoch so modifizieren, daß überwacht-werden kann, ob die Konvergenz
zum "Aufladen" der stoßnahen Zone rührt oder ob sich die plastifizierte Zone vergrößert
und damit eine Reduzierung der GebirgsschlaggefShrdung eintritt.
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Die Absenkung #Z des Hangenden gegenüber dem Liegenden ohne ZusatzverdrehungAC(
(siehe Figur 3) führt nicht zu einer wesentlichen Vergrößerung der Tiefe des plastirizierden
Bereichs, sondern zum Gang #x der Kohle am freien Stoß.
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Für kleine Absenkungen #Z gilt mit guter Näherung Gleihung 8. Durch
die Zusatzverdrehung ergibt sich zum einen eine Verschiebung der Grenze zwischen
plastifizierter Kohle und elastisch vorgespanntem Bereich. Zum anderen wird hierdurch
ein Einfluß auf das Auswandern der Kohle ausgeübt.
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Der Anteil am Auswandern der Kohle EXD, der sich aus der zusätzlichen
Verdrehung « ergibt, läßt sich näherungsweise in Analogie zur Ableitung von Gleichung
8 rein mit Hilfe kinematischer Beziehungen ermitteln. Er beträgt
Korrigiert man das gemessene Auswandern der Kohle au um diesen Anteil #XK = #X -
#XD' (10) so läßt sich wiederum mit Gleichung 8 die mittlere Tiefe der plastifizierten
Zone Xpm bestimmen.
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#XK Xpm #Z M (11)
Diese Korrektur läßt sich auch
bei dem für den Streb beschriebenen Verfahren anwenden. Sie hat jedoch den Nachteil,
daß man zusätzliche Meßgrößen, und zwar benötigt, allerdings erst dann, wenn Ac(
merklichen Einllttß gewinnt (s. Gleichung 9).
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Die zeitliche Ableitung von Gleichung 11 ergibt
Nach Gleichung 12 läßt sich die Verlagerungsgeschwindigkeit der Grenze zwischen
plastifizierter Zone und elastisch vorgespanntem Bereich ermitteln
Damit ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch bei diskontinuierlichem Abbaubetrieb
eine Messung der relativen Geschwindigkeit der Grenze zwischen plastifizierter Zone
und elastisch vorgespanntem Bereich zum Kohlestoß möglich.
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Ebenfalls läßt sich die Konvergenzgeschwindigkeit ins Verhältnis setzen
zur relativen Vers chiebungs geschwindigkeit der Grenze zwischen plastifizierter
Zone uncl elastisch vorgespanntem Bereich, um ein Maß für die "Aufladungsintensität"
I des stoßnahen Bereichs zu erhalten. Unter Verwendung der Gleichung 13 ergibt sich
hierfür
tlach den Gleichungen 11, 13 und 14 lassen sich die Tiefe tes
plastifizierten Bereiches, die Ausdehnungsgeschwindigkeit dieses Bereiches und die
Intensität der möglichen "Aufladung" des stoßnahen Bereichs ermitteln. Ergeben sich
für diese Größen kritische Werte, so ist die erste der beiden eingangs aufgeführten
notwendigen Voraussetzungen für das Auftreten einer Gebirgsschlaggefahr erfüllt,
d.h. eine Gebirgsschlaggefährdung gegeben. Durch den Einsatz des Testbohrens läßt
sich nun feststellen, ob auch die zweite VorausietzlJrlg für die Gefahr des Auftretens
eines Gebirgsschlags vorliegt.
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Wie bescllrieben kann die Tiefe der plastifizierten Zone Xpm/M durch
Messung der Größen α, #α, y, #X und #Z ermittelt werden.
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Die Größen α und #α lassen sich einfach über Neigungsmesser
bestimmen, wobei je ein Neigungsmesser im Bereich des Hangenden sowie des Liegenden
montiert werden kann. Die Größe y kann aus der Vorfeldkonvergenz und der Flözmächtigkeit
ermittelt werden.
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Die Messung des Auswandern des Kohlestoßes #X sowie der An-'iherunfr
ds Rangenden an das I.iegendc Az erfolgt über Abstandsmessungen. Für den Streb ist
gemäß einer Ausführungsart der Erfindung eine berührungslose Meßmethode vorgesehen,
da diese den Abbau nicht behindert. Für stehende Stöße können mit Vorteil billigere
Meßfühler eingesetzt werden.
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Die zu den jeweiligen Meßzeitpunkten anfallenden Abstandsdaten werden
in eine zentrale Verarbeitungseinheit übertragen, dort verarbeitet und auf kritische
Werte hin überprüft.
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Zur berührungslosen Messung werden in einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung am Strebausbau Abstandsmeßgeräte angebracht. Das Gerät zur Messung des
Auswanderns am Kohlestoß wird an den senkrechten Stempeln des Ausbaus angebracht.
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Das Gerät zur Messung der Annäherung des Hangenden an das Liegende
wird an der Kappe des Strebausbaus untergebracht.
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Die Längenänderungen werden jeweils beispielsweise mit Lasergeräten
bestimmt, wobei das Auswandern durch Reflexion am Kohlestoß, die Annäherung des
Hangenden an das Liegende durch Reflexion an erhöhten MeßfJlchen ermittelt wird,
die an den Füßen des Strebausbaus angebracht sind und jeweils beim Überfahren der
Abbaumaschine von Kohleteilen gereinigt werden.
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Ein Vorteil dieses Aufbaus ist, daß nur Aufnahme- bzw.
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Meßpunkte am Ausbau vorgesehen werden müssen. Die Abstandsmeßgeräte
lassen sich dann je nach Bedarf an beliebigen Untersuchungsstellen anbringen.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel werden Meßfühler, die mit dem
Kohlestoß in Berührung stehen, verwendet. Am stehenden Stoß wird zwischen Flangentiem
und Liegendem ein 'eleskoprohr aufgestellt, dessen gegenseitige Verschitbung der
ineinandergreifenden Enden beispielsweise mit einem Potentiometer gemessen wird.
Das Auswandern des Stoßes wird durch einen Kontaktfühler, der auf dem äußeren Teil
des Teleskoprohres quer angeordnet ist, auf ein zweites Abstandsmeßgerät (beispielsweise
Potentiometer) übeltragen.