Das Hauptziel der Bodenkontrolle ist es, sichere Ausgrabungen in Fels und Erde aufrechtzuerhalten (die Bedingungen Schichtkontrolle und Pistenmanagement werden auch in untertägigen Bergwerken bzw. Tagebauen eingesetzt). Die Bodenkontrolle findet auch viele Anwendungen in Tiefbauprojekten wie Tunneln, Wasserkraftwerken und Endlagern für Atommüll. Es wurde definiert als die praktische Anwendung der Gesteinsmechanik auf den Bergbaualltag. Das US National Committee on Rock Mechanics hat folgende Definition vorgeschlagen: „Felsmechanik ist die theoretische und angewandte Wissenschaft des mechanischen Verhaltens von Gestein und Gesteinsmassen; es ist der Zweig der Mechanik, der sich mit der Reaktion von Gestein und Gesteinsmassen auf die Kraftfelder ihrer physikalischen Umgebung befasst“.

Gesteinsmassen weisen ein äußerst komplexes Verhalten auf, und Felsmechanik und Bodenkontrolle sind seit den 1950er Jahren weltweit Gegenstand beträchtlicher Grundlagen- und angewandter Forschung. Bodenkontrolle ist in vielerlei Hinsicht eher ein Handwerk als eine Wissenschaft. Die Bodenkontrolle erfordert ein Verständnis der Strukturgeologie, der Gesteinseigenschaften, des Grundwassers und der Bodenspannungsregime und der Wechselwirkung dieser Faktoren. Zu den Werkzeugen gehören die Methoden der Standorterkundung und Gesteinstests, Maßnahmen zur Minimierung von Schäden an der Felsmasse durch Sprengungen, die Anwendung von Entwurfstechniken, Überwachung und Bodenunterstützung. In den letzten Jahren haben mehrere wichtige Entwicklungen in der Gesteinsmechanik und Bodenkontrolle stattgefunden, darunter die Entwicklung empirischer Konstruktions- und Computeranalysetechniken für die Minenkonstruktion, die Einführung und breite Verwendung einer Vielzahl von Bodenüberwachungsinstrumenten und die Entwicklung spezialisierter Bodenunterstützungswerkzeuge und Techniken. Viele Bergbaubetriebe haben Bodenkontrollabteilungen, die mit spezialisierten Ingenieuren und Technikern besetzt sind.

Unterirdische Öffnungen sind schwieriger zu schaffen und zu warten als Fels- oder Erdböschungen, daher müssen unterirdische Minen im Allgemeinen mehr Ressourcen und Planungsanstrengungen für die Bodenkontrolle aufwenden als Oberflächenminen und Steinbrüche. Bei traditionellen Untertage-Bergbaumethoden wie Schrumpfen und Cut-and-Fill sind die Arbeiter direkt potenziell instabilem Boden in der Erzzone ausgesetzt. Bei Massenbergbaumethoden, wie dem Stoppen von Sprenglöchern, betreten die Arbeiter die Erzzone nicht. In den letzten Jahrzehnten gab es einen Trend weg von selektiven Verfahren hin zu Massenverfahren.

Arten von Bodenfehlern

Gesteinsstruktur und Gesteinsspannung sind wichtige Ursachen für Instabilität in Bergwerken.

Ein bestimmtes Gestein besteht aus intaktem Gestein und einer beliebigen Anzahl von Gesteinsstrukturen oder strukturellen Diskontinuitäten. Zu den wichtigsten Arten von Gesteinsstrukturen gehören Bettungsebenen (Trennungsebenen, die die einzelnen Schichten trennen), Falten (Krümmungen in Gesteinsschichten), Verwerfungen (Bruchstellen, an denen Bewegungen stattgefunden haben), Gänge (tafelförmige Intrusionen von magmatischem Gestein) und Klüfte (Brüche von geologischem Ursprung, entlang dem es keine sichtbare Verschiebung gegeben hat). Die folgenden Eigenschaften struktureller Diskontinuitäten beeinflussen das technische Verhalten von Gesteinsmassen: Orientierung, Abstand, Persistenz, Rauheit, Öffnung und Vorhandensein von Füllmaterial. Die Sammlung relevanter struktureller Informationen durch Ingenieure und Geologen ist ein wichtiger Bestandteil des Bodenkontrollprogramms bei einem Bergbaubetrieb. Hochentwickelte Computerprogramme zur Analyse von Strukturdaten und der Geometrie und Stabilität von Keilen in Tagebauen oder Untertageminen sind jetzt verfügbar.

Spannungen im Gestein können auch Instabilitäten in Bergwerken verursachen; Die Kenntnis des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens von Gesteinsmassen ist für eine solide Ingenieurplanung unerlässlich. Labortests an zylindrischen Gesteinsproben aus Bohrkernen können nützliche Informationen zur Festigkeit und Verformbarkeit des intakten Gesteins liefern; verschiedene Gesteinsarten verhalten sich unterschiedlich, vom plastischen Verhalten von Salz bis zum elastischen, spröden Verhalten vieler Hartgesteine. Die Verbindung wird die Festigkeit und Verformbarkeit des gesamten Gesteins stark beeinflussen.

In Tagebauen und Steinbrüchen gibt es einige übliche Arten von Felsböschungen. Der Versagensmodus des Gleitblocks tritt auf, wenn eine Bewegung entlang einer oder mehrerer Felsstrukturen stattfindet (ebenes Scheren, Stufenpfad, Keil, Stufenkeil oder Plattenversagen); ein Rotationsscherbruch kann in einem Boden oder einer schwachen Gesteinsböschung auftreten; zusätzliche Versagensarten umfassen das Umstürzen von Blöcken, die durch steil abfallende Strukturen gebildet werden, und Ausfransen (z. B. Verschieben von Blöcken durch Frost-Tau-Wechsel oder Regen).

Größere Pistenbrüche können katastrophale Folgen haben, obwohl Pisteninstabilität aus betrieblicher Sicht nicht unbedingt Pistenbruch bedeutet. Die Stabilität einzelner Bänke ist normalerweise von unmittelbarerer Bedeutung für den Betrieb, da ein Ausfall ohne Vorwarnung mit potenziellen Todesfällen und Geräteschäden auftreten kann.

In Untertagebergwerken kann Instabilität aus der Bewegung und dem Zusammenbruch von Gesteinsblöcken als Ergebnis struktureller Instabilität, Gesteinsbruch um die Öffnung als Ergebnis hoher Gesteinsspannungszustände, einer Kombination aus spannungsinduziertem Gesteinsbruch und struktureller Instabilität und verursachter Instabilität resultieren durch Steinschläge. Die Gesteinsstruktur kann die Wahl eines Untertageabbauverfahrens und die Gestaltung von Bergbaulayouts beeinflussen, da sie stabile Aushubspannen, Tragfähigkeit und Setzung steuern kann. Gestein in der Tiefe ist Spannungen ausgesetzt, die sich aus dem Gewicht der darüber liegenden Schichten und aus Spannungen tektonischen Ursprungs ergeben, und horizontale Spannungen sind oft größer als die vertikalen Spannungen. Es stehen Instrumente zur Verfügung, um das Spannungsniveau im Boden zu bestimmen, bevor der Abbau beginnt. Wenn eine Minenöffnung ausgehoben wird, ändert sich das Spannungsfeld um diese Öffnung herum und übersteigt möglicherweise die Festigkeit der Gesteinsmasse, was zu Instabilität führt.

Es gibt auch verschiedene Arten von Versagen, die üblicherweise in untertägigen Hartgesteinsminen beobachtet werden. Unter niedrigen Belastungsniveaus werden Ausfälle weitgehend strukturell kontrolliert, wobei Keile oder Blöcke vom Dach fallen oder aus den Wänden der Öffnungen rutschen. Diese Keile oder Blöcke werden durch sich schneidende strukturelle Diskontinuitäten gebildet. Wenn lose Keile oder Blöcke nicht unterstützt werden, kann das Versagen andauern, bis eine natürliche Wölbung der Öffnung stattfindet. In geschichteten Ablagerungen kann es entlang der Schichtungsebenen zu Schichttrennung und -versagen kommen. Unter hohen Spannungsniveaus besteht das Versagen aus sprödem Abplatzen und Abplatzen im Fall eines massiven Gesteinskörpers mit wenigen Klüften bis hin zu einer duktileren Versagensart für stark geklüftete Gesteinskörper.

Ein Felsbruch kann als plötzlich oder heftig auftretender Schaden an einer Baugrube definiert werden, der mit einem seismischen Ereignis verbunden ist. Es wurden verschiedene Schadensmechanismen durch Steinschlag identifiziert, nämlich Ausdehnung oder Knicken des Gesteins aufgrund von Brüchen um die Öffnung herum, durch seismische Erschütterungen verursachte Steinschläge und Auswurf von Gestein aufgrund von Energieübertragung von einer entfernten seismischen Quelle. Gesteins- und Gasausbrüche treten in einigen Kohle-, Salz- und anderen Bergwerken als Ergebnis hoher Gesteinsspannungen und großer Mengen an komprimiertem Methan oder Kohlendioxid katastrophal auf. In Steinbrüchen und Tagebauen wurde auch plötzliches Knicken und Heben von Gesteinsböden beobachtet. In mehreren Ländern wurden umfangreiche Untersuchungen zu den Ursachen und möglichen Linderungen von Steinschlägen durchgeführt. Zu den Techniken zur Minimierung von Gesteinsbrocken gehören die Änderung der Form, Ausrichtung und Reihenfolge des Abbaus, die Verwendung einer Technik, die als Entlastungssprengung bekannt ist, steife Minenverfüllungen und die Verwendung spezialisierter Unterstützungssysteme. Ausgefeilte lokale oder bergwerksweite seismische Überwachungssysteme können bei der Identifizierung und Analyse von Quellmechanismen helfen, obwohl die Vorhersage von Gesteinsbrocken derzeit noch unzuverlässig ist.

In der kanadischen Provinz Ontario resultieren fast ein Drittel aller untertägigen tödlichen Verletzungen in der hochmechanisierten Bergbauindustrie aus Steinschlägen und Steinschlägen; die Todeshäufigkeit durch Steinschlag und Steinschlag betrug im Zeitraum 1986-1995 0.014 pro 200,000 Arbeitsstunden unter Tage. In weniger mechanisierten Bergbauindustrien unter Tage oder dort, wo Bodenstützen nicht weit verbreitet sind, ist mit einer erheblich höheren Häufigkeit von Verletzungen und Todesopfern durch Erdstürze und Steinschläge zu rechnen. Die Sicherheitsbilanz bezüglich der Bodenkontrolle für Tagebaue und Steinbrüche ist im Allgemeinen besser als für Untertagebergwerke.

Entwurfsmethoden

Das Design von unterirdischen Ausgrabungen ist der Prozess, technische Entscheidungen zu Angelegenheiten wie den Standorten, Größen und Formen von Ausgrabungen und Felspfeilern, der Abbausequenz und der Anwendung von Stützsystemen zu treffen. In Tagebauen muss für jeden Abschnitt der Grube ein optimaler Böschungswinkel gewählt werden, zusammen mit anderen Designaspekten und Böschungsunterstützung. Das Entwerfen einer Mine ist ein dynamischer Prozess, der aktualisiert und verfeinert wird, wenn durch Beobachtung und Überwachung während des Bergbaus mehr Informationen verfügbar werden. Üblicherweise werden empirische, beobachtende und analytische Entwurfsmethoden verwendet.

Empirische Methoden verwenden häufig ein Felsmassenklassifizierungssystem (mehrere solcher Systeme wurden entwickelt, z. B. das Felsmassensystem und der Felstunnelbau-Qualitätsindex), ergänzt durch Entwurfsempfehlungen, die auf Kenntnissen der anerkannten Praxis basieren. Mehrere empirische Designtechniken wurden erfolgreich angewendet, wie z. B. die Stability Graph-Methode für offene Stollendesigns.

Beobachtungsmethoden Verlassen Sie sich auf die tatsächliche Überwachung der Bodenbewegung während des Aushubs, um messbare Instabilitäten zu erkennen, und auf die Analyse der Interaktion zwischen Boden und Stützen. Beispiele für diesen Ansatz sind das Neue Österreichische Tunnelbauverfahren und das Convergence-Confinement-Verfahren.

analytische Methoden Nutzen Sie die Analyse von Spannungen und Verformungen um Öffnungen herum. Einige der frühesten Spannungsanalysetechniken verwendeten mathematische Lösungen in geschlossener Form oder photoelastische Modelle, aber ihre Anwendung war aufgrund der komplexen dreidimensionalen Form der meisten unterirdischen Ausgrabungen begrenzt. In letzter Zeit wurde eine Reihe computerbasierter numerischer Verfahren entwickelt. Diese Verfahren stellen die Mittel bereit, um Näherungslösungen für die Probleme von Spannungen, Verschiebungen und Versagen in Bergwerksöffnungen umgebendem Gestein zu erhalten.

Zu den jüngsten Verfeinerungen gehörten die Einführung dreidimensionaler Modelle, die Möglichkeit, strukturelle Diskontinuitäten und Gesteinsträger-Interaktionen zu modellieren, sowie die Verfügbarkeit benutzerfreundlicher grafischer Schnittstellen. Trotz ihrer Einschränkungen können numerische Modelle echte Einblicke in das komplexe Gesteinsverhalten liefern.

Die drei oben beschriebenen Methoden sollten eher als wesentliche Teile eines einheitlichen Ansatzes für die Planung von unterirdischen Ausgrabungen denn als unabhängige Techniken betrachtet werden. Der Konstruktionsingenieur sollte bereit sein, eine Reihe von Werkzeugen zu verwenden und die Konstruktionsstrategie neu zu bewerten, wenn dies aufgrund der Quantität und Qualität der verfügbaren Informationen erforderlich ist.

Bohr- und Sprengkontrollen

Ein besonderes Problem beim Felssprengen ist seine Wirkung auf das Gestein in unmittelbarer Nähe einer Ausgrabung. Durch schlechtes Sprengdesign oder schlechte Bohrverfahren kann es im Nahfeldgestein zu intensiven lokalen Rissen und Störungen der Integrität der ineinandergreifenden, verbundenen Anordnung kommen. Größere Schäden können durch die Übertragung von Sprengenergie in das Fernfeld verursacht werden, was zu Instabilitäten in Minenstrukturen führen kann.

Die Sprengergebnisse werden durch die Gesteinsart, das Belastungsregime, die strukturelle Geologie und das Vorhandensein von Wasser beeinflusst. Zu den Maßnahmen zur Minimierung von Explosionsschäden gehören die richtige Auswahl des Sprengstoffs, die Verwendung von Perimetersprengtechniken wie Pre-Split-Sprengung (parallele, eng beieinander liegende Löcher, die den Ausgrabungsumfang definieren), Entkopplungsladungen (der Durchmesser des Sprengstoffs ist kleiner als die des Sprenglochs), Zeitverzögerung und Pufferlöcher. Die Geometrie der gebohrten Löcher beeinflusst den Erfolg einer Wandkontrollsprengung; Lochmuster und Ausrichtung müssen sorgfältig kontrolliert werden.

Die Überwachung von Sprengschwingungen wird häufig durchgeführt, um Sprengmuster zu optimieren und Schäden an der Gesteinsmasse zu vermeiden. Empirische Kriterien für Explosionsschäden wurden entwickelt. Die Explosionsüberwachungsausrüstung besteht aus oberflächenmontierten oder im Bohrloch eingebauten Wandlern, Kabeln, die zu einem Verstärkersystem und einem digitalen Rekorder führen. Das Sprengdesign wurde durch die Entwicklung von Computermodellen zur Vorhersage der Sprengleistung verbessert, einschließlich der Fragmentierung, des Schlammprofils und der Rissdurchdringung hinter Sprenglöchern. Zu den Eingabedaten für diese Modelle gehören die Geometrie der Ausgrabung und des gebohrten und geladenen Musters, die Detonationseigenschaften der Sprengstoffe und die dynamischen Eigenschaften des Gesteins.

Skalierung von Dach und Wänden von Ausgrabungen

Scaling ist das Entfernen von losen Gesteinsplatten von Dächern und Wänden von Ausgrabungen. Es kann manuell mit einer Stahl- oder Aluminium-Scaling-Bar oder mit einer mechanischen Scaling-Maschine durchgeführt werden. Beim manuellen Besteigen überprüft der Bergmann die Festigkeit des Felsens, indem er auf die Decke schlägt; Ein trommelartiges Geräusch zeigt normalerweise an, dass der Boden locker ist und abgesperrt werden sollte. Der Bergmann muss strenge Regeln befolgen, um Verletzungen beim Erklimmen zu vermeiden (z. B. Erklimmen von gutem Boden auf unbefestigten Boden, Aufrechterhalten eines guten Standes und eines freien Rückzugsbereichs und Sicherstellen, dass erklommener Fels einen geeigneten Platz zum Fallen hat). Manuelles Scaling erfordert erhebliche körperliche Anstrengung und kann eine risikoreiche Aktivität sein. In Ontario, Kanada, ereignen sich beispielsweise ein Drittel aller durch Steinschlag verursachten Verletzungen beim Klettern.

Die Verwendung von Körben an ausfahrbaren Auslegern, damit Bergleute hohe Rücken manuell erklimmen können, führt zu zusätzlichen Sicherheitsrisiken, wie beispielsweise einem möglichen Umkippen der Skalierungsplattform durch herabfallende Steine. Mechanische Scaling-Rigs sind heute in vielen großen Bergbaubetrieben alltäglich. Die Scaling-Einheit besteht aus einem schweren Hydraulikhammer, Schaber oder Schlaghammer, der an einem Schwenkarm montiert ist, der wiederum an einem mobilen Fahrgestell befestigt ist.

Bodenunterstützung

Das Hauptziel der Bodensicherung besteht darin, dem Gestein zu helfen, sich selbst zu stützen. Bei der Felssicherung werden Felsanker im Fels eingebaut. Bei der Felsunterstützung, wie sie beispielsweise durch Stahl- oder Holzsätze bereitgestellt wird, wird der Felsmasse eine externe Unterstützung bereitgestellt. Bodenstütztechniken haben im Tagebau und Steinbruch keine breite Anwendung gefunden, teilweise wegen der Ungewissheit der endgültigen Grubengeometrie und teilweise wegen Bedenken hinsichtlich Korrosion. Weltweit ist eine Vielzahl von Felsankersystemen verfügbar. Zu den Faktoren, die bei der Auswahl eines bestimmten Systems zu berücksichtigen sind, gehören die Bodenverhältnisse, die geplante Nutzungsdauer des Aushubs, die einfache Installation, die Verfügbarkeit und die Kosten.

Der mechanisch verankerte Felsanker besteht aus einer Spreizhülse (verschiedene Ausführungen sind für unterschiedliche Gesteinsarten verfügbar), einem Stahlbolzen (mit Gewinde oder mit geschmiedetem Kopf) und einer Stirnplatte. Die Spreizschale besteht im Allgemeinen aus gezahnten Blättern aus schmiedbarem Gusseisen mit einem konischen Keil, der an einem Ende des Bolzens mit Gewinde versehen ist. Wenn der Bolzen im Loch gedreht wird, wird der Konus in die Klingen gedrückt und drückt sie gegen die Wände des Bohrlochs. Die Spreizschale erhöht ihren Halt am Fels, wenn die Spannung auf den Bolzen zunimmt. Es sind Bolzen in verschiedenen Längen sowie eine Reihe von Zubehör erhältlich. Mechanisch verankerte Felsanker sind relativ kostengünstig und werden daher am häufigsten für die kurzfristige Sicherung in Untertagebergwerken verwendet.

Der Injektionsdübel besteht aus einem gerippten Bewehrungsstab, der in ein Bohrloch eingebracht und über die gesamte Länge mit dem Fels verbunden wird und so den Fels dauerhaft bewehrt. Es werden verschiedene Arten von Zement- und Polyesterharzmörtel verwendet. Der Mörtel kann durch Pumpen oder Kartuschen schnell und bequem in das Bohrloch eingebracht werden. Es stehen Stahl- und Glasfaserdübel in verschiedenen Durchmessern zur Verfügung, und Schrauben können zug- oder gespannt sein.

Der Reibungsstabilisator besteht üblicherweise aus einem über seine gesamte Länge geschlitzten Stahlrohr, das, wenn es in ein leicht unterdimensioniertes Bohrloch getrieben wird, zusammengedrückt wird und Reibung zwischen dem Stahlrohr und dem Gestein entwickelt. Der Bohrlochdurchmesser muss innerhalb enger Toleranzen kontrolliert werden, damit dieser Bolzen wirksam ist.

Der Swellex-Felsanker besteht aus einem involuten Stahlrohr, das in ein Bohrloch eingeführt und mit einer tragbaren Pumpe durch hydraulischen Druck aufgeweitet wird. Swellex-Schläuche sind in verschiedenen Typen und Längen erhältlich.

Der vergossene Kabelanker wird häufig installiert, um Einbrüche zu kontrollieren und unterirdische Stollendächer und -wände zu stabilisieren. Im Allgemeinen wird ein Mörtel auf Portlandzementbasis verwendet, während die Kabelgeometrien und Installationsverfahren variieren. Hochbelastbare Bewehrungsstäbe und Felsanker sind auch in Bergwerken zu finden, zusammen mit anderen Bolzentypen, wie z. B. röhrenförmigen einpressbaren mechanisch verankerten Bolzen.

Stahlbänder oder Netze, die entweder aus gewebtem oder geschweißtem Draht bestehen, werden häufig im Dach oder in den Wänden der Öffnung installiert, um das Gestein zwischen den Bolzen zu stützen.

Bergbaubetriebe sollten ein Qualitätskontrollprogramm entwickeln, das eine Vielzahl von Feldtests umfassen kann, um sicherzustellen, dass die Bodenunterstützung effektiv ist. Schlechte Installationen von Bodenstützen können das Ergebnis einer unangemessenen Konstruktion (Fehler bei der Auswahl des richtigen Bodenstützentyps, der richtigen Länge oder des richtigen Musters für die Bodenbedingungen), minderwertiger Bodenstützenmaterialien (wie vom Hersteller geliefert oder während der Handhabung oder aufgrund von Lagerbedingungen beschädigt) sein am Bergbaustandort), Installationsmängel (defekte Ausrüstung, schlechter Zeitpunkt der Installation, unzureichende Vorbereitung der Gesteinsoberfläche, schlechte Schulung der Besatzung oder Nichteinhaltung festgelegter Verfahren), bergbaubedingte Auswirkungen, die in der Planungsphase unvorhergesehen waren (Spannungsänderungen, spannungs- oder sprengungsinduzierte Brüche/Abplatzungen, Gelenklockerungen oder Felssprengung) oder Minenkonstruktionsänderungen (Änderungen der Aushubgeometrie oder längere Nutzungsdauer als ursprünglich erwartet).

Das Verhalten von bewehrten oder gestützten Gesteinsmassen ist noch unvollständig verstanden. Es wurden Faustregeln, empirische Entwurfsrichtlinien auf der Grundlage von Gesteinsklassifizierungssystemen und Computerprogrammen entwickelt. Der Erfolg eines bestimmten Designs hängt jedoch stark vom Wissen und der Erfahrung des Bodenkontrollingenieurs ab. Eine Gesteinsmasse von guter Qualität mit wenigen strukturellen Diskontinuitäten und kleinen Öffnungen mit begrenzter Lebensdauer erfordert möglicherweise wenig oder keine Unterstützung. In diesem Fall können jedoch an ausgewählten Stellen Felsanker erforderlich sein, um Blöcke zu stabilisieren, die als potenziell instabil identifiziert wurden. In vielen Bergwerken wird häufig für alle Ausgrabungen das Musterankern, die systematische Installation von Felsankern auf einem regelmäßigen Raster zur Stabilisierung des Daches oder der Wände, vorgeschrieben. In allen Fällen müssen Bergleute und Vorgesetzte über ausreichende Erfahrung verfügen, um Bereiche zu erkennen, in denen möglicherweise zusätzliche Unterstützung erforderlich ist.

Die älteste und einfachste Form der Stütze ist der Holzpfosten; Beim Abbau durch instabilen Boden werden manchmal Holzstützen und -krippen installiert. Stahlbögen und Stahlsätze sind Elemente mit hoher Tragfähigkeit, die zur Unterstützung von Tunneln oder Straßen verwendet werden. In Untertagebergwerken wird eine zusätzliche und wichtige Bodenunterstützung durch die Bergwerksverfüllung bereitgestellt, die aus Abfallgestein, Sand oder Mühlenrückständen und einem Zementierungsmittel bestehen kann. Verfüllung wird verwendet, um Hohlräume zu füllen, die durch den Untertagebau entstanden sind. Unter seinen vielen Funktionen trägt die Verfüllung dazu bei, großflächige Ausfälle zu verhindern, Felspfeiler einzugrenzen und somit Restfestigkeit zu verleihen, die Übertragung von Gesteinsspannungen zu ermöglichen, Oberflächensenkungen zu reduzieren, eine maximale Erzgewinnung zu ermöglichen und bei einigen Bergbaumethoden eine Arbeitsplattform bereitzustellen.

Eine relativ neue Innovation in vielen Bergwerken war die Verwendung von Spritzbeton, das ist Beton, der auf eine Felswand gespritzt wird. Es kann ohne andere Form der Unterstützung direkt auf Felsen aufgetragen werden, oder es kann über Maschen und Felsanker gesprüht werden, was Teil eines integrierten Unterstützungssystems ist. Stahlfasern können zusammen mit anderen Beimischungen und Mischungsdesigns hinzugefügt werden, um spezifische Eigenschaften zu verleihen. Es gibt zwei verschiedene Spritzbetonverfahren, die als Trockenmischung und Nassmischung bezeichnet werden. Spritzbeton hat eine Reihe von Anwendungen in Bergwerken gefunden, einschließlich der Stabilisierung von Felswänden, die andernfalls aufgrund ihrer engen Verbindungen ausfransen würden. Im Tagebau wurde Spritzbeton auch erfolgreich zur Stabilisierung fortschreitender Ausreißbrüche eingesetzt. Andere neuere Innovationen umfassen die Verwendung von Polyurethan-Spray-on-Linern in Untertageminen.

Um während eines Gesteinsbruchs effektiv zu funktionieren, müssen Stützsysteme bestimmte wichtige Eigenschaften aufweisen, einschließlich Verformung und Energieabsorption. Die Auswahl der Stützen unter Felsbruchbedingungen ist Gegenstand laufender Forschung in mehreren Ländern, und es wurden neue Designempfehlungen entwickelt.

In kleinen unterirdischen Öffnungen wird die manuelle Bodenabstützung üblicherweise mit einem Stopperbohrer durchgeführt. Bei größeren Ausgrabungen stehen halbmechanisierte Ausrüstung (mechanisiertes Bohren und manuelle Ausrüstung für die Installation von Felsankern) und vollmechanisierte Ausrüstung (mechanisiertes Bohren und Installation von Felsankern, gesteuert von einem Bedienfeld unter dem verschraubten Dach) zur Verfügung. Die manuelle Installation von Bodenstützen ist eine Aktivität mit hohem Risiko. Beispielsweise ereigneten sich in Ontario, Kanada, im Zeitraum 1986-1995 ein Drittel aller durch Steinschlag verursachten Verletzungen beim Installieren von Felsankern, und 8 % aller unterirdischen Verletzungen ereigneten sich beim Installieren von Felsankern.

Weitere Gefahren sind mögliche Spritzer von Zementmörtel oder Harz in die Augen, allergische Reaktionen durch Verschütten von Chemikalien und Ermüdung. Die Installation einer großen Anzahl von Felsankern wird durch den Einsatz mechanisierter Ankermaschinen sicherer und effizienter.

Überwachung der Bodenbedingungen

Die Überwachung der Bodenbedingungen in Bergwerken kann aus einer Vielzahl von Gründen durchgeführt werden, einschließlich des Erhaltens von Daten, die für die Bergwerksauslegung benötigt werden, wie etwa Gesteinsmassenverformbarkeit oder Gesteinsspannungen; Verifizieren von Entwurfsdaten und -annahmen, wodurch die Kalibrierung von Computermodellen und die Anpassung von Mining-Methoden zur Verbesserung der Stabilität ermöglicht werden; Bewertung der Wirksamkeit bestehender Bodenstützen und möglicherweise Leitung der Installation zusätzlicher Stützen; und Warnung vor möglichen Massefehlern.

Die Überwachung der Bodenbedingungen kann entweder visuell oder mit Hilfe spezialisierter Instrumente erfolgen. Oberflächen- und Untergrundinspektionen müssen sorgfältig und erforderlichenfalls mit Hilfe von hochintensiven Inspektionslampen durchgeführt werden; Bergleute, Aufseher, Ingenieure und Geologen spielen alle eine wichtige Rolle bei der Durchführung regelmäßiger Inspektionen.

Visuelle oder hörbare Anzeichen für sich ändernde Bodenbedingungen in Minen sind unter anderem der Zustand des Diamantbohrkerns, Kontakte zwischen Gesteinsarten, trommelartiger Boden, das Vorhandensein struktureller Merkmale, offensichtliche Belastung der Bodenstütze, Bodenhebungen, neue Risse B. an Wänden oder Dächern, Grundwasser- und Pfeilerbrüche. Bergleute verlassen sich oft auf einfache Instrumente (z. B. Holzkeile im Riss), um eine visuelle Warnung bereitzustellen, dass eine Dachbewegung aufgetreten ist.

Die Planung und Implementierung eines Überwachungssystems umfasst die Definition des Zwecks des Programms und der zu überwachenden Variablen, die Bestimmung der erforderlichen Messgenauigkeit, die Auswahl und Installation von Geräten sowie die Festlegung der Beobachtungshäufigkeit und der Mittel zur Datendarstellung. Überwachungsgeräte sollten von erfahrenem Personal installiert werden. Einfachheit, Redundanz und Zuverlässigkeit des Instruments sind wichtige Überlegungen. Der Konstrukteur sollte bestimmen, was eine Gefahr für die Sicherheit oder Stabilität darstellt. Dies sollte die Erstellung von Notfallplänen für den Fall beinhalten, dass diese Warnschwellen überschritten werden.

Die Komponenten eines Überwachungssystems umfassen einen Sensor, der auf Änderungen in der überwachten Variablen anspricht; ein Übertragungssystem, das die Sensorausgabe unter Verwendung von Stäben, Elektrokabeln, Hydraulikleitungen oder Funktelemetrieleitungen an den Ausleseort überträgt; eine Ausleseeinheit (z. B. Messuhr, Manometer, Multimeter oder Digitalanzeige); und eine Aufzeichnungs-/Verarbeitungseinheit (z. B. Tonbandgerät, Datenlogger oder Mikrocomputer).

Es gibt verschiedene Betriebsarten des Instruments, nämlich:

• mechanisch: bieten oft die einfachsten, billigsten und zuverlässigsten Methoden zur Erkennung, Übertragung und Auslesung. Mechanische Bewegungsmelder verwenden einen Stahlstab oder ein Stahlband, das an einem Ende am Felsen befestigt ist und am anderen mit einer Messuhr oder einem elektrischen System in Kontakt steht. Der Hauptnachteil mechanischer Systeme besteht darin, dass sie sich nicht für Fernablesung oder kontinuierliche Aufzeichnung eignen.
• optisch: Wird in konventionellen, präzisen und photogrammetrischen Vermessungsmethoden zur Erstellung von Ausgrabungsprofilen, zur Messung von Bewegungen von Ausgrabungsgrenzen und zur Überwachung von Oberflächensenkungen verwendet.
• hydraulisch und pneumatisch: Membrangeber, die zum Messen von Wasserdrücken, Stützlasten usw. verwendet werden. Die Messgröße ist ein Flüssigkeitsdruck, der auf eine Seite einer flexiblen Membran aus Metall, Gummi oder Kunststoff wirkt.
• elektrisch: Der am häufigsten in Bergwerken verwendete Instrumentenmodus, obwohl mechanische Systeme immer noch weit verbreitet in der Verschiebungsüberwachung eingesetzt werden. Elektrische Systeme arbeiten nach einem von drei Prinzipien: elektrischer Dehnungsmessstreifen, Schwingdraht und Selbstinduktion.

Zu den am häufigsten überwachten Variablen gehören Bewegung (unter Verwendung von Vermessungsmethoden, Oberflächengeräten wie Rissmessgeräten und Banddehnungsmessern, Bohrlochgeräten wie Stangendehnungsmessern oder Neigungsmessern); Gesteinsspannungen (absolute Spannung oder Spannungsänderung von Bohrlochgeräten); Druck, Belastung und Beanspruchung von Bodenunterstützungsgeräten (z. B. Wägezellen); seismische Ereignisse und Explosionserschütterungen.

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