книги / III. Internationales Kalisymposium 1965 Teil 2

stem Carnallitgehalt die Festigkeit von rein halitischem Salzgestein mit etwa 400 kp/cm2 erreicht sein wird, ist der Kennlinienverlauf in diesem Bereich entsprechend steiler. Für ein reines Carnallitgestein ohne jede Steinsalzbeimen­ gung ist hingegen eine WUrfeldruckfestigkeit von nur etwa 50 bis 60 kp/cm2 anzusetzen.

Für Probekörper ist im Falle des vorliegenden Lagercarnallits eine Mindestgröße von 20 cm zu fordern, um repräsentative Mittelwerte der "Gebirgefeetigkeit garantieren zu können. Entnimmt man dem Gesteinsstoß lediglich Handproben in der Größenordnung von 5-cm-Würfeln, so schwanken die Bruchfestig­ keitswerte je nach dem in Kleinbereichen örtlich stark wech­ selnden Mineralgehalt ln nicht mehr vertretbaren Grenzen* Hieraus ist der Sohluß zu ziehen, daß einzelne Stichproben aus Kleinbereichen zu einer Fehlbeurteilung des festigkeitsmeohanisohen Gesamtverhaltens des untersuchten Lagerstätten­ teils führen müssen.

Bei einer entsprechenden Untersuchung an einer Hartsalz-Ab- baufront ließ sich der Homogenitätsbereich des außerordent­ lich homogenen und sehr feinkristallinen Salzgesteins auf etwa 10 cm abgrenzen.

Entwicklung und derzeitiger Stand der Tragfähigkeitsuntersuohungen an pfeilerförmigen Salzgesteinsmodellen

Die im Lauf der letzten Jahre verstärkt in Angriff genomme­ nen Modelluntersuchungen erfolgten an einer Vielzahl von Salzgesteinen unterschiedlicher Struktur und Zusammensetzung und führten zu grundlegenden Erkenntnissen über den quanti­ tativen Einfluß der Modellabmessungen auf die Tragfähigkeit der Modellpfeiler, deren Gesetzmäßigkeiten bisher noch an keiner anderen Forschungsstelle untersucht worden sind.. Ganz allgemein wurde dabei festgestellt, daß die an Salzgesteins*. Modellpfeilern von unterschiedlicher Abmessung ermittelten Tragfähigkeitswerte das "Ähnlichkeitsgesetz" bestätigen, welches aussagt, daß geometrisch ähnliche Mödellkörper ähn­ liche Verformungswerte und eine von der Modellgröße unabhän­ gige Bruchfestigkeit besitzen.

Die angestrebte Modelltreue erstreckt sich hierbei nicht nur

auf die Pfeilerform, sondern auch auf die Einhaltung weiterer Modellbedingungen, wie z,B, die Art der Einspannung der Kopfenden der Modellpfeiler und die Ähnlichkeit von Modell­ und Kristallgröße, Einzelheiten über die Entwicklung der Prüfkörperformel von Gesteinen im Rahmen des Gebirgsdruokforschungsprogramms des deutschen Kalibergbaus können den ge­ meinsam mit H, Borchert veröffentlichten Arbeiten [4] und

[5] entnommen werden, in welchen die Prüfkörperformel

( D

zur Diskussion gestellt wird. Hierbei bedeutet pB die in den älteren Veröffentlichungen auch als Cp bezeichnete Bruch­ festigkeit, H die Prüfkörperhöhe und B die Kantenlänge der mit quadratischen Querschnittsabmessungen versehenen Prüf­ körper, Bei zylindrischen Prüfkörpern tritt anstelle der Breite B der Zylinderdurchmesser D, Eine Bestätigung dieser grundlegenden Beziehung erfolgte in neuerer Zeit für Kali­ salzgesteine vom Denver Mining Research Center in einer Ar­ beit von R. T,. Beckmann [6J .

Im Rahmen eines auf der Bergund Hüttenmännischen Tagung in Preiberg gehaltenen Vortrages über die Bedeutung von Mo­ dellversuchen an Salzgesteinen für die Beurteilung gebirgsmechanischer Probleme im Kalibergbau [7] wurde aufgezeigt, daß die Prüfkörperformel (1), welche zunächst nur für ein­ fache Gesteinsprismen entwickelt worden war, auch für Pfei­ lermodelle mit Firstund Sohlenplatte Gültigkeit besitzt. Für diese Modelle ändert sich lediglich der in der Prüfkör­

performel enthaltene, von der Einspannung der Modelle abhän­ gige Parameter b, da der Einspanngrad bei den I-förmigen Pfeilermodellen in der Regel etwas geringer ist als der Ein­ spanngrad der direkt mit den Preßflächen der Prüfpresse in Kontakt stehenden einfachen Prüfkörper, bei denen die Quer­ dehnung an den Preßflächen weitgehend verhindert wird.

P r ü f k ö r p e r h e r s t e l l u n g

Bild 3 zeigt die Prüfkörperbearbeitung in der ersten Phase

in dieser Formel ist die Pfeilerlänge nicht mehr enthalten, weil die in Pfeilerlängsrichtung eingespannten und somit in

dieser Richtung querdehnungsbehinderten Kammerpfeilermodelle

keine Längenabhängigkeit erkennen ließen. Formel (3) ist aus

(2) aber auch durch einen Grenzprozeß gewinnbar, wenn man die Pfeilerlänge L gegen oo streben läßt. Bei einzelstehen­ den Langpfeilern wird je nach Gesteinsart von einer bestimm­

ten Länge ab dieser Asymptotenwert praktisch erreicht, so daß eine Verlängerung des Pfeilers keine Erhöhung der Trag­

fähigkeit liefert. Bei diesen Pfeilern liefert bereits die Pfeilerlänge selbst ein ausreichendes Widerlager in Pfeiler­ längsrichtung.

Die Tragfähigkeitsuntersuchungen wurden an Pfeilermodellen mit nicht rechteckförraigem Querschnitt ergänzt und die all­

gewonnen. Hierbei bedeuten p^ wieder die auf den Pfeiler­ querschnitt F bezogene Bruchlast, H die Höhe und U den Querschnitts umfang des Pfeilermodells. Der Ausdruck • der in (4) als Kehrwert erscheint, wird als "Formfaktor" des Pfeilermodells bezeichnet. Mit abnehmendem Formfaktor nimmt die Tragfähigkeit der Modellpfeiler gesetzmäßig zu.

Dieser Formfaktor läßt sich in zwei Anteile aufspalten:

U

Der Zähler bedeutet hierbei das Schlankheitsmaß und der Nen­

dem würfelförmigen Körper in beiden Fällen der Wert 1 ent­ spricht. Die größte Massierung von 1,13 würde ein zylindri­

scher Pfeiler besitzen, dessen tragender Kern somit auch die größte Tragfähigkeit gegenüber allen anderen Querschnitts­ formen erwarten läßt«

Alle bisher entwickelten Modellformeln (1) bis (4) zeigen im Bereich genügend großer Formfaktoren eine sehr gute Überein­ stimmung zwischen dem Meßund dem errechneten Formelwert« Bel sehr plattigen Pfeilermodellen mit entsprechend geringem Formfaktor ist (falls überhaupt ein Bruch registriert wer­ den kann) oftmals zwisohen dem Meßund Formelwert ein star­ ker Unterschied festzustellen gewesen« Diese Diskrepanz konn­ te Jedoch durch Hinzunahme eines weiteren Stoffparameters c in Formel (4) beseitigt werden:

Der neu eingeführte Parameter hat hierbei die Bedeutung der "Brikettiergrenze” des Pfeilergesteins. Mit Annäherung des Formfaktors an die Brikettiergrenze c wächst pB sehr stark

an und führt zu einer unendlich hohen Tragfähigkeit, weil Je­ de mögliche Bruchbildung durch sofortige Brikettierung wie­ der verheilt.

B e s t i m m u n g d e r B r i k e t t i e r g r e n z e

v o n S t e i n s a l z - P f e i l e r m o d e l l e n

Das zur Herstellung von Pfeilermodellen angelieferte Ältere Steinsalz erwies sich als von so gleichförmiger Beschaffenheit, daß für die zu wählende Modellgröße eine Pfeilerabmessung der Modelle von 10 bis 12 cm als ausreichend angesehen werden konnte« Die an diesen Modellen ermittelten Bruohfestigkeitswerte sind in Tabelle 3 angegeben«

Mittels Ausgleichsrechnung erfolgte anhand von Formel (6) die

Bestimmung der Parameter:

2

a » 212,6 kp/cm b = 0,2016

c » 0,14 n • 0,803

Tabelle 4* Gemessene Bruohfestigkeitswerte verschieden dimensionierter Steinsalz-Pfeilermodelle in Vergleich zur Pfeiler-Modellforme1 (7)

verlauf in ein Diagramm ein, wie dies in Bild 8 geschehen ist, so lassen sich zwei Asymptoten angeben, welche der Bri­

kettiergrenze und der einachsigen Bruchfestigkeit des Gesteins entsprechen.

Insgesamt wurden die für die bergmännische Praxis wichtigen Brikettiergrenzen außer an Steinsalz auch noch an Carnallit-, Sylvinitund Hartsalzmode1len bestimmt und folgende Richt­ werte erhalten:

Mit zunehmender Gesteinsfestigkeit scheint somit auch die Brikettiergrenze zuzunehmen.

Bild 8. Abhängigkeit der PfeilermodellFestigkeit vom Form­ faktor

Die Modellmeohanik fordert nicht nur eine Ähnlichkeit der geometrisohen Abmessungen von Grubenpfeiler und Modell so­ wie auch deren Einspannung; auch bezüglich der petrographlsohen Parameter muß die Modelltreue gewahrt sein« Die Ähn­ lichkeit im Hinbliok auf den Körnungsgrad ist z.B. duroh das Verhältnis von Korngröße und Linearabmessung des be­ trachteten Pfeilers gegeben, dessen Zahlenwert ln situ dem des Modells entsprechen muß« Bel der Probenahme von Großblöoken gelingt es jedoch in den meisten Fällen nicht, hin­ reichend feinkristalline Gesteinspartien aufzuspüren, damit auoh die petrographlsohen Parameter ln ausreichender Weise der Ähnlichkeitsforderung genügen« Die Modelle sind in der Regel wohl immer zu grobkristallin lind ergeben daher etwas zu niedrige Festigkeitswerte«

Eine Verminderung der Tragfähigkeit wird ferner durch den scharfkantigen Übergang der Pfellerstoßfläohe in die Firs’t- bzw« Sohlenfläche bewirkt, denn bei den Pfeilermodellen stoßen diese Flächen (im Gegensatz zu den zumeist an den Übergängen abgerundeten Grubenpfeilern) exakt rechtwinklig

3 0 c m

dia Abmessungen des firstund sohlenseitig verstärkten Pfeilermodells angegeben. Die aus dem gleichen Älteren Stein­ salz hergestellten Vergleichsmodelle, deren Tragfähigkeit

mit der des streng würfelförmigen Modelltyps der Seriennum­ mer 5 von Tabelle 3 verglichen werden soll, ergaben bei ent­ sprechend konstant gehaltener Verformungsgeschwindigkeit ei­ nen Mittelwert von 43,8 — 2,5 t. Die Einzelwerte dieser Mes­ sung sind in Tabelle 5 angegeben, wobei wegen der Abrundung der Modelle auf eine Bezugnahme der Bruchlast auf die Quer­ schnittsfläche verzichtet wurde.

Gegenüber der in Tabelle 3 mitgeteilten Pfeilermodellfestig­ keit der Probeserie Nr. 5 von 262 kp/cm2 (entsprechend 26,2 t Bruchlast) weist die an der Firste und Sohle verstärkte Mo­ dellserie mit 43,8 t eine um 67 % höhere Tragfähigkeit auf.

Da die mit abgerundeten Übergängen ausgestatteten Modelle auch eine weit geringere Abschaltendenz zeigen, liegt hier eine sehr viel günstigere Formgebung vor als bei streng pris­ matischer Profilierung.

Ein weiterer sicherheitserhöhender Faktor ist die Versatzein­ bringung. In Versatz eingebettete Pfeilermodelle zeigen, daß die Tragfähigkeit von der Art des Versatzeinbringens abhängt, weil sich je nach Versatzhöhe, Versatzdichte und Versatzart unterschiedliche Einspanngrade ergeben. Die Tragfähigkeit steigt mit zunehmender Versatzhöhe und Versatzdichte gesetz­ mäßig an. Die Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis, von der