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Dokumentenidentifikation DE19958665A1 07.06.2001
Titel Verfahren zum Betreiben eines Strebs
Anmelder Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH, 85221 Dachau, DE
Erfinder Koenig, Johannes, 86152 Augsburg, DE;
Kurfürst, Wilhelm, 87727 Babenhausen, DE;
Reuter, Martin, 85221 Dachau, DE;
Scheerer, Hans-Jörg, 80636 München, DE;
Veksler, Julian, 56070 Koblenz, DE
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80538 München
DE-Anmeldedatum 06.12.1999
DE-Aktenzeichen 19958665
Offenlegungstag 07.06.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.06.2001
IPC-Hauptklasse E21D 23/12
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Strecke im Untertagebau wird die zeitliche Variation des Stempeldrucks in den Hauptzylindern der Strebausbaugestelle gemessen und hieraus ein Gefahrenrisiko zur Gebirgsschlagprognose abgeleitet.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mit elektrohydraulischen Ausbaugestellen versehenen Strebs im Untertagebau, das zur Prognose eines Gebirgsschlags dient.

Als Gebirgsschlag wird eine plötzliche und schlagartige Gebirgsbewegung als Folge sehr hoher Gebirgsspannungen bezeichnet, die sich ohne jede Vorwarnung in heftiger Einwirkung auf die Grubenbaue äußert. Hierbei entladen sich die hohen Gebirgsspannungen nicht durch Abbrechen oder Aufreißen der über dem Kohlenstoß vorhandenen Hangendschichten (wie beim sogenannten Periodendruck), sondern durch Nachgeben des Auflagers im Kohlenstoß oder im Liegenden. Als Voraussetzungen gelten im allgemeinen ein hoher Gebirgsdruck, ein festes Widerlager und ein eingeklemmter Kohlenstoß. Dies bedeutet wiederum, daß die vom Gebirgsdruck stammende potentielle Energie nicht langsam und stetig durch Kriechvorgänge und Rißbildung abgebaut wird, sondern daß sich diese so lange ansammelt, bis die Hemmung in Form des eingeklemmten Kohlenstoßes überschritten wird und es zu einer plötzlichen Entladung in Form von explosionsartigem Flözvorschub oder Kohlenauswurf kommt.

Dem Auftreten eines Gebirgsschlags geht eine Phase voraus, in welcher der Vorgang des stetigen Spannungsabbaus gestört ist. Eine meßtechnische Erfassung solcher Störungen ermöglicht die Erkennung des Gefahrenpotentials und damit der Tendenz zu einer Zunahme des Risikos für das Auftreten eines gefährlichen Gebirgsschlags.

Eine direkte Auswirkung des Spannungsabbaus in der Umgebung von Grubenbauten durch Kriechen des Gebirges ist die sogenannte Konvergenz in Streb und Strecke. Als Konvergenz wird die Abnahme der lichten Weite und Höhe von abbaubedingten Hohlräumen aufgrund des Gebirgsdruckes bezeichnet. Könnte man die Konvergenz an vielen Orten in einem Streb kontinuierlich messen, so hätte man eine direkte Meßgröße für die räumliche und zeitliche Entwicklung der Kriechvorgänge im Nebengestein in der Umgebung des Strebs. Dies ist jedoch während des laufenden Abbaubetriebes in der Praxis nicht möglich.

Die Konvergenz im Streb, also die Abnahme des Abstands zwischen Liegendem und Hangendem hinter dem Kohlenstoß äußert sich an den Strebausbaugestellen durch die wohlbekannte Zunahme des Drucks in den Stempeln nach dem Setzen der Schilde. Hierbei werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter den Stempeln diejenigen Hydraulikzylinder verstanden, die das Strebausbaugestell zwischen Liegendem und Hangendem verspannen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Strecke im Untertagebau zu schaffen, mit dem die Prognose eines Gebirgsschlags möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Beschreibung sowie die Unteransprüche gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur prognostischen Erkennung des Gebirgsschlagsrisikos stützt sich auf eine kontinuierliche meßtechnische Erfassung der Stempeldrücke in den Strebausbaugestellen. Im Stand der Technik wurde zwar bereits versucht, aus den erfaßten Stempeldrücken eine Gebirgsschlagprognose abzuleiten. Jedoch führten frühere Untersuchungen zu der Annahme, daß eine solche Prognose nicht möglich sei (vgl. hierzu "Analysis of support and strata reactions in a bump-prone eastern Kentucky coal mine", Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc.-Transactions Vol. 290, 1991, Seite 1894).

Die vorliegende Erfindung beruht demgegenüber auf der Erkenntnis, daß eine Gebirgsschlagprognose auf der Grundlage von gemessenen Stempeldrücken durchaus möglich ist, wenn aus der zeitlichen Variation der Stempeldrücke ein die Kriechgeschwindigkeit des Gebirges charakterisierender Parameter berechnet wird und aus dem Verlauf dessen zeitlicher Änderung ein Gefahrenrisiko zur Prognose eines Gebirgsschlags abgeleitet wird.

Voraussetzungen für die Ermöglichung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind hydraulische Schildstempel, die mit elektrisch auswertbaren Drucksensoren ausgestattet sind. Ferner sind in den Schilden (Strebausbaugestellen) leistungsfähige Steuerrechner zur Auswertung von Sensorsignalen und zur Ansteuerung von elektrohydraulischen Ventilen erforderlich. Die einzelnen Schildausbausteuerungen müssen untereinander vernetzt und mit vorzugsweise übertägigen Zentralrechnern gekoppelt sein, die mit großen Massenspeichern ausgestattet sind.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren fragt mehrmals pro Sekunde die Drucksensoren der (in der Regel zwei) hydraulischen Schildstempel ab und konvertiert das erhaltene Analogsignal mit mindestens 10 Bit ADC- Auflösung. Der aktuell gemessene Wert wird mit dem zuvor gespeicherten, letzten Meßwert verglichen. Falls der Absolutbetrag der Differenz der beiden Werte einen voreinstellbaren Wert (z. B. 2 bar) übersteigt, wird der aktuelle Wert an den Zentralrechner außerhalb des Strebs übertragen und der Meßwert wird gemeinsam mit einer Zeitmarke abgespeichert. Der in dem Zentralrechner abgespeicherte Wert wird auch dann aktualisiert, wenn nach einer voreinstellbaren Zeitspanne keine signifikante Änderung aufgetreten ist.

Um systematische oder zufällige Schwankungen des Sensorsignals auszuschalten, die beispielsweise durch Kabelbruch, fehlerhafte Elektronik in der Meßkette oder hydraulisch undichte Stempelzylinder hervorgerufen sein können, müssen die erfaßten Meßwerte im Zentralrechner einer Selektion unterzogen werden. Hierbei können beispielsweise die Meßwerte aus den beiden Stempeln eines Schildes miteinander verglichen werden oder die Daten eines Schildes können mit den Daten aus benachbarten Schilden abgeglichen werden.

Ein ungestörtes Gebirge befindet sich normalerweise in einem Spannungs- und Deformationszustand des Gleichgewichts, d. h. untertägige Aktivitäten stören diesen Gleichgewichtszustand, worauf es zu Ausgleichsvorgängen kommt, die sich aus einem elastischen und einem zähplastischen Deformationsanteil zusammensetzen. Diese in der Zeit ablaufenden Ausgleichsvorgänge können als Kriechprozeß durch theoretische Formulierungen beschrieben werden. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einem theoretischen Ansatz, aus dem sich ein Parameter extrahieren läßt, der die zeitliche Entwicklung von Kriechvorgängen im Gebirge beschreibt und der gleichzeitig aus empirischen Konvergenzdaten zu berechnen ist. In die praktische Berechnung dieses Parameters geht nicht nur die momentane Änderung der Konvergenz ein, sondern auch deren Vorgeschichte. Als Risikokriterium wird erfindungsgemäß die zeitliche Änderung eines Parameters herangezogen, der die Kriechgeschwindigkeit charakterisiert. Bei durchgeführten Untersuchungen zeigte sich, daß der Zusammenhang zwischen der Konvergenz an einen charakteristischen Ort und dem Stempeldruck in weiten Grenzen linear ist, was eine rechnerische Bewertung des Kriechverhaltens des Gebirges ermöglicht. Hierzu wird ein Parameter bestimmt, der die Geschwindigkeit von Deformationsänderungen des Gebirges charakterisiert und der normalerweise stetig abnimmt.

Da in der Praxis als Meßgröße nur der Stempeldruck zur Verfügung steht, müssen mathematische Beziehungen zwischen diesem Kriechparameter und dem Stempeldruck erstellt werden. Der zeitliche Verlauf einer Deformation ε(t) bei einer (ein-axialen) Belastung läßt sich wie folgt beschreiben:





mit σ(t) als die mit der Zeit sich ändernde Spannung, E dem Elastizitätsmodul und L(t-τ) als Kriechkern vom Abel'schen Typ:



L(t-τ) = δ.(t-τ)-α [2]



mit α und δ als Kriechparameter, wobei α als konstant angenommen werden kann und δ die Geschwindigkeit des Kriechvorganges charakterisiert.

Die Deformation ε kann als Höhenveränderung z. B. eines Schilds Δh, bezogen auf die Flözmächtigkeit M geschrieben werden:



ε(t) = Δh(t)/M [3]

Damit wird die Gleichung [1] zu:





Dieser theoretische Ausdruck verknüpft also die Spannung σ mit der Konvergenz Δh. Die Erfinder haben in ausgiebigen numerischen Untersuchungen festgestellt, daß sich die für die Kriechgeschwindigkeit charakteristische Größe δ aus dem Verlauf des der Messung zugänglichen Stempeldruckes bestimmen und ihre zeitliche Veränderung als relatives Maß für das Gefahrenrisiko verwenden läßt.

Für den Zusammenhang zwischen Stempeldruck und Konvergenz wird andererseits der folgende Ansatz herangezogen:



Δh(t) = A.σ(t)+B.tC [5]

Dieser Ansatz hat die gleiche Struktur wie die Gleichung [1]: beide enthalten den elastischen und den nicht-elastischen Anteil der Deformationen. Die Koeffizienten A, B und C lassen sich aus numerischen Modellrechnungen (Finite Elemente-Methode) bestimmen. Grundsätzlich hängt die absolute Größe dieser Koeffizienten von verschiedenen Parametern ab. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Abhängigkeiten weitestgehend linear sind.

Da zu Ermittlung des Gefahrenrisikos die Änderung der Geschwindigkeit von Deformationsentwicklungen entscheidend ist, kommt der absoluten Größe der nach [5] berechneten Konvergenz keine große Bedeutung zu und man kann Koeffizienten verwenden, wie sie sich durch Approximation an eine große Zahl untersuchter Fälle ergeben. Beispiele für diese Koeffizienten sind A = 0,258 M - 0,059; B = 1,856 M - 0,587; und C = 0,47, wobei M = Flözmächtigkeit in Metern, Δh = Konvergenz in Millimetern,), wobei σ = Stempeldruck in Bar und t = Zeit in Minuten.

Durch Gleichsetzen der rechten Seite der Gleichungen [1] und [5] wird folgendes erhalten:





Für den Kriechparameter δ ergibt sich dann:





Hiermit kann die Änderung der Deformationsgeschwindigkeit durch den zeitabhängigen Parameter δ beschrieben werden, der die Änderung des zeitlichen Verlaufs des Stempeldrucks auf normales Kriechverhalten normiert und der rechnerisch aus den Meßdaten gewonnen werden kann.

Die durch die Erfindung erreichte prognostische Ermittlung ermöglicht einerseits ein rechtzeitiges Räumen eines Strebs im Gefahrenfall. Andererseits läßt sich das Gefahrenrisiko durch bewußte Veränderung der Stützkraft der Schilde beeinflussen.

Besonders vorteilhaft ist es beispielsweise, wenn bei festgestellten Zunahme des festgestellten Gefahrenrisikos eine Beeinflussung des Stempeldrucks einer größeren Anzahl vorzugsweise benachbarter Schilde erfolgt, um einen Gebirgsschlag zu verhindern. Wie eingangs bereits erwähnt wurde, ist eine der Voraussetzungen für die Ausbildung eines Gebirgsschlags, daß das Kohleflöz am Nebengestein geklemmt wird. Durch gezielte Beeinflussung des Stempeldrucks, d. h. Erhöhen oder Absenken des Stempeldrucks, läßt sich diese Haftreibung reduzieren, bevor es zu einer gefährlichen Energiespeicherung im Flöz kommt. Vorteilhaft kann hier insbesondere eine periodische Variation der Stützkraft mehrerer Schilde sein, um hierdurch den Hangenddruck über dem Flöz zu variieren und eine schlagartige Entspannung, d. h. einen Gebirgsschlag, zu vermeiden.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Stempeldruck bei gesetzten Strebausbaugestellen so gewählt wird, daß dieser noch um etwa 10 bis 20% erhöht werden kann. Hierdurch ist es möglich, bei Erreichen eines bestimmten Gefahrenrisikos den Auflagerdruck für das Hangende über den Schilden spürbar zu erhöhen, wodurch das Flöz im Bereich des Kohlenstoßes zumindest kurzzeitig entlastet wird, was die Haftreibung zwischen Kohle und Nebengestein absenkt.

Zur Variation bzw. zum Verringern des Stempeldrucks kann erfindungsgemäß an dem Strebausbaugestell ein elektrisch steuerbares Feinventil vorgesehen sein. Alternativ ist es möglich, zum Verringern des Stempeldrucks abwechselnd einen von zwei Stempeln eines Schildes drucklos zu machen, wodurch ebenfalls ein graduelles Absenken der Stützkraft des Schildes möglich ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Betreiben eines mit elektrohydraulischen Ausbaugestellen versehenen Strebs im Untertagebau, umfassend die folgenden Schritte:
    1. - Messen der zeitlichen Variation des Stempeldrucks in den Hauptzylindern der Strebausbaugestelle;
    2. - rechnerisches Ermitteln eines die Kriechgeschwindigkeit des Gebirges charakterisierenden Parameters aus der zeitlichen Variation des Stempeldrucks; und
    3. - Ableiten eines Gefahrenrisikos aus dem Verlauf der zeitlichen Änderung des Parameters zur Prognose eines Gebirgsschlags.
  2. 2. Verfahren nach Ansprüch 1, wobei das Ermitteln der Kriechgeschwindigkeit unter der rechnerischen Annahme erfolgt, daß eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Stempeldruck und der Konvergenz vorhanden ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stempeldruck zumindest einmal pro Sekunde gemessen wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der aktuell gemessene Stempeldruck mit einem zuvor gemessenen Druckwert verglichen wird und eine Übertragung des gemessenen Druckwertes an einen Zentralrechner dann erfolgt, wenn der aus dem Vergleich resultierende Wert eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei Zunahme eines festgestellten Gefahrenrisikos eine gezielte Beeinflussung des Stempeldrucks mehrerer Ausbaugestelle erfolgt, um einen Gebirgsschlag zu verhindern.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine periodische Variation des Stempeldrucks erfolgt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stempeldruck bei gesetztem Strebausbaugestell so gewählt wird, daß dieser noch um etwa 10-20% erhöht werden kann.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei zum graduellen Verringern der Stützkraft des Ausbaugestelles abwechselnd einer von zwei Stempeln drucklos gemacht wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des Parameters in Abhängigkeit von dem Elastizitätsmodul des Gebirges und in Abhängigkeit von der Flözmächtigkeit erfolgt.
  10. 10. Strebausbaugestell zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei zur graduellen Druckvariation des Stempeldrucks zumindest ein elektrisch ansteuerbares Feinventil vorgesehen ist.






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