In den Vereinigten Staaten von Amerika ist in kaum einem anderen Industriezweig die Sterblichkeitsrate aufgrund tödlicher Verletzungen so hoch wie im Bergbau unter Tage, nämlich mehr als fünf mal so hoch wie der Landesdurchschnitt im Vergleich zu anderen Industriezweigen. Trotz technologischer Fortschritte und industrieweiter Bemühungen stellen Hangendbrüche in Bergwerken nach wie vor eines der größten Sicherheitsrisiken im Untertagebergbau dar. In den letzten zehn Jahren wurden rund 50 Prozent aller tödlichen Unfälle unter Tage durch Gebirgsbrüche verursacht. Da die am leichtesten zugänglichen Kohlereserven erschöpft sind, müssen Bergwerke den Kohlebedarf gezwungenermaßen durch Arbeiten in Gebieten decken, in denen die geologischen Bedingungen sowie die damit verbundenen Bedingungen für die Felsüberwachung schwieriger sind.

Gesteinsverpressanker und mechanische Expansionsgesteinsanker sind die üblicherweise für die Sicherung und Stabilisierung von Firsten und Abbaukanten in Bergwerken am häufigsten gebrauchten Mittel, die insgesamt über 99 Prozent der in Kohlebergwerken in den Vereinigten Staaten eingesetzten Gesteinsanker umfassen. Typischerweise sind für die Unterstützung von Bergwerksfirsten Gesteinsanker vorgesehen, und zwar entweder durch Balkenbildung (mehrere Gesteinsschichten werden zusammen verankert, damit sie als größerer Einzelbalken fungieren können), durch Aufhängung von weichem Fels an kompetenteren Schichten, Bildung eines Druckgewölbes oder Unterstützung von Einzelblöcken. Für beide Stützverfahren, das heißt sowohl für Gesteinsverpressanker als auch für mechanische Expansionsgesteinsanker, erfordern Pilotbohrungen im Gestein und die Anbringung von Verankerungen in diesen Bohrungen. Die Tatsache, dass mechanische Anker seltener und Verpressanker häufiger verwendet werden, ist darauf zurückzuführen, dass Gesteinsverpressanker ihre Ankerlast auf dem Gestein über eine größere Fläche verteilen und daher im Allgemeinen höchste Verankerungsleistung bieten. Die Anwendung von Gesteinsverpessankern für die Felsüberwachung ist jedoch mit Problemen verbunden, von denen einige durch das Vorhandensein von mechanisch weichem Gestein noch verschlimmert werden.

1A zeigt eine schematische Darstellung des Verankerungsverfahrens mit einem Gesteinsverpressanker. 1B zeigt eine schematische Darstellung des Verankerungsverfahrens mit einem mechanischen Expansionsgesteinsanker. Bei dem in 1A gezeigten Verpressanker 101 handelt es sich um einen Bewehrungsanker mit einem aus der Pilotbohrung 118 hervorragenden Gewindeende 109. Der Bewehrungsstab 103 ist von Harz oder Mörtel 105 umgeben und mit einer durch eine Mutter 111 gehaltene Stirnplatte 107 versehen. Der in 1B gezeigte mechanisch befestigte Anker 102 besitzt eine Gewindespitze 106 und ein Gewindeende 108. Die Spitze 106 ist in den mechanischen Anker 110 eingeschraubt, der sich bei diesem Vorgang spreizt. Das Gewindeende 108 ist mit einer Stirnplatte 112, einer Unterlegscheibe 116 und einer Mutter 114 versehen. Andere Bauarten derartiger Anker können ein in Form einer Mutter (208, 2) geschmiedetes Ende anstelle eines Gewindeendes 108 besitzen.

2 zeigt die zylinderförmige Geometrie des stumpfen Einführendes 206 eines typischen Gesteinsverpressankers 202 mit einem geschmiedeten Kopf 208. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, sind an der Spitze 206 des Gesteinsankers keinerlei Modifikationen für ein signifikantes Zusammenwirken des Ankers 202 mit einem Verpressmaterial vorhanden. In 3A bis 3C ist die Abfolge der Vorgänge veranschaulicht, die für die Installation eines derartigen Gesteinsankers 202 für eine Mörtelverankerung im First eines Bergwerks 313 erforderlich sind (jedoch können ein derartiger Vorgang und ein derartiger Anker für die Sicherung jedes beliebigen Gesteins angewendet werden).

Wie in 3A gezeigt, wird nach Herstellen einer Pilotbohrung 318 mit der richtigen Länge und dem richtigen Durchmesser im First 313 eine dichte Patrone 320 mit Zweikomponentenmörtel 305 in die Pilotbohrung 318 eingeführt. Dann wird der Firstanker 202 in die Bohrung 318 eingeführt. Danach wird der Firstanker 202 in schnelle Drehung versetzt und gleichzeitig in die Bohrung 318 vorgetrieben. An dem in 3B gezeigten Ankereinführpunkt 325 komprimiert die vortreibende stumpfe Spitze 206 des Ankers die dichte Mörtelpatrone 320 und spreizt dadurch die Patronenhülle 322, bis sie das Ende der Pilotbohrung 318 vollständig gefüllt hat. Durch die Eigenbruchfestigkeit der Mörtelpatronenhülle 322 und die Eingrenzung durch die Wände der Pilotbohrung 318 kann der Anker 202 mehrere Zoll in das durch die Mörtelpatrone 320 eingenommene Volumen eindringen, bevor die Patronenhülle 322 nachgibt und das in ihr enthaltene Verpressmaterial 305 freigibt und damit einen beträchtlichen Druck in dem Mörtel 305 aufbaut. Nachdem die Hülle 322 zerreißt, treibt sich der rotierende Anker 202 weiterhin durch den Mörtel 305 voran, durchmischt dabei dessen Komponenten und drückt den durchmischten Mörtel zurück den Anker 202 entlang und durch den zwischen dem Firstanker 202 und der Wandung der Pilotbohrung 318 gebildeten engen Ring 315.

Wie in 3C gezeigt, umgibt der Mörtel 305 danach wenigstens teilweise den vollständig eingeführten Anker 202 und verbindet nach Aushärten den Anker 202 mit dem Firstmaterial 313 mit dem Ziel, die Gesamtintegrität des Bergwerkfirstes 313 zu verbessern. Durch eine ungenügende Durchmischung und Beförderung des Verpressmaterials 305 durch den Anker 202 kann es dazu kommen, dass das Verpressmaterial 305 den Anker 202 nicht über dessen gesamte Länge umgibt. Selbst bei einem strukturierten Bewehrungsstab (103, 1A) sind die relativ weiche Oberfläche und die stumpfe Spitze 206 nicht dazu ausgelegt, diese Durchmischung und Beförderung zu erreichen.

Die in Kohlebergwerken unter Tage anzutreffenden Firstbedingungen werden in zunehmendem Maße weicher. Wie in der Zusammenfassung der Arbeit von Zhang et al., „Design Considerations of Roof Bolting under Very Weak Roof Conditions", vorgelegt bei der Technikkonferenz „SME Annual Meeting and Exhibit" im Jahre 2006, dargelegt, deren Offenbarung im vorliegenden Dokument durch Bezugnahme enthalten ist, stellte man fest, dass im Illinois-Becken die leichter abgebauten Reserven mit kompetenterem Firstgestein schnell erschöpft sind, während die schwefelärmeren Kohlen höherer Qualität stärker mit schwächerem Schichtengestein verbunden sind. Die Anbringung von Firstankern unter Bedingungen mit weniger kompetenten Firsten in Kohlebergwerken unter Tage ist häufig schwierig, nicht nur, weil der First eine sehr niedrige mechanische Eigenfestigkeit besitzt, sondern auch, weil er aus dünnen Schichten von unterschiedlichen Gesteinsarten besteht.

Jüngere Untersuchungen in Bergwerken mit schwachem Firstgestein haben gezeigt, dass die herkömmlichen Verankerungsverfahren unter Verwendung von standardmäßigen vollständig von Mörtel umgebenen Bewehrungsankern eine hydraulische Bruchbildung des Firstes aufgrund eines Druckaufbaus in dem Mörtel verursachen können, wobei der Druck ausgeübt wird, kurz bevor der Behälter mit dem Verpressmaterial reißt, wie in 3B gezeigt. Zu diesen Untersuchungen gehören beispielsweise Pile J. et al., „Short-encapulsation Pull Test for Roof Bolt Evaluation at an Operating Coal Mine", in Proceedings: 22nd International Conference on Ground Control in Mining, WV, 5.–7. August 2003; Compton C., et al., „Investigation of Fully Grouted Roof Bolts Installed Under In Situ Conditions", in Proceedings: 24th International Conference on Ground Control in Mining, WV, 2.–4. August 2005; und Campbell R. N., et al., „Investigation into the Extent and Mechanisms of Gloving and Un-mixed Resin in Fully Encapsulated Roof Bolts", in Proceedings: 22nd International Conference on Ground Control in Mining, WV, 5.–7. August 2003. Die Offenbarungen dieser Schriften sind durch Bezugnahme im vorliegenden Dokument enthalten.

Infolge der hydraulischen Bruchbildung kann außerhalb der Pilotbohrung Mörtel seitlich in den First injiziert werden (auch als Mörtelmigration bekannt), was zu einer Trennung der Gesteinsschichten und einer Verkürzung der in dem Verpressmaterial befindlichen Länge der Ankerumhüllung führt.

Der Verlust von Mörtel aufgrund seitlicher Mörtelmigration bewirkt außerdem, dass die Mörtelsäule in der Länge verkürzt wird. Dies hat eine erhebliche Wirkung auf die Bemessungsannahmen und die Stabilität von Grubenräumen. Darüber hinaus kann aufgrund von Verpressankern mit durch die geringere Länge der Mörtelsäule verursachter verkürzter Umhüllung der Ankerschaft mit der Grubenumgebung in Berührung kommen, was möglicherweise zu Korrosion und letztendlich zu einer Verschlechterung des Firstabstützsystems führt. Unter manchen Bedingungen, wie beispielsweise bei Bergwerken mit einem hohen Gehalt an Schwefelwasserstoff im Firstgestein, sind die Korrosionsauswirkungen noch ausgeprägter, so dass der Bedarf an einer vollständigen Umhüllung der Anker sogar noch wichtiger wird.

Ein von den Erfindern durchgeführtes Feldtestprogramm mit verschiedenen Mörtelarten, Einführgeschwindigkeiten und Ringgrößen war speziell dafür ausgelegt, die für die Einführung von standardmäßigen Ankern mit stumpfem Ende erforderlichen Kräfte zu kennzeichnen. In den Tests wurden Anker mit stumpfem Ende bei konstanter Geschwindigkeit und ohne Drehung in mörtelgefüllte Pilotbohrungen in einen Bergwerksfirst (das Substrat) geschoben. Zwischen dem Bohrkopf und dem Anker wurde zur Messung der Last ein Kraftaufnehmer installiert. Zur Messung der Ankerverschiebung wurde ein Dehnungsmesser verwendet. Die Last- und Verschiebungswerte wurden gleichzeitig gemessen.

Im Testplan wurden drei Ankersysteme unter Einsatz von standardmäßigen Bewehrungsankern, zwei Mörtelarten und zwei Einführgeschwindigkeiten festgelegt. Bei diesen Parametern sind zwölf Kombinationen möglich, wobei zwei Tests für jede Kombination für insgesamt 24 Tests durchführt wurden. Die Ankersysteme waren folgende: (a) ein Anker Nr. 6 (Durchmesser 0,75 Zoll = 19 mm) in einer Bohrung mit einem Durchmesser von 1,03" (= 26,16 mm), (b) ein Anker Nr. 6 (Durchmesser 0,75 Zoll = 19 mm) in einer Bohrung mit einem Durchmesser von 1,25" (= 31,75 mm) und (c) ein Anker Nr. 7 (Durchmesser 0,875 Zoll = 22,22 mm) in einer Bohrung mit einem Durchmesser von 1,375" (= 34,9 mm), jeweils mit 6 Fuß (= 1,83 m) langen Bewehrungsankern mit Standardkopf. Die getesteten Mörteltypen waren Minova LIF und Fasloc niedriger Viskosität, jeweils mit einer Abbindezeit von zwei Minuten. Passend für das jeweilige Ankersystem wurden Mörtelpatronen mit einem Durchmesser von 0,9 Zoll (= 22,86 mm), 1,125 Zoll (= 28,58 mm) und 1,25 Zoll (= 31,75 mm) verwendet. Die Einführgeschwindigkeiten der Anker in die Pilotbohrungen betrugen 4,5 Zoll (= 114,3 mm) und 7 Zoll (= 177,8 mm) pro Sekunde.

Diese Tests ermöglichten die Messung der Einführkraft und zeigten, wie die Testparameter sich gegenseitig beeinflussen, um die Druckfront vor der Ankerspitze zu erzeugen. Erwartungsgemäß erhöhte sich die Kraft, die erforderlich war, um den Anker in die mit Mörtel gefüllte Bohrung zu schieben, um so mehr, je tiefer der Anker eingeführt wurde. Die beobachteten Lastkurven waren für die beiden verwendeten Mörtelarten ähnlich, und in den Tests wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen den Lastbereichen festgestellt. Jedoch löste in einigen Fällen die frühe Erzeugung eines höheren Druckes eine hydraulische Bruchbildung des Firsts aus, gefolgt von einem Harzverlust, was wiederum die beobachtete Länge der Ankerumhüllung verkürzte.

Die Einführlast (bzw. -kraft) wurde für jeden Test gegen die Tiefe aufgetragen. Alle Kurven zeigten ein gemeinsames Verhalten, wobei sich drei deutliche Lastbereiche zeigten, wie in 4 dargestellt. Die anfängliche Einführlast stieg mit einer relativ niedrigen Rate bis zu einer Einführtiefe von ungefähr 20 Zoll (= 50,8 cm) konstant an (Bereich I im Diagramm). An diesem Punkt stieg die Last für kurze Zeit beschleunigt an (Bereich II im Diagramm). Danach sank die Lastrate auf eine Rate ab, die nur geringfügig höher war als die anfangs beobachtete Rate (Bereich III im Diagramm). Bereich I war in den meisten Tests klar abgegrenzt. Die Bereiche II und III zeigten in stärkerem Maße Schwankungen und überlappten sich in einigen Fällen.

Die Kurve in 4 kann in Bezug auf die stattfindenden Auswirkungen wie folgt interpretiert werden. In Bereich I erfolgte ein Komprimierung der intakten Mörtelpatrone mit einem auf die Patrone einwirkenden Poisson-Effekt. Das bedeutet, dass sich die Patrone, während sie in ihrer Länge komprimiert wurde, in der Bohrung ausdehnte, bis der Übergang des ersten Bereichs erreicht war. Da die Patrone die Bohrung nun ausgefüllt hat, erhöhte sich der Druck, bis die Bruchfestigkeit der Patronenhülle überschritten war. Nach dem Zerreißen der Hülle begann ähnlich wie bei einem Wasserfluss in einem Rohr der Mörtel zu fließen, auch wenn der Mörtel sehr viel zähflüssiger ist als Wasser. Die Flussrate blieb konstant, da die Einführgeschwindigkeit auf einem konstanten Wert gehalten wurde und die Last proportional zur Länge der Ankereinführung anstieg. In einigen Fällen löste die frühe Erzeugung eines höheren Druckes eine hydraulische Bruchbildung des Firsts aus, gefolgt von Harzverlust, was wiederum die beobachtete Länge der Ankerumhüllung verkürzte.

Die Möglichkeit, die Viskosität des Mörtels zu verringern, um so den Innendruck bei der Installation zu reduzieren, ist keine praktische Lösung, weil Mörtel niedriger Viskosität während der Installation des Ankers aus der Bohrung austreten und daher alle Vorteile zunichte machen könnte. Ferner würde Mörtel mit einer Viskosität, die niedriger als die gegenwärtig benutzte ist, einen höheren Anteil der teuersten Mörtelkomponenten enthalten und somit keine wirtschaftliche Lösung des Problems der Mörteldruckverminderung darstellen.