Gebirgsdruck
Bergbau
Basiswissen
Als Gebirgsdruck bezeichnet man im Bergbau und im Tunnelbau eine unsichtbare Spannung, die um einen untertägigen Hohlraum oder auch im unverritzten Gebirge auftritt.
Was ist Gebirge im bergmännischen Sinn?
Gebirge meint im Bergbau nicht nur Berge im Sinne der Geographie (Alpengebirge, Mittelgebirge, Gebirgsmassiv) sondern die Gesamtheit aller Fest- und Lockergesteine, Gewässer und sonstiger Materialien, die einen festen Untergrund unterhalb der Oberfläche bilden. Teuft man beispielsweise einen senkrechten Schacht ab, dann nennt man alles um den Schacht herum Gebirge.
Eine Gesteinssäule als einfachstes Modell
Das Gebirge besteht aus Masse. Masse unterliegt der Schwerkraft. Gebirge wird Richtung Erdmittelpunkt gezogen. Wo ein bestimmter Gebirgskörper unten aufliegt, übt er eine Kraft auf die Unterlage auf. Man stelle sich als einfachsten Fall eine Säule mit quadratischer Grundfläche aus leichtem Sandstein vor. Die Grundfläche der Säule sei 1 Meter lang und 1 m breit, die gesamte Säule sei 800 Meter hoch. (800 Meter war eine typische Teufe für ein deutsches Steinkohlenbergwerk.) Leichter Sandstein wiegt etwa 2000 kg pro Kubikmeter. Die gesamte Säule hat ein Volumen von 800 Kubikmetern. Die Säule enthält damit 800 mal 2000 Kilogramm Masse, also 1,6 Millionen kg. Auf jedes Kilogramm wirken auf der Erde etwa 10 Newton Gewichtskraft. Also übt die Säule eine Gewichtskraft von etwa 16 Millionen Newton auf den Untergrund aus.
Druck als Kraft pro Fläche
Der Druck als physikalische Größe gibt an, wie viel Kraft auf eine bestimmte Vergleichsfläche wirkt. Für die Sandsteinsäule (siehe oben) sind es 16 Millionen Newton pro Quadratmeter. Newton pro Quadratmeter nennt man kurz auch Pascal. 16 Millionen N/m² sind dann auch 16 Megapascal.
Warum der Druck auch zur Seite wirkt
Man stelle sich als Ausgangsbild die oben beschriebene Säule aus Sandstein vor. Wenn sie in sich stabil ist und auf einer waagrechten Grundfläche steht, wird sie nur Kräfte senkrecht nach unten ausüben. Nun kann es verschiedene Gründe geben, wie Druckkräfte zur Seite hin entstehen. a) der Untergrund kann geneigt sein, dann kippt die Säule zu einer Seite und übt Druck auf diese Seite aus. b) Die Säule kann in sich Risse und Bruchflächen (Störungen) aufweisen. Was oberhalb einer schrägen Bruchfläche steht kippt dann zur Seite und übt einen seitlichen Druck aus. c) Wasser in verbundenen Hohlräumen geben als Flüssigkeit den Druck in alle Richtungen (fast) gleichmäßig weiter. d) die Säule kann aus lockerem Material bestehen (Sand, Kies). Würde man eine solche Lockersäule gedanklich mit den Händen umfassen, würde man Druck auf alle Handflächen spüren.
Wie wirkt sich realer Gebirgsdruck aus?
Die wesentlich Wirkung im Bergbau ist: entstandene Hohlräume werden mit der Zeit wieder geschlossen. Sind die Hohlräume groß kann dies durch plötzliches Herabrechen der Decke (Firste) passieren. Kontrolliert lässt man dies im sogenannten Bruchbau zu. Bei weichen Gesteinen kommt es oft auch zum sogenannten Sohlenquellen: der Untergrund drückt sich langsam von unten nach oben und schließt etwas Strecken im Steinkohlenbergbau zu. Solche aufquellenden Bodenbereiche wieder zu beseitigen nennt man senken (auch durchsenken. Und wo bestehende Strecken mit Stempeln oder Stahlbögen gesichert sind, werden diese durch den Gebirgsdruck erst verformt und je nach Material auch gebrochen.
Kann man den Gebirgsdruck berechnen?
Nur sehr schwer und mit vielen Ungenauigkeiten behaftet. Es gibt eine große Anzahl von Modellen zur Vorhersage des Gebirgsdruckes. Doch die Vielzahl der Einflussfaktoren macht genaue Vorhersagen sehr schwer.
Fußnoten
- Helmut Kratzsch: Bergschadenkunde. Hrsg.: Deutscher Markscheider-Verein e.V. 5. Auflage. Bochum 1997, ISBN 3-00-001661-9.
