GLÜCKAUF
Berg- und Hüttenmännische Zeitschrift
Nr. 47 22. Novem ber 1930 66. Jahrg.
U ntersuchungen an K arbongesteinen
V o n D ip l.- In g . O.
Im b e r g m ä n n is c h e n S c h r i f t t u m d e r le tz t e n Ja hre ist die F r a g e des G e b i r g s d r u c k e s als U r s a c h e u n d F olgeerscheinung v o n A b b a u w i r k u n g e n , n a m e n tlic h für den S t e i n k o h l e n b e r g b a u , m e h r f a c h e r ö r t e r t w o r den. O bsch on d ie M e i n u n g e n d e r e in z e ln e n F o r s c h e r über die G r ö ß e u n d R i c h t u n g d e r a u f t r e t e n d e n G e - birgsspannungen n o c h s t a r k v o n e i n a n d e r a b w e ic h e n ,
■ stimmen sie d o c h d a r i n ü b e r e in , d a ß f ü r d ie G e s a m t - ersclieinungen in g l e i c h e m M a ß e d e r g e o lo g is c h e Aufbau des b e t r e f f e n d e n K o h l e n g e b i e t e s w i e die A b ba u w irk un ge n b e s t i m m e n d s in d .
D ie in d en G r u b e n b e o b a c h te te n u n d in d e r Literatur g e w ü r d i g t e n E r s c h e i n u n g e n , w ie S e n k u n g s - * Vorgänge des H a n g e n d e n , E n t s t e h u n g v o n D r u c k l a g e n im F lö z , z e i t w e i l i g a u f t r e t e n d e M ä c h t i g k e i t s ä n d e r u n geil d er K o h l e , D r u c k h a f t w e r d e n v o n S tre c k e n u s w ., haben n e u e r d in g s h a u p t s ä c h l i c h z u z w e i A n n a h m e n f ü r ihre E r k l ä r u n g g e f ü h r t . D i e e in e b e s a g t k u r z , d a ß die Gesteine d u r c h d ie b e r g m ä n n i s c h e E i n w i r k u n g b eim Abbau eine A r t v o n U m f o r m u n g e r f a h r e n , w e l c h e d ie beobachteten T a t s a c h e n v e r u r s a c h t . D i e a n d e re Annahme w e i s t a u f d ie B e d e u t u n g des e la s tis c h e n A rbe its v e rm ög e ns d e r G e s t e i n e h in u n d s u c h t d a ra u s die E r s c h e in u n g e n z u e r k l ä r e n .
Bei d ie s e n V o r g ä n g e n h a n d e l t es sich z w e i f e l l o s um m echanische W i r k u n g e n des G e b i r g e s . D a n n e n t steht die F r a g e , in w e l c h e r W e i s e sich d ie K a r b o n gesteine u n t e r d e n n a t ü r l i c h e n V e r h ä l t n i s s e n d e r T i e f e mechanischen B e a n s p r u c h u n g e n g e g e n ü b e r v e r h a lt e n . Als solche, b e t r a c h t e t m a n in d e r M a t e r i a l p r ü f u n g allgemein B e a n s p r u c h u n g e n , d ie d u r c h D r u c k - , Z u g -, Biegungs- u n d S c h e r k r ä f t e h e r v o r g e r u f e n w e r d e n . D i e stetig w a c h s e n d e A u f m e r k s a m k e i t , d ie m a n in d en bergmännischen K r e i s e n d e n g e s a m te n G e b i r g s d r u c k fragen, z u m a l i m S t e i n k o h l e n b e r g b a u , e n t g e g e n b r i n g t , berechtigt z u d e m V e r s u c h , zu i h r e r K l ä r u n g a u f e x p e r im e n te ll-w is s e n s c h a ftlic h e m W e g e b e iz u tr a g e n . Wenn es g e l i n g e n s o l l t e , a us d e n a u f v e r s u c h s m ä ß ig e r Grundlage a u f g e b a u t e n U n t e r s u c h u n g e n Sch lüsse zu ziehen, w e l c h e m e c h a n is c h e n B e a n s p r u c h u n g e n z. B.
einen f ü r d ie G e w i n n u n g n ü t z l i c h e n A b b a u d r u c k e r zeugen, o d e r w i e G e s te in s c h ic h t e n b ei b e r g m ä n n is c h e n Arbeiten b e h a n d e l t w e r d e n m ü s s e n , so w ä r e d a m i t dem B e rg b a u s ic h e r l i c h a u c h w i r t s c h a f t l i c h g e d ie n t.
Nachstehend s o ll a ls o v e r s u c h t w e r d e n , e in e n B e i
trag zur K l ä r u n g d e r A b b a u - u n d G e b i r g s d r u c k f r a g e n zu geben.
B evor d ie E r g e b n i s s e d e r v o m V e r f a s s e r a n - gestellten V e r s u c h e a n K a r b o n g e s t e i n e n m i t g e t e i l t u n d mit den e n ts p r e c h e n d e n E r s c h e in u n g e n in d e r G r u b e kritisch v e r g l i c h e n w e r d e n , s o lle n k u r z d ie w i c h t ig s t e n der bisher i m S c h r i f t t u m b e k a n n t g e w o r d e n e n V e r suche ü b e r F e s t i g k e i t , E l a s t i z i t ä t u n d P l a s t i z i t ä t d e r Gesteine a u f g e f ü h r t w e r d e n . F e r n e r is t n o c h zu e r -
zur K lärung von G ebirgsdruckfragen.
M ü l l e r , Bre sla u .
ö r t e r n , o b u n d i n w i e w e i t * L a b o r a t o r i u m s v e r s u c h e d ie V e r h ä l t n i s s e i m g r o ß e n w i d e r s p i e g e l n u n d w e l c h e P r ü f v e r f a h r e n f ü r d e r a r t i g e V e r s u c h e in B e t r a c h t k o m m e n k ö n n e n .
F ü r d ie bei e in e r P r ü f u n g v o n G e s te in e n e r m it t e lt e n F e s t i g k e i t s g r a d e w e r d e n o f t B e z e ic h n u n g e n w ie fe s t, s p r ö d e , p la s tis c h u n d e la s tis c h g e b r a u c h t , w o d u r c h l e i c h t M i ß v e r s t ä n d n i s s e e n t s te h e n . D e s h a l b sei k u r z a u f e in e n e u e re B e g r i f f s b e s t i m m u n g h in g e w ie s e n . G u t e n b e r g 1 h a t z u r K e n n z e i c h n u n g e ines G e s te in s d e n B e g r i f f d e r » R i g h e i t « e i n g e f ü h r t ; e r v e rs te h t d a r u n t e r d ie e la s tis c h e W i d e r s t a n d s f ä h i g k e i t g e g e n ü b e r F o r m ä n d e r u n g e n . E r l e i d e t e in fe s t e r K ö r p e r d u r c h a u f i h n w i r k e n d e m e c h a n is c h e B e a n s p r u c h u n g e in e F o r m ä n d e r u n g , so b e h a l t e r sie e n t w e d e r bei ( z . B. W a c h s ) o d e r e r s u c h t s e in e u r s p r ü n g lic h e F o r m w i e d e r e i n z u n e h m e n ( z . B.
G u m m i ) . I m e rs te n F a l l e s p r ic h t m a n v o n e in e m b ild s a m e n , p la s tis c h e n Z u s t a n d , i m z w e i t e n v o n e in e m e la s tis c h e n , w e n n a u c h d e r K ö r p e r m e is t n ic h t v ö l l i g in s e in e A n f a n g s l a g e z u r ü c k g e h t ( e la s t is c h e N a c h w i r k u n g o d e r e la s tis c h e H y s t e r e s e ) . E i n K ö r p e r k a n n t r o t z s e h r g e r i n g e r N a c h g i e b i g k e i t g e g e n F o r m ä n d e r u n g e n , a ls o b e i g r o ß e r R i g h e i t , g l e i c h z e i t i g d en pla s tis ch e n Z u s t a n d b e ib e h a lt e n , w e n n e r d ie s e g e r in g e F o r m ä n d e r u n g v o l l s t ä n d i g b e h ä lt. U m g e k e h r t b es itzt z. B. G u m m i als ein K ö r p e r m i t g e r i n g e r R ig h e it k e in e P l a s t i z it ä t , d a e r n a c h d e m A u f h ö r e n d e r K r a f t w i r k u n g s c h n e ll s eine A n f a n g s f o r m w i e d e r e i n n i m m t .
U n t e r P l a s t i z i t ä t d e r G e s te in e w i r d v o n d en F o r s c h e r n d ie F ä h i g k e i t v e r s t a n d e n , a u f t r e t e n d e n B e a n s p ru c h u n g e n n ic h t m e h r d en W i d e r s t a n d e n t g e g e n z u s e tz e n , d en d ie G e s te in e u n t e r d e m D r u c k un d d e r T e m p e r a t u r an d e r O b e r f l ä c h e b e s itz e n . F ü r die K a r b o n g e s t e in e e n t s te h t d ie F r a g e , u n t e r w e l c h e n B e g r i f f sie sich e i n r e ih e n lassen. D i e in d e r L i t e r a t u r a n g e g e b e n e n E r s c h e in u n g e n k ö n n e n d e n A n s c h e in e r w e c k e n , d a ß sie u n t e r d en j e w e i l i g e n B e d i n g u n g e n teils als p la s tis c h , t e ils als r i g a n z u s e h e n s in d .
I n w i e w e i t L a b o r a t o r i u m s v e r s u c h e , d ie z w a n g s l ä u f i g n u r m i t k l e i n e n M e n g e n a r b e ite n , R ü c k schlüsse a u f r ä u m l i c h g r o ß e G e b i r g s t e il e zu z ie h e n e rla u b e n , m a g v o r l ä u f i g d a h i n g e s t e l l t b le ib e n , j e d o c h b e s te h t in d e r M a t e r i a l p r ü f u n g d ie a l l g e m e i n a n e r k a n n t e A n s c h a u u n g , d a ß d ie V e r s u c h s e r g e b n is s e bei m ö g lic h s t n a t u r g e t r e u e r N a c h b i l d u n g d e r V e r h ä l t nisse im g r o ß e n d e m a b s o lu te n W e r t n a c h v e r h ä l t n i s g le ic h s in d . B e i e x p e r i m e n t e l l e r U n t e r s u c h u n g des G e s t e i n v e r h a l t e n s in d e r T i e f e m u ß j e d o c h e in U m s t a n d b e a c h te t w e r d e n . D a s is t d e r F a k t o r Z e i t , d e r bei a l l e n N a t u r g e s c h e h e n v o n g r o ß e r B e d e u t u n g ist, b e i V e r s u c h e n a b e r n u r s c h w e r b e r ü c k s i c h t i g t
1 G u t e n b e r g : Lehrbuch der Geophysik, 1926, S . 451.
1602 G l ü c k a u f Nr . 47
w e r d e n k a n n . W i e s p ä t e r n o c h a u s g e f ü h r t w i r d , w i r k t e r im S in n e e i n e r E r h ö h u n g d e r P l a s t i z i t ä t d e r G e s t e i n e . E r k ö n n t e b e im V e r s u c h d u r c h T e m p e r a t u r e r h ö h u n g e r s e t z t w e r d e n , w e n n d a s V e r h ä l t n i s z w is c h e n Z e i t d a u e r u n d T e m p e r a t u r e r h ö h u n g b e k a n n t w ä r e o d e r s ic h e r r e c h n e n lie ß e .
E i n e a n d e r e F r a g e is t, w e lc h e s P r ü f v e r f a h r e n bei G e s t e i n u n t e r s u c h u n g e n d e n n a t ü r l i c h e n V e r h ä l t n i s s e n e n t s p r i c h t o d e r s ic h ih n e n m ö g l i c h s t n ä h e r t , d a d ie z u u n t e r s u c h e n d e n G e s t e i n e in d e r T i e f e w e g e n d e r b e s c h r ä n k t e n A u s w e i c h m ö g l i c h k e i t u n t e r a l l s e i t i g e r S p a n n u n g s te h e n . D i e s e n Z u s t a n d h a b e n d ie w e i t e r h in g e n a n n t e n F o r s c h e r bei i h r e n U n t e r s u c h u n g e n a u f v e r s c h ie d e n e W e i s e h e r z u s t e l l e n v e rs u c h t .
D ie b is h e r b e k a n n t g e w o r d e n e n U n te r s u c h u n g e n a n N a t u r g e s t e in e n .
G e s t e i n f e s t i g k e i t .
F e s t i g k e i t s v e r s u c h e a n G e s t e i n e n s in d z w a r sc h o n la n g e b e k a n n t , h a b e n j e d o c h n u r b a u w is s e n s c h a f t lic h e n Z w e c k e n u n d n ic h t g e b ir g s w is s e n s c h a ft lic h e n F r a g e n g e d i e n t . A u s d e n B e r i c h t e n ü b e r d ie m a n n i g fa c h e n V e r s u c h e F ö p p l s 1 , R i n n e s 2 , G e h l e r s 3 u . a . g e h t h e r v o r , d a ß d ie e r m i t t e l t e n W e r t e j e n a c h A r t d e r a n g e w a n d t e n V e r s u c h s b e d i n g u n g e n s ta r k v o n e i n a n d e r a b w e ic h e n . B e m e r k e n s w e r t is t f e r n e r , d a ß d ie A n o r d n u n g d e r P r o b e k ö r p e r u n t e r d e r G e s t e i n pre s s e , j e n a c h d e m o b d ie D r u c k r i c h t u n g p a r a l l e l o d e r s e n k r e c h t zu d e n S c h ic h te n s te h t, d a s E r g e b n i s w e i t g e h e n d b e e i n f l u ß t . A l l g e m e i n w e r d e n bei D r u c k s e n k r e c h t z u r S c h i c h t u n g h ö h e r e F e s t i g k e i t s w e r t e e r h a l t e n a ls b e i D r u c k p a r a l l e l d a z u . D i e w e n i g e n in d e r L i t e r a t u r b e k a n n t g e w o r d e n e n F e s t i g k e i t s v e r s u c h e an K a r b o n g e s t e i n e n '1 l e id e n d a r a n , d a ß a u f d ie s e n U m s t a n d n ic h t g e n ü g e n d g e a c h t e t w o r d e n ist.
F ü r b e r g m ä n n i s c h e D r u c k f r a g e n » k a n n d ie E r m i t t l u n g d e r D r u c k f e s t i g k e i t n u r e in e n g e r i n g e n A n h a l t b ie t e n , w e i l d e r g e w ö h n l i c h e D r u c k v e r s u c h u n t e r B e d in g u n g e n a u s g e f ü h r t w i r d , d ie d e n n a t ü r l i c h e n V e r h ä lt n is s e n in d e r G r u b e n ic h t e n t s p r e c h e n , d e n n d e r P r o b e k ö r p e r v e r m a g b e im V e r s u c h n a c h 4 S e ite n a u s z u w e i c h e n . I m a l l g e m e i n e n w i r d es sich bei d e n A b b a u - u n d G e b i r g s d r u c k f r a g e n n ic h t u m e i n h e i t l i c h e m e c h a n i s c h e V o r g ä n g e ( r e i n e D r u c k b e a n s p r u c h u n g ) h a n d e l n , s o n d e r n d a n e b e n t r e t e n h i e r w i e b e i d e n S e n k u n g s v o r g ä n g e n n o c h K r ä f t e a u f , w e l c h e d ie G e s t e i n e a u f Z u g - , B i e g u n g s - u n d S c h u b f e s t i g k e i t b e a n s p r u c h e n . E x p e r i m e n t e l l e U n t e r s u c h u n g e n v o n B a u s c h i n g e r 5 u n d H a n i s c h 6 h a b e n b e w i e s e n , d a ß d ie G e s t e i n e b e i Z u g b e a n s p r u c h u n g d e n n ie d r i g s t e n W e r t e r g e b e n ; d a n n f o l g e n d ie S c h u b - , d ie B i e g u n g s u n d z u l e t z t d ie D r u c k f e s t i g k e i t .
E l a s t i z i t ä t d e r G e s t e i n e .
D i e B e d e u t u n g d e r e la s t is c h e n K o n s t a n t e n v o n N a t u r g e s t e i n e n is t e r s t in j ü n g s t e r Z e i t , b e s o n d e rs
1 F ö p p l : Die Abhängig keit d e r Bruchgefahr von d e r Art des Sp an nungszusta ndes, Mitteil. meeh.-techn. Labor. T . H. München 1900, H. 27.
2 P r a n d t 1 und R i n n e : Referat ü b e r durchgeführte vergleichende U nte rs uchungen ü b e r die Methoden z u r Bestimmung d e r Druckfestigkeit von Gesteinen, Kali 1909, S. 360; N. Jahrb. Min. 1907, S. 45.
3 G e h l e r : Würfel- und Säulenfestigkeit als G rundla ge d e r Beton
prüfung, Bauingenieur 1928, S. 24.
4 Strength of roof supports , Coll. G u ard . 1929, Bd. 139, S. S03; Mit
teilungen d e r Königl. Techn. Versuchsanstalt 1883; Bericht d e r Preußischen Stein- und Kohlenfallkonimission, 1903, S. 147; C o r d e b a s : Diaclases et failles, Mines C arrières 1928, S . 121; H i l g e n s t o c k : Untersuchungen über die wechseln de Kohlenfestigkeit und ih re n Einfluß auf das Lohnwesen, Glückauf 1909, S. 1857.
B a u s e h i n g e r : Versuche ü b e r Elastizität und Festigkeit usw., Mitteil«
mech.-techn. Labor. T . H . München 1884, H . 10.
0 H a n i s c h : Bestimmung d e r Biegungs-, Zug-, Druck- und Schub
festigkeit an Bausteinen d e r österreichisch-ungarischen Monarchie, 1901.
v o n d e r G e o p h y s i k u n d d e r S tra ß e n b a u fo rs c h u n g , e r k a n n t w o r d e n . U n t e r E l a s t i z i t ä t w i r d im Sprach
g e b r a u c h d ie F ä h i g k e i t e in e s K ö r p e r s verstanden, n a c h A u f h ö r e n e i n e r a u f ih n w ir k e n d e n Be
a n s p r u c h u n g w i e d e r s e in e u r s p r ü n g l i c h e G e s ta lt an
z u n e h m e n ; bei d ie s e r A u f f a s s u n g h a n d e lt es sich w e n i g e r u m d ie G r ö ß e d e r B e a n s p r u c h u n g , welche d ie e la s tis c h e F o r m ä n d e r u n g b e d in g t , als u m das A u s m a ß d e r b r u c h f r e i e r r e i c h b a r e n V e r f o r m u n g . Von d ie s e m a l l g e m e i n e n B e g r i f f w e i c h t d e r d e r physi
k a l is c h e n E l a s t i z i t ä t w e s e n t l ic h ab. E i n K ö r p e r ist i m p h y s i k a l i s c h e n S in n e d e s to e la s t is c h e r , je g rö ßer d ie a u f z u w e n d e n d e B e l a s t u n g is t, d a m i t e r eine F o r m ä n d e r u n g ( z . B. D e h n u n g ) e r f ä h r t . D e r E - M o d u l ist d e r r e z i p r o k e W e r t d e r D e h n u n g s z a h l a u n d also d e s to g r ö ß e r , j e g e r i n g e r d ie bei d e r Einheits
b e l a s t u n g e r f o l g t e D e h n u n g is t. D i e G r ö ß e des E - M o d u l s k e n n z e i c h n e t s o m i t g le i c h z e i t i g d ie höhere E l a s t i z i t ä t e in e s S t o f f e s . A u s d e r G r ö ß e des E -W e rte s k a n n m a n e r s e h e n , w i e s ic h d ie K a r b o n g e s t e in e auf
t r e t e n d e n B e a n s p r u c h u n g e n g e g e n ü b e r v e rh a lte n , ob sie im s t a n d e s in d , d ie s e g a n z o d e r n u r te ilw e is e in sich a u f z u n e h m e n , u n d in w e l c h e m M a ß e sie nach F o r t f a l l d e r B e a n s p r u c h u n g d ie in ihnen auf
g e s p e ic h e r t e n K r ä f t e w i e d e r a n i h r e U m g e b u n g ab-
* z u g e b e n v e r m ö g e n . D ie s e F r a g e is t f ü r die gesamte U n f a l l b e k ä m p f u n g ( S t e i n - u n d K o h l e n f ä l l , Gebirgs- s c h lä g e , G a s a u s b r ü c h e ) e b e n s o w i e f ü r die w irt s c h a f t l i c h e A u s n u t z u n g d es G e b i r g s d r u c k e s gleicher
m a ß e n b e d e u t s a m . A u s d e n A r b e i t e n von B a u - s c h i n g e r 1, G r a f 2, K u s a k a b e 3, A d a m s 1, B r e y e r 5, H e s s 6, R e i c h 7 u. a. s in d d ie F a k t o r e n bekannt
g e w o r d e n , w e l c h e d ie G e s t e i n e l a s t i z i t ä t beeinflussen, n ä m l i c h p e t r o g r a p h i s c h e Z u s a m m e n s e tz u n g , Alfer, E n t s t e h u n g s a r t , P o r e n v o l u m e n u n d Wassergehalt.
F ü r G e b i r g s d r u c k f r a g e n is t d ie E r s c h e in u n g der e la s t is c h e n A n i s o t r o p i e a l l e r g e s c h ic h te te n und ge- s c h i e f e r t e n S e d im e n te b e s o n d e r s w i c h t i g . D ie s e zeigen n ä m l i c h r e c h t v e r s c h ie d e n e E - W e r t e , j e nachdem der D r u c k s e n k r e c h t o d e r p a r a l l e l ’z u r S c h ic h tflä c h e w irkt:
b e i D r u c k s e n k r e c h t z u r S c h i c h t u n g is t d ie Elastizität n i e d r i g e r a ls b e i d e m D r u c k p a r a l l e l dazu. Für K a r b o n g e s t e i n e s in d E l a s t i z it ä t s z a h l e n a u f statischer G r u n d l a g e b is h e r n ic h t b e k a n n t . H i l g e n s t o c k 8 g l a u b t e a u f G r u n d s e in e r V e r s u c h e , »einen Beweis f ü r d ie E l a s t i z i t ä t d e r K o h l e g e f u n d e n zu haben«. Sein W e r t v o n 2 o/o f e d e r n d e r Z u s a m m e n d r ü c k u n g ist aber s o g r o ß , d a ß e r d u r c h d ie m e in e s E ra c h te n s für d ie M e s s u n g d e r E l a s t i z i t ä t u n g e n ü g e n d e Versuchs- e i n r i c h t u n g b e e i n f l u ß t s e in d ü r f t e . G u t e n b e r g 9 hat d e n E - W e r t v o n S t e i n k o h l e zu 2 , 0 - I O 11 C G S -E in h e it e n a us d e r D i c h t e u n d d e r F o r tp fla n z u n g s g e s c h w i n d i g k e i t d e r l o n g i t u d i n a l e n W e l l e n bestimmt.
1 B a u s e h i n g e r : U nte rsuchungen ü b e r die Elastizität und Festigkeit d e r wichtigsten natürlichen Bausteine in Bayern, Mitteil, mech.-teclin. Labor.
T. H . München 1884, H. 10.
2 G r a f : Versuche ü b e r Druckelastizität, Beton Eisen 1926, S. 399.
3 K u s ä k a b e : On the modulus of elasticity of rocks, Coniin. Colleg of Science Univ. Tokyo 1905, Bd. 20, Art. 9.
4 A d a m s und C o k e r : An investigation into th e elastic constants of rocks, Carnegie Inst. W ashin gto n 1906, N r. 46.
5 B r e y e r : Ü b e r die Elastizität von Gesteinen, Z. Geophys. 1930, H .2, S. 98.
6 H e s s : Elastizität trockner u n d feuchter Gesteine, Zentralbl. Min.
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7 R e i c h : Die elastischen Eigenschaften d e r Gesteine, Gerlands Beitr.
Geophysik 1927, S. 86.
8 Glückauf 1909, S.1S57.
0 a . a . O . S. 507.
22. N o v e m b e r 1930 Q 1 ü c k a u f 1603
P l a s t i z i t ä t d e r G e s t e i n e .
Neben d e r G e s t e i n f e s t i g k e i t u n d d e m e la s tis c h e n Verhalten w i r d als E r k l ä r u n g f ü r d ie D r u c k erscheinungen n o c h d ie V e r f o r m b a r k e i t o d e r die Plastizität u n t e r D r u c k a n g e f ü h r t . D i e F r a g e d er G e s te in p la s tiz itä t in d e r T i e f e h a t w o h l z u e r s t H e i m 1 1878 b e h a n d e lt. E r n a h m e in e a l l s e it ig e D r u c k verteilung an u n d f o l g e r t e , d a ß d ie G e s te in e in g r o ß e r Teufe in e in e n Z u s t a n d d e r » la te n te n P la s t iz it ä t « g e raten. D e r p la s tis c h e Z u s t a n d k a n n n a t ü r l i c h n u r erreicht w e r d e n , w e n n d ie das G e s te in a u fb a u e n d e n M inerale p la s tis c h zu w e r d e n v e r m ö g e n . Z a h lr e ic h e Beweise in d e r N a t u r s o w i e d ie t h e o r e t i s c h e k r i s t a ll o - graphische B e h a n d l u n g d e r F r a g e in V e r b i n d u n g mit U n te r s u c h u n g e n d u r c h L e h m a n n - , M i i g g e u. a.3 b e s tä tig e n d ie p la s tis c h e F o r m ä n d e r u n g von M inera lie n. V e r s u c h e v o n T r e s c a 4 , S p r i n g u . a . 5 haben e r w ie s e n , d a ß z u n e h m e n d e r D r u c k u n d z u nehmende T e m p e r a t u r d ie P l a s t i z i t ä t f e s t e r K ö r p e r günstig b e e in flu s s e n . V e r s u c h e F ö p p l s 6 z e ig t e n , d aß Kalk- und S a n d s t e in e n o c h bei e in e m a l l s e i t i g g le ic h e n Druck v o n 3 0 0 0 a t u n b e s c h ä d i g t b lie b e n . T r o t z d e m geht es n ic h t a n , aus d ie s e m V e r h a l t e n R ü cksch lü sse auf das G e s t e i n v e r h a l t e n in e in e r d ie s e m h o h e n D r u c k entsprechenden T i e f e z u z ie h e n , d a sich n ic h t i m m e r für feste K ö r p e r in g r o ß e r T i e f e h y d r o s ta t is c h e r , also allseitig g le i c h e r D r u c k , a n n e h m e n lä ß t . D ie s e r k a nn nur f ü r e in g e s c h lo s s e n e G a s e u n d W a s s e r g e lte n . Versuche ü b e r p la s t is c h e F o r m ä n d e r u n g e n g e la n g e n zuerst K i c k 7, d e r M a r m o r k u g e l n o h n e L ö s u n g des Z u s a m m e n h an g es u n t e r a l l s e i t i g e m D r u c k a b p la tte te und M a r m o r p r ä g t e . E i n e v e r g le ic h e n d e W i e d e r holung u n d e in w e i t e r e r A u s b a u d ie s e r V e r s u c h e e r folgte d u r c h R i n n e 8. F r a n k D . A d a m s 9 u n d seine M ita rb e ite r N i c o l s o n u n d C o k e r 10 e r z i e l t e n d u rc h verbesserte V e r s u c h s a n o r d n u n g w e i t g e h e n d e p la stische F o r m ä n d e r u n g e n v o n G e s te in e n . S ie w ie s e n den E i n flu ß d e r F a k t o r e n Z e i t u n d T e m p e r a t u r a u f den D e f o r m a t i o n s v o r g a n g n a c h . I h r e a u s g e d e h n te n V e r suchsreihen b e w ie s e n , d a ß d ie G e s te in e u n t e r e r höhter T e m p e r a t u r l e i c h t e r u n d ra s c h e r p la s tis ch e Erscheinungen z e ig e n a ls bei n o r m a l e r T e m p e r a t u r . Eine g e n a u e r e B e s t i m m u n g des bei V e r s u c h e n u n t e r allseitigem D r u c k h e r r s c h e n d e n S e it e n d ru c k e s gab die v on K ä r m ä n 11 g e b a u t e D r u c k v o r r i c h t u n g . E r erzielte bei M a r m o r u n d S a n d s te in p la s tis ch e F o r m änderungen u n t e r A u s b i l d u n g v o n G l e i t l i n i e n und fand im m i k r o s k o p i s c h e n A u f b a u z w e i A r t e n von
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F o r m ä n d e r u n g e n . E r u n t e rs c h ie d eine » i n t e r g r a n u l a r e « F o r m ä n d e r u n g , w e n n d ie G l e i t u n g e n n ic h t ln d en K r is t a l l e n , s o n d e r n z w is c h e n ih n e n e r f o l g t e n , u n d eine » i n t r a g r a n u l ä r e « , w e n n sich Z w i l l i n g s l a m e l l c n - b ild u n g e n in d en K r is t a l l e n e r k e n n e n l i e ß e n . Z u l e t z t sei n och a u f die V e r s u c h e v on A d a m s h in g e w ie s e n , d er G e s te in e m i t s e n k r e c h t u n d w a a g r e c h t g e b o h r t e n d u r c h g e h e n d e n L ö c h e r n u n t e r h o h e n D r u c k s e tzte , u m zu e r m i t t e l n , w e l c h e r D r u c k , w e lc h e T e m p e r a t u r u n d w e lc h e V e r s u c h s d a u e r n ö t i g w a r e n , d a m i t d ie L ö c h e r sich schlo s se n . E r b e w ie s , d a ß H e i m d ie T i e f e des
» la te n t-p la s tis c h e n « Z u s t a n d e s d e r G e s te in e s ta rk u n t e r s c h ä t z t h at.
Bei d e r B e t r a c h t u n g d e r d e m A u f s a t z v o n A d a m s 1 b e ig e g e b e n e n L ic h t b i l d e r f ä l l t e in e b e m e r k e n s w e r t e E r s c h e in u n g an e in e m d e r a r t b e a n s p r u c h te n S o ln - h o f e n e r K a l k s t e i n a u f . D e r z y l i n d r i s c h e P r ü f k ö r p e r ist, w i e A b b . 1 z e ig t , v o r s i c h t i g d u r c h b r o c h e n w o r d e n ,
A b b . 1. V e rs u c h v o n A d a m s m it g e lo c h te n Ste in e n .
u nd u m das e l l i p s e n f ö r m i g g e w o r d e n e L o c h z ie h e n sich m e h r e r e L in ie n , d ie sich e b e n f a l l s e l l i p s e n a r t i g v e r t e ile n . D ie s e E r s c h e i n u n g k ö n n t e m i t d e m V e r l a u f d e r T r o m p e t e r s c h e n Z o n e 2 v e r g lic h e n w e r d e n , d ie sich als Z o n e des e n ts p a n n te n G e b i r g e s u m e in e n k ü n s tlic h e n H o h l r a u m h e r u m b ild e t.
E ig e n e V e r s u c h e a n K a r b o n g e s t e in e n .
D i e v o m V e r f a s s e r im b e r g m ä n n is c h e n L a b o r a t o r i u m d e r T e c h n is c h e n H o c h s c h u le B r e s la u a u s g e f ü h r t e n V e r s u c h e an K a r b o n g e s t e in e n u m fa s s e n 5 v e r s c h ie d e n e G r u p p e n , n ä m l i c h : 1. V e r s u c h e ü b e r D r u c k f e s t i g k e i t , 2. V e r s u c h e ü b e r R i ß b i l d u n g in e i n e r den n a t ü r l i c h e n V e r h ä lt n is s e n ä h n lic h e n A n o r d n u n g , 3. V e r s u c h e ü b e r d ie P l a s t i z i t ä t d e r G e s te in e n a c h d en
V e r f a h r e n v o n K ic k u n d v. K ä r m ä n , 4. V e r s u c h e ü ber das e la s tis c h e V e r h a l t e n u n d 5. V e r s u c h e ü b e r d ie
Z u s a m m e n d r ü c k b a r k e i t .
A ls V e r s u c h s m a te r ia l d ie n te n G e s te in e a us d e m o b e rs c h le s is c h e n K a r b o n . U n t e r s u c h t w u r d e n n u r d ie k e n n z e ic h n e n d e n K a r b o n g e s t e in e aus d e r S a t t e l f l ö z g r u p p e , n ä m l i c h j e ein T o n s c h i e f e r aus d e m H a n g e n den u n d d e m L ie g e n d e n des F lö z e s S c h u c k m a n n - N i e d e r b a n k , e in S a n d s c h le f c r a us d e m H a n g e n d e n des H e i n i t z f l ö z e s , ein S a n d s te in aus d e m H a n g e n d e n des F lö z e s S c h u c k m a n n - N i e d e r b a n k u n d S t e i n k o h l e aus dem S c h u c k m a n n - u n d d e m H e i n i t z f l ö z .
Z u r E r l e i c h t e r u n g d e r Ü b e r s i c h t l i c h k e i t s o lle n d ie E r g e b n is s e d e r 5 V e r s u c h s g r u p p e n v o n S a n d s t e in , S c h i e f e r u n d K o h l e f ü r je d e G e s t e i n a r t g e m e i n s a m b e h a n d e lt u n d d a n n f ü r j e d e s G e s t e i n d ie e r z i e l t e n W e r t e m i t d e m G e s t e i n v e r h a l t c n in d e r G r u b e k r i t i s c h v e r g lic h e n w e r d e n . Z u v o r w i r d ü b e r d ie V e r s u c h s -
1 A d a m s : An experimental contribution to the question of the depth of the zone of flow in the earths crust, J. Geol. 1920, Bd. 20, S. 107.
2 L a n g e c k e r : Die N utz barm achung des G eb irg sd ru ck es für die Kohlengewinnung, Glückauf 1928, S. 1409.
1604 G l ü c k a u f Nr . 47
ausführung berichtet, soweit sie nicht schon be
schrieben worden ist.
D ie A u s fü h r u n g d e r V e rsu ch e . D ruckjestigkeitsversuche.
F ü r die Versuche stand eine 1 OO-t-Baustoffpresse m it Druckspeicher zur Verfügung (Abb. 2). Die Druckfestigkeit des Gesteins wurde bei Ausübung des Druckes senkrecht und parallel zur Schichtung bzw.
Lagerfläche des Gesteins bestimmt. Die Werte sind,
Abb. 2. Baustoffpresse für 100 t Druck.
wie es in dem Prüfverfahren fü r natürliche Gesteine1
verlangt w ird, auf volle 10 kg/cm2 abgerundet. Die Versuchskörper hatten meist W ürfel-, selten Zylinder
form und waren m it H ilfe einer Gesteinsäge oder einer Diamantbohrkrone hergestellt worden. Nachdem die Stirnflächen planparallel geschliffen oder ab- gcdreht waren, wurden die Versuchskörper unter harten Prcßplatten gedrückt, jedoch zu deren Schonung bei sehr festen Gesteinen unter Benutzung von Beilagen aus Preßspan.
Abb. 3. Stahlform mit Druckstempel für Würfelversuche;
rechts ein Probewürfel.
Versuche über Rißbildung.
Zur Klärung der Rißbildung in Strecken und Abbauen dienten einige Versuche an Karbongesteinen in einer Stahlform von der Pielahütte in Rudzinitz.
Die Versuchsanordnung entsprach den Gruben
verhältnissen darin, daß ein allseitiger Spannungs- zustand auf fü n f Seiten des Probewürfels bestand, während auf die sechste Seite, die den Strecken
oder Abbaustoß darstellen sollte, der Spannungs
zustand der Atmosphäre w irkte. Dies erreichte man praktisch dadurch, daß in eine starkwandige Stahl
form quadratischen Ausmaßes, die an einer Seite offen war, ein genau passender Stahlstempel den Druck auf den Versuchswürfel übertrug (Abb. 3).
Die offene Seite stellte dann die freie Abbau- oder Streckenfläche dar, wohin der Körper eine Ausweich
möglichkeit hatte. Damit der W ü rfe l nur dahin aus
■ P r ü f v e r f a h r e n f ü r n a tü r lic h e O e s te i n e , D in . D. V. M . 2 1 0 2 - 2 1 0 9 .
weichen konnte, schliff man ihn se h r genau in die F o rm ein und verfüllte etw aige kleine Zwischenräume s o rg fä ltig mit Gips.
Versuchseinrichtung nach d em Verjähren von Kick.
Die oben bereits gemachten Angaben über dieses Verfahren bedürfen noch einiger Ergänzungen.
Bei den ersten Versuchen wurde geschmolzenes Alaun als Einbettungsmittel gewählt. Dabei ergab sich, daß alle Gesteine nur Brucherscheinungen, aber keinerlei Verformungen zeigten. Der vom Alaun an den Körper weitergeleitete Druck war eben noch viel zu gering, so daß nur Stauchformen auftreten konnten (Abb. 4). A llein bei dem als Vergleichs- material gewählten M arm or traten vö llig ähnliche Erscheinungen auf, wie sie von Rinne beschrieben
Abb. 4. Gestauchte Kupferhülse mit in Alaun gebettetem Tonschieferprisma; rechts der herausgenommene Körper.
worden sind. Abb. 5 zeigt links die gestauchte Kupfer
hülse, in die der M arm orzylinder eingebettet war, und rechts den umgeformten Körper, der eine starke Verbreiterung von 22 auf 28 mm und eine Höhen
verminderung von 27 auf 20 mm aufweist. Auf der Oberfläche des Marmors erkennt man fein aus
geprägte Linien, die als Fließfiguren oder Mohrsche Linien angesehen werden. Der von zwei sich kreuzen
den Linien gebildete W inkel beträgt etwa 48°.
Abb. 5. Marmorzylinder mit Gleitlinienbildung.
A uf der Suche nach einem Stoff, der den allseitigen Druck besser übertragen sollte, wurden dann Versuche m it Quecksilber vorgenommen. Hier
beitraten infolge der geringen Zusammendrückbarkeit bald Risse in der Kupferhülse auf, durch die das unter hohem Druck stehende Quecksilber explosions-
Abb. 6. Versuch mit Quecksilber.
artig herausschoß (Abb. 6). Wiederum waren nur Bruchformen erzielt worden. Bessere Ergebnisse brachten Versuche m it Lötzinn und Blei, also mit
22. N o v e m b e r 1930 G l ü c k a u f 1605
Stoffen, die eine au sgesprochene Fließfähigkeit haben und weitgehend plastisch verform t werden können.
Versuchseinrichtung nach dem Verfahren von Kar man.
Das Grundsätzliche der Druck Vorrichtung von Karman besteht darin, daß 2 hydraulische Pressen so zueinander geschaltet werden, daß die erste den achsrechten Druck auf den zylindrischen Probekörper überträgt, während die zweite den Seiten- oder Manteldruck bew irkt; beide Drücke
Abb. 7. Baustoffpresse für 500 t Druck.
können in weiten Grenzen geregelt werden. Die Ver
suchseinrichtung und -durchführung hat Karman ein
gehend beschrieben. In der die Versuchsanordnung veranschaulichenden Abb. 7 ist a die Presse fü r den achsrechten Hauptdruck, bdie Presse fü r den Mantel
druck, c die zwischen die Preßplatten einer 500-t- Baustoffpresse eingebaute Druckvorrichtung.
Versuchsanordnung für die B e s tim m u n g des
■ E M o d u ls .
Aus großem, möglichst rißfreien Gestein- und Kohienblöcken wurden Prismen von etwa 10x10x20cm herausgeschnitten und die Grundflächen genau plan- parallel geschliffen. Unter der Baustoffpresse erfolgte dann der zentrische Einbau der Proben, wobei man darauf achtete, daß das Kugellager der obern Preß- platte vollständig eben gerichtet war, damit die Stirn
flächen der Prismen v ö llig an den Preßplatten
Abb. 8. Gesteinprisma mit angesetzten S p ie g e l g e r ä t e n .
anlagen. Zur Messung der elastischen Formänderung dienten Spiegelgeräte der Bauart Martens, wie man sie fü r derartige Untersuchungen hauptsächlich be
nutzt. Zwei dieser Geräte werden an 2 gegenüber
liegenden Längsseiten des Prismas angesetzt (Abb. S).
Erfährt nun das Prisma durch Belastung oder Ent
lastung eine Längenänderung innerhalb derMeßlänge, so w ird eine Drehbewegung der Spiegelschneiden, also auch der Spiegel erfolgen, deren Größe m it H ilfe eines Fernrohres an einem Maßstab gemessen wird.
Die Meßgenauigkeit beträgt dabei Vioooo mm. Für die Ausführung einer derartigen Messung sei auf das Schrifttum1 verwiesen. Infolge der Messung mit zwei Geräten an zwei gegenüberliegenden Prismenseiten (Fasern) können etwa eintretende Bewegungen des Prismas keinen Einfluß auf das Ergebnis ausüben.
Bei den Versuchen wurde die Belastung möglichst gleichmäßig und ruhig um einen etwa gleichen Betrag bis zu einem Höchstwert gesteigert, der vorher durch Druckversuche bestimmt worden war; man ging nur bis zur halben Bruchbelastung, damit nicht etwa ein Bruch die Spiegelgeräte beschädigte. Ebenso gleich
mäßig wurde die Last bis auf den N ullw ert ver
ringert. Man erhielt also elastische Belastungs- und Entlastungskurven.
Versuchsanordnung für Kom pressionspersuche unter allsei tigern Druck.
Versuche, bei denen man die Zusammendrückung von Karbongesteinen unter allseitigem Druck mißt, werden Aufschluß darüber geben können, ob die für manche Brucherscheinungen neuerdings aufgestellte Behauptung des »latenten Arbeitsvermögens« der Gesteine2 zu Recht besteht. Zur Klärung der Frage der Zusammendrückbarkeit wurde folgende Versuchs
einrichtung verwendet.
Um reine Zusammendrückungen zu ermöglichen, mußte man die Einrichtung so treffen, daß ein Zer
brechen oder ein seitliches Ausweichen der Probe
körper ausgeschlossen war. ln diesem Punkte unter
scheidet sich dieser Versuch wesentlich von den Prüfungen über die Druckfestigkeit und das elastische Verhalten. Bei dem Versuch der ersten A rt konnten sich die Körper ungehindert breiten, und es kam bei Überschreitung der Bruchgrenze zu Formänderungen unter Brucherscheinungen. Im zweiten Falle, bei dem die Größe der Druckspannung unterhalb der Bruch
belastung liegt, traten plastische und elastische Form änderungen ein, die nicht von Bruchformen begleitet waren. Die eingangs erwähnte Forderung der seit
lichen Unnachgiebigkeit wurde praktisch dadurch erreicht, daß man den zu prüfenden Gesteinkörper in eine starkwandige, runde Stahlhülse von 40 mm Durchmesser und 100 mm Höhe sehr genau einpaßte und einschliff. Die Druckübertragung erfolgte durch einen gleichfalls gut eingeschliffenen Stahlstempel.
Damit der Körper nach dem Versuch ohne Beschädi
gung herausgenommen werden konnte, war die Hülse am Fuß m it einem starken, abnehmbaren Stahlunter
satz versehen. Etwaige Zwischenräume zwischen Ver
suchskörper und Stahlwand, die jedoch in keinem Falle größer als 1/ ]l0 mm waren, wurden dadurch aus
gefüllt, daß man den Körper m it Paraffin überzog und ihn dann allmählich in die Form eindrückte. Daß
1 M a r t e n s : M a te r ia l ie n k u n d e f ü r d e n M a s c h in e n b a u , 1898, S. 49;
W a w r c i n i o k : H a n d b u c h d e r M a te r ia l p r ü f u n g , 1923.
2 S p a c k e i e r : D ie s o g e n a n n t e D r u c k w e l l e , G lü c k a u f 1928, S. 873;
D er N u tz d r u c k als A b b a u f o lg e , G lü c k a u f 1929, S. 461,
1606 G l ü c k a u f N r. 47
diese Vorsichtsmaßregel praktisch eine Breitung ver
hinderte, ließ sich klar nach Beendigung des Ver
suches daraus ersehen, daß alle Versuchskörper, obwohl sie weit über ihre Bruchlast hinaus be
ansprucht worden waren, niemals Anzeichen von Bruchformen aufwiesen. Das Maß der Zusammen
drückung wurde aus dem Abstand der obern und untern Preßplatte an zwei gegenüberliegenden Stellen m it H ilfe von Meßuhren auf J/ioo mm genau erm ittelt.
Zur Berücksichtigung des Umstandes, daß auch die Stahl hülse und der Stempel zusammengedrückt werden, wurde bei jedem Versuch die leere Stahlform in derselben Weise beansprucht wie der Versuchs
körper und die dabei gemessene Zusammendrückung bei der Berechnung in Abzug gebracht. Um Ungleich
mäßigkeiten zu vermeiden, die eine etwaige Ver
schiebung der obern beweglichen Preßbacke hervor
rufen könnte, gab man stets dem Körper eine kleine Anfangslast, meist 20 kg/cm2 auf, ehe man die Ein
stellung der Meßuhren vornahm.
E rg e b n is s e u n d A u s w e r tu n g d e r V e rsu ch e . DruckfestigkeUsversuche.
S a n d s te in . Festigkeitsversuche an Karbonsand
steinen sind aus dem Schrifttum nicht bekannt. Der hier untersuchte Sandstein stammte aus dem Hangen
den des Flözes Schuckmann-Niederbank der Karsten- Centrumgrube. Die Schichtung dieses typisch ober
schlesischen Sandsteins war erkennbar, M ineral
zusammensetzung und Korngröße wechselten in einem Probestück schnell, und Kohlensclnnitzen zeigten o ft deutlich die Schichtung an. Die Druckfestigkeit betrug bei Druckausübung senkrecht zur Schichtung im M itte l von 4 Proben 800 und parallel dazu 770 kg je cm2. Die Unterschiede sind demnach unbeträchtlich.
Bei allen Prüfkörpern, die der genauem und be
quemem Herstellung halber Zylinder von 40 mm Dmr. und 45 mm Höhe waren, zeigten sich, wie Abb. 9 erkennen läßt, deutliche Bruchkegel.
Abb. 9. Bildung von Bruchkegeln bei Probekörpern aus Sandstein.
T o n s c h ie fe r . Für Tonschiefer liegt eine Angabe von C o rd e b a s1 vor, der fü r weiche Schiefer SO, fü r mittelharte 170, fü r sehr harte 2 2 0 und fü r äußerst harte (cuerelles) 300 und mehr kg/cm2 Bruch
belastung angibt. Diese Werte wurden erheblich über
schritten bei der zweiten von m ir untersuchten Probe des Tonschiefers aus dem Hangenden des Flözes Schuckmann-Niederbank der Gräfin-Johanna-Grube.
Bei 6 senkrecht zur Schichtung gedrückten Probe
w ürfeln betrugen die Druckfestigkeiten: 710, 780, 820, 830, 940 und 810, im M ittel also 815 kg/cm 2.
Beim Bruch ergab sich überall eine ausgebildete Druckpyramide (Abb. 10). Derselbe gut geschichtete Tonschiefer wurde ferner bei Ausübung des Druckes parallel zur Schichtung untersucht. 4 Probewürfel
’ a, a. O.
ergaben 460, 670, 550 und 550, im M ittel also rd.
560 kg/cm2, d. h. nur 6 8 0 / 0 oder etwa zwei Drittel der bei Ausübung des Druckes senkrecht zur Schich
tung erzielten Druckfestigkeit. Bemerkenswert ist hierbei noch, daß sich keine Druckpyramiden bildeten, sondern regelmäßig Rißsysteme, in deren Keilform Spitze und Fuß der einzelnen Keile miteinander ab
wechselten (Abb. 11).
Abb. 10. Bruchpyramiden bei Tonschiefer; Druck senkrecht zur Schichtung.
Ferner wurde der Tonschiefer aus dem Liegenden des Flözes Schuckmann-Niederbank derselben Grube geprüft. Er war sehr undeutlich geschichtet und enthielt viel Pflanzenreste. Die Prüfung der Druck
festigkeit senkrecht zur Schichtung ergab im Mittel von 4 Proben 715 kg/cm2 und bei Druckausübung parallel zur Schichtung aus 4 Proben 670 kg/cm3, also 93 0/0 der erstgenannten Druckfestigkeit. Dieser unbedeutende Unterschied beruht auf der ziemlich mangelhaft geschichteten Ausbildung dieses noch dazu von Pflanzenresten stark durchsetzten Schiefers.
Die Brucherscheinungen waren im Grunde denen des ersten Schiefers ähnlich, jedoch weit undeutlicher, weil hier die Gleichmäßigkeit des Materials durch
aus fehlte.
S te in k o h le . Während fü r Karbonsandsteine und Tonschiefer nur wenige Angaben im Schrifttum vor
handen sind, kennt man fü r Steinkohle mehr Ver
suchswerte. Die w ohl älteste Angabe stammt aus Oberschlesien und aus dem Jahre 18751. Die dort mitgeteilten Werte sind 178 kg/cm2 fü r das Sattel
flöz und 183 kg/cm2 fü r das Gerhardflöz. Diese Werte gelten fü r frisch geförderte Kohle der Königs
grube. Für die Grube Königin Luise wurden frische und abgelagerte Kohlen aus 4 Flözen untersucht. Die erhaltenen Festigkeiten bewegten sich fü r frische Kohle zwischen 34 und 44 kg/cm2, fü r abgelagerte waren sie höher, nämlich 4 3 -7 0 kg/cm2. Wes
halb diese Werte gegenüber denen fü r die Kohlen der Königsgrube so stark abfallen, geht aus den
Abb. 11. Bruchkeile bei Tonschiefer; Druck parallel zur Schichtung.
M itteilungen nicht hervor. Nach einer zweiten Angabe2 betrug die Kohlenfestigkeit des Sattelflözes des Erbreichschachtfeldes 195,8 kg/cm2; dieser Wert entspricht etwa dem f ü r die Königsgrube genannten.
1 M it teil, K g l. te c h n . V e r s u c h s a n s t a l t 1883.
a B e r i c h t d e r P r e u ß i s c h e n S te in- u . K o h len fa llk o m m is s io n , 1903, S. 147.
22. N o v e m b e r 1930 G l ü c k a u f 1607
Vom Bureau o f Mines1 werden für Hartkohle 125-400, fü r Weichkohle 30-1 5 0 kg/cm2 angegeben.
Die von mir ermittelten Werte stimmen mit den ge
nannten außer den Werten von der Königin-Luise- Orube ganz gut überein.
Für die Steinkohle aus dem Heinitzflöz der Gräfin-Johanna-Grube ergaben 7 W ürfel folgende Festigkeitszahlen: 290, 240, 130, 240, 140, 180 und 240, im M ittel also etwa 2 1 0 kg/cm2* Die Kohle aus dem Schuckmannflöz derselben Grube zeigte an
6 Würfeln 115, 280, 120, 150, 165 und 160, im M ittel also 165 kg/cm2, also nur 78 o/o der Festigkeit der Heinitzflözkohle. Bei der Mehrzahl der W ürfel er
folgte der Druck unter einem explosionsartigen Knall.
Schalen von 2 - 3 cm Stärke sprangen ab und wurden 3-4 m weit fortgeschleudert. Dem Bruch ging ein immer stärker werdendes Knistern und Abspringen kleiner Kohlenteile vorauf. Nur zum Teil war Druck
pyramidenbildung erkennbar (Abb. 12); meist folgten die Risse bereits vorhandenen Haarrissen in der Kohle, eine Tatsache, welche die ungleichen Festig
keitszahlen zum Teil erklären.
Abb. 12. Bruchpyramidenbildung bei Steinkohle.
Zusammenfassend sei bemerkt, daß die o ft recht beträchtlichen Unterschiede in den Festigkeitszahlen der Gesteine sowie der Kohle von hauptsächlich zwei Umständen herrühren, die auf der Natur der Gesteine und auf der A rt der Versuchsbedingungen beruhen.
Einmal können die Abweichungen aus der ungleichen Beschaffenheit erklärt werden, wie die deutliche Schichtung und das Vorhandensein von Pflanzen
resten zeigen, die das Gestein durchsetzten. Ferner wiesen alle Gesteine und Kohlen bereits zahlreiche Haarrisse auf, die zum Teil die Schießarbeit, zum Teil aber auch der Gebirgsdruck hervorgerufen haben konnte. Die Versuchsausführung beeinflußte ebenfalls das Ergebnis, w eil auch W ürfel mit verschiedener Kantenlänge benutzt werden mußten. Nach den Untersuchungen von P r a n d tl und R in n e3 steigt die Druckfestigkeit desselben Materials mit ab
nehmender Höhe des Prüfkörpers. Die Verschieden
heit der W ürfel beruhte auf der großen technischen Schwierigkeit, aus dem ja bereits vorbeanspruchten Material nur W ü rfe l m it derselben Kantenlänge herauszuschneiden. Selbst bei vorsichtigstem Arbeiten kam es vor, daß das Stück beim Sägen der letzten Würfelflächen in zur Schichtung parallele Teile zerfiel
1 Coll. G u a r d . 1929, B d . 139, S. S03; B ur. Min. Bull. 1929, H . 303.
- a. a. 0 .
und dann gegebenenfalls nur noch ein W ürfel m it kleinerer Kantenlänge hergestellt werden konnte.
Dasselbe g ilt in noch höherm Maße von der H er
stellung der Kohlenwürfel. A uf einen einwandfreien W ürfel entfiel daher viel kostspieliger Bruch. Aus den genannten Gründen können die ermittelten Druckfestigkeiten nur einen verhältnismäßigen W ert
maßstab bieten, ganz abgesehen davon, daß die A rt der Prüfung, bei welcher der Druck nur auf zwei Seiten wirkte, den natürlichen Verhältnissen der Grube nicht entsprach.
Wäre die Anschauung richtig, daß in S00 m Teufe ein statischer Druck von 200 at auf dem Gestein lastet, so müßte man in dieser Teufe bereits vö llig »zerdrückte«, weil über die Druckfestigkeit beanspruchte Kohle antreffen, was jedoch nicht der Fall ist. Da die Schichten nur eine geringe seitliche Ausweichmöglichkeit haben, muß man das Bestehen einer allseitigen Druckverteilung annehmen. Bei diesem Spannungszustand w ird die Gesteinfestigkeit, wie ich später naclnveisen werde, bereits bei A n wesenheit eines geringen Seitendruckes ganz be
trächtlich erhöht. Aus diesen Gründen ist es verfehlt, der E rm ittlung der Druckfestigkeit von Gesteinen auf normale A rt einen großen W ert fü r bergmännische Betrachtungen beizumessen. Die Kenntnis des Ver
hältnisses der Festigkeiten der einzelnen Gesteine zueinander kann jedoch w ertvoll sein.
Versuche über Rißbildung.
S a n d s te in . Das Gestein material fü r diese Ver
suche entsprach dem fü r die Druck- und die weiter folgenden Versuche verwandten. Ein Sandsteinwürfel von 10 cm Kantenlänge wurde so in die Stahlform (Abb. 3) eingesetzt, daß der Druck senkrecht zur Schichtung wirkte. Nur eine Würfelseite ließ die Form offen, so daß 5 Würfelflächen gepreßt wurden. Diese Anordnung galt auch fü r Schiefer und Steinkohle, damit die natürlichen Verhältnisse gewahrt blieben.
Bei langsam steigender Belastung ertönte bei 970 kg/cm2 ein scharfer Knall als Ausdruck einer"
innern Spannungsauslösung. Kurz darauf sprang ohne
Abb. 13. Rißerscheinungen an Sandstein.
weitere Belastungssteigerung an der den Streckenstoß darstellenden offenen Würfelseite eine 11/2 cm starke Schale ab. Diese Erscheinung ähnelt v ö llig dem be
kannten »Schlagen der Stöße« oder den »Bergschüssen«
bei Tunnelbauten und beim Auffahren von Strecken, die unter starker Spannung stehen. Da der übrige W ürfel noch unversehrt, eine Überschreitung der Druckfestigkeit bei diesem Spannungszustand also noch nicht e rfo lg t war, und da sich ferner die Bruch
fläche als eben und nicht m it Gesteinmehl bedeckt
1608 G l ü c k a u f Nr. 47
erwies, kann als Ursache fü r das erste Abplatzen der Schale nur Zerrung angenommen werden. Beim V or
handensein reiner Druckspannungen findet man die Bruchfläche stets m it fein zerriebenem-Gut bedeckt, als Zeichen dafür, daß Bewegungen längs dieser Fläche stattgefunden haben (Mohrsche Flächen).
u üleitfläche, b Rutschs/reifen, c Druckkeil, d abgeplatzte Schalen.
Abb. 14. Handzeichnung zu Abb. 13.
Bei weiterer Belastung, die jedoch nicht mehr den oben genannten W ert erreichte, schob sich der W ürfel unter gleichzeitiger Höhenverminderung nach der freien Fläche hinaus, wobei folgende Erscheinungen auftraten. Sobald W ürfelteile über den Rand des Druckstempcls hinweg bewegt wurden, lösten sich sofort weitere dünne Schalen ab, da sie in den Zustand der Entspannung gerieten. A llm ählich nahmen die Schalen eine solche Lage an, daß sie nicht mehr, wie die ersten, parallel zur offenen Kante, sondern spitzw inklig dazu standen. Der Versuch wurde, als die Höhenverminderung 4 cm betrug, abgebrochen;
nach Abnahme des Druckstempels zeigte sich das B ild, wie es Abb. 13 wiedergibt. Die Aufnahme wurde der bessern Sichtbarkeit wegen von der offenen W ürfelseitc aus schräg von oben vorgenommen. Zur Verdeutlichung dient Abb. 14, die den gedachten Querschnitt veranschaulicht. Der Vorgang war eine Bewegung unter Herausbildung typischer Rutsch
streifen und Gleitflächen. Der Druckstempel ist an der
Abb. 15. Druckkeil mit Rutschstreifen (hellere Stellen).
Gleitfläche
a
unter Bildung des Rutschstreifensb
seitlich verschoben worden und infolgedessen der fest gebliebene Druckkeil
c
entstanden. Diesen zeigt Abb. 15 m it dem heller erscheinenden Rutschstreifen.An der offenen W ürfelseite stellten sich die Schalen
d.
da kein Gegendruck wie bei
a
vorhanden war, in der gezeichneten A rt ein. A u ffä llig ist, daß der Druckkeil keine Risse aufwies.
Ob ähnliche Verhältnisse in der Grube bestehen, läßt sich wegen der erschwerten Beobachtungs
m öglichkeit nicht sagen. Es ist jedoch bekannt, daß
mächtige Sandsteinschichten, wenn sie in Bewegung gekommen sind, wenige, aber dafür um so stärker klaffende Risse zeigen, und daß das Abgleiten nach sicherlich vorhandenen Gleitflächen dann selbst den stärksten Grubenausbau zerstört. Ferner hat man beobachtet, daß auch der feste Sandstein auf den Druck-Bruchflächen feinsten Abrieb aufweist; wo dieser fehlt, ist Zerrung anzunehmen.
T o n s c h ie fe rn Ähnliche Beobachtungen konnten bei den gleichen Versuchen m it Tonschiefer gemacht werden. Bei 550 kg/cm2 Belastung entstand die Lage, wie sie Abb. 16 wiedergibt. A u f der untern Preßplatte sind der Stahlkörper in der Seitenansicht und der bereits m it dem Versuchskörper gewanderte Preß- stempel sichtbar. Eine Gesteinschale hat sich von der offenen W ürfelseite abgelöst und ist ungleichmäßig stark nach der freien Seite gedrückt worden. An der obern, drückenden Preßplatte w ar die Bewegung gering, weil die starke Reibung zwischen Preßstempel
Abb. 16. Seitenansicht eines gepreßten Tonschieferwürfels in der Stahlform.
und Versuchskörper diesen zusammenhielt. Nach der M itte zu wurde die abgelöste Platte stärker. Am Boden der Stahlform war der Druck am kleinsten, so daß hier die Bewegung stärker in Erscheinung trat. Ähnliche Verhältnisse kann man in Abbaustrecken w iederfinden; dort, wo die Reibung zweier Schichten, z. B. zwischen Kohle und Sandstein, groß.ist, werden die .Gesteinplatten länger zusammengehalten als an Stellen, an denen weiche, tonige oder lettige Lagen
Abb. 17. Rißerscheinungen an Tonschiefer beim Pressen in der Form nach Abb. 3
22. N o v e m b e r 1930 G l ü c k a u f 1609
die Bewegung begünstigen. Bei einer Belastung von 960 kg/cm-’ wurde der Versuch beendet, da die Presse keine weitere Drucksteigerung zuließ. Es zeigte sich folgende Erscheinung (Abb. 17). Die erste Gestein- schale
a
war allmählich abgefallen, sie ist nur der Deutlichkeit halber danebengestellt worden. Auf der- Würfelobcrflächeb
erkennt man ein Rißsystem, das parallel zur offenen Fläche verläuft. In der Mitte des Körpers k la fft der Riß am stärksten und nach den Stahlwänden hin schwächer ausgeprägt. An der hintern Stahlwand läßt sich auch hier die entstandene Rutschflächec
sehr schön erkennen.Abb. 19. Rißerscheinungen bei Steinkohle (Aufnahme schräg von oben).
S te in k o h le . Zum Versuch diente Steinkohle aus Abbaupfeilern des Flözes Schuckmann-Niederbank.
Da die Herstellung von genau passenden W ürfeln schwierig war, wurde zur Abgleichung der obern und Untern Druckfläche Gips verwendet, wodurch aller
dings die ersten Erscheinungen etwas verschleiert worden sind. Bei langsamer Drucksteigerung erfolgte bei 200 kg/cm2 unter lebhaftem Knistern und Krebsen
ein scharfer Knall, ähnlich den Pfeiler- oder Berg
schüssen, wobei eine Kohlenschale m it zur offenen Seite parallel verlaufendem Riß absprang; auf der Bruchflächc war kein Abrieb zu erkennen, so daß der Vorgang auch hier eine Zerrung darstellt. Danach geriet der restliche W ürfel unter beständigen kleinen Knallen in ziemlich rasche Bewegung nach der offenen Seite, wobei sich immer von neuem flache Schalen ablösten. Da die Reibung an der obern und untern W ürfelfläche infolge der Gipsschicht groß war, entstand bald eine ungleichmäßige Bewegung der Schalen, die dann etwa in der M itte ausknickten und zerbrachen. Ähnliche Verhältnisse können in den mächtigen Pfeilern Oberschlesiens und in ändern Bezirken beobachtet werden, wenn die Bewegung des Kohlenpfeilers nach dem freien Abbauraum hin infolge von starker Reibung oder Unebenheit des Flözhangenden oder -liegenden gehemmt wird.
Zur Beschränkung dieser Reibung auf ein Mindest
maß wurde ein Kohlenwürfel allseitig m it einer 1 mm starken Paraffinhaut überzogen und dann in derselben Weise beansprucht. Das Abplatzen der ersten Schale erfolgte bereits bei 100 kg/cm2. Bei 170 kg/cm2 setzte ein rasches und gleichmäßiges Wandern der Kohle
^Aufn&hmeric/jfung
Abb. 18. Rißerscheinungen an Tonschiefer.
M it dem zu der offenen Fläche parallel verlaufen
den Rißsystem stehen Grubenbeobachtungen in Ein
klang. In Strecken und Abbauen sucht der Gebirgs- druck, ganz gleich, ob er als reiner Überlagerungs
druck oder als Kämpferdruck angesehen w ird, die Gesteinmassen nach der offenen Fläche hin abzu
schieben; dabei treten im Flöz die zum Abbaustoß parallelen Drucklagen und in den Strecken Los
lösungen von Gesteinschalen auf. Ganz ähnliche Ver
hältnisse zeigt Abb. 18 von einem entsprechenden weitern Versuch.
Abb. 20. Handzeichnung zu Abb. 19.
nach der freien Seite hin ein, und in regelmäßigen Abständen schoben sich etwa 11/2 cm starke Schalen hinaus. Als sich die W ürfelhöhe um 2 cm vermindert hatte, wurde der Versuch beendet. Das Bild nach Abnahme der Druckplatte veranschaulicht Abb. 19.
Die parallel zur offenen Seite (Stoßkante) verlaufen
den Risse sind gut erkennbar; an der Rückseite des W ürfels befindet sich eine Zone v ö llig zermürbter Kohle, auf die eine Schicht festgedrückter Kohle an der Stahlwand folgt. Diese Verhältnisse entsprechen durchaus den beim Sandsteinversuch beschriebenen, nur ist statt der Rutschstreifen eine Zertrümmerungs
zone entsprechend der geringem Festigkeit der Kohle entstanden. Einen Querschnitt durch den W ürfel gibt Abb. 20.
Versuche nach dem Verfahren von Kick.
Im Gegensatz zu den Versuchen zur Klärung der Rißbildung stehen die nach dem Kickschen Verfahren durchgeführten. Während fü r die reinen Druck
versuche die Ausweichmöglichkeit nur nach einer Seite besteht, können die Gesteine hier nach vier Seiten ausweichen, wobei sie allerdings einen Gegendruck finden, der die Bewegung zu hemmen sucht. Dieser Gegendnick ist stets geringer als der Hauptdruck, der auf die beiden Stirnflächen der Probekörper ausgeübt wird. Insofern vermag diese Anordnung sicherlich über die Formänderung von Gebirgsschichten in allseitig gespanntem Zustand Auskunft zu geben.
