Solegefrieren von Schächten - Teil 2
# 18.02.2009
In Fortsetzung zu Teil 1 werden nachstehend grundsätzliche Parameter beim Solegefrieren von Schächten im Bergbau erörtert. Die Zahlenangaben spiegeln arithmetische Mittelwerte ausgeführter Projekte wieder (in Klammern ist die jeweilige Streubreite angegeben). Die Beiträge sind in Form von FAQs (frequently asked questions) strukturiert.
Was ist der optimale Gefrierrohrabstand s bzw. welchen Durchmesser hat der Gefrierkreis D?
Der Gefrierkreisdurchmesser D (Bild 3) hängt wesentlich von der Tiefe, vom Ausbaukonzept und von dem späteren lichten Durchmesser des Schachtes ab. Mehrheitlich wurden bei Bergwerkschächten in Deutschland 38 (± 2) Gefrierrohre gewählt. Der Abstand zwischen den Rohren betrug s = 1,30 m (± 0,14 m). In Abhängigkeit vom späteren lichten Durchmesser des Schachtes (zwischen 4 m und 8 m) liegen die ausgeführten Gefrierkreise bei D = 15 m (± 2 m).
Welche Bruchkriterien beschreiben den Boden?
Am meisten kommt auch hier das Bruchkriterium bzw. die Fließregel von Mohr-Coulomb zur Anwendung. Bei Kenntnis der Kohäsion c und dem Reibungswinkel φ (jeweils für den gefrorenen Zustand) lässt sich die einaxiale Druckfestigkeit errechnen zu K = (2 * c * cos φ) / (1 - sin φ). Z. B. für einen Reibungswinkel von φ = 30° und einer Kohäsion von c = √3 = 1,73 MPa resultiert eine Festigkeit von of K = 6 MPa. Natürlich sind auch andere Kriterien eingesetzt worden, insbesondere dem zeitabhängigen Materialverhalten von gefrorenem Boden schenkt die Fachliteratur große Aufmerksamkeit.
Kohäsion c und Reibungswinkel φ unter Frost?
Granulare Materialien zeigen einen Verlust an Reibung der quantitativ mit rund 1/10 abgeschätzt werden kann, umgekehrt zeigt sich bei schluffigen bzw. tonigen Böden, dass die Kohäsion umgekehrt proportional ansteigt.
Wie groß ist die einaxiale Druckfestigkeit K von gefrorenem Lockergestein?
Wie im ungefrorenen Zustand hat im gefrorenen Zustand ein mehr sandiges Material eine höhere Festigkeit als ein Schluff oder Ton. 15 MPa für gefrorenen Sand und 3 MPa für gefrorenen Ton können bei -10 °C repräsentativ sein.
Wie ändert sich die einaxiale Druckfestigkeit K in Funktion von Zeit und Temperatur?
Zunächst haben die zeitabhängigen Eigenschaften von gefrorenem Boden einen großen Einfluss auf die einaxiale Druckfestigkeit K. Diese komplexen Zusammenhänge werden unter dem Thema "Kriechen von gefrorenem Boden" umfangreich in der Forschung behandelt. Die Abnahme der einaxialen Druckfestigkeit in Abhängigkeit von der Zeit t und/oder der Temperatur T kann annähernd zu K (t,T) = K * 10 hoch [years (a) / T (°C)] angenommen werden.
Welche Gefriertemperaturen sind erforderlich?
Verständlicherweise stellt sich ein Temperaturgradient zwischen dem Gefrierrohrkreis von z. B. -30 °C und dem offenen Schachtstoß ein. In analytischen Berechnungen wird häufig vereinfachend eine konstante mittlere Gefriertemperatur von -10 °C beim Einsatz des Solegefrierens unterstellt; d. h. der Schachtstoß sollte nicht wärmer als -3 °C sein.
Strömendes Grundwasser?
Den Erfahrungen nach sollten Grundwasserströmungen nicht größer als 2 m/d sein.
Damit sind die wesentlichen Parameter für die Vorbemessung von Schächten (Bild 4), die mit dem Solegefrieren gesichert werden, besprochen worden. Einige Rechenbeispiele folgen im Teil 3.
Dr.-Ing. Joachim Klein
hat weitreichende Erfahrungen, wenn es um Gefrierschächte in Deutschland in den letzten 30 Jahre geht. Mehr als 100 Veröffentlichungen zum Gefrierschachtbau, zur Schachtausbaudimensionierung und anderen Themen des Ingenieurbaus hat Klein publiziert. (cw)
