Grundlagen der Spreng- und Splittertechnik verstehen – Teil 1

Einführung

Sprengungen sind ein entscheidender Vorgang im Bergbau, in Steinbrüchen und im Bauwesen. Dabei werden Sprengstoffe kontrolliert gezündet, um Gestein in handliche Bruchstücke zu zerkleinern. Das grundlegende Prinzip der Sprengung beruht auf dem Verständnis der Wechselwirkung zwischen Sprengstoffenergie und Gesteinsmechanik, insbesondere der Ausbreitung von Stoßwellen und der daraus resultierenden Rissbildung.

Die Stoßwellentheorie der Sprengung

Die Stoßwellentheorie liefert einen Rahmen zum Verständnis, wie Explosionsenergie in mechanische Arbeit umgewandelt wird und so Gestein zerkleinert. Wie Hino (1956) bereits erwähnte, erzeugt die Detonation einer Sprengladung eine intensive Stoßwelle, die mit einer raschen Freisetzung von Gas und Energie einhergeht.

Diese Energie hat zwei Hauptwirkungen:

1. Bildung der Zerkleinerungszone:

In der Nähe der Sprengladung erfährt das Gestein eine starke Druckspannung, die seine Druckfestigkeit übersteigt. Dadurch entsteht eine Zerkleinerungszone, ein Bereich, in dem das Gestein zu feinen Fragmenten zermahlen wird. Da Gesteine jedoch im Allgemeinen eine hohe Druckfestigkeit aufweisen, beschränkt sich diese Zerkleinerungszone auf die unmittelbare Umgebung der Ladung.

Abbildung 1 (Shadab Far et al., 2019)

2. Ausbreitung von Stoßwellen:

Jenseits der Bruchzone breitet sich eine Hochdruckstoßwelle als Kompressionswelle nach außen aus. Diese Welle verursacht nicht unmittelbar einen Gesteinsbruch, sondern überträgt Energie durch die Gesteinsmasse.

An der ersten freien Fläche (einer Grenze ohne äußere Einspannung, wie z. B. der Oberfläche einer Bank oder Tunnelwand) wird die Druckwelle als Zugwelle reflektiert. In der Felsmechanik ist dieser Übergang entscheidend, da Gesteine unter Zugspannung deutlich schwächer sind als unter Druckspannung. Bei der Wechselwirkung der Zugwelle mit dem Gestein entstehen Brüche, wenn die effektive Zugspannung – die Differenz zwischen der reflektierten Zugwelle und einer eventuell verbleibenden Druckspannung – die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt (Himanshu et al., 2024).

Dicke der ersten Platte und Fragmentierung

Der durch die Zugwelle verursachte erste Bruch tritt in einem Abstand von der freien Oberfläche auf, der als Dicke der ersten Platte bezeichnet wird (Hino, 1956). Dieser Abstand ist kritisch, weil:

• Es bestimmt die Größe des Ausgangsfragments.
• Andere Fragmentabmessungen sind im Allgemeinen proportional zu dieser Dicke.

Wenn die verbleibende Kompressionswelle nach dem Ablösen der ersten Platte noch genügend Energie besitzt, breitet sie sich weiter nach außen aus (siehe Abbildung 2). Dieser Vorgang wiederholt sich an neu entstandenen freien Flächen, wodurch sukzessive Bruchschichten entstehen und das Gestein in kleinere Fragmente zerfällt. Der Zyklus setzt sich fort, bis die Energie der Kompressionswelle unter die Zugfestigkeit des Gesteins sinkt.

Das Zusammenspiel von Stoßwellenausbreitung, Energiedissipation und Gesteinsfestigkeit bestimmt den Fragmentierungsprozess. Das Verständnis dieser Prinzipien ermöglicht es Sprengingenieuren, Sprengkonzepte zu optimieren, um die gewünschten Fragmentgrößen zu erzielen, sprengbedingte Probleme wie Bodenerschütterungen, Steinflug und Überbruch zu minimieren und einen effizienten Folgebetrieb zu gewährleisten.

Faktoren, die die Ausbreitung und Fragmentierung von Stoßwellen beeinflussen

Mehrere Faktoren beeinflussen die Wirksamkeit einer Sprengung und die daraus resultierende Fragmentierung:

1. Explosive Eigenschaften

• Der Energiegehalt, die Detonationsgeschwindigkeit und die Einschließung des Sprengstoffs beeinflussen die Intensität und Dauer der Stoßwelle maßgeblich.

2. Gesteinseigenschaften

• Variationen in der Festigkeit, Dichte und Struktur von Gesteinen (z. B. Klüfte, Brüche und Schichtflächen) beeinflussen die Ausbreitung von Stoß- und Zugwellen.

3. Auslegungsparameter für die Sprengung:

• Der Durchmesser des Lochs, der Lochabstand, die Ladungsmenge und die Anordnung der Ladungen bestimmen die Energieverteilung und die daraus resultierende Fragmentierung.

4. Freie Gesichtsausrichtung:

• Das Vorhandensein und die Ausrichtung freier Flächen spielen eine entscheidende Rolle bei der Ermöglichung der Reflexion von Zugwellen und der Einleitung von Brüchen.

5. Energieverteilung:

• Eine präzise Verteilung der Explosionsenergie gewährleistet eine gleichmäßige Fragmentierung und minimiert die Entstehung von übergroßen Felsbrocken oder Feinanteilen.

Bedeutung der Fragmentierung im Bergbaubetrieb

Eine effektive Fragmentierung ist für die Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Bergbaubetrieben unerlässlich. Gut fragmentiertes Gestein ermöglicht Folgendes:

• Reduzierte Lade- und Transportkosten.
• Verbesserter Durchsatz und höhere Effizienz des Brechers.
• Geringerer Energieverbrauch in der nachgelagerten Verarbeitung.
• Erhöhte Sicherheit durch Minimierung des Auftretens gefährlicher, übergroßer Felsbrocken.

Bedeutung der Bewertung von Sprengleistung und -ergebnis

WipFrag, eine hochmoderne Bildanalysesoftware, revolutioniert die Beurteilung der Sprengleistung und der Fragmentierung. Durch die Analyse von Bildern fragmentierten Gesteins liefert WipFrag präzise und umsetzbare Erkenntnisse über die Qualität einer Sprengung. So optimiert WipFrag Sprengarbeiten:

1. Analyse der Partikelgrößenverteilung (PSD):

• WipFrag generiert PSD-Kurven, die den Größenbereich von Gesteinsfragmenten quantifizieren und es den Anwendern ermöglichen zu beurteilen, ob die Fragmentierung den Spezifikationen entspricht.

2. Bewertung des Spezifikationsrahmens

• Die Software ermöglicht es Benutzern, Spezifikationsbereiche für die bruchmaschinenkompatible Fragmentierung zu definieren. Abweichungen von diesen Bereichen weisen auf Verbesserungspotenziale bei der Sprengplanung hin.

3. Identifizierung und Zählung von Felsblöcken:

• Die hochentwickelten Algorithmen von WipFrag erkennen und zählen übergroße Felsbrocken und liefern so wichtige Daten zur Optimierung der Sprengstoffplatzierung und -menge.

4. Bildfusion und Orthomosaikintegration:

• Die Möglichkeit, mehrere Bilder zusammenzuführen, gewährleistet eine umfassende Analyse großer Abraumhalden. Die Integration mit Drohnenorthomosomen ermöglicht die großflächige Beurteilung der Sprengwirkung.

5. Kontinuierliche Verbesserung:

• Durch den Vergleich der Fragmentierungsergebnisse verschiedener Sprengungen unterstützt WipFrag die kontinuierliche Verbesserung der Sprengverfahren, wodurch Kosten gesenkt und die Effizienz gesteigert werden.

6. Echtzeitanalyse:

• Die Integration mit Systemen wie Solo 6 und Reflex 6 ermöglicht Echtzeitüberwachung und -analyse und gewährleistet so ein sofortiges Feedback für die Entscheidungsfindung.

Abbildung 3

Abbildung 3 präsentiert Ergebnisse, die mit der WipFrag-Software erzielt wurden, und veranschaulicht deren Leistungsfähigkeit bei der Fragmentierungsanalyse.

• Abbildung 3a Die Funktion präsentiert die GIS-integrierte Vor-Ort-Fragmentierungsanalyse. Diese in WipFrag integrierte Funktion ermöglicht es Nutzern, die Sprengergebnisse räumlich zu visualisieren. Die roten Bereiche der GIS-Karte heben Gebiete mit ungünstigen Sprengergebnissen hervor, während hellere Farben wie Blau und Grün Zonen mit günstiger Fragmentierung darstellen.
• Abbildung 3c Die Abbildung zeigt die Partikelgrößenverteilungskurven (PSD) im Vergleich dreier verschiedener Sprengungen. Der gelbe Rahmen markiert die Produktionsspezifikation der untersuchten Mine und dient als Referenzwert. Mit WipFrag kann jede Mine ihre Leistungskennzahlen (KPIs) definieren und für laufende Bewertungen nutzen. Dies erleichtert die Evaluierung von Sprengverbesserungen über mehrere Sprengungen hinweg.
• Darüber hinaus enthalten die PSD-Kurven Größenklassifizierungen und kennzeichnen spezifische Größen, die von den Produktionsanforderungen der Mine abweichen, wodurch eine präzise Überwachung und Abstimmung mit den betrieblichen Zielen gewährleistet wird.

Die von WipFrag bereitgestellte umfassende Analyse hilft dabei, Verbesserungspotenziale zu identifizieren, Sprengstrategien zu optimieren und die Gesamteffizienz des Bergbaus zu steigern.

Abschluss

Sprengung und Fragmentierung sind komplexe Prozesse, die durch das Zusammenspiel von Sprengenergie, Gesteinsmechanik und Sprengparametern bestimmt werden. Das Verständnis dieser Grundlagen ist unerlässlich für die Optimierung der Abläufe und das Erreichen der gewünschten Ergebnisse. Die Software WipFrag spielt dabei eine zentrale Rolle, indem sie detaillierte und präzise Fragmentierungsanalysen liefert. So können Anwender die Leistung bewerten, Verbesserungspotenziale identifizieren und datengestützte Strategien zur kontinuierlichen Optimierung implementieren. Mit Tools wie WipFrag kann die Bergbauindustrie sicherere, effizientere und kostengünstigere Sprengungen durchführen (Software hier herunterladen). https://wipware.com/get-wipfrag/).

Referenzen

Hino, K. (1956). Fragmentierung von Gestein durch Sprengung und Stoßwellentheorie der Sprengung. In ARMA US Symposium für Felsmechanik/Geomechanik (S. ARMA-56). ARMA.

Himanshu, VK, Bhagat, NK, Vishwakarma, AK und Mishra, AK (2024). Grundsätze und Verfahren der Felssprengung. CRC Press.

Shadab Far, M., Wang, Y., & Dallo, YA (2019). Zuverlässigkeitsanalyse der induzierten Schäden bei der Sprengung von Gestein mit einem einzigen Bohrloch. Georisk: Bewertung und Management von Risiken für technische Systeme und geologische Gefahren, 13(1), 82-98.