‘Coupled process’ implies that one process affects the initiation and progress of the others and vice versa. The deformation and damage behaviors of rock under loading process change the fluid flow field within it, and lead to altering in permeable characteristics; on the other side inner fluid flow leads to altering in pore pressure and effective stress of rock matrix and flow by influencing stress strain behavior of rock. Therefore, responses of rock to natural or man-made perturbations cannot be predicted with confidence by considering each process independently. As far as hydro-mechanical behavior of rock is concerned, the researchers have always been making efforts to develop the model which can represent the permeable characteristics as well as stress-strain behaviors during the entire damage process. A brittle low porous granite was chosen as the study object in this thesis, the aim is to establish a corresponding constitutive law including the relation between permeability evolution and mechanical deformation as well as the rock failure behavior under hydro-mechanical coupled conditions based on own hydro-mechanical coupled lab tests. The main research works of this thesis are as follows: 1. The fluid flow and mechanical theoretical models have been reviewed and the theoretical methods to solve hydro-mechanical coupled problems of porous medium such as flow equations, elasto-plastic constitutive law, and Biot coupled control equations have been summarized. 2. A series of laboratory tests have been conducted on the granite from Erzgebirge–Vogtland region within the Saxothuringian segment of Central Europe, including: permeability measurements, ultrasonic wave speed measurements, Brazilian tests, uniaxial and triaxial compression tests. A hydro-mechanical coupled testing system has been designed and used to conduct drained, undrained triaxial compression tests and permeability evolution measurements during complete loading process. A set of physical and mechanical parameters were obtained. 3. Based on analyzing the complete stress-strain curves obtained from triaxial compression tests and Hoek-Brown failure criterion, a modified elemental elasto-plastic constitutive law was developed which can represent strength degradation and volume dilation considering the influence of confining pressure. 4. The mechanism of HM-coupled behavior according to the Biot theory of elastic porous medium is summarized. A trilinear evolution rule for Biot’s coefficient based on the laboratory observations was deduced to eliminate the error in predicting rock strength caused by constant Biot’s coefficient. 5. The permeability evolution of low porous rock during the failure process was described based on literature data and own measurements, a general rule for the permeability evolution was developed for the laboratory scale, a strong linear relation between permeability and volumetrical strain was observed and a linear function was extracted to predict permeability evolution during loading process based on own measurements. 6. By combining modified constitutive law, the trilinear Biot’s coefficient evolution model and the linear relationship between permeability and volumetrical strain, a fully hydro-mechanical coupled numerical simulation scheme was developed and implemented in FLAC3D. A series of numerical simulations of triaxial compression test considering the hydro-mechanical coupling were performed with FLAC3D. And a good agreement was found between the numerical simulation results and the laboratory measurements under 20 MPa confining pressure and 10 MPa fluid pressure, the feasibility of this fully hydro-mechanical coupled model was proven.

Bibliografische Beschreibung, Referat und Schlagwörter M.S. Chem. Ing. Sung Gook Park Thema: Organic Modified GaAs Schottky Contacts Einreichungsdatum: 28. September 2001 Im Rahmen dieser Arbeit wurden organische Halbleitermaterialien verwendet, um damit die Transporteigenschaften von Metal/GaAs(100) Schottky-Kontakten zu kontrollieren. Ziel ist es, Strom-Spannungs- (J-V) und Kapazitäts-Spannungs-Kennenlien (C-V) zu verstehen. Zur chemischen und elektronischen Charakterisierung der GaAs(100)-Oberflächen, organische Molekül/GaAs(100)-Grenzflächen und der Metall/organische Molekül-Grenzflächen wurden die Photoelektronenspektroskopie (PES) und Nahkantenröntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) eingesetzt. Verschiedene GaAs(100)-Oberflächen, wie die reine GaAs(100)-c(4x4)-, die Wasserstoff-Plasma behandelte GaAs(100)- und die chalkogenpassivierte GaAs-Oberflächen, wurden als Substrate für die organische Molekularstrahldeposition (OMBD) verwendet. In der Arbeit wird der Einfluss der chemischen und elektronischen Eigenschaften dieser Substratoberflächen auf das Wachstum von organischen Molekülen auf deren Oberflächen untersucht. 3,4,9,10-Perylentetracarboxylic Dianhydrid (PTCDA) und Dimethyl-3,4,9,10-Perylentetracarboxyl Diimid wurden zur organischen Modifizierung von Metall/GaAs(100)-Schottky-Kontakten verwendet. Die organischen Moleküle werden anfänglich an Defekten der GaAs(100)-Oberflächen adsorbiert. Die Adsorption an Defekten führt zu einer Reduktion der inhomogenen Bandverbiegung der GaAs(100)-Oberfläche. Aus den PES-Spektren wurden Energiebanddiagramme für organische Schicht/GaAs(100)-Grenzflächen und Metall/organische Grenzflächen abgeleitet. Entsprechend der relativen energetischen Lagen des Leitungsbandminimums von GaAs(100)-Oberflächen und des niedrigsten unbesetzten Molekülorbitals der organischen Schichten werden Interfacedipole ausgebildet. Die Verwendung von anorganischen Substraten mit systematisch variierender Elektronenaffinität (EA) stellt eine neue Methode zur Bestimmung des Transportniveaus von Elektronen in der organischen Schicht dar. Bei Einfügung von dünnen PTCDA-Schichten zwischen Ag-Elektrode und GaAs(100)-Oberfläche, wurde beobachtet, dass die J-V-Kennlinien in Abhängigkeit von der Dicke der organischen Schicht und der Behandlung der GaAs-Oberflächen systematisch variierte. Dieses Verhalten kann unter Verwendung des Energieniveaudiagramms, das mittels PES bestimmt wurde, und durch eine Barrierenerniedrigung infolge von Bildkräften gut erklärt werden. Durch die Kombination von Oberflächenbehandlung und Einfügen einer dünnen definierten organischen Schicht kann die effektive Barrierenhöhe in einem breiten Bereich verändert, d. h. letztendlich definiert eingestellt und kontrolliert werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die Leistungsaufnahme von GaAs-Schottky-Kontakten zu reduzieren. <Schlagwörter> Organische Moleküle, Organische Molekularstrahldeposition (OMBD), GaAs(100), Metall/Hableiter- Schottky-Kontakt, Photoemissionspektroskopie (PES), Nahkantenröntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS), Elektrische Messungen

Die Arbeit führt Methoden zur Durchführung von Zugversuchen und bruchmechanischen Versu-chen ein und liefert mechanische Kennwerte für zwei kohlenstoffgebundene FFW im Bereich von RT bis 1500°C. Dafür standen ein grobkörniges MgO-C und ein feinkörniges Al2O3-C zur Ver-fügung. Die Werkstoffe zeigten bis 1200°C keine Duktilität und sprachen spröde. Die Schädigung erfolgte ausschließlich durch Risswachstum. Dieses fand beim MgO-C temperaturunabhängig auf Grund der rissbehafteten Mikrostruktur durch stabiles Risswachstum bereits vorhandener Risse statt. Es kam dabei zur Bildung von Rissnetzwerken sowie zu zahlreichen energiedissipierenden Prozessen. Beim Al2O3-C trat be RT instabiles Risswachstum auf. Bei hohen Temperaturen kam es durch thermisch aktivierte Prozesse zu duktilem Verhalten und stabilem Risswachstum. Beim grobkörnigen MgO-C wurden große Verformungen durch das starre Oxidgerüst verhindert. Zu-sätzlich zeigten die Werkstoffe auf Grund ihrer Mikrostruktur eine Zunahme der Festigkeit mit steigender Temperatur. Aus den Versuchen wurde ein Heißpressverfahren zur Herstellung von gradierten Werkstoffen abgeleitet.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Feuerfestwerkstoffe 2.1.1 Einsatz und Beanspruchung von FFW 2.1.2 Einteilung von FFW 2.2 Kohlenstoffgebundene FFW 2.2.1 Kohlenstoff und seine Terminologie 2.2.2 Grundlegende Eigenschaften kohlenstoffgebundener FFW 2.2.3 Anwendungen kohlenstoffgebundener FFW 2.2.4 Aufbau und Mikrostruktur kohlenstoffgebundener FFW 2.2.5 Herstellungsparameter kohlenstoffgebundener FFW 2.2.6 Chemische Eigenschaften kohlenstoffgebundener FFW 2.3 Mechanische Eigenschaften kohlenstoffgebundener FFW 2.3.1 Mechanische Eigenschaften kohlenstoffgebundener FFW bei RT 2.3.2 Mechanische Eigenschaften kohlenstoffgebundener FFW bei HT 2.4 Grundlagen zur Werkstoffprüfung bei RT und hohen Temperaturen 2.4.1 Streuung und Einfluss der Probengröße 2.4.2 Belastungsrate 2.4.3 Zugversuche 2.4.4 Druckversuche 2.4.5 Biegeversuche 2.4.6 Bruchmechanische Untersuchungen 2.4.7 Temperaturwechselbeständigkeit 2.4.8 Kriechen 2.4.9 Spannungsrelaxation 2.4.10 Härtemessung 2.4.11 Hochtemperaturprüfung in Kaltkammerofen mit induktiver Heizung 2.4.12 Temperaturmessung mit Thermoelement, Pyrometrie, Thermographie 2.4.13 Bestimmung elastischer Konstanten mittels akustischer Methoden 2.4.14 Optische in situ Schadensbeschreibung mittels Mikroskopie und DIC 2.5 Heißpressverfahren 3 Experimentelles 3.1 Werkstoffe 3.1.1 Kohlenstoffgebundenes Magnesiumoxid (MgO-C) 3.1.2 Kohlenstoffgebundenes Aluminiumoxid (Al2O3-C) 3.1.3 Graphit (ISEM 8) 3.2 Mechanische Tests 3.2.1 Prüfmaschine für Druck- und Biegeversuche 3.2.2 Prüfmaschine für Zug-Druck-Versuche 3.2.3 Probengeometrien 3.2.4 Druckversuche 3.2.5 Biegeversuche 3.2.6 Bruchmechanische Versuche 3.2.7 Versuche mit Zugbeanspruchung 3.2.8 Versuchsabläufe der Hochtemperaturversuche 3.2.9 Temperaturmessung mittels Thermographie 3.3 Weitere Versuchsmethoden 3.3.1 Mikrostrukturuntersuchung mittels Mikroskopie und Röntgenbeugung 3.3.2 Porositäts- und Dichtemessung 3.3.3 Härtemessung 3.3.4 Dynamischer E-Modul 4 Methodische Erkenntnisse und Voruntersuchungen 4.1 Temperaturmessung und -verteilung 4.1.1 Temperaturmessung mittels Thermoelement und Pyrometer 4.1.2 Emissionskoeffizient und Probenbeschichtung 4.1.3 Temperaturverteilung 4.2 Dehnungsmessung 4.3 Zugversuche an Keramiken 4.3.1 Übertragung von Zugkräften 4.3.2 Axialität in Zugversuchen 4.4 Bruchmechanische Versuche 4.4.1 Kerbeinbringung 4.4.2 Überprüfung des optischen Messsystems 4.4.3 Bestimmung der Risslänge während des Versuchs 4.5 Überprüfung der Messmethodik mit dem Referenzwerkstoff Graphit ISEM-8 5 Ergebnisse 5.1 Mikrostrukturbeschreibung der untersuchten FFW 5.1.1 Mikrostruktur des MgO-C’s 5.1.2 Mikrostruktur des Al2O3-C’s 5.2 Mechanisches Verhalten bei RT 5.2.1 Mechanisches Verhalten von MgO-C bei RT 5.2.2 Mechanisches Verhalten von Al2O3-C bei RT 5.3 Mechanische Eigenschaften bei HT 5.3.1 Mechanisches Verhalten von MgO-C bei HT 5.3.2 Mechanisches Verhalten von Al2O3-C bei HT 5.4 Heißpressverfahren für kohlenstoffgebundene FFW 5.4.1 Beschreibung des Heißpressverfahrens 5.4.2 Physikalische Eigenschaften und Mikrostruktur des Presslings 5.4.3 Mechanische Eigenschaften des Presslings 6 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick Literatur Anhang

The shear behaviour of rough rock joints was investigated by both laboratory testing and numerical simulation. The most powerful servo-controlled direct shear box apparatus in the world with normal forces up to 1000 kN, shear loading up to 800 kN and frequencies up to 40 Hz under full load was used to investigate the shear strength of schistose rock blocks with dimensions of up to 350 x 200 x 160 mm in length, width and height, respectively. The experiments were performed to study the behaviour of rough rock joints under constant normal load, constant normal stiffness and dynamic boundary conditions. The joint surface of rock specimen was scanned 3-dimensional at the initial stage before shearing by new 3D optical-scanning equipment. The 3D-scanner data were used to estimate the joint roughness coefficient (JRC) and to reconstruct rough surface of rock discontinuities in numerical models. Three dimensional numerical models were developed using FLAC3D to study the macro and micromechanical shear behaviour of the joints. Numerical simulation results were compared to experimental results. Three dimensional characteristic of the joint surface including micro-slope angle, aperture, contact area and normal stress distribution were determined and analyzed.

Cotttaer sandstone is a quite popular material used for sculptures and monuments for almost 1,000 years. Such sculptures and monuments will be damaged after several years. The reasons for that could be different: mechanical damage due to carving by sculptors, expansion stresses due to salt crystallization or temperature change. Damages also happen sometimes after inappropriate consolidation. Cottaer sandstone before and after consolidation was investigated by lab testing and numerical simulations in this thesis. The aim is to develop a simulation strategy which can simulate the thermomechanical coupled damage behavior at grain size level. The main research works of this thesis are as follows: *Uniaxial compression tests, Brazilian tension tests and size effect tests were carried out to investigate the mechanical parameters of original Cottaer sandstone. *Ultrasonic wave velocity measurement and special biaxial flexural tests were carried out to determine how deep the consolidation material penetrates and how much strength of sandstones is increased by using two different injection materials. *A Voronoi-based numerical simulation strategy was developed which considers grain size, grain shape and pore size. Mineral components, intra- and inter-granular contacts and intra- and inter-granular fracturing were considered as well. *Uniaxial compression tests and Brazilian tension tests of unconsolidated sandstone were simulated. This simulation strategy can capture inter- and intra-granular fracturing. *Prediction of thermo-mechanical coupled behavior of consolidated and unconsolidated sandstone samples was performed. The simulation results show that thermal properties of grains and filled pores have influence on temperature distribution and fracture development in the sandstone. Also, thermal induced displacements are strongly influenced by boundary condition.

The ferromagnetic bulk metallic glasses (BMGs) started to be investigated only in the last 10 years.They are difficult to cast, but their properties are uniques. The work deals with casting, mechanical and soft magnetic properties of new Fe-based BMGs. Such alloys can be cast directly in samples with various geometries and they can be use as magnetic parts in different devices.

Die Arbeit befasst sich mit der Ausscheidungshärtung und deren Einfluss auf mechanische und elektrische Eigenschaften von Kupfer-Titan-Legierungen mit Legierungsgehalten unter 1 Ma.-% Titan. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Optimierung der erzielbaren elektrischen Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit. Die zentralen Inhalte der Untersuchungen waren: • Der Einfluss des Titangehalts, der Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung auf die aus der Ausscheidungshärtung resultierenden mechanischen und elektrischen Eigenschaftsänderungen wurde anhand von Legierungen mit 0,2 Ma.-% bis 1 Ma.-% Titan untersucht. • Der Einfluss einer erhöhten Versetzungsdichte auf die Ausscheidungshärtung und die daraus resultierenden Eigenschaften wurde anhand von unterschiedlich stark kaltumgeformten und ausscheidungsgehärteten Proben ermittelt. • Die Untersuchung des Optimierungspotentials der elektrischen Leitfähigkeit durch den Einsatz von geringen Mengen von Aluminium, Nickel, Silizium, Zink und Zinn. • Die Bestimmung des Einflusses einer Kombination von vorgelagerter Kaltumformung und Einsatz eines dritten Legierungselements auf die aus der Ausscheidungshärtung resultierenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals nach dem derzeit bekannten Stand der Technik und der Literatur umfassend die Ausscheidungshärtung von Kupfer-Titan-Legierungen mit weniger als 1 Ma.-% Titan untersucht. Bisherige Untersuchungen beschäftigten sich mit dem Bereich von 1,5 Ma.-% bis 6 Ma.-% Titan und in der industriellen Anwendung kommt bisher nur eine Legierung mit 3 Ma.-% Titan zum Einsatz. Aufgrund der guten, durch Ausscheidungshärtung erreichbaren, mechanischen Eigenschaften werden Kupfer-Titan-Legierungen in binärer Form oder als Mehrstofflegierungen mit Titan als Hauptlegierungselement als Substitutionswerkstoffe für Kupfer-Beryllium-Legierungen angesehen. So kommen diese vermehrt bei Steckverbindern im Automobilbau oder als Werkstoff für den Batteriekontakt oder die Kamera in Smartphones zum Einsatz. Jedoch weisen Kupfer-Titan-Legierungen eine deutlich geringere elektrischen Leitfähigkeit als Kupfer-Beryllium-Legierungen auf. Der Ansatz für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen ist, dass durch den Einsatz geringerer Titan-Gehalte in Kombination mit geeigneter Wärmebehandlung und Optimierung durch vorgelagerte Kaltumformung und den Einsatz weiterer Legierungselemente eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit bei Erhalt guter mechanischer Eigenschaften erreichbar wird. Die experimentellen Untersuchungen von Kupfer-Titan-Legierungen mit bis zu 1 Ma.-% Titan und deren Wärmebehandlungen zur Erzielung verschiedener Auslagerungszustände zeigen, dass vor allem Legierungen mit 0,8 Ma.-% bis 1 Ma.-% Titan ein großes Potential hinsichtlich einer Ausscheidungshärtung aufweisen. Bei diesen lassen sich durch die Ausscheidungshärtung gute mechanische Eigenschaften und eine gute elektrische Leitfähigkeit einstellen. Eine deutliche Steigerung dieser Werkstoffkennwerte ist vor allem durch eine vorgelagerte Kaltumformung zu erzielen. Die Verwendung geringer Anteile an Silizium und Zink führten zu einer Beschleunigung der Ausscheidungshärtung bei einem ähnlichen Eigenschaftsprofil. Durch den Einsatz einer vorgelagerten Kaltumformung bei den Legierungen mit geringen Zusätzen von dritten Elementen zeigte sich noch eine erheblich schnellere Aushärtung bei Erzielung guter Ergebnisse für die Härte, Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Vor allem die schnelle Aushärtung liefert eine gute Grundlage für eine wirtschaftliche und energieeffiziente Herstellung dieser Legierungen in einer industriellen Anwendung.

‘Coupled process’ implies that one process affects the initiation and progress of the others and vice versa. The deformation and damage behaviors of rock under loading process change the fluid flow field within it, and lead to altering in permeable characteristics; on the other side inner fluid flow leads to altering in pore pressure and effective stress of rock matrix and flow by influencing stress strain behavior of rock. Therefore, responses of rock to natural or man-made perturbations cannot be predicted with confidence by considering each process independently. As far as hydro-mechanical behavior of rock is concerned, the researchers have always been making efforts to develop the model which can represent the permeable characteristics as well as stress-strain behaviors during the entire damage process. A brittle low porous granite was chosen as the study object in this thesis, the aim is to establish a corresponding constitutive law including the relation between permeability evolution and mechanical deformation as well as the rock failure behavior under hydro-mechanical coupled conditions based on own hydro-mechanical coupled lab tests. The main research works of this thesis are as follows: 1. The fluid flow and mechanical theoretical models have been reviewed and the theoretical methods to solve hydro-mechanical coupled problems of porous medium such as flow equations, elasto-plastic constitutive law, and Biot coupled control equations have been summarized. 2. A series of laboratory tests have been conducted on the granite from Erzgebirge–Vogtland region within the Saxothuringian segment of Central Europe, including: permeability measurements, ultrasonic wave speed measurements, Brazilian tests, uniaxial and triaxial compression tests. A hydro-mechanical coupled testing system has been designed and used to conduct drained, undrained triaxial compression tests and permeability evolution measurements during complete loading process. A set of physical and mechanical parameters were obtained. 3. Based on analyzing the complete stress-strain curves obtained from triaxial compression tests and Hoek-Brown failure criterion, a modified elemental elasto-plastic constitutive law was developed which can represent strength degradation and volume dilation considering the influence of confining pressure. 4. The mechanism of HM-coupled behavior according to the Biot theory of elastic porous medium is summarized. A trilinear evolution rule for Biot’s coefficient based on the laboratory observations was deduced to eliminate the error in predicting rock strength caused by constant Biot’s coefficient. 5. The permeability evolution of low porous rock during the failure process was described based on literature data and own measurements, a general rule for the permeability evolution was developed for the laboratory scale, a strong linear relation between permeability and volumetrical strain was observed and a linear function was extracted to predict permeability evolution during loading process based on own measurements. 6. By combining modified constitutive law, the trilinear Biot’s coefficient evolution model and the linear relationship between permeability and volumetrical strain, a fully hydro-mechanical coupled numerical simulation scheme was developed and implemented in FLAC3D. A series of numerical simulations of triaxial compression test considering the hydro-mechanical coupling were performed with FLAC3D. And a good agreement was found between the numerical simulation results and the laboratory measurements under 20 MPa confining pressure and 10 MPa fluid pressure, the feasibility of this fully hydro-mechanical coupled model was proven.

This dissertation evaluates the possibilities and limitations of rock type identification in rock cutting with conical picks. For this, machine learning in conjunction with features derived from high frequency cutting force measurements is used. On the basis of linear cutting experiments, it is shown that boundary layers can be identified with a precision of less than 3.7 cm when using the developed programme routine. It is further shown that rocks weakened by cracks can be well identified and that anisotropic rock behaviour may be problematic to the classification success. In a case study, it is shown that the supervised algorithms artificial neural network and distributed random forest perform relatively well while unsupervised k-means clustering provides limited accuracies for complex situations. The 3d-results are visualised in a web app. The results suggest that a possible rock classification system can achieve good results—that are robust to changes in the cutting parameters when using the proposed evaluation methods.:1 Introduction...1 2 Cutting Excavation with Conical Picks...5 2.1 Cutting Process...8 2.1.2 Cutting Parameters...11 2.1.3 Influences of Rock Mechanical Properties...17 2.1.4 Influences of the Rock Mass...23 2.2 Ratios of Cutting Force Components...24 3 State of the Art...29 3.1 Data Analysis in Rock Cutting Research...29 3.2 Rock Classification Systems...32 3.2.1 MWC – Measure-While-Cutting...32 3.2.2 MWD – Measuring-While-Drilling...34 3.2.3 Automated Profiling During Cutting...35 3.2.4 Wear Monitoring...36 3.3 Machine learning for Rock Classification...36 4 Problem Statement and Justification of Topic...38 5 Material and Methods...40 5.1 Rock Cutting Equipment...40 5.2 Software & PC...42 5.3 Samples and Rock Cutting Parameters...43 5.3.1 Sample Sites...43 5.3.2 Experiment CO – Zoned Concrete...45 5.3.3 Experiment GN – Anisotropic Rock Gneiss...47 5.3.4 Experiment GR – Uncracked and Cracked Granite...49 5.3.5 Case Study PB and FBA – Lead-Zinc and Fluorite-Barite Ores...50 5.4 Data Processing...53 5.5 Force Component Ratio Calculation...54 5.6 Procedural Selection of Features...57 5.7 Image-Based Referencing and Rock Boundary Modelling...60 5.8 Block Modelling and Gridding...61 5.9 Correlation Analysis...63 5.10 Regression Analysis of Effect...64 5.11 Machine Learning...65 5.11.2 K-Means Algorithm...66 5.11.3 Artificial Neural Networks...67 5.11.4 Distributed Random Forest...70 5.11.5 Classification Success...72 5.11.6 Boundary Layer Recognition Precision...73 5.12 Machine Learning Case Study...74 6 Results...75 6.1 CO – Zoned Concrete...75 6.1.1 Descriptive Statistics...75 6.1.2 Procedural Evaluation...76 6.1.3 Correlation of the Covariates...78 6.1.4 K-Means Cluster Analysis...79 6.2 GN – Foliated Gneiss...85 6.2.1 Cutting Forces...86 6.2.2 Regression Analysis of Effect...88 6.2.3 Details Irregular Behaviour...90 6.2.4 Interpretation of Anisotropic Behaviour...92 6.2.5 Force Component Ratios...92 6.2.6 Summary and Interpretations of Results...93 6.3 CR – Cracked Granite...94 6.3.1 Force Component Results...94 6.3.2 Spatial Analysis...97 6.3.3 Error Analysis...99 6.3.4 Summary...100 6.4 Case Study...100 6.4.1 Feature Distribution in Block Models...101 6.4.2 Distributed Random Forest...105 6.4.3 Artificial Neural Network...107 6.4.4 K-Means...110 6.4.5 Training Data Required...112 7 Discussion...114 7.1 Critical Discussion of Experimental Results...114 7.1.1 Experiment CO...114 7.1.2 Experiment GN...115 7.1.3 Experiment GR...116 7.1.4 Case Study...116 7.1.5 Additional Outcomes...117 7.2 Comparison of Machine Learning Algorithms...118 7.2.1 K-Means...118 7.2.2 Artificial Neural Networks and Distributed Random Forest...119 7.2.3 Summary...120 7.3 Considerations Towards Sensor System...121 7.3.1 Force Vectors and Data Acquisition Rate...121 7.3.2 Sensor Types...122 7.3.3 Computation Speed...123 8 Summary and Outlook...125 References...128 Annex A Fields of Application of Conical Tools...145 Annex B Supplements Cutting and Rock Parameters...149 Annex C Details Topic-Analysis Rock Cutting Publications...155 Annex D Details Patent Analysis...157 Annex E Details Rock Cutting Unit HSX-1000-50...161 Annex F Details Used Pick...162 Annex G Error Analysis Cutting Experiments...163 Annex H Details Photographic Modelling...166 Annex I Laser Offset...168 Annex J Supplements Experiment CO...169 Annex K Supplements Experiment GN...187 Annex L Supplements Experiment GR...191 Annex M Preliminary Artificial Neural Network Training...195 Annex N Supplements Case Study (CD)...201 Annex O R-Codes (CD)...203 Annex P Supplements Rock Mechanical Tests (CD)...204 / Die Dissertation evaluiert Möglichkeiten und Grenzen der Gebirgserkennung bei der schneidenden Gewinnung von Festgesteinen mit Rundschaftmeißeln unter Nutzung maschinellen Lernens – in Verbindung mit aus hochaufgelösten Schnittkraftmessungen abgeleiteten Kennwerten. Es wird auf linearen Schneidversuchen aufbauend gezeigt, dass Schichtgrenzen mit Genauigkeiten unter 3,7 cm identifiziert werden können. Ferner wird gezeigt, dass durch Risse geschwächte Gesteine gut identifiziert werden können und dass anisotropes Gesteinsverhalten möglicherweise problematisch auf den Klassifizierungserfolg wirkt. In einer Fallstudie wird gezeigt, dass die überwachten Algorithmen Künstliches Neurales Netz und Distributed Random Forest teils sehr gute Ergebnisse erzielen und unüberwachtes k-means-Clustering begrenzte Genauigkeiten für komplexe Situationen liefert. Die Ergebnisse werden in einer Web-App visualisiert. Aus den Ergebnissen wird abgeleitet, dass ein mögliches Sensorsystem mit den vorgeschlagenen Auswerteroutinen gute Ergebnisse erzielen kann, die gleichzeitig robust gegen Änderungen der Schneidparameter sind.:1 Introduction...1 2 Cutting Excavation with Conical Picks...5 2.1 Cutting Process...8 2.1.2 Cutting Parameters...11 2.1.3 Influences of Rock Mechanical Properties...17 2.1.4 Influences of the Rock Mass...23 2.2 Ratios of Cutting Force Components...24 3 State of the Art...29 3.1 Data Analysis in Rock Cutting Research...29 3.2 Rock Classification Systems...32 3.2.1 MWC – Measure-While-Cutting...32 3.2.2 MWD – Measuring-While-Drilling...34 3.2.3 Automated Profiling During Cutting...35 3.2.4 Wear Monitoring...36 3.3 Machine learning for Rock Classification...36 4 Problem Statement and Justification of Topic...38 5 Material and Methods...40 5.1 Rock Cutting Equipment...40 5.2 Software & PC...42 5.3 Samples and Rock Cutting Parameters...43 5.3.1 Sample Sites...43 5.3.2 Experiment CO – Zoned Concrete...45 5.3.3 Experiment GN – Anisotropic Rock Gneiss...47 5.3.4 Experiment GR – Uncracked and Cracked Granite...49 5.3.5 Case Study PB and FBA – Lead-Zinc and Fluorite-Barite Ores...50 5.4 Data Processing...53 5.5 Force Component Ratio Calculation...54 5.6 Procedural Selection of Features...57 5.7 Image-Based Referencing and Rock Boundary Modelling...60 5.8 Block Modelling and Gridding...61 5.9 Correlation Analysis...63 5.10 Regression Analysis of Effect...64 5.11 Machine Learning...65 5.11.2 K-Means Algorithm...66 5.11.3 Artificial Neural Networks...67 5.11.4 Distributed Random Forest...70 5.11.5 Classification Success...72 5.11.6 Boundary Layer Recognition Precision...73 5.12 Machine Learning Case Study...74 6 Results...75 6.1 CO – Zoned Concrete...75 6.1.1 Descriptive Statistics...75 6.1.2 Procedural Evaluation...76 6.1.3 Correlation of the Covariates...78 6.1.4 K-Means Cluster Analysis...79 6.2 GN – Foliated Gneiss...85 6.2.1 Cutting Forces...86 6.2.2 Regression Analysis of Effect...88 6.2.3 Details Irregular Behaviour...90 6.2.4 Interpretation of Anisotropic Behaviour...92 6.2.5 Force Component Ratios...92 6.2.6 Summary and Interpretations of Results...93 6.3 CR – Cracked Granite...94 6.3.1 Force Component Results...94 6.3.2 Spatial Analysis...97 6.3.3 Error Analysis...99 6.3.4 Summary...100 6.4 Case Study...100 6.4.1 Feature Distribution in Block Models...101 6.4.2 Distributed Random Forest...105 6.4.3 Artificial Neural Network...107 6.4.4 K-Means...110 6.4.5 Training Data Required...112 7 Discussion...114 7.1 Critical Discussion of Experimental Results...114 7.1.1 Experiment CO...114 7.1.2 Experiment GN...115 7.1.3 Experiment GR...116 7.1.4 Case Study...116 7.1.5 Additional Outcomes...117 7.2 Comparison of Machine Learning Algorithms...118 7.2.1 K-Means...118 7.2.2 Artificial Neural Networks and Distributed Random Forest...119 7.2.3 Summary...120 7.3 Considerations Towards Sensor System...121 7.3.1 Force Vectors and Data Acquisition Rate...121 7.3.2 Sensor Types...122 7.3.3 Computation Speed...123 8 Summary and Outlook...125 References...128 Annex A Fields of Application of Conical Tools...145 Annex B Supplements Cutting and Rock Parameters...149 Annex C Details Topic-Analysis Rock Cutting Publications...155 Annex D Details Patent Analysis...157 Annex E Details Rock Cutting Unit HSX-1000-50...161 Annex F Details Used Pick...162 Annex G Error Analysis Cutting Experiments...163 Annex H Details Photographic Modelling...166 Annex I Laser Offset...168 Annex J Supplements Experiment CO...169 Annex K Supplements Experiment GN...187 Annex L Supplements Experiment GR...191 Annex M Preliminary Artificial Neural Network Training...195 Annex N Supplements Case Study (CD)...201 Annex O R-Codes (CD)...203 Annex P Supplements Rock Mechanical Tests (CD)...204

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.