Die Dissertation befasst sich mit der Optimierung des Schneidprozesses bei der Gesteinsgewinnung und der Erarbeitung eines Modells zur Prognose der relevanten Arbeitsgrößen unter Berücksichtigung der Abnutzung der Schneidwerkzeuge. Die Untersuchungen wurden mit Rundschaftmeißeln unterschiedlicher Verschleißzustände durchgeführt. Gegenstand der Untersuchungen waren die von den Schneidparametern abhängigen Größen wie Schneidkräfte, spezifische Energie, Staubmengenanteil und Stückigkeit des gewonnenen Gesteins. Es wurden die Auswirkungen des Meißelverschleißes auf die optimalen Schneidparameter festgestellt, denen beim Einsatz einer Gewinnungsmaschine oder bereits in der Konstruktionsphase des Gewinnungsorgans Rechnung getragen werden sollten.

Mit dem zweidimensionalen numerischen Diskrete-Elemente-Programm UDEC wurde nach vorheriger Kalibrierung das Einstanzen einer keilförmigen Schneide in Gesteinsmaterial simuliert und mit Laborversuchen verglichen. Außerdem wurde ein Schneidprozess simuliert. Mittels einer selbst entwickelten Routine, welche die Gesteinselemente bei Überlastung zerteilt und ein ‚Re-meshing‘ erzeugt, konnten befriedigende Simulationsergebnisse erzielt werden. Mit der dreidimensionalen Simulationssoftware PFC3D auf Partikelbasis wurden Modelle mit Hilfe von Zug-, Druck-, Scher- und Stanzversuchen kalibriert und anschließend Schneid- und Bohrversuche simuliert. Die Schneidsimulationen erbrachten bezüglich der Kräfte bei verschiedenen Prozessparametern gute Übereinstimmung mit den Laborversuchen. Bei der Bohrsimulationen konnten Kräfte und Momente aus den Laborversuchen nur teilweise reproduziert werden.

Die Dissertation befasst sich mit der Optimierung des Schneidprozesses bei der Gesteinsgewinnung und der Erarbeitung eines Modells zur Prognose der relevanten Arbeitsgrößen unter Berücksichtigung der Abnutzung der Schneidwerkzeuge. Die Untersuchungen wurden mit Rundschaftmeißeln unterschiedlicher Verschleißzustände durchgeführt. Gegenstand der Untersuchungen waren die von den Schneidparametern abhängigen Größen wie Schneidkräfte, spezifische Energie, Staubmengenanteil und Stückigkeit des gewonnenen Gesteins. Es wurden die Auswirkungen des Meißelverschleißes auf die optimalen Schneidparameter festgestellt, denen beim Einsatz einer Gewinnungsmaschine oder bereits in der Konstruktionsphase des Gewinnungsorgans Rechnung getragen werden sollten.

Mit dem zweidimensionalen numerischen Diskrete-Elemente-Programm UDEC wurde nach vorheriger Kalibrierung das Einstanzen einer keilförmigen Schneide in Gesteinsmaterial simuliert und mit Laborversuchen verglichen. Außerdem wurde ein Schneidprozess simuliert. Mittels einer selbst entwickelten Routine, welche die Gesteinselemente bei Überlastung zerteilt und ein ‚Re-meshing‘ erzeugt, konnten befriedigende Simulationsergebnisse erzielt werden. Mit der dreidimensionalen Simulationssoftware PFC3D auf Partikelbasis wurden Modelle mit Hilfe von Zug-, Druck-, Scher- und Stanzversuchen kalibriert und anschließend Schneid- und Bohrversuche simuliert. Die Schneidsimulationen erbrachten bezüglich der Kräfte bei verschiedenen Prozessparametern gute Übereinstimmung mit den Laborversuchen. Bei der Bohrsimulationen konnten Kräfte und Momente aus den Laborversuchen nur teilweise reproduziert werden.:1 Einleitung.................................................................................................... 1 2 Grundlagen der Gesteinszerstörung .......................................................... 3 2.1 Die mechanische Gesteinszerstörung beeinflussende Faktoren................ 3 2.2 Bohrwerkzeuge .......................................................................................... 8 2.2.1 Anforderungen an Bohrwerkzeuge ...................................................... 8 2.2.2 Rollenbohrwerkzeuge .......................................................................... 9 2.2.3 Diamantbohrwerkzeuge....................................................................... 9 2.2.4 Hartmetallwerkzeuge ......................................................................... 11 2.2.5 Auswahl und Einsatz des Bohrmeißels.............................................. 12 2.3 Gestaltung des Bohrprozesses ................................................................ 13 2.4 Vergleich zwischen schneidender, drückender und schlagender Gesteinszerstörung .................................................................................. 14 2.5 Schneidende Gesteinszerstörung ............................................................ 15 2.5.1 Zerspankraft und deren Komponenten: ............................................. 15 2.5.2 Steinbearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide............... 17 2.5.3 Steinbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide................... 18 2.6 Drückende Gesteinszerstörung ................................................................ 27 2.7 Verschleiß ................................................................................................ 28 3 Stand der Technik .................................................................................... 31 3.1 Rollenmeißel ............................................................................................ 31 3.1.1 Experimentelle Untersuchungen........................................................ 31 3.1.2 Simulation der Rollenmeißel.............................................................. 34 3.2 Simulation von mechanischen Zerkleinerungsprozessen......................... 40 4 Zweidimensionale Simulation der Gesteinszerstörung mit UDEC ............ 71 4.1 Vorstellung UDEC .................................................................................... 71 4.2 Simulation eines Stanzversuchs mit Diskenmeißeln ................................ 73 4.2.1 Modellaufbau, Methodik..................................................................... 73 4.2.2 Kalibrierung des Gesteinsmodells ..................................................... 73 4.2.3 Simulation der Stanzversuche ........................................................... 74 4.3 Simulation von Schneidversuchen ........................................................... 83 4.3.1 Kalibrierung des Gesteinsmodells ..................................................... 83 4.3.2 Simulation der Schneidversuche ....................................................... 85 5 Dreidimensionale Simulation der Gesteinszerstörung mit PFC3D ............. 97 5.1 Vorstellung PFC3D .................................................................................... 97 5.2 Methodik der Parameterkalibrierung......................................................... 98 5.3 Kalibrierung an Postaer Sandstein ......................................................... 100 5.3.1 Verwendete Rechenmodelle............................................................ 100 5.3.2 Kalibrierung an einaxialen Duck- und Zugversuchen....................... 102 5.3.3 Kalibrierung an Scherversuchen...................................................... 113 5.3.4 Kalibrierung an Stanzversuchen...................................................... 120 5.3.5 Schlussfolgerungen aus der Kalibrierung ........................................ 124 5.4 Simulation von Schneidversuchen ......................................................... 124 5.4.1 Laborversuche................................................................................. 124 5.4.2 Simulationen mit fünffachem Partikeldurchmesser.......................... 128 5.4.3 Simulation mit der Originalkorngröße .............................................. 133 5.4.4 Zusammenfassung .......................................................................... 149 5.5 Simulation der Bohrversuche ................................................................. 149 5.5.1 Versuchsstand................................................................................. 149 5.5.2 Berechnung von Kräften und Momenten ......................................... 151 II 5.5.3 Vergleich verschiedener Rechenmodelle ........................................ 152 5.5.4 Vergleich der Simulation des Bohrversuches mit dem Schneidversuch.............................................................................. 163 5.5.5 Betrachtungen zu den einzelnen Schneidplatten............................. 165 5.5.6 Zusammenfassung .......................................................................... 168 6 Zusammenfassung..................................................................................169 6.1 Hauptbeiträge......................................................................................... 171 7 Extended Summary.................................................................................173 7.1 Two-dimensional simulation of the rock destruction with UDEC............. 173 7.1.1 Introduction...................................................................................... 173 7.1.2 Simulation of a stamping experiment with disc cutters .................... 173 7.1.3 Simulation of rock cutting experiments ............................................ 174 7.2 Three dimensional simulation of the rock destruction with PFC3D .......... 177 7.2.1 Introduction...................................................................................... 177 7.2.2 Calibration ....................................................................................... 177 7.2.3 Simulation of cutting experiments.................................................... 178 7.2.4 Simulation of drilling experiments .................................................... 182 8 Literatur ...................................................................................................187

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

In den letzten Jahren intensivierten sich die Bemühungen, anisotropes Verhalten von Gesteinen in numerischen Modellen abzubilden. Für ein tiefgreifendes Verständnis dieser Prozesse sind numerische Modelle gut geeignet, da hier die Rand- und Anfangsbedingungen sehr exakt vorgegeben werden können, um das Verhalten eines pkysikalischen Systems unter vollständig kontrollierbaren Bedingungen zu studieren. Am Beispiel von Gneis wird ein numerisches Modell für die Modellierung einaxialer Druck- und Spaltzugversuche vorgestellt. Dieses nutzt den Diskreten-Element-Code 3DEC der Fa. Itasca Consulting Group, Inc. um gekoppeltes nichtlinear-anisotropes thermo-mechanisches Materialverhalten zu simulieren. In dieser Arbeit wird sowohl der Modellaufbau anhand eines GBM gezeigt, als auch ein Stoffgesetz zur Simulation eines nichtlinearen orthotropen thermischen Expansionsverhaltens entwickelt. Die dafür benötigten Modellparameter werden anhand von durchgeführten Laborversuchen kalibriert. Das entwickelte Modell wird dann angewendet, um die Modellierung einaxialer Druck- und Spaltzugversuchen für ein anisotropes Material (Gneis) durchzuführen, um das Modell zu validieren. Am Ende der Arbeit wird eine praktische Anwendung des Modells in Form eines Schneidversuchs gezeigt. / In recent years, efforts have intensified to simulate the anisotropic behavior of rocks in numerical models. Numerical models are well suited for a profound understanding of these processes, since the boundary and initial conditions can be specified very precisely in order to study the behavior of a physical system under fully controllable conditions. Using the example of gneiss, a numerical model is presented for the modeling of uniaxial compression and Brazilian tensile tests. The discrete element code 3DEC from the company Itasca Consulting Group, Inc. is used to simulate coupled nonlinear- anisotropic thermo-mechanical material behavior. In this thesis the model generation is shown using Grain-Based Models and a material law for the simulation of a nonlinear orthotropic thermal expansion behavior is developed. The model parameters required for this are calibrated based on performed laboratory tests. The developed model is then applied to perform modeling of uniaxial compression and Brazilian tensile tests for an anisotropic material (gneiss) to validate the model. Lastly, a practical application of the model is shown in the form of a cutting test.