Bodenstein, J. - ercosplan

Gebirgsmechanische Aspekte bei der Verwahrung
eines Kalibergwerkes durch Flutung
BODENSTEIN, J. - ERCOSPLAN ERFURT, NATAU, O. - UNIVERSITÄT KARLSRUHE
STÄUBERT, A. - K-UTEC SONDERSHAUSEN, SCHREINER, W. - IFG LEIPZIG
Im stillgelegten Kalibergwerk Bischofferode werden derzeit umfassende Verwahrungsarbeiten
durchgeführt. Aufgrund der bei der Stilllegung vorgefundenen bergbaulichen, geologischhydrogeologischen
und gebirgsmechanischen Situation ist vorgesehen, das Grubengebäude
gelenkt zu fluten.
Bei der Stilllegung des Kalibergwerkes Bischofferode im Jahr 1993 war aufgrund des seit
Ende der 60er Jahre versatzlos geführten Abbaus ein offener Grubenhohlraum von etwa
30 Mio. m³ vorhanden. Die Grubenbaue befinden sich in einem Niveau zwischen -100 m NN
und -340 m NN (Teufe ca. 400 - 800 m), wobei ein generelles Einfallen von Norden nach
Süden festzustellen ist. Die Topographie des Grubenfeldes ist durch zahlreiche Sattel- und
Muldenstrukturen gekennzeichnet.
Planmäßig wurde ausschließlich Hartsalz der Stassfurtfolge abgebaut. Charakteristisch sind
großräumige Vertaubungsareale, die das Grubenfeld in einen Ost- und einen Westteil zergliedern.
Der das Hartsalz unterlagernde Carnallitit ist verbreitet lediglich im östlichen Feldesteil
bergmännisch aufgeschlossen. Die durch Bohrungen nachgewiesenen Mächtigkeiten
des Leinesteinsalzes als Hangendschutzschicht sind am Nordsaum des Grubenfeldes sowie
punktuell auch im westlichen Teil bis auf weniger als 30 m reduziert. Maßgeblichen Anteil
daran hat, neben der Ablaugung am Salzhang, die bruchtektonische Beanspruchung des
Deckgebirges, erkennbar u.a. in der Ausbildung des NNE-SSW streichenden Holunger Grabens.
Die hydrogeologischen Verhältnisse im Bereich des Grubenfeldes sind durch zahlreiche
Salzlösungszutritte bzw. -vorkommen gekennzeichnet. Maßgebliche Zuflüsse aus dem Liegenden
treten seit Mitte der 50er Jahre mit nahezu konstanter Schüttung von etwa 100.000
m³/a auf. Die hauptsächlich NaCl-reichen Lösungen werden im Grubenfeld gestapelt. Lösungszutritte
aus dem Hangenden sind seit Beginn der 60er Jahre bekannt und traten mit
zunehmender Annäherung an den Salzhang vornehmlich als Tropflaugen oder Durchfeuchtungen
in Erscheinung. Daneben sind größere Laugenvorkommen im Hauptanhydrit entlang
des Holunger Grabens durch Bohrungen erkundet.
Über einigen Baufeldern sind in den zurückliegenden Jahren, sowohl verursacht durch lösungszutrittsbedingte
Auflösungs- und Zersetzungsvorgänge als auch durch standzeitbedingte
Entfestigungserscheinungen Senkungen bis > 1 m sowie wiederholt gebirgsdeformationsinduzierte
stärkere seismische Ereignisse mit Magnituden 1,5 < ML < 3 eingetreten.
Im Gegensatz zu anderen Bergwerken des Südharz-Kalireviers sind keine ausgedehnten
Carnallititbaufelder oder mehretagig gebauten Hartsalzfelder mit kritischer Baufeldgröße vorhanden.
Das zeitabhängige Gefährdungspotential ergibt sich vor allem aus gebirgsmechanisch-bergschadenkundlicher
Sicht für die Ortslagen im Einwirkungsbereich des Grubenfeldes
im Zusammenhang mit einem möglichen Ersaufen des Bergwerkes.
Aus der vorgefundenen Situation nach der Stilllegung wurden folgende Schutzziele für die
Verwahrung des Bergwerkes abgeleitet:
o Schutz der im Einwirkungsbereich befindlichen Ortslagen vor unzulässigen senkungs-
oder seismisch bedingten Beanspruchungen,
o Schutz benachbarter Bergwerke vor Lösungszutritt,
o Schutz des Grundwassers vor Absenkung und Versalzung.

Die GVV mbH veranlasste eine umfassende gutachterliche Begleitung der Sicherungs- und
Verwahrungsarbeiten mit wesentlich gebirgsmechanischer Zielstellung zur Vorbereitung der
Flutung. Die in der Folge gebildete Gutachter-Arbeitsgemeinschaft, bestehend aus Herrn
Prof. Dr. Otfried Natau, Universität Karlsruhe, Herrn Dr. Arnold Schwandt, Erfurt, dem Institut
für Gebirgsmechanik GmbH, Leipzig, der Kali-Umwelttechnik GmbH, Sondershausen und
der ERCOSPLAN Ingenieurgesellschaft Geotechnik und Bergbau mbH, Erfurt, wurde u.a. mit
folgenden Leistungen betraut:
- Gutachten zur Gefährdungsbewertung (1994/95),
- Untersuchungen zur Präzisierung des Gefährdungspotentials sowie zur Ableitung einer
Rang- und Reihenfolge für Versatzmaßnahmen (1995/96),
- Konzeption zur Verwahrung durch Flutung (1997/98),
- Begleitende Überwachung und Präzisierung der Versatzmaßnahmen (seit 1996),
- Laufende Auswertung der Beweissicherungsdaten (seit 1996),
- Mitwirkung bei der Erarbeitung eines Simulationsmodells zur Flutung (seit 1998).
Das für die Verwahrung des Bergwerkes erarbeitete Konzept der gelenkten Flutung basiert
auf folgenden Prämissen:
o Vermeidung bzw. Verzögerung des Zufließens von schwachmineralisierten Lösungen
aus dem Hangenden,
o Gegenfluten des Grubengebäudes aus dem Grubentiefsten mit Nutzung vorhandener
Liegendzuflüsse und Laugenstapel,
o Abdämmung von Flutungsarealen unterschiedlicher Mineralisation,
o Verwertung der niederschlagsbedingt anfallenden Haldensalzlösungen
für die Flutung.
Mit dem Ziel einer Reduzierung der ersaufensbedingten Gefährdung wurde ein umfangreiches
Versatzprogramm in den durch Hangendzuflüsse gefährdeten Feldesteilen realisiert.
Dabei wird angestrebt, durch qualifizierten Vollversatz oder Teilversatz die Pfeiler zu stabilisieren
und den Grauen Salzton in seiner Lage zu halten, um so das deformationsinduzierte
Entstehen von Fliesswegen zu begrenzen. Die Rang- und Reihenfolge der Versatzarbeiten
wurde anhand einer eigens erstellten Bewertungsmatrix aus den vorliegenden Bedingungen
abgeleitet. Hierzu wurden u.a. folgende Kriterien herangezogen:
- Schutzschichtmächtigkeit,
- Lagerungsverhältnisse,
- Bruchtektonische Beanspruchung,
- Salzlösungszutritte,
- Baufeldgröße und Durchbauungsgrad,
- angebaute Bank,
- First- bzw. Tonbrüche,
- Pfeilerdeformation,
- Sohlenniveau.
Darüber hinaus war der teilweise schwach gebaute Trennpfeiler zum benachbarten Bergwerk
Bleicherode durch befeuchtet und verdichtet eingebrachten Vollversatz so zu stabilisieren,
dass gebirgsmechanische Überzugswirkungen verhindert und Lösungsübertritte ausgeschlossen
werden können.
Für das Prinzip des gelenkten Gegenflutens werden die vorliegenden grubentopographischen
Verhältnisse (Generaleinfallen von Norden nach Süden, Sattel und Muldenstrukturen)
gezielt genutzt. Somit kann das Grubenfeld unter Berücksichtigung der Faziesverteilung sowie
der ungebauten Vertaubungsgebiete in unterschiedlich zu behandelnde Flutungsbereiche
gegliedert werden.
Zur zeit- und mengenmäßigen Abschätzung der Flutung wurde anhand grubenrisslicher Unterlagen
eine aktualisierte Hohlraumbilanz erstellt.
Die in einem verbesserten Fassungssystem übertage gesammelten Haldensalzlösungen
werden über Rohrleitungen zunächst in ein bereits vorhandenes Stapelfeld (dominierender
Hartsalzaufschluss, Spülversatz, Stapelung von Liegendlaugen) im kleineren westlichen Teil
des Grubenfeldes eingeleitet (ca. 500 Tm³/a) und dort mit den NaCl-reichen Salzlösungen

aus dem Liegendzutritt vermischt. Dabei wird der Einleitungspunkt variiert. Aus dem Stapelfeld
wird über Bohrungen eine an KCl und NaCl konditionierte Salzlösung abgezogen und in
benachbarte, geodätisch tiefer liegende Hartsalzbaufelder übergeleitet.
Daneben ist die Einleitung einer Mischlösung, bestehend aus Haldensalzlösung und MgCl2-
Lösung aus Fremdbezug, in den größeren östlichen Grubenfeldesteil mit verbreitetem Aufschluss
von Carnallitit im Liegenden vorgesehen. Die Zuführung kann von übertage über
noch niederzubringende, gezielt angeordnete Flutungsbohrungen vorgenommen oder durch
gelenkte Aufsättigung von untertage in ausgewählten Baublöcken mit mächtig unterlagerndem
Carnallitit realisiert werden. Dazu läuft im SE-Feld z.Z. ein großtechnischer Versuch.
Vorbereitend erfolgt die Abdämmung von Teilfeldern durch Errichtung von Absperrbauwerken
mit folgenden Einzelfunktionen:
o Verzögerung des Übertritts von schwachmineralisierten Lösungen in gebirgsmechanisch
exponierte Bereiche,
o Hermetisierung des Trennpfeilers zum Bergwerk Bleicherode,
o Konvektionsbremse zwischen unterschiedlich mineralisierten Lösungen.
Nach Abschluss der untertägigen Sicherungsarbeiten und vor Überflutung der Füllortbereiche
ist die Verwahrung der Schächte durch Verfüllung und Abdichtung vorgesehen.
Die Flutung des Grubengebäudes ist solange weiterzuführen, bis der Resthohlraum weniger
als 5 Mio. m³ beträgt. Von den dann noch offen stehenden Grubenbauen im Norden des
Bergwerkes wird keine Gefährdung mehr ausgehen, da die geodätisch tiefer liegenden Ortslagenbereiche
dann bereits mit gesättigter Salzlösung geflutet sind.
Der Zeitplan zur Flutung des Bergwerkes geht von einer Gesamtflutungsdauer von mehreren
Jahrzehnten aus. Etwa 50 - 60 % des derzeit noch offenen Hohlraumes wird dann mit Salzlösungen
erfüllt sein, ca. 20 - 30 % werden durch die fortschreitende Hohlraumkonvergenz
liquidiert, der restliche Teil bleibt zunächst lufterfüllt.
Die Versatzarbeiten im Bereich des Trennpfeilers zum Bergwerk Bleicherode wurden bereits
im Jahr 1997 abgeschlossen. Durch geotechnische Beweissicherung konnte ein qualitätsgerechter
Einbau des Versatzmaterials nachgewiesen werden. Die Erfolgsprognose anhand
numerischer Modellrechnungen belegt eine ausreichende Versatzwirksamkeit im Hinblick auf
die Kompaktion des Hangenden zeitlich vor dem druckhaften Anstehen des Flutungsmediums.
Mindestens bis zu diesem Zeitpunkt wird der Versatzbereich durch Absperrbauwerke
von im Grubenfeld ansteigenden Salzlösungen abgedämmt.
Im nördlichen Teil des Grubenfeldes wurden bisher etwa 1,1 Mio. m³ Haufwerkversatz eingebracht.
Durch eine auch in anderen Bergwerken erprobte Versatztechnologie mit Befeuchtung
und nachträglicher Verdichtung des Salzhaufwerks können Einbringdichten bis 1,67
g/cm³ erreicht werden. Für die Verfüllung von Bruchbereichen mit eingeschränkter Zugänglichkeit
wird eine mobile Versatzschleuder eingesetzt.
Der empfohlene Versatz im NE-Feld ist abgeschlossen. Derzeit liegt der Schwerpunkt der
Arbeiten im N-Feld, wo weitere ca. 600.000 m³ Versatz eingebracht werden sollen. Die seitens
der Gutachter-ARGE gewählten gebirgsmechanischen und geohydrologischen Kriterien
für einen Voll- oder Teilversatz einzelner Baufelder oder Baufeldbereiche haben sich bewährt
und werden auch in den übrigen Feldesteilen zur Bewertung herangezogen.
Die Flutungsphase I, in der die Flutung des Westfeldes erprobt wurde, ist abgeschlossen.
Bisher wurden mehr als 1 Mio. m³ Flutungslösung eingebracht.
Die am jeweiligen Einleitungspunkt auftretende Klammbildung wird fortlaufend beobachtet
und dokumentiert. Am Einleitungspunkt gebildete Klammen im Sohlenbereich werden so
begrenzt, dass erforderliche Liegendschichtmächtigkeiten garantiert bleiben. Im Einleitungsbereich
selbst verläuft die Entwicklung bisher gebirgsmechanisch verträglich. Ein Vergleich
der Beschaffenheit des Flutungsmediums beim Eintritt in das Stapelfeld (Gesamtmineralisation
ca. 220 g/l, Dichte 1,145 g/cm³) und beim Übertritt in den benachbarten Flutungsbereich
(Gesamtmineralisation ca. 355 g/l, Dichte 1,225 g/cm³) verdeutlicht den gewünschten Effekt
der untertägigen Konditionierung der Haldensalzlösungen.
In der derzeit laufenden Flutungsphase II wird die Flutung des Westfeldes in der bewährten
Weise fortgesetzt. Parallel dazu werden weitere Optimierungsmöglichkeiten für den östlichen
Teil des Grubenfeldes geprüft. Mit einem speziell konzipierten in-situ-Versuch soll die geziel-

te untertägige Konditionierung der Haldensalzlösungen mit MgCl2 in ausgewählten Baufeldern
getestet werden. Die erste Etappe (Überflutung eines Baublockes mit 65 Tm³ Haldenlösung)
ist abgeschlossen. Erste Ergebnisse werden derzeit ausgewertet. Gebirgsmechanisch
kritische Auswirkungen wurden nicht festgestellt.
Die durch den Abbau eingeleiteten Senkungen der Tagesoberfläche über den bisher noch
lufterfüllten Grubenfeldbereichen setzen sich fort. Dabei ist teilweise eine Abhängigkeit von
der bruchtektonischen Zerteilung des Deckgebirges zu erkennen. Im Einwirkungsbereich des
Grubenfeldes treten auch weiterhin seismische Ereignisse begrenzter Stärke (ML < 2,5) auf,
deren Ursachen sowohl in tektonischen Vorprägungen als auch in der flutungsbedingten
Durchfeuchtung von Tragelementen zu sehen sind. Alle bisher festgestellten gebirgsmechanischen
Erscheinungen liegen im Bereich der Erwartungswerte. Zu bemerken ist ein deutlicher
Rückgang der Seismizität nach realisierter Überflutung des Baufeldes.
Die Flutung des Bergwerkes Bischofferode wird durch ein komplexes System der markscheiderischen
sowie geotechnischen Beweissicherung und Überwachung begleitet. Dieses
umfasst im wesentlichen:
- Senkungsmessungen über Tage (Gesamt- und Sondernivellements),
- Deformationsmessungen unter Tage (Konvergenz, Pfeilerquerdehnung),
- Seismologische Überwachung (unter- und übertägige Seismometerstationen,
Erschütterungsmessstellen),
- visuelle Beobachtung (Befahrung, Videokamerauntersuchung, Fotodokumentation),
- Überwachung von Salzlösungsmengen und Mineralisation,
- Hydrofrac-Messungen und in-situ-Versatzprüfungen.
Daneben wird ein komplexes Simulationsmodell zur Flutung entwickelt, welches dem Betreiber
als Instrumentarium zur weiteren Optimierung der Flutungskonzeption dienen soll und
sowohl
- das gebirgsmechanische Verhalten der Kammer-Pfeiler-Systeme in
den einzelnen Baublöcken und Baufeldern
- lösungskinetisch bedingte Auflösungs- und Zersetzungsprozesse
als auch das Flutungsrouting entsprechend der vorgegebenen Einleitpunkte, -wege und
-konzentrationen sowie der gegebenen Höhenlagen der zu flutenden Hohlraumsysteme und
deren Verbindung berücksichtigt.
Die gutachterliche Begleitung der Flutung mit laufender Auswertung der Beweissicherungsdaten
und Feststellung der sich entwickelnden gebirgsmechanischen Situation wird unter
Beteiligung der GVV sowie des zuständigen Bergamtes fortgesetzt.