Bodenstein, J. - ercosplan

Reduzierung der Bergsenkungen durch Einbringen von Spülversatz –
Gebirgsmechanisch-bergschadenkundliche Aspekte der Anwendung des
Spülversatzverfahrens im Kalibergbau
Jörg Bodenstein
ERCOSPLAN Ingenieurgesellschaft Geotechnik und Bergbau mbH, Erfurt
Wolfgang Schreiner
Institut für Gebirgsmechanik GmbH, Leipzig
Kurzfassung
Das Spülversatzverfahren wurde im Kalibergbau langjährig erfolgreich angewendet, um
einerseits die bei der Kaliverarbeitung anfallenden Rückstände untertägig zu entsorgen und
andererseits die Abbauverfahren im Hinblick auf eine hohe Gewinnungsrate bei Erhalt der
gebirgsmechanisch-bergschadenkundlichen Verträglichkeit zu optimieren.
Der Vortrag verweist auf Thesen und Arbeitsergebnisse von FULDA, D. zum Spülversatz aus
zahlreichen Untersuchungen im Zusammenhang mit der Kaligewinnung in den sechziger bis
achtziger Jahren und zeigt anhand aktueller Ergebnisse, wie sich diese durch praktische
Erfahrungen bestätigen lassen. Aufbauend darauf gibt er einen Überblick über die Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile des Spülversatzverfahrens bei der Verwahrung stillgelegter
Kalibergwerke.
1. Wirkung des Spülversatzes bei der Gewinnung von Kalisalzen
Das im deutschen Kalibergbau seit 1908 angewendete Spülversatzverfahren diente zunächst
vorrangig der untertägigen Deponierung bergbaueigener Abfälle, speziell der Entsorgung des
bei der Kaliverarbeitung anfallenden, hauptsächlich Steinsalz enthatenden Rückstandes. Mit
der Weiterentwicklung der Abbauverfahren bediente man sich jedoch zunehmend auch der
gebirgsmechanisch relevanten Eigenschaften des Spülversatzes. So war es möglich, durch das
Verfüllen der Grubenhohlräume nach dem Abbau die gebirgsmechanisch wirksame Abbaumächtigkeit
zu minimieren bzw. bei Erhöhung der Gewinnungsrate beizubehalten.
Gegenüber dem zumeist händisch, später auch maschinell eingebrachten Trockenversatz ist
beim Spülversatz eine Erhöhung der Einbringdichte von 1,5 bis 1,6 t/m³ auf 1,85 bis 2,0 t/m³
sowie eine Erhöhung des Versatzeinbringens (Verfüllungsgrad) von 65 bis 75 % auf 80 bis
95 % möglich. Dadurch konnte die Induzierung hoher Absenkungsraten verhindert werden.
Prognostizierte Endsenkungen und bergschadenkundlich relevante Beanspruchungen der
Tagesoberfläche wurden begrenzt.
Ein weiterer, gebirgsmechanisch bedeutender Vorteil war der Einbau eines Massivs in die
Grubenbaue. Dadurch ergab sich die Möglichkeit der sekundären Gewinnung der zwischen
den verspülten Abbauen verbliebenen Kalisalzpfeiler (Pfeilerrückbau). So konnten die
Flächenabbauverluste in den Baublöcken bis auf weniger als 20 % reduziert werden. Dies
machte man sich vor allem zur Vermeidung eines Gebirgsschlagrisikos sowie zur Begrenzung
großer Endsenkungen beim verlustarmen Abbau zunutze.
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2. Eigenschaften und Kennwerte des Versatzmaterials
Die günstigen gebirgsmechanischen Eigenschaften des Spülversatzmassivs werden vor allem
durch die Beschaffenheit der Ausgangsstoffe sowie durch die Art des Einbringens geprägt.
Kalirückstände als klassisches Spülversatzmaterial besitzen aufgrund des hohen Steinsalzanteiles
die Fähigkeit zur Rekristallisation, wodurch sich gebirgsähnliche Festigkeiten
erzielen lassen. Die als Transportmedium verwendete Fabriklauge spielt dabei sowohl für das
Bindeverhalten als auch für das primäre Sedimentationsverhalten des Versatzmaterials eine
wesentliche Rolle. FULDA, D. postulierte in seinen wissenschaftlichen Arbeiten:
Die einaxiale Druckfestigkeit des eingebrachten Spülversatzes ist im wesentlichen ein
Resultat von chemischen Bindungsprozessen. Sie ist nicht die entscheidende Kennziffer für die
Wirksamkeit des Versatzes, sondern sein Porenvolumen bzw. seine Kompressibilität.
Es zeigt sich, daß es mit dem Spülversatzverfahren bei Einstellung stabiler Gemische mit
definierten Eigenschaften der Ausgangsstoffe möglich ist, Hohlraumverfüllungen herzustellen,
die nach relativ kurzer Zeit nicht nur hohe Druckfestigkeiten sondern auch geringe
Permeabilitäten aufweisen.
Im Einzelnen ergeben sich jedoch signifikante Unterschiede bezüglich der Kennwerte Dichte,
Druckfestigkeit, Porosität und Permeabilität in Abhängigkeit von der jeweiligen Korngrößenverteilung
und Homogenität des Spülversatzgemisches, was aus der Beprobung und labormäßigen
Untersuchung alter Spülversatzkörper abgeleitet werden konnte (Abb. 1).
Abb. 1: Bohrkerne aus Spülversatzmassiven des Südharzreviers
3. Tragverhalten von Spülversatzpfeilern
Im Ergebnis zahlreicher wissenschaftlicher Arbeiten leitete FULDA, D. in den sechziger
Jahren ab:
Durch das Spülversatzverfahren können aus dem Abprodukt Fabrikrückstand (oder anderen
bergfremden Reststoffen) Tragelemente hergestellt werden, die in ihrem gebirgsmechanischen
Verhalten (Tragfähigkeit, Deformierbarkeit) Hartsalzpfeilern entsprechen und analog
dimensioniert werden können. Durch eine konvergenzbedingte Verdichtung nimmt ihre
Tragfähigkeit im Zeitverlauf zu.
Diese Erkenntnisse wurden in den Folgejahren im Südharz-Kalirevier vielfach genutzt, um
durch den Rückbau der in Spülversatzfeldern verbliebenen Kalisalzpfeiler die Gewinnungsrate
entscheidend zu erhöhen. Dabei erfolgte örtlich sowohl teilweiser (z. B. jeder zweite
Pfeiler) als auch totaler Pfeilerrückbau. Die damit neu geschaffenen Abbaue wurden feldweise
anschließend mit Spülversatz wieder verfüllt oder auch offen belassen.
In Auswertung der fortlaufend durchgeführten Senkungsnivellements über alten Abbaufeldern
des Südharz-Kalireviers läßt sich die o. a. These zum gebirgsmechanischen Verhalten von
Spülversatzpfeilern bestätigen, wie Abb. 2 am Beispiel der Grube Sollstedt zeigt. Das
Senkungsverhalten der Tagesoberfläche über Spülversatzfeldern mit Pfeilerrückbau zeigt
signifikante Übereinstimmung mit der Senkungsentwicklung über Hartsalzbaufeldern mit
Langkammerbau sowohl hinsichtlich der realisierten Senkungsraten als auch in Bezug auf die
Gesamtsenkung.
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Abb. 2: Senkungsentwicklung der Tagesoberfläche über Spülversatzfeldern mit
Pfeilerrückbau
4. Senkungsentwicklung über Spülversatzfeldern
Daß der Spülversatz sehr gut in der Lage ist, die Gesamtsenkung der Tagesoberfläche über
Abbaufeldern des Kalibergbaus wirksam zu begrenzen, zeigt sich besonders deutlich am
Beispiel der Grube Roßleben, wo er von 1916 bis 1985 großflächig betrieben wurde. Abb. 3
verdeutlicht, daß die Senkungsgeschwindigkeit über den verspülten Baufeldern nach wenigen
Jahrzehnten weitestgehend zur Ruhe gekommen ist.
Abb. 3: Senkungsgeschwindigkeit der Tagesoberfläche im Einwirkungsbereich der Grube
Roßleben im Jahr 1994
Im Rahmen des Abschlußgutachtens für die im Jahr 1991 stillgelegte Grube Roßleben wurde
eine gebirgsmechanische Modellierung vorgenommen. Die darauf aufbauende Senkungsprognose
weist für einen Zeitraum von 1.000 Jahren eine signifikante flächendeckende
Begrenzung der Endsenkung auf etwa 1,0 m über den verspülten Feldesteilen aus (Abb. 4).
Damit verbunden ist eine wirksame Verhinderung bergschadenkundlich relevanter Auswirkungen,
welche sich aus senkungsbedingten Schieflagen und Zerrungen oder Pressungen
ergeben können.
Abb. 4: Prognose der Gesamtsenkung der Tagesoberfläche im Einwirkungsbereich der
Grube Roßleben im Jahr 2994.
5. Möglichkeiten der Anwendung des Spülversatzverfahrens bei der
Verwahrung stillgelegter Kalibergwerke
5.1 Verfahrenstechnische Vorteile und mögliche Anwendungsfälle
Ausgehend von den in den vorangegangenen Abschnitten hervorgehobenen Merkmalen des
klassischen Spülversatzes lassen sich vor allem für die Verwahrung stillgelegter Kali- und
Steinsalzbergwerke Anwendungsmöglichkeiten, für die gerade das Spülversatzverfahren
hinsichtlich der erreichbaren Wirkungen prädestiniert ist. Dabei gilt es jedoch zu beachten,
daß die ursprünglich verwendeten Ausgangsmaterialien nicht mehr oder nur noch sehr
begrenzt zur Verfügung stehen. Die Suche nach alternativen Ausgangsstoffen bietet gleichzeitig
die Möglichkeit der Verfahrensoptimierung und –anpassung an die konkret gestellten
Anforderungen.
Vorrangig wird das Spülversatzverfahren dort anzuwenden sein, wo eine Verfüllung nicht
mehr zugänglicher oder nur mit wirtschaftlich unvertretbarem Aufwand zugänglich zu
machender Abbaubereiche erforderlich und gleichzeitig eine Verwertung bergbaufremder
Abfälle möglich ist.
Bei optimierter Verfahrenstechnologie ist von folgenden erreichbaren Wirkmechanismen
auszugehen:
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Das Verfüllen großflächig offen belassener Baufelder führt zu einer zeitlichen und
größenmäßigen Begrenzung erwarteter Restsenkungen an der Tagesoberfläche.
Durch eine gebirgsmechanisch und hydraulisch wirksame Parzellierung des Grubengebäudes
kann ein großflächiger Baufeldkollaps verhindert oder die Zirkulation von
Standlaugen maßgeblich behindert werden.
Aufgrund der Versatzwirkung kommt es zur Behinderung der standzeitbedingten Entfestigung
sowie zur langfristigen Wiederverfestigung der Tragelemente, was vor allem zur
Dämpfung der dynamischen Reaktivität sprödbruchgefährdeter Tragelemente und somit
zur maßgeblichen Begrenzung möglicher seismischer Emissionen führt.
Die Bedeutung des letztgenannten Effektes für die Beherrschung carnallititischer Baufelder
wurde durch FULDA, D. in den 80er Jahren erkannt, indem er postulierte:
Gegenüber Pfeilern aus Carnallitit ist die Tragfähigkeit deutlich höher. Es besteht keine
Sprödbruchgefahr.
Insgesamt ist es durch gezielte Anwendung eines nachträglichen Spülversatzes möglich, einen
entscheidenden Beitrag zur Gewährleistung der Langzeitsicherheit eines stillgelegten Bergwerkes
sowie zur Beseitigung kritischer Gefährdungspotentiale infolge langfristig anhaltender
großer Absenkung der Tagesoberfläche oder der standzeitbedingten Auslösung von
Gebirgsschlägen zu leisten.
5.2 Geeignete Versatzmaterialien und erwartete Versatzwirkungen
Die Verwertung von geeigneten bergbaufremden Abfällen als Versatz unter Anwendung des
Spülversatzverfahrens ist inzwischen durch zahlreiche labortechnische Untersuchungen als
auch durch in-situ-Ergebnisse belegt. Vor allem in der Grube Bleicherode der NDH Entsorgungsbetreibergesellschaft
mbH wird das Verfahren seit 1992 mit Erfolg praktiziert und
weiterentwickelt. Das Deformationsverhalten des verfestigten Versatzkörpers wurde an
Bohrkernen untersucht und läßt auf außerordentlich günstige gebirgsmechanische Eigenschaften
schließen (Abb. 5).
Abb. 5: Druckversuch an einem Bohrkern aus Spülversatz mit bergfremden Abfällen
Das nach der Stillegung für die Grube Bleicherode ausgewiesene Gefährdungspotential ging
vor allem von dem großflächig gebauten Ostfeld mit carnallititisch ausgebildeten Tragelementen
aus. Die gebirgsmechanische Modellierung wies eine bergschadenkundlich
unverträgliche Endsenkung von bis zu 3,0 m sowie einen mittel- bis langfristig möglichen
Gebirgsschlag mit einer Lokalmagnitude zwischen 3,7 und 4,5 und einer plötzlichen Absenkung
der Tagesoberfläche um 0,1 bis 0,4 m aus.
Für den Versatz des Baufeldes konnte unter Ansatz des Spülversatzverfahrens im Modell eine
maßgeblich verringerte Restsenkung ermittelt werden. Die Magnitude eines möglichen
seismischen Ereignisses bleibt geringer als 2,0 und somit deutlich unterhalb der möglichen
seismischen Anregung. Der maximal zu erwartende Senkungssprung verringert sich auf
weniger als 5 mm.
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5.3 Vermeidung von Gebirgsschlägen in der Nachbetriebsphase
Aufgrund der hohen Löslichkeit des Carnallitit war die Anwendung des Spülversatzverfahrens
in carnallititischen Baufeldern lange Zeit umstritten. Durch Beobachtungen in situ
und durch die Auswertung vergleichender Laboruntersuchungen gelangte FULDA, D. in den
80er Jahren zu der Auffassung:
Bei Einhaltung eines MgCl2-Gehaltes der Spüllaugen von > 220 g/l und Sättigung an NaCl
und KCl bleibt beim Verspülen von Carnallititabbauen die Zersetzung des anstehenden
Carnallitit auf den unmittelbaren Stoßbereich beschränkt. Der Pfeiler selbst bleibt von der
Lauge isoliert (Sylvinitisierungssaum). Es tritt keine lösungs- oder feuchtebedingte Beeinträchtigung
der Pfeilerstandsicherheit ein.
In der Grube Bleicherode wird der Spülversatz mit bergbaufremden Abfällen seit 1992 großtechnisch
betrieben. Mit der nachweislichen Reduzierung der Senkungsraten sowie der
Begrenzung der seismischen Aktivität auf Ereignisse mit Magnituden < 2 läßt sich der
gewünschte und erwartete Verwahrungserfolg bereits heute belegen.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Spülversatzverfahrens besteht bei der Sicherung
und Verwahrung großer Einzelhohlräume, wie sie z. B. beim Carnallitit-Kuppenabbau
entstehen. Am Modell konnte nachgewiesen werden, daß durch die Verfüllung die Reaktivität
des Hohlraumes entscheidend reduziert wird. Die bei dynamischer Anregung induzierte
Lokalmagnitude, welche bei offenem Kuppenhohlraum kettenreaktionsartig zu einem
Gebirgsschlag führt, kann durch den Spülversatz auf einen Wert begrenzt werden, der
unterhalb der Anregungsschwelle liegt (Abb. 6).
Abb. 6: Reaktivität des offenen und des verfüllten Kuppenhohlraumes bei dynamischer
Anregung
Zusammenfassend kann durch praktische Erfahrungen und durch Simulation am gebirgsmechanischen
Modell bestätigt werden, was FULDA, D. im Jahr 1989 allgemein postulierte:
Durch Spülversatz können Gebirgsschläge in carnallitischen Abbaufeldern vermieden
werden.
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