Zur Stabilisierung steilstehender Abbauflächen im Standwasser

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1 Zur Stabilisierung steilstehender Abbauflächen im Standwasser F. Hollmann 1) und V. Sachtleben 2) 1) Montanuniversität Leoben 2) Baugrundinstitut Franke-Meißner & Partner, Wiesbaden ZUSAMMENFASSUNG : Gelegentlich müssen standwassergefüllte Abbaue in steiler Lagerung im tagesnahen Teufenbereich stabilisiert werden. Bei Vergleichsbetrachtungen wurde erkannt, dass das Bergschadensgeschehen über bis zur Geländeoberfläche ersoffenen Grubenbauen praktisch gegen Null geht. Die Flurabstände der Standwässer sind von entscheidender Bedeutung für die Art der Stabilisierung nachwirkungsrelevanter Altbergbaue. Deshalb sind in tagesbruchgefährdeten Verdachtsflächen vordringlich die Flurabstände der Standwässer zu erkunden. Hohlräume in stark geneigter (40 g bis 60 g) und steiler Lagerung (>60 g) sind kaum lagebeständig zu verfüllen, wenn sie im Standwasser stehen und mit einem größeren Grubengebäude kommunizieren. Schon die mäßig geneigte Lagerung (20 g bis 40 g) macht erhebliche Schwierigkeiten. In den wassergefüllten Hohlräumen der flachen Lagerung können die üblichen Standardverfahren zur Stabilisierung z.b. mit besonderen Füllgutrezepturen gesichert angewendet werden. Sofern in der geneigten bis steilen Lagerung innerhalb der Flurabständen der Standwässer keine zur Stabilisierung ausreichend mächtige Felsschwebe vorliegt, müssen die Standwässer mit in die Sicherungsüberlegungen einbezogen werden. Praktisch alle Tagesbrüche über Abbauflächen fallen im Abstandsbereich bis etwa 6 m zum Ausbiß. Besonders wichtig ist also die Standfestigkeit des dreiecksförmigen Gebirgszwickels im Hangenden des Flözes/Lagers bis zum Abstandsmaß 6 m vom Ausbiß. Dieser Gebirgszwickel und das Liegende müssen durch das Einpressen von Zementsuspensionen mit w/z-werten 1 gegen Erosion ertüchtigt werden. Einfallensabhängig sind dabei Teufen von bis zu 30 m zu erfassen. Die vorgestellte Verfahrensart wurde bei zwei größeren Objekten im Steinkohlenbergbau und einem Objekt im Eisensteinbergbau mit Erfolg angewandt. ABSTRACT: Occasionally, the faces of worked out and flooded subsurface mines have to be stabilized. In the course of comparative examinations it was found out that almost no subsidence damage occurs above subsurface worked out mining areas, if flooded conditions are present. The level of the standing water is regarded to be essential for the effect of stabilization in the worked out subsurface mining with subsidence damage potential. Therefore, in the course of the investigation of a worked out subsurface mining area endangered by caving to surface and subsidence, the exploration of the standing water heads in relation to the ground surface level is considered to be a matter of priority. For strongly inclined (40 g to 60 g) and steeply inclines (more than 60 g) worked out seams it is regarded to be almost impossible to produce a stable backfill if the openings are linked to extensive adjacent mining areas. Even for moderately inclined (20 g to 40 g) worked out seams there are considerable difficulties to expect. In horizontal and sub-horizontally inclined worked out seams regular standard backfilling procedures, e.g. backfilling with especially composed and graded materials, are considered to be safely applicable. For moderately and steeply inclined worked out seams, flooding has to be considered in the stability assessment, if the thickness of the hanging wall itself is not sufficient to provide safe and stable conditions. 220

2 1 Einleitung Grundlagen Mit dem Anstieg der Standwässer in oberflächennahen Grubengebäuden bis zum Erreichen eines Überlaufs oberhalb des tiefsten Vorfluters wird das Bruch- und Erdfallgeschehen an der Geländeoberfläche zunehmend rückläufig. Meist sind die hydrogeologischen Gegebenheiten in den betroffenen Abbaufeldern nicht bekannt und ggf. durch bestehende oder sich bildende sog. schwebende Standwasservorkommen besonders uneinsichtig. Aus Kartierungsergebnissen und der Aufarbeitung von Bergschadensakten ist bekannt, daß das Bergschadensgeschehen über vollständig ersoffenen Grubenbauen praktisch ausläuft, und auch über tagesnahen Grubenbauen und Abbauen keine Schadensereignisse mehr auftreten [4] [7] [8]. In diesen Bereichen gehen die Flurabstände der Standwässer gegen Null. Oberhalb der allgemeinen Standwasseroberfläche - einschließlich des zugehörigen vom Standwassergefälle bestimmten Fließsaums - können Hohlräume verbleiben, die durch den versickernden Anteil der Niederschläge mit Stofftransport durch rückläufige Erosion zu Tagesbrüchen führen können. Standwassergefüllte Abbauhohlräume als Teil eines größeren Grubengebäudes lassen sich i.a. bis zu einem Schichteneinfallen von etwa 25 g/30 g mit dem Einsatz besonderer Verfahren ohne größere Schwierigkeiten stabilisieren. Dieses Ziel ist i.a. nur durch Abdämmung aller durch die unterschiedlichen bergbaulichen Eingriffe geschaffenen Hohlräume und Auflockerungen unter der Grenzteufe des tagesnahen Bergbaus zu erreichen [1] [4] [9] [10]. Oberhalb von 25 g sind potenziell tagesbruchauslösende Abbauhohlräume [3, Abb. 4: größte Krümmung der Grenzkurve für die Tagesbruchgefahr] nicht nachweisbar lage- und erosionsbeständig zu verfüllen, wenn sie im Standwasser stehen und mit einem größeren Grubengebäude zusammenhängen. Es kann nicht gewährleistet werden, daß das Material an Ort und Stelle verbleibt. Gelöst ist dieses Problem nur für Tagesschächte [2] [7] [8] durch standsicher nachgewiesene kohäsive Füllsäulenabschnitte auf schwebend oder schwimmend verlorenen Widerlagern. Das Niveau der Oberfläche der in den Grubenbauen stehenden Standwässer ist von entscheidender Bedeutung für die Art der Stabilisierung nachwirkungsrelevanter Altbergbaue. Deshalb sind die Flurabstände der Standwässer und deren Gefälle zum Überlauf bzw. zum Übertritt in das Grundwasser vordringlich zu erkunden. 2 Stabilisierung steilstehender Abbaue im Standwasser Sofern in der geneigten bis steilen Lagerung in den Flurabständen der Standwässer keine zur Stabilisierung ausreichend mächtige Felsschweben vorhanden sind, müssen die Standwässer mit in die Sicherungskonzeption einbezogen werden. Dabei muß gewährleistet sein, daß die hangenden und liegenden Nebengesteinsschichten des wassergefüllten Grubenbaus weitgehend erosions- und standfest sind, keine tagesbruchrelevanten Hohlräume nachbrechen und keine Auflockerungen zur Tagesoberfläche hochwandern [3]. 95% aller Tagesbrüche fallen im Abstandsbereich bis etwa 6 m zum Ausbiß [4] meist auf den in der Lagerstätte angelegten Tagesüberhauen (tonnlägigen Schächten). Die restlichen 5% werden durch gebrochene Schächte verursacht, die Überhauen in der Lagerstätte aufsitzen, deren Tagesöffnung im Hangenden der Lagerstätte stehen. Besonders wichtig ist deshalb die Standfestigkeit des dreiecksförmigen Gebirgszwickels im Hangenden potenziell tagesbruchverursachender Baue bis zu dem Abstandsmaß 6 m zum Ausbiß an der Felslinie. Dieser Gebirgszwickel im Hangenden wie auch das unmittelbare Liegende muß durch Stufeneinpressungen von Zementsuspensionen mit w/z-werten 1 und Drücken von max. 3 bar gegen Erosion ertüchtigt werden. Bei Einpreßdrücken ab 2 bar muß mit Durchbrüchen in den Hohlraum und entsprechenden Verlusten von Einpreßgut gerechnet werden. 221

3 Die vorgestellte Verfahrensart wurde bei zwei größeren Objekten im Steinkohlenbergbau und einem Objekt im Eisensteinbergbau in Großversuchen vorbereitet und mit Erfolg angewandt. Die angestellten Überlegungen gelten für flözförmige und flözahnliche Lagerstätten in geschichteten Fest- und Halbfestgesteinen. In Abhängigkeit der Ergebnisse von Sonderuntersuchungen erübrigen sich in massigen Festgesteinen ggf. Ertüchtigungsmaßnahmen. In den Abbn. 1 und 2 ist das Fallbeispiel für ein Flöz mit einem Einfallen von α = 70 g und einer gebauten Mächtigkeit m = 160 cm aufgetragen. Die seigeren Stabilisierungsbohrungen im Hangenden sind in 4 Bohrreihen angeordnet. Sie haben in jeder Bohrreihe einen streichenden Abstand von etwa 3 m untereinander. Die Bohrungen der Bohrreihen b 4/5 und b 7/5 sind jeweils mittig versetzt zu den Bohrungen der Bohrreihen b 3 und b 6 angeordnet. Der Sicherheitsabstand zum Flöz beträgt bankrecht 2 m. Die im Liegenden parallel zum Flöz angeordneten Stabilisierungsbohrungen haben einen streichenden Abstand von min. 1,5 m untereinander. Der Sicherheitsabstand zum Flöz beträgt bankrecht 1,5 m. Nach den Ergebnissen der durchgeführten Großversuche sind die angeführten Abstandsmaße für alle Schichteinfallen gleich. Abb.1 : Stabilisierung potentiell tagesbruchverursachender Abbaue in steiler Lagerung: Fallbeispiel Flöz α = 70 g, gebaute Mächtigkeit 160 cm, Schnittriß 222

4 Abb.2 : Stabilisierung potentiell tagesbruchverursachender Abbaue in steiler Lagerung: Fallbeispiel Flöz α = 70 g, gebaute Mächtigkeit 160 cm, Grundriß Abb.3 : seigere Stabilisierungsgrenzteufen T max. und flache Stabilisierungsgrenzteufen T Fmax der Bohrreihen in Abhängigkeit vom Einfallen 223

5 Tab.1 : Stabilisierungs-Endteufen ( gerundet ), Stabilisierungsgrenzteufe 30 m - maximale seigere Bohrteufen T im Hangende - maximale flache Bohrteufen F im Liegenden α T 1 max. [m] T 2 max. [m] T 3 max. [m] T 4 max. [m] F max. [m] T Fmax. [m] [gon] bei b = 3 m bei b = 4,5 m bei b = 6 m bei b = 7,5 m Abschließende Hinweise Teil der Stabilisierung ist das im Grubengebäude stehende Standwasser, das in Übereinstimmung mit Eurocode 7 [11] nach der Beobachtungsmethode zu überwachen ist. Dazu sind Beobachtungspegel herzustellen in denen die Standwasseroberfläche und das Standwassergefälle beobachtet werden kann. Die Bedeutung der Erhaltung des Standwasserniveaus für die Standsicherheit des Geländes und einer ggf. baufachlichen Nutzung ist den örtlich zuständigen Ordnungsbehörden mitzuteilen. Wird das Standwasser abgesenkt, sind die dann freifallenden Hohlräume konservativ lage- und erosionsbeständig ggf. auf schwebend oder schwimmend verlorenen Widerlagern zu stabilisieren. Der Ausbiß selbst ist entsprechend der beabsichtigten Nutzung gesondert zu untersuchen und zu behandeln. Literaturhinweise [1] Beletz, O., H. Landsmann, E. Pintaritsch und F. Podhraski Stabilisierung tagesnaher Grubenbaue im Standwasser mit Schwarzl Stollen-SSM.- 4. Altbergbaukolloquium 2004 an der Montanuniversität Leoben, Verlag Glückauf, Essen 2004, [2] Hartmann, G., F. Hollmann, K. H. Hülsmann, H. Meissner und G. Schöne-Warnefeld Rechnerische Erfassung des Einflusses der Größe von Kohäsion, Adhäsion und Länge kohäsiver Füllsäulenabschnitte in Verbindung mit den Festigkeitseigenschaften und den Auflagerbedingungen der Schachtauskleidung.- Mitteilungen der Westfälischen Berggewerkschaftskasse 34 (Sicherheit an verfüllten Schächten II), Bochum 1978, 127 Seiten [3] Hollmann, F., und R. Nürenberg Der "tagesnahe Bergbau" als technisches Problem bei der Durchführung von Baumaßnahmen im Niederrheinisch-Westfälischen Steinkohlengebiet.- Mitteilungen der Westfälischen Berggewerkschaftskasse 30, Bochum 1972, 39 S. 224

6 [4] Hollmann, F., und R. Nürenberg Stabilisierung tagesnaher Grubenbaue, oberflächennaher Abbaue und Versatzmassen. Ein Beitrag zur Standfestigkeit der Geländeoberfläche über aufgelassenen und unter Wasser geratenden Grubenbauen.- 5. Altbergbaukolloquium 2005 an der Technischen Universität Clausthal, Verlag Glückauf, Essen 2005, [5] Hollmann, F., F. Kremser und H. Landsmann Altbergbau in den Braunkohlenrevieren der Ostalpen unter den bergrechtlichen Randbedingungen der Republik Österreich.- Schriftenreihe der GDMB Gesellschaft für Bergbau, Metallurgie, Rohstoff- und Umwelttechnik Heft 97, 2003 (5. Aachener Bergschadenkundliches Kolloquium 2003), [6] Hollmann, F., F. Kremser und H. Landsmann und B. Randjbar Standwasser im Grubengebäude minimiert Bergschäden. Ein Beitrag zur Beurtei lung von Altbergbaurevieren.- Berg- und Hüttenmännische Monatshefte 149 (2004), zugleich: Bergbau 56 (2005), [7] Hollmann, F., K. H. Hülsmann, H. Meissner, H. Schmidt-Schleicher und G. Schöne-Warnefeld Erfassung der Ausgangsgrößen zum Nachweis der Standsicherheit für Schächte ohne nachweisbare "Imperfektionen".- Mitteilungen der Westfälischen Berggewerkschaftskasse 36 (Sicherheit an verfüllten Schächten III), Bochum 1980, 77 Seiten [8] Hollmann, F., K. H. Hülsmann, H. Meissner, H. Schmidt-Schleicher und G. Schöne- Warnefeld Zum Verhalten von Schachtfüllsäulen bei Durchsickerungen und unter Auftrieb. Standsicherheitsnachweis für schwebend stabilisierte Füllsäulen. Ein Beitrag zum Problem aufgelassener und unter Wasser geratender Schächte.- 4. Altbergbaukolloquium 2004 an der Montanuniversität Leoben, Verlag Glückauf, Essen 2004, [9] Kremser, F., und H. Landsmann Die Stabilisierung tagesnaher, wassergefüllter Grubenbaue des Braunkohlenbergbaus Klein Kainach in Bärnbach, Österreich.- 7. Altbergbaukolloquium 2007 an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg, Verlag Glückauf, Essen 2007 [10] Kremser, F., H. Landsmann und E. Pintaritsch Stabilisierung tagesnaher Grubenbaue im Standwasser.- 5. Altbergbaukolloquium 2005 an der Technischen Universität Clausthal, Verlag Glückauf, Essen 2005 [11] Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik, Teil 1: Allgemeine Regeln.- Deutsche Fassung DIN V ENV , 87 Seiten 225