Schäden an der Kanalisation durch den Steinkohlenbergbau

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1 Schäden an der Kanalisation durch den Steinkohlenbergbau Jorge Ivan Duque Vengoechea OPTIMUS

2 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Duque Vengoechea, Jorge Ivan: Schäden an der Kanalisation durch den Steinkohlenbergbau ISBN Als Masterarbeit an der FH Kaiserslautern angenommen. Alle Rechte vorbehalten 1. Auflage 2013 Optimus Verlag, Göttingen URL: Coverfoto: chalabala - Fotolia.com Printed in Germany Papier ist FSC zertifiziert (holzfrei, chlorfrei und säurefrei, sowie alterungsbeständig nach ANSI 3948 und ISO 9706) Das Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes in Deutschland ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

3 Vorwort Die vorliegende Masterarbeit entstand im Rahmen meines Weiterbildungsstudiums Instandhaltungsmanagement von Rohrleitungssystemen an der Fachhochschule Kaiserslautern. Bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Hajek bedanke ich mich für das entgegengebrachte Interesse an dieser Masterarbeit und für die Betreuung und Hilfestellung während der Bearbeitung. Herrn Barske und Herrn Trockels von der RAG Aktiengesellschaft danke ich für die Überlassung der Senkungsberechnungen, die die Grundlage für die Bestätigung der theoretischen Grundlagen bildeten. Weiter danke ich meinem Freund Uwe Stoffers für die kritische Durchsicht des Manuskriptes, die fachlich kompetente Unterstützung und die zahlreichen Anregungen und Hinweise. Ich danke meinen Großeltern, die mich als Kind bedingungslos in ihrem Haus aufgenommen und als Jugendlichen mit Herz und Verstand erzogen haben. Meinem Onkel Heinz und meiner Tante Ligia danke ich dafür, mir in Deutschland die Möglichkeit gegeben zu haben, auf eigenen Beinen zu stehen. Mein besonderer Dank gilt meiner Frau Angelika und meinen Kindern David Miquel und Luis Miguel für ihre Zeit und ihre Geduld während des Studiums.

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5 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbolverzeichnis III V VII 1 Einleitung Die Entstehung der Steinkohle Die Steinkohlenreviere in Deutschland Der Steinkohlenbergbau 6 2 Bodenbewegungen durch den Steinkohlenbergbau Senkung Schieflage Krümmung Verschiebung Längenänderung 14 3 Einfluss der Bodenbewegungen auf die Kanalisation Einfluss der Senkung auf die Kanalisation Einfluss der Schieflage auf die Kanalisation Einfluss der Krümmung auf die Kanalisation Einfluss der Verschiebung und der Längenänderung auf die Kanalisation Zerrungen quer zur Rohrachse Statische Grundlagen Statische Bewertung im Bergbaulastfall Zerrungen längs zur Rohrachse 29 I

6 Inhaltsverzeichnis Pressungen quer zur Rohrachse Statische Grundlagen Statische Bewertung im Bergbaulastfall Pressungen längs zur Rohrachse Einfluss mehrerer Einwirkungen auf die Kanalisation Übersicht bergbaulich bedingter Kanalschäden 44 4 Bergbaulich bedingte Schäden aus der Literatur Bergschäden an Leitungen und Maßnahmen zu ihrer Beseitigung und Verhütung Auswirkungen des untertägigen Bergbaus auf Wasserleitungen 48 5 Entstandene Kanalschäden im Bergsenkungsgebiet Beschreibung des Untersuchungsgebiets Bergbauliche Bodenbewegungen Einfluss der bergbaulichen Bodenbewegungen auf die Kanalisation Gefälleumkehr Muffenabplatzung Rissbildung Verschobene Rohrverbindung 58 6 Schlussbetrachtung 61 Verzeichnis der Anlagen 65 Verzeichnis der Pläne 83 Literaturverzeichnis 103 II

7 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Entstehung der Steinkohle. 3 Abbildung 2: Steinkohlenbergwerke in Deutschland. 4 Abbildung 3: Schnitt durch das Ruhrrevier. 5 Abbildung 4: Schnitt durch ein Steinkohlenbergwerk. 6 Abbildung 5: Bewegungs- und Verformungsgrößen im Schnitt. 10 Abbildung 6: Verlauf der Senkung im Senkungstrog. 11 Abbildung 7: Beispiel zur Berechnung der Schieflage. 12 Abbildung 8: Verlauf der Schieflage im Senkungstrog. 12 Abbildung 9: Verlauf der Krümmung im Senkungstrog. 13 Abbildung 10: Verlauf der Verschiebung im Senkungstrog. 14 Abbildung 11: Beispiel zur Berechnung der Längenänderung. 15 Abbildung 12: Verlauf der Längenänderung im Senkungstrog. 16 Abbildung 13: Biegespannungen im Gebirge infolge des Abbaues. 16 Abbildung 14: Durchbiegung der Kanalisation bei Muldenlage und Sattellage 18 Abbildung 15: Kanalbeanspruchung quer und längs zur Rohrachse 21 Abbildung 16: Umgelagerte Bodenspannungen. 22 Abbildung 17: Seitendruck. 23 Abbildung 18: Vergleich der vertikalen Bodenspannungen für Betonrohre bei Zerrungen quer zur Rohrachse. 26 Abbildung 19: Vergleich der vertikalen Bodenspannungen für PVC-U Rohre bei Zerrungen quer zur Rohrachse. 27 Abbildung 20: Sicherheitsvergleich für Betonrohre bei Zerrungen quer zur Rohrachse. 28 Abbildung 21: Sicherheitsvergleich für PVC-U Rohre bei Zerrungen quer zur Rohrachse. 28 III

8 Abbildungsverzeichnis Abbildung 22: Entwicklung des Erddruckverhältnisses K p im Bergsenkungsgebiet. 32 Abbildung 23: Horizontale Bodenspannungen für Betonrohre bei Pressungen quer zur Rohrachse. 34 Abbildung 24: Horizontale Bodenspannungen für PVC-U Rohre bei Pressungen quer zur Rohrachse. 35 Abbildung 25: Sicherheitsvergleich für Betonrohre bei Pressungen quer zur Rohrachse. 36 Abbildung 26: Sicherheitsvergleich für PVC-U Rohre bei Pressungen quer zur Rohrachse. 37 Abbildung 27: Verlauf der Druckspannungen in der Kanalhaltung. 38 Abbildung 28: Vergleich der Druckspannungen für ein Betonrohr DN 300 bei Pressungen längs zur Rohrachse. 40 Abbildung 29: Vergleich der Druckspannungen für ein Betonrohr DN 1000 bei Pressungen längs zur Rohrachse. 41 Abbildung 30: Wechselnde Einwirkungen auf die Kanalisation. 43 Abbildung 31: Schiebestelle im Einsteigeschacht eines Abflusskanals 48 Abbildung 32: Auswirkung der Verschiebung senkrecht zur Rohrleitungsachse bei Belastung durch Erddruck. 50 Abbildung 33: Maximale Bodenbewegungen zwischen 1960 und Abbauende. 52 Abbildung 34: Maximale Bodenbewegungen zwischen 1980 und Abbauende. 53 Abbildung 35: Maximale Bodenbewegungen zwischen 1985 und Abbildung 36: Festgestellte Kanalschäden im Bergsenkungsgebiet. 54 Abbildung 37: Muffenabplatzung durch Pressung längs zur Rohrachse. 56 Abbildung 38: Rissbildung durch Pressung längs zur Rohrachse. 57 Abbildung 39: Rissbildung durch Pressung quer zur Rohrachse. 57 Abbildung 40: Klaffender Riss durch nachträgliche Kanalverlegung. 58 Abbildung 41: Rissbildungen durch Pressungen und Zerrungen. 58 Abbildung 42: Verschobene Verbindung durch Zerrungen. 59 Abbildung 43: Verschobene Verbindung durch Verschiebung. 59 Abbildung 44: Klaffender Riss durch nachträgliche Kanalverlegung. 59 IV

9 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Durchbiegung und Muffenabwinkelung in Abhängigkeit vom Krümmungsradius und von der Länge der Kanalisation. 19 Tabelle 2: Muffenverschiebung in Abhängigkeit von der Zerrung längs zur Rohrachse. 30 Tabelle 3: Muffenverschiebung in Abhängigkeit von der Pressung längs zur Rohrachse. 38 Tabelle 4: Übersicht bergbaulich bedingter Kanalschäden. 44 Tabelle 5: Übersicht bergbaulich bedingter Kanalschäden. 61 V

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11 Symbolverzeichnis B z l s s s 0 B R S p A c h,qv c h,qh c h,qh* Grenzwinkel, Muffenabwinkelung Bruchwinkel Wichte des Bodens Einwirkungswinkel Krümmungsradius Muffenverschiebung Längenänderung Längung Kürzung Relative Längenänderung Zerrung Pressung Abminderungsfaktor für Erdlasten Abminderungsfaktor für Auflasten Konzentrationsfaktor des Bodens seitlich oberhalb des Rohres Konzentrationsfaktor über dem Rohr Vorhandener Sicherheitsbeiwert Druckspannung Innerer Reibungsbeiwert des Bodens Kontaktfläche in der Muffe Verformungsbeiwert für die horizontale Verformung d h infolge q v Verformungsbeiwert für die horizontale Verformung d h infolge q h Verformungsbeiwert für die horizontale Verformung d h infolge q h* VII

12 Symbolverzeichnis d a D erf. S Rohraußendurchmesser Schachtdurchmesser Erforderlicher Sicherheitsbeiwert biegesteifer Rohre erf. bz Erforderlicher Sicherheitsbeiwert biegeweicher Rohre E1 Verformungsmodul für die Überschüttung über dem Rohr E3 Verformungsmodul des anstehenden Bodens neben dem Graben f Durchbiegung der Kanalisation F nr Reibungskraft F E Erddruckkraft F n Normalkraft aus der vertikalen und horizontalen Bodenspannung h Überdeckungshöhe h a Abbauteufe K p Erdwiderstand KS Schachttiefe K 2 Erddruckverhältnis in der Bodenzone 2 l Länge der Kanalisation L Rohrlänge m Gebaute Mächtigkeit p E Bodenspannung infolge Erdlasten und Auflasten p V Bodenspannung infolge Verkehrslasten p 0 Flächenlast q v Vertikale Bodenspannung am Rohr q h Horizontale Bodenspannung am Rohr V RB Rohrsteifigkeit v xy Verschiebung v z Senkung v' z Schieflage v" z Krümmung VIII

13 1 Einleitung Steinkohle wird weltweit seit geraumer Zeit abgebaut und gewonnen. Dieser Rohstoff, der als Motor der Industrialisierung bezeichnet wurde, wird im Wesentlichen zur Energieerzeugung und Stahlproduktion genutzt und verschafft Ländern mit ausreichenden Vorräten, durch die Möglichkeit eigene Energie zu produzieren, eine wichtige Stellung in der Weltwirtschaft. Deutschland gehört zu den Ländern mit den höchsten Kohlenreserven der Welt. Die RAG Deutsche Steinkohle gehört zum Konzernverbund der RAG Aktiengesellschaft und ist im Auftrag der öffentlichen Hand seit 1998 für die Förderung deutscher Steinkohle verantwortlich. Mit rund Mitarbeitern in den Bergbaurevieren in Ibbenbüren, im Saarland und der Rhein-Ruhr-Region zählt die RAG Deutsche Steinkohle zu den größten Arbeitgebern in Deutschland. Das Unternehmen leistet einen wichtigen Beitrag zur nationalen Rohstoff- und Energieversorgungssicherheit. Dennoch wird die heimische Schwarzgoldproduktion aus wirtschaftlichen und umweltrelevanten Faktoren heruntergefahren. Zu den umweltrelevanten Faktoren gehören im Wesentlichen die Entstehung der klimaschädlichen Gase Kohlendioxid und Schwefeldioxid bei der Verbrennung von Steinkohle und die Produktion von Treibhausgasen bei Kohlenflözbränden. Ein wichtiger Faktor ist darüber hinaus die nachteilige Veränderung der Landschaft. Die Veränderungen der Landschaft werden durch Bodenbewegungen an der Tagesoberfläche sichtbar. Hierdurch werden die Infrastruktur und besonders die Kanalisation beeinflusst. Die vorliegende Masterarbeit untersucht, welche Schäden durch den Steinkohlenbergbau an der vorhandenen, im freien Gefälle verlegten Kanalisation verursacht werden können. Zunächst erfolgt ein Überblick über die Entstehung der Steinkohle und die Gewinnung der Steinkohle durch den Steinkohlenbergbau. Nach diesem Überblick werden in einem ersten Schritt die Bodenbewegungen und daraus resultierend die Einwirkungen der bergbaulichen Tätigkeit auf die nahe der Tagesoberfläche im Erdreich verlegte Kanalisation erfasst. Die weitere Untersuchung prüft, welchen Einfluss die erfassten Einwirkungen auf die Kanalisation haben. Hierzu werden statische Berechnungen unter Be- 1

14 Einleitung rücksichtigung der Veränderung der im Normalfall - ohne bergbauliche Tätigkeit - vorhandenen Ausgangssituation durchgeführt. Die aus den theoretischen Grundlagen ermittelten Kanalschäden werden mit den in der Literatur angesprochenen bergbaulich bedingten Schäden und mit den in einem Bergsenkungsgebiet aufgetretenen Kanalschäden verglichen und analysiert. Die Untersuchung soll einen Überblick über die Schäden ermöglichen, die ursächlich durch den Steinkohlenbergbau hervorgerufen werden können. 1.1 Die Entstehung der Steinkohle Steinkohle entstand in der Karbonzeit, vor etwa 300 bis 350 Millionen Jahren. Die damaligen Sumpfwälder am Äquator starben ab und sanken unter die Wasseroberfläche. Diese wurden durch Meer und Flüsse mit Sand und Ton abgedeckt. Durch den Luftabschluss wurde das Verfaulen der Holz- und Pflanzenreste verhindert. Hierdurch entstand eine Torfschicht, die als Flöz bezeichnet wird. Dieser Vorgang wiederholte sich mehrere hundert Mal. Mit zunehmender Teufe wurde der Torf immer fester und wärmer. Aus dem Torf entstand Braunkohle, und später wurde daraus Steinkohle. Am Ende der Karbonzeit wurden diese Schichten durch Erdbewegungen zusammengeschoben, gefaltet und schiefgestellt. Im Perm wanderte Deutschland nach Norden. Das Klima wurde heiß und trocken, Flüsse und Seen trockneten aus. Das Gebirge wurde durch Wind und Wasser wieder abgetragen. In der Kreide senkte sich der Norden des heutigen Europas und wurde durch das Meer überschwemmt. Der Strand dieses Kreidemeeres lag im Süden des Ruhrgebiets. Im Münsterland lagerten sich in der Kreidezeit bis zu m dicke Schichten aus Kalk, Sand und Ton ab. Da diese wie eine Decke über den alten Gebirgsresten aus der Karbonzeit liegen, nennt man sie auch Deckgebirge. Darunter liegt die Kohle. An der Ruhr im Süden des Ruhrgebiets treten die Kohlenschichten bis an die Tagesoberfläche. 1 Die nachfolgende graphische Darstellung zeigt in den Bildern 1 bis 4 die Entstehung der Steinkohle und in den Bildern 5 bis 7 die variszische Gebirgsbildung. 1 Vgl. Lüftner, Herbert: Unsere Steinkohle und das Revier in Deutschland, 1. Auflage, (Gesamtverband des deutschen Steinkohlenbergbaus Kommunikation) Goch 2008, S

15 Einleitung Flözbildung im Karbon 2, 3 Torf wurde zu Braunkohle 4 Braunkohle wurde zu Steinkohle 5 Entstehung des Gebirges 6 Gebirge durch Wind und Wasser abgetragen 7 Bildung des Deckgebirges aus Kalk Abbildung 1: Entstehung der Steinkohle. In Anlehnung an: Lüftner, Herbert: Unsere Steinkohle und das Revier in Deutschland, 1. Auflage, (Gesamtverband des deutschen Steinkohlenbergbaus Kommunikation) Goch 2008, S

16 Einleitung 1.2 Die Steinkohlenreviere in Deutschland In Deutschland wird aktuell Steinkohle in drei Steinkohlenrevieren gefördert. Abbildung 2: Steinkohlenbergwerke in Deutschland. Quelle: Steinkohlenbergbau in Deutschland (O. V), (Gesamtverband des deutschen Steinkohlenbergbaus Kommunikation) Essen 2006, S. 27. Unter dem Ruhrgebiet befindet sich der größte, mit heutigen Abbaumethoden nutzbare Steinkohlevorrat Deutschlands. Die Kohlenlagerstätte erstreckt sich auf einer Länge von ca. 100 Kilometern von Hamm im Osten bis nach Kevelaer im Westen. Die Kohlenflöze treten im Süden an der Ruhr an die Tagesoberfläche und fallen nach Norden ein. In Münster erreichen sie eine Teufe von ca m. 4

17 Einleitung Münster Lippe Emscher Essen Ruhr 0 m 300 m 600 m 900 m 1200 m Deckgebirge Flözführende Schichten 135 km Abbildung 3: Schnitt durch das Ruhrrevier. In Anlehnung an: Weber, Ulrich; Wildhagen, Eckhard: Einwirkungen des untertägigen Steinkohlenbergbaus auf die Tagesoberfläche und Möglichkeiten der Sicherung und Sanierung von Bauwerken, Teil 1, Zeitschrift Bergbau 8/96, S Der geregelte Bergbau begann um Die Kohlenvorräte an der Ruhr waren bis ungefähr 1830 erschöpft. Ab diesem Zeitpunkt war es erforderlich, das Deckgebirge zu durchstoßen, um an die Kohlenvorräte zu gelangen. Von ca. 56 Bergwerken in den Spitzenzeiten der Steinkohlenförderung sind 2009 nur noch die Steinkohlenbergwerke West in Kamp Lintfort, Prosper Haniel in Bottrop, Auguste Victoria in Marl und Ost in Hamm in Betrieb. Das Saarrevier dehnt sich auf einer Fläche von 60 mal 25 Kilometern von Frankenholz im Kreis Homburg bis Falkenberg aus. Die Flöze liegen meist flach und erleichtern den Abbau mit modernen Maschinen. Aktuell ist nur noch das Bergwerk Saar in Saarlouis in Betrieb. In Ibbenbüren erstreckt sich das Kohlenrevier auf einer 15 mal 6 Kilometer großen Fläche. Ibbenbürener Kohle wurde durch die Lagerung in großer Teufe viel stärker inkohlt als die Kohle im Ruhrrevier. In Ibbenbüren ist ebenfalls nur ein Bergwerk in Betrieb. 5