Analyse von Senkungserscheinungen außerhalb prognostizierter bergbaulicher Einwirkungsbereiche des Bergwerks Prosper-Haniel

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1 Analyse von Senkungserscheinungen außerhalb prognostizierter bergbaulicher Einwirkungsbereiche des Bergwerks Prosper-Haniel Gutachten im Auftrag der Bezirksregierung Arnsberg, Abteilung 6 AUFTRAGNEHMER TU Clausthal (TUC) Institut für Geotechnik und Markscheidewesen (IGMC) Abteilung Markscheidewesen und Geoinformation Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Busch PROJEKTPARTNER Westfälische Wilhelms-Universität Münster (WWU) Institut für Geologie und Paläontologie Univ.-Prof. em., Hon.-Prof., Dr. rer. nat. Wilhelm G. Coldewey PROJEKTBEARBEITER Dr.-Ing. Diana Walter (TUC) M.Sc. Geowiss. Dominik Wesche (WWU) M.Sc. Geowiss. Ilka Tielmann (WWU) Dortmund, 1. Oktober 2012

2 ANLASS UND MOTIVATION, ABLAUF Frühjahr 2010: Leitnivellement - Ergebnis: Senkungen außerhalb des im Rahmenbetriebsplan dargestellten Einwirkungsbereiches (Grenzwinkel = 60 gon) - Fokus: Kirche St. Johannes Kirchhellen (200m vom Nullrand) : 26 cm Senkung August 2010: Bergbehörde fordert RAG AG auf, ein Gutachten zu erstellen. Februar 2011: Gutachten Prof. Preuße (RWTH Aachen) Ergebnis: Bestätigung des Grenzwinkels von 60 gon in den meisten Fällen, jedoch sind die Senkungen im Bereich Kirchhellen damit nicht erklärbar Danach: Forderung einer weiteren gutachterlichen Untersuchung zur Ursachenklärung September 2011: Beginn der gutachterlichen Untersuchungen durch Institut für Geotechnik und Markscheidewesen der TU Clausthal, Prof. Dr. W. Busch, in Zusammenarbeit mit em. Prof. Dr. W. G. Coldewey, Westfälische Wilhelms-Universität Münster Ende August 2012: Abgabe des Gutachtens 6. September 2012: Präsentation im Planungsausschuss der Stadt Bottrop Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

3 AUFGABENSTELLUNG Recherche genereller Ursachen für Bodenbewegungen im Untersuchungsraum - GIS-basierte Dokumentation, Analyse und Bewertung der bereitgestellten Daten Bestimmung von Höhenänderungen mittels satellitengetragener Radarinterferometrie; unabhängig von Nivellements und im Vergleich dazu - Räumlich-zeitliche Analyse der Höhenänderungsanteile detektierter Ursachen für den Zeitraum 12/ / Abschätzung der Qualität einer Abgrenzung bergbaulicher Bodenbewegungen aus Radardaten Abgrenzung bergbaulicher Bodenbewegungen in der Ortslage Bottrop-Kirchhellen für den Zeitraum 12/ /2010 Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

4 GENERELLE URSACHEN FÜR FLÄCHENHAFTE HÖHENÄNDERUNGEN Geogene Ursachen: Klima: Temperatur, Niederschlag Grundwasser Anstieg Lufttemperatur (1 C/15 a mit steigender Tendenz in letzten 30 Jahren) und Niederschlag (10 mm/10 a) Verdunstung nimmt zu; kann nicht durch Niederschlag ausgeglichen werden Grundwasserneubildung wird verringert Tektonik (endogen) Grundwasserabsenkung Fortsetzung der tektonisch aktiven Phase des Känozoikums bis heute Sprünge, Wechsel, Blätter (Störungen) Zerblockung des Gebirges in Horste, Gräben und Staffeln Absenkungen, Hebungen, Verkippungen von Teilschollen mit kleinen Bewegungsraten Lösung von auslaugungs- und verkarstungsfähigen Gesteinen Auslaugung von Salzen durch zirkulierende Tiefenwässer (Zechsteinsalze) Verkarstungen durch Lösungs-und Kohlensäureverwitterung sowie Ausfällungen von z.b. Evaporiten (Gips, Anhydrit), Karbonatgesteinen (Kalk, Dolomit) Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

5 GENERELLE URSACHEN FÜR FLÄCHENHAFTE HÖHENÄNDERUNGEN Anthropogene Ursachen: Grundwasserabsenkungen Gewinnung von Trink- und Brauchwasser Steine-Erde-Tagebauen Absenkungstrichter Landwirtschaftliche Drainagesysteme GW-Neubildungsrate verringert Verminderung des Auftriebes des Korngerüsts Spannungsänderung im Gebirge bewirkt elastische Verformungen (u.a. Setzungen & Hebungen an TOF) Schrumpfung bei Tonen Materialzersetzung bei Torfen durch einströmende Bodenluft Erdwärmegewinnung hydrauliche Kurzschlüsse GW fließt in andere GW-Stockwerke Senkungen Volumenzunahme bei Anhydrit Hebungen Mangelhaft ausgebaute Bohrungen Abtransport von Feinmaterial Folge: lokal begrenzte Bodenbewegungen Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

6 GENERELLE URSACHEN FÜR FLÄCHENHAFTE HÖHENÄNDERUNGEN Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

7 RADARDATEN Satellitendaten 69 Szenen Umweltsatellit ENVISAT Radarsensor ASAR von 12/ /2010 (ca. alle 35 Tage) Szenengröße 100 km x 100 km C-Band (5.6 cm Wellenlänge) Einfallswinkel der Radarstrahlung = 23 Bodenauflösung 20 m x 4 m Flugrichtung von Nord nach Süd Messung von Amplituden und Phasen (proportional zum Signalweg) Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

8 φ = 0 φ = -1/3π Hebung φ = -2/3π RADARINTERFEROMETRISCHES MESSVERFAHREN (1) φ = ± π φ = +1/3π Senkung φ = +2/3π Phasendifferenzbilder =Interferogramme Persistent Scatterer Interferometry Statistische Ermittlung von in allen Szenen über Jahre hinweg stabilen Punktstreuern (PSI-Punkte) Φ Aufnahmegeometrie Φ Topographie Φ Deformation Φ Atmosphäre Differentielle SAR Interferometrie 1 Farbzyklus ASAR z = 3.04 cm (relative Messung) Starke Änderungen des Rückstreuverhaltens (z.b. Vegetation, große räumliche r Basislinie) führen f zu Signaldekorrelationen Szene 1 Szene 2 Szene 2 Szene 3 Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

9 RADARINTERFEROMETRISCHES MESSVERFAHREN (2) PSI-Punkte = überwiegend anthropogene Objekte mit stabilen und guten Rückstreueigenschaften über längeren Zeitraum ( Szenen) PSI-Dichte bei ENVISAT: Stadt (~300 PSI pro km²), Land (~20 PSI pro km²) Kohärenz der umgebenden Pixel spielt keine Rolle bei Bestimmung der Bewegungen Zweidimensionale Regressionsanalysen Ziel: Für jeden PSI-Punkt Ermittlung von: - Lineare Deformationsrate [mm/jahr] - Höhenkorrektur für jeden PSI-Punkt - Residuale Phasenanteile (nichtlineare Bewegung, Atmosphäre und Rauschen) Problem: bei starken nichtlinearen Bewegungen Erfassung von Höhenänderungen mit mm-genauigkeit; Standardabweichung ENVISAT ±4-5 mm Phasenabwicklungsfehler führen bei ENVISAT zu einem Messfehler um ein Vielfaches von etwa 30mm Maximal erfassbare Bewegung eines PSI-Punktes pro Wiederholzyklus bei ENVISAT: 15 mm!!! Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

10 Höhenänderung [mm] mm Tage Jeder PSI-Punkt besitzt Zeitreihe der Höhenänderungen für Zeitraum Bestimmung linearer Trend = Höhenänderungsrate [mm/a] Zusätzlich wurden bestimmt: Abweichungen vom linearen Trend (= Residuen) Ermittlung von Standardabweichungen der Höhenänderungsrate und der einzelnen Höhenänderung Standardabweichungen der Höhenänderungsrate im Mittel: 0,24 mm/a Höhenänderungsraten von 1 mm/a signifikant Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund, Tage

11 PSI-Auswertung Zeitraum: ,5 km x 28,0 km (UG: 14,5 km x 20,5 km) ~ PSI-Punkte Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

12 Radar - PSI-Ergebnis Untersuchungsraum Flächen gleicher Höhenänderungsrate [mm/a] 12/ /2010 TIN-Interpolation (max. Kantenlänge 600m) Dunkelgrün: Bereiche mit nicht signifikanten Höhenänderungs-raten Rot: Hauptsenkungsbereiche Cyan: Hebungsbereiche Prognostizierte Senkungsnulllinie Prosper-Haniel: Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

13 PSI-Ergebnis im Bereich Kirchhellen-Rentfort Linien gleicher Höhenänderungsrate [mm/a] 12/ /2010 TIN-Interpolation (max. Kantenlänge 600m) -2 mm/a (grün) -3 mm/a (rot) -5 mm/a (orange) Prognostizierte Senkungsnulllinie Prosper-Haniel: Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

14 WAS BEDEUTEN EIGENTLICH DIE SENKUNGSRATEN MM/A? Aus den PSI-Auswertungen ermittelte Senkungsraten gelten nur für den untersuchten Zeitraum hier: 6,9 Jahre (12/ /2010) 2 mm/a etwa 14 mm (in 6,9 Jahren) 3 mm/a etwa 20 mm (in 6,9 Jahren) 5 mm/a etwa 35 mm (in 6,9 Jahren) Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

15 Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

16 Höhenänderungen entlang Profilspur mm über 6 Jahre am prognostizierten Nullrand Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

17 Höhenänderungen entlang Profilspur mm über 6 Jahre am prognostizierten Nullrand Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

18 DESKRIPTIVE ABSCHÄTZUNG DER SENKUNGSANTEILE Auszuschließende Ursachen für Senkungen nördlich und östlich v. Prosper-Nord: Klimaänderung (Temperatur, Niederschlag) GW-Absenkung durch Sümpfung tiefen GW (Schutz durch Emscher-Mergel) Auswirkungen von Erdwärmegewinnung unbekannt, da Daten fehlen Änderungen von Grundwasserhöhen liefern keine Erklärung für Senkungen Einfluss der Sand-, Kies- etc. Abbaue (Zeitraum unbekannt!) nicht spezifizierbar Kein Zusammenhang zwischen tektonischen Störungen und Senkungen erkennbar Seit 2006 bis 2010 tektonisch bedingte Senkungsanteile ausschließbar; vorher eventuell Einfluss von > 1-2mm/a im Untersuchungsgebiet vorhanden, jedoch nicht nachweisbar!!! Kein Zusammenhang zu Auslaugung der Zechsteinsalze erkennbar Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

19 DESKRIPTIVE ABSCHÄTZUNG DER SENKUNGSANTEILE Auszuschließende Ursachen für Senkungen nördlich und östlich v. Prosper-Nord: Klimaänderung (Temperatur, Niederschlag) GW-Absenkung durch Sümpfung tiefen GW (Schutz durch Emscher-Mergel) Auswirkungen von Erdwärmegewinnung unbekannt, da Daten fehlen Änderungen von Grundwasserhöhen liefern keine Erklärung für Senkungen Einfluss der Sand-, Kies- etc. Abbaue (Zeitraum unbekannt!) nicht spezifizierbar Kein Zusammenhang zwischen tektonischen Störungen und Senkungen erkennbar Seit 2006 bis 2010 tektonisch bedingte Senkungsanteile ausschließbar; vorher eventuell Einfluss von > 1-2mm/a im Untersuchungsgebiet vorhanden, jedoch nicht nachweisbar!!! Kein Zusammenhang zu Auslaugung der Zechsteinsalze erkennbar Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

20 DESKRIPTIVE ABSCHÄTZUNG DER SENKUNGSANTEILE Überlagernde Einflüsse von Altbergbau insbesondere südlich und süd-östlich des EW PH möglich Unbekannter Senkungseinfluss nord-östlich des EW PH Deutliche Hinweise aus Radarmessungen auf bergbaulichen Einflussvon PH durch zeitlich-räumlichen Zusammenhang Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

21 PSI-Ergebnis Lageänderung generalisierter 3mm/a Senkungslinien in Abhängigkeit vom Betrachtungszeitraum o (rot) o (orange) o (grün) o (lila) Zusammenhang zur Tektonik nicht eindeutig erkennbar! Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

22 ANMERKUNGEN 1. Die erzielten Ergebnisse basieren auf radarinterferometrischen Auswertungen von ENVISAT-Daten für den Zeitraum 12/ /2010. Diese zeigen eine gute Übereinstimmung mit nivellitisch ermittelten Ergebnissen. 2. Die Ableitung einer 0 mm-senkungslinie aus Messdaten ist unsinnig und nicht belastbar. 3. Die Ableitung einer -3 mm/a Linie der Senkungsraten oder einer -20 mm Linie der Senkungen für das beschriebene Gebiet wird im Hinblick auf eine Abgrenzung als belastbar angesehen. 4. Die erzielten Ergebnisse gelten nur für den untersuchten Bereich Kirchhellen-Rentfort. Die Abgrenzung eines Bodenbewegungsbereiches ist in anderen Teilgebieten des gesamten bergbaulichen Einwirkungsbereiches des BW Prosper-Haniel aufgrund der Datenlage nicht möglich. Eine Übertragung der Ergebnisse auf Einwirkungsbereiche anderer aktiver oder stillgelegter Bergwerke ist spekulativ und ohne entsprechende Auswertungen undanalysen geeigneter Daten unseriös. Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,

23 Danke für Ihr Interesse! TU Clausthal (TUC), Institut für Geotechnik und Markscheidewesen (IGMC) Abteilung Markscheidewesen und Geoinformation Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Busch Prof. Dr. W. Busch, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Dortmund,