DE10149972C1 - Verschlussstopfen und Verfahren zum Verschließen von untertätigen Hohlräumen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verschlussstopfen zum Verschließen eines untertägigen Hohlraums, bestehend aus einem statischen Widerlager, das an den untertägigen Hohlraum grenzt und diesen verschließt, einer an das statische Widerlager anschließende Verfüllung aus einem bindigen Material mit einer ersten Wasserdurchlässigkeit k¶f(1)¶ und einem zumindest bereichsweise wasserdurchlässigen Hilfswiderlager, das die Verfüllung abgrenzt, sowie ein Verfahren zum Erstellen eines solchen Verschlussstopfens. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wasserfluss, der das bindige Material zum Quellen bringt, zu vergleichmäßigen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, innerhalb der Verfüllung aus dem bindigen Material mindestens eine Schicht eines weiteren Materials in der Weise anzuordnen, dass die Schicht in einem Winkel von 60 DEG bis 90 DEG zu einer Wassereintrittsrichtung angeordnet ist und das weitere Material eine zweite Wasserdurchlässigkeit k¶f(2)¶ aufweist, die mindestens eine Größenordnung höher ist als die Wasserdurchlässigkeit k¶f(1)¶.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verschlussstopfen gemäß dem Ober­ begriff des ersten Patentanspruchs und ein Verfahren zum Ver­ schließen von untertägigen Hohlräumen gemäß dem zweiten Pa­ tentanspruch.

Gefährliche Abfälle, insbesondere hochtoxische und radioaktiv strahlende Abfälle, werden in Berkwerken untertage deponiert und endgelagert, so dass sie auf Dauer zuverlässig von der Um­ welt isoliert sind. Üblicherweise werden die Abfälle, die in Fässern, Trommeln oder in sonstigen Gebinden enthalten sind, in eine Kaverne des Bergwerkes gebracht. Ist der Nutzraum der Ka­ verne erschöpft, kann der Freiraum zwischen den Gebinden mit festem Material ausgefüllt werden, so dass eine ausreichende Druckfestigkeit des Bergstocks wiederhergestellt und ein Deckeneinbruch der Kaverne vermieden wird. Anschließend wird die Kaverne wasserdicht verschlossen.

Zum Verschließen der Kaverne wird zunächst eine erste Trenn­ schicht, die als statisches Widerlager dient, zwischen der verfüllten Kaverne und dem angrenzenden Stollen hergestellt. Das Widerlager kann aus einer Mauer, beispielsweise aus einer Ziegelsteinmauer, bestehen. Alternativ kann das Widerlager aus Fertigelementen, etwa aus Beton, gefertigt werden. An das erste Widerlager schließt sich eine Verfüllung des Stollens mit einem bindigen Material an. Bentonit ist das für diesen Zweck am besten geeignete bindige Material; prinzipiell sind jedoch auch Ton- oder Lehmmaterialien brauchbar. Die Verfül­ lung wird bevorzugt aus Formsteinen hergestellt. Verdichtete Schüttungen des bindigen Materials sind jedoch ebenfalls ein­ setzbar. Die Verfüllung wird von einem Hilfswiderlager be­ grenzt, das ähnlich wie das erste Widerlager bespielsweise als Trockenmauer erstellt werden kann. Bindiges Material, insbesondere Bentonit, quillt bei einer Wasseraufnahme auf und ver­ größert sein Volumen dabei beträchtlich. Durch die Vergröße­ rung des Volumens wird ein Druck aufgebaut. Dieser Effekt wird genutzt, um eine dauerhafte Dichtwirkung des Verschlussstop­ fens zu erzielen. Die Widerlager verhindern dabei, dass sich der quellende Bentonit in Richtung auf die Kaverne oder den Stollen ausdehnt. Die Wasseraufnahme soll im normalen techni­ schen Einsatz durch Grubenwasser erfolgen. Für Versuchsstre­ cken wird der Verschlussstopfen mit Druckwasser beaufschlagt. Die beiden Widerlager müssen dabei dem mechanischen Druck, der sich beim Aufquellen des bindigen Materials einstellt, stand­ halten. Das zweite Widerlager muß in wasserdurchlässiger Form erstellt werden, damit der Bentonit durchfeuchtet werden kann.

Ein Verschlussstopfen der eingangs genannten Art und ein Ver­ fahren zum Verschließen von untertägigen Hohlräumen ist aus dem Manuskript eines Vortrags zum 5. Statusgespräch zu FuE- Vorhaben auf dem Gebiet der Entsorgung gefährlicher Abfälle in tiefen geologischen Formationen (Leipzig, 15./16.05.01) be­ kannt. Das Manuskript ist in Wissenschaftliche Berichte FZKA- PTE Nr. 7: "Untertägige Entsorgung" der Projektträgerschaft Wassertechnologie und Entsorgung (PtWT+E, Juli 2001) unter dem Titel "Langzeitstabile Streckenverschlussbauwerke im Salinar", Seiten 393 bis 437, veröffentlicht.

In diesem Manuskript wird über ein Versuchsverschlussbauwerk in einer ehemaligen Kali- und Steinsalzgrube berichtet. Das Verschlussbauwerk besteht kavernenseitig aus einem statischen Widerlager aus Salzformsteinen, die als Trockenmauerwerk ein­ gebaut wurden. Alternativ werden Trockenmauern aus Naturwerk­ steinen, insbesondere aus Basalt, als geeignet bezeichnet. An das statische Widerlager schließt sich eine Ausmauerung aus Bentonit-Formsteinen an. Daran schließt sich ein permeables Hilfswiderlager an, das aus einer den Bentonit-Formsteinen be­ nachbarten Trockenmauer aus Filtersteinen und einer das Bauwerk abschließenden Salzbetonverfüllung besteht. Innerhalb des Hilfswiderlagers ist zwischen der Trockenmauer aus den Filter­ steinen und der Salzbetonverfüllung eine verdichtete Sand­ schicht eingeschlossen (Bild 8). In diese Sandschicht wurden Druckbeaufschlagungsrohre, Druckmessdosen und Füllstandssenso­ ren eingebaut. Die kavernenseitig an die verdichtete Sand­ schicht anschließende Trockenmauer aus Filtersteinen ist in der Weise aufgebaut, dass die Druckbeaufschlagung der Bento­ nit-Formsteine durch das Wasser mittig erfolgt. Die Sand­ schicht kann daher den Druck nicht flächig verteilen.

Problematisch bei diesen Verschlussstopfen und dem Verfahren zum Verschließen von untertägigen Hohlräumen ist, dass sich infolge von inhomogenen Feuchtefronten inhomogene Druckver­ hältnisse im bindigen Material ausbilden können und deshalb die gewünschte Dichtigkeit nicht immer gewährleistet ist. Wenn Wasser an einer Schachtwand die zweite Trennschicht durch­ dringt, ist es leicht möglich, dass das Wasser sich auch in dem Raum, der mit dem bindigen Material gefüllt ist, nahe der Schachtwand weiter ausbreitet und an dieser Stelle das bindige Material zuerst und am stärksten aufquellen lässt. Dadurch ergibt sich eine ungleichmäßige Druckverteilung, die zu einer ungleichen Wasserverteilung (sogenanntes Fingering) führt. Als Folge davon können Wasserwegigkeiten, also Wasser-"Kanäle" in dem aufgequollenen bindigen Material entstehen, so dass die befüllte Kaverne nicht sicher gegen einen Wassereinbruch ge­ schützt ist. Weiterhin besteht die Gefahr, dass nicht mehr to­ lerierbare Wanddrücke entstehen. Diese Effekte wurden auch als Ergebnis des Versuches beobachtet.

Ein ähnlicher Effekt ergibt sich, wenn sich infolge von Inho­ mogenitäten im bindigen Material nach Wasserzutritt inhomogene Drücke aufbauen. Solche Inhomogenitäten können von einer un­ gleichmäßigen Trockenfeuchte und/oder einer ungleichmäßigen Verdichtung des bindigen Materials beim Einbau herrühren oder aber beim Nachgeben einer oder beider Trennschichten auftre­ ten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen ungleichmäßigen Druckverhältnisse bei oder nach der Wasserauf­ nahme des bindigen Materials zu vermeiden oder zumindest zu minimieren.

Die Aufgabe wird ausgehend von einen Verschlussstopfen der eingangs genannten Art mit dem im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs beschriebenen Merkmal gelöst. Sie wird weiterhin gelöst durch das in Anspruch 2 beschriebene Verfah­ ren. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens an.

Erfindungsgemäß wird ein Verschlussstopfen vorgeschlagen, der im wesentlichen aus drei Abschitten besteht: den beiden äuße­ ren statischen Widerlagern und einem dazwischen angeordneten Abschnitt aus einem bindigen Material. Die Widerlager können wie an sich bekannt als Trockenmauer gestaltet werden. In Salzbergwerken bietet es sich an, Salzformsteine für das erste, kavernenseitige statische Widerlager zu verwenden. Die­ ses Widerlager kann jedoch auch in beliebig abgewandelter Form erstellt werden, solange es den Druck des bei Befeuchtung auf­ quellenden bindigen Materials aufnimmt. Eine erhöhte Druckbe­ ständigkeit wird erzielt, wenn der Freiraum zwischen den Ab­ fallgebinden in der Kaverne verfüllt wird und das statische Widerlager sich unmittelbar an die Verfüllung anschließt. Die­ ses statische Widerlager braucht nicht wasserdurchlässig zu sein; andererseits schadet eine Wasserdurchlässigkeit nicht, da der sich anschließende Abschnitt mit dem bindigen Material nach der Befeuchtung wasserdicht ist.

An das statische Widerlager schließt sich unmittelbar der Ab­ schnitt mit dem bindigen Material, vorzugsweise dem Bentonit, an. Dieser Abschnitt kann aus Bentonit-Formsteinen aufgebaut werden; es ist aber auch möglich, Bentonit-Schüttungen etwa mit hydraulischen Geräten möglichst gleichmäßig zu verdichten.

Erfindungsgemäß ist es entscheidend, innerhalb des Bentonit- Abschnittes mindestens eine, besser mehrere Schichten vorzuse­ hen, die aus einem Material bestehen, das eine Wasserdurchläs­ sigkeit aufweist, die mindestens eine Größenordnung, das heißt, mindestens zehn mal größer, ist als die Wasserdurchläs­ sigkeit des Bentonits oder des alternativ verwendeten bindigen Materials. Die Schicht muss in einem Winkel von 60° bis 90° zur Richtung des Wassereintritts angeordnet sein. Vorzugsweise ist sie im wesentlichen senkrecht, somit in einem Winkel von etwa 90° zur Wassereintrittsrichtung, ausgerichtet. Soll der Wassereintritt durch den Stollen erfolgen, muss die Schicht in einem Winkel von 60° bis 90°, vorzugsweise senkrecht, zum Stollen angeordnet werden. Bevorzugt wird eine Anordnung, bei der innerhalb des Bentonits mehrere durch den Bentonit vonein­ ander getrennte Schichten aus dem wasserdurchlässigeren Mate­ rial angeordnet werden, die den Querschnitt des gesamten Schachtes ausfüllen. Die Schichten sollen somit jeweils in den Bentonit eingebettet sein. Von der Senkrechten (90°) deutlich abweichende Anordnungen der Schicht werden gewählt, wenn aus geologischen oder hydrologischen Gegebenheiten von vornherein mit einer ungleichmäßigen Wasserfront innerhalb des Bentonits gerechnet werden muss. Die Anordnung der Schicht erfolgt dann in einem solchen Winkel, dass über den gesamten Stollenquerschnitt die Wasserfronten möglichst gleichmäßig die Schicht erreichen.

Die Dicke der Schichten kann verhältnismäßig gering gewählt werden; eine Dicke von 2 bis 30 cm erscheint in der Regel aus­ reichend, insbesondere dann, wenn die Wasserdurchlässigkeit der Schichten erheblich höher ist als die Wasserdurchlässig­ keit des anschließenden Materials.

Zur Herstellung dieser Schicht eignet sich insbesondere rolli­ ges Material, das in der Lage ist, eine Saugspannung in der Schicht aufzubauen. Die Saugspannung soll vorzugsweise so be­ messen sein, dass sie über die gesamte Fläche der Schicht reicht. Dann ist gewährleistet, dass sich das Wasser über die ganze Schicht verteilt, wodurch der Wasserfluss gleichförmig wird. Gut geeignet zum Aufbau der Schicht sind Kies oder Gemi­ sche aus Kies und Sand, die einen Feinanteil von 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% enthalten. Verwendbar ist alternativ jedoch auch an­ deres bindiges Material, solange die Wasserdurchlässigkeit entsprechend höher ist als die des benachbarten bindigen Mate­ rials. Wird als bindiges Material Bentonit verwendet, können als wasserdurchlässigeres Material durchaus Tone oder Lehm verwendet werden. Auch synthetische Materialien wie zum Beispiel Mi­ neralfasern sind zum Aufbau der Schicht einsetzbar. Ein Bei­ spiel für ein geeignetes synthetisches Material ist Geotextil. Dieses Material hat den Vorzug, dass die Dicke der Schicht klein, beispielsweise zwischen 2 und 10 cm, gehalten werden kann. Schichtdicken im Bereich zwischen etwa 10 und 30 cm sollten vorgesehen werden, wenn die Schicht aus einem bindigen oder einem rolligen Material aufgebaut wird. Es versteht sich von selbst, dass auch Kombinationen der genannten Materialien einsetzbar sind, solange die geforderte Wasserdurchlässigkeit gewährleistet ist.

Die Herstellung der Schicht erfolgt in an sich bekannter Weise entsprechend dem verwendeten Material. Bei einigen Materialien kann es vorteilhaft sein, die Schichten bereits über Tage vor­ zubereiten und als Bauteile unter Tage zusammenzusetzen.

Der Zweck der Schichten ist, das in das bindige Material ein­ dringende Wasser so zu verteilen, dass eine gleichmäßige Be­ feuchtung möglichst über den gesamten Querschnitt gegeben ist. Insbesondere können auf diese Weise Wasserwegigkeiten, die sich durch die Ausbildung von Perkolationstrichtern infolge des sogenannten "Fingering" ergeben können, vermieden werden. In gleicher Weise wird durch die senkrechten Schichten eine schnelle und vorauseilende Durchfeuchtung entlang der Kontur zum Gebirge und vor allem entlang der Sohle vermieden, da jede Schicht ungleichmäßige Wasserfronten erneut gleichmäßig ver­ teilt.

Hierzu müssen die Schichten in Kontakt mit dem bindigen Mate­ rial angeordnet werden und in dieses Material eingebettet sein. Dies ist bei der Sandschicht, die in dem oben genannten Manuskript beschrieben ist, nicht der Fall, so dass diese Sandschicht nicht in der erfindungsgemäßen Weise wirken kann.

Claims (9)

1. Verschlussstopfen zum Verschließen eines untertägigen Hohl­ raums mit
einem statischen Widerlager, das an den untertägigen Hohl­ raum grenzt und diesen verschließt,
einer an das statische Widerlager anschließende Verfüllung aus einem bindigen Material mit einer ersten Wasserdurch­ lässigkeit k_f(1),
einem zumindest bereichsweise wasserdurchlässigen Hilfswi­ derlager, das die Verfüllung abgrenzt,
dadurch gekennzeichnet, dass
innerhalb der Verfüllung aus dem bindigen Material mindes­ tens eine Schicht eines weiteren Materials in der Weise angeordnet wird, dass die Schicht in einem Winkel von 60° bis 90° zu einer Wassereintrittsrichtung ausgerichtet ist und das weitere Material eine zweite Wasserdurchlässig­ keit k_f(2) aufweist, die mindestens eine Größenordnung hö­ her ist als die Wasserdurchlässigkeit k_f(1).

2. Verfahren zum Verschließen von untertägigen Hohlräumen mit den Schritten:

• - Aufbau eines statischen Widerlagers, mit dem der untertä­ gige Hohlraum verschlossen wird,
• - Verfüllen eines Raumes, der sich außerhalb des Hohlraumes an das erste statische Widerlager anschließt, mit einem bindigen Material, das eine erste Wasserdurchlässigkeit K_f(1) aufweist,
• - Anordnen mindestens einer Schicht aus einem weiteren Mate­ rial, das eine zweite Wasserdurchlässigkeit k_f(2) aufweist, innerhalb des bindigen Materials in der Weise, dass die Schicht in einem Winkel von 60° bis 90° zu einer Wassereintrittsrichtung angeordnet ist und das weitere Material so ausgewählt wird, dass seine Wasserdurchlässigkeit k_f(2) mindestens eine Größenordnung höher ist als k_f(1),
• - Herstellen eines wasserdurchlässigen Hilfswiderlagers, das den verfüllten Raum abschließt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Schicht im wesentlichen senkrecht zu der Was­ sereintrittsrichtung angeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das weitere Material ein bindiges Material dar­ stellt.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das weitere Material ein rolliges Material, das in der Lage ist, eine Saugspannung in der Schicht aufzu­ bauen, darstellt.

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das weitere Material ein synthetisches Material darstellt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die Schicht aus dem weiteren Material mit einer Dicke von 2 bis 30 cm hergestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem die Schicht aus dem weiteren Material über Tage vorgefertigt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem die Schicht aus dem weiteren Material mit Senso­ ren, vorzugsweise mit Druck-, Temperatur- und/oder Feuch­ tesensoren bestückt wird.