DE102008048240A1

DE102008048240A1 - Verfahren zum hydraulischen Versatz von Abfallstoffen

Info

Publication number: DE102008048240A1
Application number: DE200810048240
Authority: DE
Inventors: Jaap Van Engers; Ralph Haase
Original assignee: GSES GLUECKAUF SONDERSHAUSEN E; Gses-Glueckauf Sondershausen Entwicklungs- und Sicherungsgesellschaft Mbh
Current assignee: GSES GLUECKAUF SONDERSHAUSEN E; Gses-Glueckauf Sondershausen Entwicklungs- und Sicherungsgesellschaft Mbh
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2010-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hydraulischen Versatz von Abfallstoffen mit den Verfahrensschritten: Herstellen einer Suspension aus einer Bergbaumörtelmischung und Grubenlauge, Anreichern der Suspension mit Granulaten, welche ausschließlich aus bergbaufremden Materialien zusammengesetzt sind, Pumpen der mit Granulaten angereicherten Suspension in die zum Auffüllen vorgesehenen Hohlräume untertage und Auffangen und Rückgewinnungen der überschüssigen Grubenlauge.

Description

Seit Beginn des bergmännischen Abbaus von Bodenschätzen wird untertage zunehmend ein größeres Volumen an Hohlräumen geschaffen, deren Standdauer jedoch zeitlich begrenzt ist.
Während in früheren Zeiten zumindest ein Teil der während des Abbaus von Bodenschätzen anfallenden Rückstände wieder dazu benutzt wurde, die untertage entstandenen Hohlräume aufzufüllen, ist man seit einigen Jahrzehnten dazu übergegangen, aus wirtschaftlichen Beweggründen die anfallenden Rückstände übertage zu belassen und aufzuhalden. Dadurch ist es besonders in den letzten Jahrzehnten zu einem starken Anstieg des unterirdischen Hohlraum-Volumens gekommen. Durch plötzlichen Einsturz einzelner oder ganzer Hohlraumsysteme oder durch deren langsames Absenken treten deshalb vermehrt Schäden insbesondere an Bauwerken beziehungsweise Verkehrswegen auf.
Aus diesem Grund hat der Gesetzgeber Regelungen geschaffen, um die gefährdeten Hohlräume untertage aufzufüllen.
Der Versatz bezeichnet allgemein das Einbringen bergbaueigener oder bergbaufremder Materialien in die durch den Abbau von Bodenschätzen gebildeten Hohlräume. Da der Versatz mit bergbaueigenen Stoffen sehr kostenintensiv ist, wird der Versatz heutzutage überwiegend mit bergbaufremden Materialien, insbesondere ach mit industriellen Abfällen durchgeführt. Versatz im Bergbau dient insbesondere dazu, die Gefahren durch Geländesenkungen beziehungsweise Gebirgsschläge abzuwenden, und damit vordergründig eine Stabilisierung des Grubensystems und des darüber liegenden Deckgebirges zu bewirken. Das Material, welches zum Versatz bestimmt ist, muss aus diesem Grund hohen Anforderungen an mechanische Eigenschaften wie Festigkeit, Beständigkeit, Zähigkeit genügen und weitere spezielle bauphysikalischen Eigenschaften aufweisen, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Die Abfälle werden zur Hohlraumauffüllung vorzugsweise einem Bergbaumörtel als Zuschlagstoffe beigegeben oder sind selbst Bestandteil des Bergbaumörtels.
Als Bestandteile des Bergbaumörtels werden in diesem Zusammenhang zum Beispiel Feinfraktionen aus Schredderanlagen, Schlämme, diverse industrielle Stäube und Schlacken oder Hüttensand und insbesondere Aschen aus Abfallverbrennungsanlagen oder Kraftwerken verwendet.
Eine Möglichkeit, den Bergbaumörtel in die dafür vorgesehenen Hohlräume untertage zu verbringen, bietet der hydraulische Versatz. Hierbei werden zum Zwecke des Versatzes die staubigen, ggf. flüssigen oder pastösen Komponenten des Bergbaumörtels in einer Suspensionsanlage mit Anmischflüssigkeit so aufbereitet, dass sie über Rohrleitungen nach untertage in die aufzufüllenden Hohlräume gepumpt werden können. Wird der hydraulische Versatz in ehemaligen Salzbergwerken durchgeführt, so dient als Anmischflüssigkeit eine Grubenlauge, z. B. eine Magnesiumchloridlösung, welche meist eine Konzentration von ca. 240 g./l. aufweist.
Nachdem die Suspension auf diese Art und Weise in die dafür vorgesehenen Hohlräume eingebracht worden ist, sedimentieren die festen Bestandteile aus der Suspension, die überschüssige Menge an Grubenlauge fließt durch Drainagewirkung ab und der Bergbaumörtel härtet unter Verbrauch eines Teiles der Lösung schließlich aus und übernimmt dadurch eine stützende Wirkung für das Deckgebirge.
Unterhalb des zu befüllenden Hohlraumes ist für das Verfahren meist ein Laugensammelteich angeordnet, in welchem sich überschüssige Grubenlauge sammelt und zur Wiederverwendung bei der Suspensionsherstellung an die Erdoberfläche zurückgepumpt wird.
Verfahren zum hydraulischen Versatz, von Abfallstoffen sind grundsätzlich bekannt. Zum Beispiel wird ein solches Verfahren in DE 41 01 347 A1 vorgeschlagen. Neben dem eigentli chen Bergbaumörtel wird in DE 41 01 347 A1 auch die Verwendung von Granulaten als Zuschlagstoff für Bergbaumörtel-Suspensionen vorgeschlagen, wobei die Granulate neben bergbaufremden Abfallprodukten auch Portland-Zement als Bindemittel enthalten.
Hydraulische Versatzverfahren gemäß dem Stand der Technik weisen jedoch einige Nachteile auf:
Insbesondere auf Grund der immer größer werdenden Mengen und geringer werdenden Dichten an Aschen aus Müllverbrennungsanlagen oder Kraftwerken stoßen die vorhandenen Versatz-Kapazität an ihre Grenzen. Eine Aufhaldung der Aschen ist daher teilweise unumgänglich, führt aber zu weiteren, insbesondere auch umwelttechnischen Problemen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass der beim Verfestigungsprozess verloren gehende Flüssigkeitsanteil der Grubenlauge einen nicht unerheblichen Kostenpunkt im hydraulischen Versatzprozess darstellt. Durch den Aushärtungsprozess des Mörtels findet zusätzlich auch eine Magnesiumchloridverarmung der Kreislauflauge statt, welche fortwährend hinzugefügt werden muss.
In Anbetracht der steigenden Nachfrage an Asche-Abnahmekapazitäten stellt auch der knapper werdende Hohlraum untertage zunehmend ein Problem dar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile zu verringern.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum hydraulischen Versatz von Abfallstoffen gemäß Anspruch 1 erreicht. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Herstellen einer Suspension aus einer Bergbaumörtelmischung und Grubenlauge;
– Anreichern der Suspension mit Granulaten, welche ausschließlich aus bergbaufremden Materialien und bevorzugt ausschließlich aus Aschen aus Müllverbrennungsanlagen oder Kraftwerken bestehen;
– Pumpen der mit Granulaten angereicherten Suspension in die zum Auffüllen vorgesehenen Hohlräume;
– Auffangen und Rückgewinnen der überschüssigen Grubenlauge.

Die Bergbaumörtelmischung, welche vorzugsweise ausschließlich aus bergbaufremden Materialien besteht, weist wenigstens einen der folgenden Inhaltsstoffe auf:

a) körnige inerte Abfälle,
b) Filterstäube, Aschen aus Müllverbrennungsanlagen oder Kraftwerken,
c) Neutralisationsrückstände aus nasser und/oder trockener Rauchgasreinigung,
d) Filterkuchen/-Schlämme,

Das erfindungsgemäße Verfahren schließt gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante auch die Herstellung der oben genannten Granulate mit ein.
Besonders bevorzugt besitzen die Granulate eine größere Dichte, als die Dichte der Abfälle zur Herstellung der Bergbaumörtelmischung. In diesem Fall vergrößert sich durch das Anreichern der Suspension mit Granulaten die Gesamtdichte der angereicherten Suspension, wodurch die Versatzkapazität insgesamt ansteigt.
Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante weisen die Granulate eine größere Dichte auf, als die Dichte des jetzigen untertage aushärtenden Bergbaumörtels. In diesem Fall kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine größere Menge von Abfallstoffen in die untertage zu Verfügung stehenden Hohlräume verbracht werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante entspricht die Dichte der Granulate in etwa der Dichte der Suspension. Dies bewirkt eine homogenere Verteilung der Granulate in der aushärtenden Bergbaumörtelmischung.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante weisen die Granulate eine Dichte von zwischen 1,1 und 2,5 kg/l und besonders bevorzugt von in etwa 1,4 kg/l auf.
Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante weisen die Granulate eine Korngröße mit einem Durchmesser von zwischen 3 und 8 mm, bevorzugt zwischen 4 und 6 mm und besonders bevorzugt in etwa 5 mm auf. Durch eine derartige Korngröße kann einerseits die Suspension mit einem großen Anteil an Granulaten angereichert werden, ohne dass ein Zusetzen der Rohrleitungen und Pumpen befürchten werden muss. Andererseits wird durch eine derartige Korngröße ein gutes Fließverhalten der mit Granulaten angereicherten Suspension untertage im Grubensystem erreicht und zusätzlich kann die überschüssige Grubenlauge der Suspen sion während des Aushärtevorgangs der Bergbaumörtelmischung aus dem Versatzhohlraum durch die Drainagewirkung der Granulate besonders gut abfließen. Auf diese Weise beschleunigt sich die Aushärtung des Bergbaumörtels und die Stabilität des Grubensystems wird schneller erreicht.
Bevorzugt weisen die Granulate in der angereicherten Suspension einen Volumenanteil von zwischen 1 und 90% und besonders bevorzugt zwischen 20 und 60% auf. Dieser Volumenanteil gewährt gleichermaßen eine besonders hohe Dichte der angereicherten Suspension einerseits, andererseits eine Sicherheit gegen Zusetzen der Rohrleitungen und Pumpen und zusätzlich ein gutes Fließverhalten der Suspension untertage.
Im Gegensatz zur DE 41 01 347 A1 , in welcher ebenfalls die Verwendung von Granulaten als Zuschlagstoff für Bergbaumörtel-Suspensionen vorgeschlagen wird, sind gemäß dem hier vorgeschlagenen Verfahren nur Granulate vorgesehen, die abgesehen von der zur Herstellung der Granulate notwendigen Menge an Flüssigkeit, ausschließlich aus bergbaufremden Materialien und besonders bevorzugt ausschließlich aus Aschen aus Müllverbrennungsanlagen oder Kraftwerken zusammengesetzt sind.
Da mit dem weltweit zunehmenden Infrastrukturausbau auch der Verbrauch an Portland-Zement immer weiter ansteigt, die Zementproduktion jedoch beträchtliche natürliche Ressourcen dezimiert und gleichzeitig für große Mengen an Kohlendioxidausstoß verantwortlich ist, ergeben sich große Vorteile für das erfindungsgemäße Verfahren. Die im vorgeschlagenen Verfahren verwendeten Granulate sind nämlich ausschließlich aus bergbaufremden Materialien und besonders bevorzugt ausschließlich aus Aschen aus Müllverbrennungsanlagen oder Kraftwerken zusammengesetzt.
Neben einer Schonung natürlicher Ressourcen ist die Verwendung von ausschließlich bergbaufremden Materialien auch aus finanzieller Sicht ein großer Vorteil.
Die Verwendeten Aschen können dabei kieselsäurereich oder kalkreich sein. Kieselsäurereiche Aschen weisen puzzolanische Eigenschaften auf.
In diesem Zusammenhang sind gemäß einer Verfahrensvariante vorgesehen Granulate zu verwenden, welche im Verlaufe des Transportes und/oder des Aushärtungsvorgangs des Bergbaumörtels zumindest teilweise zerfallen.
Gemäß einer anderen Verfahrensvariante sind die Granulate nicht-löslich ausgebildet.
Hauptbestandteile der Granulate sind oxidische Verbindungen, wie beispielsweise SiO₂, Al₂O₃, CaO oder FeO₃ Gemäß einer besonderen Verfahrensvariante werden Granulate verwendet, die über einen hohen Anteil an kalkreicher Flugasche verfügen.
Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante werden Granulate verwendet, die neben Asche als Hauptbestandteil Zusätze von Magnesiumchlorid (z. B. durch das Anmachwasser in Form einer Magnesiumchloridlösung) und/oder Hochofenschlacke und/oder Hüttensand und/oder Calciumsulfat beinhalten.
Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante werden Granulate verwendet, welche hauptsächlich aus kalk- und magnesiareichen Aschen aus Verbrennungsanlagen, beispielsweise aus Müllverbrennungsanlagen, zusammengesetzt sind.
Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante soll nun anhand der 1 näher erläutert werden.
1 zeigt ein Flussdiagramm, welches die einzelnen Verfahrensschritte des Versatzverfahrens in der bevorzugten zeitlichen Abfolge grafisch darstellt.
Als erster Verfahrensschritt wird eine Bergbaumörtelmischung nach einer amtlich zugelassenen Rezeptur aus ausschließlich bergbaufremden Materialien hergestellt.
Vorzugsweise ist die Bergbaumörtelmischung aus folgenden Bestandteilen zusammengesetzt.

– Stoffgruppe 1: Körnige, inerte Abfälle, die vor allem als Stützgerüst dienen, die Versatzdichte erhöhen und als Drainagekorn fungieren. Ihr Anteil am hergestellten Bergbaumörtel beträgt ca. 30%.
– Stoffgruppe 2: Filterstäube, Aschen aus Verbrennungsanlagen und Kraftwerken dienen als Füllstoffe und weisen auch puzzolanische Eigenschaften auf. Ihr Anteil am hergestellten Bergbaumörtel beträgt ca. 30%.
– Stoffgruppe 3: Neutralisationsrückstände aus nasser und trockener Rauchgasreinigung dienen vor allem zur Verfestigung des Bergbaumörtels. Ihr Anteil am hergestellten Bergbaumörtel beträgt ca. 25%.
– Stoffgruppe 4: Filterkuchen/Schlämme dienen aufgrund ihrer feindispersen Struktur der Ausfüllung kleinster Hohlräume im Versatzkörper. Ihr Anteil am Bergbaumörtel beträgt ca. 15%.

Die einzelnen Abfälle innerhalb einer Stoffgruppe können gegeneinander ausgetauscht werden, was bedeutet, dass sie einzeln oder in beliebigen Mischungsverhältnissen mit anderen Abfällen der jeweiligen Stoffgruppe eingesetzt wenden können.
Als zweiter Schritt wird die Bergbaumörtelmischung mit hochkonzentrierten MgCl₂-Sole suspendiert.
Als dritter Schritt wird die Suspension mit Granulaten angereichert, wobei die Granulate an der angereicherten Suspension einen Anteil von 20 bis 60% aufweisen.
Die drei Schritte können auch in anderer Reihenfolge oder gleichzeitig in einem Schritt erfolgen.
Es ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass der zweite und der dritte Verfahrensschritt selbstverständlich auch in umgekehrter zeitlicher Reihenfolge oder gleichzeitig durchgeführt werden können.
Als vierter Verfahrensschritt wird die mit Granulaten angereicherte Suspension in die ca. 700–1000 m tief gelegenen Hohlräume eines Salzbergwerks gepumpt, bis die einzelnen Abbaukammern des Salzbergwerks vollständig mit der Suspension geflutet sind.
Während des Aushärtevorgangs wird in einem fünften Verfahrensschritt die überschüssige Grubenlauge aufgefangen und zur Wiederverwendung zurück an die Erdoberfläche gepumpt.
Es versteht sich, dass der vierte und der fünfte Verfahrensschritt bevorzugt über eine längere Zeitdauer zeitgleich ausgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4101347 A1 [0009, 0009, 0022]

Claims

Verfahren zum hydraulischen Versatz von Abfallstoffen mit den Verfahrensschritten: – Herstellen einer Suspension aus einer Bergbaumörtelmischung und Grubenlauge; – Anreichern der Suspension mit Granulaten, welche ausschließlich aus bergbaufremden Materialien zusammengesetzt sind; – Pumpen der mit Granulaten angereicherten Suspension in die zum Auffüllen vorgesehenen Hohlräume untertage; – Auffangen und Rückgewinnen der überschüssigen Grubenlauge.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulate ausschließlich aus Aschen aus Müllverbrennungsanlagen oder Kraftwerken zusammengesetzt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Granulate wenigstens annähernd der Dichte der Suspension entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Granulate in etwa der Dichte der Suspension entspricht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulate einen Durchmesser von zwischen 3 und 8 mm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulate einen Volumenanteil von zwischen 20% und 60% in der angereicherten Suspension einnehmen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulate während des Verfahrens zumindest teilweise zerfallen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulate neben Asche auch Anteile von anderen mineralischen Abfällen enthalten.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulate hauptsächlich aus Aschen aus Verbrennungsanlagen zusammengesetzt sind.