DE102008049203A1

DE102008049203A1 - Verfahren zum Nachweis der anforderungsgerechten Dichtigkeit bzw. des erforderlichen hydraulischen Widerstandes von mittels Injektion abgedichteten geotechnischen Verschlussbauwerken oder Barrieren

Info

Publication number: DE102008049203A1
Application number: DE102008049203A
Authority: DE
Inventors: Nina Müller-Hoppe; Lutz Teichmann; Holger Schmidt
Original assignee: DBE TECHNOLOGY GmbH
Current assignee: Bge Technology De GmbH
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-09-27
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2028-09-28
Also published as: DE102008049203B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis der anforderungsgerechten Dichtigkeit bzw. des erforderlichen hydraulischen Widerstandes von mittels Injektion abgedichteter geotechnischer Bauwerke, insbesondere mittels Injektion abgedichteter Auflockerungszonen in einem zu vergütenden Gebirgsbereich. Das Verfahren umfasst folgende Schritt: Herstellung einer Injektionsöffnung (12), Einbau einer Abschottung (4) der Injektionsöffnung (12), Injektion von Injektionsmittel, Erfassung der Injektionsmenge und des Injektionsdrucks in Abhängkeit von der Zeit, messtechnische Erfassung der Druckaufbauphasen, Druckkonstanthaltephasen und Druckabfallphasen, Aufzeichnung des Druckabfalls nach Beendigung des Injektionsvorganges, Ermittlung der Permeabilität, aus der messtechnisch erfassten Injektionsmenge und dem messtechnisch erfassten Druckverlauf bzw. des messtechnisch erfassten Druckabfalls am Ende des Injektionsvorganges.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis der anforderungsgerechten Dichtigkeit bzw. des erforderlichen hydraulischen Widerstandes von mittels Injektion abgedichteten geotechnischen Verschlussbauwerken oder Barrieren, insbesondere mittels Injektion abgedichteten Auflockerungszonen in einem zu vergütenden Gebirgsbereich.
In Bergwerken sind im Rahmen der Schließung oder Stilllegung geotechnische Verschlussbauwerke oder Barrieren zur Lenkung bzw. Begrenzung von Fluidströmen zu errichten. Diesen geotechnischen Verschlussbauwerken oder Barrieren wird auch die Auflockerungszone im Gebirge zugeordnet. Zum Nachweis der anforderungsgerechten Dichtigkeit bzw. des erforderlichen hydraulischen Widerstandes der Auflockerungszone steht derzeit kein zuverlässiges Verfahren zur Verfügung, d. h. der Nachweis der Erfüllung der Anforderungen kann weder rechnerisch mit ausreichender Zuverlässigkeit geführt werden, noch auf Basis herkömmlicher geotechnischer Messungen erreicht werden. Es ist festzustellen, dass in vielen Fällen eine Vergütung bzw. Abdichtung der Auflockerungszone mittels Injektion unbedingt erfolgen muss, da ohne Vergütung der erforderliche, hydraulische Widerstand nicht erreicht wird. Die erreichte Qualität der Vergütung ist zu belegen, und zwar die anforderungsgerechte Dichtigkeit unter den zu erwartenden, hydraulischen Beanspruchungen.
Im Salzbergbau wurden bereits Anfang des 20. Jahrhunderts Dammbauwerke als Verschlussbauwerke oder Barrieren bei akutem Zufluss errichtet und die Auflockerungszone wurde mittels Injektion abgedichtet. Allerdings erfolgten diese Arbeiten auf empirischer Basis weitgehend ohne methodisches Verständnis. Die Prüfung der Qualität war automatisch gewährleistet, erkennbar an der Verringerung der Zuflüsse auf ein beherrschbares Maß. Aufgrund der fehlenden Systematik steht den wenigen erfolgreichen Abdichtungen eine Vielzahl von Fehlschlägen gegenüber. Zur Abdichtung von Schächten wurden Injektionen vor allem in der zweiten Hälfte vorigen Jahrhunderts eingesetzt. Analog zu den Dammbauwerken stand die Erzielung einer technischen Dichtigkeit gegenüber zutretenden Lösungen aus dem Deckgebirge im Vordergrund.
Zur Prüfung der Dichtigkeit bzw. der Durchlässigkeit von Auflockerungszonen werden derzeit Permeabilitätsmessungen mit Gas, Öl, Wasser oder Salzlösung eingesetzt. Mit diesen Messungen wird jedoch nicht der Nachweis für eine spezifizierte, fluidmechanisch gekoppelte Beanspruchung geführt. Weiterhin führen diesen Messverfahren nicht zu einer Abdichtung.
Mit Hilfe von numerischen Modellierungen kann in Verbindung mit lokationsspezifisch durchgeführten geotechnischen Messungen die Größe der Auflockerungszone zuverlässig bestimmt werden, die zugehörigen Rechenmodelle sind validiert. Zur Durchlässigkeit der Auflockerungszone sind auf Basis von Berechnungen keine zuverlässigen Aussagen möglich. Derzeit werden zur Einschätzung der Durchlässigkeit Permeabilitätsmessungen durchgeführt, für die im Bereich der Auflockerungszone allerdings nur geringe Drücke verwendet werden. Da sie keinen Bezug zu später auftretenden fluidmechanischen Beanspruchungen haben, ist eine Nachweisführung, die allein auf diesen Messungen beruht, nicht möglich.
Es ist auch bekannt, eine versuchsgestützte Nachweisführung anhand von Probebelastungen durchzuführen. Bei der Probebelastung wird ein Bauwerk bzw. Bauteil der später zu erwartenden Belastung ausgesetzt. Im Falle von geotechnischen Verschlussbauwerken oder Barrieren (z. B. Schachtverschluss) wurde die fluidmechanische Belastung bisher über eine Druckkammer aufgebracht, die den gesamten Querschnitt des Verschlussbauwerkes oder der Barriere umfasste, der damit der Belastung unterworfen wurde. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und deshalb ausschließlich für Prototypen anwendbar. Für die alltägliche Anwendung ist das Verfahren ungeeignet.
Für Anforderungen, die sich beim langzeitigen Verschluss von Bergwerken mit eingelagerten Abfällen ergeben, stehen für die für den Verschluss eingesetzten geotechnischen Verschlussbauwerke oder Barrieren derzeit keine effizienten Verfahren zur Verfügung, die zum Nachweis der anforderungsgerechten Dichtigkeit der Auflockerungszone geeignet sind. Dies gilt insbesondere, wenn gleichzeitig eine Vergütung der Auflockerungszone vorgenommen wird und die Qualität der Vergütung nicht über die Reduzierung eines akuten Zuflusses bewertbar ist. D. h., dass kein praxistaugliches Nachweisverfahren zurzeit existiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein praxistaugliches Verfahren zum Nachweis der anforderungsgerechten Dichtigkeit von Auflockerungszonen im Gebirge anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand der beigefügten schematischen Darstellung der Injektion näher erläutert werden.
Ein zu vergütender Gebirgsbereich 2 wird vor oder nach dem Einbau eines geotechnischen Verschlussbauwerkes oder einer geotechnischen Barriere 3, durch wenigstens eine Injektionsöffnung (z. B. Bohrloch 12) erschlossen. Anschließend wird die Injektionsöffnung (z. B. Bohrloch 12) abgeschottet (z. B. mittels eines Packers 4). Der bspw. als Abschottung dienende Packer 4 besteht bspw. aus einer gewebeverstärkten Gummimanschette, die vermittels bspw. einer Handpumpe 5 über eine Leitung 7 ballonartig aufgefüllt wird zur Abschließung der Injektionsöffnung (z. B. Bohrloch 12) im Gebirgsbereich 2.
Die Bezugsziffer 9 bezeichnet einen nicht zu vergütenden Gebirgsbereich.
Alternativ zu Bohrlöchern 12 können in dem zu vergütenden Gebirgsbereich 2 vor dem Einbau von geotechnischen Verschlussbauwerken oder Barrieren 3 und vor der Injektion von Injektionsmitteln Schlitze als Injektionsöffnung hergestellt werden, in die Injektionsleitungen verlegt werden. Eine andere Möglichkeit besteht in dem Einbau von Injektionsleitungen mit verlorenen Packern oder von kleinen Injektionskammern, die als Injektionsöffnung genutzt werden.
Die Injektion des Injektionsmittels erfolgt erfindungsgemäß druck- und mengengesteuert rechnergestützt (Steuerrechner 6) aus einem Vorlagebehälter 8 mittels einer Pumpe 10 über eine Zuleitung 11, die durch die Abschottung (z. B. den Packer 4) hindurch in die Injektionsöffnung (z. B. Bohrloch 12) des Gebirgsbereichs 2 geführt ist, wobei ein Injektionsdruck aufgebracht wird, der den später zu erwartenden hydraulischen totalen bzw. effektiven Druck abdeckt. Damit wird die normale Injektion zu einer Prüfdruckinjektion, weil damit der Einfluss der fluidmechanischen Kopplung der späteren Belastung erfasst wird.
Über eine Messbox 14 wird vermittels einer Druckmesseinrichtung 20 der Injektionsdruck P, vermittels einer Durchflussmesseinrichtung 22 die Durchfluss- bzw. Injektionsmenge Q und vermittels einer Temperaturmesseinrichtung 24 die Temperatur T des injizierten Injektionsmittels erfasst. Über eine Steuerleitung 16 wird die Pumpe 10 vom Steuerrechner 6 gesteuert.
Die Injektionsdaten, Injektionsmenge Q und Injektionsdruck P, werden als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Dies ermöglicht die Auswertung des Injektionsverlaufs in Analogie zu Permeabilitätsmessungen, da bei den Injektionen Druckaufbauphasen, Konstantdruckphasen und Druckabfallphasen vorhanden sind, die messtechnisch erfasst werden.
Ergänzend wird zum Abschluss des Injektionsvorgangs systematisch der Druckabfall aufgezeichnet und daraus die erzielte Permeabilität am Ende des Injektionsvorganges ermittelt. Die Permeabilität ist proportional dem Quotienten aus der Injektionsmenge Q und dem Druckabfall bzw. der gesamten Druckdifferenz. Damit ist eine Qualitätsaussage zur erreichten Vergütung möglich, ohne dass ein akuter Zufluss abgedichtet wird.
Anhand eines Beispiels soll nachfolgend die Auswertung der Injektionsdaten zur Permeabilitätsbestimmung näher erläutert werden, wobei der Einfachheit halber für die Auswertung der Injektionsdaten die Konstantphase betrachtet wird. Dazu wird im Grundsatz in Analogie zu Pumpversuchen vorgegangen, wobei die Druckverläufe über die Zeit sowie die Injektionsrate über die Zeit ausgewertet werden.
Zunächst wird die Produktivität PI bzw. die Injektivität II bestimmt. Es gilt die Beziehung PI = II = q/Δp mit

q: = Injektionsrate,
Δp: = Druckabsenkung bzw. Druckerhöhung; bei trockenem Gebirge ist Δp identisch mit dem Druck p.

Die Produktivität PI bzw. die Injektivität II wird für verschiedene Injektionsphasen bestimmt, wobei die Konstantphasen von PI bzw. II bestimmt werden, da in diesen Phasen näherungsweise die für die Auswertung erforderlichen stationären Verhältnisse herrschen. Für verschiedene Niveaus von PI und II wird die Transmissibilität T bestimmt. Es gilt die Gleichung: T = PI·μ·G mit

μ: = Viskosität
G: = geometrischer Faktor, vorläufig zu 1 gewählt.

Aus der Transmissibilität T kann die Permeabilität k bestimmt werden zu k = T/h mit

h: = Länge des abgepackerten Bereiches des Bohrlochs

Zur genaueren Bestimmung der Permeabilität können noch zusätzliche Faktoren eingeführt werden, die z. B. in den geometrischen Faktor G in T = PI·μ·G einfließen. Diese sind in der Regel jedoch für die hier behandelte Fragestellung von untergeordneter Bedeutung.
Fällt bei dem vorgegebenen Druckniveau die Injektionsrate auf 0, wird der Druckabfall aufgezeichnet und ebenfalls ausgewertet. Dafür verwendbare Auswerteverfahren sind aus

Häfner, F.; Kornajew, A; Voigt, H.-D.: Permeabilitäts- und Porositätsmessungen an Gesteinsproben mit dem instationären Zweikammerverfahren. Erdöl Erdgas Kohle, 112. Jg., Heft 10, 1996 und Weber, J. R.; Wallner, M.: Hydraulische Untersuchungen im Grubengebäude Morsleben; Abschlussbericht März 1998 der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe bekannt.

Da bei der Injektion der später zu erwartende totale bzw. effektive Druck aufgebracht wird, wird die Güte der Injektion anhand der begleitenden Permeabilitätsauswertung konkret für das aufgebrachte Druckniveau bestimmt.
Im Sinne der Nachweisführung der anforderungsgerechten Dichtigkeit einer Auflockerungszone kann die beschriebene Vorgehensweise als Probebelastung für die Auflockerungszone nach Einbau des Baukörpers eines geotechnischen Verschlussbauwerkes oder einer geotechnischen Barriere betrachtet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren koppelt die Elemente Probebelastung, Injektion und Auswertung analog zu Permeabilitätstests. Je nach Ziel der Injektion kann sie als kombinierte Abdicht- und Prüfdruckinjektion durchgeführt werden oder als reine Prüfdruckinjektion, wenn eine weitere Abdichtung als nicht erforderlich erachtet wird.
Bei den Injektionen ist vorzugsweise vorlaufend eine Analyse der gebirgsmechanischen Situation empfehlenswert, um eine lokationsspezifische Planung des Injektionsablaufs zu ermöglichen. In dieser Planung werden zweckmäßigerweise die folgenden Parameter festgelegt: Injektionsmittel, Injektionsraten, Drucksteigerungsraten, Maximaldruck bzw. Prüfdruck. Mit Hilfe dieser Vorgaben für die Injektionsparameter kann im Sinne von Steuerparametern sichergestellt werden, dass es durch die Injektionen zu keinen unbeabsichtigten Schädigungen des Gebirges und des Baukörpers des geotechnischen Verschlussbauwerkes oder der geotechnischen Barriere kommt.

2: zu vergütender Gebirgsbereich
3: geotechnisches Verschlussbauwerk oder geotechnische Barriere
4: Packer
5: Handpumpe
6: Steuerrechner
7: Leitung
8: Vorlagebehälter
9: nicht zu vergütender Gebirgsbereich
10: Pumpe
11: Zuleitung
12: Injektionsöffnung bzw. Bohrloch
14: Messbox
16: Steuerleitung
20: Druckmesseinrichtung
22: Durchflussmesseinrichtung
24: Temperaturmesseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Häfner, F.; Kornajew, A; Voigt, H.-D.: Permeabilitäts- und Porositätsmessungen an Gesteinsproben mit dem instationären Zweikammerverfahren. Erdöl Erdgas Kohle, 112. Jg., Heft 10, 1996 [0024]
- Weber, J. R.; Wallner, M.: Hydraulische Untersuchungen im Grubengebäude Morsleben; Abschlussbericht März 1998 [0024]

Claims

Verfahren zum Nachweis der anforderungsgerechten Dichtigkeit bzw. des erforderlichen hydraulischen Widerstands von mittels Injektion abgedichteten geotechnischen Verschlussbauwerken oder geotechnischen Barrieren, insbesondere mittels Injektion abgedichteten Auflockerungszonen in einem zu vergütenden Gebirgsbereich, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Herstellung einer Injektionsöffnung (12), – Einbau einer Abschottung (4) der Injektionsöffnung (12), – Injektion von Injektionsmittel, – Erfassung der Injektionsmenge Q und des Injektionsdrucks P in Abhängigkeit von der Zeit, – messtechnische Erfassung der Druckaufbauphasen, Druckkonstanthaltephasen und Druckabfallphasen, – Ermittlung der Permeabilität aus den erfassten Injektionsdaten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnung des Druckabfalls nach Beendigung des Injektionsvorganges erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Produktivität (PI) bzw. die Injektivität (II) bestimmt wird aus PI = II = q/Δp, mit p = Injektionsrate und Δp = Druckabsenkung bzw. Druckerhöhung, wobei die Produktivität (PI) bzw. die Injektivität (II) für verschiedene Injektionsphasen, insbesondere für Konstantphasen von (PI) bzw. (II) bestimmt werden, danach die Transmissibilität ermittelt wird aus T = PI·μ·G mit, wobei μ die Viskosität und G ein geometrischer Faktor bedeuten, und schließlich aus der Transmissibilität T die Permeabilität k bestimmt wird aus k = T/h, wobei h die Länge des abgeschotteten Bereiches der Injektionsöffnung bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass Phasen konstanter Injektionsrate q oder konstanten Druckes p mittels anderer verwendbarer Auswerteverfahren ausgewertet werden und die Permeabilität bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Produktivität (PI) bzw. die Injektivität (II) bestimmt wird, daraus die Konstantphasen von (PI) bzw. (II) und für diese durch andere verwendbare Auswerteverfahren die Permeabilität ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektion druck- und mengengesteuert rechnergestützt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Injektionsdruck etwa in Höhe des zu erwartenden hydraulischen totalen bzw. effektiven Drucks aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zu vergütenden Gebirgsbereich (2) als Injektionsöffnungen (12) Injektionsbohrungen hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zu vergütenden Gebirgsbereich (2) Schlitze als Injektionsöffnungen hergestellt werden, in die Injektionsleitungen verlegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem zu vergütenden Gebirgsbereich (2) Injektionsleitungen verlegt werden und der zu vergütende Gebirgsbereich (2) durch Bohrungen als Injektionsöffnungen (12) erschlossen wird, die über verlorene Packer injiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zu vergütenden Gebirgsbereich (2) bzw. dem geotechnischen Verschlussbauwerk oder der geotechnischen Barriere vor dem Injektionsvorgang kleine Injektionskammern als Injektionsöffnungen hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Injektionen vorlaufend die gebirgsmechanische Situation analysiert wird zur Planung des lokationsspezifischen Injektionsablaufs in Abhängigkeit folgender Parameter: Injektionsmittel, Injektionsraten, Injektionsdrucksteigerungsraten und Maximaldruck bzw. Prüfdruck.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine in eine Injektionsöffnung (12) des Gebirges (2) geführte Injektionsleitung (11) vorgesehen ist, über die durch eine Pumpe (10) aus einem Vorlagebehälter (8) Injektionsmittel in die Injektionsöffnung (12) injiziert wird, wobei eine Temperaturmesseinrichtung (24) zur Ermittlung der Temperatur T des Injektionsmittels, ein Durchflussmesser (22) zur Ermittlung der Durchflussmenge Q des Injektionsmittels und eine Druckmesseinrichtung (20) zur Messung des Injektionsdruckes P vorgesehen sind, deren Ausgangssignale in einer Messbox (14) erfasst und an eine Steuereinrichtung (6) zur Auswertung weitergeleitet werden, die über eine Steuerleitung (16) die Pumpe (10) steuert.