DE102014213056B4

DE102014213056B4 - Verfahren zum Verhindern von Anhydritquellungen im Erdreich

Info

Publication number: DE102014213056B4
Application number: DE102014213056.5A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dannwolf
Original assignee: Riskcom GmbH
Current assignee: Riskcom De GmbH
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2034-07-05
Also published as: DE102014213056A1

Abstract

Verfahren zum Verhindern von Anhydritquellungen im Erdreich, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme durch Wärmequellen ins Erdreich eingebracht wird und das Erdreich im Bereich der Wärmequellen auf wenigstens 58°C erwärmt wird und als Wärmequelle Heizstäbe, insbesondere Tauchsieder, verwendet werden

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Verhindern von Anhydritquellungen im Erdreich. Derartige Anhydritquellungen entstehen z.B. durch natürlichen oder durch menschliche Eingriffe verursachten Wassereintritt in Anhydritschichten des Untergrunds.
Die DE 10 2010 002 064 B4 zeigt ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung beruht darauf, dass eine Einbringung von Wärme mittels festen Heizelementen wie beispielsweise mittels Tauchsiedern ein Aufquellen von Anhydrit verhindert und bei Temperaturen von mehr als 80°C auch revidiert.
Anyhdrite sind Calciumsulfate (wasserfreie Gipse) mit der chemischen Formel CaSO₄. Man unterscheidet drei verschiedene Anhydrit-Modifikationen:

Anhydrit I (Hochtemperatur-α- Anhydrit),
Anhydrit II (natürlicher α- oder β-Anhydrit), und
Anhydrit III (löslicher oder metastabiler, γ-Anhydrit).

Anhydrit II entspricht dem natürlich vorkommenden Anhydrit, das als wasserhaltiges Calciumsulfat eine reversible Modifikationsreihe bildet. Bei Temperaturen von über 1180°C entsteht Anhydrit I, der sich bei weiterer Temperaturerhöhung (1.450°C) unter der Bildung von SO₂ und O₂ in Calciumoxid umwandelt und sehr stark löslich ist. Anhydrit III ist metastabil, kommt folglich in der Natur nicht vor. Massiger Anhydrit quillt dank der geringen Zutrittsmöglichkeit von Wasser nur schwach.
Primärer, sedimentärer Anhydrit bildet sich unter hypersalinaren Bedingungen, bei atmosphärischem Druck und leicht erhöhter Umgebungstemperatur von über etwa 25°C am Rande von Flachmeeren. Unter einer hypersalinaren Bedingung wird eine mindestens siebenfache Meerwasserkonzentration verstanden. Je nach Genese können drei Erscheinungstypen identifiziert werden: a) Nodularer Anhydrit, b) Warven-Anhydrit, c) „Pile-of-Brick“-oder „massiger“Anhydrit.
Wenn natürlich vorkommender Anhydrit bei Eingriffen im Untergrund mit Wasser in Kontakt kommt, wie z.B. bei Tunnelbauwerken oder bei fehlerhaften Geothermiebohrungen, nimmt er Wasser auf und vergrößert sein Volumen. Die Ursache solcher Quellungen, liegt grundsätzlich in der Wasseraufnahme und der damit verbundenen chemischen Umwandlung von Anhydrit in Gips mit entsprechender Volumenzunahme sowie in Kombinationen dieser Vorgänge.
Durch die Wassereinlagerung erfolgt eine chemische Umwandlung von Anhydrit in Gips, wodurch das Volumen um bis zu 61 % zunehmen kann. Diese Volumenzunahme verursacht Quelldrücke, welche störende Hebungen des Erdbodens hervorrufen können. Diese Hebungen können übertägige Bebauungen oder im Bergbau mehr oder minder stark unterirdische verlaufende Bauwerke, wie z.B. Tunnel beeinträchtigen oder gar zerstören.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Anhydritquellungen kostengünstig verhindert werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein solches Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Wärme durch Wärmequellen ins Erdreich eingebracht wird und das Erdreich im Bereich der Wärmequellen auf wenigstens 58°C erwärmt wird. Bei diesen Temperaturen hat sich gezeigt, dass keine weitere Umwandlung von Anhydrit in Gips erfolgt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Erdreich im Bereich der Wärmequellen auf wenigstens 80°C, vorzugsweise auf wenigstens 100°C erwärmt wird. Dies ist vorteilhaft, da dann eine beginnende Umwandlung von Gips in Anhydrit erfolgen kann.
Besonders bevorzugt ist es ferner, wenn die Wärmequellen bei einer Temperatur von wenigstens 200°C, vorzugsweise von wenigstens 600°C, betrieben werden. Durch das Betreiben der Wärmequellen bei einer hohen Temperatur kann Gips im Bereich der Wärmequelle in Anhydrit umgewandelt werden. Da Anhydrit eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Gips aufweist, kann dann die Wärme besser in die von der Wärmequelle weiter entfernten Bereiche eingebracht werden, wodurch weiter von der Wärmequelle entfernter Gips ebenfalls in Anhydrit umgewandelt werden kann. Die Umwandlung von Gips in Anhydrit kann somit radial von der Wärmequelle her ausgedehnt werden, es kann ein sogenanntes „self-propelling system“ erreicht werden.
Eine weitere vorteilhafte Variante des Verfahrens sieht vor, dass Elektrolyte ausgewählt aus der Gruppe Alkalisulfate, Alkalichloride, Magnesiumsalze, Ammoniumsalze, oder Schwefelsäure, Salzsäure, oder Alkalilaugen ins Erdreich eingebracht werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass als Wärmequelle Heizstäbe, insbesondere Tauchsieder verwendet werden..
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Heizstäbe in vertikalen oder schrägen Bohrungen um ein zu behandelndes Objekt herum angeordnet werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn im Bereich eines zu behandelnden Objekts das Erdreich auf eine Temperatur von wenigstens 150°C erwärmt wird. Vorteilhafterweise werden dann die Bohrungen ringartig um das zu behandelnde Objekt herum angeordnet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass vor der Erwärmung ein Abdichten von Wasserleckagestellen, insbesondere von Großbohrlöchern erfolgt. Somit kann gewährleistet werden, dass kein weiteres Wasser mit dem noch nicht in Gips umgewandelten Anhydrit in Kontakt kommt und eine weitere Umwandlung von Anhydrit in Gips kann verhindert werden.
Vorteilhafterweise erfolgt das Abdichten durch Einbringen von Portlandzementbrei und/oder Kaliumsulfatlösung.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die vertikalen oder schrägen Bohrungen in die abgedichteten Großbohrlöcher eingebracht werden.
Voraussagen über Quellverformungen und Quelldrücke sind dadurch sehr erschwert, dass sowohl die Quellverformungen als auch die Quelldrücke von einer ganzen Reihe von Faktoren abhängen, wie z. B. 1.) von der Zusammensetzung, dem Klüftungsgrad und der Vorgeschichte des Gesteins bzw. des Untergrundes; 2.) von der Intensität und Qualität des primären Spannungszustandes; 3.) von der Größe und Qualität des aufgebrachten Gegendruckes; 4.) vom Zeitpunkt der Aufbringung des Gegendruckes sowie davon, ob dieser aktiv (durch Anker) oder reaktiv durch Ausdehnungsverhinderung (z. B. Gewölbe) wirkt; 5.) vom Nachschub des Wassers zu den Bereichen des Quellens, welches bei der Volumenzunahme durch Spannungsgefälle aus benachbarten Gebieten angesaugt wird oder aber auch künstlich durch den Bauvorgang zugeführt wird.
Es wurden bereits sowohl Quelldrücke in N/mm² als auch Quellmaße in % ermittelt. So werden für typische Gipskeuper-Sedimente maximale Quellmaße von 10% bei Quelldrücken von 2-3 N/mm² ermittelt. Für Opalinustone wurden Quellmaße von 11-21% bei Quelldrücken von 2-7 N/mm² ermittelt. Massiger Anhydrit (z.B. als Vorkommen im Gipskeuper) quillt dank der geringen Zutrittsmöglichkeit von Wasser unter natürlichen Bedingungen nur schwach auf (Quellmaß von 0% und Quelldruck von 1,5 N/mm²).
Die Wärmeleitfähigkeit des Anhydrits ist eine Materialeigenschaft, welche von der Temperatur abhängt und im stationären Fall den Wärmestrom linear beeinflusst. Ein Vergleich der Wärmeleitfähigkeiten von Gesteinen zeigt, dass Salze eine Wärmeleitfähigkeit (A) von etwa 5-7 W/m K haben, Tone und Gipse eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1,3 W/m K besitzen und Anhydrit eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 3-5,4 W/m K aufweist. Falls eine Vergipsung von Anhydrit eintritt, wird folglich die Wärmeleitfähigkeit wesentlich verschlechtert (λ Gips = 1,3 W/m K).
Für Gesteine gilt prinzipiell, dass der Wärmebedarf umso höher ist, je höher der Wassergehalt ist. Ferner gilt, dass die Wärmeleitfähigkeit umso höher ist, je höher der Wassergehalt und je höher die Temperatur ist. Außerdem ist die Wärmestromdichte [W/m²] proportional zu der Fluid-Strömungsgeschwindigkeit und der Wärmeleitfähigkeit. Für Anhydrit gilt: Die höhere Wärmeleitfähigkeit von 3 - 5,4 W/m K bewirkt höhere Gesteinstemperaturen, die über den Wärmeeintrag erreicht werden können. Bei gleichzeitig geringem Wassergehalt aufgrund der geringen Porosität von ca. 0,05 - 0,8 % und sehr geringen Permeabilität sowie der nur teilweisen Umwandlung (Gipsummantelung) wird zeitnah eine hohe Erwärmung erwartet.
Ferner wurde festgestellt, dass bei Normaldruck und Süßwasserverhältnissen die Umwandlung von Anhydrit in Gips nur bis zu einer Temperatur von 58°C von statten gehen kann. Bei höheren Temperaturen ist Anhydrit stabil. Erhöhter Umgebungsdruck oder zunehmende Salinität verschiebt die Grenze der beiden Stabilitätsgebiete hin zu geringeren Temperaturen. Das letztere gilt auch für die Tonmineralquellung. Gips lässt sich durch Wärme reversibel in Anhydrit über die Zwischenstufe Basanit (CaSO₄ Halbhydrat, CaSO₄ × 0,5 H₂O) zurückverwandeln. Auch bei Verwandlung in Basanit tritt schon eine Volumenminderung ein.
Die Ausführungen belegen, dass der Eintrag von Wärme in den Untergrund bei Gesteinstemperaturen von wenigstens 58°C die Bildung von Gips unterbinden kann und bei erhöhten Temperaturen durch eine Umwandlung von Gips in Anhydrit auch wieder revidieren kann.
Die Erfindung beruht darauf, ausreichend hohe Temperaturen durch den Einsatz von festen Wärmequellen wie beispielsweise von Tauchsiedern in den Untergrund einzubringen, um den Prozess zu initiieren.
Hierzu wird zunächst das Grundwasser in dem zu behandelnden Bereich, sofern nötig, abgesenkt und andere Wasserzuflüsse unterbunden.
Die Wärmebehandlung kann durch die Zugabe von Elektrolyten, wie Alkalisulfat, Alkalichlorid, Magnesiumsalzen, Ammoniumsalzen, Schwefelsäure, Salzsäure, oder Alkalilaugen unterstützt werden.
Für die Sanierung von Wohnbebauungen oder sonstigen Gebäuden ist die Anordnung der Heizstäbe in vertikalen oder schrägen Bohrungen um die Hausgrundfläche vorgesehen. Der Abstand der Bohrungen richtet sich nach den Wärmeeigenschaften und der Art der Sonden sowie der Tiefe des zu erwärmenden Horizonts.
In die Bohrungen werden wasserdichte Stahlrohre eingebracht, in die die Heizelemente eingehängt werden. Die Heizelemente werden anschließend anstatt mit der bisher üblichen Granitgrußverfüllung mit MgO verfüllt, um eine gute Anbindung der Heizelemente zu erreichen, die man auch leicht wieder zum Ziehen der Heizelement entfernen kann.
Wird der Boden alternativ mittels Mikrowellen, Radiowellen, Niederfrequenz- oder Hochfrequenz Spannungsquellen aufgeheizt, so ist das Design, entsprechend der zu beheizenden Zone anzupassen.
In 1 ist ein Diagramm zur Umwandlung von Gips in Anhydrit beispielhaft dargestellt.

Claims

Verfahren zum Verhindern von Anhydritquellungen im Erdreich, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme durch Wärmequellen ins Erdreich eingebracht wird und das Erdreich im Bereich der Wärmequellen auf wenigstens 58°C erwärmt wird und als Wärmequelle Heizstäbe, insbesondere Tauchsieder, verwendet werden
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdreich im Bereich der Wärmequellen auf wenigstens 80°C, vorzugsweise auf wenigstens 100°C erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequellen bei einer Temperatur von wenigstens 200°C, vorzugsweise von wenigstens 600°C, betrieben werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Elektrolyte ausgewählt aus der Gruppe Alkalisulfate, Alkalichloride, Magnesiumsalze, Ammoniumsalze, oder Schwefelsäure, Salzsäure, oder Alkalilaugen ins Erdreich eingebracht werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizstäbe in vertikalen oder schrägen Bohrungen um ein zu behandelndes Objekt herum angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines zu behandelnden Objekts das Erdreich auf eine Temperatur von wenigstens 150°C erwärmt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Erwärmung ein Abdichten von Wasserleckagestellen, insbesondere von Großbohrlöchern, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdichten durch Einbringen von Portlandzementbrei und/oder Kaliumsulfatlösung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen oder schrägen Bohrungen in die abgedichteten Großbohrlöcher eingebracht werden.