DE19856640C2 - Bergbau-Formstein zur Herstellung langzeitstabiler untertägiger Verschlußelemente für untertägige Hohlräume - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bergbau-Formstein zur Herstellung langzeitstabiler Verschlußelemente für untertägige Hohlräume, wie Schacht-, Strecken- und Bohrlochverschlüsse aus natürlichen Rohstoffen, gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Untertägige Verschlüsse haben die Aufgabe, unerwünschte Verbindungen zwischen den untertägigen Hohlräumen und der Erdoberfläche bzw. Grundwasserleitern zu verschließen. Überwiegend bestehen diese Verschlüsse aus voneinander getrennten Elementen mit dichtender Funktion (Dichtelemente) und aus Elementen für den Lastabtrag (statische Widerlager). Für beide Elemente müssen unterschiedliche Materialien eingesetzt werden. Als Material für die Dichtelemente kommen Tone oder Bitumen bzw. Asphalt zum Einsatz. Tone werden entweder bei einem optimalen Wassergehalt feucht eingebaut und verdichtet oder in Form vorver­ dichteter Blöcke (siehe z. B. "Schmidt, W.; Sitz, P.; Keßler, J.: Physikalische und chemische Eigenschaften von verdichteten Bentoniten als Verfüll- und Ver­ siegelungsmaterial bei der Endlagerung - Literaturstudie. NAGRA Techn. Bericht 92- 37, November 1992" und "Johannesson, L.-E.; Börgesson, L.; Sanden, T.: Compaction of bentonite blocks, Developement of technique for industrial production of blocks which are manageable by man. SKB Techn. Report 95-19, 1995"), Pellets oder Granulate (siehe z. B. "Naundorf, W.; Wollenberg, R.: Herstellung von Bentonit-Granulat mit hoher Schüttdichte zur Borlochabdichtung. NAGRA Techn. Bericht 92-06, Mai 1992") oder wie nach dem Patent F 2 690 456 auch als Gemisch aus diesen Komponenten mit unterschiedlichen Additiven trocken eingebaut.

Für den Sonderfall der Querschnittsabdichtung untertägiger Hohlräume im Salzgestein werden nach Patent DE 44 34 758 C1 Formkörper aus gepreßtem Steinsalzgrus einer Körnung zwischen 0 und 1 mm mit Zusatz eines Hydrophobisie­ rungsmittels vorgeschlagen.

Im Patent DE 43 07 196 A1 wird für derartige Formkörper aus gepreßtem Salzgrus ein Fugenmörtel vorgeschlagen, der neben Steinsalz auch Salzton, Bentonit und Gesteinsmehl enthält.

Die für Querschnittsabdichtung untertägiger Hohlräume im Salzgestein vorge­ schlagenen Formkörper aus gepreßtem Steinsalzgrus können auf Grund der grundsätzlich anderen Materialauswahl ihre Funktion nur erfüllen, wenn die zutretende Salzlösung mit dem verwendeten Steinsalzgrus sich in einem dauerhaf­ ten chemischen Gleichgewicht befindet. Dies ist nur unter Idealbedingungen vorstellbar. Das Wirkprinzip der in den Patenten DE 44 34 759 und DE 43 07 196 beschriebenen Materialien erfordert zwingend Zusatzmaßnahmen, wie den Zusatz eines Hydrophobisierungsmittels und die Verwendung eines speziellen Fugenmör­ tels. Derartige Zusatzmaßnahmen sind jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Das traditionelle Verfahren des feuchten Einbaues von Ton bei optimalen Wassergehalten führt dazu, daß in den von zutretenden Flüssigkeiten abzudichten­ den untertägigen Bereich zusätzlich Wasser eingebracht wird, der Ton bereits vorgequollen ist und dadurch in seinem Dichtvermögen eingeschränkt ist.

Vorverdichtete Tonblöcke, meist handelt es sich dabei um Bentonitblöcke, werden aus reinem Bentonit unter hohen Preßdrücken von bis zu 200 MPa hergestellt.

Großformatige Blöcke können durch isostatisches Pressen hergestellt werden. Aus diesen Blöcken hergestellte Dichtelemente besitzen ein ausgezeichnetes Dichtver­ mögen.

Da die Geometrie der Randzone mit derartigen Blöcken nicht genau nachgebildet werden kann, muß diese Randzone beispielsweise mit Granulat verfüllt werden.

Im eingebauten Zustand weisen diese Bauwerke infolge der geringen Festigkeit vor allem im konvergenten Wirtsgestein (z. B. im Salzgestein) nur ein ungenügendes Trageverhalten auf.

Aus Wittke, W.: Abdichtung von Strecken im Endlager Morsleben mit hochver­ dichtetem Bentonit. Geotechnik 19 (1996) 4, S. 304-311 sind Verfahren der schnellen künstlichen Flutung eines solchen Dichtelementes bekannt, wodurch sich schnell infolge Quellen ein Stützdruck aufbauen soll, die spezielle Geometrien dieser Bentonitblöcke mit Bewässerungskanälen oder -nuten erfordern, was eine außer­ ordentlich aufwendige Formgebung und eine komplizierte Gestaltung des Bauwerkes erfordert.

Eine einfachere und anpassungsfähigere Gestaltung von Bentonitdichtelementen ist durch den Einsatz von schüttfähigen Materialien, z. B. von Pellets, Preßlingen und Granulaten, möglich. Daraus gebaute Verschlußelemente besitzen zwar vor allem eine hohe Dichtwirkung, jedoch ist infolge der hohen Deformierbarkeit der Schüttungen das Tragverhalten, besonders im konvergenten Gebirge, ungenügend.

Als Alternative zu reinen Tonen werden besonders für die Hohlraumverfüllung Ton- Zuschlagstoff-Gemische in loser Form, z. B. Ton-Sand-Gemische mit 10 oder 20 Gew.-% Bentonit (siehe z. B. "Schmidt, W.; Sitz, P.; Keßler, J.: Physikalische und chemische Eigenschaften von verdichteten Bentoniten als Verfüll- und Ver­ siegelungsmaterial bei der Endlagerung - Literaturstudie. NAGRA Techn. Bericht 92- 37, November 1992") oder spezieller Kies-Sand-Bentonit-Gemische mit 5 bis 15 Gew.-% Bentonit, eingesetzt (siehe z. B. "J. Greinacher, G. Piepenbreier: Langzeitsi­ cherung unterirdisch eingelagerter Abfälle mit mineralischen Abdichtmaterialen. Glückauf 128 (1992), Nr. 4, S. 276-281"). Durch den hohen Zuschlagstoff-Anteil ist für diese Mineralgemische hauptsächlich ein gutes Tragverhalten charak­ teristisch. Der geringe Bentonitgehalt und die folglich zu geringe Bentonitdichte im Gemisch führt dazu, daß der nach Flüssigkeitszutritt mögliche Quelldruck sehr gering ist und diese Mineralgemische deshalb nur bis zu geringen Flüssigkeitsdruckgradienten als dichtend angesehen werden können.

Deshalb sind Mineralgemische der bekannten Zusammensetzung für untertägige Verschlußelemente, die gegen hohe Flüssigkeitsdrücke dichten sollen, nicht einsetzbar. Weitere Nachteile resultieren aus der vorgegebenen Einbautechnologie. Diese Gemische werden in der Regel vor dem Einbau trocken vorgemischt und trocken eingebaut. Im untertägigen Bergbau werden diese Mineralgemische geschüttet oder eingeblasen.

Durch den hohen Zuschlagstoffanteil dieser Gemische und durch den zwangsweisen Korn-zu-Korn-Kontakt der Sand- und Kiesbestandteile kann auch durch eine Formgebung gegenüber der Nachverdichtung keine wesentlich höhere Gemisch­ dichte erreicht werden, so daß auch dadurch der grundsätzliche Nachteil einer ungenügenden Dichtwirkung nicht beseitigt werden kann. Die erforderliche Nachverdichtung ist jedoch besonders im untertägigen Bereich nachteilig. In einigen Fällen, wie im Firstbereich horizontaler Bauwerke oder in Bohrlöchern, ist ein Nachverdichten nicht möglich. Dadurch werden die geforderten Einbaudichten nicht erreicht, und somit kann in diesen Fällen ein Mineralgemisch nicht eingesetzt werden.

Weiterer genereller Nachteil des Einsatzes loser Mineralgemische im untertägigen Bergbau sind die in der Praxis bekannten Probleme der Entmischung im Feinkornbe­ reich, die hohe Staubbelastung durch Bentonit und die Notwendigkeit spezieller Anlagen zum untertägigen Handling der Mineralgemische. Die Entmischung verschlechtert ohnehin das ungenügende Dichtverhalten.

Statische Widerlager werden in der Regel aus Beton gebaut. Für Verschlüsse in Endlagern oder Untertagedeponien ist eine Langzeitbeständigkeit der eingesetzten Materialien nachzuweisen. Dies kann die Nutzung künstlicher Materialien, z. B. Beton, einschränken. Eine Alternative sind Widerlager oder Füllsäulen aus Naturstein in Form von Schoner oder Mauerwerk. Derartig ausgeführten Widerlagern kann im Unterschied zu Beton generell keine Dichtwirkung zugeschrieben werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Bergbau-Formstein der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung vorzuschlagen, der mit üblichen bautechnischen Verfahren bei Errichtung von untertägigen Verschlußelementen die Anforderungen hinsichtlich Langzeitstabilität, Trageverhalten und Dichtheit gegenüber hohen Flüssigkeitsdrücken gleichzeitig erfüllt.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den technischen Mitteln der Patentansprüche gelöst. Für die erfolgreiche Realisierung ist die strikte Einhaltung der Parameter in ihrer Kombination erforderlich. Aus dem Stand der Technik war die Lösung nicht zu erwarten.

Mit dieser Erfindung wird in bisher nicht bekannter Weise erreicht, daß in einem Körper sich bisher ausschließende Eigenschaften wie gutes Trageverhalten bei gleichzeitiger Verringerung der gegenüber den Untertage möglichen Flüssigkeits­ drücken zutreffenden hydraulischen Leitfähigkeit des untertägigen Verschlußbau­ werkes unter 10^-11 m/s kombiniert werden können und daß für dieses Material die Langzeitstabilität nachgewiesen ist. Die Form der Preßkörper kann den geome­ trischen Formen der untertägigen Hohlräume angepaßt werden. Der für die Dichtwirkung gegenüber hohen Flüssigkeitsdrücken erforderliche Quelldruck ist durch die Zusammensetzung der Komponenten einstellbar.

Durch die Vorfertigung der Körper in übertägigen Fabrikationsstätten ist es möglich, Maßnahmen der Qualitätskontrolle und -sicherung zu garantieren. Lagerung, Transport und Einbau können durch die Wahl der Verpackungsform besser optimiert werden.

Eine spezielle Bewässerung des Bauwerkes zur sofortigen Sättigung des Bentonits und zur Ausbildung eines Stützdruckes und eine damit verbundene komplizierte Bauausführung ist nicht erforderlich, da die nach der Erfindung errichteten Verschlußbauwerke im trocken eingebauten Zustand ohne zusätzliche Maßnahmen das geforderte Tragverhalten aufweisen und unabhängig vom Moment eines Flüssigkeitszutrittes ihre Dichtwirkung sofort entwickeln und das Tragverhalten bestehen bleibt.

Eine weitere Verbesserung des Abdichtverhaltens, z. B. bei schnell ansteigenden Flüssigkeitsdrücken, kann man durch die Vermörtelung der beim Einbau ent­ standenen Fugen mit tonhaltigen Materialien erreichen.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel näher erläutert werden.

Ein Gemenge aus 25 Gew.-% Sand und 10 Gew.-% Bentonitgranulat, jeweils mit einer Körnung von < 10 mm sowie 65 Gew.-% Tonmehl mit einer Feinheit von ca. 0,5 mm wird intensiv vermischt und bei einem Wassergehalt von 9 Gew.-% zu Bergbau-Formsteinen BF 2 verpreßt, wobei für die Steine eine Dichte von über 2,20 g/cm3 erreicht wird. Aus den Steinen wird in bekannter bautechnischer Technologie eine Trockenmauer als untertägiges Verschlußbauwerk errichtet.

Zur Gewährleistung einer Dichtwirkung gegen eine sofort eintretende Flüssigkeits­ druckbelastung erfolgt der Einbau der Formsteine mit einem Mörtel aus nicht quellfähigem Ton.

Die beim Einbau entstehenden Fugen können bei Bedarf mit tonhaltigem Material vermörtelt werden.

Claims (3)

1. Bergbau-Formstein zur Herstellung langzeitstabiler untertägiger Verschluß­ elemente für untertägige Hohlräume, der aus einer Materialmischung mit körnigen Bestandteilen besteht und zu einem Preßling vorverdichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialmischung aus mindestens 10 Gew.-% Sand mit einer Körnung von maximal 10 mm und höchstens 90 Gew.-% Ton- und/oder Bentonitmehl mit einer Feinheit von < 1 mm besteht und daß der Bergbau-Formstein mit einer Dichte von über 2,20 g/cm³ und einem Wassergehalt von 3 bis 10 Gew.-% vorverdichtet ist.

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körnung von maximal 10 mm Ton- bzw. Bentonitgranulate enthält.

3. Material nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Montmorillonitgehalt 20 bis 80 Gew.-% beträgt.