DE3932046A1

DE3932046A1 - Bruchfeldversatzverfahren

Info

Publication number: DE3932046A1
Application number: DE19893932046
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Ing Sill; Werner Dipl Ing Mez; Ulrich Dipl Ing Kraemer; Wolfgang Dipl Ing Schauenburg; Rainer Dipl Ing Eickhoff; Bernd Dipl Ing Rinnerberger
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1989-09-26
Filing date: 1989-09-26
Publication date: 1991-04-11
Anticipated expiration: 2009-09-27
Also published as: DE3932046C3; DE3932046C2; FR2652382A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versetzen der Hohlräume eines Bruchfeldes von untertägigen Grubenräumen beim Streb- oder ähnlichen Abbau, durch Einbringen von fließfähigen, feinst- bis feinkörnigen Füllstoffen in die sich beim Bruch ergebenden Hohl räume. Die Erfindung betrifft außerdem eine geeignete Suspension zum Verfüllen dieser Hohlräume.

Beim Abbau von flözartigen Lagerstätten wird das Absenken des überlagernden Gebirges zum Teil dadurch verringert, daß Versatz eingebracht wird. Das Einbringen von Versatz, das die Bergschäden unter Umständen erheblich verringern kann, ist aber in der Praxis meistens auf solche Bereiche beschränkt, in denen ein reiner Bruchbau nicht stattfinden kann, weil dann die über Tage oder auch unter Tage entstehenden Schäden zu groß werden. Aus der DE-PS 34 13 602 und der DE-PS 34 40 783 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das beim Strebbruchbau entstehende Bruchfeld im Nachhinein durch Einbringen feinstkörniger Füllstoffe so verdich tet wird, daß auch damit das Absenken der Hangendschichten deut lich verringert werden kann. Das aus feinst- bis feinkörnigen Füllstoffen und Wasser bestehende Gemisch wird mittels Pumpen durch direkten Austrag durch Bohrungen oder Schleppleitungen in das Bruchfeld gebracht, um die hier entstandenen Hohlräume möglichst weitgehend auszufüllen. Damit entfällt die Notwen digkeit, den geschaffenen Hohlraum hinter dem Abbau solange of fenzuhalten, bis der Versatz eingebracht ist. Vielmehr kann prak tisch normaler Bruchbau betrieben werden, an den sich dann die zusätzlichen Arbeiten des Nachversetzens anschließen können. Die ses Verfahren hat sich im Steinkohlenbergbau als praktikabel er wiesen.

Im Bereich des Kalibergbaus und auch im Bereich des Abbaus ähnli cher Mineralien, vor allem, wenn diese mit dem Verfahren des Strebbruchbaus abgebaut werden können, hat sich das Einbringen von Versatz als nicht praktikabel erwiesen. Im Kalibergbau wird der Versatz nur in Sonderlagerstätten eingebracht. In der Bun desrepublik Deutschland mußte im Revier von Hannover, wo die Flöze sehr mächtig sind und fast vertikal stehen, eine spezielles Verfahren, der sogenannte Trichterbau eingeführt werden. Im Werra-Gebiet dagegen liegen die Flöze horizontal, so daß das Einbringen von Versatz erschwert bzw. unmöglich ist, wie auch im Bereich der elsässischen Kalilagerstätte. Dem Einbringen von Versatz steht vor allem das Problem entgegen, daß er aus feuchten Restsalzen besteht, die die Arbeitsbedingungen durch freigesetzte Feuchtigkeit wesentlich verschlechtern. Bei einer Reduzierung des Wassergehaltes wird eine Salzpaste aber zu zähflüssig, um sie noch hydraulisch fördern und versetzen zu können. Weiter wird von den entsprechenden Kalibergwerken als Grund für die Ablehnung des Versatzverfahrens die Notwendigkeit angeführt, durch einen schnellen und regelmäßigen Bruchbau Gesteins- und Gasausbrüche zu vermeiden. Aus den genannten Gründen hat sich der Versatz zur Lösung der bestehenden Probleme bisher nicht bewähren können. Vielmehr werden nach wie vor jährlich rund 5 Mio Tonnen Salz allein im Bereich des Elsaß in den Rhein eingeleitet. Ähnlich wird auch durch das Einleiten von Salz in die Werra dieser Fluß so belastet, daß Schäden an Flora und Fauna auftreten und vor allem auch bei der Nutzung des Flußwassers zur Trinkwassergewinnung. Trotz aller bisherigen Anstrengungen sind beim Einleiten von Salzen in Flüsse keine entscheidenden Fortschritte erzielt worden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein das Einleiten von Salzrückständen in Gewässer weitgehend erübrigendes Versatz verfahren zu schaffen, sowie eine pumpfähige, auch in Kaliberg werken abzulagernde Suspension.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß den Füll stoffen gesättigte oder ungesättigte Salzlösungen zugemischt wer den und daß diese Suspension dann zum Verfüllen der Hohlräume in das Bruchfeld eingeleitet wird.

Während Versuche, Salzpaste mit möglichst wenig Wasser herzustel len, daran scheitern, daß diese Paste dann nicht mehr hydrau lisch transportiert werden kann, weil sie zu zähflüssig wird und das Salz frühzeitig sedimentiert, ergibt sich beim Zumischen ent sprechender feinst- bis feinkörniger Füllstoffe überraschend eine pumpfähige Suspension, die nicht nur hydraulisch förderbar, son dern auch mit Pumpen in die im Bruchfeld entstandenen Hohlräume eingeleitet werden kann. Das Material gibt das Überschußwasser an das Bruchhaufwerk ab bzw. bei großen Hohlräumen wird es von ent sprechenden Bindemitteln gebunden und sorgt dafür, daß das Absen ken des Gebirges wesentlich verringert wird. Vor allem aber ge lingt es, durch das erfindungsgemäße Verfahren große Mengen an Restsalzen unter Tage direkt wieder zu versetzen, und zwar vor teilhaft mit einem Material, das ansonsten auch über Tage nur sehr schwer abzulagern wäre. Die entsprechende Suspension ändert dabei ihre Fließeigenschaften in Rohrleitungen, Pumpen und Spei cherbecken auch nach 48 Stunden nicht, so daß das einmal vorbe reitete Material auch bei abschnittsweisem Einbringen des Ver satzes ohne weiteres eingesetzt werden kann. Aufgrund des hohen Feststoffanteils, des entsprechend geringen Wasseranteils und des Einbringens ins Bruchhaufwerk weit hinter dem aktiven Strebraum, ist eine wesentliche Beeinträchtigung der Wetter auch im Kali bergbau nicht zu erwarten. Da das Wasser im übrigen praktisch aus der Suspension kaum freigesetzt wird, kann auch bei einem aus gehärteten bzw. nicht mehr fließfähigem Material eine Beeinträchtigung der Umgebung nicht eintreten.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfah rens ist vorgesehen, daß Aufbereitungsrückstände aus der Stein kohlenaufbereitung, Kraftwerks- bzw. Verbrennungsrückstände und ähnliche Füllstoffe mit niedrigem Wassergehalt mit gesättigten oder ungesättigten Salzlösungen vermischt und dann versetzt wer den. Hier ist somit eine Doppelverwertung von schwer verwertbaren Rückständen möglich, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wesentlich verbessert. Eine solche gemeinsame Verbringung von Rückständen in den Bruchbau von Steinkohlenbergwerken, von Kali gruben und ähnlichen Bergwerken ist insbesondere dort vorteilhaft und möglich, wo beide Betriebsbereiche in unmittelbarer Nähe vor handen sind.

In Sonderfällen, vor allem beim Verfüllen größerer Hohlräume, ist es von Vorteil, wenn der aus feinst- bis feinkörnigen Füllstoffen und einer Salzlösung hergestellten Suspension Bindemittel, vorzugsweise mit verzögerter Abbindewirkung, zugemischt werden, um so innerhalb eines bestimmten Zeitraumes das Abbinden der Suspension sicherzustellen bzw. andererseits deren Pumpfähigkeit für einen bestimmten Zeitabschnitt auf jeden Fall zu sichern. Darüber hinaus kann hierdurch erreicht werden, daß das mit der Suspension in die Versatzhohlräume eingebrachte Material das Wasser nicht oder aber so verzögert freigibt, daß eine Beeinträchtigung des Abbaus dadurch nicht mehr zu befürchten ist.

Wenn als Versatzgut vorrangig Salz eingesetzt werden soll, ist es vorteilhaft, der gesättigten Salzlösung als Füllstoff teilweise fein- bis feinstkörniges Salz hinzuzusetzen, wodurch eine noch größere Menge des zu entsorgenden bzw. des als Versatzgut zu nut zenden Feststoffes (Salz) eingebunden und versetzt werden kann.

Versuche mit einfachem Kochsalz, wie sie zunächst durchgeführt worden sind, haben ergeben, daß unter Berücksichtigung der vor handenen Körnung eine Salzpaste mit 15 bis 20% Wasser und Flo tationsberge mit 28 bis 33% Wasser in einem Verhältnis von rund 80 : 20% gemeinsam vermischt, die Bedingungen für den hydrauli schen Transport und das Verpressen der Hohlräume des Bruchfeldes erfüllen. Damit ist es bei relativ geringer Menge an Flotations bergen, d. h. also an fein- bis feinstkörnigem Füllstoff möglich, recht große Mengen an Salz, d. h. an aus der Kaliaufbereitung kom menden Restsalzen so zu verarbeiten, daß sie ohne Schädigung des Wasserhaushaltes unter Tage auch noch vorteilhaft eingesetzt wer den können.

In der Erkenntnis, daß für einen günstigen hydraulischen Trans port ein bestimmter Anteil an feinstkörnigem Gut notwendig ist, sieht die Erfindung vor, daß der Anteil der Salzpaste mit zuneh mender Korngröße verringert wird. Damit ist ein immer pumpfähiges Material vorhanden, das darüber hinaus günstig in die beim Bruch bau entstehenden Hohlräume eingedrückt werden kann.

Um sicherzustellen, daß der eigentliche Gewinnungsbetrieb, d. h. der Strebbereich auf keinen Fall durch die eine gewisse Menge an Feuchtigkeit mitbringenden Versatzmaterialien beeinflußt wird, sieht die Erfindung vor, daß die Suspension nach eingetretenem Bruch in die entstandenen bzw. verbliebenen Hohlräume eingepreßt wird. Dabei entsteht zunächst einmal gegenüber dem Strebbereich ein Schutzwall, durch den das eingedrückte Material nicht bis in den Streb durchgedrückt werden kann. Vielmehr werden diese Berei che erst im Nachhinein nachversetzt, um so möglichst große Mengen an Restsalzen unter Tage unterbringen zu können.

Zur Durchführung des Verfahrens dient insbesondere eine Suspen sion, bei der das Wasser teilweise oder ganz durch gesättigte oder ungesättigte Salzlösungen ersetzt ist. Da sowohl die Salz paste als auch der fein- bis feinstkörnige Füllstoff einen gewis sen Feuchtigkeitsanteil aufweisen, ist es in der Regel nicht mög lich, das gesamte Wasser durch entsprechende Salzlösungen zu er setzen, doch nimmt die Salzlösung naturgemäß einen Teil der in den anderen Materialien vorhandenen Feuchtigkeit auf und bindet sie, so daß die gesamte Feuchtigkeit einen Grad erreicht, der ei ne Beeinträchtigung der Wetter und damit des gesamten Abbaus aus schließt.

Eine besonders günstig zu transportierende und zu versetzende Suspension ist die, bei der der Anteil fein- bis feinstkörniger Feststoff rund 15%, der Anteil Salz rund 64% und der im Fest stoff und Salz vorhandene Anteil Wasser rund 21% beträgt. Dabei ist festzuhalten, daß eine derartige Suspension bzw. die Zusam mensetzung der Suspension sich auch nach dem Körnungsaufbau des Salzes richtet.

Die Erfindung ist durch erhebliche Vorteile gegenüber allen bis herigen Verfahren und Versuchen gekennzeichnet, das Versalzen der Flüsse durch Einleiten von Salz als Reststoff aus der Kaliaufbe reitung zu vermeiden. Erstmals ist es möglich, das Restsalz na hezu vollständig wieder nach unter Tage zu bringen und dort so zu versetzen, daß der Abbau nicht behindert und unwirtschaftlicher gemacht wird, sondern zumindest in der bisherigen Art und Weise fortgeführt werden kann. Das Verfahren ermöglicht das Einbringen einer Suspension, die durch Zusammenmischen einer Salzpaste und entsprechend fein- und feinstkörniger Füllstoffe so stabil bleibt daß sie auch noch nach längeren Standzeiten immer noch einwandfrei hydraulisch transportiert werden kann. Gleichzeitig bleibt das Wasser so gebunden, daß es die klimatischen Ver hältnisse unter Tage nicht nachteilig beeinflussen kann. Es ver steht sich, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur Hohlräume im Kalibergbau, sondern auch in ähnlichen Bergbauberei chen zu versorgen sind, so daß sichergestellt werden kann, daß praktisch die gesamten Restsalze umweltfreundlich abgelagert wer den. Die bisherige Versalzung der Gewässer, wie die Versalzung des Rheins, entfällt, so daß Flora und Fauna entlastet und das Flußwasser wieder ohne Probleme zur Trinkwassergewinnung heran gezogen werden kann. Damit kommt dem erfindungsgemäßen Verfahren eine erhebliche umweltpolitische Bedeutung zu.

Anhand der beiden Figuren wird das Verfahren kurz weiter erläu tert.

Fig. 1 zeigt einen Abbaubetrieb 1 in Draufsicht, wobei das an stehende Mineral 2 im Strebbetrieb, und zwar im Strebbruchbau hereingewonnen wird. Am Abbaustoß entlang ist ein Strebförderer 3 verlegt, der bei der Darstellung gemäß Fig. 1 teilweise durch den Ausbau 4 abgedeckt ist. Durch den Streb 5 hindurch und über den Strebförderer 3 wird das hereingewonnene Mineral, d. h. beispielsweise das Kalisalz, in eine der beiden Strecken 7, 8 gebracht und von dort beispielsweise über Bänder nach über Tage gefördert. Über Tage wird das Kalisalz aufbereitet. Bei diesem Prozeß fällt Restsalz an.

Das Restsalz wird dann unter Tage im Bruchfeld 6 wieder versetzt, wozu eine Zuleitung 9 von einem zentralen Bunker oder von über Tage aus bis in den Abbaubetrieb führt, wo dann bei der aus Fig. 1 ersichtlichen Ausführung des Verfahrens von der oberen Strecke 7 und der unteren Strecke 8 aus über Versatzpumpen 10 und die Zu leitungen 9′, 9′′ Versatzgut eingeleitet wird. Dieses Versatzgut besteht einmal aus dem Restsalz und zum anderen aus fein- bis feinstkörnigem Füllstoff, beispielsweise Flotationsberge oder Kraftwerks- bzw. feinstkörnige Verbrennungsrückstände. Diese Sus pension wird dann zum Verfüllen der Hohlräume 11, 12, wie aus Fig. 2 ersichtlich, benutzt, so daß sich ein homogen verfüllter Bruch ergibt. Bei dem hier gezeigten Ausbau handelt es sich um einen Schildausbau, wobei hier zwischen dem Schild 14 mittels Schlepprohren 15 das Versatzgut eingebracht wird.

Beispiel Herstellung einer Suspension auf der Grundlage von Salz (NaCl) für das Nachversetzen des Bruchhohlraumes

1. Herstellung einer gesättigten Salzlösung

- Wasser 208,8 cm³ (20°C)
- Kochsalz (NaCl) 73,1 g bzw. 35 g Salz je 100 cm³ Wasser,

beim Rühren löst sich das Salz bis auf einen geringen Rest auf.

2. Weitere Zugabe von Salz in Teilmengen von je 100 g
Nach jeder Salzzugabe wird gerührt. Das Salz löst sich nicht weiter auf. Nach Beendigung des Rührvorganges setzt sich das Salz sofort ab; wie Sand. Verklumptes Salz zerfällt.

Nach 500 g wird die nasse Salzmasse immer zäher und schwerer zu rühren. Nach 850 g ist der Spiegel der Salzlösung im Rühr gefäß fast gleich mit dem Niveau des sedimentierten Salzes.

Die hergestellte Salzpaste, bestehend aus:

- 208,8 cm³ Wasser
- 923 g Salz bzw. c_w = 81,5 Gew.-%

ist für die hydraulische Förderung zu zähflüssig. Das Salz sedimentiert sofort.

Für das Nachversetzen des Bruchhohlraumes ist diese Salz-Salz lösungssuspension nicht geeignet.

3. Zumischen von Flotationsbergen

Das ungünstige Verhalten der Salzsuspension ist einem ungenügen den Anteil von feinstkörnigen Partikeln zuzuschreiben. Zugabe einer Flotationsbergepaste von 304 g (Flotberge Walsum) mit einem Wassergehalt von f = 30,6%. Die Flotationsberge waren zäh-pastös, nahezu stichfest.

Aus der Salzsuspension und der Flotationsbergepaste - beide viel zu zäh, um hydraulisch gefördert oder um in den Bruchhohl raum injiziert zu werden - konnte nach kurzer Bearbeitung mit einem Rührgerät eine fließfähige, stabile Suspension herge stellt werden.

Die Prüfung mit dem Haake Viskotester VT-24, Rührflügel Fl-100, ergab bei der Drehzahlstufe 1 einen Skalenwert von 290; nach 1 Minute 270. Dieses entspricht größenordnungsmäßig einem Druck verlust bei der hydraulischen Förderung von ca. 5 bar/100 m in einer Rohrleitung DN 150 bei einer Förderleistung von 50 m³/h.

Die Suspension änderte ihre Fließeigenschaften nach 48 Stunden nicht.

4. Kennzahlen des Gemisches

Zusammensetzung

5. Wertung

Aus Kochsalz (NaCl) und Flotationsbergen konnte ein für die Bruchhohlraumverfüllung geeignetes Gemisch hergestellt werden.

Es wurde ein hoher Feststoffgehalt c_F = 1330 g/dm³ und eine hohe Dichte des Gemisches p_m = 1,69 g/cm³ erreicht.

Für die Entsorgung von Kochsalz (NaCl) ist es wichtig, daß auf die beschriebene Weise der Salzgehalt des Gemisches mit rd. 1100 g/l bzw. to/m³ sehr hoch liegt, was auf eine effiziente Entsorgungsmöglichkeit hinweist.

Einschränkend ist zu bemerken, daß der Laborversuch mit einer bestimmten Salzsorte bei einer vorgegebenen Korngrößenverteilung durchgeführt wurde.

1 Abbaubetrieb
2 anst. Mineral
3 Strebförderer
4 Ausbau
5 Streb
6 Bruchfeld
7 obere Strecke
8 untere Strecke
9 Zuleitung Versatz
10 Versatzpumpe
11 Hohlraum
12 Hohlraum
13 Versatzgut
14 Schild
15 Schlepprohre

Claims

1. Verfahren zum Versetzen der Hohlräume eines Bruchfeldes von untertägigen Grubenräumen beim Streb- oder ähnlichen Abbau, durch Einbringen von fließfähigen, feinst- bis feinkörnigen Füllstoffen in die sich beim Zubruchgehen des Hangenden erge benden Hohlräume, dadurch gekennzeichnet, daß den Füllstoffen Salzsuspensionen, gesättigte oder ungesättigte Salzlösungen zugemischt werden und daß die resultierende Suspension dann zum Verfüllen der Hohlräume in das Bruchfeld eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aufbereitungsrückstände aus der Steinkohlenaufbereitung, Kraftwerks- bzw. Verbrennungsrückstände und ähnliche Füllstof fe mit niedrigem Wassergehalt mit Salzsuspensionen, gesättig ten oder ungesättigten Salzlösungen vermischt und dann ver setzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus feinst- bis feinkörnigen Füllstoffen und einer Salzlösung her gestellten Suspension Bindemittel, vorzugsweise mit verzöger ter Abbindewirkung zugemischt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feinst- bis feinkörnige Füllstoff bei Einsatz gesättigter Salzlösungen teilweise durch fein- bis feinstkörniges Salz er setzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Salzpaste mit 15 bis 20% Wasser und Flotationsberge mit 28 bis 33% Wasser in einem Verhältnis von rund 80 : 20 gemeinsam vermischt, dann transportiert und in die Hohlräume des Bruch feldes verpreßt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der An teil der Salzpaste mit zunehmender Korngröße verringert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension nach eingetretenem Bruch in die entstandenen bzw. verbliebenen Hohlräume eingepreßt wird.

8. Suspension zum Verfüllen von Hohlräumen im Bruchhaufwerk, be stehend aus einem fein- bis feinstkörnigen Feststoff und Was ser, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff teilweise aus Salz besteht und das Wasser teilweise oder ganz durch gesät tigte oder ungesättigte Salzlösungen ersetzt ist.

9. Suspension nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil fein- bis feinstkörniger Feststoff rund 15%, der Anteil Salz rund 64% und der im Feststoff und Salz vorhandene oder zugefügte Anteil Wasser rund 21% beträgt.