Projekt 22473/01

Erste Phase der Entwicklung einer umweltschonenden und effizienten Horizontalfilterbrunnentechnik zur Entwässerung oberflächennaher Lockergesteine im Bergbau und Bauwesen

Projektträger

Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH (IBGW)
Nonnenstr. 9
04229 Leipzig
Telefon: 0341 225610

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Eine wichtige Voraussetzung vieler Berg- und Tiefbauprojekte, die im Tagebau und in offenen Baugruben realisiert werden, ist die Entwässerung der Gebirgsschichten. Bis dato erfolgte die Entwässerung meist mit Vertikalfilterbrunnen. Eine Umstellung auf Horizontalfilterbrunnen als Hauptentwässerungselement ließ erwarten, dass unter stark vermindertem Energie- und Materialeinsatz und längerer Schonung des Tagebauvorfeldes sowie der Grundwasserressourcen eine technologisch notwendige und auf die Tagebausicherheit abgestimmte Entwässerung durchführbar sein würde. Labor-, Technikums- und Feldversuche waren notwendig, um die Berechnungsgrundlagen für diese Brunnenform zu klären. Ermittelte und verbesserte Berechnungsmethoden sollten in das Programmsystem PCGEOFIM implementiert werden, um so eine auf dieser Technik basierende Entwässerung planen, simulieren und vorausberechnen zu können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenNach einer Literaturrecherche und der Auswertung bisheriger Projekte wurden theoretische hydraulische Untersuchungen und Maßstabsuntersuchungen durchgeführt. Danach erfolgten Labor- und Technikumsversuche. In den Laborversuchen wurden die Vorgänge im kleinen Maßstab visualisiert. Im Technikumsmaßstab erfolgten Versuche mit unterschiedlichen Bodenmaterialen, Filterkonstruktionen und Technologien des Brunnenbaus. Diese Versuche wurden in einem Versuchsbehälter von 6 x 6 x 2,5 m mit Hilfe von in der Praxis genutzter Technologie durchgeführt.
Die Versuche wurden durch Modellierungen mit dem Programmsystem PCGEOFIM begleitet und modellgestützt durchgeführt. Die den Prozess abbildenden Algorithmen wurden entsprechend den Versuchergebnissen modifiziert und erweitert, so dass eine Abbildung der messtechnisch erfassten Vorgänge im Modell möglich wurde. Hierbei wurden die möglichen Fälle der Filteranströmung, wie Überstau, Teileinstau und Infiltration in den Grundwasserleiter berücksichtigt. Das so ertüchtigte Modell sollte dann für die Begleitung der in Phase 2 geplanten Feldversuche zur Verfügung stehen.


Ergebnisse und Diskussion

Für die getroffenen Modellannahmen konnte grundsätzlich großes Einsatzpotenzial für HDD-Brunnen (eng. Horizontal Directional Drilling oder HDD-Brunnen) beispielhaft belegt werden.
Die Voruntersuchungen zeigten Defizite in den Grundlagen der Strömungsberechnung an HDD-Brunnen. Die dadurch fehlende Prognosesicherheit verhinderte bisher die Entwicklung von Entwässerungssystemen auf Basis von HDD-Brunnen.
In Technikumsversuchen wurden systematische Abweichungen bisheriger Algorithmen zur Berechnung der Anströmung an HDD-Brunnen im Bergbauregelbetrieb aufgezeigt.
Die Feldversuche bestätigten eine bislang für die Bemessung von Entwässerungsvorhaben bisher nicht ausreichend genaue Abbildung der Naturprozesse im Modell.
Auf Basis der systematischen Abweichungen der Technikumsmodellierungen von den Versuchsergebnissen wurden umfangreiche und einschneidende Algorithmusänderungen am Programmsystem PCGEOFIM vorgenommen. Die Gerinneströmung im HDD-Brunnen wurde erfolgreich implementiert. Die Modellergebnisse sind damit signifikant verbessert worden.
Diese Arbeiten am Algorithmus stellen die Prognosesicherheit bezüglich Ergiebigkeit und Absenkungswirkung für HDD-Brunnen mit freiem Auslauf her. Damit sind die Grundlagen für die Entwicklung eines auf HDD-Brunnen basierenden Entwässerungssystems geschaffen worden.
Die erwarteten, positiven Effekte einer unter Berücksichtigung der technologischen Randbedingungen stattfindenden HDD-Entwässerung bestätigten sich. Am Feldversuchsstandort hätte ein HDD-Brunnen die Entwässerungswirkung im quasistationären Zustand von alternativ betrachteten 7 Vertikalfilterbrunnen (VFB) sicherstellen können. Damit konnte die Vorteilhaftigkeit des HDD-Brunnens gegenüber VFB am Beispiel des Versuchsstandortes gezeigt werden.
Die Berücksichtigung der technologischen Randbedingung Rückbauphase zeigte, dass eine Entwässerung mittels VFB am beispielgebenden Standort nicht zielführend bzw. nicht möglich gewesen wäre. Der Grundwasserspiegel wäre bis zum Beginn der Förderung nahezu wieder auf das Ausgangsniveau gestiegen. Eine sichere, nachhaltige Entwässerung kann hier nur durch einen HDD-Brunnen, der ohne Rückbauphase auskommt, erreicht werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

14 Veröffentlichungen (siehe beigefügte Liste), davon zwei Diplomarbeiten und eine
Studienarbeit, zwei weitere Diplomarbeiten werden noch in 2009 abgeschlossen (noch nicht in
der Liste)
Workshop Grundlagen und Erfahrungen der Übertragbarkeit von Modellversuchen auf
großindustrielle Anwendungen und Berücksichtigung der Skalierungseffekte in numerischen
am Berechnungsverfahren am 19. Januar 2007 in Freiberg, Sachsen
Teilnahme an der Woche der Umwelt am 5. und 6. Juni 2007 in Berlin
Geplanter Abschlussworkshop, Herbst 2009


Fazit

Mit verlaufsgesteuerter Horizontalbohrtechnik erstellte Horizontalfilterbrunnen (eng. Horizontal Directional Drilling oder HDD-Brunnen) haben wesentliche Vorteile gegenüber Vertikalfilterbrunnen (VFB) bei der Entwässerung von oberflächennahen Lockergesteinen im Tagebau und im Bauwesen. Allerdings wurden sie für diese Zwecke wenig eingesetzt, da die Entwässerungsleistungen oft nicht den Erwartungen entsprachen.
Es wurden umfangreiche Labor, Technikums- und Feldversuche durchgeführt, mit denen die im Untergrund ablaufenden Prozesse unter kontrollierten Bedingungen messtechnisch detailliert erfasst wurden. Die Versuche wurden mit dem Grundwassermodellsystem PCGEOFIM geplant und begleitet. Die Auswertung der Versuchergebnisse gab Aufschluss über die die Prozesse signifikant beeinflussenden Parameter und konnte genutzt werden, die Algorithmen zur Abbildung von HDD-Brunnen in PCGEOFIM entscheidend zu verbessern.
Es konnte quantitativ nachgewiesen werden, dass ein HDD-Brunnen mehrere VFB ersetzen kann, was zu entwässerungstechnischen Vorteilen führt, die sich durch verminderten Material- und Energieeinsatz sowie Schonung des Vorfeldes von Tagebauen oder Baugruben manifestieren. Damit kann eine deutliche Umweltentlastung bei Bergbau-, Tief- und Erdbauvorhaben erreicht werden.
Die hier beschriebene erste Phase des Forschungsvorhabens wurde erfolgreich abgeschlossen und bietet eine solide Grundlage, in der zweiten Phase die gewonnen Erkenntnisse für Entwicklung eines optimierten Entwässerungssystems an einer Beispiellagerstätte anzuwenden und weiter zu qualifizieren.

Übersicht

Fördersumme

213.994,00 €

Förderzeitraum

20.03.2006 - 30.06.2009

Bundesland

Sachsen

Schlagwörter

Ressourcenschonung
Umwelttechnik