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Chair of ubsurface ngineeringS EG e o t e c h n i c s a n d U n d e r g r o u n d C o n s t r u c t i o n sHead: Univ.Prof . D ip l .- Ing. Dr.mont . Rober t Gal ler

10/2013 Workshop - Bochum

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

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Stabilitätsanalyse eines aufgelassenen Gipsbergbaues

von der geologisch-hydrogeologischen-geotechnischen Datenerfassung zur numerischen 3D Simulation

Gunter Gernot Gschwandtner

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Übersicht

1. Projekt Übersicht

2. Datenerfassung und Beitrag der einzelnen Fachgebiete: i. Vermessung ii. Geologie iii. Hydrogeologie iv. Geotechnik und Gebirgsmechanik v. Numerische Simulation

3. Ausblick und Schlussfolgerung

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

• Aufgelassener Gipsbergbau – Erste Bergbauaktivitäten 1848 – Einstellen des Betriebs 1912

• 2 Abbauhorizonte – Horizontale Abmessungen von

ca. 160m auf 180m – Geringe Überlagerung von

13m bis max. 27 m

• Oberfläche im Einzugsgebiet des Bergbaues ist teilweise bebaut

Obere Sohle

Untere Sohle

Untersuchter Hohlraum

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Vermessung / Modell

Modell: Flächenelemente des Originalmodells

Flächenmodelle des bearbeiteten Modells

Gelände 9.667 Grubengebäude 10.165

Modell: Flächenelemente des Originalmodells

Flächenmodelle des bearbeiteten Modells

Gelände 9.667 333 Grubengebäude 10.165 7.731

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Vermessung / Modell

- Bearbeitetes 3D-Modell - marginale

Abweichungen der Oberfläche und des Volumen

- Verringerung der Fehleranfälligkeit beim Vernetzen

Modell: Flächenelemente des Originalmodells

Flächenmodelle des bearbeiteten Modells

Gelände 9.667 Grubengebäude 10.165

Modell: Flächenelemente des Originalmodells

Flächenmodelle des bearbeiteten Modells

Gelände 9.667 333 Grubengebäude 10.165 7.731

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Geologie • Im Bereich des Grubenbaues finden sich drei

verschiedene Lithologien – gipsreiches “Haselgebirge” – tonreiches “Haselgebirge” – Dolomitblöcke /-linsen mit mehreren Metern Duchmesser

in der Gips-Ton-Matrix

Detaillierte Untertagekartierung Mikroskopie Röntgendiffraktometrie

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Geologie • Modell inklusive Geologie • Grundlage der num. Simulation

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Hydrogeologie

• Kartierung – Oberflächenkartierung (Schwinden, Dolinen) – Untertage Kartierung (Wasseraustrittstellen, Geologie)

• Jahresgang – Verweildauer – Basisabfluss

• hydrochemische Analysen – Inhaltsstoffe Wasser – Grundlage Modellierung

• hydrogeologisches Modell – Abschätzung der gelösten Menge

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

niederschlagsabhängige Schüttung

Basisabfluss (lange Verweildauer)

ungesättigte Zone

gesättigte Zone ungesättigte Zone

Mischung

Austritt

Niederschlag

Verdunstung

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Hydrologie - Laugung

• Umströmungsversuch

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Hydrologie - Laugungsversuche

• Untersuchung des Laugungsverhalten mittels Eluations- / Umströmungsversuches

Probe am Testbeginn (Zeit=0)

Probe nach 5 Wochen und 200 l Wasser

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Hydrologie - Laugung

• Nicht zu

vernachlässigender Anteil an Feinteilen, welche ausgeschwemmt werden können

• ~38g/20l Gips • ~5g/20l Feststoff • pro Jahr werden bis

zu 7m³ gelaugt

• Laugungsvorgang von ca. 4 Tagen

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Geotechnik und Gebirgsmechanik

• sehr inhomogene Gebirgsmasse • Keine selektive Probenahme

– Probenahmeraster von ca. 20-30 m

• Einax.-Versuche • Triax.-Versuche • Spaltzugversuche

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Numerische Simulation

• ABAQUS • >3.500.000 Elemente

• Gesamtstabilität des Grubengebäudes inklusive

einer Parameterstudie • Gesamtstabilität des Grubengebäudes unter

Berücksichtigung der Laugung – Niederschlagswässer – Wässer in der 2ten Sohle (unterirdischer See)

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Numerische Simulation

• Ausbreitung der plastischen Bereiche in den Festen mit zunehmender Verringerung der Festigkeit

• Gute Übereinstimmung beim Vergleich mit analytischen Ansätzen

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Numerische Simulation • Erstes Auftreten von plastischen Zonen in der

Schwebe im Bereich Rampe Sohle 1-2

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Numerische Simulation • Erstes Auftreten von plastischen Zonen in der

Schwebe im Bereich Rampe Sohle 1-2

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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden

Numerische Simulation - Laugung

• Laugung von GOK • Laugung von Festen

in Sohle 2

• Implementierung der Laugung mittels gekoppelter Simulation - Heat-Transfer - Static

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Verifizierung der Risikobereiche

• „kurzfristig“ zu sichernde Bereiche

• Mithilfe von: Lab.Versuchen Analytik Numerik

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Verifizierung der Risikobereiche

• „kurzfristig“ zu sichernde Bereiche

• „mittel- und langfristig“ zu sichernde Bereiche

• Mithilfe von: Lab.Versuchen Analytik Numerik

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Ausblick und Schlussfolgerung

• 3D num. Simulation ist bei komplexen Strukturen unumgänglich 2D ist unzureichend

• Einfluss von Gruben- und Oberflächenwässern in wassersensitiven Gebieten ist zu berücksichtigen

• Verifizierung der Schwachstellen im Grubengebäude durch Laugungserscheinungen

• trotz der heutzutage zur Verfügung stehenden Mitteln bildet dies nur eine Näherungslösung ab!

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Danke für die Aufmerksamkeit Thanks for your attention

GLÜCK AUF!

Kontakt: Dipl.-Ing. Dr.mont. Gunter Gschwandtner gunter.gschwandtner@unileoben.ac.at gunter.gschwandtner@gmx.at www.subsurface.at