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SEM o n t a n u n i v e r s i t ä t L e o b e n
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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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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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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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden
Verifizierung der Risikobereiche
• „kurzfristig“ zu sichernde Bereiche
• Mithilfe von: Lab.Versuchen Analytik Numerik
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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden
Verifizierung der Risikobereiche
• „kurzfristig“ zu sichernde Bereiche
• „mittel- und langfristig“ zu sichernde Bereiche
• Mithilfe von: Lab.Versuchen Analytik Numerik
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Gebirgsmechanische Untersuchungen von komplexen Grubengebäuden
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 [email protected] [email protected] www.subsurface.at