Tagebaureviere unterliegen großräumig Setzungen, die sich aufgrund der betriebsbedingten Sümpfungsmaßnahmen einstellen: Absenkung undWiederanstieg des Grundwasserspiegels verursachen durch die in den betroffenen Schichten wegfallende bzw. wieder einsetzende Auftriebswirkung des Grundwassers vertikale Bodenbewegungen im Gelände. Zu deren Berechnung wird ein analytisches Prognosemodell hergeleitet, das auf grundlegenden bodenmechanischen Modellen zur Abbildung des Kompressions- und Konsolidationsverhaltens von Lockergestein beruht.
Aufbauend auf den Gleichungen Terzaghis, dem in halblogarithmischer Auftragung sich linear darstellenden Kompressionsmodell sowie der linearen Lösung der die Konsolidation feinkörniger Böden beschreibenden Differentialgleichung, bildet das Prognosemodell mit Hilfe verschiedener Erweiterungen auch wesentliche nichtlineare Einflüsse auf das Kompressions- und Konsolidationsverhalten von Lockergestein zutreffend ab: Die Kompressionsberechnung erfasst den allmählichen Übergang der Böden in einen normalkonsolidierten Lagerungszustand. Damit wird insbesondere die Steifigkeitsentwicklung toniger Böden sowie der Braunkohle, die im Ausgangszustand aufgrund von Kriechverformungen im Zuge der Alterung überkonsolildiert anstehen, realitätsnah abgebildet.
Die Konsolidationsberechnung berücksichtigt die Entwicklung der Zustandsgrößen des Bodens. Der Verfestigung des Korngerüsts entsprechend ändern sich die Zustandsgrößen und fließen jeweils mit ihrem aktuellen Wert in die Auswertung der Konsolidationsdifferentialgleichung ein. Die Lösung erfolgt mit Hilfe eines Iterationsalgorithmus, der analog zur Methode der Anfangssteifigkeit definiert ist. Die Aufintegration der verformungswirksamen Spannungsänderung über die Zeit erfolgt mittels eines Pilgerschrittverfahrens. Damit kann die veränderliche Rate der Belastungsfunktion berücksichtigt werden, die aus den Zeit-Ganglinien der Grundwasserdruckspiegel abgeleitet wird, und die Spannungsverhältnisse innerhalb der feinkörnigen, konsolidierenden Schichten werden auch unter wechselnder Auflast mit teilweiser oder vollständiger Entlastung realitätsnah abgebildet…
Braunkohlenförderung in tiefen Tagebauen
Zur Gewinnung oberflächennah anstehender Rohstoffe stellt der Tagebau in der Regel die wirtschaftlichere Alternative gegenüber dem bergmännischen Abbau untertage dar. Dies gilt selbst für Lagerstätten, die in mehreren hundert Metern Tiefe anstehen. Die Erschließung solcher Lagerstätten mit tiefen Tagebauen erfordert inbesondere in durchlässigem Lockergestein die großräumige Absenkung des Grundwasserspiegels. Mit der Grundwasserabsenkung gehen ebenso großräumige Bodenbewegungen einher, zu deren Bestimmung ein bodenmechanisches Prognosemodell hergeleitet wird. Durch eine weitestgehend automatisierte Berechnung wird die Betrachtung der notwendigen Anzahl von Beobachtungspunkten ermöglicht, um die auftretenden Bodenbewegungen flächendeckend für ein Tagebaurevier zu prognostizieren. In Deutschland wird Tagebau vor allem zur Förderung von Braunkohle betrieben und prägt entsprechend die Gebiete der wichtigsten Braunkohlenlagerstätten. Mit dem Rheinischen Braunkohlenrevier wird das größte Abbaugebiet als Anwendungsbeispiel für das Prognosemodell herangezogen. Durch die wechselnden Lockergesteinsschichten und die tektonische Gliederung der Niederrheinischen Bucht kann das Modell an den bis zu 350 m tiefen Tagebaue des Rheinischen Reviers unter verschiedenen Randbedingungen erprobt werden…
