книги / Ergebnisse ingenieurgeologis Kluftuntersuchungen im Salinar fur Abdichtungsinjektionen von Zuflussen im Kalibergbau der DDR
..pdfF R E I B E R G E R F O K S C H D N G S H E F T L Herausgeyeöen vom Rektor der Bergakademie Freiberg
A 753 Bergbau und Geotechnik
Ingenieurgeologie
Ergebnisse inyenieurgeologischer
Kluftuntersuchungen im Salinar
für Abdichtungsinjektionen von Zuflüssen im Kalibergbau der DDR
Von Dr.-Ing. AXEL STÄUBERT, Sondershausen
Mit 18 Bildern und 6 Tabellen
VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie • Leipzig
F R E I B E R G E R F O R S C H U N G S H E F T E
Schriftenreihe fUr alle Gebiete der Montanwissenschaften
Die Freiberger Forschungshefte, in denen Autoren des Inund Auslandes mit Erstveröffentlichungen zu Wort kommen, sind
Publikationen, die unter der Herausgeberschaft des Rektors der Bergakademie Freiberg in unregelmäßiger Folge erscheinen. In dieser Schriftenreihe werden Ergebnisse wissenschaftlicher Un tersuchungen, Dissertationen und Vorträge repräsentativer Kol loquien veröffentlicht. Die Freiberger Forschungshefte sind thematisch wie folgt gegliedert:
Reihe A: Bergbau und Geotechnik, Arbeitsschutz und Sicherheits technik, Grundstoff-Verfahrenstechnik, Maschinenund Energietechnik
(Gebirgsund Felsmechanik, Bodenmechanik, Ingenieur geologie, Bohrtechnik und Untergrundspeicherung, Tage bautechnik, Tiefbautechnik, Markscheidewesen, Aufbe reitungstechnik, Brennstofftechnik, Silikattechnik
und Technische Chemie, Grundlagen der Maschinenund Energietechnik, Gewinnungsund Aufbereitungsmaschi nen, Instandhaltung}
Reihe B: Metallurgie und Werkstofftechnik
(Eisenmetallurgie, Nichteisenmetallurgie, Gießerei technik, Metallformung, Wärmebehandlung und Ober flächenveredlung, Metallkunde, Werkstoffeinsatz)
Reihe C: Geowissenschaften
(Geologie, Geophysik, Mineralogie-Geochemie, Lager stättenlehre, Paläontologie)
Reihe D: Wirtschaftswissenschaften, Marxismus-Leninismus (Sozialistische Wirtschaftsführung, Volkswirtschafts planung, Sozialistische Betriebswirtschaft, Bergund Wirtschaftsrecht, Wissenschaftliche Arbeitsorganisation, Politische Ökonomie, Philosophie, Wissenschaftlicher Kommunismus, Geschichte der Produktivkräfte, Soziologie)
Die Freiberger Forschungshefte können sowohl einzeln als auch im Reihenabonnement bezogen werden. Die Bezugsmöglichkeiten entnehmen Sie bitte der Impressumseite. Bei Bezugsschwierigkei
ten im Ausland wenden Sie sich direkt an den Verlag oder an die
Firma BUCHEXPORT, Volkseigener Außenhandelsbetrieb der Deutschen Demokratischen Republik.
VEB DEUTSCHER VERLAG FÜR GRUNDSTOFFINDUSTRIE • LEIPZIG
Die Freiberger Forschungshefte erscheinen in unregelmäßiger Folge in den Reihen A, B, C und D.
Herausgeber: Der Rektor der Bergakademie Freiberg, DDR-9200 Freiberg, AkademiestraGe 6 .
Manuskriptannahme: Bergakademie Freiberg, Redaktion Freiberger For schungshefte, DDR-9200 Freiberg, AkademiestraGe 6
Verlag: VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, DDR-7031 Leipzig, Karl-Heine-StraGe 27
Vertrieb; In der Deutschen Demokratischen Republik durch alle Buchhand lungen; in der BRD durch die Firma Kunst und Wissen, Erich Bieber OHG, D-7000 Stuttgart 1, Postfach 46, und durch die ESKABE Kommissions-Grosso- buchhandlung Schönwitz & Co. KG, D-8222 Ruhpolding/Oberbayern, Postfach 1140; in Berlin (West) 30 durch die Gebrüder Petermann GmbH & Co. KG, KurfürstenstraGe 111, sowie durch den gesamten Buchhandel; im übrigen Ausland durch den internationalen Buchund Zeitschriftenhandel, den BUCHEXPORT, Volkseigener Außenhandelsbetrieb der Deutschen Demokratischen Republik, DDR-7010 Leipzig, Postfach 160, oder durch den Verlag.
Bibliographischer Nachweis
St'äubert, Axel:
Ergebnisse ingenieurgeologischer Kluftuntersuchungen im Salinar für Abdichtungsinjektionen von Zuflüssen im Kalibergbau der DDR/ Axel Stäu bert. - 1. Aufl. - Leipzig : Dt. Verl, für Grundstoffind., 1988. - (Freiberger Forschungshefte : A; 753)
NE: GT
ISBN 3-342-00B28-8
1. Auflage
©VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 198B VLN 152-915/151/88
Printed in the German Democratic Republic
Druck: Polygrafischer Bereich des Wissenschaftlichen Informationszen trums der Bergakademie Freiberg, 9200 Freiberg
Lektorin: R. Kroitzsch
RedaktionsschluG: 27.7.1987 LSV 3125
ISSN 0071-9390 Bestell-Nr. 544 21B 7 01800
Annotation
Stäubert, Axel, Or.-Ing.: Ergebnisse ingenieurgeologischer Kluftunter suchungen im Salinar für Abdichtungsinjektionen von Zuflüssen im Kali bergbau der DDR - Freiberger Forschungsheft A 753 - Leipzig: VE8 Deut scher Verlag für Grundstoffindustrie 1988
Für eine erfolgreiche Abdichtung von Wasserund Salzlösungszuflüssen
im Salzbergbau durch Injektionen ist eine gute Kenntnis der strukturgeo logischen Verhältnisse des Salinars eine wichtige Voraussetzung. Im vorliegenden.Heft wird eine primär gesteinsabhängige Klüftung von Sulfatund Karbonatschichten des Zechsteins nachgewiesen und quantifiziert beschrieben. Der Einfluß der Teufe, der Entwicklung tektonischer Bean spruchungen und weiterer Einflußfaktoren auf die Ausbildung und Intensi tät der Klüftung im Zechsteinsalinar werden diskutiert.
Die aufgestellten ingenieurgeologischen Kluftmodelle stellen eine Ent scheidungsgrundlage für eine wirksame und ökonomisch günstige Zuflußbe kämpfung durch Injektionen dar.
59 S., 18 Bilder, 6 Tab., 50 Lit.
Annotation
Stäubert, Axel: Results of the engineering-geologic investigations of fractures in the salt body for grouting of inflows in the GDR potash mining by injections - Freiberger Forschungsheft A 753 - Leipzig: VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie 1988
A sound knowledge of the structural-geologic conditions of the salt body is an important prerequisite to a successful grouting of water and brine inflows in salt mining by injections. In the paper, a primarily rock-dependent jointing of sulphate and carbonate layers of the Upper Permian is proven and described by quantification. The influence of the depth, the development of tectonic stress and of other influence factors on the formation and intensity of the jointing in the Upper Permian salt body are discussed.
The jointing models established by engineering-geologic methods are the basis for a decision in view of an efficient and economically favourable control of inflows by injections.
59 pages, 18 fig., 6 tables, 50 ref.
3
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|
Gekürzte Fassung einer von der Fakultät für Technische Wissenschaften des Wissenschaftlichen Rates der Bergakademie Freiberg genehmigten Dissertation
Gutachter
Prof. Dr. sc. techn. F. REUTER, Freiberg
Prof. Dr.-Ing. habil. T. DÜRING, Freiberg
Prof. Dr. rer. nat. habil. G. SEIDEL, Weimar
Dr. rer. nat. A. SCHWANDT, Sondershausen
Autor
Dr.-Ing. AXEL STÄU8ERT, VEB Kombinat KALI, Sondershausen
4
Vorwort
Die vorliegende Arbeit ist die gekürzte Fassung einer Dissertation A, die am Wissenschaftsbereich Ingenieurgeologie der Sektion Geotechnik und Bergbau an der Bergakademie Freiberg angefertigt wurde; sie ist Bestand teil einer größeren Forschungsaufgabe für das Kombinat KALI der DDR.
Für die interessante Themenstellung und den umfangreichen fachlichen Aus tausch möchte ich mich bei Prof. Dr. F. REUTER, Dr. A. SCHWANDT (Sonders hausen) und Dr. R. SCHWERTER recht herzlich bedanken. Meinen Dank spreche ich ebenfalls den Grubenleitungen und den Abteilungen Geologie aller un tersuchten Werke des VE(B) Kombinat KALI sowie den Verantwortlichen an derer Betriebe und Einrichtungen aus, besonders Dipl.-Min. H. BURRHEE, Dipl.-Geol. E. FRANZ, Dr. M. HEMMANN,*Dipl.-Geol. E. SCHOTT, Dipl.-Geol. P. VOGT, Ing. R. VÖLKER, Dr. G. ZÄNKER und Dr. J. ZIEBELL.
Großen Anteil am Gelingen der Arbeit haben die Mitglieder des Jugend forscherkollektivs "Ingenieurgeologische Modelle für die Abdichtung von Zuflüssen im Kalibergbau durch Injektionen". H. GAITZSCH, P. IHLE,
J. KARDEL und Th. SCHULTZ danke ich für die zahlreichen gemeinsamen Kluftaufnahmen in Schächten, Karsthöhlen, Altbergbaustollen und Stein bruchwänden. Allen anderen an der Arbeit Beteiligten sowie besonders auch meiner Frau, Dipl.-Geol. U. STÄUBERT, die mich bei der Durchsicht des Manuskriptes und der technischen Fertigstellung unterstützte, danke ich sehr herzlich.
5
Inhaltsverzeichnis |
|
|
|
|
|
|
|
|
Seite |
1. |
Aufgabenstellung |
und |
Einleitung |
8 |
2. |
Einflußfaktoren |
auf |
die Klüftung |
9 |
3.Beschreibung der geologischen Verhältnisse
|
in |
den Untersuchungsgebieten |
10 |
4. |
Zur |
Aufnahmeund Auswertemethodik |
13 |
3.Gesetzmäßigkeiten zur Verbreitung, Intensität
|
und Ausbildung der Klüfte in ungestörten Zecn- |
|
|
|
steinschichten |
(Regionaler Teil) |
14 |
5.1. |
Anhydritgesteine |
14 |
|
5.1.1. |
Anhydritmittel |
des Leinesteinsalzes |
14 |
5.1.2. |
Hauptanhydrit |
|
16 |
5.1.2.1. Raumstellung |
|
16 |
|
5.1.2.2. Kluftdaten des Hauptanhydrits aus UT-AufSchlüssen |
18 |
||
5.1.2.3. Klüftung in den Anhydritklippen |
19 |
||
5.1.2.4. Zusammenfassung |
und Schlußfolgerungen für Abdich |
|
|
|
tungsinjektionen |
22 |
|
5.1.3. |
Sangerhäuser Anhydrit |
24 |
|
5.1.4. |
Basalanhydrit im Südharz-Kaligebiet |
24 |
|
5.1.5. |
Werraanhydrite |
|
26 |
5.1.5.1. Klüftung in den |
Werraanhydriten des Kupferschiefer |
|
|
|
bergbaues |
|
26 |
5.1.5.2. Werraanhydrite |
am Ausbiß |
27 |
|
5.1.6. |
Vergleich der Klüftung anhydritischer Schichten |
29 |
|
5.2. |
Karbonatgesteine |
30 |
|
5.2.1. |
Staßfurtkarbonat |
30 |
|
5.2.2. |
Zechsteinkalk |
|
32 |
5.2.3. |
Bemerkungen zum |
Leinekarbonat |
33 |
5.2.4.Zusammenfassung und Schlußfolgerungen für Abdichtungs
|
injektionen |
|
|
34 |
5.3. |
Zur Klüftung |
in |
Salzgesteinen |
34 |
5.4. |
Bemerkungen |
zur |
Klüftung von Salzton und Deckanhydrit |
36 |
6.Erwartungswerte für eine gesteinsabhängige Klüftung
|
nach den |
vorliegenden Untersuchungsergebnissen |
36 |
6.1. |
Gesteins* |
bzw. schichtbezogene Auswertung |
36 |
6.2.Abhängigkeit der Klüfte von der Teufe und der Schicht
|
mächtigkeit |
|
41 |
6.3. |
Bemerkungen |
zur störungsgebundenen Klüftung |
44 |
6
|
|
Seite |
7. |
Tektonische Einflußfaktoren |
45 |
7.1.Die zeitliche Entwicklung der tektonischen
Beanspruchung |
45 |
7.2.Der Einfluß variszischer oder älterer Bruchtektonik
auf die Salinarklüftung |
47 |
7.3.Stockwerksgliederung zur Beurteilung der Salinarklüftung für die Prognose kluftgebundener Salzlösungen
|
und Gase |
|
|
|
45 |
7.3.1. |
Zechsteinkalk |
und |
Unterer Werraanhydrit |
49 |
|
7.3.2. |
Oberer Werraanhydrit, Staßfurtkarbonat und Basalanhydrit |
50 |
|||
7.3.3. |
Staßfurtsteinsalz |
und |
-kaliflöz |
50 |
|
7.3.4. |
Hauptanhydrit |
|
|
|
51 |
7.3.5. |
Leinesteinsalz |
mit |
den |
Anhydritmitteln |
52 |
7.4.Der Einfluß der jungtertiären und rezenten Kräftepläne
auf die Salinarklüftung |
52 |
8.Bedeutung der Untersuchungsergebnisse für Injektions
|
modelle zur Bekämpfung von Salzlösungszuflüssen |
53 |
9. |
Zusammenfassung |
56 |
Literaturverzeichnis |
56 |
7
1.Aufgabenstellung und Einleitung
Für die Abdichtung von Wasserund Salzlösungszuflüssen durch Injektionen ist eine gute Kenntnis der strukturgeologischen Verhältnisse des Salinars eine wichtige Voraussetzung, da auf dieser Grundlage das geeignete In jektionsmittel, die Bohrrichtung und die Injektionstechnologie ausgewählt werden (REUTER u.a. /I, 2/).
Bisher sind keine ausreichenden Erfahrungen über die ingenieurgeologi sche Einschätzung des Salinars für die Abdichtung von Salzlösungszuflüs sen bekannt. Das Ziel der Untersuchungen bestand deshalb zunächst darin, Kluftmodelle für verschiedene Gebirgsarten und Schichten des Zechsteins
zu entwickeln.
Die vorliegende Arbeit ordnet sich in eine größere Forschungsaufgabe für das Kombinat KALI oer DDR ein. Im Rahmen dieser geotechnischen Forschung sollen als Ergebnis umfangreicher Kluftuntersuchungen Erwartungswerte für die Klüftung in verschiedenen Zechsteinschichten erarbeitet werden.
Für Injektionszwecke interessieren insbesondere quantifizierbare Para
meter, wie Raumlage der Trennflächen, scharbezogerie Kluftabstände, -aus bißlängen, -Öffnungen, -füllungen bzw. -Verheilungen u.a.
Neben der Erweiterung des Kenntnisstandes zur Verbreitung, Intensität und Ausbildung der Klüftung im Salinar soll untersucht werden, inwieweit petrographisch bedingte Unterschiede bei - gleichen tektonischen und La gerungsverhältnissen die Klüftung beeinflussen. Außer der Gesteinsart
als Grundklassifikationsmerkmal sind die Ergebnisse nach weiteren Einflußfaktoren, wie Teufe und Schichtmächtigkeit, geomechanischen Einflußfaktoren (Kompetenz/Inkompetenz, Spannungsfeld und Kluftgenese) sowie Beeinflussung der Klüftung durch die präsalinare Grundgebirgstektonik und sonstige Störungen zu systematisieren.
Es wurden Kluftmessungen in Kaliund Steinsalzgruben, im Kupferschieferbergbau und am Zechsteinausbiß (Steinbrüche, Höhlen, Stollen) durchge führt. Da besonders Gesteinsabhängigkeit bei Klüftung sowie die Zusammen hänge zwischen der Klüftung und verschiedenen Einflußfaktoren untersucht werden sollten, wurden die Klüfte vorwiegend in ungestörten Schichten des Zechsteins 1 bis 3 aufgenommen.
Als |
u n g e s t ö r t e |
Schichten gelten im Sinne dieser Arbeit Sa- |
linargesteine, die |
|
a)durch die regionale Großtektonik (vor allem durch das ßruchschollenmosaik im Grundgebirge und durchgehende Großstörungen) zwar geklüftet worden sind,
b)aber nicht in unmittelbarer Nähe von Störungen, tektonischen Zerrüt tungszonen und auf Topbereichen von Sattelstrukturen liegen,
c)horizontal bis sehr flach einfallen und
d)nicht engräumig gefaltet sind.
8
In dieser Arbeit werden störungsbedingte (Störungen, Verwerfungen, Ein pressungen, Basaltspalten, engräumige Faltungstektonik) und abbaubeding te Klüfte (Sprengung, Entspannung) nicht berücksichtigt. Auf die hydro logische und hydrodynamische Wirksamkeit von Trennflächen sowie auf Abdichtungsstrategien wird nur insoweit eingegangen, wie es zum allge meinen Verständnis der Gesamtproblematik erforderlich ist.
2.EinfluBfaktoren auf die Klüftung
Umfangreiche Kluftmessungen in den Jahren 1984/B5 haben dazu beigetragen, die Kenntnisse zur Einflußproblematik zu erweitern. Nach dem gegenwärtigen Kenntnisstand ist die Intensität der Klüftung von folgenden Einflußfaktoren abhängig:
-Gesteinsart und daraus abzuleitendes Festigkeitsund Verformungsver halten ("absolute" Kompetenz oder Inkompetenz /3/);
-Abstand zu tektonischen Großelementen, deren Raumstellung und Alter, Art und Intensität salinartektonischer Beanspruchungen, vertikaler Abstand zum subsalinaren Grundgebirge;
-Lagerungsverhältnisse, insbesondere Schichteinfallen und strukturelle Position sowie Kontaktbedingungen im Verband mit liegenden und/oder hangenden Schichten ("relative" Kompetenz oder Inkompetenz /3/, HESS MANN & SCHWANDT /4/) ;
-Teufenlage und u.U. Schichtmächtigkeit der klüftigen Horizonte (z.B. bei den Anhydritmitteln der Leine-Folge).
Meistens tritt eine Überlagerung verschiedener Einflußfaktoren auf, wo durch eine Quantifizierung der Kluftparameter für ingenieurgeologische Injektionsmodelle erschwert wird.
Primär muß von einer rein gesteinsabhängigen Klüftung ausgegangen wer den, d.h., die bruchtektonische Deformation und die strukturelle Prä gung der kompetenten Salinarschichten werden grundsätzlich von der stofflichen Zusammensetzung bestimmt (HESSMANN & SCHWANDT /4/, LOTZE
/5/, STÄUBERT /3/, STÄUBERT u.a. /6/). Das aus dem Stoffbestand resultie rende Festigkeitsund Verformungsverhalten der Salinarschichten beein flußte deren Reaktion auf tektonische und salinartektonische Vorgänge. Deutliche Festigkeitsunterschiede gibt es beispielsweise zwischen Carnallitit, Steinsalz/Hartsalz/Sylvinit und Anhydrit/Karbonat, die bei tektonischen Stockwerksbetrachtungen im Salinar wesentliche Einflußfaktoren darstellen (ZÄNKER /7, 0/). Während anhydritische, karbonatische und tonig-schluffige Salinarschichten vorzugsweise bruchartig auf tekto
nische |
Beanspruchungen reagiert haben, treten Klüfte in den mobilen, pla |
|
stisch |
reagierenden Kaliund Steinsalzen nur in Ausnahmefällen auf |
|
(siehe |
Abschnitt |
5.3.). |
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