EP1436489B1 - Verschlussstopfen und verfahren zum verschliessen von untertägigen hohlräumen - Google Patents

Verschlussstopfen und verfahren zum verschliessen von untertägigen hohlräumen Download PDF

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EP1436489B1
EP1436489B1 EP02801287A EP02801287A EP1436489B1 EP 1436489 B1 EP1436489 B1 EP 1436489B1 EP 02801287 A EP02801287 A EP 02801287A EP 02801287 A EP02801287 A EP 02801287A EP 1436489 B1 EP1436489 B1 EP 1436489B1
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EP
European Patent Office
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layer
water
abutment
additional material
water permeability
Prior art date
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EP02801287A
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Inventor
Rolf NÜESCH
Alexander Brandelik
Christof HÜBNER
Rainer Schuhmann
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
    • E21F17/00—Methods or devices for use in mines or tunnels, not covered elsewhere
    • E21F17/103—Dams, e.g. for ventilation

Definitions

  • the invention relates to a sealing plug according to the preamble of the first claim and a method of closing of underground cavities according to the second claim.
  • Hazardous waste especially highly toxic and radioactive radiating waste, are deposited underground in Berkwerken and disposed of, leaving them permanently reliable from the environment are isolated.
  • the waste that is in Barrels, drums or other containers are included, in brought a cavern of the mine. Is the working space of the cavern exhausted, the space between the containers can with solid material, so that a sufficient Compressive strength of the rump restored and inserted Ceiling collapse of the cavern is avoided. Subsequently, will the cavern sealed watertight.
  • first a first separating layer which serves as a static abutment, between the filled cavern and the adjacent gallery made (see DE-A-4 130 658, DE-A-4 130 658).
  • the abutment can be made of a wall, for example from a Brick wall, consist. Alternatively, the abutment off Prefabricated elements, such as concrete, are manufactured.
  • To the first abutment closes a backfill of the tunnel with a cohesive material. Bentonite is the one for this Purpose most suitable cohesive material; are in principle but also clay or clay materials useful.
  • the backfilling is preferably made of molded blocks. compacted However, beds of cohesive material can also be used.
  • the backfilling is limited by an auxiliary disposal, similar to the first abutment recordable as Drywall can be created.
  • Tied material in particular Bentonite, swells when absorbed by water and increases its volume is considerable. By enlargement of the volume, a pressure is built up. This effect will used to ensure a permanent sealing effect of the sealing plug to achieve.
  • the abutments prevent that from happening the swelling bentonite towards the cavern or the Stollen expands.
  • the water absorption should be in the normal technical Use done by mine water.
  • the sealing plug is pressurized with pressurized water.
  • the two abutments must be the mechanical pressure, the with the swelling of the cohesive material, withstand.
  • the second abutment must be in water-permeable form be created so that the bentonite can be moistened.
  • the Closure structure consists on the cavern side of a static Abutment of salt form stones, which are installed as dry masonry were. Alternatively, dry stone walls are made of natural stones, especially from basalt, called suitable. At the static abutment is followed by a lining Bentonite formstones on. This is followed by a permeable one Auxiliary abutment, which consists of a bentonite stones Drywall of filter stones and one the building final salt concrete filling consists. Within the Auxiliary abutment is between the drywall of the filter stones and the salt concrete filling a compacted sand layer enclosed ( Figure 8).
  • the invention is based on the object described uneven pressure conditions during or after water absorption to avoid the cohesive material or at least to minimize.
  • a closure plug which consists essentially of three sections: the two outer ones static abutments and an interposed Section of a cohesive material.
  • the abutments can as known per se as a drywall are designed.
  • Salt mines it offers itself, salt stones for the to use first, cavern-side static abutment.
  • This Abutment can, however, also in any modified form be created as long as it increases the pressure of moistening when moistening absorbs cohesive material.
  • An increased pressure resistance is achieved when the space between the waste packages in the cavern is filled and the static Abutment directly adjoins the backfilling.
  • This static abutment does not need to be water permeable too be; On the other hand, a water permeability does not harm since the subsequent section with the cohesive material is waterproof after moistening.
  • the static abutment is immediately followed by the section with the cohesive material, preferably the bentonite, at.
  • This section can be made from Bentonite shaped bricks become; but it is also possible, bentonite fillings about To compact as evenly as possible with hydraulic devices.
  • the layer must be at an angle of 60 ° to 90 ° be arranged to the direction of the water inlet. Preferably it is essentially perpendicular, thus at an angle of about 90 ° to the water inlet direction, aligned. Should he Water entering through the studs, the layer must be in an angle of 60 ° to 90 °, preferably perpendicular, to Stollen be arranged.
  • An arrangement is preferred within the bentonite more through the bentonite from each other separate layers of the water-permeable material be arranged, which is the cross section of the whole Fill in the shaft.
  • the layers should thus each in the Be embedded in bentonite. From the vertical (90 °) clearly deviating arrangements of the layer are chosen when off geological or hydrological conditions from the outset with an uneven water front inside the bentonite must be expected. The arrangement of the layer then takes place at such an angle that over the entire tunnel cross-section the water fronts as evenly as possible the layer to reach.
  • the thickness of the layers can be chosen relatively small become; a thickness of 2 to 30 cm usually seems sufficient, especially if the water permeability of the layers is significantly higher than the water permeability of the subsequent material.
  • this layer is particularly suitable rolling Material that is able to withstand a suction stress in the Build up a layer.
  • the suction voltage should preferably be such be that they cover the entire surface of the layer enough. Then it is guaranteed that the water over the distributed throughout the layer, making the flow of water uniform becomes.
  • Well suited to the structure of the layer are gravel or mixtures of gravel and sand, which has a fines content of 5 wt .-% to 30 wt .-% included.
  • another alternative cohesive material as long as the water permeability correspondingly higher than that of the adjacent cohesive material. If bentonite can be used as a cohesive material as a water permeable material quite clay or loam be used. Also synthetic materials such. B.
  • mineral fibers can be used to construct the layer.
  • An example for a suitable synthetic material is geotextile. This material has the merit that the thickness of the layer small, for example between 2 and 10 cm, are kept can. Layer thicknesses in the range between about 10 and 30 cm should be provided if the layer of a cohesive or a rolling material is built. It goes without saying by itself that also combinations of the mentioned materials can be used as long as the required water permeability is guaranteed.
  • the production of the layer is carried out in a conventional manner according to the material used. For some materials it may be advantageous to prepare the layers already for days and to assemble as components underground.
  • the purpose of the layers is to penetrate the cohesive material Distribute water so that even moistening as possible over the entire cross-section is given.
  • Wasserwegmaschineen the through the formation of percolation funnels due to the so-called "fingering" can be avoided.
  • the vertical layers a fast and anticipatory moisture penetration along the contour avoided to the mountains and especially along the sole, as each Layer uneven water fronts evenly distributed again.
  • the layers must be in contact with the cohesive material be arranged and embedded in this material be. This is the case with the sand layer that is in the above Manuscript is described, not the case, so this Sand layer can not act in the manner according to the invention.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Verschlussstopfen gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs und ein Verfahren zum Verschließen von untertägigen Hohlräumen gemäß dem zweiten Patentanspruch.
Gefährliche Abfälle, insbesondere hochtoxische und radioaktiv strahlende Abfälle, werden in Berkwerken untertage deponiert und endgelagert, so dass sie auf Dauer zuverlässig von der Umwelt isoliert sind. Üblicherweise werden die Abfälle, die in Fässern,Trommeln oder in sonstigen Gebinden enthalten sind, in eine Kaverne des Bergwerkes gebracht. Ist der Nutzraum der Kaverne erschöpft, kann der Freiraum zwischen den Gebinden mit festem Material ausgefüllt werden, so dass eine ausreichende Druckfestigkeit des Bergstocks wiederhergestellt und ein Deckeneinbruch der Kaverne vermieden wird. Anschließend wird die Kaverne wasserdicht verschlossen.
Zum Verschließen der Kaverne wird zunächst eine erste Trennschicht, die als statisches Widerlager dient, zwischen der verfüllten Kaverne und dem angrenzenden Stollen hergestellt (siehe DE-A-4 130 658, DE-A-4 130 658). Das Widerlager kann aus einer Mauer, beispielsweise aus einer Ziegelsteinmauer, bestehen. Alternativ kann das Widerlager aus Fertigelementen, etwa aus Beton, gefertigt werden. An das erste Widerlager schließt sich eine Verfüllung des Stollens mit einem bindigen Material an. Bentonit ist das für diesen Zweck am besten geeignete bindige Material; prinzipiell sind jedoch auch Ton- oder Lehmmaterialien brauchbar. Die Verfüllung wird bevorzugt aus Formsteinen hergestellt. Verdichtete Schüttungen des bindigen Materials sind jedoch ebenfalls einsetzbar. Die Verfüllung wird von einem Hilfswiderlager begrenzt, das ähnlich wie das erste Widerlager bespielsweise als Trockenmauer erstellt werden kann. Bindiges Material, insbesondere Bentonit, quillt bei einer Wasseraufnahme auf und vergrößert sein Volumen dabei beträchtlich. Durch die Vergrößerung des Volumens wird ein Druck aufgebaut. Dieser Effekt wird genutzt, um eine dauerhafte Dichtwirkung des Verschlussstopfens zu erzielen. Die Widerlager verhindern dabei, dass sich der quellende Bentonit in Richtung auf die Kaverne oder den Stollen ausdehnt. Die Wasseraufnahme soll im normalen technischen Einsatz durch Grubenwasser erfolgen. Für Versuchsstrecken wird der Verschlussstopfen mit Druckwasser beaufschlagt. Die beiden Widerlager müssen dabei dem mechanischen Druck, der sich beim Aufquellen des bindigen Materials einstellt, standhalten. Das zweite Widerlager muß in wasserdurchlässiger Form erstellt werden, damit der Bentonit durchfeuchtet werden kann.
Ein Verschlussstopfen der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Verschließen von untertägigen Hohlräumen ist aus dem Manuskript eines Vortrags zum 5. Statusgespräch zu FuE-Vorhaben auf dem Gebiet der Entsorgung gefährlicher Abfälle in tiefen geologischen Formationen (Leipzig, 15./16.05.01) bekannt. Das Manuskript ist in Wissenschaftliche Berichte FZKA-PTE Nr. 7: "Untertägige Entsorgung" der Projektträgerschaft Wassertechnologie und Entsorgung (PtWT+E, Juli 2001) unter dem Titel "Langzeitstabile Streckenverschlussbauwerke im Salinar", Seiten 393 bis 437, veröffentlicht.
In diesem Manuskript wird über ein Versuchsverschlussbauwerk in einer ehemaligen Kali- und Steinsalzgrube berichtet. Das Verschlussbauwerk besteht kavernenseitig aus einem statischen Widerlager aus Salzformsteinen, die als Trockenmauerwerk eingebaut wurden. Alternativ werden Trockenmauern aus Naturwerksteinen, insbesondere aus Basalt, als geeignet bezeichnet. An das statische Widerlager schließt sich eine Ausmauerung aus Bentonit-Formsteinen an. Daran schließt sich ein permeables Hilfswiderlager an, das aus einer den Bentonit-Formsteinen benachbarten Trockenmauer aus Filtersteinen und einer das Bauwerk abschließenden Salzbetonverfüllung besteht. Innerhalb des Hilfswiderlagers ist zwischen der Trockenmauer aus den Filtersteinen und der Salzbetonverfüllung eine verdichtete Sandschicht eingeschlossen (Bild 8). In diese Sandschicht wurden Druckbeaufschlagungsrohre, Druckmessdosen und Füllstandssensoren eingebaut. Die kavernenseitig an die verdichtete Sandschicht anschließende Trockenmauer aus Filtersteinen ist in der Weise aufgebaut, dass die Druckbeaufschlagung der Bentonit-Formsteine durch das Wasser mittig erfolgt. Die Sandschicht kann daher den Druck nicht flächig verteilen.
Problematisch bei diesen Verschlussstopfen und dem Verfahren zum Verschließen von untertägigen Hohlräumen ist, dass sich infolge von inhomogenen Feuchtefronten inhomogene Druckverhältnisse im bindigen Material ausbilden können und deshalb die gewünschte Dichtigkeit nicht immer gewährleistet ist. Wenn Wasser an einer Schachtwand die zweite Trennschicht durchdringt, ist es leicht möglich, dass das Wasser sich auch in dem Raum, der mit dem bindigen Material gefüllt ist, nahe der Schachtwand weiter ausbreitet und an dieser Stelle das bindige Material zuerst und am stärksten aufquellen lässt. Dadurch ergibt sich eine ungleichmäßige Druckverteilung, die zu einer ungleichen Wasserverteilung (sogenanntes Fingering) führt. Als Folge davon können Wasserwegigkeiten, also Wasser- "Kanäle" in dem aufgequollenen bindigen Material entstehen, so dass die befüllte Kaverne nicht sicher gegen einen Wassereinbruch geschützt ist. Weiterhin besteht die Gefahr, dass nicht mehr tolerierbare Wanddrücke entstehen. Diese Effekte wurden auch als Ergebnis des Versuches beobachtet.
Ein ähnlicher Effekt ergibt sich, wenn sich infolge von Inhomogenitäten im bindigen Material nach Wasserzutritt inhomogene Drücke aufbauen. Solche Inhomogenitäten können von einer ungleichmäßigen Trockenfeuchte und/oder einer ungleichmäßigen Verdichtung des bindigen Materials beim Einbau herrühren oder aber beim Nachgeben einer oder beider Trennschichten auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen ungleichmäßigen Druckverhältnisse bei oder nach der Wasseraufnahme des bindigen Materials zu vermeiden oder zumindest zu minimieren.
Die Aufgabe wird ausgehend von einen Verschlussstopfen der eingangs genannten Art mit dem im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs beschriebenen Merkmal gelöst. Sie wird weiterhin gelöst durch das in Anspruch 2 beschriebene Verfahren. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens an.
Erfindungsgemäß wird ein Verschlussstopfen vorgeschlagen, der im wesentlichen aus drei Abschitten besteht: den beiden äußeren statischen Widerlagern und einem dazwischen angeordneten Abschnitt aus einem bindigen Material. Die Widerlager können wie an sich bekannt als Trockenmauer gestaltet werden. In Salzbergwerken bietet es sich an, Salzformsteine für das erste, kavernenseitige statische Widerlager zu verwenden. Dieses Widerlager kann jedoch auch in beliebig abgewandelter Form erstellt werden, solange es den Druck des bei Befeuchtung aufquellenden bindigen Materials aufnimmt. Eine erhöhte Druckbeständigkeit wird erzielt, wenn der Freiraum zwischen den Abfallgebinden in der Kaverne verfüllt wird und das statische Widerlager sich unmittelbar an die Verfüllung anschließt. Dieses statische Widerlager braucht nicht wasserdurchlässig zu sein; andererseits schadet eine Wasserdurchlässigkeit nicht, da der sich anschließende Abschnitt mit dem bindigen Material nach der Befeuchtung wasserdicht ist.
An das statische Widerlager schließt sich unmittelbar der Abschnitt mit dem bindigen Material, vorzugsweise dem Bentonit, an. Dieser Abschnitt kann aus Bentonit-Formsteinen aufgebaut werden; es ist aber auch möglich, Bentonit-Schüttungen etwa mit hydraulischen Geräten möglichst gleichmäßig zu verdichten.
Erfindungsgemäß ist es entscheidend, innerhalb des Bentonit-Abschnittes mindestens eine, besser mehrere Schichten vorzusehen, die aus einem Material bestehen, das eine Wasserdurchlässigkeit aufweist, die mindestens eine Größenordnung, das heißt, mindestens zehn mal größer, ist als die Wasserdurchlässigkeit des Bentonits oder des alternativ verwendeten bindigen Materials. Die Schicht muss in einem Winkel von 60° bis 90° zur Richtung des Wassereintritts angeordnet sein. Vorzugsweise ist sie im wesentlichen senkrecht, somit in einem Winkel von etwa 90° zur Wassereintrittsrichtung, ausgerichtet. Soll der Wassereintritt durch den Stollen erfolgen, muss die Schicht in einem Winkel von 60° bis 90°, vorzugsweise senkrecht, zum Stollen angeordnet werden. Bevorzugt wird eine Anordnung, bei der innerhalb des Bentonits mehrere durch den Bentonit voneinander getrennte Schichten aus dem wasserdurchlässigeren Material angeordnet werden, die den Querschnitt des gesamten Schachtes ausfüllen. Die Schichten sollen somit jeweils in den Bentonit eingebettet sein. Von der Senkrechten (90°) deutlich abweichende Anordnungen der Schicht werden gewählt, wenn aus geologischen oder hydrologischen Gegebenheiten von vornherein mit einer ungleichmäßigen Wasserfront innerhalb des Bentonits gerechnet werden muss. Die Anordnung der Schicht erfolgt dann in einem solchen Winkel, dass über den gesamten Stollenquerschnitt die Wasserfronten möglichst gleichmäßig die Schicht erreichen.
Die Dicke der Schichten kann verhältnismäßig gering gewählt werden; eine Dicke von 2 bis 30 cm erscheint in der Regel ausreichend, insbesondere dann, wenn die Wasserdurchlässigkeit der Schichten erheblich höher ist als die Wasserdurchlässigkeit des anschließenden Materials.
Zur Herstellung dieser Schicht eignet sich insbesondere rolliges Material, das in der Lage ist, eine Saugspannung in der Schicht aufzubauen. Die Saugspannung soll vorzugsweise so bemessen sein, dass sie über die gesamte Fläche der Schicht reicht. Dann ist gewährleistet, dass sich das Wasser über die ganze Schicht verteilt, wodurch der Wasserfluss gleichförmig wird. Gut geeignet zum Aufbau der Schicht sind Kies oder Gemische aus Kies und Sand, die einen Feinanteil von 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% enthalten. Verwendbar ist alternativ jedoch auch anderes bindiges Material, solange die Wasserdurchlässigkeit entsprechend höher ist als die des benachbarten bindigen Materials. Wird als bindiges Material Bentonit verwendet, können als wasserdurchlässigeres Material durchaus Tone oder Lehm verwendet werden. Auch synthetische Materialien wie z. B. Mineralfasern sind zum Aufbau der Schicht einsetzbar. Ein Beispiel für ein geeignetes synthetisches Material ist Geotextil. Dieses Material hat den Vorzug, dass die Dicke der Schicht klein, beispielsweise zwischen 2 und 10 cm, gehalten werden kann. Schichtdicken im Bereich zwischen etwa 10 und 30 cm sollten vorgesehen werden, wenn die Schicht aus einem bindigen oder einem rolligen Material aufgebaut wird. Es versteht sich von selbst, dass auch Kombinationen der genannten Materialien einsetzbar sind, solange die geforderte Wasserdurchlässigkeit gewährleistet ist.
Die Herstellung der Schicht erfolgt in an sich bekannter Weise entsprechend dem verwendeten Material. Bei einigen Materialien kann es vorteilhaft sein, die Schichten bereits über Tage vorzubereiten und als Bauteile unter Tage zusammenzusetzen.
Der Zweck der Schichten ist, das in das bindige Material eindringende Wasser so zu verteilen, dass eine gleichmäßige Befeuchtung möglichst über den gesamten Querschnitt gegeben ist. Insbesondere können auf diese Weise Wasserwegigkeiten, die sich durch die Ausbildung von Perkolationstrichtern infolge des sogenannten "Fingering" ergeben können, vermieden werden. In gleicher Weise wird durch die senkrechten Schichten eine schnelle und vorauseilende Durchfeuchtung entlang der Kontur zum Gebirge und vor allem entlang der Sohle vermieden, da jede Schicht ungleichmäßige Wasserfronten erneut gleichmäßig verteilt.
Hierzu müssen die Schichten in Kontakt mit dem bindigen Material angeordnet werden und in dieses Material eingebettet sein. Dies ist bei der Sandschicht, die in dem oben genannten Manuskript beschrieben ist, nicht der Fall, so dass diese Sandschicht nicht in der erfindungsgemäßen Weise wirken kann.

Claims (9)

  1. Verschlussstopfen zum Verschließen eines untertägigen Hohlraums mit
    einem statischen Widerlager, das an den untertägigen Hohlraum grenzt und diesen verschließt,
    einer an das statische Widerlager anschließende Verfüllung aus einem bindigen Material mit einer ersten Wasserdurchlässigkeit kf(1),
    einem zumindest bereichsweise wasserdurchlässigen Hilfswiderlager, das die Verfüllung abgrenzt,
       dadurch gekennzeichnet, dass
    innerhalb der Verfüllung aus dem bindigen Material mindestens eine Schicht eines weiteren Materials in der Weise angeordnet wird, dass die Schicht in einem Winkel von 60° bis 90° zu einer Wassereintrittsrichtung ausgerichtet ist und das weitere Material eine zweite Wasserdurchlässigkeit kf(2) aufweist, die mindestens eine Größenordnung höher ist als die Wasserdurchlässigkeit kf(1).
  2. Verfahren zum Verschließen von untertägigen Hohlräumen mit den Schritten:
    Aufbau eines statischen Widerlagers, mit dem der untertägige Hohlraum verschlossen wird,
    Verfüllen eines Raumes, der sich außerhalb des Hohlraumes an das erste statische Widerlager anschließt, mit einem bindigen Material, das eine erste Wasserdurchlässigkeit Kf(1) aufweist, gekennzeichnet durch
    Anordnen mindestens einer Schicht aus einem weiteren Material, das eine zweite Wasserdurchlässigkeit kf(2) aufweist, innerhalb des bindigen Materials in der Weise, dass die Schicht in einem Winkel von 60° bis 90° zu einer Wassereintrittsrichtung angeordnet ist und das weitere Material so ausgewählt wird, dass seine Wasserdurchlässigkeit kf(2) mindestens eine Größenordnung höher ist als kf(1),
    Herstellen eines wasserdurchlässigen Hilfswiderlagers, das den verfüllten Raum abschließt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    bei dem die Schicht im wesentlichen senkrecht zu der Wassereintrittsrichtung angeordnet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 ,
    bei dem das weitere Material ein bindiges Material darstellt.
  5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
    bei dem das weitere Material ein rolliges Material, das in der Lage ist, eine Saugspannung in der Schicht aufzubauen, darstellt.
  6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
    bei dem das weitere Material ein synthetisches Material darstellt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
    bei dem die Schicht aus dem weiteren Material mit einer Dicke von 2 bis 30 cm hergestellt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
    bei dem die Schicht aus dem weiteren Material über Tage vorgefertigt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
    bei dem die Schicht aus dem weiteren Material mit Sensoren, vorzugsweise mit Druck-, Temperatur- und/oder Feuchtesensoren bestückt wird.
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