Bestimmung des Einflusses hydrogeologischer und bergbaulicher Parameter auf einen Grubenwasseranstieg in einem Bergwerk mittels statistischer Versuchsplanung (DoE).

Sebastian Westermann1, Dmitry V. Rudakov2, Christian Wolkersdorfer3, Christian Melchers1
1 Forschungszentrum Nachbergbau, Technische Hochschule Georg Agricola
2 Dnipro University of Technology
3 Tshwane University of Technology

7.2 in Grundwasser und Bergbau

26.03.2020, 14:00-14:15, Telemann-Saal

Der Anstieg des Grubenwassers im untertägigen Grubengebäude (Grubenwasseranstieg, auch als Flutung bezeichnet) gehört zu einer der wichtigen Herausforderungen im Zuge der Stilllegung eines untertägigen Bergwerks. In vielen europäischen Revieren ist der aktive Steinkohlenabbau in den vergangenen Jahrzehnten eingestellt worden (Melchers et al. 2019). Ende 2018 wurde dieser an der Ruhr und in Ibbenbüren beendet, wo nun ein großflächiger Grubenwasseranstieg geplant ist (RAG AG 2014). Das langfristige Grubenwassermanagement gehört zu den sogenannten Ewigkeitsaufgaben des deutschen Steinkohlenbergbaus (RAG-Stiftung 2018).

Die Gegenüberstellung abgeschlossener Grubenwasseranstiege zeigt ein Bild verschiedener Anstiegsszenarien. Die standortspezifischen natürlichen (vor allem hydrogeologische) und anthropogenen (vor allem bergbauliche) Eigenschaften des Rohstoffvorkommens sind als Gründe dafür zu nennen (Westermann et al. 2018). Die Kenntnis über einige dieser Eigenschaften (Faktoren) ist essentiell für den Aufbau und die Verwendung eines Prognosemodells. In vielen Fällen ist allerdings die genaue Bestimmung dieser Eigenschaften sehr aufwändig und kann in der Regel nur näherungsweise erfolgen, vor allem dann, wenn deren Bestimmung erst in der Nachbergbauphase erfolgt.

Im Rahmen der vorliegenden Studie wurde erstmalig eine statistische Versuchsplanung (Design of Experiments, DoE, Fisher 1935; Siebertz et al. 2017) zur Untersuchung jener Faktoren angewendet, die den Anstieg des Grubenwassers sowie die Zuflussrate in das Grubengebäude beeinflussen, um die Relevanz ausgewählter Faktoren im Einzelnen (Einzelwirkung), aber auch im Wirkungszusammenhang (Wechselwirkung) bewerten zu können (Abb. 1). Zu den untersuchten Faktoren zählen der Durchlässigkeitskoeffizient, das bergmännisch geschaffene Resthohlraumvolumen, der hydraulisch wirksame Einwirkungsbereich für das Grubenwasser und die Infiltrationsrate von Grund- und Grubenwasser. Die Wirkungsweise der Faktoren wurde auf die Grubenwasseranstiege in den Bergwerken Ibbenbüren, Königsborn (Unna) und Westfalen (Ahlen) geprüft, die sich vor allem hinsichtlich der Mächtigkeit des überlagernden Deckgebirges unterscheiden.

Die Erkenntnisse dienen der Abschätzung der Relevanz einzelner Faktoren für die Prognose eines Grubenwasseranstiegs und erlauben somit einen Beitrag für ein verbessertes Prozess- und Systemverständnis. Der Erkenntniszuwachs kann dazu genutzt werden, zukünftige Monitoringmaßnahmen zu optimieren.

Abb. 1: 3D-Wirkungs- und Konturdiagramm zur Darstellung von Wirkungszusammenhängen.
Abb. 1: 3D-Wirkungs- und Konturdiagramm zur Darstellung von Wirkungszusammenhängen.



Fisher, R.A. (1935): The design of experiments. - 252 S., 5 Abb., 40 Tab.; Edingburgh (Oliver & Boyd). 

RAG AG (2014): Konzept zur langfristigen Optimierung der Grubenwasserhaltung der RAG Aktiengesellschaft für Nordrhein-Westfalen gemäß §4 Erblastenvertrag zur Bewältigung der Ewigkeitslasten des Steinkohlenbergbaus der RAG AG im Rahmen der sozialverträglichen Beendigung des subventionierten Steinkohlenbergbaus in Deutschland vom 14.08.2007. - 29 S.; Herne.

RAG-Stiftung (2018): Geschäftsbericht 2017. - 88 S.; Essen.

Siebertz, K., van Bebber, D. & Hochkirchen, T. (2017): Statistische Versuchsplanung. Design of Experiments (DoE). – 2. Aufl., 508 S., 285 Abb. 100 Tab., 2 Anh.; Berlin (Springer).



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