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Konferenzband
Abschlusskonferenzband im Projekt GeoMAP
Dynamik und Prozessmodellierung der Grubenflutung in
Bergbaufolgelandschaften Sachsens und Nordböhmens
23.04.2021

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
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Veranstalter
Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Pillnitzer Platzer 3
01326 Dresden
Kontakt
Maria Ussath
+49 3731 294 1503
Maria.ussath@smul.sachsen.de
Zielsetzung
Im Rahmen des Kooperationsprogramms „Freistaat Sachsen - Tschechische Republik 2014 - 2020“ ist
das Projekt GeoMAP initiiert worden. Es dient dem Erfahrungsaustausch über geowissenschaftliche
Methoden und Modellierungen als wesentliche Grundlage für weitumfassende Betrachtungen in
Bergbaufolgegebieten. Ziel der vier Projektpartner ist es, durch neue Impulse die Ermittlung und
Auswertung von Datensätzen und damit die Prognose der diversen Bergbaufolgeerscheinungen zu
verbessern. Als Untersuchungsgebiet werden ehemalige Bergbaureviere im Erzgebirge und das
Braunkohlenrevier Nordböhmen betrachtet.
Besonderer Schwerpunkt des Projektes liegt auf dem gegenseitigen wissenschaftlichen Austausch
zwischen den Projektpartnern. Darüber hinaus soll die Kommunikation zwischen Wissenschaft,
Behörden und anderen Einrichtungen und Institutionen verbessert werden. Um dies zu erreichen
wurden u.a. vier Konferenzen zu den Themenschwerpunkten der Projektpartner veranstaltet.
Thema dieses Konferenzbandes:
Dieser Konferenzband ist im Zuge der Abschlussveranstaltung des Projekts GeoMAP entstanden. Die
Abschlussveranstaltung fand am 23.04.2021 als Online-Veranstaltung statt. Während der
Abschlussveranstaltungen präsentierten die internen Projektpartner den neusten Wissensstand zum
Thema „Dynamik und Prozessmodellierung der Grubenflutung in Bergbaufolgelandschaften Sachsens
und Nordböhmens“. Externe Fachreferenten erweiterten das Themenfeld auf befindliche Gebiete im
Saarland und Ruhrgebiet.
Finanzierung
GeoMAP ist ein vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und durch Landesmittel des
Freistaates Sachsens unterstütztes, internationales Projekt aus dem Programm zur Förderung der
grenzübergreifenden Zusammenarbeit zwischen dem Freistaat Sachsen und der Tschechischen
Republik 2014–2020, registriert unter der Nummer 100348899.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
3
Beteiligte Projektpartner
Am Projekt GeoMAP sind das Sächsische Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG),
die Technische Universität Ostrava sowie die TU Bergakademie Freiberg beteiligt. Die TU
Bergakademie Freiberg ist zur Bearbeitung mit dem Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und dem
Lehrstuhl für Gebirgs- und Felsmechanik/Felsbau vertreten.
Leadpartner: Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Projektpartner 1: Technische Universität Bergakademie Freiberg
Projektpartner 1a: Technische Universität Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik, Lehrstuhl
Felsmechanik/ Felsbau
Projektpartner 1b: Technische Universität Bergakademie Freiberg, Institut für Wärmetechnik und
Thermodynamik, Professur für technische Thermodynamik
Projektpartner 2: Vysoka škola baňska – Technicka univerzita Ostrava

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
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Inhaltsverzeichnis
1.
Aktualisierung des 3D-Untergrundmodells von Lugau/Oelsnitz
5
2.
Numerische Simulation von Hebungen über gefluteten Steinkohlebergwerken des
Altbergbaus am Beispiel des ehem. Steinkohlereviers Lugau-Oelsnitz
21
3. Grubenwassergeothermie als innovative Energiequelle – Bergbaufolgegebiete
positiv nutzen –
38
4. Die Ausnutzung ausgewählter Methoden des geotechnischen Monitorings unter
Feldbedingungen
51
5.
Erfahrungen aus dem Wasseranstieg nach Stilllegung des Steinkohlebergbaus der
RAG AG
63
6. Grenzüberschreitende Überwachung des Grubenwasseranstiegs im ehemaligen
saarländisch-lothringischen Steinkohlerevier
70
7.
Erfahrungen bei der modelltechnischen Begleitung der Flutung der ehemaligen
Urangrube Königstein
78

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
5
Aktualisierung des 3D-Untergrundmodells von Lugau/Oelsnitz
S. Hädecke, R.A. Oeser, A. Rommel, M. Ussath, M. Hübschmann
Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Zusammenfassung
Für die Visualisierung des geologisch-strukturellen Untergrundes sowie für die Prognose von
Bergbaufolgen ist es unerlässlich, auf Daten aus der Zeit des aktiven Bergbaus und der Verwahrung
zurückzugreifen. Dies gilt insbesondere für das ehemalige Steinkohlenrevier Lugau/Oelsnitz
südwestlich von Chemnitz in Sachsen. In diesem Gebiet wurde von 1844 bis 1971 Steinkohle gefördert,
wobei komplizierte geologische und tektonische Verhältnisse den bergmännischen Betrieb maßgeblich
beeinflussten (Felix & Berger 2010). Diese natürlichen Verhältnisse, rezente Hebungs- und
Senkungsbewegungen aus der Zeit der Post-Bergbau-Ära und eingeschränkte
Monitoringmöglichkeiten des Flutungsprozesses im Grubengebäude erschweren die Aufarbeitung der
Daten für ein montanhydrogeologisches 3D-Modell. Dieses Modell soll zum einen der Visualisierung
der strukturellen Untergrundkomponenten dienen und zum anderen zukünftig als geometrische Basis
für eine geohydraulische Simulation von belastbaren Prognosen des stetigen Anstiegs des
Grubenwassers im Lugau/Oelsnitzer Revier eingesetzt werden. Die Datengrundlage für die
Modellierung besteht aus etwa 300 Bohrungen und Schächten, dem bergmännischen Risswerk und
der bergschadenkundlichen Analyse. Neuere Untersuchungen, wie z.B. geophysikalischen Messungen
und hydrogeochemische Analysen stehen als Grundlage für die Erstellung einer geohydraulischen
Simulation ebenfalls zur Verfügung. Letztgenannte Untersuchungen wurden bereits in der
Veröffentlichung von Hädecke et al. (2019) thematisiert. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich
vertieft mit der Aufarbeitung der Bohrungsdaten, Schachtdokumentationen und des bergmännischen
Risswerkes sowie mit Ansätzen der Modelloptimierung auf Grundlage dieser Quellen. Abschließend
wird ein Ausblick auf die notwendigen weiteren Arbeiten des LfULG zu Gefährdungsanalyse des
Wiederanstiegsprozesses im Steinkohlenrevier Lugau/Oelsnitz über das Projekt GeoMAP hinaus
gegeben.
1.
Der geologisch-strukturelle Untergrund von Lugau/Oelsnitz und seine Beeinflussung
durch den Steinkohlenbergbau
Das ehemalige Steinkohlenrevier Lugau/Oelsnitz befindet sich im Chemnitz-Becken, einem während
der variskischen Gebirgsbildung angelegten intramontanen Becken (siehe Abbildung 1). Während der
Sedimentation wurde der Bereich von mehreren Grabenstrukturen geprägt, die die
Sedimentationsräume und damit auch die Bereiche der Flözbildung tektonisch gliederten.
Die kohleführenden Karboneinheiten liegen in diesem Revier unter einer bis zu 1200 m mächtigen
Deckgebirgsschicht aus Rotliegendsedimenten (Felix et al. 2007). Insgesamt ist das Revier
Lugau/Oelsnitz durch große Abbauteufen, komplexe tektonische Störungen und eine Vielzahl
hydraulisch wirksamer geologischer und hydrogeologischer Einheiten und Strukturen gekennzeichnet.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
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Abbildung 1:
Lage des Untersuchungsgebietes, verändert nach (Lange 1998).
Im Zuge der Steinkohleförderung in Lugau/Oelsnitz hatten diese komplizierten Bedingungen großen
Einfluss auf das Fortschreiten des Abbaus und damit die Absenkung des Deckgebirges sowie der
Tagesoberfläche. Die Region hat im Laufe des aktiven Bergbaus und der Zeit danach eine Reihe
unerwünschter Prozesse, wie Geländedeformationen mit negativem und positivem Betrag
durchlaufen, deren Ursache auf das Abbaugeschehen zurückzuführen sind. Auch der Prozess des
Grubenwasserwiederanstieges nach Einstellung der Wasserhaltung im Zuge der Beendigung des
Bergbaus spielt dabei eine entscheidende Rolle. Aus dem Zusammenspiel dieser Ursachen ergibt sich
ein dringender Handlungsbedarf für die betroffenen Kommunen, Behörden und Experten aus
Wissenschaft und Wirtschaft, um mögliche Folgen, wie die Bildung von Vernässungszonen rechtzeitig
abschätzen zu können.
Eine Zusammenfassung der wichtigsten Untersuchungen und Projekte seit Einstellung des
Steinkohlenbergbaus in Lugau/Oelsnitz findet sich im Projektband GeoMAP (Rommel et al. 2021). In
diese Untersuchungen gliedert sich das EU-Projekt GeoMAP ein (Hädecke et al. 2019). Im Rahmen
dieses Erfahrungsaustauschprojektes erarbeiten das Institut für Geotechnik (TU Bergakademie
Freiberg) und das LfULG gemeinsam geologische, hydrogeologische und geomechanische
Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognoseansätze für das Untersuchungsgebiet Lugau/Oelsnitz.
2.
Datengrundlage
Folgende Quellen bilden die Datengrundlage für das geologisch-strukturelle 3D-Modell (Steinborn
2005) und wurden von Seiten des LfULG im Rahmen von GeoMAP näher untersucht:
Die Bergschadenkundliche Analyse für Lugau/Oelsnitz (Beyer 1974)
Das bergmännische Risswerk
Schichtenverzeichnisse und Dokumentationen zu Bohrungen und Schächten Archivunterlagen
und geologische Vorarbeiten (Steinborn (2005) und Felix et al. (2007))

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
7
3.
Datenrecherche und -dokumentation
Folgende Archivstandorte wurden in die umfassenden Recherchen zum Lugau/ Oelsnitzer Revier im
Rahmen der Projektarbeit von GeoMAP einbezogen:
Sächsisches Staatsarchiv, Abteilung 5 Bergarchiv Freiberg
Bergbaumuseum Oelsnitz/Erzgebirge
Sächsisches Oberbergamt
Archiv des LfULG
Dabei wurden die Metadaten der vorgefundenen Archivalien systematisch erfasst und ein Teil, welcher
für die weitere Arbeit in GeoMAP als unmittelbar relevant eingestuft wurde, wurde digitalisiert und
wenn nötig georeferenziert.
Auf die Datengrundlage in GeoMAP und das Vorgehen sowie die Ergebnisse der Datenrecherche an
den genannten Standorten wird im abschließenden Projektband für GeoMAP (erscheint im Juni 2021)
vertieft eingegangen.
4.
Das geologisch-strukturelle 3D-Modell von Lugau/Oelsnitz
Das bestehende geologisch-strukturelle 3D-Modell von Lugau/Oelsnitz wurde mittels der Software
GOCAD
®
(Paradigm Geophysical Corp.) im Rahmen eines Eigenforschungsprojektes des LfULG zum
Thema „Tektonik und Strukturbau des Permokarbons“ von 2003 bis 2005 erstellt (Steinborn 2005). Es
enthält die geologischen Formationen Quartär, Rotliegend und Karbon sowie die Obergrenze des
phyllitischen Grundgebirges. Die geologischen Grenzen existieren als sogenannte
Surfaces
im Modell.
Elf relevante Störungszonen, welche die Steinkohlenlagerstätte in tektonische Blöcke unterteilen, sind
als Flächen im Modell abgebildet. Weiterhin sind die für die Modellierung herangezogenen Bohrungen
und Schächte sowie ein Teil der bergmännischen Auffahrungen Bestandteil des Modells (Abbildung 2).
Abbildung 2:
Eindrücke des GOCAD-3D-Modells nach Steinborn (2005). A: Die geologischen Einheiten als
Blockbild, B: die oberen Schichtgrenzen (ohne Geländeoberkante) der geologischen Einheiten und vier
signifikante Störungszonen (rot), C: die im Modell erfassten Bohrungen (blau) und Schächte (orange) sowie
bergmännische Auffahrungen (gelb), D: die Flächen, welche die Steinkohleflöze abbilden sowie die beiden
Grubenwassermessstellen Oelsnitz (SW) und Gersdorf (NE).

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
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Das bestehende 3D-Modell erlaubt somit einen Überblick über den komplizierten
strukturgeologischen Aufbau des Untersuchungsgebietes und die bergmännisch überprägten
Bereiche. Im Zuge der Untersuchungen, welche im Sachstandsbericht (Felix et al. 2007)
zusammengefasst sind, wurde das Modell seinerzeit verwendet, um ein Grubenwasseranstiegsmodell
auf dessen struktureller Grundlage zu entwickeln (Felix et al. 2007). Die hierbei entstandenen
Grubenwasseranstiegsszenarien basieren auf einem Boxmodell (Eckart & Unland 2005) und sollen für
Prognosen und Planungen von Maßnahmen zur Abwehr von Bergschäden durch das ansteigende
Grubenwasser herangezogen werden. Auch wurden Informationen aus dem Modell für die numerische
Senkungsmodellierung durch den GeoMAP-Projektpartner TUBAF, Institut für Felsmechanik genutzt.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass das derzeitige 3D-Modell die Anforderungen für die Flutungsprognose
und die numerische Modellierung nur bedingt erfüllt. So ist es beispielsweise nicht möglich,
Resthohlräume in den ehemaligen Abbaufeldern zu lokalisieren, da das Modell die lokalen Volumina
des bergmännischen Versatzes nicht erfasst. Stattdessen wurde die Differenzierung der Lagerstätte in
Form eines Boxmodells vorgenommen, in welche die flutbaren Resthohlräume integriert wurden
(Eckart & Unland 2005).
Im Bereich der Rotliegend-Formationen wird eine Unterteilung in Mülsen- Leukersdorf, Planitz- und
Härtensdorf-Formation abgebildet. Diese spiegeln jedoch nicht die unterschiedlichen hydraulischen
Eigenschaften dieser Gesteinsfolgen wieder, welche das Rotliegende allgemein aufweisen kann (vgl.
Kollitsch 2008). Für eine Transportmodellierung für den Grubenwasseranstieg wäre eine differenzierte
Unterteilung zweckmäßig.
5.
Bearbeitungsschwerpunkte in GeoMAP
Im Rahmen der fachlichen Arbeiten des LfULG in GeoMAP stand zunächst die Recherche und
Dokumentation der Ausgangsdaten für das Untersuchungsgebiet Lugau/Oelsnitz im Fokus. In den
Vorgängeruntersuchungen (Steinborn 2005; Felix et al. 2007) wurden die verwendeten Daten zwar
erläutert, jedoch waren viele Zwischenprodukte und Metainformationen zur Digitalisierung und
Modellierung nicht mehr verfügbar. Für eine Validierung des 3D-Modells war es deshalb notwendig,
die Herkunft der Ausgangsdaten festzustellen und ihre Übertragung in die 3D- noch einmal zu prüfen.
Aufgrund der fehlenden Dokumentation der Metadaten, speziell für die verwendeten
Archivunterlagen, war dies indessen mit hohem Rechercheaufwand verbunden. Die an die
Datenakquise anknüpfende Überprüfung erfolgte in folgenden Schritten:
Schritt 1: Zusammenfassung und Ergänzung aller Bohrungen und Schächte aus der
Aufschlussdatenbank im Untersuchungsgebiet
Im folgenden Abschnitt soll die Vorgehensweise des initialen Datenabgleichs beziehungsweise der
Datenbeschaffung aus der Aufschlussdatenbank des LfULG kurz beschrieben werden.
Zunächst wurden die in Felix et al. (2007), Anlage 16 aufgeführten Bohrungen und Schächte als
Punktdaten in ArcGIS visualisiert und es erfolgte ein prinzipieller Abgleich der Angaben im
Sachstandsbericht (Felix et al. 2007) mit den Daten mittels GeODin
1
hinsichtlich Hoch- und Rechtswert,
Geländeoberkannte und Endteufe der Bohrungen. Sofern vorhanden, wurden anschließend weitere
Schichtdaten aus der zentralen Aufschlussdatenbank des LfULG in den Datensatz aufgenommen.
Weitere, zum Teil nach 2007 geteufte Bohrungen und Schächte, welche eine Teufe von 50 m erreichen,
Schichtinformationen enthalten und aufgrund dieser Bedingungen zur Ertüchtigung des 3D-Modells
dienen können, wurden im Datensatz ergänzt (Abbildung 3). Die in GeODin ausgewiesenen Horizonte
„Steinkohleflöz“ sollten im nächsten Schritt genauer spezifiziert werden. Dazu wurden die
1
GeODin (kommerzielle Software der Fa. FUGRO, Berlin) zur graphischen Darstellung von Bohrprofilen und Schnitten sowie
für komplexe Auswertungen

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
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Teufeninformationen der Flöze (hinterlegt in ArcGIS als
Shapefiles
und/oder als georeferenzierte
Rasterdaten) verglichen, um den Steinkohlenflözen die entsprechende Markerbezeichnung zuordnen
zu können (z.B. Floez_Haupt für Hauptflöz). Dies war ein wichtiger Schritt, um die Angaben zu den
Abbaubereichen in den Übersichtsrissen, welche für die GOCAD-Modellierung herangezogen wurden,
zu verifizieren und gegebenenfalls anzupassen.
Hierfür wurde zusätzlich die Grundlagenkarte Steinkohleninventur (Markscheiderei Oelsnitz i.E. 1948)
für den Abgleich und die Benennung der Horizonte herangezogen. Zudem wurden 9 Schachtprofile aus
dem Archivbestand des Bergbaumuseums genutzt, um die Angaben in der Aufschlussdatenbank zu
ergänzen. Diese Profile (siehe Tabelle 1) thematisierten in der Regel den Abschnitt Basis Rotliegend bis
zur Schachtsohle, die teilweise bis zum Top des Grundgebirges reichte.
Tabelle 1:
Übersicht über die verwendeten Schachtprofile aus dem Archivbestand des Bergbaumuseums.
Bezeichnung Schachtprofil
Jahr der
Erstellung
Urheber
Hedwig-Schacht
1932
Markscheiderei Gewerkschaft Deutschland
Helene-Schacht
1932
Markscheiderei Gewerkschaft Deutschland
Ida-Schacht
1932
Markscheiderei Gewerkschaft Deutschland
Friedenschacht
1930
Markscheiderei Gewerkschaft Deutschland
Deutschland-Schacht I
1932
Markscheiderei Gewerkschaft Deutschland
Deutschland-Schacht II
1932
Markscheiderei Gewerkschaft Deutschland
Vertrauen-Schacht
1938
Markscheider Arnold
K.-Liebknecht-Werk Oelsnitz
1946
Markscheiderei Karl-Liebknecht-Werk
Vereinglück-Schacht I
1882/1929
Markscheider Sagert, Markscheiderei Oelsnitz
R.-Breitscheid-Schacht
– nicht implementiert
k.A.
Markscheiderei Gewerkschaft Deutschland
Glück-Auf-Schacht
– nicht
implementiert
1897
Steinkohlenverein Gottes Segen
Die Steinkohleflöze wurden in diesen Profilen spezifisch bezeichnet und sehr detailliert dargestellt (mit
einzelnen Kohlelagen und Zwischenmitteln). Damit boten die Schachtprofile eine Ergänzung zu den
Aufschlüssen in der Datenbank des LfULG, in der diese Informationen bis dato fehlten
Während dieses Arbeitsprozesses wurde deutlich, dass die Auflösung der Flöze hinsichtlich ihrer Teufe
und der Mächtigkeit von Kohlelagen und Zwischenmitteln in den Schachtprofilen meist um ein
Vielfaches höher ist als in GeODin. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass die in den
Archivunterlagen dargestellten Verhältnisse, bedingt durch die bergbaulichen und nachbergbaulichen
Veränderungen im Untergrund (Geländesenkungen und -hebungen, Nachsacken in
Auflockerungszonen, o.a.), nicht mehr den aktuellen Gegebenheiten entsprechen. Aus diesem Grund
sind vor allem Teufen nicht uneingeschränkt aus den Quellen extrahierbar.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
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Abbildung 3:
Das Abbaugebiet von Lugau/Oelsnitz (orange) mit im 3D-Modell bereits erfassten Bohrungen und
Schächte (schwarz) und für die Implementierung geeigneten Bohrungen und Schächten (grün). Schwarze Linien
symbolisieren den Verlauf der Hauptstörungen im Revier.
Schritt 2: Abgleich der bereits in GIS aufgearbeiteten Flözverbreitungskarten mit den gescannten,
georeferenzierten Übersichtsrissen
Aus früheren Untersuchungen (Felix et al. 2007) existieren GIS-Dateien für das Lugau/Oelsnitzer
Revier, welche die georeferenzierten Informationen des Übersichtsrisswerkes zu Verbreitung, Teufe
und Mächtigkeit der abgebauten Flöze enthalten. Die Angaben wurden, abgesehen von Einfallwinkel
und Versatzart, bereits im Rahmen der ursprünglichen Modellerstellung digitalisiert und in Form von
georeferenzierten
Shapefiles
, die von GIS-Programmen ausgelesen werden können, gespeichert
(Abbildung 4). Auch der Verlauf von Störungszonen wurde in den Rissen digitalisiert und als
Punktwolken in das GOCAD-3D-Modell eingespeist (Steinborn 2005). Diese wurden vor der
Weiterverwendung für die Aktualisierung des 3D-Modells auf ihre Richtigkeit geprüft. Bei der Sichtung
des ursprünglichen 3D-Modells wurde deutlich, dass sich die auf den Übersichtsrissen basierenden
Surfaces
“, welche die Basis der Flöze abbilden, überschneiden. Eine räumliche Überlappung von
nacheinander abgelagerten Steinkohlenflözen ergibt stratigraphisch keinen Sinn, tritt im GOCAD-
Modell von Steinborn (2005) jedoch flächenhaft auf. Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine detaillierte
Darstellung der Flöze nie Ziel der ursprünglichen Modellierung war. Zudem erfolgt durch die
Interpolation während der Modellierung stets eine Vereinfachung der Bezugsdaten, wodurch derartige
Überschneidungseffekte auftreten können.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
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Eine weitere Ursache hierfür wurde in den Primärdaten des Übersichtsrisswerkes oder in den GIS-
Dateien vermutet, weswegen beide Formate miteinander verglichen wurden. Dazu wurden die
gescannten Originale zugeschnitten und georeferenziert.
Im anschließenden Abgleich wurde in den Attributen für das Vertrauenflöz ein systematischer
Vorzeichenfehler der Höhenangaben festgestellt, welcher jedoch behoben werden konnte. Davon
abgesehen konnte die korrekte Übertragung der Informationen aus dem Übersichtsrisswerk in GIS
bestätigt werden. Die Ursache für die Überlappung der Flöze ist demnach stattdessen in der
Übertragung der bergmännischen (2D-) Primärdaten in den dreidimensionalen Raum zu suchen. Die
Punktwolke, welche die Verbreitung und Teufe eines Flözes repräsentiert, liefert keine hinreichenden
Informationen über die zahlreichen Abbrüche, Versätze und Erosionsflächen, welche für die
Lagerstätte des Lugau/Oelsnitzer Reviers charakteristisch sind. Aus diesem Grund reichen die
Übersichtsrisse (oder allgemein bergmännische Risse) als einzige Grundlage für eine Visualisierung der
Flöze im Raum nicht aus.
Abbildung 4:
8 Rissplatten für das Grundflöz aus dem Übersichtsrisswerk Lugau/Oelsnitz (SächsStA-F Bestand
40120), zugeschnitten und georeferenziert.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
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Schritt 3: Abgleich der Bohrungen und Schächte mit den Profilschnitten (Felix et al. 2007)
Dieser Schritt wurde vorgenommen, um weitere Informationen über die Vorgehensweise bei der
initialen Erstellung des 3D-Modells zu erhalten. Dafür wurden drei exemplarische geologische Schnitte
durch das Revier herangezogen, welche den Anlagen 5, 6 und 25 des Sachstandsberichtes (Felix et al.
2007) entnommen wurden (Abbildung 5). Diese bilden die geologischen Verhältnisse im Modellgebiet
zweidimensional ab und sind damit eine visuelle Brücke zwischen den punktuell vorhandenen
Aufschlussdaten und dem 3D-Modell. Mit Hilfe der geologischen Schnitte sollte die Zuordnung der
Marker mit der Bezeichnung „Steinkohleflöz“ zu den einzelnen Flöz-Horizonten erfolgen und so im
nächsten Schritt die Plausibilität des 3D-Modells überprüft werden.
Abbildung 5:
In Rot Lage der geologischen Schnitte A (Felix et al. 2007, Anl. 5), B (Anl. 6) und 8 (Anl. 25) im
Abbaugebiet (Quelle: Felix et al. 2007, Anl. 17 modifiziert).
Die einzeln ausgehaltenen lithologischen Einheiten des Karbons sind in den geologischen Schnitten
leider nicht konsistent benannt, so dass nur Informationen über die dargestellten Schächte und
stratigraphischen Einheiten, nicht aber über die Bezeichnungen der einzelnen Steinkohleflöze
enthalten sind. Eine Zuordnung der Flözkörper war folglich nur teilweise und nur in unmittelbarer Nähe
zu den Schächten möglich. Die intensive tektonische Zerblockung entlang der einzelnen Profile durch
die das Gebiet durchziehenden Störungen machte eine konsequente und gesicherte Nachverfolgung
der Flöze unmöglich (Abbildung 6).

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
13
Abbildung 6:
Geologischer Schnitt A, nach Anlage 5 (Quelle: Felix et al. 2007, modifiziert). P1Lk – Leukersdorf-
Formation, P1Pn – Planitz-Formation, P1Ht – Härtensdorf-Formation, C – Oberkarbon, O – Ordovizium, hier:
phyllitisches Grundgebirge.
Schritt 4: Abgleich der Profilschnitte mit den bestehenden 3D-Modell
In diesem Arbeitsschritt wurde geprüft, in wieweit das 3D-Modell auch in den Bereichen mit geringer
Stützpunktdichte plausibel ist. Hierfür wurden erneut die drei oben genannten geologischen Schnitte
aus dem Sachstandsbericht (Felix et al. 2007) herangezogen und analoge Profilschnitte (sog.
Crossplots
”) durch das 3D-Modell mit Hilfe der Software GOCAD produziert. Die Lage der geologischen
Schnitte im 3D-Modell ist der Abbildung 7 zu entnehmen.
Abbildung 7:
Lage der geologischen Schnitte A (Felix et al. 2007, Anl. 5), B (Anl. 6) und Profil 8 (Anl. 25)
maßstabsgetreu im 3D-Modell. Violett: Surface der Oberkante des phyllitischen Grundgebirges zum Vergleich.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
14
Die „
Crossplots
“ (Abbildung 8A) wurden anschließend für eine bessere Veranschaulichung an die
Farbgebung der geologischen Schnitte aus dem Sachstandsbericht (Felix et al. 2007) angepasst (siehe
Abbildung 8B). Durch diesen Bearbeitungsschritt war es schließlich möglich, die geologischen Schnitte
direkt mit dem 3D-Modell zu vergleichen, Unterschiede festzustellen und Möglichkeiten der Korrektur
zu formulieren. Dabei wurde angenommen, dass die geologischen Schnitte die Untergrundverhältnisse
entlang der Profillinien passend darstellen und als Referenz für die 3D-Modellierung geeignet sind.
Abbildung 8:
A: Crossplot Export aus GOCAD analog dem geologischen Schnitt A [Felix et al. 2007, Anlage 5). B:
farblich angepasster Crossplot durch das GOCAD-Modell analog dem geologischen Schnitt A. Legende: P1Lk –
Leukersdorf-Formation, P1Pn – Planitz-Formation, P1Ht – Härtensdorf-Formation, C – Oberkarbon, O –
Ordovizium, hier: phyllitisches Grundgebirge.
Geologischer Schnitt A
(Felix et al. 2007, Anlage 5): Im 3D-Modell taucht die Oberkante des
phyllitischen Grundgebirges nordwestlich der Ida-Glückauf-Störung steiler ab, was laut des
geologischen Schnittes nicht der Fall ist (vgl. Abbildung 6 und 8B). Das modellierte Einfallen der
angeschnittenen Störungen entspricht nicht dem in den Schnitten. Östlich der Pluto-Schacht-
Verwerfung besteht im 3D-Modell eine Lücke zwischen den stratigraphisch redundanten
Surfaces
Basis
Karbon (Marker C und Top Phyllit (Marker O). Aus dem
Crossplot
lässt sich ableiten, dass der
Surface
Top Phyllit der tatsächlichen stratigrafischen Grenze entspricht. Diese Diskrepanz findet sich auch in
den Aufschlussdaten wieder, wo sie mithilfe der Schachtprofile aus dem Archiv des Bergbaumuseums
eliminiert werden konnte. In diesem Bereich ist eine entsprechende Überarbeitung der Grenze
zwischen Karbon und Grundgebirge (Phyllit) im 3D-Modell erforderlich.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
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Geologischer Schnitt B
(Felix et al. 2007, Anlage 6): Im Vergleich zwischen dem geologischen Schnitt
und dem GOCAD-Crossplot fällt auf, dass die zahlreichen Versätze, welche besonders nordöstlich des
Rödlitzer Sprunges durch die geologischen Einheiten verlaufen, im 3D-Modell nicht realisiert sind
(Abbildung 9). Im ursprünglichen 3D Modell von Steinborn wurden nicht alle in den geologischen
Schnitten dargestellten Störungen in die Modellierung einbezogen. Dies ist vermutlich auf die
verallgemeinernde Zielstellung der damaligen Modellierung zurück zu führen. Die Software GOCAD®
(Paradigm Geophysical Corp.) ist darauf ausgelegt, Surfaces besonders glatt zu modellieren und starke
Höhenversätze auf kurze Distanz einzuebnen, sofern zuvor keine explizite manuelle Definition
tektonischer Versätze erfolgt ist. Hierdurch entsteht ein deutlicher Unterschied zwischen geologischen
Schnitten und GOCAD-Crossplots.
Abbildung 9:
A: Geologischer Schnitt B, nach Anlage 6 (Quelle: Felix et al. 2007, modifiziert). B: Crossplot durch
das GOCAD-Modell analog dem geologischen Schnitt B, farblich angepasst. Legende: P1Ms – Mülsen-Formation,
P1Lk – Leukersdorf-Formation, P1Pn – Planitz-Formation, P1Ht – Härtensdorf-Formation, C – Oberkarbon, O –
Ordovizium, hier: phyllitisches Grundgebirge.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
16
Geologischer Schnitt 8
(Felix et al. 2007, Anlage 25): Auch hier fällt auf, dass der Versatz entlang des
Rödlitzer Sprunges, welcher laut Sachstandsbericht (Felix et al. 2007) bis zu 350 m beträgt, im GOCAD-
Crossplot
links- und rechtsseitig der Störung geglättet wurde (Abbildung 10). Die Planitz-Formation
(P1Pn) nimmt südwestlich des Rödlitzer Sprunges im 3D-Modell scheinbar stark an Mächtigkeit zu, was
im geologischen Schnitt 8 nicht nachzuvollziehen ist.
Abbildung 10:
A: Geologischer Schnitt 8, nach Anlage 25 (Quelle: Felix et al. 2007, modifiziert). B: Crossplot durch
das GOCAD-Modell analog dem geologischen Schnitt 8, farblich angepasst. Legende: P1Lk – Leukersdorf-
Formation, P1Pn – Planitz-Formation, P1Ht – Härtensdorf-Formation, C – Oberkarbon, O – Ordovizium, hier:
phyllitisches Grundgebirge.
In allen drei Schnittebenen im 3D-Modell ist zu erkennen, dass verschiedene Flöz-
Surfaces
ober- und
unterhalb von der Karbonoberfläche bzw. Karbon-Basis verlaufen, was geologisch nicht korrekt ist.
Möglicherweise wird dieses Problem durch die oben beschriebene Korrektur der Karbon-Basis
behoben.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
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Schritt 5: Rekonstruktion des Modellierungsprozesses nach Steinborn (2005) an ausgewählten
geologischen Elementen
An den übereinander lagernden Flözen Kneiselflöz, Grundflöz und Hauptflöz wurde der initiale
Modellierungsprozess beispielhaft nachvollzogen. Hierfür wurden, wie in Steinborn (2005)
beschrieben, die Punktwolken der Flözverbreitungskarten in GOCAD importiert und jedem Punkt die
jeweilige Teufe als z-Wert zugeordnet. Anschließend wurden, abweichend von der Anleitung nach
Steinborn, „
Surfaces
“ über den Befehl „
Surface/ New/ Point Set Medium Plane
“ des gesamten
Arbeitsgebietes generiert. Mit dem Befehl „
Surface/ Fit/ to Point Set
“ wurde die Fläche anschließend
an die Punktwolke angeglichen und als letzter Schritt wurden die Flächen mit den aus ArcMAP
importierten Polygonumrissen verschnitten. Im Ergebnis entstehen 3D-Flächen, welche mit den
ursprünglich modellierten 3D-Flächen im Modell gut übereinstimmen. Ebenso wie die ursprünglichen
modellierten Flöze weisen auch die neu modellierten Einheiten eine starke Überschneidung zwischen
Kneisel- und Grundflöz und eine weniger stark ausgeprägte Überschneidung zwischen Grund- und
Hauptflöz auf (Abbildung 11). Dies ist mit den lokal vorkommenden Flözvereinigungen bzw. dem
geringen vertikalen Abstand von teils wenigen Zentimetern bis Dezimetern zwischen den übereinander
lagernden Flözen im Revier zu erklären (vgl. (Felix et al. 2007)). Die Modellauflösung, bzw. –größe ist
für die Darstellung solcher Details nicht geeignet. Hinzu kommen die bereits erwähnten und auch in
den Schachtprofilen (Tabelle 1) dokumentieren Störungen, welche die Steinkohleflöze gegeneinander
versetzen und im 3D-Modell nicht detailliert visualisiert sind.

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18
Abbildung 11:
Workflow in GOCAD. A: Importiertes Point Set aus dem Übersichtsrisswerk. Die Höhenangaben
wurden den Punkten als z-Werte zugewiesen. B: Aus dem Flöz-Polygon und dem Point Set wird ein Surface
generiert. C: Der ursprüngliche Surface (blau) und der neu modellierte Surface (beige) für das Grundflöz wurden
übereinandergelegt.
Eine Modellierung der Flözvolumina anhand der bereits existierenden Informationen aus dem
Übersichtsrisswerk schien an diesem Punkt der Bearbeitung nicht sinnvoll. Bevor eine Modellierung
der Abbaubereiche, auf welche im ursprünglichen Modell verzichtet wurde, durchgeführt werden
kann, müsste die stratigrafische Abfolge im Karbon modellgerecht vereinfacht werden. Hierfür sollten
die Marker der Bohrungen und Schächte hinzugezogen werden, welche neben den Punktwolken aus
dem Übersichtsrisswerk als Primärdaten in die Modellierung der Steinkohleflöze einfließen sollten.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
19
6.
Empfehlung für die Aktualisierung des GOCAD-3D-Modells
Im Zuge der oben beschriebenen Untersuchungen wurden teils große Diskrepanzen zwischen den
einzelnen Quellen (z. B. Aufschlussdaten und Übersichtsrisswerk) aber auch zwischen den
Ausgangsdaten und dem 3D-Modell festgestellt. Daraus ergeben sich folgende Schwerpunkte für die
Ertüchtigung des 3D-Modells:
Ergänzung der überarbeiteten Schichtinformationen für alle modellrelevanten Bohrungen und
Schächte als Marker im Modell
Implementierung der ca. 100 zusätzlich ausgewählten Bohrungen und Schächte
Behebung von lokalen Unstimmigkeiten an den Formationsgrenzen im Modell, an denen sich
teilweise Schichten überschneiden bzw. Hohlräume bilden
Konzept für 3D-Visualisierung der Abbaubereiche der einzelnen Flöze
Volumenbasierte Modellierung für Lugau/Oelsnitz mittels Workflow „Structure and
Stratigraphy“ unter Einbezug der geologischen Einheiten, Störungszonen und Abbaufelder
7.
Zusammenfassung und Ausblick auf weitere Arbeiten
Die im Rahmen von GeoMAP erfolgten Arbeiten an dem 3D-Modell von Lugau/Oelsnitz bilden den
Grundstein für eine Ertüchtigung des Modells, insbesondere im Bereich der Karbon-Schichten. Die in
der Projektlaufzeit erfolgten Recherchen und die Datenakquise waren vor allen auf Quellen mit Bezug
zum ehemaligen Bergbau im Revier ausgerichtet. In den beschriebenen Archivstandorten waren diese
Informationen in Fülle vorhanden und eine Aufarbeitung erschien im Kontext der laufenden
Untersuchungen zu den Folgen des Bergbaus im Revier zwingend notwendig. So können die Daten
beispielsweise dazu dienen, weitere geeignete Standorte für Grubenwassermessstellen auszuwählen.
Eine ähnlich umfangreiche Recherche zu den Rotliegend-Schichten steht noch aus. Während die
Abbaufelder als weitgehend geflutet, versetzt bzw. verbrochen gelten, findet der
Grubenwasseranstieg im Rotliegenden weiterhin statt. Eine petrografische Differenzierung und
Parametrisierung des Rotliegenden wäre jedoch für die Prognostizierung des weiteren
Flutungsverlaufes in oberflächennahen Bereichen von großem Interesse. Im Sachstandsbericht (Felix
et al. 2007) wurde diesbezüglich von der Annahme ausgegangen, dass die Gesteinsformationen des
Rotliegend in ihrer Gesamtheit „hydraulisch dicht“ sind (vgl. Felix et al. 2007, S. 98), allerdings muss
auch . die lokal abweichende hydraulische Wirksamkeit des Störungsinventars berücksichtigt werden.
Dies zu prüfen sollte Gegenstand künftiger Untersuchungen sein.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
20
Literaturverzeichnis
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Felix, M. H. J. Berger, S. Görne, L. Assmann, H. Steinborn, W. Alexowsky, H. Schubert (2007): Abschlussbericht.
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Freiberg.
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Bergbaufolgen am Beispiel des Grubenwasseranstiegs im ehemaligen Steinkohlenrevier Lugau/ Oelsnitz
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Übergang zu neuen Zeiten. Unter Mitarbeit von Deutscher Markscheider-Verein e.V. Bergbau, Energie,
Rohstoffe. Bochum.
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Vorerzgebirgssenkenraumes. Dissertation. Technische Universität Bergakademie Freiberg. Freiberg.
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(unveröffentlicht). Freiberg.
Rommel, A., Hädecke, S., Ussath, M. & Hübschmann, M. (2021): GeoMAP - Geologische, hydrogeologische und
geomechanische Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognosewerkzeuge zur Darstellung von Bergbaufolgen
und Nachnutzungspotenzialen. Hg. v. Sächs. Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie; Technische
Universität Bergakademie Freiberg; VŠB - Technická univerzita Ostrava. Freiberg
Sächsisches Staatsarchiv, Bergarchiv Freiberg, 40120 „VEB Steinkohlenwerk Oelsnitz (Erzgebirge) und
Vorgängerbetriebe“, Archivalien K66 bis K73.
Steinborn, H. (2005): Angewandte Modellierung im Schwerpunktprojekt Steinkohlenbergbaureviere Zwickau und
Lugau/Oelsnitz mittels Gocad. Tektonik und Strukturbau Permokarbon Zwickau/Oelsnitz. unveröff. Bericht.
Sächs. Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie. Freiberg.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
21
Numerische Simulation von Hebungen über gefluteten
Steinkohlebergwerken des Altbergbaus am Beispiel des ehem.
Steinkohlereviers Lugau-Oelsnitz
G. Lüttschwager, F. Weber, H. Konietzky
TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik
Gustav-Zeuner-Str. 1, 09599 Freiberg
Zusammenfassung
Während der vergangenen Jahrzehnte wurden zahlreiche Steinkohlebergwerke stillgelegt. Nach
Einstellung der Wasserhaltung werden diese geflutet und der Grubenwasserstand steigt. Diese Flutung
hat viele Auswirkungen auf die Umwelt. Ein Aspekt sind beispielsweise Hebungen an der
Geländeoberkante, in Folge der Flutung des Alten Mannes und des Deckgebirges. Bisher wurden diese
Prozesse fast ausschließlich analytisch beschrieben. Jedoch sind entsprechende Ansätze für
komplizierte Grubengeometrien oder komplexe geologische Bedingungen meist nicht ausreichend. Ein
3-dimensionales numerisches Modell wird beispielhaft für das ehemalige Steinkohlerevier Lugau-
Oelsnitz in Sachsen erarbeitet. Dabei besteht die Herausforderung in der begrenzten Datenlage eines
Altbergbau-Objektes und der vereinfachenden Erstellung der Abbaugeometrien. Zudem müssen
hebungsrelevante Mechanismen erkannt und geeignet implementiert werden. Die Prognose der
Hebungsraten an der Geländeoberfläche verwendet digitale Flözgeometrien und aktuelle Messungen
der Grubenwasserstände. Der dargestellte kontinuumsmechanische Ansatz zur Abbildung der
Hebungsprozesse, ist für Bergwerke mit beschränkten geomechanischen und hydraulischen
Informationen geeignet. Die Simulationsergebnisse sind in guter qualitativer Übereinstimmung mit
Beobachtungsdaten aus Nivellement-Messungen und satellitengestützten Auswertungen des
Untersuchungsgebiets Lugau-Oelsnitz. Die hier vorgestellte Arbeit bestätigt die Notwendigkeit
genauer Kenntnisse über stillgelegte Kohleminen zur besseren Risikoabschätzung.
1.
Einleitung
Nach der Stilllegung von Steinkohlebergwerken wird die Wasserhaltung meist eingestellt und die
Gruben geflutet, wodurch der Grubenwasserstand steigt. Diese Flutung hat zahlreiche Auswirkungen
auf die Umwelt, wie z.B. zunehmende Instabilität des Grubengebäudes im Allgemeinen und der
Schächte im Speziellen, sowie Vermischung der oberflächennahen Grundwässer mit dem
aufsteigenden Grubenwasser und damit einhergehende Verunreinigung des Grundwassers. Des
Weiteren wird durch den ansteigenden Grubenwasserstand und die damit einhergehenden
Spannungsumlagerungen im Untergrund, eine Hebung an der Geländeoberfläche verursacht. Diese
Hebungen wurden von zahlreichen Wissenschaftlern beobachtet und beschrieben (Gee et al. 2016;
Gee et al. 2017; Bekendam und Pöttgens 1995; Bekendam 2017; Heitfeld et al. 2014; Heitfeld et al.
2016a; Dudek et al. 2020). Berechnungen und Vorhersagen von Hebungsraten beschränken sich bisher
überwiegend auf analytische Lösungen. Numerische Simulationsansätze sind in der Literatur dagegen
eher selten vertreten.

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22
Als Teil des durch die Europäische Union geförderten Projektes GeoMAP wird daher ein numerischer
Simulationsansatz zur Berechnung und Vorhersage von Hebungseffekten infolge des
Grubenwasseranstiegs entwickelt. Als beispielhaftes Untersuchungsobjekt dient das stillgelegte
Steinkohlerevier Lugau-Oelsnitz in Sachsen. Lage und Ausdehnung des Untersuchungsgebietes sind in
Abbildung 1 dargestellt. Der Bergbau wurde 1971 eingestellt und das Bergwerk daraufhin
unkontrolliert geflutet. Eine abschließende bergschadenkundliche Analyse wurde von Beyer (1974)
verfasst. Die Schachtanlagen wurden vollständig verfüllt. Es wurden bei Stilllegung keine Monitoring-
Einrichtungen installiert und das Grubengebäude ist seitdem nicht mehr zugänglich. Dies hat zur Folge,
dass aus der direkten Nachbergbauphase keine Daten über Bodenbewegungen oder Flutungsverlauf
existieren. Neuere Untersuchungen zum Gebiet wurden seit Mitte der 90er-Jahre wieder
durchgeführt. Hebungsprozesse wurden z.B. von Löbel et al. (2015) und John (2019) untersucht. Eine
erste numerische 2D-Simulation wurde von Löbel et al. (2015) präsentiert. Die nun durchgeführte
Studie beinhaltet eine 3D-Hebungsmodellierung.
Besonderer Schwerpunkt der Untersuchungen liegt dabei auf der Erstellung einer
Modellierungsstrategie für eine begrenzte Datenlage. Die Hauptherausforderungen sind dabei die
Datenaufbereitung sowie die vereinfachende Erstellung der Abbaugeometrien und hebungsrelevanten
Mechanismen. Die hier vorgestellten Arbeiten umfassen eine Bestandsaufnahme vergleichbarer
Studien, eine analytische Betrachtung der Hebungsvorgänge sowie die Aufbereitung der Monitoring-
Daten. Abschließend wird die numerische Simulationsstrategie vorgestellt und die Ergebnisse werden
diskutiert.
Abbildung 1:
Übersichtskarte vom Untersuchungsgebiet mit der Ausdehnung des Modellgebietes, der Lage der
wichtigsten Ortschaften, der Ausdehnung des Abbaus sowie der Lage der Grubenwassermessstellen.

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23
2.
Berechnung von Hebungen über stillgelegten Kohlebergwerken während der Flutung
Ein ansteigender Grubenwasserpegel und dadurch erhöhter Porendruck im Alten Mann verursacht
eine Ausdehnung des Alten Mannes und folglich eine Hebung der Geländeoberfläche. Eine erste
analytische Beschreibung dieser Prozesse findet sich bei Pöttgens (1985). Dieser Arbeit zufolge wird
die Hebung über gefluteten Kohlebergwerken durch die Dekompression und Ausdehnung des Alten
Mannes infolge der porendruckbedingten Spannungsänderungen verursacht. Die genaue Ausdehnung
des durch Dekompression beeinflussten Bereiches ist dabei stark von der Art des Gesteins, dem
Auflockerungsgrad und den hydraulischen Eigenschaften des anstehenden Deckgebirges beeinflusst.
Das Grubenwasser kann den Bereich des Alten Mannes und überliegende gestörte Bereiche oder auch
zusätzlich das gesamte oder Teile des Deckgebirges beeinflussen. Ein Beispiel für ein Steinkohlerevier,
welches Hebungseffekte auch für das geflutete Deckgebirge aufweist ist das südliche Limburger Revier
(Bekendam, 2017).
Die Spannungsumlagerungen im gefluteten Alten Mann wirken in Form von Auftrieb. Gleichung 1
beschreibt diesen Zusammenhang, wobei
σ
die Spannung,
p
den Wasserdruck und
σ‘
die effektive
Spannung darstellt. Die resultierende Hebungswirkung (vertikale Ausdehnung) des gefluteten Alten
Mannes kann durch Gleichung 2 beschrieben werden.
σ' = σ−
p
(1)
m
∆=
h D h p
(2
)
Der ansteigende Grubenwasserdruck
p
im Alten Mann erzeugt eine überwiegend vertikal gerichtete
Ausdehnung
Δh
des verbrochenen Gebirges (Mächtigkeit
h
). Zur Berechnung dieser vertikalen
Dehnung muss der Extensionskoeffizient
D
m
mittels gemessener Hebungsdaten kalibriert werden. Die
Hebungen an der Oberfläche setzen sich (bei den analytischen Lösungsansätzen) aus der Superposition
der Hebungswirkung aller gefluteten Bereiche zusammen. Die horizontale Ausdehnung und Wirkung
eines einzelnen Elementes des Alten Mannes auf die Hebung der Geländeoberkante wird durch die
Einflussfunktion
k
z
beschrieben. Mit ihrer Hilfe kann die Gesamthebung an der Oberfläche für einen
spezifischen Grubenwasserstand durch Integration über alle Abbauelemente (Integration über die
gesamte Fläche
A
) entsprechend Gleichung 3 bestimmt werden:
zz
u
= ∆
hk
d
A
. (3)
Üblicherweise wird, wie bei Verbruchanalysen auch, eine zusätzliche horizontale Grenze definiert, oft
in Form eines Grenzwinkels. Ein solcher horizontal begrenzter Hebungsansatz ist die Einflussfunktion
von Knothe (1984), welche auf einem horizontal exponentiellen Abklingen der Hebungen bis zu einer
definierten Entfernung vom Abbaubereich basiert. Diese Wirkentfernung ist von der Tiefe des
gefluteten Bereiches und einem deckgebirgsspezifischen Grenzwinkel abhängig. Sroka und Preusse
(2017) haben diesen Ansatz erstmalig für Hebungsberechnungen infolge des Grubenwasseranstieges
verwendet. Abbildung 2 zeigt die Hebungslösung nach Sroka und Preusse (2017) für ein einfaches
synthetisches Untergrundmodell.

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Abbildung 2:
Analytische Lösung der Hebung an der Geländeoberkante für die Flutung einer einfachen
Verbruchgeometrie nach Sroka und Preusse (2017).
Aufgrund der Einfachheit der Lösungsansätze und insbesondere der Geometrien sind, diese
analytischen Betrachtungen nur begrenzt geeignet, um komplexe Abbaugeometrien und komplizierte
geologische Bedingungen zu betrachten. Der fortschreitende Sättigungsprozess im Alten Mann wird
ebenfalls nicht berücksichtigt und für steiler einfallende Abbaue ist der Ansatz einer reinen
Superposition nicht ausreichend. Um diese Schwächen der analytischen Ansätze zu vermeiden wird in
dieser Arbeit ein numerisches 3D-Modell vorgestellt, mit welchem auch komplexere, in Flutung
befindliche Bergwerke betrachtet werden können.
3.
Geologie, Bergbau und Monitoring
3.1. Geologie im Untersuchungsgebiet
Das Untersuchungsgebiet mit dem ehemaligen Steinkohlerevier Lugau-Oelsnitz befindet sich in der
Nordwest - Südost orientierten Vorerzgebirgssenke. Die geologische Situation wurde überwiegend
durch die variskische Orogenese und die damit einhergehende Entstehung des südöstlich liegenden
kristallinen Erzgebirgskomplexes geprägt. Die regionale Geologie wurde ausführlich von z.B. Berger et
al. (2010) und Felix et al. (2007) beschrieben. Das Präkarbone Grundgebirge besteht überwiegend aus
ordovizischen Phylliten, das Deckgebirge aus mehreren Rotliegendformationen. Das geologische
Modell des Rotliegend liegt für diese Arbeit in Form von geologischen Horizonten vor. Sedimente des
Tertiärs und jünger treten nur vereinzelt entlang der heutigen Täler auf (Mächtigkeit < 10 m). Diese
Ablagerungen sind überwiegend Lockersedimente und wurden für die numerische Simulation in dieser
Arbeit nicht weiter berücksichtigt. Infolge der Orogenese des Erzgebirges war das
Untersuchungsgebiet bis zum Tertiär durch starke tektonische Aktivität geprägt. Die Aktivität der
Störungen endete aber spätestens mit dem Tertiär.
Für die numerische Simulation von grubenwasserbedingten Hebungen sind die hydraulischen
Eigenschaften des Abbau- bzw. Verbruchbereiches sowie des überliegenden Deckgebirges von
entscheidender Bedeutung. Das oberflächennahe Rotliegend und Post-Rotliegend weist in den
obersten 50 – 70 m eine hohe bis sehr hohe Permeabilität auf. Die Wegsamkeiten sind durch
Störungswegsamkeiten sowie allgemeine Verwitterung des Rotliegend geprägt. Unterhalb dieser
Erosionsschicht ist das Rotliegend durch schichtungsparallele Aquifugen gekennzeichnet. Großräumige
Grundwasserleiter existieren nicht. Die Störungen unterhalb einer Tiefe von 70-100 m sind

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weitestgehend verlettet und mylonitisiert und daher hydraulisch dicht. Eine Reaktivierung der
Störungszonen wurde während des Abbaus und danach nicht beobachtet. Großräumig betrachtet ist
als Grundlage für die numerische Simulation von einer vertikal grundsätzlich grubenwasserstauenden
Funktion des Rotliegend auszugehen.
3.2. Bergbau
Während der industriellen Abbauperiode (1859-1971) wurden 142 Mio. t Kohle gefördert. Insgesamt
wurden im Revier 16 zumindest teilweise abbauwürdige Kohleflöze aufgefunden. Für die
durchgeführte numerische Simulation wurden das Grundflöz, das Vertrauensflöz, das Glück-Auf-Flöz
sowie das Oberflöz berücksichtigt (Abbildung 3), da zum Zeitpunkt der Modellerstellung nur für diese
Flöze digitale Flözverteilungsdaten vorlagen.
Detaillierte Informationen zur Mächtigkeit der Flöze oder den einzelnen Abbaufeldern lagen nicht in
digital verwertbarer Form vor. Eckart und Unland (2005) haben das noch offene Hohlraumvolumen
mittels einer Volumenbilanz abgeschätzt. Der noch offene Hohlraum der Abbaue beträgt demzufolge
45 Mio. m³. Bezogen auf die zur Verfügung stehenden Flözverteilungskarten (Abbaufläche: ca.
44,4 Mio. m²) wurde eine mittlere Abbaumächtigkeit von 1 m abgeleitet. Dieser Wert ist als sehr
niedrig anzusehen, da die ungleichmäßige Abbaugeometrie, größere stehengelassene
Gebirgsbereiche, aber auch andere abgebaute Flöze keine Berücksichtigung finden. Folglich wurde die
mittlere Abbauhöhe für die gegebene Geometrie vereinfacht auf 2 m festgelegt. Dies ist vertretbar, da
auch die Höhe der Verbruchbereiche sowie die Ausmaße der gestörten und somit potentiell gefluteten
Bereiche im Deckgebirge nicht bekannt sind. Die räumliche Verteilung der Abbauverfahren ist digital
nicht verfügbar, sodass eine allgemeine Annahme getroffen werden musste. Da das gängige Verfahren
für die letzten Abbaujahrzehnte der Strebbruchbau war, wird dieses Verfahren vereinfacht für das
gesamte Revier angenommen. Es wird für alle Abbaubereiche von Selbstbruchversatz ausgegangen.
Abbildung 3:
Tiefenlage und Verteilung der implementierten Kohleflöze im Revier Lugau-Oelsnitz.

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3.3. Grubenwasserstand und Hebungsmessungen
Im Untersuchungsgebiet existieren zwei Grubenwassermessstellen zur Überwachung des
Grubenwasserstandes, sowie zur Probennahme für chemische Analysen. Die erste Messstelle (GWM
I) wurde im Stadtgebiet Oelsnitz mit einer Teufe der Filterstrecke von ca. 610 m eingerichtet. Aufgrund
der komplexen geologischen Verhältnisse und unklaren Grubenwasserfließwege im Grubengebäude
wurde in Gersdorf eine zweite Messstelle eingerichtet (GWM II). Die Messreihen sind in Abbildung 4
dargestellt. Die Daten zeigen einen weitestgehend gleichmäßigen und annähernd linearen
Grubenwasseranstieg über den gesamten Beobachtungszeitraum. Die mittlere
Anstiegsgeschwindigkeit des Grubenwassers beträgt 10,5 m/a (GWM I) bzw. 11,4 m/a (GWM II). Auf
dieser Datengrundlage wurde für die numerische Simulation ein mittlerer Grubenwasseranstieg von
11 m/a für das gesamte Revier angenommen. Unter Extrapolation des bisherigen
Grubenwasseranstiegs ist zu erwarten, dass das Grubenwasser in den 2030er Jahren die
Geländeoberkante im Bereich der tiefsten Lagen im Hegebachtal erreicht. Diese Annahme beruht
ausschließlich auf den bisherigen Beobachtungen. Da die oberflächennahen hydraulischen
Bedingungen deutlich vom tieferen Untergrund abweichen, ist eine Änderung des Flutungsverhaltens
in Zukunft sehr wahrscheinlich, aber aus jetziger Sicht nicht prognostizierbar.
Ab 1996 wurden Nivellements im Steinkohlerevier Lugau-Oelsnitz für ca. 50 Messpunkte wieder
aufgenommen. Nivellement Kampagnen finden seitdem in zeitlich unregelmäßigen und größeren
Abständen statt (1996/1997, 2002, 2006, 2014). Die Ergebnisse der Messungen werden in Abbildung
5 als Hebungsraten (Hebung/Jahr) dargestellt. Die Hebungsraten wurden für jeweils ganze Jahre
bestimmt, da die genauen Messtermine der einzelnen Messpunkte nicht vorliegen. Deshalb sind Fehler
in der Bestimmung der Hebungsraten für einzelne Punkte von bis zu 25 % möglich.
Abbildung 4:
Grubenwasserstanddaten für die GWM I und GWM 2, mit dem jeweiligen linear extrapolierten
Trend (schwarz gestrichelt). Zur Lage der Messstellen siehe Abbildung 1 (Stand 15.12.2020).
Um die Messabdeckung und die zeitliche Auflösung der Messungen zu verbessern wurden zusätzlich
InSAR-Satellitendaten verwendet (ISBAS DInSAR-Prozessierung). Die InSAR-Ergebnisse zeigen im
Untersuchungsgebiet vergleichbare Hebungswerte. Außerhalb der Abbaubereiche weisen die
Satellitendaten Setzungen aus, welche durch die Nivellements nicht bestätigt werden. Dabei handelt
es sich vermutlich um Artefakte aus der Prozessierung. Die maximalen Hebungsraten betragen 2 mm/a
- 4 mm/a. Die zeitliche Entwicklung der Hebungsraten (Abbildung 5) zeigen eine Ausdehnung des
Hebungsgebietes Richtung Osten. Diese ist durch die einsetzende Flutung der östlichen
Grubenbereiche zu erklären, welche durch die Pluto-Schacht-Verwerfung mit einer Sprunghöhe von
100-150 m vom westlichen Grubenteil getrennt sind. Im gleichen Zeitraum wurden auch die flacher
liegenden, südlichen Grubenfelder geflutet. Aufgrund der geringen Teufe und den hohen
Abbaumächtigkeiten sind die Hebungsraten in diesem Bereich besonders hoch.

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Abbildung 5:
Jahreshebungsraten für verschiedenen Zeiträume a-c) Nivellements; d) Satellitenbasierte InSAR
Daten (Sentinel 1).
4.
Numerische Simulation
4.1. Modellierungsstrategie und Modellaufbau
Für die numerische Simulation der Hebungsprozesse wurde ein kontinuumsmechanischer Ansatz
verwendet und die Berechnungen in FLAC3D
TM
durchgeführt. Aufgrund der begrenzten Datenlage
wurde das Modell entsprechend vereinfacht. Im Modell wurden keine Störungen (Verwerfungen)
eingebaut, denn diese haben auf die hydraulischen und mechanischen Vorgänge keine praktischen
Auswirkungen. Da die hydraulischen Vorgänge im Alten Mann nicht hinreichend gut bekannt sind und
die hydraulische Permeabilität im Deckgebirge gering ist, wurde in der Simulation auf hydraulisches
Fließen verzichtet. Bei besserer Datenlage wäre die Implementierung von hydraulischen
Fließprozessen im Alten Mann aber grundsätzlich möglich. Der steigende Grubenwasserpegel wurde
alternativ als Spannungsänderung im Alten Mann bzw. den darüber liegenden aufgelockerten
Bereichen eingeschrieben. Diese Spannungsänderung reduziert die effektiven Spannungszustände im
jeweiligen Bereich und erzeugt dadurch einen Auftrieb und somit eine Ausdehnung des „gefluteten“
Modellbereiches.
Das zur Verfügung stehende geologische Modell ist im Vergleich zur Mächtigkeit und Struktur der
einzelnen Rotliegend-Formationen eher ungenau. Andere geologische Schichten im Deckgebirge sind
sehr gering mächtig und haben für die Hebungsmodellierung keine große Relevanz. Des Weiteren ist
eine signifikante Unterscheidung der mechanischen Parameter zwischen den einzelnen Formationen
auf Grundlage der zur Verfügung stehenden Daten nicht möglich. Aus diesen Gründen wurde ein Zwei-
Schicht-Modell erzeugt (Deckgebirge und Grundgebirge), worin die Flöze und die darüber befindlichen
Verbruchbereiche als Auflockerungszone zusammengefasst werden (Abbildung 6). Das Modell basiert
auf einem gleichmäßig strukturierten hexaedrischen Gitter, welches um die Abbaue zusätzlich
verfeinert wird.

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Abbildung 6:
Schnitt durch die Modellgeometrie, gleichmäßig Gitterstruktur mit höher aufgelösten Flözen (Alter
Mann) und vereinfachter Geologie.
Die Abbau- und Verbruch-Geometrien haben die größten Einflüsse auf die Simulationsergebnisse. Für
die Mächtigkeiten der Flöze bzw. des Alten Mannes wurden Mittelwerte verwendet: Die
Flözmächtigkeit wird mit 2 m angenommen. Die Mächtigkeit der gestörten und aufgelockerten bzw.
verbrochenen Bereiche wird mit zwei verschiedenen Ansätzen definiert. Die Mächtigkeit des direkt
verbrochenen Alten Mannes wird mit dem 3- bis 4-fachen der Flözmächtigkeit abgeschätzt (Bekendam,
2017). Das Grubenwasser dringt aber aufgrund entstehender Risse im Deckgebirge deutlich tiefer in
das Gestein ein und sättigt sehr schnell auch eigentlich wasserstauende Schichten auf (Ahmed et al.
2018). Peng und Chiang (1984) schätzen die vertikale Ausdehnung, des durch Grubenwasser
beeinflussten Bereiches, auf das 28-fache bis 42-fache der Abbaumächtigkeit. Da für das Revier Lugau-
Oelsnitz keine Messdaten zur Mächtigkeit der Auflockerungszone vorliegen, wurde diese durch
Modellkalibrierung (s. Abschnitt 4.2. und Tabelle 3) anhand der Hebungsmessdaten auf 100 m
festgesetzt.
Für den gesamten Modellraum wird ein elastisches Stoffgesetz verwendet. Als Randbedingungen
wurden an den seitlichen sowie der unteren Modellgrenze Rollrandbedingungen ohne weitere externe
Kräfte verwendet. Die Modelloberkante ist entsprechend der Funktion als Geländeoberkante ohne
Randbedingungen frei. Die numerischen Berechnungen werden in zwei Schritten durchgeführt: Der
erste Schritt umfasst die Berechnung des Gleichgewichts im trockenen Zustand und entspricht somit
der Situation nach Einstellung des Bergbaus und vor Beginn der Flutung. Der zweite Schritt der
numerischen Simulation umfasst die stufenweise Flutung der Grube. Dazu wurde die Hebungssituation
zu den Zeitpunkten, an denen Hebungsmessungen vorliegen numerisch simuliert. Zudem wurde der
Grubenwasserstand und somit der Hebungsverlauf in 4-Jahres-Intervallen vor 1996 bzw. nach 2018
simuliert.
4.2. Modellparameter und -kalibrierung
Neben der Geometrie des Modells ist die Wahl der Parameter des gewählten Stoffgesetzes besonders
wichtig. Idealerweise basieren sie auf den Messwerten aus dem Untersuchungsgebiet bzw. aus
gesteinsmechanischen Versuchen an Proben vom Untersuchungsobjekt. Die finalen Modellparameter
sind in Tabelle 1 dargestellt. Da das Grubengebäude im Lugau-Oelsnitzer Revier nicht zugänglich ist,
musste hier auf vergleichbare Werte aus anderen Revieren, sowie Schätzungen und die
Modellkalibrierung zurückgegriffen werden. Zur Kalibrierung wurden daher Testreihen erstellt. In der
Testreihe E1 – E3 wurde drei Simulationen mit unterschiedlichen E-Modul des Deckgebirges
durchgeführt (s. Tabelle 2), wobei die Mächtigkeit der Auflockerungszone 50 m beträgt. In der
Testreihe V1 – V4 wurde die Mächtigkeit der Auflockerungszone von 20 – 150 m variiert (s. Tabelle 3).

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Diese Testfälle sollen den Einfluss der Eingangsgrößen zeigen und dienen zur Kalibrierung der
Simulation an den Hebungsmessungen. Dadurch konnten die finalen Parameter für E-Modul (s. Tabelle
1) und Verbruchhöhe (100 m) gewonnen werden.
Tabelle 1:
Übersicht über die wichtigsten Modellparameter für die Hebungsprognose.
Parameter
Deckgebirge Alter Mann
(trocken)
Alter Mann
(geflutet)
Grundgebirge
E-Modul / GPa
4.0 - 12.0
0.18 - 12.0
0.18 - 12.0
55.0
Poissonverhältnis
0.30
0.30
0.30
0.17
Dichte / kg/m³
2660
2660
2968 - 3070
2750
Porosität
--
--
0.30 - 0.40
--
Zonengröße / m
(horizontal/vertikal)
80/40
20/10
20/10
80/40
Tabelle 2:
Werte für den E-Modul im Deckgebirge in den Testfällen E1 - E3 für eine 50 m mächtige
Auflockerungszone.
E1
E2
E3
E-Modul Deckgebirge/ GPa
6.7 - 20.0
5.0 - 15.0
4.0 - 12.0
E-Modul Alter Mann (trocken) / GPa
0.225 - 20.0
0.225 - 15.0
0.18 - 12.0
E-Modul Alter Mann (geflutet) / GPa
0.225 - 20.0
0.225 - 15.0
0.18 - 12.0
Mächtigkeit Auflockerungszone / m
50.0
50.0
50.0
Tabelle 3:
Werte für die Mächtigkeit der Auflockerungszone in den Testfällen V1 - V4 mit E-Modul für das
Deckgebirge.
V1
V2
V3
V4
Mächtigkeit Auflockerungszone / m
20.0
50.0
100.0
150.0
E-Modul Deckgebirge/ GPa
5.0 - 15.0
5.0 - 15.0
5.0 - 15.0
5.0 - 15.0
E-Modul Alter Mann (trocken) / GPa
0.225 - 15.0
0.225 - 15.0
0.225 - 15.0
0.225 - 15.0
E-Modul Alter Mann (geflutet) / GPa
0.225 - 15.0
0.225 - 15.0
0.225 - 15.0
0.225 - 15.0
Nahe der Geländeoberfläche wird ein linearer Gradient des E-Moduls verwendet um seine
Verringerung zur Oberfläche hin (bspw. von 12 GPa auf 4 GPa bei Modell E3) zu modellieren. Diese ist
üblicherweise durch die Verwitterung der oberflächennahen Festgesteinsschichten verursacht.
Innerhalb der Verbruchbereiche (Abbildung 6) wird der E-Modul zusätzlich angepasst. Dazu wird
ausgehend von der Flözsohle ein linear ansteigender Gradient des E-Moduls bis zur Oberkante der
Auflockerungszone verwendet. Der E-Modul des Deckgebirges und seine entsprechenden Gradienten
wurde anhand von Sensitivitätstest und der Modellkalibrierung für die finale Prognose abgeschätzt.
Das Poisson-Verhältnis ist für jede geologische Struktur als konstant angenommen. Die Werte wurden
aus allgemeinen Literaturwerten, sowie anhand der Auswertung der Bohrkernuntersuchungen an den
zwei tiefen Grubenwasserbohrungen abgeleitet. Die Dichte für die jeweiligen geologischen /
bergbaulichen Einheiten wurde gemäß Literaturwerten gewählt. Für den gefluteten Zustand wurde die
Dichte entsprechend des anteiligen gefluteten Porenraumes erhöht. Dabei wurde von einer mittleren
Porosität von 40 % im Verbruch und 30 % im überliegenden gestörten Sandstein des Deckgebirges
ausgegangen. Hierbei ist zu beachten, dass Dichte und Porosität des Verbruchbereiches, sowie des
teilweisen eingebrachten Versatzes, nur sehr ungenau abschätzbar sind und räumlich stark variieren.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
30
Eine bessere Charakterisierung ist aber aufgrund der Unzugänglichkeit des Grubengebäudes nicht
möglich.
Das Ansteigen des Grubenwasserspiegels wurde nicht als hydro-mechanisch gekoppelte Simulation
durchgeführt, sondern in der mechanischen Simulation als zusätzlicher hydrostatischer
Spannungsterm eingebracht. Der additive Spannungsterm
p
berechnet sich für jede Zone
i
im
gefluteten Grubengebäude mittels folgender Gleichung:
ww
**
i
, i
∆=
p
ρ
g h
(4)
wobei
ρ
W
die Dichte des Wassers,
g
die Schwerebeschleunigung und
h
w
, i
die Höhe der Wassersäule
über der Zone
i
ist. Die Hebungen an der Geländeoberfläche werden auf dieser Grundlage für jeweils
diskrete Grubenwasserstände berechnet (Abbildung 7).
Die gewählten Flutungsschritte für die numerische Simulation wurden entsprechend den zur
Verfügung stehenden Hebungsdaten festgelegt. Zusätzlich wurden die Hebungsraten in 4-Jahres-
Intervallen vor 1996 bzw. nach 2018 simuliert. Dabei wurde ein gleichbleibend linearer
Grubenwasseranstieg angenommen. Zum jetzigen Zeitpunkt ist eine detaillierte Prognose für den
Flutungsverlauf in der Endphase (oberen 70 - 100 m) allerdings nicht zuverlässig möglich. Abbildung 7
zeigt den gemessenen und in der numerischen Simulation angenommenen Flutungsverlauf, Tabelle 4
gibt einen Überblick über die gewählten Simulationsschritte. Neben der numerischen Lösung wurde
zusätzlich der in Abschnitt 2 beschriebene analytische Ansatz auf das Revier Lugau-Oelsnitz
angewendet, um einen Vergleich mit der numerischen Lösung durchführen zu können.
Abbildung 7:
Messdaten der Grubenwasserstände mit den extrapolierten Grubenwasserständen für die
numerische Simulation.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
31
Tabelle 4:
Schritte der numerischen Simulationsrechnungen.
Jahr
Grubenwasser-
stand / m
Hebungsdaten
1996
-155
Nivellement
2002
-86
Nivellement
2006
-41
Nivellement
2014
50
InSAR
2018
96
2022
141
2026
187
2030
232
2034
278
2038
324

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
32
5.
Ergebnisse und Diskussion
5.1. Ergebnisse der Testreihen zur Kalibrierung
Die Ergebnisse der simulierten flutungsinduzierten Gesamthebungen der Testreihe E1 – E3, mit einer
50 m mächtigen Auflockerungszone, sind in Abbildung 8 als Konturplots dargestellt. Bei einer
maximalen Deckgebirgssteifigkeit von 20 GPa treten lediglich maximale Hebungen von circa 36 mm
(E1) auf. Verringert sich die Steifigkeit des Deckgebirges vergrößern sich die maximalen Hebungen auf
circa 51 mm (E2) und 67 mm (E3). Die Ergebnisse zur Testreihe der Verbruchhöhe sind in Abbildung 9
zu sehen. Hier steigern sich die maximalen Hebungen von circa 15 mm bei Modell V1, über 51 mm (V2)
und 112 mm (V3) bis hin zu 170 mm im Modell V4. Somit wird deutlich, dass ein weniger steifes
Deckgebirge (und Alter Mann) und eine mächtigere Auflockerungszone zu größeren Hebungen an der
Geländeoberkante führen.
a)
b)
c)
Abbildung 8:
Gesamthebungen der Testreihe E1 - E3.
a)
b)
c)
d)
Abbildung 9:
Gesamthebungen der Testreihe V1 – V4.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
33
5.2. Ergebnisse der Hebungsprognose
Abbildung 10 zeigt die, aus der finalen numerischen Simulation (Parameter aus Tabelle 1)
resultierenden Hebungsraten (Kontur-Darstellung), im Vergleich zu den gemessenen Hebungswerten
(Punkte). Die Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung in Bezug auf die zeitliche Entwicklung
der Hebungsbereiche sowie der einzelnen Hebungsmaxima. Insbesondere die Ausweitung der höheren
Hebungsraten Richtung Süden und Südosten kann mit der numerischen Simulation gut reproduziert
werden. Diese Verschiebung der Hebungsmaxima ist durch die flachere Lage der südlichen und
östlichen Abbaubereiche zu erklären und im Modell gut verifizierbar. Nach der Flutung der meisten
Abbaue im südlichen Bereich hat sich die Ausdehnung des Hebungsgebietes wieder verlangsamt
(s. Abbildung 10d). Die maximalen Hebungsraten liegen in der numerischen Simulation und den
Messungen zwischen 2 und 4 mm/a.
Abbildung 10:
Hebungsraten der numerischen Simulation (Kontur) und Monitoringdaten (Punkte) für den
Untersuchungszeitraum 1996 - 2018.
Auf Grundlage der bereits beschriebenen Flutungsschritte wurden die Hebungsraten in 4-Jahres
Intervallen bis zum ungefähren, final möglichen Grubenwasserstand (324 m NN) berechnet (Abbildung
11). Das Erreichen des finalen Flutungspegels ist aber sehr spekulativ. Kowarik et al. (2018) gehen
hierbei aus Sicherheitsgründen z.B. von einem maximal anzustrebenden Grubenwasserstand von 300
m NN aus. Eine Diskussion der potenziellen Auswirkungen des Grubenwasseranstiegs auf die
oberflächennahen (70 m bis 100 m unter GOK) Bereiche und mögliche Risiken, bzw. anzustrebende
Sicherheitsmaßnahmen, werden ebenfalls von Kowarik et al. (2018) aufgeführt. Unter der Annahme
des weitergehend linearen Flutungsvorgangs, sind zukünftig nur sehr geringfügige Erhöhungen der
Hebungsraten zu erwarten (Abbildung 11). Zudem wird sich das Hebungsgebiet weiterhin langsam
Richtung Osten ausdehnen. Der genaue Hebungsverlauf im östlichen Randgebiet des Reviers ist aber
aufgrund der sehr unvollständigen Abbaudaten aus diesen Bereichen und den bereits genannten
schwer vorhersehbaren Vorgängen in den obersten 70-100 m hoch spekulativ.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
34
Abbildung 11:
Modellierte jährliche Hebungsraten für verschiedene Flutungsintervalle (s. Tabelle 4).
Die auftretenden Gesamthebungen der numerischen Simulation sind in Abbildung 12a dargestellt. Die
maximalen Hebungen treten demzufolge im nordwestlichen Grubengebiet auf, welches einen Großteil
der tiefsten Abbaue beinhaltet. Die dortigen höheren Hebungswerte sind auf die große Tiefenlage und
den damit verbundenen höheren Porenwasserdruck gegenüber den flacheren südlichen
Abbaubereichen, zurückzuführen. Dabei werden maximale Hebungen von circa 15 cm erreicht. Dieser
Wert stehen in guter Übereinstimmung mit den Hebungsmessungen in anderen Revieren (Bekendam,
2017), (Heitfeld, et al., 2016), (Heitfeld, et al., 2015)
Die analytische Lösung (Abbildung 12b) ergibt eine ähnliche Verteilung der Hebungen, mit den drei
ausgebildeten Hebungsmaxima. Jedoch überschätzt die analytische Lösung die Hebungswerte. Im
Vergleich zu den Hebungsraten im numerischen Modell und den Messungen, treten bei der Sroka-
Preuße-Lösung höhere Raten zwischen 2 und 5 mm/a auf, was die höheren Gesamthebungen erklärt.
Das numerische Modell bildet somit in guter Näherung die durch Monitoringdaten belegbaren
Hebungsraten ab und liefert plausible Gesamthebungen. Die Ergebnisse liefern Aussagen über
großräumige Hebungsverteilungen. Aussagen über lokale Ereignisse bspw. an Tagesschächten oder
Störungen sind nicht möglich. Die Hebungsprognose ist daher aufgrund der getroffenen Annahmen für
den E-Modul, die Höhe der Verbruchzone etc. mit erhöhten Unsicherheiten behaftet. Dies ist auf die
äußerst begrenzte Datengrundlage zurückzuführen.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
35
a)
b)
Abbildung 12:
Gesamthebungen der numerischen Lösung (a) und analytischen Lösung (b).
6.
Schlussfolgerungen
Die numerische Simulation der durch den Grubenwasseranstieg verursachten Hebungen hat folgendes
gezeigt:
Auch bei sehr begrenzter Datenlage können die grubenwasserbedingten Hebungsvorgänge
über einem stillgelegten Steinkohlebergwerk gut modelliert werden. Dazu wurde ein
vergleichsweise einfacher Simulationsansatz verwendet, welcher auch ohne größere
Kenntnisse der hydraulischen Eigenschaften und Bedingungen im Abbau plausible Ergebnisse
erzeugt.
Der gewählte Ansatz ist für komplexe Geometrien der Geologie und Abbaue, vor allem bei
starken Neigungen der Flöze gut geeignet. Die erzielten Ergebnisse sind vor allem gegenüber
den vorgestellten analytischen auf Superposition beruhenden Verfahren plausibler.
Aufgrund der getroffenen Annahmen (E-Modul Deckgebirge, Verbruchhöhe, etc.) sind die Ergebnisse
mit erhöhten, schwer quantifizierbaren Unsicherheiten behaftet. Zudem geben die hier
durchgeführten Untersuchungen nur Aufschluss über die großräumigen Hebungswirkung tieferer
Abbaubereiche im nicht verwitterten Gebirge. Die Auswirkungen des Grubenwasseranstiegs auf die
obersten 70 – 100 m unterhalb der Geländeoberkante können in diesem groß-skaligen Modell nicht
berücksichtigt werden. Bei einer Änderung der Geschwindigkeit des Grubenwasseranstieges muss
dieses Modell ebenfalls neu bewertet werden. Für eine detailliertere numerische Simulation sind
folgende Aspekte zu berücksichtigen:
Für eine genauere Hebungssimulation ist eine flächendeckende Langzeitüberwachung der
Wasserstände im Grubengebäude, aber auch der zeitlichen Grundwasserstandsänderungen
im Deckgebirge empfehlenswert. Dies ist besonders zur besseren Einschätzung der
Hebungswirkung des Deckgebirges notwendig.
Ein konsistentes geometrisches Modell des Untergrundes bzgl. der geologischen Strukturen
aber auch des Grubengebäudes (inkl. Abbaumächtigkeiten und Versatzsituation) ist notwendig
um die Hebungen vollständig abbilden und nachvollziehen zu können.

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36
Danksagung
Die Untersuchungen wurden durch den Europäischen Fond für regionale Entwicklung (EFRE) und den
Freistaat Sachsen im Rahmen von “Interreg V A – SN-CZ 2014-2020” (Projektname: “GeoMAP”;
Projektnummer 100348899) finanziert. Ein Dank geht an alle beitragenden Projektpartner. Ein
spezieller Dank geht an David Gee (University of Nottingham) für das Prozessieren und zur Verfügung
stellen der InSAR-Daten.
Literaturverzeichnis
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Aspekte für ein Rahmenkonzept zu "Bergbaunachfolgen des ehemaligen Steinkohlereviers Lugau-Oelsnitz /
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Altlasten- und Bergschadenskondliche Kolloquium: "Ende des subventionierten Steinkohlenbergbaus - aktueller
Stand und langfristige Entwicklungen". Aachen, 11.-12.06.2017. GDMB (Schriftenreihe der GDMB, 112), S. 49–
58.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
38
Grubenwassergeothermie als innovative Energiequelle
– Bergbaufolgegebiete positiv nutzen –
L. Oppelt, S. Pose, T. Grab, T. Fieback
TU Bergakademie Freiberg, Lehrstuhl für technische Thermodynamik
Keywords:
Grubenwasser, erneuerbare Energie, Geothermie, Heizen, Kühlen, Wärmepumpe
Zusammenfassung
Stillgelegte Bergwerke bieten eine Möglichkeit zur regenerativen Energiebereitstellung. Aufgrund
ganzjährig nahezu konstanter Temperaturen und der großen Gesteinsflächen als wärmeübertragende
Flächen ist Grubenwasser ideal zum Heizen und Kühlen einsetzbar.
Es wird ein Überblick über die grundlegende Technologie und den aktuellen Status quo bestehender,
geplanter und stillgelegter Anlagen gegeben. In Sachsen und Tschechien konnten 12 aktive Anlagen
recherchiert werden. Sowohl in Sachsen als auch in Tschechien bestehen weitere Potenziale
Grubenwasser energetisch zu nutzen, z.B. in Mariánské Radčice wo jährlich etwa 11 GWh Heizwärme
an einer Pumpstation genutzt werden könnten.
Eine Herausforderung bei der energetischen Nutzung von Grubenwasser besteht darin, dass aufgrund
der Mineralisation des Grubenwassers Ablagerungen im Wärmeübertrager zwischen Grubenwasser-
und Zwischenkreislauf entstehen. Die Effizienz der Anlage wird dabei wesentlich reduziert. Im Projekt
GeoMAP wurde deshalb ein Wärmepumpenversuchsstand entwickelt womit mögliche
Gegenmaßnahmen in unterschiedlichen Bergwerksregionen untersucht werden können. Dabei
wurden verschiedene Materialien und Oberflächen in In-situ-Versuchen erprobt, die besten Ergebnisse
lieferte dabei u.a. eine Silber-Nano-Beschichtung die dafür sorgt, dass sich weniger Ablagerungen auf
der Wärmeübertragerplatte bilden.
1.
Einleitung
Seit September 2016 arbeiten deutsche und tschechische Firmen und Forschungseinrichtungen in den
im Rahmen des Kooperationsprogramms des Freistaates Sachsen und der Tschechischen Republik
durch die Europäische Union geförderten Projekte VODAMIN II (SAB-Antragsnummer: 100304269) und
GeoMAP (SAB-Antragsnummer: 100348899) gemeinsam an Themen zum grenzübergreifenden
Gewässerschutz sowie dem Gefährdungs- und Nutzungspotenzial von Grubenwässern. Diese haben
meist ein ganzjährig nahezu konstantes Temperaturniveau und sind damit perfekt zum Heizen und
Kühlen geeignet. In Abhängigkeit vom Standort bestehen dabei verschiedene Möglichkeiten das
Grubenwasser zu entnehmen, so kann z.B. im Ruhrgebiet das zum Grundwasserschutz nach oben
gepumpte Grubenwasser direkt geothermisch genutzt werden. An anderen Standorten z.B. in Freiberg
besteht die Möglichkeit Grubenwasser aus Entwässerungsstollen zu nutzen. Ein Überblick möglicher
Entnahmestellen ist ebenso wie mögliche Einleitungsstellen und potenzielle Nutzer in Abbildung 1
dargestellt. Außerdem ist in dieser Abbildung das Grundprinzip einer Grubenwassergeothermieanlage
gezeigt. Das warme Grubenwasser wird dabei zunächst zu einem Wärmeübertrager gepumpt, um den
Pumpaufwand zu reduzieren befindet sich dieser häufig unter Tage. In diesem Wärmeübertrager wird
das Grubenwasser dann abgekühlt und die so entzogene Wärme an ein Fluid im Zwischenkreislauf
übertragen. Das so abgekühlte Grubenwasser wird dann z.B. in einen Entwässerungsstollen
zurückgeführt. Das Fluid im Zwischenkreislauf das die Wärme aufgenommen hat, wird als
geschlossenes System umgewälzt, wodurch der elektrische Aufwand geringgehalten wird. Die Wärme

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
39
wird über den Zwischenkreislauf zum Heizkreislauf geführt und kann bei ausreichend hoher
Grubenwassertemperatur direkt zum Heizen eingesetzt werden. In den meisten Fällen muss das
Temperaturniveau jedoch noch durch eine Wärmepumpe erhöht werden. Die Nutzung von
Grubenwasser zum Kühlen erfolgt nach dem gleichen Prinzip, nur, dass die Wärme dem zu kühlenden
Gebäude entzogen wird und dann über den Wärmeübertrager an das Grubenwasser abgegeben wird,
das sich demzufolge im Kühlbetrieb erwärmt. Das beschriebene Prinzip mit Zwischenkreislauf ist der
weltweit am häufigsten umgesetzte Aufbau (Grab et al. 2018). Weitere mögliche Systeme, z.B. ein
geschlossener Kreislauf werden bei (Grab et al. 2018) näher beschrieben.
Abbildung 1
:
Grundprinzip Grubenwassergeothermie sowie mögliche Entnahme-, Einleitungsstellen und
potenzielle Nutzer (nach Oppelt et al. 2020a).

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
40
2.
Status quo Grubenwassergeothermie
Seit den 80er Jahren werden stillgelegte Bergwerke energetisch genutzt, eine der ersten Anlagen
entstand z.B. 1981 in Kingston (Pennsylvania) und dient zur Beheizung eines Freizeitzentrums (Korb
2012). Ein Überblick über aktuell aktive, stillgelegte, im Bau befindliche Anlagen und Studien für Europa
und Nordamerika gibt Abbildung 2. Außerhalb dieser Gebiete konnte weltweit nur eine Anlage in China
recherchiert werden (Guo et al. 2017). Es wird also deutlich, dass sich die energetische Nutzung von
Grubenwasser bisher im Wesentlichen auf Deutschland, Großbritannien und die USA, bzw. Kanada
beschränkt. Details zu den einzelnen Anlagen weltweit wurden von Grab et al. (Grab et al. 2018) und
Oppelt et al. (Oppelt et al. 2021a) veröffentlicht.
Abbildung 2:
Übersicht Grubenwassergeothermieanlagen in Europa (oben) und Nordamerika (unten)
(Anlagen in Betrieb
,Anlagen nach Betrieb stillgelegt , Anlagen in Bau/ Planung/ Studie
) (nach (Grab
et al. 2018).

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
41
Innerhalb Deutschlands konzentrieren sich die realisierten Anlagen und Studien auf die beiden großen
Bergbauregionen: das Erzgebirge und das Ruhrgebiet. Dabei stehen zehn der insgesamt 18 aktiven
Anlagen in Deutschland im Erzgebirge. Der Strukturwandel ist dort bereits stärker fortgeschritten,
einige Anlagen wie die in Ehrenfriedersdorf laufen bereits seit den 90er Jahren (Oppelt et al. 2020b).
Zudem befindet sich derzeit auch die einzige deutsche Anlage im Bau in Sachsen: im ehemaligen
Uranrevier Königstein in der sächsischen Schweiz wird aktuell eine Anlage zur Beheizung eines
Betriebsgebäudes errichtet (Jenk 2020). Im Rahmen des Projektes GeoMAP liegt ein besonderes
Augenmerk auf der Nachsorge und Nachnutzung von Bergwerken in Sachsen und Tschechien, einen
Überblick über die dort aktuell bestehenden Anlagen liefert Tabelle 1:
Tabelle 1:
Standorte und Kennwerte der realisierten Grubenwassergeothermieanlagen in Sachsen und
Tschechien (SN=Sachsen, CZ=Tschechien).
Ort
Name
Abnehmer
Ressource
Heizleistung
in kW
Quelle
Bad Schlema
(SN)
Grube Schlema-
Albenroda
Schule
Uran
200
(Debes 2012; Ramos et
al. 2015; Vater 2012;
Wismut GmbH 2012)
Bad Schlema
(SN)
Projekt „Leon“
Wohngebäude
Uran
-
(Debes 2012;
Landesamt für Umwelt,
Landwirtschaft und
Geologie 2012; Vater
2007; Vater 2012)
Ehrenfriedersdo
rf (SN)
Nord-West-Feld
Schule
Zinn
95
(Debes 2012;
Lagerpusch K.
04.02.10; Wieber and
Ofner 2008)
Ehrenfriedersdo
rf (SN)
Revier Sauberg
Museum,
Bürogebäude
Zinn
120
(Kissing 2009;
Lagerpusch K.
04.02.10; Raube 2012;
Wieber and Ofner
2008)
Freiberg (SN)
Alter Fürsten-
stollen
Schloss
Freudenstein
Silber
130
(Batchelor et al. 2015;
Hall et al. 2011;
Lagerpusch K.
04.02.10)
Freiberg (SN)
Reiche Zeche
Universität
Silber
200
(Bauconzept Dresden
GmbH; Grab et al.
2010; Staatsbetrieb
Sächsisches
Immobilien- und
Baumanagement 2013)
Freiberg (SN)
Rothschönberger
Stolln
Krankenhaus
Silber
860
(Johnson Controls;
Ulbricht 2013)
Marienbad (CZ)
Hachov-Plana
Bergwerks-
gebäude
Uran
550
(Röder 2012, 2015;
Sunbeam GmbH 2013)
Marienberg
(SN)
Wismut-Schacht
302
Freizeitbad
Uran
800-1700
(Lagerpusch K.
04.02.10; Wieber and
Ofner 2008)
Pobershau (SN)
Walfisch-Stollen,
Weiße Villa
Wohngebäude
Zinn
-
(Lagerpusch K.
04.02.10;
Mineralienatlas -
Fossilienatlas 2015)
Pribram (CZ)
Prokop-schacht
Schule,
Bürogebäude
Uran
500
(Myslil and Frydrych
2005; Wolf et al. 2007)
Zwickau (SN)
-
Universität
Steinkohle
600
(Wolf et al. 2007)

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
42
Wie die Tabelle zeigt, ist die energetische Nachnutzung von Bergwerken in Sachsen und Tschechien
aufgrund der vorhandenen Lagerstätten auf ehemalige Uran-Bergwerke fokussiert. Weltweit weisen
dagegen Grubenwassergeothermieanlagen in ehemaligen Kohlebergwerken den größten Anteil auf
(Grab et al. 2018). Durch die Schließung der tschechischen Kohlereviere in den nächsten Jahren werden
sich dort zukünftig umfassende Möglichkeiten der energetischen Nutzung von Grubenwasser ergeben.
Auch die Ergebnisse des Projektes VODAMIN II zeigen: an vielen Standorten in Sachsen und im
nordböhmischen Becken bestehen weitere erhebliche Potenziale zur energetischen Nutzung von
Grubenwasser. Ein möglicher Standort ist dabei die Pumpstation MR1 in Mariánské Radčice im Moster
Becken. Hier muss stündlich ein Volumenstrom von etwa 100 m³ gepumpt werden. Das Grubenwasser
hat dabei stets eine Temperatur von über 25 °C und wird bisher ohne weitere Nutzung in ein
Oberflächengewässer abgeführt. Bei einer angenommenen Abkühlung des Grubenwassers von 27,9 °C
(Durchschnittstemperatur im Rahmen der Messung in VODAMIN II) auf 17 °C gäbe es ein theoretisches
thermisches Potenzial von 11,1 GWh. Dies würde in Abhängigkeit des angenommenen Bedarfs
ausreichen, um fast die gesamte Gemeinde Mariánské Radčice ganzjährig mit Wärme zu versorgen
(Oppelt et al. 2020c). Die theoretisch verfügbare Spitzenlast liegt bei 1,3 MW (Oppelt et al. 2020c).
Da sich die Pumpstation etwas außerhalb der Ortslage befindet, wäre ein Transport der Wärme
erforderlich, was zu geringen Verlusten führen wurde. Aus diesem Grund wurde auch die Möglichkeit
betrachtetet, die Wärme unmittelbar in der Umgebung der Pumpstation zu nutzen, z.B. durch
Gewächshäuser. Ein neu gebautes Gewächshaus benötigt, unter aktuellen Standards, eine Spitzenlast
an Heizenergie von rund 150 W/m² (BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.
2018; Seidl 2020), das bedeutet mit der verfügbaren Spitzenlast könnten Gewächshäuser mit einer
Gesamtfläche von 0,87 ha vollständig regernativ beheizt werden. Mit der theoretischen Energiemenge
von 11,1 GWh wäre es möglich Tomatengewächshäuser mit einer Fläche von 31 ha zu versorgen. Bei
Kalthäusern für z.B. Kopfsalat oder Spinat, die weniger Wärme benötigen, wäre eine theoretische
Fläche von 258 ha möglich. Spitzenlasten müssten dann über andere Energieträger, z.B. Erdgas oder
Solarthermie bereitgestellt werden.
3.
Ineffizienter Anlagenbetrieb durch Fouling
Eine zentrale Herausforderung bei Grubenwassergeothermieanlagen besteht in der Bildung von
Ablagerungen und Verschmutzungen durch im Grubenwasser mitgeführte Frachten und Bakterien
(Fouling). Durch die Installation eines Zwischenkreislaufs werden zwar Verschmutzungen in der
Wärmepumpe verhindert, bilden sich aber stattdessen im Wärmeübertrager, wodurch der
Druckverlust steigt und die übertragene Wärmemenge reduziert wird. Im Regelfall sind die
Wärmeübertrager deshalb als Plattenwärmeübertrager ausgeführt, und können so geöffnet und
gereinigt werden, was aber stets mit entsprechendem Wartungsaufwand und –kosten verbunden ist.
Erschwerend kommt hinzu, dass die Wärmeübertrager oft untertage installiert sind, was Aufwand und
Kosten noch weiter erhöht. In Abbildung 3 ist der Verlauf des Druckverlustes über den
Wärmeübertrager für einen Zeitraum von 4 Monaten dargestellt. Innerhalb dieses Zeitraums musste
dieser zweimal chemisch und mechanisch gereinigt werden. Bei einer einzelnen mittelgroßen Anlage,
z.B. dem Kreiskrankenhaus Freiberg können dabei durch Fouling jährlich Verluste von bis zu 250.000 €
entstehen (Oppelt et al. 2021b).

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
43
Abbildung 3:
Druckverlust über den Wärmeübertrager an der Grubenwassergeothermieanlage Reiche Zeche
(Betrachtungszeitraum 02.11.2015-01.03.2016).
Die Wärmeübertragerplatten können zwar nach einer Demontage gereinigt werden, was temporär zu
einer Verbesserung führt, der Ursprungszustand wird jedoch nicht wieder erreicht. Dies zeigt der
Vergleich einer unbenutzten, verschmutzten und nach einer Verschmutzung gereinigten
Wärmeübertragerplatte in Abbildung 4.
Abbildung 4:
Gegenüberstellung einer unbenutzten, verschmutzten und gereinigten Wärmeübertragerplatte.
Durch die Problematik des Foulings wird die Anlageneffektivität wesentlich beeinflusst. Es kann nicht
ganzjährig die geplante Energiemenge aus dem Grubenwasser entnommen werden, zudem entstehen
durch Reinigungs- und Wartungsarbeiten Stillstandszeiten. Hier müssen Maßnahmen entwickelt und
erprobt werden um das Fouling zu reduzieren oder zumindest eine leichtere und vollständige
Reinigung zu ermöglichen. Die Ergebnisse des Projektes VODAMIN II zeigten, dass sich die
Ablagerungen auf den Platten standortabhängig stark unterscheiden. Das heißt mögliche Maßnahmen
müssen standortspezifisch getestet werden. Um eine Unabhängigkeit von Anlagenbetreibern und
Standorten mit realen Anlagen zu ermöglichen, wurde ein mobiler Wärmepumpenversuchsstand
entwickelt (siehe Abbildung 5).
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
02.11.
22.11.
12.12.
01.01.
21.01.
10.02.
01.03.
Druckdifferenz Wärmeübertrager in bar
Reinigung (chemisch + mechanisch)

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
44
Abbildung 5:
Wämepumpenversuchsstand zur Durchführung von Forschungen zur Reduktion von Fouling in
Wärmeübertragern bei der energetischen Grubenwassernutzung (links: Foto, rechts: 3D-Modell).
Dieser Versuchsstand stellt eine Grubenwassergeothermieanlage im Labormaßstab dar. Die
Wärmeübertragerplatten können flexibel getauscht und auf Ablagerungen untersucht werden.
Außerdem wurde der Versuchsstand so konzipiert, dass sowohl der Heiz- als auch der Kühlbetrieb
untersucht werden kann. Dafür wird der Grubenwasservolumenstrom geteilt und dann in einem
Wärmeübertrager abgekühlt (Heizbetrieb) und in dem anderen Wärmeübertrager erwärmt
(Kühlbetrieb). Anschließend werden die Volumenströme wieder vereint, wodurch sich die
Grubenwassertemperatur im Vergleich zum Eintritt in den Versuchsstand nur geringfügig erwärmt
(bedingt durch elektrischer Aufwand Wärmepumpe). Diese Randbedingung muss aus
Umweltschutzgründen an einzelnen Standorten sichergestellt werden.
Eine erste Versuchsreihe wurde im Sommer 2020 an der Pumpstation MR1 in Mariánské Radčice
durchgeführt. Wie oben beschrieben, wurde an diesem Standort ein hohes energetisches Potenzial
identifiziert, weshalb (Vor-)Untersuchungen für einen effizienten Anlagenbetrieb von großem
Interesse sind. Zur Charakterisierung des Standortes wurden in den Projekten VODAMIN II und
GeoMAP insgesamt dreimal Wasserproben entnommen. Die Zusammensetzungen sind dabei
vergleichbar, nur die Milieuwerte weisen geringe Unterschiede auf. Die Wassertemperatur schwankt
zwischen 25 und 28 °C. Die pH-Werte liegen mit 6,5 bis 8,0 im neutralen Bereich. Das Grubenwasser
weist mit 0,8 mS/cm eine mäßige Mineralisation auf, was durch die Bestimmung der Element- und
Anionenkonzentrationen (Tabelle 2) bestätigt wird. Neben den zu erwartenden (Erd-)Alkali-Ionen
sowie Cl- und TIC und Fe und Si, sind die anderen Bestandteile nur im µg/L-Bereich zu finden bzw.
unterhalb der Nachweisgrenze.
Tabelle 2:
Konzentrationen von ausgewählten Kat- und Anionen im Grubenwasser an MR1.
Sulfat
mg/L
Chlorid
mg/L
TIC
mg/L
Ca
mg/L
Fe
mg/L
K
mg/L
Mg
mg/L
Na
mg/L
Si
mg/L
MR1 unfiltriert
< 5
26,3
171
32,4
4,57
12,1
12,9
92,7
14,9

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
45
Von der Probenahmestelle wurden verschieden filtrierte Proben abgefüllt, um ableiten zu können, ob
im Wasser eventuell kolloidalgebundene Elemente/ Schwermetalle vorliegen, die eine Gefährdung
hinsichtlich von Ablagerungen in einer Grubenwasseranlage darstellen könnten. Aluminium, Kupfer,
geringe Mengen von Eisen sowie Zink könnten so ein Potential liefern (siehe auch Abbildung 6 (rechts)).
Auch wenn es sich nur um geringe Differenzen handelt, kann bei großen Wassermengen daraus eine
größere und relevante Masse an Ablagerungen resultieren. Auch der, im Vergleich zu den anderen
Projektstandorten in VODAMIN II, hohe TIC könnte eine Rolle beim Foulingprozess spielen, da bspw.
Carbonate ausfallen.
Abbildung 6:
Milieuparameter (links) sowie Elementgehalte verschiedener Filterstufen (rechts) der Pumpstation
MR1 (ELF=elektrische Leitfähigkeit) (Oppelt et al. 2020c).
Erste Recherchen zu möglichen Materialien und Oberflächen die Fouling reduzieren könnten, wurden
ebenfalls im Projekt VODAMIN II durchgeführt, aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden acht
verschiedene Materialien, bzw. Beschichtungen für die erste Versuchsreihe an der Pumpstation MR1
ausgewählt. Diese sind in Tabelle 3 aufgeführt.
Tabelle 3:
Übersicht der während der ersten Versuchsreihe im Versuchsstand eingesetzten Oberflächen und
Materialien.
Materialnummer
Kennzeichnung
1.4401
X5CrNiMo17-12-2
2.4819
NiMo16Cr15W
2.4675
NiCr23Mo16Cu
1.4301
X5CrNi18-10
3.7025
JIS H4600 TR270C (Titan)
1.4539
X1NiCrMoCu25-20-5
1.4547
X1CrNiMoCuN20-18-7
1.4401
X5CrNiMo17-12-2 (Nano-Ag-Beschichtung)
Um einen möglichen Effekt der Materialien und Oberflächen auf das Fouling zu quantifizieren wurde
eine Methode der optischen Bildauswertung erarbeitet. Die Methodik ist vereinfacht in Abbildung 7
dargestellt. Zunächst wird das Foto der einzelnen Platten in Graustufen eingefärbt und anschließend
alle Bereiche die unterhalb eines Graustufen-Grenzwertes liegen rot eingefärbt, dies umfasst damit
alle Bereiche der Platte die nicht verschmutzt sind. Als weiterer Kennwert wir die Stärke der
Verschmutzung betrachtet, dabei wird die Platte in Abhängigkeit der Dicke der Ablagerungen
(dunklere Graustufe=dickere Ablagerung) eingefärbt. Die Farbskala reicht von gelb (dünne
Ablagerungen) über rot bis zu schwarz (dicke Ablagerungen).

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
46
Abbildung 7:
Methodik zur Auswertung der Fotos der Versuche mit dem Wärmepumpenversuchsstand.
Der Grenzwert für den Verschmutzungsgrad wurde auf Basis einer neuen unverschmutzten Platte
ausgelegt. Das Verhältnis zwischen verschmutzter (grau/schwarz) und unverschmutzter (rot) Fläche
stellt den Verschmutzungsgrad dar, der dann einen Vergleich der Materialien und Oberflächen
ermöglicht. Je niedriger dieser Wert umso besser ist die Anti-Fouling-Wirkung der Oberfläche.
Die Ergebnisse des Verschmutzungsgrades für den Heizbetrieb sind in Abbildung 8 dargestellt. Die
besten Ergebnisse liefern dabei die folgenden Oberflächen und Materialien:
NiMo16Cr15W
NiCr23Mo16Cu
JISH4600TR270C (Titan)
Silber-Nano-Beschichtung
Abbildung 8:
Vergleich des Verschmutzungsgrades für die im Rahmen der ersten Testreihe an MR1 eingesetzten
Materialien und Oberflächen (Heizbetrieb).
Der Vergleich zu den Ergebnissen zur Untersuchung des Kühlbetriebes (Abbildung 9) zeigt, dass dort
bei fast allen Oberflächen eine stärkere Verschmutzung auftritt als beim Heizen. Dies zeigt auch der
mittlere Verschmutzungsgrad über alle eingesetzte Materialien und Oberflächen: beim Kühlen liegt er
bei knapp 75 %, beim Heizen bei etwa 68 %. Jedoch erreichen die gleichen vier Oberflächen und
Materialien wie beim Heizbetrieb die niedrigsten Verschmutzungsgrade.
0
20
40
60
80
100
Verschmutzungsgrad in %

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
47
Abbildung 9:
Vergleich des Verschmutzungsgrades für die im Rahmen der ersten Testreihe an MR1 eingesetzten
Materialien und Oberflächen (Kühlbetrieb).
Ein Vergleich der Stärke der Verschmutzung zwischen NiMo16Cr15W und der Silber-Nano-
Beschichtung zeigt, dass bei NiMo16Cr15W die Verschmutzung nicht gleichmäßig auf der Platte verteilt
ist. Der niedrige Verschmutzungsgrad resultiert hier im Wesentlichen aus der nahezu unverschmutzten
Fläche unten rechts (Abbildung 10a). Bei der Silber-Nano-Beschichtung ist die Verschmutzung
gleichmäßiger verteilt und insgesamt weniger stark ausgeprägt, was einen positiven Einfluss auf die
übertragbare Wärmemenge haben könnte. Diese Unterschiede müssen in weiteren Versuchen
detaillierter untersucht werden.
Abbildung 10:
Gegenüberstellung der Verschmutzungen auf den Wärmeübertragerplatten
(Verschmutzungsgrad der konkreten Platte) aus NiMo16Cr15W und mit Silber-Nano-Beschichtung (Kühlbetrieb).
0
20
40
60
80
100
Verschmutzungsgrad in %

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
48
4.
Zusammenfassung und Ausblick
Grubenwassergeothermie stellt eine innovative und regenerative Alternative für die Bereitstellung von
Heiz- und Kühlenergie dar. Weltweit existieren aktuell 42 Anlagen und an weiteren Standorten wurden
konkrete Potenzialstudien erstellt und teilweise mit dem Bau begonnen. Dennoch bestehen weiter
erhebliche ungenutzte Potenziale, z.B. im Erzgebirge auf sächsischer und tschechischer Seite. So
werden an der Pumpstation MR1 in der Nähe von Mariánské Radčice (CZ) stündlich 100 m³ warmes
Grubenwasser gepumpt, die ausreichen würden um die naheliegende Gemeinde ganzjährig zu einem
großen Anteil mit Wärme zu versorgen. Alternativ könnten theoretisch auch Gewächshäuser (z.B. für
Kopfsalat und Spinat) mit einer Fläche von bis zu 258 ha mit Wärme versorgt werden. Doch bei der
energetischen Nutzung von Grubenwasser besteht u.a. auch ein Problem durch die Bildung von Fouling
im Wärmeübertrager. Durch Ablagerungen, die sich aufgrund von im Grubenwasser mitgeführten
Frachten auf den Wärmeübertragerplatten bilden, wird die übertragene Wärmemenge erheblich
reduziert und der Druckverlust steigt. Dadurch leidet die Effizienz der Anlage und es sind regelmäßige
Reinigungen notwendig, was Stillstandszeiten verursacht. Um Möglichkeiten zur Reduktion dieses
Foulings zu untersuchen, wurden In-situ-Versuche mit verschiedenen Materialien und Oberflächen in
einem Versuchsstand (Grubenwassergeothermianlage im Labormaßstab) durchgeführt. Der
Versuchsstand wurde dabei an der Pumpstation MR1 installiert. Es zeigte sich, dass eine Erwärmung
des Grubenwassers (Kühlbetrieb, Verschmutzungsgrad=75 %) an diesem Standort zu etwas stärkeren
Verschmutzungen führt als beim Abkühlen (Heizbetrieb, Verschmutzungsgrad=68 %). Unabhängig vom
Betriebsmodus wurden die besten Ergebnisse an zwei Edelstählen, Titan und einer Silber-Nano-
Beschichtung erzielt. Zukünftige Untersuchungen an weiteren Standorten und mit weiteren
Materialien und Beschichtungen werden zeigen in wie weit sich diese Ergebnisse bestätigen.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
49
Literaturverzechnis
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Bergakademie Freiberg Geothermische Anlage zur Nutzung des Energiepotenzials des Rothschönberger Stolln
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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
51
Die Ausnutzung ausgewählter Methoden des geotechnischen Monitorings
unter Feldbedingungen
J. Mališ, M. Klempa, J. Šancer, V. Zubíček
VŠB – Technische Universität Ostrava, Tschechische Republik
Zusammenfassung
Ein Phänomen der letzten Jahre ist in der Tschechischen Republik das schrittweise Einschränken des
Untertage- und auch des Übertageabbaus von Kohle. Bestandteil der Sanierung der Abbaufolgen ist
eine Umwandlung der Postbergbaulandschaft in eine Form, in der sie wieder für das Leben, die
Landwirtschaft, das Wohnen und die Industrie nutzbar gemacht wird. Diese Transformation ist ein
durch viele Faktoren beeinflusster langfristiger Prozess. Wichtig ist dabei die Festlegung vieler
Umweltschutzparameter, welche bei der Bestimmung des Ausmaßes der Landschaftsstörung helfen.
Zu diesen Parametern gehören die geologischen Bedingungen des Gebiets - die Beeinträchtigung des
Oberbodens und der obersten Gesteinsschichten, die hydrogeologischen Bedingungen - die
Grundwasserströmungen, die Geochemie der Böden und Gesteine - oft verbunden mit deren
Kontaminierung, Änderungen des Landschaftsreliefs - Hangbewegungen anthropogener
Aufschüttungen oder das Absenken der Landschaft nach dem Bergbau und viele andere
Erscheinungen.
1.
Einleitung
Im Rahmen der Sanierungs- und Rekultivierungsarbeiten sind unter anderem Kenntnisse aus den
Bereichen Erkundungs- und Bohrarbeiten erforderlich, welche eingesetzt werden, um die
Gesteinsumgebung zu charakterisieren und helfen, außerordentlichen Ereignissen wie z.B.
Bodenrutschungen, Absenkungen, Grundwasseraustritte, Grundwasserableitungen, Entwässerungen
u.a. zu verhindern.
Ziel dieses Berichtes ist es, die Basismethoden geotechnischer Forschungsarbeiten vorzustellen,
welche beim Monitoring der Postbergbaulandschaft in Nordböhmen angewendet werden.
2.
Geotechnische Arbeiten zur Überwachung der Hangstabilität
Gegenwärtig dienen Bohrungen auch als sehr wichtiges Mittel zur Platzierung von Messgeräten zur
Überwachung und Auswertung von Deformationen in der Gesteinsumgebung. Selbstverständlich
werden an diese Bohrungen spezielle Anforderungen gestellt. Nachfolgend wird ein
Methodenkomplex vorgestellt, der die Bohrlochumgebung zur Messung von Hangdeformationen und
-bewegungen nutzt.
Präzisionsinklinometrie,
Porendruckmessungen,
Extensometer (für horizontale und auch vertikale Bohrungen),
spröde Bandleiter,
geoakustische Messungen in den Bohrungen,
Messung der Längsverschiebung an Hängen.
Die zur Überwachung der Stabilität von Felswänden und Hängen verwendeten Bohrlöcher werden mit
üblicher Spindel- und Lafetten-Rotationskernbohrtechnik, einschließlich der Seilkernbohrtechnik,
gebohrt.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
52
An die Bohrung werden hinsichtlich der inklinometrischen Messung keine außerordentlichen
Ansprüche gestellt. Es handelt sich um Bohrungen mit 112 mm bzw. 93 mm Durchmesser. Bei diesen
Bohrungen muss vor allem eine gute Durchgängigkeit, d.h. Geradlinigkeit für das nachfolgende
Einführen der Polyethylenrohre (PE) gewährleistet werden.
Bei inklinometrischen Bohrungen wird das Hauptaugenmerk auf das korrekte Einbringen der
Auskleidung der Bohrung gelegt. Insbesondere müssen folgende Dinge sichergestellt werden:
perfektes Einpassen der Nuten der einzelnen PE-Rohre (dabei muss beachtet werden, dass die
gedachte Ebene zwischen zwei gegenüberliegenden Nuten identisch mit der vorausgesetzten
Hangbewegung ist);
bei vertikalen Bohrungen muss eine maximale Vertikalität der Verrohrung sichergestellt
werden (die Interpretation der Ergebnisse in perfekt vertikalen Bohrungen ist im Gegensatz zu
geneigten Bohrungen nicht fehlerbehaftet);
innere Verschmutzung der PE-Rohre verhindern;
auf Wasserdichtheit der Verbindungen der PE-Rohre achten.
Die letzte Stufe der inklinometrischen Bohrung ist ein ausgerüstetes Bohrloch mit modifiziertem
Bohrlochkopf, bereit für die eigentliche Messung.
Bei den übrigen, in den Bohrungen durchgeführten Überwachungsmethoden (Messen des
Porendrucks, Extensometrie u.a.) sind die grundlegenden Anforderungen an die Bohrung:
gute Durchgängigkeit und Geradlinigkeit,
passender Bohrdurchmesser, sodass eine gute Handhabung der Werkzeuge (Bohrgestänge
oder Injektionsgestänge) beim Einsetzen der Geräte in die Bohrung, bei der Zementierung oder
Umschüttung möglich ist.
Die Messungen erfolgen in Bohrungen, die von der Oberfläche oder in Bergwerken, z.B. in
Erkundungsstollen gebohrt werden. Die Methoden für die Überwachung von Hangdeformationen und
-bewegungen sind auf Abbildung 1 dargestellt
Abbildung 1:
Methoden zur Überwachung von Hangdeformationen und -bewegungen 1 -
Oberflächenextensometer, 2 - Drahtextensometer zur Lokalisierung von Gleitzonen, 3 - Präzisionsinklinometrie,
4 - Kettendeflektometer zur Messung der Quersetzung, 5 - Mehrfachstangenextensometer mit mechanischer
Aufzeichnung, 6 - Deformeter (Bewegungsmessung auf Gleitflächen), 7 - Dynamometer (Messen der
Ankervorspannung), 8 - Schlauchwasserwaage zur Messung horizontaler Bewegungen, 9 – Auswertungseinheit.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
53
2.1. Inklinometrie
Hierbei handelt es sich um die Basismethode für Kontrollüberwachungen und Messungen horizontaler
Bewegungen und Deformationen unter der Oberfläche. Typischerweise kommt sie bei der
Bestimmung von Gleitflächen, der Überwachung der Bewegungsrichtung im Staudammfuß, der
Überwachung von Stützmauern usw. zur Anwendung. Das Prinzip der Methode ist auf Abbildung 2
dargestellt.
Die Bohrung wird mit Kunststoff-Futterrohren mit genauen Führungsnuten ausgekleidet. Anschließend
wird diese Verrohrung zementiert. Das Futterrohr muss bis in eine Tiefe reichen, in dem sich keine
Umformprozesse mehr zeigen, dies bedeutet, dass die Bohrungsbasis bis in die stabile Umgebung
eingreifen muss. Diese Bedingung garantiert, dass die Messergebnisse aus dem unteren Abschnitt der
Bohrung während der periodischen Messungen stabil sind. Nach Einlassen der inklinometrischen
Sonde wird die Nullmessung, also die Referenzmessung, durchgeführt. Es wird in der Regel in Schritten
(Abständen), die im Allgemeinen der Länge der Sonde entsprechen, gemessen. In festgelegten
Zeitintervallen, gegeben durch die Geschwindigkeit der Hangbewegung oder deren wahrscheinlichen
Entwicklung, werden die Messungen in den gleichen Tiefenniveaus periodisch wiederholt. Mithilfe
zweier Neigungssensoren wird die Abweichung von der Senkrechten in zwei zueinander senkrechten
Ebenen A und B gemessen. Es wird in zwei Positionen gemessen (Position 0° und Sondenposition um
180° gedreht). Dadurch wird ein eventueller Ablesefehler ausgeschlossen. Die Neigungsdifferenzen
der Sonde zur Senkrechten in den entsprechenden Tiefen repräsentieren die Neigungsänderung des
Winkels θ, die direkt in eine lineare Verschiebung Δ = L·sin θ überführt wird. Eine progressive
Entwicklung dieser Änderungen indiziert die Gleitfläche der Bewegungszone. Wenn die
Neigungsänderungen (resp. Verschiebungen) in den einzelnen Tiefenniveaus zur Nullmessung
eingetragen werden, erhalten wir die sog. „Deltakurve" Δ. Diese Kurve drückt die relative Verschiebung
der Bohrungsachse im Tiefenniveau aus. Wenn in den einzelnen Tiefenniveaus die Summe der
Neigungsänderungen vom tiefsten Niveau bis zur Oberfläche eingetragen werden, erhalten wir die
Kurve „Summe Delta" ΣΔ, welche die horizontale Deformation angibt. Inklinometer für das Messen der
Hangbewegungen sind um ein Mehrfaches genauer als normale Inklinometer für Tiefenmessungen
(messen in Größenordnungen von Winkelsekunden). Die meisten Geräte arbeiten auf
Gravitationsprinzip, d.h. der Massenbewegung bei Änderung der Ruheposition. Azimutmessungen
werden nicht vorgenommen, da die konstante Sondenposition durch eine Nut im Futterrohr gesichert
ist.
Abbildung 2:
Prinzip der genauen Inklinometrie 1 - Auswertungsgerät, 2 - Kabel, 3 - Sonde, 4 - Bohrung, 5 -
Futterrohr, 6 - Injektionsmischung, 7 - Führungsnut, 8 - Messintervall, 9 - Referenzprofil, 10 - gemessenes Profil.

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54
2.2. Extensometrie
Drahtextensometer werden zur Bestimmung der Größe von Deformationszonen und Störungszonen
im Hangkörper, in unterirdischen Bauten, in Aufschüttungen usw. benutzt.
Der Korpus eines Mehrfachextensometers (Abbildung 3) besteht aus:
Leitanker (Fixierung des Ankersystems vor der Zementierung);
Basisanker, befestigt am Rohr, das den Druck der Einführungsstange übernimmt;
Normalankern (Anzahl nach Messbedarf). Sie befinden sich zwischen dem Basisanker
und dem Messkopf. Sie sind für niedrigere Ankerstufen durchgängig. Jedes
Ankerniveau ist mit dem Kopf des Extensometers verbunden.
Der eigentliche Messkopf besteht aus der zugehörigen Anzahl an inneren Umlenkrollen, welche mit
den Ankerebenen verbundenen sind, den äußeren Umlenkrollen, über welche die einzelnen Drähte
mit Gewicht gespannt werden und aus Messmitteln und Aufnehmern der Verschiebungsgröße.
Abbildung 3:
Schema eines Mehrfachextensometers. 1 - Kopf mit Rollen, 2 - Gewichte, 3 - Verbindungsdraht, 4 -
Normalanker, 5 - Basisanker, 6 - Leitanker, 7 - Injektionsrohr, 8 - Störungszone.
Bei einem Stangenextensometer sind die Drähte durch einen Glasfaserstab ersetzt. Diese Technik
schließt die Probleme der Korrosion bei einem Drahtextensometer aus. Ebenfalls muss auch der Anker
nicht vorgespannt werden, da die Verschiebung der Stange des Extensometers direkt mit
mechanischem Messmittel gemessen wird. Die gesamte Mechanik des Stangenextensometers ist eine
Einheit und erlaubt eine sehr einfache Handhabung, insbesondere ist beim Einsetzen in die Bohrung
kein Bohrwerkzeug erforderlich. Der Stangenextensometer ist in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4:
Stangenextensometer: 1 - Anker, 2 - Zementierung, 3 - Kopf (mechanisches Ablesen der
Stangenbewegung), 4 - Kunststoffdeckkabel, 5 – Gestänge.

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2.3. Dilatometrische Prüfungen
Zweck der Prüfung mit elastischem Dilatometer ist die Messung der Ausdehnung (Umformbarkeit) von
Felsgesteinen (dilatometrische Prüfung von Felsgesteinen, RDT) und Böden (dilatometrische
Bodenprüfung, SDT) auf Grundlage der radialen Ausdehnung eines Bohrungsabschnitts unter
gleichmäßiger radialer Belastung durch eine zylindrische dilatometrische Sonde.
Die Prüfung besteht aus dem Einbringen der Sonde in die Bohrung und dem Messen der radialen
Ausdehnung des Bohrlochs in gewählten Zeitintervallen oder auf semikontinuierliche Weise bei
Applikation eines bekannten Radialdrucks in der Sonde. Die Dilatometersonde ist mit einer
nachgiebigen Membrane ausgestattet. Mit dieser wird durch Öl oder Gas eine Druckbelastung von der
Sonde auf die Bohrungswand übertragen. Die Deformationen der Bohrungswand werden mit drei
elektrischen Sensoren aufgenommen, die in verschiedenen Höhenniveaus, 75 mm voneinander
entfernt und um jeweils 120° zueinander verdreht angeordnet sind. Die Bahnänderungen jedes
Sensors, der vom Mantel der Belastungssonde mitgenommen wird, werden separat abgelesen. Die
Ablesegenauigkeit beträgt 0,025 mm. Mit einem Dilatometer des Typs Socossor kann z.B. ein Druck bis
30 MPa ausgeübt werden, der Tiefenbereich der Sonde beträgt 50 m.
Aus den ermittelten Werten der Deformation und der Belastung wird ein Arbeitsdiagramm erstellt.
Aus dessen Belastungs-, resp. Entlastungszweigen werden die Umformungsmodule und die
Elastizitätsmodule in den einzelnen Richtungen bestimmt.
In spröden oder in lehmigen Felsgesteinen und in zerkleinerten und stark zerklüfteten Formationen,
wo der Kernaustrag für das Erhalten repräsentativer Proben für Laborprüfungen niedrig oder
unannehmbar ist, kann ein zylinderförmiges Dilatometer für die schnelle Erkundung und für den
Vergleich der relativen Umformbarkeit der einzelnen Gesteinsschichten benutzt werden.
Beispiel einer Messeinrichtung für dilatometrische Prüfungen ist das Dilatometer Typ Socossor. Für
diese Prüfung ist eine Kernbohrung mit Durchmesser 101 mm optimal. Die Sonde mit Durchmesser 95
mm hat Deformationsaufnehmer im Bereich bis 25 mm, dies bedeutet eine maximale Dehnung bis
Durchmesser 120 mm. Dennoch ist die Anwendung des Dilatometers in Bezug auf den
Bohrdurchmesser sehr eingeschränkt, da Bohrwerkzeuge mit Durchmesser von 101 mm in Tschechien
nicht gängig sind und der nächste, geläufige Durchmesser von 112 mm in weniger qualitativer
Gesteinsumgebung schon nicht mehr geeignet ist (angesichts der hohen Belastungsdrücke bis 30 MPa).
Die Vorteile der Methode können im Erreichen hochwertiger Angaben über die
Deformationsparameter der Gesteine und Böden und der Schnelligkeit der Prüfung (gegenüber
Laborbedingungen) gesehen werden. Als Nachteile können der teilweise hohe zeitliche Aufwand, die
Technik und die Organisation der Erkundung (wenn sie beim Bohren durchgeführt wird) und die relativ
hohen Kosten genannt werden.
Die Methode kann sehr gut für die Ermittlung der Umformungsparameter von Gesteinen und Böden
in situ auch in größeren Tiefen angewendet werden.
Abbildung 5:
Beispiel der Zusammenstellung eines elastischen Dilatometers.

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56
3.
Geophysikalische Methoden zur Überprüfung der hydrogeologischen Bedingungen und
der Stabilität von Hängen - Elektrische Widerstandstomographie (ERT)
Bei der Überprüfung der hydrogeologischen Bedingungen und der Hangstabilität von Gesteinsmassen
können prinzipiell geophysikalische Methoden angewendet werden, deren Messgröße auf einen
messbaren Unterschied bzw. auf Abweichungen von physikalischen Parametern der
Gesteinsumgebung beruhen.
Diese voneinander abweichenden Eigenschaften basieren auf Unterschiede im Gestein. Im
gemessenen Profil können die einzelnen quasihomogenen Einheiten von ihrer Umgebung auf
Grundlage des interpretierten elektrischen Widerstands unterscheiden werden, da diese in dem
Bereich Hauptquelle geophysikalischer Anomalien sind. Die Komplexität des Gesteinsmassivs (die
geologischen Verhältnisse, verschiedene physikalische Eigenschaften der Gesteinsmassen, manchmal
auch ein flächenmäßig eingegrenztes Erkundungsgebiet oder auch ein intensives Störfeld) verursacht,
dass geophysikalische Methoden und ihre Interpretation oft sehr kompliziert und schwierig sind.
Die bisherigen Erfahrungen bei der Lösung dieser Problematik zeigen, dass die geeignetsten Methoden
für die Lokalisierung abweichender quasihomogener Einheiten im Gesteinsmassiv in geringen Tiefen
unter der Oberfläche geoelektrische, geophysikalische Methoden sind, insbesondere die als ERT
(Electrical Resistivity Tomography) und GPR (Ground Penetrating Radar) bezeichneten Methoden.
Die ERT-Methode (auch Widerstandtomographie oder „Multikabel“ genannt) ist die gegenwärtig
meistgenutzte Widerstandsmethode beim Aufsuchen unterirdischer Hohlräume. Hinsichtlich der
Messmethodik ist sie eine Kombination zweier klassischer Gleichstromwiderstandsmethoden - der
Widerstandsprofilierung und dem Widerstandssondieren. Die Methode wird mit der Apparatur ARES
angewendet. Es handelt sich um ein automatisches geoelektrisches System ARES-200E. Für die
Messung wird ein spezielles Multielektrodenkabel (ein Kabel - 8 Elektroden) benutzt. Die Anzahl der
Kabel, Sektionen genannt, ist beliebig. In der Praxis ist sie aber durch die Konstruktion des eigentlichen
Geräts eingegrenzt, und zwar auf eine maximale Elektrodenzahl von 250. Beim Messen mit dieser
Apparatur werden Zylinderelektroden benutzt - siehe Abbildung 6, auf welchem die Apparatur, die
Zylinderelektrode und die Kabelsektion abgebildet sind.
a)
b)
c)
Abbildung 6:
Gleichstromwiderstandsapparatur ARES 200E für Multielektroden-Widerstandsmessen
(www.gfinstruments.cz).
a) Apparatur ARES-200E, b) Zylinderelektrode als Teil des Multielektrodenkabels beim
Messen mit der Apparatur ARES, c) Kabelsektion.

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57
Die Elektroden werden in konstantem Abstand voneinander in die Erdoderfläche gesteckt, entweder
in Form: 2D – eines Profils oder 3D - in der Fläche. Die Elektroden, die ununterbrochen im Kontakt mit
der Gesteinsumgebung sind, werden mithilfe eines Rechners abwechselnd als Strom- (C1, C2) oder als
Messelektroden (P1, P2) angeschlossen. Der Aufbau der Messeinrichtung am südlichen Seeufer mit
konstantem Abstand von 3 m zwischen den Elektroden ist auf Abbildung 7 zu sehen.
Abbildung 7:
Anordnung der Elektroden ERT auf Profil P2 am Südufer des Sees (im Hintergrund Burg Hněvín).
Die Verarbeitung der erzielten Daten erfolgt mit einem Computerprogramm der Firma Geotomo
Software RES2DINV. Es ist für die Inversion großer Dateien (200 - 6500 Punkte) und Speichersysteme
mit großer Elektrodenanzahl (25 - 1800) konzipiert. Dieses Programm erstellt aus den
Terrainmessungen ein Widerstandsprofil.
Ergebnis der Messdatenverarbeitung ist ein vertikaler Iso-Ohm-Schnitt, dessen Interpretation von
einem Fachmann - gewöhnlich einem Geophysiker vorgenommen werden muss.
Die Profillänge im Arbeitsgebiet war einerseits durch die gewählte Messmethodik bedingt,
andererseits auch durch die Forderung, einen optimalen Tiefenbereich bezüglich der vorausgesetzten
Tiefe des festen Untergrunds zu erreichen. Die Lage der gemessenen Profile ist auf Abbildung 8 und 9
dargestellt.
Es wurden insgesamt 3 Profile gemessen, in der ersten Phase die Profile P1 am Nordufer und P2 am
Südufer entlang der Falllinie. Nachfolgend wurde dann das Profil P3 senkrecht auf P1 entlang einer
Höhenlinie am Nordufer gemessen.

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Die gemessenen und interpretierten Datensätze sind Daten mit Log-Normalverteilung und diese
Tatsache wurde bei der Wahl des logarithmischen Maßstabs – bedeutet bei der Wahl des
Intervallschritts der Isolinien auf den interpretierten vertikalen Iso-Ohm-Schnitten - berücksichtigt.
Die reale Tiefenreichweite der Messungen lag mit der gewählten Elektrodenanzahl, der benutzten
Messmethode und einem Elektrodenabstand von 3 m bei den Profilen P1 bis P3 bei ca. 25 m. Dies
entspricht der vermuteten Tiefe für das Auftreten von Gleitflächen und potentieller
Feuchtigkeitsänderungen durch episodische Infiltrationsniederschläge. So sind auch die
Interpretationsergebnisse in die einzelnen Profile eingetragen.
Mit der Interpretationssoftware RES2Dinv wurden 2D-Widerstandsmodelle der untersuchten
Umgebung in Form vertikaler Schnitte erstellt.
3.1. ERT Profil P1
Die Profillänge betrug 333 m, gemessen wurde annährend in Richtung Nord-Süd, siehe Abbildung 8.
Auf Grundlage des erhaltenen Widerstandsbildes können zwei Bereiche eingegrenzt werden, die ihrem
Charakter nach einem Bereich erhöhter Sättigung des Porensystems mit Wasser entsprechen können
(blaue Farbe). Der erste Bereich ist der Bereich zwischen der Metrierung 103 m bis 168 m in der
oberflächennahen Zone (Tiefe bis ca. 2 m), der zweite Bereich liegt im Bereich zwischen 180 m bis 243
m. Weiterhin wurden Bereiche mit erhöhter Wassersättigung bei 57 m im tieferen Teil des Profils und
im Intervall ab 123 m bis 162 m ermittelt. Zwischen 186 bis 213 m kann im unteren Bereich die Existenz
konsolidierten Gesteins des ursprünglichen Hangs des Großsteinbruchs Ležáky angenommen werden.
Die Ergebnisse in Form von vertikalen Widerstandsschnitten sind in Abbildung 10 dargestellt.
Abbildung 8:
Lage der ERT Profile im Arbeitsgebiet (blau = Profile P1 und P3; rot = Profil P2).

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Abbildung 9:
Lage der ERT Profile am Nordufer des Sees Most.
Abbildung 10:
Ergebnisse der Widerstandstomographie (vertikale Widerstandsschnitte) am Profil P1. Blaue
Bereiche deuten wahrscheinlich auf die Existenz erhöhter Sättigung des Porensystems im Gesteinsmassiv hin. In
rot ist der wahrscheinlich konsolidierte Untergrund des ursprünglichen Untergrunds vor der Rekultivierung
gekennzeichnet.

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3.2. ERT Profil P 2
Die Profillänge wird mit 285 m angegeben, gemessen wurde in Richtung Nordost-Südwest, siehe
Abbildung 8. Auf Grundlage des Widerstandsbildes kann ein Bereich eingegrenzt werden, der einem
Bereich erhöhter Sättigung des Porensystems mit Wasser entsprechen kann (blaue Farbe). Es handelt
sich um den Bereich zwischen 138 m bis 198 m in der oberflächennahen Zone in einer flachen Tiefe
zwischen 2-8 m. Weiter kann eine erhöhte Sättigung zwischen 204 bis 250 m im tieferen Bereich der
Gesteinsumgebung, in ca. 15 m Tiefe, vermutet werden. Quasihomogene Einheiten, die hier eine rote
Farbe aufweisen, sind wahrscheinlich konsolidierte und wenig gesättigte Partien des ursprünglichen
Untergrunds. Die Ergebnisse in Form der vertikalen Widerstandsschnitte sind in Abbildung 11
dargestellt.
Abbildung 11:
Ergebnisse der Widerstandstomographie (vertikale Widerstandsschnitte) des Profils P2. Blaue
Farben deuten auf das Vorhandensein von wassergesättigten Porensystemen des Gesteinsmassivs hin. Rot
eingefärbte Bereiche kennzeichnen wahrscheinlich den konsolidierten Untergrund des ursprünglichen Terrains.
3.3. ERT Profil P3
Die Profillänge beträgt 141 m, gemessen wurde in Richtung West-Ost, siehe Abbildung 8 und 9. Auf
Grundlage des erhaltenen Widerstandsbildes kann ein Bereich eingegrenzt werden, der seinem
Charakter nach einem Bereich erhöhter Wassersättigung des Porensystems im Untergrund
entsprechen kann (blaue Farbe). Es handelt sich hierbei um eine flache Zone, die sich über das gesamte
Profil erstreckt. Im mittleren Abschnitt reicht sie etwa 6 m von der Oberfläche, am Anfang und Ende
des Profils von ca. 3 m bis ca. 9 m, der Höchstwert wurde im Bereich zwischen 35 m und 120 m
erkundet. Weiterhin wurde an der Profilbasis ein Bereich mit höheren Widerstandswerten zwischen
24 m und 55 m in Tiefe von ca. von 12 m bis 24 m und in etwa gleicher Tiefe mit symmetrischem Muster
zwischen 84 m bis 114 m ermittelt. Diese Anomalie entspricht wahrscheinlich den konsolidierten
Gesteinen des ursprünglichen Untergrunds. Die Ergebnisse in Form der vertikalen Widerstandsschnitte
sind auf Abbildung 12 dargestellt.

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Abbildung 12:
Ergebnisse der Widerstandstomographie (vertikaler Widerstandsschnitt) am Profil P3. Blaue
Farben deuten auf das Vorhandensein von wassergesättigten Porensystemen des Gesteinsmassivs hin. Rot
eingefärbte Bereiche kennzeichnen wahrscheinlich den konsolidierten Untergrund des ursprünglichen Terrains.
Ziel der Untersuchung war das Vorkommen von Grundwasser in der ungesättigten Zone des Bodens
zu dokumentieren. Aus den interpretierten ERT-Profilen, in denen die Bereiche mit wahrscheinlicher
Sättigung des Porensystems gekennzeichnet wurden, kann auf eine stark heterogene
Gesteinsumgebung geschlossen werden, die aus verschiedenen, jedoch überwiegend feinkörnigem
Material besteht. Es handelt sich in dem Gebiet rund um den See wahrscheinlich um einen langsamen
unterirdischen Abfluss in Richtung des ursprünglichen Terrains, also bei den Profilen P1 und P3 ca. in
südliche Richtung und bei Profil P2 in nördliche Richtung. Das Auftreten der wassergesättigten Zonen
ist jedoch ungleichmäßig verteilt. Dies hängt wohl mit der Zusammensetzung des ursprünglichen
Untergrunds und des für die Rekultivierung benutzten Materials zusammen. Es handelt sich dabei um
Materialien mit unterschiedlicher hydraulischer Leitfähigkeit. Das Vorkommen von Grundwasser in der
flachen Bodenzone ist gut in Abbildung 13 dokumentiert.
Abbildung 13:
Grundwasseraustritt an der obersten gesättigten Zone.

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62
4.
Fazit
In diesem Beitrag wurden verschiedene geologische und geotechnische Erkundungs- und
Monitoringmethoden vorgestellt. Diese Methoden erlauben in-situ Untersuchungen und Messungen
verschiedener Parameter und ihrer Änderungen unter Feldbedingungen. Zu den wichtigsten
Parametern gehören eindeutig die geologischen Bedingungen im Gebiet - die Beeinträchtigung des
Oberbodens und der obersten Gesteinsschichten, die hydrogeologischen Bedingungen - die
Grundwasserströmungen, die Geochemie der Böden und Gesteine - oft verbunden mit deren
Kontamination und der Änderungen des Landschaftsreliefs - Hangbewegungen anthropogener
Aufschüttungen oder das Absenken der Landschaft nach dem Bergbau und viele andere
Erscheinungen.
Jede der genannten Methoden wird von einem Beispiel der praktischen Anwendung in der
Postbergbaulandschaft begleitet. Die einzelnen Methoden und die ihnen entsprechende technische
Ausstattung ist Bestandteil des Feldlabors der VŠB-TU Ostrava, welches unter intensiver Beihilfe des
EU-Projekts GeoMAP aufgebaut wurde.
Bestandteil des Feldlabors sind Einrichtungen für die geologische Erkundung, z.B. für die Erstellung
eines geologischen Profils auf Grundlage der Auswertung von Bohrungen, geophysikalischer
Methoden oder Untersuchungen mit leichter Rammsonden. Weiter gehört zur Laborausstattung
Equipment für das geotechnische Monitoring, z.B. für inklinometrische Messungen, extensometrische
Messungen, Grundwasserstands- und Porendruckmessungen, sog. Höhenstandsmesser und
Piezometer.

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63
Erfahrungen aus dem Wasseranstieg nach Stilllegung des Steinkohlebergbaus
der RAG AG
I. Balzer, M. Drobniewski
RAG Aktiengesellschaft
Zusammenfassung
Die RAG AG bewältigt auch heute noch verlässlich die Folgen des Bergbaus in den ehemaligen
Steinkohlenrevieren Ruhr, Ibbenbüren, Saar. Mit der Bearbeitung der sogenannten Ewigkeitsaufgaben
(Grubenwasserhaltung, Poldermaßnahmen, Grundwasserreinigung) trägt die RAG dazu bei, den
Wasserhaushalt in diesen Regionen unter und über Tage zu regulieren. Oberste Priorität haben hierbei
der Trinkwasser- und Umweltschutz. Insbesondere die Grubenwasserhaltung soll durch die Entwicklung
von Grubenwasserkonzepten auch für nachfolgende Generationen ökologisch und ökonomisch sinnvoll
gestaltet werden. Die Umsetzung dieser Konzepte wird durch zahlreiche Monitoringmaßnahmen
begleitet. Hierbei kann auch auf die Erfahrung von bereits abgeschlossenen Grubenwasseranstiegen
zurückgegriffen werden.
Die RAG AG (ehemals Ruhrkohle AG) wurde 1968 als Konsolidierungsunternehmen der deutschen
Steinkohlenbergwerke gegründet. Zu dieser Zeit bündelte das Unternehmen etwa 94 % der
Steinkohlenförderung im Ruhrrevier. Aktuell ist die RAG AG (im folgenden RAG) für die ehemaligen
Steinkohlenreviere an der Ruhr und Ibbenbüren in Nordrhein-Westfalen (Fördereinstellung 2018) und
das Saarrevier im Saarland (Fördereinstellung 2012) verantwortlich. Denn auch nach Einstellung der
Steinkohlenförderung übernimmt die RAG langfristig die Verantwortung in den Bergbauregionen. Bei
den Ewigkeitsaufgaben handelt es sich um Bergbaufolgen, die unbefristet Maßnahmen erfordern.
Hierzu zählen die Grubenwasserhaltung, Poldermaßnahmen über Tage sowie die
Grundwasserreinigung an einigen ehemaligen Kokereistandorten und das Grundwassermonitoring an
kontaminierten Standorten.
Eine wesentliche Aufgabe der RAG ist dabei das Wassermanagement unter Tage und in Teilen des
Ruhrgebietes auch über Tage. Oberste Priorität haben hierbei der Trinkwasser- und Umweltschutz.
Die finanziell und technisch herausforderndste Ewigkeitsaufgabe ist die Grubenwasserhaltung. Dies
betrifft insbesondere das Ruhrgebiet. Aufgrund der Lage der Grundwasservorkommen, die zur
Trinkwassergewinnung genutzt werden, sowie der Geländebeschaffenheit bietet sich in Ibbenbüren
und im Saarrevier die Chance, das Grubenwassermanagement, ohne den Einsatz von Pumpen zu
bewerkstelligen. Hier kann ein natürlicher Austritt des Grubenwassers direkt in die Saar bzw. die
Ibbenbürener Aa geschaffen werden. Bevor dies realisiert werden kann, sind jedoch noch
umfangreiche Untersuchungen und Genehmigungsverfahren nötig.
Grundsätzlich war in der Vergangenheit der Schutz der benachbarten Bergwerke und deren
Kohleförderung vorrangiges Ziel der Grubenwasserhaltung. Mit Stilllegung der letzten Zeche besteht
keine Notwendigkeit mehr, das untertägige Grubengebäude trocken zu halten. So bietet sich heute die
Chance, die Grubenwasserhaltung zu optimieren.
Aufgrund des 2007 zwischen den Ländern Nordrhein-Westfalen und Saarland mit der RAG-Stiftung
geschlossenen Erblastenvertrags ist die RAG verpflichtet, ein Konzept zur langfristigen Optimierung
der Grubenwasserhaltung zu entwickeln und fortlaufend zu aktualisieren. Zur langfristigen
Optimierung der Grubenwasserhaltung sieht das heutige Grubenwasserhaltungskonzept ein weiteres

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64
Zentralisieren der Wasserhaltungen vor. Durch einen kontrollierten Anstieg auf ein festgelegtes
Zielniveau sollen ehemals getrennte Wasserhebungsbereiche miteinander verbunden werden und das
Einzugsgebiet der zentralen WasserhaItungen sukzessive vergrößert werden. Die Verbindung der
vormals getrennten Wasserhebungsbereiche erfolgt über untertägige Fließwege im ehemaligen
Grubengebäude. Diese Fließwege sind durch die Verbindung einzelner Steinkohlenbergwerke, oftmals
durch Zechenzusammenschlüsse in der Vergangenheit, entstanden. So sollen im Ruhrrevier langfristig
nur noch sechs Wasserhaltungen betrieben werden. Dies bietet die Chance, insbesondere kleinere
Gewässer von der Grubenwassereinleitung zu befreien. Die Emscher soll zukünftig komplett von der
Grubenwassereinleitung befreit werden. Durch den höheren Wasserstand bietet sich hier ebenfalls die
Möglichkeit, das zur Wasserhaltung noch betriebene untertägige Restgrubengebäude aufzugeben und
den Betrieb der Wasserhaltung in eine moderne, von über Tage aus betriebene Brunnenwasserhaltung
umzubauen (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1:
Umbau der Wasserhaltungsstandorte.
Bei allen Umbaumaßnahmen hat der Umwelt- und Trinkwasserschutz oberste Priorität. Das Ruhrgebiet
ist mit ca. 5,1 Mio. Einwohnern der größte Ballungsraum Deutschlands und wird zum Großteil mit
Trinkwasser aus den im nördlichen Ruhrgebiet vorkommenden bedeutenden Grundwasserleitern der
Haltern-Formation versorgt. Hier sieht das Grubenwasserkonzept einen ausreichenden
Sicherheitsabstand zwischen Gruben- und Trinkwasser vor.
Im Jahr 2020 wurden im Ruhrgebiet 51,6 Mio. m³ Grubenwasser an noch neun Standorten zutage
gefördert (siehe Abbildung 2). Eingeleitet wurde das Grubenwasser in die Vorfluter Lippe, Ruhr, Rhein
und Emscher. Der Großteil des geförderten Grubenwassers fällt hierbei im südlichen Ruhrgebiet an.
Dies ist auf die geologischen Verhältnisse im Ruhrgebiet zurückzuführen: im südlichen Ruhrgebiet
streicht die Steinkohlenlagerstätte an der Tagesoberfläche aus. Die Schichten fallen generell nach
Norden hin ein und werden dabei von einem immer mächtiger werdenden, abdichtenden Kreide-
Deckgebirge überlagert. So kann an den südlich gelegenen Wasserhaltungen Heinrich, Friedlicher
Nachbar und Robert Müser das Grubenwasser bereits aus einer geringen Teufe und mit geringer
Mineralisierung gefördert werden. An den nördlicher gelegenen Wasserhaltungen nimmt die
Mineralisierung zu, die anfallende Wassermenge wird jedoch vergleichsweise geringer.

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Abbildung 2:
Grubenwasserhaltung im Ruhrrevier – Übersicht der Fördermengen und Annnahmeniveaus in den
Wasserprovinzen.
Aktuell findet im Ruhrgebiet in einigen Bereichen bereits ein Anstieg des Grubenwasserniveaus statt
(siehe Abbildung 3). Dies betrifft insbesondere den östlichen Teil des Ruhrreviers (Wasserprovinz Haus
Aden und Westfalen) und die Wasserprovinz Lohberg. Im mittleren Ruhrrevier ist der
Grubenwasseranstieg zeitnah vorgesehen.
Jeder Grubenwasseranstieg wird durch ein umfassendes Monitoring begleitet. So werden die
Wasserstände in der Lagerstätte über Leitungen in verfüllten Schächten regelmäßig erfasst. An einigen
Standorten kann mit einem Schöpfgefäß auch eine Wasserprobe gewonnen werden, um die
Grubenwasserqualität während des Anstiegs zu überwachen. Ein Abgleich mit dem prognostizierten
Chemismus des Grubenwassers während der Anstiegsphase ist hier begrenzt möglich. Mit Hinblick auf
die zu erwartende Qualität des Grubenwassers nach einem Anstieg und bei Wiederaufnahme des
Pumpbetriebs können hier wichtige Informationen gewonnen werden.
Abbildung 3:
Anstiegssituation in den Wasserprovinzen des Ruhrreviers.

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Um potenzielle Wechselwirkungen mit den Grundwasserleitern im Deckgebirge während eines
Grubenwasseranstiegs rechtzeitig zu erfassen, führt die RAG im östlichen und mittleren Ruhrrevier
auch ein Grundwasserstockwerke übergreifendes Monitoring mit tiefen Pegeln. Hierbei werden an
einem Standort über Mehrfach-messstellen die verschiedenen Grundwasserhorizonte aufgeschlossen.
Neben dem Wasserstand wird hier auch regelmäßig eine chemische Analyse des Grundwassers
durchgeführt. Zusammen mit den Wasserstandsmessungen aus der Lagerstätte im Karbon kann hier
über lange Zeiträume die Entwicklung der einzelnen Grundwasserhorizonte im Zusammenhang mit
dem Grubenwasseranstieg beobachtet und bewertet werden.
Mit dem Verschluss des Restgrubengebäudes des ehemaligen Bergwerks Auguste Victoria kamen auch
erstmals untertägige Messsonden zum Einsatz. Diese In-Situ-Messsonden wurden in einem F&E-
Projekt in einer Zusammenarbeit aus RAG und dem Forschungszentrum Nachbergbau entwickelt. Sie
sind beim endgültigen Abschluss des Grubengebäudes untertage verblieben. Über Kabel, die durch die
Füllsäulen der Schächte geführt wurden, liefern diese Messsonden Echtzeitdaten zum
Grubenwasseranstieg in dem verschlossenen Bergwerk. Die Sonden liefern Informationen zu
elektrischer Leitfähigkeit, Temperatur, Strömungsrichtung und zum Wasserstand (Druck). Bisher
liefern die Messsonden sehr zuverlässig Ergebnisse, die sich mit den Ergebnissen aus anderen
Messverfahren (z.B. Wasserstandslotung) decken. Der Einsatz der Messsonden wurde daraufhin auch
an weiteren Standorten umgesetzt bzw. ist geplant.
Abbildung 4:
Schematische Darstellung des Messprogramms „Tiefe Pegel“.
Neben dem Themenfeld Grundwasser/Grubenwasser werden auch weitere potenzielle Risiken eines
Grubenwasseranstiegs betrachtet und in ein Monitoring mit einbezogen. Dies betrifft insbesondere
Ausgasungen an der Tagesoberfläche und Bodenbewegungen.
Grundsätzlich ist bei steigendem Wasserstand mit einem Rückgang des Grubengasangebots der
Lagerstätte zu rechnen. Aufgrund des entgegenwirkenden hydrostatischen Drucks wird das
Entweichen des Gases aus den noch anstehenden Flözen unterbunden. Dennoch wird das potenzielle
Ausgasungsverhalten des Grubengebäudes vor einem Wasseranstieg genau analysiert und bewertet.
Auch die Beschaffenheit des Deckgebirges und mögliche Strömungswege im Grubengebäude werden
in diese Analyse mit einbezogen. Auf dieser Grundlage wird ein Monitoring erarbeitet und das
Ausgasungsverhalten messtechnisch überwacht. Auch können so Warnwerte definiert werden, bei
dessen Überschreitung weitere Maßnahmen zur Vermeidung von Risiken eingeleitet werden.

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In fast allen Steinkohlenrevieren konnte nach Einstellung der Wasserhaltung eine Hebung der
Geländeoberfläche beobachtet werden. Im Rahmen umfangreicher Untersuchungen konnten
inzwischen zahlreiche Erkenntnisse über die charakteristische Größenordnung der Bodenhebungen
sowie über deren räumliche und zeitliche Entwicklung gewonnen und ausgewertet werden. Auf dieser
Grundlage erfolgt für Bereiche, in denen ein Grubenwasseranstieg geplant ist, eine gutachterliche
Bewertung zur Identifizierung von potenziellen Bodenbewegungsbereichen. Generell ist festzuhalten,
dass als Hebungspotenzial von Bodenbewegungen im Zuge des Grubenwasseranstiegs nur ein
Bruchteil der abbaubedingten Bodenbewegungen zu erwarten ist. Die sich im Laufe des
Grubenwasseranstiegs entwickelnden Bodenhebungen erfolgen in der Regel sehr langsam, großflächig
und vergleichsweise gleichmäßig. Im Vorfeld eines geplanten Grubenwasseranstiegs lässt RAG auch
das Themenfeld Bodenbewegungen gutachterlich analysieren und bewerten. Der Wasseranstieg wird
auf Grundlage dieser Auswertung durch Höhenmessungen an der Tagesoberfläche begleitet. Bisherige
Messungen der RAG bestätigen auch die Erfahrungen aus anderen Revieren. Bodenhebungen sind
bisher in einer Größenordnung von einigen Zentimetern aufgetreten. Großräumige schadensrelevante
Auswirkungen an der Geländeoberfläche sind durch diese stetig verlaufenden Bodenbewegungen in
den Revieren der RAG bisher nicht aufgetreten und auch nicht zu erwarten.
Um die bisher in Nordrhein-Westfalen durchgeführten Monitoringmaßnahmen in einem revierweiten
Monitoring zusammenzuführen, wird der Grubenwasseranstieg seit 2020 durch den Prozess des
„Integralen Monitorings“ unter der Leitung des MWIDE, des MULNV und der Bezirksregierung
Arnsberg unter Beteiligung der RAG begleitet.
Das Integrale Monitoring hat zum Ziel, eine zusammenfassende Dokumentation der
Grubenwasseranstiege und ihrer Umweltauswirkungen zu erstellen. Der Monitoringprozess ist hierzu
gegliedert in eine übergeordnete landesweite Entscheidungsgruppe, temporäre thematische
Konzeptgruppen zu den Themen Ausgasung, Wasser und Bodenbewegung, sowie in regionale
Arbeitsgruppen. In den regionalen Arbeitsgruppen erfolgt die operative Umsetzung der Konzepte
unter der Leitung der Bezirksregierung Arnsberg, die durch einen externen Dienstleister unterstützt
wird.
Neben den Bereichen der Zentralwasserhaltungen gibt es im Ruhrgebiet auch Bereiche, die heute nicht
mehr von Wasserhaltungsmaßnahmen beeinflusst werden. Diese Bereiche liegen überwiegend im
südlichen und östlichen Teil des Ruhrreviers. Ein Beispiel hierfür ist das ehemalige Bergwerk
Königsborn im Kreis Unna.
Das Bergwerk Königsborn wurde 1981 stillgelegt. Zum Schutz des benachbarten Bergwerks Ost wurde
die Wasserhaltung dort zunächst weitergeführt. Durch den Bau eines Hochdruckdammes zwischen den
beiden Bergwerken konnte die Wasserhaltung Königsborn 1996 aufgegeben werden. Seitdem
entwickelt sich der Wasserstand in dem Bereich eigenständig. Von 1996 bis 2020 ist der Wasserstand
um über 900 m angestiegen. Seit 2012 war eine deutliche Verlangsamung des Grubenwasseranstiegs
erkennbar. Die Höhe des Druckwasserspiegels liegt aktuell wie prognostiziert im Niveau von rund
+40 m NHN. Ein weiterer Anstieg ist kaum noch zu verzeichnen.

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68
Dieser Grubenwasseranstieg wurde im Rahmen einer Sensibilitätsanalyse durch ein umfassendes
Monitoring begleitet. Dieses umfasste folgende Elemente:
Erfassen von Wasserständen:
o
Grubenwasserstand an Schacht Königsborn 4
o
Grundwasserstände in den „Tiefen Pegeln“
o
Grundwasserstände im oberen Grundwasserstockwerk
Erfassung von Abflussverhältnissen an ausgewählten Oberflächengewässern
Messungen zur elektrischen Leitfähigkeit des Grundwassers an Quellen und
Grundwassermessstellen
Messungen zur Erfassung von vertikalen Bodenbewegungen.
Insbesondere beim oberen, tagesnahen Grundwasserleiter lag der Fokus auf Bereichen, bei denen
Auswirkungen des Grubenwasseranstiegs bei gleichzeitigen sensiblen Nutzungsverhältnissen zu
erwarten waren. Hier wurden neue Grundwassermessstellen eingerichtet. Bis heute zeigt sich im
oberen Grundwasserstockwerk lediglich eine rein klimatisch bedingte
Grundwasserstandsentwicklung. Auswirkungen des Grubenwasseranstiegs sind bis heute nicht
erkennbar. Auch bei den Abflussverhältnissen an Oberflächengewässern zeigt sich keine erkennbare
Zunahme infolge des Grubenwasseranstiegs. Bei den Messungen der elektrischen Leitfähigkeit ist
bisher kein Trend erkennbar. Die elektrische Leitfähigkeit unterliegt je nach Jahreszeit und
Quellschüttung großen Schwankungen. Lediglich zwei nördlich des Bereiches Königborn gelegene Tiefe
Pegel zeigen von 2004-2015 einen leichten Anstieg. Dieser fand jedoch nicht kontinuierlich statt. Seit
Mai 2015 haben sich die Grundwasserstände stabilisiert und zeigen bis heute lediglich klimabedingte
Schwankungen.
Abbildung 5:
Entwicklung des Grubenwasserstandes und von Bodenbewegungen im Bereich des ehemaligen
Bergwerks Königsborn.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
69
Bei den vertikalen Bodenbewegungen konnte bisher ein Anstieg von rund 26 cm beobachtet werden.
Wie auch in anderen Steinkohlenrevieren beobachtet, zeigen sich die größten Hebungsbeträge in den
Bereichen, in denen die Abbaumächtigkeit am größten war. Auch zeigt sich eine Zunahme der
Hebungen mit Einstau der Deckgebirgsbasis (siehe Abbildung 5). Schäden aufgrund der Hebungen sind
bisher nicht bekannt geworden.
Die RAG übernimmt auch langfristig die Verantwortung in ihren ehemaligen Steinkohlenrevieren.
Hierbei kann RAG auf die Erfahrungen aus ihrer über 50-jährigen Geschichte zurückgreifen. Denn schon
zu aktiven Bergwerkszeiten war die Beherrschung von Grubenwasser in Stillstandsbereichen von
Bedeutung. Hierbei wurden durch Monitoringmaßnahmen zahlreiche Erkenntnisse zu
Wasseranstiegen nach Stilllegung des Steinkohlenbergbaus gewonnen. Diese werden laufend
erweitert und auch durch neue Technologien ergänzt. Für die Zukunft hat RAG langfristige
Grubenwasserkonzepte erarbeitet, mit denen der Wasserhaushalt in den ehemaligen
Steinkohlenrevieren ökologisch und ökonomisch auf Dauer reguliert werden kann.
Literaturverzeichnis
Melchers, Westermann, Reker: Evaluierung von Grubenwasseranstiegsprozessen, Berichte zum Nachbergbau
Heft 1, 2019
RAG AG: 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, 2014
Ten Thoren: Bericht zum Monitoring tiefer Grundwassermessstellen im Jahr 2020, unveröffentlichtes Gutachten
im Auftrag der RAG, 2021
„Aufgaben für die Ewigkeit“. Homepage der RAG AG.
https://www.rag.de/,
letzter Zugriff 19.03.2021
„Grubenwasserhaltung“. Homepage der RAG Stiftung.
https://www.rag-
stiftung.de/ewigkeitsaufgaben/grubenwasserhaltung, letzter Zugriff 19.03.2021
„Integrales Monitoring Grubenwasseranstieg Steinkohle“. Homepage des Ministeriums für Wirtschaft,
Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen.
https://www.wirtschaft.nrw
/integrales-monitoring-grubenwasseranstieg-steinkohle, letzter Zugriff 25.03.2021

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70
Grenzüberschreitende Überwachung des Grubenwasseranstiegs im
ehemaligen saarländisch-lothringischen Steinkohlerevier
Thomas Walter
Ministerium für Umwelt und Verbraucherschutz, Saarbrücken
E-Mail:
t.walter@umwelt.saarland.de
Das Lothringer Kohlenrevier, das bedeutendste Frankreichs, umfasst den südwestlichen Teil der von
NO nach SW verlaufenden saarländisch-lothringischen Lagerstätte mit einer Fläche von etwa 30 mal
25 km. Das lothringische Kohlebecken befindet sich im Norden des Départements Moselle an der
Staatsgrenze zu Deutschland und findet im saarländischen Steinkohlenrevier seine direkte Fortsetzung
auf deutschem Staatsgebiet.
Abbildung 1:
Abbaugebiete in der saarländisch-lothringischen Lagerstätte (grau) mit der Lage der
Überwachungsstellen auf beiden Seiten der Grenze. Im Umfeld der saarländischen Messstellen sind die
bekannten Wassereinbruchstellen aus dem Deckgebirge als rote Punkte markiert. Die frühere Verbindung des
gemeinsamen Abbaugebietes zum Abbaubereich der ehemaligen Grube Luisenthal ist durch einen
Hochdruckdamm abgesperrt.
Es umfasst auf französischer Seite auf einer Fläche von 490 km² 58 Schächte (CDF 2003). Im Gegensatz
zur saarländischen Seite mit einer Fläche von 740 km² (ELS, 2016), wo der systematische
Steinkohlenbergbau mit der Verstaatlichung sämtlicher Bergwerke durch Fürst Wilhelm-Heinrich von
Saarbrücken bereits 1750 begann, verhinderte auf lothringischer Seite die Überdeckung der
Lagerstätte mit den Schichten des Mittleren Buntsandsteins über längere Zeit den Bergbau. So wurden
die lothringischen Flöze erst in den fünfziger Jahren des 19. Jahrhunderts entdeckt, wobei der Bergbau
weiterhin langfristig durch die ständigen Wassereinbrüche aus dem Deckgebirge behindert wurde.

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Abbildung 2:
Tektonischer Bau der saarländisch-lothringischen Lagestätte (nach Metz & Babot, 2003). Der Abbau
hat auf beiden Seiten des Merlebacher Sattels stattgefunden, wobei der Abbau im Bereich Mitte-Ost westlich
und östlich des Hombourg-Sprungs von den steilstehenden Schichten des Südostschenkels bestimmt wurde.
Daher waren auch die gehobenen Wassermengen im Vergleich zu der Wasserhebung der nordöstlich
anschließenden und nicht überdeckten Lagerstätte deutlich höher: während in den saarländischen
Bergwerken eine mittlere Menge von ca. 17 Mio. m³ pro Jahr gehoben wurden, waren es im
grenzüberschreitendenden Revier 45,1 Mio. m³ (Zahlen für 2001, aus Metz & Babot 2003), von denen
nur 2,2 Mio. m³ in der Grube Wandt anfielen, die ausschließlich auf saarländischer Seite abgebaut hat.
Mit 31,8 Mio. m³ hatten der Bereich Mitte-Ost und mit 12,1 Mio. m³ auch der hydraulisch getrennte
Bereich West deutlich größere Mengen zu heben. Ein großer Teil dieses buntsandsteinbürtigen
Wassers konnte wegen seiner niedrigen Mineralisierung für die öffentliche Wasserversorgung
verwendet werden.
Wegen der tektonischen Verhältnisse wurden im Bereich Mitte-Ost die steil stehenden Flöze der
Südostflanke des Merlebacher Sattels abgebaut (Abbildung 2), in denen trotz des Versatzes mit
eingespültem Sand die gegenüber einer flacheren Lagerung deutlich höheren Setzungserscheinungen
zwar stark abgemildert, aber nicht verhindert werden konnten. Die bruchhafte Verformung
insbesondere der postkarbonen Verwitterungsschicht („Grenzletten“, s. Abbildung 5) und den darüber
folgenden unterschiedlich mächtigen Schichten des Rotliegenden führte neben den z. T. erheblichen
Senkungserscheinungen an der Oberfläche (z.B. in Nassweiler von mehr als 12 m, CDF 2007) dazu, dass
diese natürliche hydraulische Barriere durchbrochen wurde und vermehrt Wasser aus dem
Deckgebirge einströmte.

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72
Abbildung 3:
Auswirkung des Bergbaus auf den Grundwasserspiegel im hangenden Grundwasserleiter, Situation
im Jahr 2016 (GIAM 2017). Von den hydraulische Absenktrichtern auf französischer Seite sind 3 auf
Bergbautätigkeit (1, 3, und 4), während der Absenktrichter in Carling (Nr. 3) durch Grundwasserentnahmen im
Buntsandstein verursacht ist. Auffällig ist die hydraulische Wirkung des Homburg-Sprungs, der den östlichen Teil
des Grundwasserleiters mit Spiegeldifferenzen von mehr als 80 m deutlich vom westlichen abtrennt.
In der Folge bildeten sich weiträumige Absenktrichter, in denen der Grundwasserstand im Mittleren
Buntsandstein z. T. bis auf dessen Basis abgesenkt wurde. Diese Absenktrichter haben einen
erheblichen und langfristigen Einfluss auf das Verhalten des gesamten hydraulischen Systems während
des gemeinsamen Anstiegs des Grubenwassers und des Wassers im hangenden Grundwasserleiter; sie
sind daher auch lange nach dem Abschalten der Pumpen noch deutlich erkennbar (Abbildung 3). Zur
Zeit des aktiven Abbaus lagen die Absenktiefen im Absenktrichter bei Forbach (Nummer 4 in Abbildung
3) noch auf einer Höhe von 80 m NHN, in Freyming-Merlebach bei 100 m NHN (Nummer 3 in Abbildung
3), während sich der Absenktrichter der Grube La Houve in Creutzwald kaum verändert hat (Metz &
Babot, 2003).
Eine weitere Besonderheit des Bergbaus in diesem Gebiet liegt in der komplexen Geschichte der
Region, die aufgrund ihrer Kohlelagerstätten lange Zeit zwischen Deutschland und Frankreich
umkämpft war. Daher wurden im Saarvertrag von 1956, der die Rückkehr des Saarlandes in das
Staatsgebiet der Bundesrepublik Deutschland regelte, Frankreich umfangreiche Konzessionsrechte
zum Abbau auf deutschem Staatsgebiet zugestanden. Daher wurden die Baufelder auf der deutschen
Seite von Frankreich aus angefahren und waren somit mit den französischen Bergwerken verbunden.
Der Vertrag beinhaltete jedoch auch eine sukzessive Rückgabe der Pachtgebiete, so dass auf
saarländischer Seite 1964 die Grube Warndt der Saarbergwerke mit den Baufeldern Ludweiler und
Geislautern ihren Betrieb aufnehmen konnte.

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73
Der französische Abbau erreichte 1964 mit einer Jahrestonnage von ca. 15.600.000 t (CDF, 2003) sein
Maximum, bis Ende der achtziger Jahre wurden noch ca. 10.000.000 t im Jahr gefördert, die dann
schrittweise heruntergefahren wurden bis zur Beendigung des Steinkohlebergbaus in Lothringen im
Jahre 2004. Durch die Förderung etwa 800 Mio. t Steinkohle (CDF, 2003) entstand ein geschätztes
Resthohlraumvolumen von etwa 155 Mio. m³, wobei hier auch der entsprechende Resthohlraum der
saarländischen Gruben berücksichtigt wurde (GIAM 2011).
Nach der Stilllegung der französischen Bergwerke in Jahre 2004 und der Grube Warndt 2005 musste
für das grenzüberschreitende Revier eine gemeinsame Strategie für die Umsetzung und Überwachung
des Grubenwasseranstiegs gefunden werden. Da der Abbau in den weiter östlich auf deutscher Seite
angrenzenden Gebieten zwar schon abgeschlossen war, die dort vertraglich abgesicherte
Grubengasnutzung aber fortgeführt werden sollte, wurde der Rest der saarländischen Bergwerke
durch einen auf 110 bar bemessenen Hochdruckdamm hydraulisch abgetrennt.
Abbildung 4:
Anstiegsüberwachung und Prognose für den Bereich Mitte-Ost (Quelle: RAG). Der zunächst
unterschiedliche Verlauf für die getrennte Auffüllung der einzelnen Bergwerke verläuft erst ab Ende 2009
einigermaßen angeglichen. Ab Mitte 2009 bis in die zweite Jahreshälfte 2012 ist der Wasseranstieg deutlich
langsamer als prognostiziert, liegt dann aber bis etwa September 2015 über dem prognostizierten Anstieg. Seit
diesem Zeitpunkt verläuft der Anstieg langsamer als prognostiziert, was wohl im Wesentlichen auf die
Zuschaltung der zusätzlichen Pumpkapazität in Schacht Simon im August 2015 zurückzuführen ist (siehe auch
Abbildung 6).
2006 wurde mit der Abschaltung der Pumpen der Grubenwasseranstieg eingeleitet. Die Überwachung
des Anstiegs findet seitdem in beiden Ländern über mehrere Schächte statt (Abbildung 4), während
der parallel erfolgende Anstieg im hydraulisch angebundenen Deckgebirge bislang nur auf
französischer Seite über entsprechende Messstellen (IPA 1 – 3 in Abbildung 1) gemessen wurde.

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74
Mit der fast vollständigen Füllung der bergbaulichen Hohlräume beim Erreichen einer Höhe von 118
m NHN in Vouters um die Jahresende 2014/15 trat die Flutung in ihre finale Phase ein. Der weitere
Anstieg wird seit diesem Zeitpunkt durch die Auffüllung des deutlich größeren Porenraumes im
Buntsandstein bestimmt und die Anstiegsgeschwindigkeit im Buntsandstein gegenüber der im
Grubengebäude verlangsamt. Bei einem erhöhten Druckpotenzial im Grubengebäude könnte stärker
mineralisiertes Grubenwasser über die bestehenden hydraulischen Verbindungen in den beiden Seiten
der Grenze zur Trinkwassergewinnung genutzten Grundwasserleiter aufsteigen.
Daher wurden ab dem 26.11.2009 wegen der ins Deckgebirge zunächst in La Houve (Bereich West,
Wasserstand bei 185 m NHN, GIAM 2014) und ab dem 29.11.2012 am Schacht Simon (Bereich Mitte-
Ost, Wasserstand etwa 84 m NHN, GIAM 2014, siehe auch Abbildung 5) sukzessive Pumpen in Betrieb
genommen. Damit soll das Druckpotenzial in den Grubengebäuden während des Anstiegsprozesses
etwa 8 m unter dem tiefsten Wasserspiegel des hangenden Buntsandsteins gehalten und das
Aufsteigen von Grubenwasser in den Grundwasserleiter verhindert werden.
Bei der momentanen Anstiegsgeschwindigkeit von etwa 3,5 m pro Jahr und dem Flurabstand von
knapp 60 m wird es rechnerisch allerdings noch etwa 15 Jahre bis zum freien Auslauf des
Grubenwassers dauern. Da das in den alten Absenktrichtern zu füllende Porenvolumen sich aber mit
jedem Meter Anstieg vergrößert und der Anstieg im Buntsandsteinaquifer sich entsprechend
verlangsamt, wird die Förderrate sukzessive angepasst werden müssen, um den Druckspiegel im
Grubengebäude dauerhaft unter dem des hangenden Grundwasserleiters zu halten.
Das Ministerium für Umwelt und Verbraucherschutz des Saarlandes hat im Jahr 2018 5 Messstellen
zur Überwachung von Wasserstand und -qualität im Warndt ausbauen lassen. Die Messstellen A1/A2
in St. Nikolaus wurden bis auf 120 bzw. 275 m Tiefe, B1/B2 in Lauterbach auf 149 bzw. 313 m und C1
in Großrosseln-Velsen auf 43 m Tiefe niedergebracht, wobei die tiefere Messstelle im Bereich des
obersten abgebauten Flözes, die flachere dagegen an der Aquiferbasis verfiltert wurde (Abbildung 5),
so dass am selben Standort ein direkter Vergleich von Druckverhältnissen und Grundwasserchemie in
beiden Stockwerken möglich ist. Der Messstellenausbau erfolgte jeweils in einer eigenen Bohrung, um
Probleme mit eventuellen Umläufigkeiten zu vermeiden.
Die Messstelle C1 liegt im Schachtpfeiler der Grube Velsen, eine parallele Bohrung in ein abgeworfenes
Streb war daher nicht möglich. Wegen der Lage an der Staatsgrenze, die gleichzeitig Konzessionsgrenze
war, und da der der Abbau auf französischer Seite in mehreren Flözen bis exakt an diese Grenze geführt
wurde, ist wegen der damit verbundenen Senkungskonzentration und der daraus resultierenden
stärkeren mechanischen Beanspruchung des Gebirges mit einer erhöhten Durchlässigkeit des
Karbongebirges und so auch mit der Möglichkeit des Aufstiegs von Grubenwasser zu rechnen. Mit ihrer
Lage in unmittelbarer Nähe zum geplanten Auslauf im Gustavschacht, wo bei Abschluss des
Anstiegsprozesses das niedrigste Druckpotenzial im hangenden Grundwasserleiter herrschen wird, soll
die Messstelle frühzeitig Beeinflussungen durch eventuell in den Grundwasserleiter aufsteigendes
Grubenwasser anzeigen.

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75
Abbildung 5:
Prinzip der Überwachung der Druckgradienten in den Doppelmessstellen A1/A2 und B1/B2. Durch
die Einwirkung des Bergbaus ist die abdichtende Wirkung der Grenzletten und des Rotliegenden gestört und
durch das entstandene System von Rissen strömt Grundwasser aus dem hangendenden Grundwasserleiter in
Grubengebäude ein (Bilder A und C), aber nur bei aufwärts gerichtetem Druckgradienten (Bild B) kann Wasser
aus dem Grubensystem in den Buntsandstein aufdringen.

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76
Abbildung 6:
Ergebnisse der Überwachung am Beispiel der neuen saarländischen Messstellen für den Bereich
Mitte-West (der frühe Anstiegsverlauf für die Schächte ist nur grob skizziert) mit Ausschnittsvergrößerungen.
Ende 2019 wurden die Messstellen mit Datenloggern ausgerüstet. Die bisherigen Ergebnisse
bestätigen die Druckdifferenz zwischen beiden Stockwerken (Abbildung 6). So beträgt die
Druckdifferenz zwischen den Messstellen A1 und A2 im Mittel 25,32 m, bei den Messstellen B1 und B2
6,71 m. Gleichzeitig zeigen die Ganglinien eine sehr gute Anbindung der jeweiligen Messstellen an das
jeweilige System an. So fällt z.B. die Inbetriebnahme des Datenloggers in der Messtelle A2 in die Phase
der Absenkung nach einer Wiederinbetriebnahme der Pumpen in Schacht Vouters und zeichnet die
Absenkkurve in Schacht Vouters mit einem leichten Versatz im Wasserstand von etwa 1 m zeitgleich
nach und liegt damit exakt auf dem Niveau der Anstiegskurve im Gustavschacht (siehe Insets der
Abbildung 6), in dem der Wasserstand allerdings nur einmal jährlich gemessen wird.
Der in Abbildung 6 zu erkennende Unterschied von etwa 15 m zwischen den Niveaus in den
Messstellen A1 auf der saarländischen und IPA2 auf der französischen Seite bei annähernd parallelem
Verlauf erklärt sich durch die unterschiedliche Lage im Absenktrichter. Die Messstelle IPA2 befindet
sich deutlich näher zum Zentrum des Absenktrichters 3 der Abbildung 3 und zeigt damit ein
vergleichsweise niedrigeres Druckpotenzial an. Dementsprechend liegt die Anstiegsgeschwindigkeit
mit 1,2 cm/Tag in der Messstelle IPA2 auch leicht über der in der Messstelle A1 mit 0,99 cm/Tag. Diese
Differenzen werden sich allerdings wie auch die Anstiegsgeschwindigkeiten bei fortschreitendem
Anstiegsprozess weiter angleichen.
Inwieweit auch bei Erreichen der Höhe des freien Auslaufs die zur Verhinderung des Aufstiegs von
Grubenwasser in den Grundwasserleiter erforderlichen Druckdifferenzen erhalten bleiben, lässt sich
nicht mit ausreichendender Sicherheit vorhersagen. Zudem kann durch die in einem gebrächen und
stark durchbauten Gebirge langfristig durchaus zu erwartende Verschlechterung der Durchlässigkeit
von wesentlichen hydraulischen Verbindungen zu Erhöhungen des Druckspiegels im Grubengebäude
führen. Daher wird die Grundwasserbeobachtung wohl auch nach der Beendigung des eigentlichen
Anstiegsprozesses langfristig erforderlich bleiben.

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Konferenzband zur Abschlussveranstaltung GeoMAP
77
Literaturverzeichnis
BRGM (2011): Le Bassin Houiller Lorrain, GIAM 2014,
http://www.grand-est.developpement-
durable.gouv.fr/IMG/zip/PdF_cle0f2f52.zip
BRGM (2014): Le Bassin Houiller Lorrain, GIAM 2014, Surveillance,
http://www.grand-est.developpement-
durable.gouv.fr/IMG/zip/GIAM_2014_1120_cle538d75.zip
BRGM (2017): Bassin Houiller Lorrain, GIAM 2017 – Surveillance,
http://www.grand-est.developpement-
durable.gouv.fr/IMG/zip/giam_02_10_2017_forbach.zip
CDF (2003): Histoire du charbon lorrain, https://web.archive.org/web/20081118163401/
http://www.charbonnagesdefrance.fr/dArticle.php?id_rubrique=166&id_article=648
CDF (2007): Charbonnage de France, GIATM 22.1.2007, État d’avancement des traveaux,
http://webissimo.developpement-durable.gouv.fr/IMG/zip/giatm22-01-2007_cle2a831b.zip
ELS (Erdbaulaboratorium Saar, 2016): Ansteigenlassen des Grubenwasserspiegels auf -320 mNN in den
Wasserprovinzen Reden und Duhamel – Hydrogeologische Bewertung einer möglichen Beeinflussung des
oberflächennahen Grundwassers, Gutachten im Auftrag der RAG Aktiengesellschaft,
http://www.bid.rag.de/bid/PDFs/SA/GWA_Reden_Duhamel/2_ELS_Hydrogeologische%20Bewertung/3222_G
A
1_2017-07-28_Grubenwasseranstieg-320mNN.pdf
, abgerufen am 10.4.2021
METZ, M. & BABOT, Y. (2003): Après-mines 2003, 5-7 Février 2003, Nancy, Colloque International Après-mine
2003, Feb 2003, Nancy, France.

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78
Erfahrungen bei der modelltechnischen Begleitung der Flutung der
ehemaligen Urangrube Königstein
Thomas Metschies
Wismut GmbH Chemnitz
Zusammenfassung
Die Flutung eines untertägigen Laugungsbergwerkes in einem regionalen Grundwasserleitersystem
stellt hinsichtlich der gewählten Sanierungslösung besondere Anforderungen in Hinblick auf die
Minimierung der Umweltauswirkungen. Damit sind für die technische Planung sowie die Genehmigung
der notwendigen Maßnahmen detaillierte Prognosen der regionalen hydraulischen Entwicklung, der
Schadstofffreisetzung sowie des Schadstofftransportes notwendig.
Am Beispiel des ehemaligen Uranbergwerkes in Königstein (Sachsen) werden das grundsätzliche
Modellkonzept, bestehend aus 3 miteinander gekoppelten Bausteinen, sowie die Erfahrungen bei
Aufbau, Parametrisierung, Kalibrierung und Verifizierung dieser Modelle dargestellt.
1.
Historische Entwicklung
Anfang der 1960er Jahre wurden im Bereich der mit kreidezeitlichen Sandsteinen gefüllten
Paläobecken zwischen Pirna und Bad Schandau im Gebiet der Sächsischen Schweiz Uranvererzungen
im Rahmen eines umfangreichen Erkundungsprogrammes nachgewiesen. Dies führte zur Entwicklung
eines Bergbauprojektes, das mit der Errichtung der ersten Schachtanlagen sowie untertägigen
Ausrichtungsstrecken ab 1963 seinen Anfang nahm. Damit waren die Voraussetzungen für eine
Urangewinnung ab 1967 in der Urangrube Königstein gegeben. Die in den Sandsteinschichten
nachgewiesenen Erzgehalte betrugen im Mittel ca. 600 ppm. Zu Beginn erfolgte der Abbau der
vererzten Bereiche fast ausschließlich im Kammerpfeilerbau. Gegen Ende der 1970er Jahre
verschlechterten sich die Abbaubedingungen zunehmend, während auch die Erzgehalte deutlich
zurückgingen. Das führte zur Überlegung, den Abbau ausschließlich durch eine untertägige chemische
Laugung vorzunehmen, die hier bereits durch Feldexperimente erprobt war. Die vollständige
Umstellung auf die chemische Gewinnung erfolgte 1984, wobei Abfallschwefelsäure aus der
Sprengstoffproduktion zum Einsatz kam. Technologisch waren dabei die unterschiedlichen
Filtrationseigenschaften der vererzten Bereiche zu berücksichtigen. In Gesteinen mit hohen
Durchlässigkeiten wie dem Quadersandstein erfolgte eine Infiltrationslaugung, wobei die
Laugungslösung vom Hangenden zum Liegenden die vererzten Bereiche durchsickerte. Weniger
durchlässige Gesteinsbereiche mussten vor der Laugung magaziniert werden, wozu ein
Kompensationshohlraum aufgefahren wurde und mit der anschließenden Sprengung die
Blockabschnitte so aufgelockert wurden, dass auch hier eine Laugung möglich wurde. Die untertägige
Laugung wurde als Abbauverfahren bis zur Einstellung der Produktion Anfang 1990 aufrechterhalten
[1].

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79
2.
Standortbedingungen
Die Grube Königstein befindet sich in unmittelbarer Nähe zum Nationalpark Sächsische Schweiz. Die
zentralen Betriebsbereiche, einschließlich einer Halde auf der Bergematerial, Aufbereitungs- sowie
Wasserbehandlungsrückstände aufgehaldet wurden bzw. im Rahmen der Sanierung auch weiterhin
werden, liegen in der Sichtweite der Festung Königstein, womit sich u. a. ein entsprechendes
verstärktes öffentliches Interesse an den Sanierungsarbeiten in der Grube sowie auf den
Betriebsflächen begründet.
Die Entfernung zur Elbe als dem zentralen hydraulischen Entlastungsbereich im Elbtal beträgt gerade
einmal 600 m von der nordöstlichsten Ausdehnung der Grubenkontur, wobei die Grubenbaue hier ca.
100 m unter dem Niveau der Elbe liegen.
Aus hydrogeologischer Sicht erfolgte die Auffahrung der Grube im untersten von in diesem Bereich
ausgehaltenen 4 Grundwasserhorizonten, die jeweils durch Grundwasserstauer getrennt sind. Das
Schichteinfallen ist grundsätzlich von Südwesten nach Nordosten gerichtet, was auch die
Grundwasserströmung in den südlich der Elbe gelegenen Bereichen des so genannten Pirnaer Beckens
bestimmt. Die Speisung der GWL (Grundwasserleiter/Aquifere) vollzieht sich vorwiegend in den
jeweiligen Ausstrichbereichen südlich der Grube, während die Entlastung im Bereich des Elbtales
nördlich der Grube Königstein erfolgt. Natürliche hydraulische Verbindungen zwischen den einzelnen
Grundwasserleitern bestehen im Wesentlichen in den Ausstrichbereichen im Süden sowie an
tektonischen Störungszonen. Daneben sind durch die umfangreichen Erkundungsarbeiten in diesem
Bereich zumindest in den Anfangsjahren teilweise unzureichend verwahrte Bohrungen zusätzliche
Wasserwegsamkeiten zwischen den einzelnen Grundwasserleitern gegeben. Während des Rückzuges
aus der Grube wurden sämtliche vertikalen Verbindungen der Grube zur Tagesoberfläche wie Schächte
und Wetterbohrlöcher sowie im Stauer zwischen den liegenden Grundwasserhorizonten verwahrt.
Dennoch konnte an einem der ehemaligen Wetterbohrlöcher trotz wiederholter Abdichtungsversuche
eine Wasserwegsamkeit nicht vollständig unterbunden werden.
3.
Sanierungsherausforderung
Durch die in der Grube praktizierte untertägige Laugung ergeben sich besondere Herausforderungen
an die Sanierung. Untersuchungen der Porenwässer in den gebauten Sandsteinbereichen ergaben
geringe pH-Werte sowie hohe Salz- und Metallkonzentrationen. Hierbei sind insbesondere die
Konzentrationen von SO
4
, U und Zn kritisch (Tabelle 1).
Tabelle 1:
Ausgewählte Stoffgehalte der Porenwässer.
Parameter
Einheit
Wertespanne
Max.
pH
0.9 – 2.5
Redoxpotential
mV
600 – 800
Gesamtmineralisation
g/l
3 – 25
335
Elektrische Leitfähigkeit
mS/cm
8 – 34
98
SO
4
2-
g/l
ca. 10
170
U
mg/l
50 – 500
7
Zn
mg/l
50 – 400
3
Nitroaromaten
µg/l
2 –230
-

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80
Neben den Porenwässern ist zusätzliches Stoffpotential in Sekundärmineralen sowohl in der
Sandsteinmatrix als auch in offenen Strecken gebunden, das bei der Flutung in Kontakt mit Wasser
durch Lösung mobilisiert und ausgewaschen wird. Dies führt in erster Linie zu dem aus anderen
Flutungsprojekten ebenfalls bekannten hohen initialen Stoffaustrag („first flush“), wie er bei der
Flutung einzelner Grubenbereiche der Grube Königstein beobachtet werden konnte. Die Abbildung 2
zeigt beispielhaft für Uran den beobachten Konzentrationsverlauf im gefassten Flutungswasser.
Abbildung 1:
Konzentrationsverlauf von Uran im Flutungswasser. Uran;
Mit der Stofffreisetzung im Flutungsraum durch das Wiederaufgehen des Wasserspiegels in der Grube
besteht die Gefahr einer Migration der belasteten Grubenwässer in die umliegenden GWL. Durch die
Wasserhaltung während der Bergbautätigkeit wurde der Abstrom belasteter Wässer hydraulisch
verhindert.
Im Rahmen des Sanierungskonzeptes wurde vor Beginn der Flutung in den Abstrombereichen in das
westliche und nördliche Umfeld der Grube ein insgesamt 6 km langes, den Flutungsraum umgreifendes
Streckensystem errichtet, das von den Grubenauffahrungen durch einen sogenannten
Sandsteinpfeiler aus unverritztem Sandstein getrennt ist. Ein eingerichtetes Drainagesystem stellt
sicher, dass der 4. GWL, in dem auch die Grube aufgefahren war, in diesem Bereich vollständig
entwässert werden kann. Verbindende Grubenbau wurden durch entsprechende Dammbauwerke
hydraulisch dicht gestaltet. Diese sogenannten Kontrollstrecken waren an einen ehemaligen
Förderschacht angebunden, über den das zufließende Grubenwasser ausgefördert werden konnte.
Derart wurde 2001 parallel zum schrittweisen Rückzug aus den höher gelegenen südlichen
Grubenbereichen mit der schrittweisen Flutung begonnen (Abbildung 2). Mit Abschluss der
untertägigen Rückzugsarbeiten wurde auch der Schachtbereich verwahrt, so dass nach Errichtung von
2 Förderbohrlöchern auf das Kontrollstreckensystem und deren Ausrüstung mit
Unterwassermotorpumpen eine Umstellung der Wasserhaltung ab 2009 erfolgte. Dazu wurde das
Kontrollstreckensystem geflutet, wobei das Potential unter dem Flutungsstand der Grube gehalten
wird. Hydraulisch konnte somit bisher sichergestellt werden, dass auch weiterhin kein Abstrom in den
umliegenden 4. GWL erfolgte.

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81
Abbildung 2:
Einstau Grube Königstein während der Flutung seit 2001.
Um Übertritte in den hangenden 3. GWL zu verhindern, wurde die Flutung des sogenannten
Teilbereiches I 2013 mit dem Erreichen eines Flutungsniveaus von 140 m NN abgeschlossen. Somit ist
aufgrund der sich einstellenden Potentialdifferenz zwischen Grube und dem hangenden 3. GWL ein
Übertritt von Flutungswässern über entsprechende hydraulische Verbindungen noch zu vermeiden.
Die angestrebte finale Flutung mit der Herstellung technisch unbeeinflusster hydraulischer
Strömungsbedingungen in den Grundwasserhorizonten erfordert jedoch einen weiteren Anstieg des
Flutungsniveaus um ca. 50 m. Damit verbunden ist eine Umkehr des Potentialgradienten in den
nördlichen Bereichen der Grube, womit ein Abstrom in das Hangende zu erwarten ist. Eine signifikante
stoffliche Beeinflussung des Grundwassers im Hangenden ist jedoch aus wasserrechtlicher Sicht soweit
möglich zu vermeiden. Daraus ergeben sich wesentliche Rahmenbedingungen für die Flutung.
Einerseits sind die übertretenden Stofflasten deutlich zu begrenzen sowie andererseits können auch
vorhandene Rückhaltemechanismen im direkten Abstrombereich für die Begrenzung des Einflusses
genutzt werden. Für eine Optimierung des Flutungsprozesses ergeben sich daraus Anforderungen an
die Prognosen der hydraulischen und stofflichen Auswirkung der Flutungsschritte, die idealerweise
durch die Anwendung entsprechender numerischer Modelle erfüllt werden können.
4.
Modellkonzept
4.1. Übersicht
Der gesamte Prozess der Ausarbeitung der Sanierungskonzeption sowie der bereits erfolgten
Flutungsschritte wurde daher genutzt, um ein Modellkonzept zu erstellen und kontinuierlich weiter zu
entwickeln, das auf drei wesentlichen Elementen beruht:
1. Regionales Strömungsmodell unter Nutzung der kommerziell verfügbaren Modellsoftware
SPRING,
2.
Boxmodell der Grubenflutung FLOODING unter Nutzung von PhreeqC,
3. 1-D-Abstrommodelle in den direkt beeinflussten GWL im Abstrombereich der Grube zur
Beschreibung des reaktiven Transportes auf der Grundlage von PhreeqC.
Grundlage für die hydraulischen Modellbetrachtungen ist ein umfassendes hydrogeologisches
Systemmodell, das auf der Grundlage der Erkundungs- und Monitoringdaten aus der Phase des aktiven
Bergbaus sowie der nachfolgenden Sanierung aufgestellt wurde und auflaufend fortgeschrieben wird.
Wesentlich Aspekte zur Vertiefung des Prozessverständnisses sowie einer belastbareren
Parametrisierung wurden durch Labor- und Felduntersuchungen untersetzt.

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4.2. Regionales Strömungsmodell
Seit über 20 Jahren wird das regionale Strömungsmodell, das die hydraulischen Bedingungen im ca.
350 km² umfassenden Umfeld der Grube beschreibt, betrieben. Hierbei sind die 4
Grundwasserhorizonte einschließlich der stauenden Schichten mit insgesamt 19 Modellschichten in
einem ca. 460 000 Modellknoten sowie ca. 530 000 Elemente umfassenden FEM-Modell abgebildet.
Dabei sind jeweils der 3. und 4. GWL sowie der beide trennende Stauer in jeweils 5 Schichten
detaillierter aufgelöst. Während der Modellerstellung wurde der gesamte Zeitraum des
Grubenbetriebes seit der Auffahrung im Modell mit abgebildet. Im Rahmen des behördlichen
Genehmigungsverfahrens der Flutung der Grube ist eine jährliche Fortschreibung und Validierung des
Modelles gefordert. Damit ist neben dem Zeitraum des Grubenbetriebes nunmehr auch die
Flutungsphase auflaufend im Modell mit einem einheitlichen Parametersatz beschrieben.
Ein wichtiges Element für eine konsistente Beschreibung des Flutungsverlaufes in der Grube und
dessen Wechselwirkung mit den GWL im Grubenumfeld ist die für dieses Strömungsmodell speziell in
das Programmsystem SPRING eingeführte Grubenrandbedingung. Dabei werden die die Grube in den
verschiedenen Modellschichten repräsentierenden Modellknoten zu einem Bilanzbereich
zusammengefasst in dem ein konstantes Druckpotential auftritt. Für solche Bilanzbereiche erfolgt für
jeden modellierten Zeitschritt die Berechnung der Wasserbilanz. Aus markscheiderischen Angaben zu
Grubenhohlräumen und Gesteinsvolumen mit einer entsprechenden einstaubaren Porosität wurde
eine höhenbezogene Einstauvolumenverteilung ermittelt. Entsprechend der innerhalb des
Zeitschrittes bestimmten Differenz zwischen den Zu- und Abflüssen wird auf der Grundlage der so
ermittelten Speicheränderungen und der o.g. Einstauvolumen-Einstauhöhen-Beziehung eine Zu- bzw-
Abnahme des Flutungsstandes im Flutungsraum bestimmt. Entsprechend wird im Modell für den
nächsten Zeitschritt das Potential in den Grubenknoten einheitlich neu vorgegeben. Dadurch kann für
einzelne Grubenbereiche innerhalb des instationären Modellaufes die Einstauentwicklung
beschrieben werden. Im regionalen Strömungsmodell werden aufgrund der jeweils ausgeglichenen
Wasserstände sowohl der Flutungsraum in der Grube als auch die Kontrollstrecke als entsprechende
Bilanzbereiche betrachtet. Die Berücksichtigung von technischen Wasseraufgaben sowie -entnahmen
aus diesen Bilanzräumen wird dabei als Randbedingung 2. Art entsprechend der gemessenen
Durchflüsse vorgegeben und damit die Einstauentwicklung in diesen 2 Teilsystemen im Rahmen der
Modellanpassung betrachtet. Die Modellparametrisierung kann damit auf der Grundlage des
Vergleiches der gemessenen und modellierten Einstauentwicklung in diesen Bilanzbereichen erfolgen.
Daneben stellen der Vergleich der Wasserstandsentwicklung in den im regionalen Strömungsfeld
befindlichen Grundwasserbeschaffenheitsmessstellen sowie der Grubenwasserbilanz wichtige
Kriterien für die Modellanpassung dar. Dabei sind für den Vergleich des Einstauverlaufes sowohl die
jeweiligen Abweichungen der Wasserstände zwischen Messung und Modell als auch der sich während
der Absenkungsphase (Auffahrung der Grube) sowie des Wiederanstieges (Flutung der Grube)
ergebende Anstieg der Kurvenverläufe jeweils wichtige Kriterien.
Dieses Modellkonzept erlaubt damit Prognosen für definierte Fahrweisen der finalen Flutung der
Grube wobei die Steuerung des Flutungsverlaufes durch eine entsprechende Variation der Einspeisung
sowie der Entnahme von Wässern im Flutungsraum bzw. Kontrollstreckensystem beschrieben werden
können.
Das regionale Strömungsmodell liefert derart sowohl für die Zeiträume der Epignose wie auch der
Prognose szenarienspezifische Mengenentwicklungen der Wasserströme an der Grubenkontur, die als
Randbedingung in das Grubenmodell FLOODING eingehen. Das abgeleitete Strömungsfeld im Abstrom
der Grube sowie die entsprechenden Mengenbilanzen fließen darüber hinaus in die hydraulische
Beschreibung der reaktiven 1D-Abstrommodelle ein.

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4.3. Grubenmodell FLOODING
Die Beschreibung des Stoffaustrages aus der gefluteten Grube erfolgt mit einem Boxmodell, dass die
grundsätzliche Geometrie der Grube berücksichtigt. Neben den im Grundgebirge aufgefahrenen
Grundsohlen werden auch die im 4. GWL sowie in den angrenzenden Stauerbereichen befindlichen
Abbauhorizonte einschließlich der Magazine und Versatzbereiche einbezogen. Als weitere Elemente
werden der Sandsteinpfeiler zwischen der gefluteten Grube und Kontrollstrecke sowie die
Kontrollstrecke selbst als Mischreaktor mit betrachtet. Während die Grundsohlen nur die
aufgefahrenen Grubenhohlräume umfassen, werden die die Abbaubereiche beschreibenden Boxen
durch einen Grubenhohlraumanteil sowie Porenraumanteil repräsentiert. Beide Anteile sind jeweils
über einen Austauschterm hydraulisch verbunden, während die Durchströmung durch die Grube durch
die entsprechende Verknüpfung der jeweiligen offenen Grubenhohlanteile erfolgt. Der Übertritt aus
der Grube in die Kontrollstrecke erfolgt höhendifferenziert über Pfeilerboxen, die nur über ein
Porenvolumen verfügen.
Abbildung 3:
Grubenvisualisierung mit Grundsohlenbereichen im Festgestein und den hangenden
Abbaubereichen (links) im Vergleich zur abgeleiteten Modellstruktur.
Grundlage für die stoffliche Beschreibung des Modells bilden die Ergebnisse der zwischen 1995 und
1999 durchgeführten Flutungsexperimente, bei denen isolierte Grubenbereiche geflutet und die
Wasserbilanzen sowie die Austragsentwicklung auf der Grundlage eines umfassenden Monitoring- und
erweiterten Untersuchungsprogrammes betrachtet wurden. Damit ist ein Grundparametersatz
abgeleitet worden der auf alle die Grube repräsentierenden Boxen entsprechend übertragen wurde.
Eine Anpassung des Datensatzes wurde während der weiteren Nachrechnung des Flutungsverlaufes
nur auf der Grundlage spezifischer Bedingungen in den einzelnen Grubenbereichen vorgenommen. So
wurden z. B. die Stoffgehalte in Modellboxen, die überwiegend konventionell abgebaute
Grubenbereiche repräsentieren, entsprechend angepasst, da die Versatzbereiche hinsichtlich einer
Reihe von Parametern (z. B. Ca) eine abweichende Charakteristik aufweisen. Für Bereiche, in denen
vor Beginn der Flutung Immobilisierungsmaßnahmen unter Aufgabe einer BaCl
2
-Lösung realisiert
wurden, wurde das mobilisierbare Stoffpotential dagegen verringert.

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Zentrales Kriterium für die Modellanpassung ist die Konzentrationsentwicklung in dem aus der
Kontrollstrecke ausgeförderten Flutungswasser (Abbildung 4). Nur hier liegen entsprechend
interpretierbare Monitoringmessungen vor, die eine integrale Modellanpassung zulassen. Die darüber
hinaus im Grubenraum in unterschiedlichen Bereichen, wie Magazinen, offenen Grubenhohlräumen
oder Versatzbereichen, verfilterten Messstellen dokumentieren lokale Konzentrationsverläufe, die für
das durch die Modellboxen jeweils repräsentierte deutlich größere Grubenvolumen nur bedingt als
repräsentativ anzusehen sind. Damit kann mit diesem Modellansatz für einzelne Punkte in der Grube
keine belastbare Prognose der Konzentrationsentwicklung erfolgen. Vielmehr werden mittlere
Stoffgehalte im Flutungswasser beschrieben, die im Gesamtsystem betrachtet eher repräsentativ für
die gut durchströmten und damit den generellen Stoffaustrag dominierenden Grubenanteil sind. Für
die im Rahmen der stofflichen Beeinflussung der umliegenden GWL relevanten Frachtausträge sind die
Modellergebnisse damit als hinreichend belastbar zu betrachten, wie sich an der modelltechnischen
Abbildung der Konzentration in den aus der Kontrollstrecke gehobenen Wässern im Vergleich zu den
Messwerten zeigt. Dennoch sind bei der Bewertung der Modellergebnisse die damit modellbedingt
gegebenen Unsicherheiten mit zu betrachten.
Abbildung 4:
Vergleich der gemessenen und modellierten Konzentrationsentwicklung im aus der
Kontrollstrecke geförderten Flutungswasser beispielhaft für Uran.
4.4. Reaktives 1D-Abstrommodell
Sowohl das im Strömungsmodell beschriebene regionale Strömungsfeld mit Fließrichtungen,
Abstandsgeschwindigkeiten und Wassermengen als auch die mit dem Grubenmodell ermittelten
Stofffrachten an den Übertrittsstellen in die umliegenden GWL sind wesentliche
Modellrandbedingungen für die reaktiven Abstrommodelle, die jeweils den Abstrompfad im 3. und im
4. GWL zwischen der Grube (Quelle) und der Elbe (Senke) beschreiben. Der Modellansatz beruht auf
der in PhreeqC umgesetzten Transportoption, mit deren Hilfe ein 1D-reaktives Transportmodell
aufgebaut wurde. Für den 3. GWL umfasst dieses Modell 74 Modellzellen, die den ca. 1 200 m langen
Fließweg zwischen den potentiellen Übertrittsstellen aus der Grube zur Elbe beschreiben.
Eine besondere Herausforderung ergibt sich bei der stofflichen Parametrisierung, da es im
Abstrombereich mit 2 umfassend untersuchten Bohrkernen nur eine begrenzte Anzahl von
Aufschlüssen zur Ableitung der geochemischen und mineralogischen Stoffgehalten gibt. Zusammen
mit weiteren Ergebnissen punktueller Untersuchungen aus den gleichen Grundwasserhorizonten
ergeben sich aus der Datenanalyse Spannweiten der reaktiven Mineralgehalte über mehrere
Größenordnungen (Tabelle 2).

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Tabelle 2:
Spannweiten reaktiver Mineralgehalte aus Gesteinsuntersuchungen für den Abstrombereich im 3.
GWL.
Mineral
Einheit
min.
max.
Mittelwert
Karbonat-C
(Kalzit)
M%
< 0,005
0,03
0,01
Disulphid-S (Pyrit)
M%
< 0,01
2,6
0,4
nicht sulfidische
Eisenverbindungen
M%
0,028
0,65
0,19
Pot. Kationen-
Austauschkapazität
meq/100g
< 0,02
3,4
1,5
Neben diesen Parameterspannen stellt sich zudem die Frage nach dem reaktiven Anteil der in den
Laboranalysen durch die Probenaufschlüsse zumeist vollständig bestimmten Stoffgehalte. Aus
großräumigen Feldversuchen sowie den vielfältigen Zeitreihen von Wasserstandsmessungen kann
abgeleitet werden, dass der zwischen 80 und 100 m mächtige Grundwasserhorizont zwar in
hydraulischer Sicht als homogener Körper angesehen werden kann, sich aber dennoch lokale
Fließwege ausbilden, die damit auch für den reaktiven Transport prägend sind. Das zeigt sich auch an
den Bohrkernen, die sich hinsichtlich Färbung - oxidierte bzw. reduzierte Bereiche -, der Korngröße,
Maserung oder auch Klüftigkeit über die Teufe vielfach ändern können. Somit ist nur ein Teil der für
den Stoffrückhalt relevanten reaktiven Mineralgehalte tatsächlich für die entsprechenden
geochemischen Reaktionen verfügbar. Trotz vertiefender Untersuchungen in Batch- und
Säulenversuchen stellen die im Modell betrachteten Stoffgehalte nur Schätzungen dar, die die
erzielten Modellergebnisse durchaus nachhaltig prägen. Erst ein Vergleich mit im Feld beobachteten
Bedingungen erlaubt eine belastbare Abschätzung der letzten Endes tatsächlich wirksamen reaktiven
Stoffanteile. Diese ergeben sich allerdings erst induziert durch weitere Flutungsschritte zu deren
Genehmigung jedoch nachvollziehbaren Prognose vorausgesetzt werden. Es bleibt daher
konzeptionell nur die Möglichkeit, die sich einstellenden Bedingungen in Form von Szenarien zu
betrachten. Dabei besteht aus den Laborversuchen zum Kontakt der Flutungswässer mit dem
Sandsteinmaterial, den entsprechenden theoretischen Überlegungen sowie nicht zuletzt den
Modellbetrachtungen ein vertieftes Verständnis für die zu erwartenden Prozesse und damit die
relevanten Mineral- und Stoffgehalte. Entsprechend erfolgt die konservative Annahme mittlerer
Stoffgehalte, die dann in den zu betrachtenden Szenarien jeweils anteilig als reaktiv betrachtet
werden. So lassen sich z. B. Szenarien mit zwischen 0,1 % und 10 % reaktiven Stoffanteil betrachten
und als Grundlage für die weiteren Flutungsschritte verwenden.

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5.
Ergebnisse
Mit dem vorgestellten Modellkonzept wurde die seit 2001 erfolgte Flutung der Grube Königstein
modelltechnisch begleitet. In den jeweiligen Flutungsschritten waren dabei einzelne Prozesse im
besonderen Fokus der Anpassung der einzelnen Modelle. So konnte der Sandsteinpfeiler zwischen der
Grube und Kontrollstrecke abschnittsweise angepasst werden, solange die Wasserhaltung untertägig
in der offenen Kontrollstrecke erfolgte. Mit dem Betrieb der Förderbohrlöcher bleibt nunmehr dieser
Parametersatz unverändert, während sich der Fokus mehr auf die Wechselwirkungen mit dem Umfeld
verschiebt. Dabei ist die Potentialentwicklung im unmittelbar an die Grube angrenzenden hangenden
3. GWL von besonderer Bedeutung, da der Potentialgradient bezogen auf die Grube wesentlich für die
Übertrittsmengen an Grubenwasser und damit eine Stoffausbreitung über die Grubenkontur hinaus
ist. Nach der großräumigen und langzeitigen Absenkung des Wasserspiegels in den an die Grube
angrenzenden GWL durch den Grubenbetrieb erfolgt der Wiederanstieg im ungespannten 3. GWL
vergleichsweise langsam, so dass sich hinsichtlich des mengenmäßigen Zustands stationäre
Bedingungen erst über Jahrzehnte wieder einstellen werden. Das lässt sich mit dem regionalen
Strömungsmodell analog zu den Beobachtungsdaten gut nachvollziehen. Die entsprechenden
Konsequenzen für den Sanierungsverlauf mit einer sich daraus ergebenden zeitlichen Streckung der
Flutung sind somit auch in den Prognosen gut abbildbar.
Eine wesentliche Erkenntnis bei der Nachrechnung des Flutungsverlaufes stellt die zeitliche
Veränderung der Speicherkapazität des Flutungsraumes dar. Die mit dem Sandstein bestehende
Matrixporosität zeichnet sich durch einen schnell und einen langsam einstaubaren Porenanteil aus.
Diese Zeitliche Dynamik kann in den Modellen nicht ohne weiteres beschrieben werden. Insbesondere
bei Wiederabsenkungen des Flutungsspiegels ist dies bedeutsam und erfordert eine entsprechende
Anpassung der Speicherparameter. Dabei ist die jeweilige Größenordnung auch von der
Geschwindigkeit der Änderung des Einstauniveaus abhängig.
Für die Beschreibung des integralen Stoffaustrages hat sich ein vereinfachtes Boxmodell unter
Verwendung von PhreeqC als geeignet erwiesen. Damit kann die Zusammensetzung des gefassten
Flutungswassers in seiner zeitlichen Veränderung gut beschrieben werden. Dabei ist die Wahl eines
einheitlichen Parametersatzes basierend auf den Flutungsexperimenten auf einer vergleichbaren Skala
geeignet, um eine Beschreibung noch nicht gefluteter Bereiche vorzunehmen. Anpassungen wurden
dabei erst erforderlich, wenn sich die bestehenden Abbaubedingungen in den jeweils neu zu flutenden
Bereichen grundlegend veränderten. Dies konnte damit begründet und nachvollziehbar erfolgen und
erlaubte auch die noch nicht gefluteten Bereiche entsprechend anzupassen.
Für die Beschreibung des reaktiven Transportes von Flutungswasser entlang von Strompfaden im
Abstrom der Grube eignet sich konzeptionell ein 1D-Ansatz unter den gegebenen Bedingungen. Dabei
lassen sich in Effektszenarien das geochemische Systemverständnis nachvollziehbar erarbeiten. Die
Überlagerung der geochemischen Effekte durch komplexe Strömungsprozesse ist in diesem
Modellstadium noch überschaubar. 1D-Stofftransportmodelle schließen damit die Lücke zwischen
hydrochemischen batch-Modellen aus der Prozessevaluierung kleinmaßstäblicher Laborversuche und
der großmaßstäblichen Reaktions- und Stoffverlagerungsdynamik im Maßstab eines
Grundwasserleiters.
Unschärfen in diesem vereinfachten Ansatz werden im Wesentlichen durch die Unsicherheiten bei der
geochemischen und mineralogischen Parametrisierung geprägt.
Für eine Validierung eines solchen konzeptionellen Modelles und die Berechnung belastbarer
Prognosen sind Messwerte auf der entsprechend mit dem Modell beschriebenen räumlichen Skala
erforderlich. Erst mit einem derart an gemessenen hydrochemischen Daten validierten Modellkonzept
erscheint eine Erhöhung der Komplexität des Modellansatzes von 1D auf bis zu 3D sinnvoll.

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6.
Ausblick
Perspektivisch ist die vollständige Flutung der Grube Königstein vorgesehen. Ohne technische
Maßnahmen soll sich die Grube damit in das natürliche regionale Strömungsregime einpassen und der
mengenmäßig gute Zustand entsprechend EU-WRRL wiederhergestellt werden. Die Vermeidung
signifikanter stofflicher Veränderungen in dem Wasserkörper, der die Grube sowie die Lagerstätte mit
enthält, ist dabei eine besondere Herausforderung. Sofern ein Übertritt von belasteten
Flutungswässern in die umliegenden GWL nicht vollständig verhindert werden kann, ist
sicherzustellen, dass durch natürliche bzw. während der Flutung technisch induzierte
Rückhalteprozesse eine Stoffausbreitung in den GWL verhindert wird.
Für eine entsprechend dieser Anforderungen ausgerichtete Steuerung der weiteren Flutung sind
hydraulische und hydrochemische Prognosen von besonderer Bedeutung. Das vorgestellte
Modellkonzept stellt dabei eine wesentliche Grundlage dar, wobei die einzelnen Modelle anhand der
im weiteren Verlauf erfassten Monitoringdaten hinsichtlich der jeweils berücksichtigten Prozesse
weiter zu validieren und entsprechend fortzuschreiben sind, um die Belastbarkeit der getroffenen
Prognosen weiter sukzessive zu verbessern.
Die aus den entsprechenden Szenarienrechnungen abgeleiteteten Modellierungsergebnisse sind eine
wesentliche Grundlage für die Fortschreibung des Flutungskonzeptes, technische Planungen sowie den
notwendigen Genehmigungsprozess. Das Ziel sind dabei transparente und nachvollziehbare
Prognosen, in denen auch die bestehenden Unsicherheiten angemessen berücksichtigt werden.
Danksagung
Das dargestellte Konzept und die beschriebenen Erfahrungen sind das Ergebnis vielfältiger
Untersuchungen, Recherchen und Diskussionen einer Vielzahl von Kollegen in Wismut aber auch
externer Gutachter. So haben einen entscheidenden Anteil an der Entwicklung der jeweiligen Modelle
auch die Kollegen der delta h Ingenieurgesellschaft mbH, Witten (SPRING) und Umwelt- und
Ingenieurtechnik GmbH, Dresden (FLOODING). An der Erarbeitung des Abstrommodelles war zudem
Prof. Wolfgang van Berk (TU Clausthal) maßgeblich beteiligt. Allen daher hier ein herzlicher Dank für
die Zusammenarbeit.
Literaturverzeichnis
[1]
Chronik der Wismut, Wismut GmbH, Chemnitz, 1999.