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Konferenzband
1. Fachkonferenz im Projekt GeoMAP:
Anwendung innovativer computergestützter Methoden
zur 3D-Untergrunddarstellung sowie Simulations- und
Prognosemodelle zu bergbaulichen Senkungsprozessen
und Hebungen bei Grundwasserwiederanstieg
Freiberg, 28. Juni 2019

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Konferenzband zur 1. Fachkonferenz GeoMAP, Freiberg
2
Veranstalter:
Lehrstuhl für Gebirgs- und Felsmechanik/Felsbau
Institut für Geotechnik
TU Bergakademie Freiberg
Gustav-Zeuner-Str. 1
09599 Freiberg
Kontakt:
Gunther Lüttschwager
Tel.:
03731 39-2975
E-Mail: gunther.luettschwager@ifgt.tu-freiberg.de

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Konferenzband zur 1. Fachkonferenz GeoMAP, Freiberg
3
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
.................................................................................................................................. 5
Sicherheitsrelevante Einflüsse von Oberflächen-, Grund- und Grubenwässern auf Alt-
bergbau
Dr. Günter Meier ..................................................................................................................... 7
Räumliche und zeitliche Analyse der während der Abbauphase im Lugau-Oelsnitzer
Steinkohlerevier vermessungstechnisch erfassten vertikalen Bodenbewegungen
Dr. Karl-Heinz Löbel
............................................................................................................ 17
Bewertung von Unsicherheiten radarinterferometrisch detektierter vertikaler Bodenbe-
wegungen in Folge des Grubenwasseranstiegs im ehemaligen Steinkohlenrevier Oels-
nitz/E.
Dr. André John
.....................................................................................................................
27
GeoMAP – Projektvorstellung: Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognosewerk-
zeuge zur Darstellung von Bergbaufolgen und Nachnutzungspotenzialen
Dr. Christin Jahns, Sylvi Hädecke
......................................................................................... 35
Modellierung von Grundwasserfließwegen und -verweilzeiten – Relevanz für Altberg-
baugebiete
Dr. Tamara Kolbe, Prof. Dr. Traugott Scheytt
....................................................................... 41
Prognose der Mineralisation der Grubenwässer bei der Flutung des ehemaligen Berg-
werks Ost der RAG
Marcel Schlegel, Dr. René Kahnt
.........................................................................................
43
Numerische Ansätze für die Diskretisierung und hydraulische Simulation von untertä-
gigen Bergwerksflutungen
Dr. Timo Kessler, Dr. Michael Eckart, Prof. Dr. Maria-Theresia Schafmeister
......................
47
Überblick über numerische Berechnungsverfahren in der Geotechnik
Prof. Dr.-Ing. habil. Heinz Konietzky
....................................................................................
53
DEM zur Simulation von Folgen von Grundwasseränderungen in Bergbaufolgeland-
schaften am Beispiel des Steinkohlereviers Lugau/Oelsnitz
Gunther Lüttschwager
.........................................................................................................
59
Stand der 3D-Kippenmodellierung als Grundlage für geotechnische Bewertungen im
LEAG-Tagebau Nochten
Roman Zschieschick, Lars Schumacher, Regine Grosser
...................................................
65

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Konferenzband zur 1. Fachkonferenz GeoMAP, Freiberg
4

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Konferenzband zur 1. Fachkonferenz GeoMAP, Freiberg
5
Was ist GeoMAP?
Zielsetzung
Im Rahmen des Kooperationsprogramms „Freistaat Sachsen - Tschechische Republik 2014 -
2020“ ist das Projekt GeoMAP initiiert worden.
Es dient dem Erfahrungsaustausch über geo-
wissenschaftliche Methoden und Modellierungen als wesentliche Grundlage für weitumfas-
sende 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 das stillgelegte
Steinkohlbergwerk in Lugau/Oelsnitz (Sachsen) und der Tagebau in Most (Tschechien) be-
trachtet.
Besonderer Schwerpunkt des Projektes liegt auf dem gegenseitigen wissenschaftlichen Aus-
tausch zwischen den Projektpartnern. Darüber hinaus soll die Kommunikation zwischen Wis-
senschaft, Behörden und anderen Einrichtungen und Institutionen verbessert werden. Um dies
zu erreichen werden u.a. vier Konferenzen mit den Schwerpunkten der Projektpartner veran-
staltet.
Beteiligte Projektpartner
Am Projekt GeoMAP sind das Sächsische Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geolo-
gie (LfULG), die Technische Universität Ostrava sowie die TU Bergakademie Freiberg betei-
ligt. Die TU Bergakademie Freiberg ist zur Bearbeitung mit dem Lehrstuhl für Technische Ther-
modynamik und dem Lehrstuhl für Gebirgs- und Felsmechanik/Felsbau vertreten.

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Konferenzband zur 1. Fachkonferenz GeoMAP, Freiberg
6
Numerische Simulation zur Untersuchung der Folgen des Grubenwasseran-
stiegs
Der Lehrstuhl für Gebirgs- und Felsmechanik/Felsbau erarbeitet eine numerische Simulation
zur Untersuchung der Auswirkung des Grubenwasseranstiegs auf die Bergbaufolgelandschaft
Lugau/Oelsnitz. Dabei soll eine hydromechanische Kopplung berücksichtigt werden, bei der
die Auswirkungen des Grubenwasseranstiegs auf die Gebirgsstruktur untersucht werden. So-
mit lassen sich Aussagen über Hebungen und Senkungen im Gelände treffen.
Weiterhin soll eine Handlungsempfehlung zum Umgang mit geotechnischen Fragestellungen
von Bergbaufolgelandschaften erstellt werden. Diese soll als Informationsgrundlage für Kom-
munen, Behörden und interessierte Parteien dienen.
Finanzierung
Das Projekt GeoMAP und diese Veranstaltung werden aus dem EU-Kooperationsprogramm
Freistaat Sachsen – Tschechische Republik 2014- 2020 finanziert.

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Konferenzband zur 1. Fachkonferenz GeoMAP, Freiberg
7
Sicherheitsrelevante Einflüsse von Oberflächen-, Grund- und Gru-
benwässern auf Altbergbau
Dr.-Ing. habil. Günter Meier
Ingenieurbüro Dr. G. Meier GmbH
1.
Problemstellungen zum Grundwasserwiederanstieg
Beim flächenhaften Grundwasserwiederanstieg sind durch die Flutung von stillgelegten Tief-
und Tagebauen insbesondere des Braunkohlenbergbaues schadensrelevante Veränderungen
zu erwarten. Es stellt sich dabei auch die Frage nach dem geotechnischen Verbruch- und
Deckgebirgsverhalten sowie der Entwicklung von unterschiedlichen Schadensszenarien an
der Tagesoberfläche. Als grundsätzliche Einflussgrößen sind hierbei die Arten und die Größe
der Grubenbaue, die geotechnisch-hydraulischen Eigenschaften des Deckgebirges, die
Grundwasserverhältnisse und die Nutzung der Tagesoberfläche zu nennen. Vor allem auch
der zeitliche Ablauf des Bruch- und Deformationsgeschehens über Braunkohlentiefbau, der
mehrere Jahrhunderte dauern kann, wird von diesen Einflussgrößen bestimmt. Risikoszena-
rien an der Tagesoberfläche durch Bruch- und Deformationsprozesse in Verbindung mit Fließ-
sandeinlagerungen werden dabei hauptsächlich durch Schächte, Strecken, alte Abbaue bzw.
Bruch-/ Deformationsfelder und Tagesbrüche hervorgerufen (Abbildung 1). Die angeschnitte-
nen Probleme und geotechnischen Zusammenhänge zeigen deutlich, dass es sich hier um
eine komplexe gebirgsspezifische, altbergbauliche und markscheiderische Thematik handelt.
Bei den Tagesbrüchen sind die unterschiedlichen Stadien in ihrem Bruchverlauf von Bedeu-
tung. Genetisch sind dabei die Entwicklungen vom beginnenden Hochbruch über bergmänni-
schen Hohlräumen, zu „hängenden“ Bruchdomen im Deckgebirge und das eigentliche Tages-
bruchereignis zu unterscheiden. In der jeweiligen Bruchentwicklungsphase kann sich ein labi-
les Gleichgewicht einstellen, das bereits durch kleinere Einwirkungen einer weiteren Verände-
rung unterliegt und damit zu einem neuen labilen Gleichgewicht strebt. Die Bruchvorgänge

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Konferenzband zur 1. Fachkonferenz GeoMAP, Freiberg
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laufen dabei nicht kontinuierlich im aufgelockerten Deckgebirge oder in den Versatz- oder Ver-
bruchzonen ab, sondern in Abhängigkeit von den bodenmechanischen Eigenschaftsverteilun-
gen unter maßgeblichem Einfluss der Grundwasserverhältnisse. In der Regel ist ein diskonti-
nuierlicher Bruchverlauf mit oft erheblichen Verweilzeiten charakteristisch. Grundlegende Un-
terschiede im Bruch- und Deformationsverlauf ergeben sich auch zwischen vorwiegend fein-
sandigen und tonigen Deckgebirgseigenschaften. Vor allem die Kohäsion der wechselnden
Deckgebirgsschichten nimmt einen entscheidenden Einfluss auf den diskontinuierlichen zeitli-
chen Fortgang der Verbruchprozesse. Auch die Fragen nach der möglichen Umlagerungen
von Verbruch- und Versatzmaterial im gestörten Deckgebirge oder in den Grubenbauen selbst
bedarf einer Klärung. Die sich einstellenden Strömungsverhältnisse einschließlich möglicher
Vernässungen an der Geländeoberfläche sind zu beachten.
Abbildung 1:
Verbruch der nördlichen Vorstadt von Brüx/Most am 20. Juli 1895 als
Folge eines Schwimmsandeinbruches in den Braunkohlentiefbau auf-
grund von Störungen des Wasserregimes (historische Aufnahme von
KARL PIETZNER, Teplitz)

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Konferenzband zur 1. Fachkonferenz GeoMAP, Freiberg
9
Im Weiteren wird vorranging nur auf die Problematik der Tagesbruchentwicklung bei Grund-
wasserwiederanstieg im Braunkohlenbereich näher eingegangen.
2.
Bodenmechanische Aspekte der Flutung
Ein Lockergestein besteht aus einer festen Phase (Mineralteilchen), einer flüssigen Phase
(Wasser) und einer gasförmigen Phase (Luft). Eine Flutung des Grubengebäudes verschiebt
das Volumenverhältnis der Phasen zugunsten der flüssigen Phase und zuungunsten der
gasförmigen Phase. Nach der Gleichung (1) kann der Wasserdruck
u
in einem Punkt P des
Gebirges berechnet werden.
(1)
u
g
w
h
p
Mit den Parametern:
g
Erdbeschleunigung (Konstante: 9,81 m/s²)
ρ
w
Dichte des Wassers
h
p
Standspiegelhöhe eines gedachten Standrohres mit dem Fußpunkt im betrachteten
Punkt
Durch eine Flutung des Grubenbaues erhöht sich die Standspiegelhöhe
h
p
.
Für einen geflu-
teten Punkt P wird die Standspiegelhöhe den Wert der Höhendifferenz zwischen dem be-
trachteten Punkt P und dem Grundwasserspiegel annehmen. Die im Bereich des Punktes
auf das Mineralgemisch des Gebirges wirksame oder effektive Spannung
σ’
ist nach der
Gleichung (2) wiederum abhängig von dem Wasserdruck
u
und der totalen Spannung
σ
.
(2)
'
u
Mit den Parametern:
σ
wirksame oder effektive Spannung
u
Wasserdruck
Bei steigendem Grundwasserspiegel werden der Wasserdruck ansteigen und sich damit die
effektiven Spannungen zwischen den Mineralpartikeln verringern. Da die aufnehmbaren Rei-

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bungskräfte zwischen den Partikeln in hohem Maße von den zwischen den Partikeln wirksa-
men Spannungen direkt abhängen, verringern sich diese ebenfalls. Durch die direkte Abhän-
gigkeit des Reibungswinkels
φ
von den Kontaktspannungen zwischen den Materialpartikeln
wird auch dieser Parameter negativ beeinflusst.
Durch die Zunahme des Ausfüllungsgrades des Porenraums mit der flüssigen Phase werden
die Kohäsionskräfte vermindert. Hierzu zählen u. a. das Lösen von Zementierungen, das zu-
sätzliche Anlagern von gebundenem Wasser (z. B. an Tonminerale und die damit verbun-
dene Festigkeitsabnahme) sowie das Wegfallen der von der Oberflächenspannung erzeug-
ten Kräfte auf das Korngerüst.
Ein „Absaufen“ der bergbaulichen Hohlräume, der Verbruch-/ Versatzzonen und des Deck-
gebirges verändert die Materialparameter demnach signifikant. Die Kohäsion und der Rei-
bungswinkel der Lockergesteine werden durch den hohen Wassergehalt stark herabgesetzt.
Das Primärbruchvolumen vergrößert sich, die Stabilität der Verbruchkontur bzw. des Bruch-
schlotes wird negativ beeinflusst und die Stabilität von alten Verbruch-/ Versatzzonen gemin-
dert (Abbildung 2). Als positive Wirkung ist dagegen das Abfallen der Wichte des Gesteins –
und damit die bruchauslösende Gravitationskraft – durch die Auftriebswirkung des Wassers
hervorzuheben.

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Abbildung 2:
Auswirkung der Flutung auf das Primärbruchvolumen (schematische Darstellung)
Durch die Flutung der Grubenbaue können sich erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten auf das
Deckgebirge und den Versatz sehr negativ auswirken. Durch Erosion und Subrosion kann das
anstehende Gebirge geschwächt bzw. abtransportiert werden. Unterliegen Bruchmassen ei-
ner solchen Materialumlagerung, wirkt sich dies durch eine weitere Vergrößerung des Pri-
märbruchvolumens aus. Der Einfluss des Chemismus des Flutungswassers ist ebenfalls ge-
geben.
3.
Geotechnisch-bergschadenkundliche Grundlagen
Als Verbruch wird das schrittweise „Hocharbeiten“ eines Volumen- und damit Massendefizi-
tes im Untergrund in Richtung der Tagesoberfläche bezeichnet. Eingeleitet werden solche
Hochbrüche durch Nachbrüche des Deckgebirges über vorhandenen Hohlräumen, denen
Durchbiegungs- und Scherbeanspruchungen der Hohlraumfirste vorausgehen. Der ursprüng-
liche untertägige Hohlraum wird dabei teilweise (Teilverbruch) und später ggf. vollständig
(Vollverbruch) durch die der Schwerkraft folgenden, nachbrechenden Massen verfüllt. Das
Hochbrechen des Volumendefizites findet in einem mehr oder weniger senkrechten, zylindri-
schen Bruchschlot statt (Abbildung 3). Der Grundwasserwiederanstieg beschleunigt durch
das aufgehende Wasser das Bruch- und Deformationsgeschehen. Zeitliche Angaben sind
jedoch nur begrenzt sicherheitsrelevant nutzbar.
Primärbruchvolumen
für trockenen Hohl-
raum
Primärbruchvolumen
für gefluteten Hohl-
raum
φ
geflutet
φ
trocken
Bruch-
schlot

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Abbildung 3:
Blockbild eines Hochbruches über einer Strecke
[MEIER, J: Statistische Analyse von Tagesbrüchen über Abbaufeldern des Braunkohlen-Tief-
baues und ein Versuch ihrer numerischen Simulation mit dem Programm FLAC.- Diplomarbeit,
TU Bergakademie Freiberg, 2002 (unveröff.)]
Der Nachfallprozess kann zeitweise unterbrochen werden, was auf die Ausbildung gewölbe-
förmiger, labiler Gleichgewichtszustände oder Silowirkungen der nachbrechenden Gesteins-
massen zurückzuführen ist. Ein Tagesbruch stellt das vorläufige vertikale Schlussbild eines
röhrenförmigen Hochbruches dar, der die Geländeoberfläche erreicht hat. Dieser wird sich
entsprechend dem natürlichen Böschungswinkel mit der Zeit abböschen und so eine trichter-
förmige Vertiefung an der Tagesoberfläche bilden. Vegetationsdecken können das Auftreten
von Tagesbrüchen verzögern, aber nicht verhindern.
Das bei einem solchen Verbruchprozess im Untergrund vorhandene Volumen des ursprüngli-
chen Hohlraumes wird als Primärbruchvolumen bezeichnet und ist von folgenden Faktoren
abhängig:

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Größe und geometrische Form des ursprünglichen Hohlraums
Lage des zylindrischen Durchbruches im ursprünglichen Hohlraum
Fähigkeit der Verbruchmassen, den zur Verfügung stehenden Hohlraum auszufüllen
(wichtigste Einflussfaktoren: Kornverteilung, Böschungswinkel, Stückigkeit, Wasserdar-
gebot)
Eine numerische Betrachtung zur Einschätzung einer Tagesbruchgefährdung kann nach der
Hohlraum-Bruchmassen-Bilanz nach MEIER, G. (2001) getroffen werden. Dieses Verfahren ist
abhängig von folgenden Parametern:
s
Schüttungszahl (in rm³/fm³)
h
Höhe des bergmännischen Hohlraumes (in m)
l
Breite des Bruchschlotes (identisch mit der Abbau- bzw. Streckenbreite)
b
halbe Breite des Bruchschlotes
Schüttwinkel (in °)
[MEIER, G.: Numerische Abschätzung von Tagesbruchgefährdungen in Altbergbaugebieten. -
Berichte 13. Nationale Tagung für Ingenieurgeologie, Sonderband Geotechnik, Karlsruhe
2001, S. 95 - 100, URL:
http://www.dr-gmeier.de/onlineartikel/oa0010.pdf
Eine Analyse der Parameter zeigt bei einem Grundwasserwiederanstieg, dass vor allem der
Schüttwinkel, aber auch die Schüttungszahl einen besonders negativen Einfluss nehmen kön-
nen. Dies trifft aber nur dann im vollen Umfang zu, wenn vor dem Fluten das Niveau der Ab-
baue und der aktive Bruchschlot noch nicht unter Wasser standen. Hierbei sind auch mögliche
Abbausohlen und die Flutungsrichtung (Eigenflutung und Fremdflutung) zu berücksichtigen.
Die verschiedenen Tagesbruchtypen lassen sich aus genetischer Sicht klassifizieren (Abbil-
dung 4). Eine numerische Tagesbruchabschätzung ist derzeit nur für den Tagesbruch i. e. S.
möglich.

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Abbildung 4:
Einteilung der Tagesbrüche
4.
Schlussfolgerungen
Die Veränderungen der bodenmechanischen Eigenschaften insbesondere des deformierten
Deckgebirges über Braunkohlentiefbauen und damit die direkte Einflussnahme auf das Ver-
bruchgeschehen zeigt beispielhaft die extreme und langzeitwirksame Hochwasser- und Nie-
derschlagssituation vom August 2002. Nach mündlichen Informationen des Landesamtes für
Geologie und Bergwesen von Sachsen-Anhalt wurden im darauf folgenden Jahr 2003 in den
Bereichen Burgenlandkreis ca. 200 Tagesbrüche über Braunkohlentiefbau gemeldet. Das
zwanzigjährige Mittel an registrierten Ereignissen liegt bei ca. 50 Tagesbrüchen. Eine mar-
kante Zunahme an der Verbruchanzahl wurde etwa ein halbes Jahr nach dem August 2002
beobachtet, was deutlich die zeitliche Verzögerung der Verbruchentwicklung unterstreicht.
Anhand der geotechnisch-altbergbaulichen und markscheiderischen Bewertungen der Ta-
gesbruchentwicklung beim Grundwasserwiederanstieg können folgende Schlussfolgerungen
abgeleitet werden:
Die Gesamtzahl der möglichen Tagesbrüche erhöht sich in der Regel nur dann, wenn
sich durch die Flutung die räumlich geometrischen Verhältnisse der bergbaulichen Hohl-
räume ändern.

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Durch die erhebliche Beeinflussung der bodenmechanischen Lockergesteinseigen-
schaften bei der Wassersättigung kommt es in der ersten Phase zu einer Beschleuni-
gung und Intensivierung der Verbruch- und Deformationsereignisse. Neue labile Gleich-
gewichtsbedingungen stellen sich ein.
Es ist jedoch mit einem zeitlich verzögerten Einsetzen der erhöhten Ereignisintensitäten
zu rechnen.
Werden lufterfüllte Grubenbaue geflutet, so sind zwar nicht im Durchmesser wesentlich
größere, jedoch merklich tiefere Tagesbrüche zu erwarten.
Durch den Grundwasserwiederanstieg können alte Tagesbrüche und Deformationsbe-
reiche sowie verfüllte oder teilverfüllte Schächte und versetzte Grubenbaue im Verbruch-
und Deformationsverhalten reaktiviert werden, da sich die jeweiligen Lockergesteine ins-
besondere durch Sackungen und Setzungen den neuen Gleichgewichtsbedingungen
anpassen.
Nach der Flutung sind durch die Auftriebskräfte und die konservierende Wirkung des
Wassers am alten Ausbauholz eine Verzögerung und zeitliche Streckung des Verbruch-
und Deformationsgeschehens zu erwarten.
Die aufgeführten Schlussfolgerungen zeigen deutlich, dass grundsätzlich beim Grundwasser-
wiederanstieg mit einer zeitlichen Beschleunigung des Tagesbruchgeschehens zu rechnen ist.
Vergleiche mit langzeitwirksamen Hochwasserereignissen mit Extremniederschlägen unter-
setzen die aufgeführten Schlussfolgerungen aus der phenomenologischen und erfahrungssei-
tigen Sicht.
Ein weiterer Aspekt zum Tagesbruchgeschehen zeichnet sich dadurch ab, dass sich Brüche
vor allem über dem Grundwasserspiegel weiterentwickeln können, da hier die größten Unter-
schiedspotentiale auftreten. Die Wirkung der Schwerkraft kann sich hier voll entwickeln. Hin-
reichend mächtiges toniges Deckgebirge verhindert jedoch in der Regel das Bruchgeschehen.
Das Deckgebirge passt sich flexurartig den verbrochenen Hohlräumen an. Dieser Deformati-
onsprozess ist über einen längeren Zeitraum zu erwarten. In vorwiegend sandig-kiesigen
Deckgebirgsschichten kommt es vor allem zu Tagesbrüchen.
Eine besondere geotechnische Situation ergibt sich bei Schwimmsandeinlagerungen im Lo-
cker-, Halbfest- und Festgesteinsbereich. Die Schwimmsande werden verflüssigt und damit in

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Konferenzband zur 1. Fachkonferenz GeoMAP, Freiberg
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ihrer Lage instabil, wenn beispielsweise durch Bohrungen neue vertikale Verbindungen in
Hohlräume hergestellt werden oder sich der Ausbau von Altbohrungen korrosiv verändert. Un-
ter Wasser kommt es schließlich zu Umlagerungen und selbst aus unerwartet größeren Tiefen
stellen sich Tagesbrüche ein, worauf mehrere Bruchereignisse über Braunkohlentiefbau ver-
weisen. Grundsätzlich kommt es nur dann zu einem Fließprozess, wenn hydraulische Verbin-
dungen zu tieferen Hohlräumen hergestellt werden oder durch anthropogen geodynamische
Prozesse entstehen. Wie Literaturhinweise belegen, verschließen verbrochene Tonschichten
durch die Quellprozesse bereits beim Abbau die Fließbahnen. Eine Aktivierung ergibt sich nur
bei größeren Gleichgewichtsunterschieden.

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17
Räumliche und zeitliche Analyse der während der Abbauphase im
Lugau-Oelsnitzer Steinkohlerevier vermessungstechnisch erfassten
vertikalen Bodenbewegungen
Dr. K.-H. Löbel
TU Bergakademie Freiberg - Institut für Markscheidewesen und Geodäsie
Zusammenfassung:
Das Institut für Markscheidewesen und Geodäsie der TU Bergakademie Freiberg beschäftigt
sich bereits seit 1993 mit der Analyse und dem Monitoring vertikaler Bodenbewegungen im
ehemaligen Steinkohlerevier Oelsnitz/Erzgebirge.
Die Ergebnisse des fast durchgängigen 120-jährigen Monitorings von Bodenbewegungen im
Lugau/Oelsnitzer Bergbaurevier werden im Überblick in dem Beitrag kurz vorgestellt.
Abstract:
The Institute for Mine Surveying and Geodesy of the TU Bergakademie Freiberg has been
involved in the analysis and monitoring of vertical ground movements in the former coal mine
district Oelsnitz / Erzgebirge since 1993.
The results of the almost continuous 120-year monitoring of ground movements in the Lugau
/ Oelsnitz mining district are briefly presented in the review.

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18
1
Modellierung der vertikalen Bodenbewegungen von 1900 bis 1974
Der erste Schacht wurde bereits 1835 auf Lugau/Oelsnitzer Flur geteuft. Die aktive industrielle
Bergbauphase im Steinkohlenrevier Oelsnitz/E. dauerte von ca. 1850 bis in das Jahr 1974.
Die Flutung des Reviers wurde bereits zu Beginn der 1970er Jahre eingeleitet. In einer berg-
schadenkundlichen Analyse wurde durch den Markscheider Curt Bayer ein Grubenwasseran-
stieg bis etwa in das Jahr 2030 prognostiziert.
Das Monitoring in Form der sogenannten Reviernivellements erfolgte in einem zweijährigen
Turnus von 1900 bis 1974. Wurden die ersten Beobachtungen um 1900 noch mit Nivellieraus-
rüstungen mittlerer Genauigkeit durchgeführt, so standen ab etwa 1910 feldtaugliche Präzis-
sionsausrüstungen zur Verfügung (Ni I bis Ni V, ab 1953 Ni 004, ab 1960 Ni 007 von Carl Zeiss
Jena).
In der aktiven Bergbauphase wurden sowohl Bodensenkungen als auch lokale Hebungen an
ca. 550 Punkten erfasst. Eine Statistik zeigt Abbildung 1.
Abb.1 :
Statistik der Messpunkte des Reviernivellements

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19
Einige ausgewählte Modelle sind in den folgenden Abbildungen exemplarisch gezeigt. Abbil-
dung 2 zeigt die Summe der Senkungen und Hebungen von 1900 bis 1902.
Abb.2 :
Summe der Senkungen und Hebungen von 1900 bis 1902

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20
Abb.3 :
Summe der Senkungen und Hebungen von 1900 bis 1924
Abb.4 :
Summe der Senkungen und Hebungen von 1900 bis 1974

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21
2
Modellierung der vertikalen Bodenbewegungen von 1974 bis 2018
Nach den erheblichen Bodensenkungen (Endsenkung im Bereich „Waldesruh“ ca. 18 m) wer-
den ab 1996/97 hauptsächlich Hebungserscheinungen an der Tagesoberfläche aufgrund des
Grubenwasseranstiegs registriert. Dabei ist der außerordentlich langsame Anstieg des Gru-
benwassers und die daraus resultierenden sehr geringen mittleren Hebungsraten (ca. nur 1
bis 5 mm/Jahr) eine Besonderheit im Oelsnitz/Lugauer Revier. Daraus ergeben sich hinsicht-
lich der erforderlichen Genauigkeit extrem hohe Anforderungen.
Die Beobachtungen wurden in den Jahren 1996/97 sowie 2002, 2006, 2014 und 2018 durch
geometrische Nivellement-Messungen an ca. 50 noch vorhandenen Nivellementspunkten des
ehemaligen Revier-Nivellement-Netzes durchgeführt.
Aktuell gehen die Bestrebungen dahin, Potentiale der Persistent Scatterer Interferometry
(PSI) für das Monitoring sehr geringer Bodenbewegungen auszuschöpfen. Dafür sind sowohl
auf der Seite der Signalverarbeitung (Zeitreihenanalyse) als auch auf der Seite der zeitlichen
und räumlichen Modellierung der Bodenbewegungen neue methodische Ansätze zu entwi-
ckeln. Auf dieser Basis könnte es gelingen, die Zusammenhänge dieser geokinematischen
Prozesse besser zu verstehen, um letztendlich daraus Prognosen abzuleiten.
Zusätzlich zu den bereits 2006 veröffentlichten Karten der absoluten Beträge für das jewei-
lige Zeitintervall sind die mittleren Bewegungsraten in mm pro Jahr als Isolinien gezeigt.

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22
Abb.5 :
Hebungen und Setzungen von 1974 bis 1996/97
Abb.6 :
Hebungen und Setzungen von 1996/97 bis 2002

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23
Abb.7 :
Hebungen und Setzungen von 2002 bis 2006

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24
In Abbildung 7 und den Folgenden sind im Hintergrund zur Veranschaulichung der
strukturellen Ähnlichkeiten der Bodenbewegungsmuster die Isolinien der Endsenkungen
eingeblendet.
Abb.8 :
Hebungen und Setzungen von 2006 bis 2014

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Abb.9 :
Hebungen von 2015 bis 2017, abgeleitet aus PSI-Zeitreihen

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Bewertung von Unsicherheiten radarinterferometrisch detektierter
vertikaler Bodenbewegungen in Folge des Grubenwasseranstiegs
im ehemaligen Steinkohlenrevier Oelsnitz/E.
Dr.-Ing. André John
TU Bergakademie Freiberg - Institut für Markscheidewesen und Geodäsie
KURZFASSUNG:
Das Institut für Markscheidewesen und Geodäsie der TU Bergakademie Freiberg beschäftigt
sich bereits seit vielen Jahren mit der Analyse und dem Monitoring der vertikalen Bodenbewe-
gungen im ehemaligen Steinkohlerevier Oelsnitz/Erzgebirge. Aktuelle Bestrebungen gehen
dahin, die Potentiale der Radarinterferometrie zur Detektion vertikaler Bodenbewegungen
bestmöglich auszunutzen um zukünftig, im Vergleich zu Nivellement Messungen in großen
zeitlichen Abständen, auch zeitlich besser aufgelöste Aussagen zur Bewegungsdynamik zu
erhalten.
Nach einer grundsätzlichen Darstellung des Ablaufs einer PSI-Analyse unter Nutzung weit-
gehend freier Softwarelösungen, werden am Beispiel des Oelsnitzer Reviers verschiedene
aus der Anwendung des Verfahrens resultierende praktische Fragestellungen analysiert.
ABSTRACT:
The Institute for Mine Surveying and Geodesy of the TU Bergakademie Freiberg has been
working for many years on the analysis and monitoring of vertical ground movements in the
former coal mine area Oelsnitz/Erzgebirge. Recent efforts are aimed at making the best pos-
sible use of the potentials of radar interferometry for the detection of these vertical ground
movements. In the future, for example, it would be possible to obtain temporally better-resolved
statements on the dynamics of ground movements in comparison to levelling measurements
at long time intervals.
After a general presentation of the workflow of a PSI analysis using widely free software

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28
solutions, various practical questions resulting from the application of the method are ana-
lyzed using the example of the former mining area Oelsnitz/Erzgebirge.
1 Einleitung
Die aktive Bergbauphase im Steinkohlenrevier Oelsnitz/E. dauerte von ca. 1850 bis in das
Jahr 1974, wobei die die Flutung des Reviers bereits zu Beginn der 1970er Jahre gestartet
wurde und noch heute läuft. 1976 wurde durch den Markscheider Bayer ein Grubenwasseran-
stieg bis etwa in das Jahr 2030 prognostizierte. Nach erheblichen Bodensenkungen in der
aktiven Bergbauphase haben wir aktuell Hebungserscheinungen an der Erdoberfläche auf-
grund des Grubenwasseranstiegs. Dabei sind die geringe Geschwindigkeit des Grubenwas-
seranstiegs und die daraus resultierenden geringen Bodenbewegungsraten, eine Besonder-
heit im Oelsnitzer Revier.
In der aktiven Bergbauphase wurden die auftretenden Bodensenkungen mit Hilfe von
Nivellement- Messungen an ca. 500 Punkten im Zweijahres-Intervall erfasst. In der
Nachbergbauphase wurden dann in den Jahren 96/97 sowie 2002, 2006 und 2014
Nivellement-Messungen an ca. 50 ausgesuchten Punkten des ehemaligen Revier-
Nivellement-Netzes durchgeführt. Aktuell gehen die Bestrebungen dahin, zukünftig die
Potentiale
der
Radarinterferometrie
für
das
Monitoring
der
Bodenbewegungen
auszuschöpfen.
2 Zusammenfassung
Der Grubenwasseranstieg wurde nach der Schließung des Bergwerks zunächst nicht über-
wacht. Erst 2004 wurde begonnen eine bestehende Tiefbohrung im Stadtbereich Oelsnitz zu
einer Grubenwassermessstelle (GRWM 1) auszubauen. Im Jahr 2014 wurde dann noch eine
weitere Grubenwasser-messstelle (GRWM 2) im Ortsbereich Gersdorf im Norden des Reviers
eingerichtet. Darüber hinaus befinden sich im Nord-Osten der Grubenwassermessstelle
(GRWM 2) drei weitere Grundwasser-messstellen (Bernsdorf, Lichtenstein, Mülsen), deren
Pegel ein sehr ähnliches Verhalten (hohe Kor-relation) zeigen, so dass diese für eine Analyse
der Zusammenhänge von Grundwasser- und Grubenwasserpegelschwankungen herangezo-
gen wurden. Hierfür wurde die Korrelation unter Berücksichtigung einer zeitlichen Verschie-
bung für die mittlere Pegelschwankung der 3 Grundwassermessstellen und der Schwankun-
gen in der Grubenwassermessstelle GRWM2 analysiert. Demnach zeigt sich, dass Schwan-
kungen in den Grundwassermessstellen mit einer zeitlichen Verzögerung von ca. 2-3 Monaten
mit den Schwankungen des Grubenwasserpegels (GRWM 2) korreliert (ρ > 0.75) sind.

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Konferenzband zur 1. Fachkonferenz GeoMAP, Freiberg
29
Für die vermessungstechnische Überwachung der Hebungsprozesse im Oelsnitzer Revier
wird aktuell das Potential der Radarinterferometrie analysiert. Für die Auswertung von Radar-
daten wird die sogenannte Radarinterferometrie verwendet, welche die Bestimmung von Bo-
denbewegungen in Richtung des Sensors ermöglicht. Für die Analyse von Bodenbewegungen
über längere Zeiträume hinweg, bietet sich eine Auswertung mit der so genannten „persistent
scatterer interferometry“ (PSI-Methode) [1] [2] an. Bei der PSI-Methode werden lange Zeitrei-
hen von SAR-Szenen berücksichtigt, indem die zeitliche Veränderung der Phase von stabilen
Punktstreuern betrachtet wird. Unter stabilen Punktstreuern versteht man dabei Punkte die
immer in ähnlicher Weise rückstreuen und eine Auflösungs-zelle (ein Pixel) dominieren. Diese
sogenannten „Persistent Scatterer“ (PS) mit stabilen Rückstreueigenschaften können z. B.
Bauwerke, Verkehrswege, Strommasten o. ä. Objekte sein.
Die Datengrundlage der aktuellen Auswertungen bildeten Radardaten (absteigender Orbit)
aus dem Copernicus Satellitenprogramm Sentinel-1 a/b. Diese Daten sind über das Coperni-
cus Services Data Hub Portal
1
der European Space Agency (ESA) kostenfrei verfügbar. Der
zeitliche Abstand dieser Daten liegt i.d.R. bei 12 Tagen für den Zeitraum 01/2015-09/2016
bzw. 6 Tage für den Zeitraum nach 09/2016. Die höhere Datendichte ab 09/2016 hängt mit
dem Start des operationellen Betriebes des zweiten Copernicus Sentinel-1 Radarsatelliten
(1B) im Jahr 2016 zusammen.
Neben der Software STaMPS (Matlab) kommt für die Prozessierung der Radardaten die frei
verfüg-bare Sentinel Application Platform (SNAP
2
) der European Space Agency (ESA) zum
Einsatz.
Mit den aktuellen Analysen zu den radarinterferometrisch detektierten vertikalen Bodenbewe-
gungen in Folge des Grubenwasseranstiegs im ehemaligen Steinkohlenrevier Oelsnitz/E.
wurde verschiedene Fragestellungen adressiert, welche sich aus der ersten PSI-Analyse
(2015-2017) [5] im Untersuchungsgebiet ergaben. Insgesamt wurden 4 unabhängige PSI-Ana-
lysen durchgeführt, welche sich nur im Analysezeitraum (2015-2017 vs. 2015-2018) bzw. in
der gewählten Referenzaufnahme (Master- Szene 01.04.2017 vs. Master-Szene 21.06.2017)
unterscheiden.
1
ESA’s Copernicus Services Data Hub portal - https://cophub.copernicus.eu/dhus/
2
SNAP (Sentinel Application Platform) -
http://step.esa.int/main/toolboxes/snap/

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Konferenzband zur 1. Fachkonferenz GeoMAP, Freiberg
30
Als erstes konnte durch die Nutzung eines neuen Ansatzes (
snap2stamps
3
[6]), für die Pro-
zessierung der Daten mit der freien Software SNAP, die Rechenzeit deutlich verringert wer-
den. Der neue Ansatz bei dem für
n
-Aufnahmen
n
-Stapel, bestehend jeweils aus der Master-
aufnahme und einer Slave-Aufnahme, generiert werden, stellt gegenüber dem bisherigen Vor-
gehen, d. h. ein Stapel mit alle verfüg-baren Daten, einen deutlichen Fortschritt in der Anwen-
dung dar.
Des Weiteren konnte durch die Analyse unterschiedlich langer Zeiträume nachvollzogen wer-
den, wie die Stabilität einer PSI-Zeitreihen mit zunehmenden Betrachtungszeitraum zunimmt.
Der Vergleich der Analysen unter Nutzung verschiedener Master-Aufnahmen verdeutlichte die
Bedeutung der Wahl einer geeigneten Referenzaufnahme. Es zeigte sich, dass eine nicht ‚op-
timal‘ gewählte Masteraufnahme negativen Einfluss auf die resultierenden PSI-Zeitreihen hat,
so dass diese im Vergleich mehr Störeinflüsse und damit eine größere Variabilität enthalten.
Die Nutzung des in SNAP implementierten Tools zur Identifikation einer ‚optimalen‘ Aufnahme,
auf der Grundlage der geschätzten erwarteten Kohärenz, erwies sich als ein brauchbares
Werkzeug. Jedoch sollten darüber hinaus immer auch weitere Analysen zu möglichen syste-
matischen Einflüssen der Masteraufnahme in Betracht gezogen werden.
Die Lokalisierungsgenauigkeit von PSI-Punktwolken wird im Geokodierungsprozess durch
verschiedene Faktoren beeinträchtigt, was Probleme bei der Interpretation der Verformungs-
ergebnisse verursachen und auch den Vergleich von PSI-Punkten unabhängiger Analysen
bzw. von PSI-Punkten mit Daten anderer Sensoren erschwert. Während relative Verschiebun-
gen in Blickrichtung (LOS) mit einer Genauigkeit im Millimeterbereich geschätzt werden kön-
nen, liegt die Positionierungsgenauigkeit gewöhnlich in der Größenordnung von Dezimetern
oder sogar Metern. Radarmessungen werden durch verschiedene Komponenten beeinflusst
die sich auf die Positionsschätzung auswirken, wobei atmosphärische Einflüsse, Erdgezeiten,
Tektonik und Timing-Fehler (Azimutverschiebung) die do-minierenden Faktoren darstellen [7],
welche Fehler in der Größenordnung von Zentimetern bis Metern verursachen können. Daher
weisen auch die Ergebnisse unserer verschiedenen PSI-Analysen nicht exakt die gleiche Po-
sitionierung auf. Die Unterschiede in der ermittelten räumlichen Lage der PSI Punkte für
verschiedene PSI-Analysen mit variierender Referenzaufnahme (Master-Szene) liegt
demnach im Mittel bei ca. 2 m, während die relativen Lageunterschiede ohne atmosphärischen
Ein-fluss im Mittel nur bei 0,38 m liegt. Dies bestätigt die Aussagen aus [7] bezüglich der
3
snap2stamps - https://zenodo.org/record/1322353#.XKxdOKRCTmE

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31
Größenordnung auftretender Fehler aufgrund atmosphärischer Einflüsse.
Die PSI-Zeitreihen der relativen Bodenbewegungen setzen sich aus einer Trendkomponente
sowie stochastischen Schwankungen zusammen. Letztere ergeben sich durch autoregressive
Prozesse (Signalschwankungen, deren Ursachen zunächst unbekannt sind), systematische
(und grobe) Messfehler (z. B. durch atmosphärische Störungen oder Phasenabwicklungsfeh-
ler) sowie Rauschen [4]. Die Trendkomponente wird im Zuge der PSI-Analyse mit der Software
STaMPS zunächst nur durch lineare Regression bestimmt. Aus diesem so ermittelten linearen
Bewegungstrend wird dann eine Bewegungsrate [mm/a] abgeleitet. Die Annahme eines line-
aren Bewegungsverhaltens ist für einen Großteil der PSI-Punkte im Untersuchungsgebiet
(Oelsnitzer Revier) durchaus geeignete, jedoch kann auch ein nicht-lineares Verhalten cha-
rakteristisch für Bodenbewegungsprozesse sein. In diesen Fällen wird deutlich, dass die An-
nahme einer linearen Bewegung die Dynamik der Bodenbewegungen nicht realistisch wieder-
gibt. Für eine Raum-Zeitliche Modellierung der Bodenbewegungen sollten daher in diesen Fäl-
len deterministische Trendmodelle höherer Ordnung oder eventuell auch statistische Moving-
Window Ansätze herangezogen werden. Der Versuch der Ableitung von jährlichen Bewe-
gungs-trends zeigte, dass zu kurz gewählte Betrachtungszeiträume zu unrealistischen Ergeb-
nissen führen können. Daher sind weitere Forschungsarbeiten hinsichtlich der Ableitung der
relevanten Bewegungstrends aus den vielfältig beeinflussten PSI-Zeitreihen notwendig.
Bodenbewegungen sind zeitlich variierende dreidimensionale Verformungen der Erdoberflä-
che. Mit der Radarinterferometrie können jedoch zunächst nur Bewegungen in Blickrichtung
des Sensors (Line of Sight - LOS) bestimmt werden. Um dreidimensionalen Bodenbewegun-
gen zu erhalten, müssten drei richtungsverschieden aufgenommene und sich räumlich und
zeitlich überlappende Radardatensätze vorliegen [3]. Da jedoch alle verfügbaren Radarsenso-
ren näherungsweise nur eine Nord-Süd (aufsteigend/ascending) bzw. Süd-Nord (abstei-
gend/descending) Flugrichtung aufweisen, verlaufen die Blickrichtungen (rechtsblickend mit
ca. 90° zur Flugrichtung/Azimut) entweder von Westen nach Osten (aufsteigend/ascending)
oder von Osten nach Westen (absteigend/descending). Dies hat zur Folge, dass mittels der
aktuell verfügbaren Radardaten (wie z. B. Sentinel-1) nur die Ableitung von Höhenänderungen
und Bewegungen in Ost-West Richtung möglich ist. Während die Bestimmung der horizonta-
len Bewegungskomponente in Ost-West Richtung nur durch die Kombi-nation von Auswertun-
gen der Radardaten eines auf- und absteigenden Orbits möglich ist, kann die Höhenänderung
unter der Annahme, dass keine horizontalen Verschiebungen aufgetreten sind, auch allein aus

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der Bewegung in Blickrichtung (Line of Sight - LOS) eines Orbits ermittelt werden. Jedoch kann
es dadurch in Gebieten mit auftretenden Horizontalbewegungen zu Fehlinterpretationen der
Höhenänderungen kommen [4]. Daher ist die Auswertung eines auf- und absteigenden Orbits
und an-schließende Kombination der Ergebnisse grundsätzlich zu favorisieren und wird von
uns als nächster logischen Schritt zukünftiger Aktivitäten im Untersuchungsgebiet berücksich-
tigt werden.
Für die Zukunft ist darüber hinaus auch der Themenkomplex Raum-Zeitliche Modellierung von
Bodenbewegungen auf der Basis radarinterferometrisch gewonnener Daten von Interesse und
erfordert weiteren Forschungsbedarf.
LITERATURVERZEICHNIS
[1] A. Ferretti, C. Prati, and F. Rocca. Permanent scatterers in sar interferometry. IEEE
Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 39(1):8–20, Jan 2001.
[2] C. Werner, U. Wegmuller, T. Strozzi, and A. Wiesmann. Interferometric point target analy-
sis for deformation mapping. In IGARSS 2003. 2003 IEEE International Geoscience and
Remote Sensing Symposium. Proceedings (IEEE Cat. No.03CH37477), volume 7, pa-
ges 4362–4364 vol.7, July 2003.
[3] Yin, X.; Busch, W.: Nutzung der Sentinel-1 Aufnahmekonfigurationen zur Ableitung von
Bodenbewegungskomponenten im Rahmen eines radarinterferometrischen Bodenbe-
wegungsmonitorings. In: Busch, W. (Hrsg.): Tagungsband Geomonitoring 2018, 1. bis 2.
März 2018 in Clausthal- Zellerfeld, S. 119 – 138
[4] Busch, W.; Walter, D.; Coldewey, W.G.; Hejmanowski, R.: Bergwerk Lohberg/Osterfeld
der RAG AG. Analyse von Senkungserscheinungen außerhalb des prognostizierten Ein-
wirkungsbereiches. Gutachten im Auftrag der Bezirksregierung Arnsberg. Institut für Ge-
otechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal, Mai 2017, Clausthal-Zellerfeld
[5] A. John, K.-H. Löbel, 2018: Copernicus-Satellitendaten für das Monitoring von vertikalen
Bodenbewegungen durch Grubenwasseranstieg im ehemaligen Steinkohlerevier Oels-
nitz/Erzgebirge 18. Altbergbaukolloquium, Wieliczka 2018; Tagungsband - Wagner Digi-
taldruck und Medien GmbH, S. 101-119, ISBN 978-3-938390-22-1
[6] M. Foumelis, J. M. Delgado Blasco, Y-L. Desnos, M. Engdahl, D. Fernandez, L. Veci, J.
Lu and C. Wong. "ESA SNAP - StaMPS Integrated processing for Sentinel-1 Persistent

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33
Scatterer Interferometry". IEEE International Geoscience and Remote Sensing Sympo-
sium. IGARSS 2018.
[7] Dheenathayalan, P., Small, D., Schubert, A. et al.; High-precision positioning of radar
scatterers, Journal of Geodesy (2016) Vol. 90 Issue 5: p. 403-422
https://doi.org/10.1007/s00190-015-
0883-4

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GeoMAP–Projektvorstellung: Modellierungs-, Visualisierungs- und
Prognosewerkzeuge zur Darstellung von Bergbaufolgen und
Nachnutzungspotenzialen
Sylvi Hädecke, Dr. Christin Jahns
Landesamt für Umwelt, Geologie und Landwirtschaft Freiberg (LfULG),
Abteilung 10 Geologie, Referat 105
Was ist GeoMAP?
Das Projekt GeoMAP dient dem Erfahrungsaustausch über geowissenschaftliche Methoden
und Modellierungen als die wesentliche Grundlage für weitumfassende Betrachtungen in Berg-
bau- und Bergbaufolgegebieten. Ohne qualifizierte Datenerfassung und Aus-wertung sind
keine verlässlichen Aussagen und damit auch Prognosen wie z.B. zur Grubenflutung und zum
Grundwasseranstieg, zu Hebungen und Setzungen der Erdoberfläche, zu Böschungsrut-
schungen, zu diversen Stofftransportvorgängen aber auch zur Nutzung von Grubenwässern
möglich.
Sowohl in Sachsen als auch in Tschechien konnten diesbezüglich in den letzten Jahrzehnten
umfangreiche Erfahrungen mit diversen methodenabhängigen Erfassungs-, Modellierungs-
und Visualisierungsprogrammen gesammelt werden. Es wurde stets deutlich, dass nur durch
repräsentative Datensätze und deren hochqualifizierte Auswertung verlässliche Prognosen
möglich sind. Es wurde auch deutlich, dass die Aussagegenauigkeit diverser Methoden und
Modellierungsprogramme von zahlreichen Rand- und Vorortbedingungen abhängen, die
standortbezogen variieren können.
Im Projekt sollen die Erfahrungen der Projektpartner zur Erfassung, Modellierung und Visuali-
sierung geowissenschaftlicher Daten in verschiedenen Bergbau-Modellregionen gegenseitig
dargestellt und diskutiert werden. Ziel der Partner ist es, durch neue Impulse die Ermittlung
und Auswertung von Datensätzen und damit auch die Prognose der diversen Bergbaufolgeer-
scheinungen zu verbessern.

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36
Wo sind die GeoMAP-Partner tätig?
Die folgenden Modellregionen werden im Rahmen von GeoMAP bearbeitet:
Steinkohlenrevier Lugau/Oelsnitz: Diese Modellregion wird durch den Leadpartner
LfULG und den Projektpartner TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik be-
arbeitet.
Braunkohlenrevier Most in Nordböhmen: Diese Modellregion wird durch den Projekt-
partner TU Ostrava bearbeitet.
Bergbaureviere im Erzgebirge mit vorhandenem Grubenwasser: Diese übergreifende
Modellregion wird durch den Projektpartner TU Bergakademie Freiberg, Institut für
Wärmetechnik und Thermodynamik bearbeitet.
Darüber hinaus sind die gewonnenen Erkenntnisse jedoch auch in anderen Bergbaugebieten
anwendbar.
GeoMAP im ehemaligen sächsischen Steinkohlenrevier Lugau/Oelsnitz
Das derzeit in Flutung befindliche Steinkohlenbergbaurevier Lugau/Oelsnitz im Erzgebirgs-
kreis Sachsen ist bereits seit einigen Jahren Betrachtungsfeld umfangreicher geologischer,
hydrogeologischer und bergmännischer Untersuchungen. In Bezug auf den stetig steigenden
Grubenwasserpegel von Lugau/Oelsnitz besteht ein dringender Handlungsbedarf. Aus diesem
Grund befasst sich der vorliegende Beitrag mit den besonderen montanhydrogeo-logischen
Umständen im Bergbaurevier und den bisherigen Bestrebungen, eine Aussage zur Flutungs-
prognose zu erarbeiten. Weiterhin wird ein Einblick in den aktuellen Arbeitsstand im EU-Pro-
jekt GeoMAP mit dem Schwerpunkt auf den Herausforderungen bei der dreidimensionalen
Modellierung und Visualisierung von Bergbaufolgen gewährt.
GeoMAP knüpft an vorherige Untersuchungen an. Im Zuge dieses Projektes soll das bereits
bestehende 3D-Modell des bergbaubeeinflussten Bereiches der Region aktualisiert und präzi-
siert werden. Dabei sollen auch neue Daten mit einfließen, wie z.B. geophysikalische Mess-
werte, die im Rahmen des EU-Projekte Vita-Min durch die Stadt Oelsnitz/Erzgebirge beauf-
tragt und gewonnen worden sind. Zudem wird eine umfangreiche Recherche in den sächsi-
schen Archivbeständen zur Vervollständigung der Datenlage er-folgen (z.B. alte bergmänni-
sche Grubenrisse). Diese Arbeiten sind wesentliche Grundlage zur Verfeinerung des Modells
und zur Darstellung der äußerst komplexen Bedingungen im Untergrund. Die fortschreitend
vertiefende Arbeit im Untersuchungsgebiet Lugau/Oelsnitz und der Fachaustausch mit ande-
ren Bergbauregionen sind Voraussetzungen dafür, dass Bergbaufolgen besser kalkuliert und

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behandelt werden können. Dies gilt besonders unter dem Aspekt der zukünftigen Gefahren-
abwehr und einer nachhaltigen Nutzung von Bergbaufolgelandschaften.
Das vergleichsweise kleine Revier ist durch große Abbauteufen, komplexe tektonische Stö-
rungen und zahlreiche hydraulisch wirksame Einheiten und Strukturen geprägt. Diese Voraus-
setzungen beeinträchtigten seinerzeit die bergmännischen Arbeiten und haben bis heute Ein-
fluss auf die Überwachung und Prognostizierung der Bergbaufolgeerscheinungen. Bereits vor
Einstellung der Abbauarbeiten im Jahr 1971 kam es zu Deformationen an der Tagesoberflä-
che, ausgelöst durch die Bergbautätigkeit. Diese machten sich an der Oberfläche vor allem
durch Erdrisse und bis zu 17 m tiefe flächenhafte Absenkungen, sowie die Entstehung von
Poldern bemerkbar [Felix et al 2007]. Die dominierenden Senkungserscheinungen klangen
nach 1971 nur langsam ab. Im Folgenden kam es durch die Einstellung der Wasserhaltung
und den Anstieg des Wasserspiegels im Grubengebäude zu anhaltenden leichten Hebungen
der Tagesoberfläche, wie Reviernivellements ergaben. Die Flutung des Bergbaugebietes ist
bis heute nicht abgeschlossen. Dies bedeutet, dass der Wasserpegel in den vormals von der
Wasserhaltung betroffenen Einheiten, in denen nun ca. 47 Mio. m
3
Resthohlraum zu vermuten
sind, immer noch steigt [Felix et al 2010].
Im Rahmen der damaligen Verwahrung der Grubenbaue bis 1974 wurden keine Einrichtungen
für ein Monitoring des Grubenwasserwiederanstieges vorgesehen. Der Flutungsverlauf konnte
somit lange Zeit weder überwacht noch beeinflusst werden. Aus diesem Grund errichtete der
Freistaat Sachsen 2003 nach umfangreichen Voruntersuchungen die erste Grubenwasser-
messstelle zur Beobachtung der Flutung. In den folgenden Jahren trugen EU-geförderte Pro-
jekte wie VODAMIN, Vita-Min und aktuell GeoMAP dazu bei, den Wissensstand im Bereich
der Bergbaufolgen im Lugau/Oelsnitzer Revier auszubauen und gleichzeitig einen Wissen-
saustausch mit anderen von Bergbau betroffenen Regionen in Deutschland und dem Nach-
barland Tschechien zu generieren.
Das geologisch-bergmännische 3D-Modell für Lugau/Oelsnitz
Das geologisch-bergmännische Modell ist die geometrische Grundlage für geomechanische
und hydrogeologische Berechnungen, in die alle weiteren Daten eingepflegt werden können
um neue Informationen zu gewinnen. Allerdings erfordert der komplizierte strukturgeologische
Aufbau des Untersuchungsgebietes eine extrem hohe Datendichte, die zumindest zum jetzi-
gen Zeitpunkt noch nicht gegeben ist. Es hat sich gezeigt, dass das derzeitige 3D-Modell die
Anforderungen für eine Flutungsprognose nur bedingt erfüllt, insbesondere, da nur ungenü-

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gend Daten zum geologischen Aufbau des Untergrundes vorliegen und die genauen Wegsam-
keiten und Volumina der bergmännischen Auffahrungen nicht vollumfänglich erfasst werden
konnten.
Abb.: Workflow der geologischen, hydrogeologischen und geomechanischen Modellierung,
Visualisierung und Prognose für das Revier Lugau/Oelsnitz

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Ziel in GeoMAP ist es deshalb, auf die umfangreichen Archivbestände aus der Zeit des aktiven
Bergbaus erneut zurückzugreifen, weitere wesentliche Rissunterlagen zu digitalisieren und zu
georeferenzieren, um das derzeitige Modell zu ergänzen oder neu aufzubauen. Zeitgleich lau-
fen im Rahmen von GeoMAP am Institut für Geotechnik der TU Bergakademie Freiberg Ar-
beiten zur Modellkonzeptionierung für eine numerische Berechnung der Hebungen und Sen-
kungen im Revier Lugau/Oelsnitz. Ziel beider Arbeitsansätze ist es, eine Modellierungsgrund-
lage für den Grubenwasseranstieg in Lugau/Oelsnitz zu schaffen. Für eine gezielte Bewälti-
gung dieser Aufgabe ist auch der Austausch mit Fachleuten aus anderen Bergbaurevieren
erforderlich.
Literatur
[Felix et. al 2007] Felix, M., Berger, H.-J.; Schubert, H.; Görne, S. u. a. (2007): Bergbaufol-
gen im ehemaligen Steinkohlerevier Lugau/Oelsnitz unter besonderer Berücksichtigung
des Grubenwasseranstiegs. - Unveröff., Sächs. Landesamt für Umwelt und Geologie;
Freiberg.
[Felix & Berger 2010] Felix, M., Berger, H.-J. (2010): Steinkohlebergbau und Bergbaufolgen
im Steinkohlerevier Lugau/Oelsnitz. – Beitrag in Geoprofil Bd. 13, Sächs. Landesamt für
Umwelt und Geologie; Freiberg.

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41
Modellierung von Grundwasserfließwegen und -verweilzeiten –
Relevanz für Altbergbaugebiete
Dr. Tamara Kolbe und Prof. Traugott Scheytt
TU Bergakademie Freiberg - Institut für Geologie
Lehrstuhl für Hydrogeologie und Hydrochemie
Der geologische Bau, mit unterschiedlichen stratigraphischen Einheiten, bildet die Grundlage
für Art und Ausmaß hydrogeologischer Veränderungen im Bereich des Altbergbaus. Durch
das Auffahren von Hohlräumen wird die ursprüngliche hydraulische Leitfähigkeit des Gesteins
massiv verändert und es kann zu Störungen des hydraulischen und / oder hydrochemischen
Gleichgewichts kommen. Dabei kann durch hydraulische und hydrochemische Veränderun-
gen neben dem Grundwasser auch das Oberflächenwasser beeinflusst werden. Um die Stof-
fumsätze im Grundwasser und Stoffausträge zwischen den einzelnen Kompartimenten zu
quantifizieren, bedarf es einer Vielzahl an Methoden. Dazu zählen u.a. Tracermethoden und
numerische Strömungsmodelle.
Tracer zur Grundwasserdatierung haben in zahlreichen Fragestellungen zur Beschreibung
komplexer hydrogeologischer Begebenheiten und zur Ermittlung des Grundwasseralters An-
wendung gefunden. Als Grundwasseralter versteht man die mittlere Verweilzeit einer Misch-
probe, bestehend aus Wässern unterschiedlicher Verweilzeiten. Grundwasserproben aus Mo-
nitoring-Messstellen sind Mischproben, wenn diese über die Tiefe einer bestimmten Filterlänge
entnommen werden. Mit Hilfe von Grundwassermodellen können Verweilzeitenverteilungen
oder stochastische Verteilungen der gemessenen Mischkonzentration mit dem Grundwasser-
alter kalibriert werden. Mischproben liefern unter der Verwendung der verweilzeitenbasierten
Modellierung somit nicht nur Informationen über mittlere Konzentrationen, sondern können
über die stochastische Verteilung der Konzentrationen aufschlussreiche Informationen über
hydrodynamische und hydrochemische Prozesse im Untergrund liefern.
In diesem Vortrag wollen wir anhand einer Fallstudie zeigen, welchen Informationsgehalt
Mischproben enthalten und zeigen welche Auskunft punktuelle Messungen über den Eintrag
und den räumlich variablen Abbau von Nitrat in einem Grundwasserleiter geben. Wir nutzen
eine Kombination an Tracern und Grundwassermodellen, um Grundwasserfließwege und -ver-
weilzeiten zu bestimmen. Basierend auf diesen Ergebnissen, untersuchen wir Reaktionspro-
zesse entlang der Fließwege und zeigen welche Proxies genutzt werden können, um Aussa-
gen über die räumliche Variabilität der Abbauprozesse zu machen. In der Fallstudie wird der

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Transport und Abbau von Nitrat in einem landwirtschaftlich genutzten Einzugsgebiet betrach-
tet; die vorgestellten Methoden und Konzepte werden zukünftig auf bei Fragestellungen im
Zusammenhang mit dem Altbergbau angewandt.
Das vorgestellte landwirtschaftlich genutzte Einzugsgebiet weist teils erhöhte Nitratkonzentra-
tionen (bis zu 80 mg/l, gemessen an 16 Messstellen) im Grundwasser auf. Fraglich zu Beginn
der Studie war die Ursache der räumlich unterschiedlichen Signale. Ursachen können unter-
schiedliche Eintragsmengen über die Zeit, Grundwasserströmungen oder Denitrifikationspro-
zesse (Denitrifikation bezeichnet den mikrobiellen Abbau des im Nitrat enthaltenen Stickstoffs
zu molekularem Stickstoff unter anoxischen Bedingungen) innerhalb der Erfassungszone der
Brunnen sein.
Wir nutzten FCKW als Tracer zur Bestimmung des Grundwasseralters und zur Kalibrierung
des Grundwasserströmungsmodells. So konnten Bewegungen virtueller Wasserpartikel im
Strömungsfeld visualisiert und Prozesse entlang der Bahnlinien untersucht werden. Die Er-
gebnisse zeigten, dass die mittlere Verweilzeit des Grundwassers 40 Jahre und der mittlere
Fließweg 350 m betragen (1). Reaktive Tracer (NO
3
-
, O
2
, N
2
excess) wurden genutzt, um De-
nitrifikationsprozesse entlang der Bahnlinien zu untersuchen. Wir konnten zeigen, dass allein
eine Abschätzung der Verweilzeitenverteilung, und der Sauerstoff- sowie Nitratmessungen
ausreicht, um Aussagen über die räumlich variable Ausbreitung der Denitrifikationsprozesse
zu treffen. Die Parameter, die während des Monitoringprogramms ohnehin aufgezeichnet wer-
den, können somit weiter interpretiert werden, um das Abbaupotential des gesamten Grund-
wasserleiters und den Einfluss auf Oberflächengewässer in dem landwirtschaftlich genutzten
Einzugsgebiet abzuschätzen (2).
Referenzen:
1.
Kolbe, T., Marçais, J., Thomas, Z., Abbott, B. W., de Dreuzy, J.-R., Rousseau-Guetin,
P., Aquilina, L., Labasque, T., Pinay, G., (2016), Coupling 3D groundwater modeling
with CFC-based age dating to classify local groundwater circulation in an unconfined
crystalline aquifer.
Journal of Hydrology
.
2.
Kolbe, T., de Dreuzy, J.-R., Abbott, W. B., Aquilina, L., Babey, T., Green, C.T., Fleck-
enstein, J., Labasque, T., Laverman, A., Marçais, J., Peiffer, S., Thomas, Z., Pinay,
G., (2019), Stratification of reactivity determines nitrate removal in groundwater.
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.

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43
Prognose der Mineralisation der Grubenwässer bei der Flutung des
ehemaligen Bergwerks Ost der RAG
Marcel Schlegel, Dr. René Kahnt
G.E.O.S. Ingenieurgesellschaft mbH
Von der Ruhrkohle AG (RAG) wurde 2014 der Entwurf des Grubenwasserhaltungskonzeptes
zur langfristigen Optimierung der Grubenwasserhaltung für Nordrhein-Westfalen vorgelegt.
Danach würde das Wasser aus dem Bereich des Bergwerkes Ost (Wasserhaltung Haus Aden
/ Monopol) weiterhin in die Lippe eingeleitet. In diesem Zusammenhang war eine Bewertung
der mit dem Grubenwasser ausgetragenen Stoffe bezogen auf die Lippe notwendig. Insbe-
sondere war einzuschätzen, ob im Rahmen des Grubenwasseranstieges eine deutliche Re-
duktion der stofflichen Belastung der Grubenwässer erwartet werden kann, wie sie aus dem
Aachener Steinkohlenrevier dokumentiert sind. Im Auftrag der RAG wurde von der DMT im
Juni 2015 eine entsprechende Prognose für den Flutungsverlauf und die Wasserqualität er-
stellt („Prognose zu Einleitwerten am Standort Haus Aden bei Flutung der Wasserprovinz
Ost“). Die Firma G.E.O.S. Ingenieurgesellschaft mbH mit dem Nachunternehmer Dr. Unland
(HydroGeo-Consulting) wurde im Ergebnis eines öffentlichen Vergabeverfahrens vom Minis-
terium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes
Nordrhein-Westfalen mit dieser gutachterlichen Prüfung beauftragt.
Die Bearbeitung erfolge Im Zeitraum von insgesamt 3 Monaten mit den folgenden Schwer-
punkten:
Datenrecherche und Detaillierte Datenauswertung und Erstellung einer Web-basierten
Datenbank
Aufbau eines Grubenflutungsmodells zur Prognose des Flutungsstandes und der Mi-
neralisation unter Berücksichtigung geochemischer Wechselwirkungen
Nachrechnung der Flutungshistorie

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Erstellung von deterministischen und probabilistischen Prognosen für den weiteren
Flutungsverlauf und Prüfung der Sicherheit der Aussagen der im Auftrag der RAG er-
stellten Gutachten
Prüfung der Auswirkungen von zukünftigen technischen Rahmenbedingungen
Vergleichende Betrachtung der Grubenwasserverhältnisse anderer Steinkohlenreviere
mit dem ehemaligen Bergwerk Ost
Zusätzlich wurden Szenarien für die weitere Flutungsverlauf untersucht. Beispielhaft ist nach-
folgend das History Matching für die Chloridkonzentration für die Provinz Hause Aden darge-
stellt.
Abbildung 1: History Matching / Modellkalibrierung: Zeitliche Entwicklung der Cl – Konzentration für
die Provinz Haus Aden

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45
Abbildung 2: Prognose zur Entwicklung der Cl – Konzentration in Haus Aden unter Berücksichtigung
der Unsicherheiten
Im Ergebnis der Bearbeitung wurden die von DMT vorgelegten Prognosen bestätigt. Zusätzlich
wurden die zugrunde liegenden Unsicherheiten und Bandbreiten illustriert. Anhand der zusätz-
lich betrachteten Szenarien wurden Empfehlungen für eine Optimierung der Flutung gegeben.

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Numerische Ansätze für die Diskretisierung und hydraulische Simu-
lation von untertägigen Bergwerksflutungen
Dr. Timo Kessler
1
, Dr. Michael Eckart
2
, Prof. Dr. Maria-Theresia Schaf-
meister
1
1
Universität Greifswald, Institut für Geographie und Geologie,
2
DMT GmbH & Co. KG
Keywords:
Bergwerksflutung, Steinkohle, Grubenwasseranstieg, Numerische Modellierung
1. Einleitung
Im Dezember 2018 wurde im letzten aktiven deutschen Steinkohlebergwerk Prosper Haniel
der Betrieb eingestellt. Mit der Stilllegung der Kohlenförderung beginnen die Aufgaben des
Nachbergbaus und damit an vielen ehemaligen Bergewerksstandorten die Flutung und die
nachgelagerte Wasserhaltung des Bergwerkes. Bei einer Bergwerksflutung werden in erster
Linie die Pumpen auf den Sohlen des Bergwerks abgeschaltet und der Grundwasserspiegel
steigt aufgrund von Zuflüssen langsam auf ein bestimmtes Niveau an. Der Wasserzustrom
setzt sich aus meteorischem Infiltrationswasser, Tiefenzuläufen aus geklüfteten Aquiferen und
Formationswasser zusammen. Wie sich die Komponenten quantitativ aufteilen hängt von der
Struktur und den hydraulischen Eigenschaften der überlagernden Schichten und vom Grund-
wasserfließgeschehen in der Tiefe ab. Bei der Flutung werden häufig stark salinare Tiefen-
wässer durch Mischungsprozesse (turbulente Hohlraumströmung, Heben des Grubenwas-
sers) mit oberflächennahen Wässern vermischt. Dies kann zu einer Verunreinigung sekundä-
rer Grundwasseraquifere sowie zu einer hohen Salzbelastung des gehobenen Wassers füh-
ren. Die Grubenwasserhaltung hat diesbezüglich das Ziel ein nachhaltiges Grubenwasserni-
veau zu identifizieren und einzustellen, bei welchem die relevanten Wasserressourcen ge-
schützt sind und Kontaminationen minimiert werden können.

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Um den zeitlichen Verlauf des Grubenwasseranstiegs und die damit verbundenen chemischen
Frachten prognostizieren zu können, wurden verschiedene Modellansätze für Bergwerksflu-
tungen entwickelt und dokumentiert (vgl. Toran and Bradbury, 1988; Adams and Younger,
1997; Sherwood, 1997; Burke and Younger, 2000; Gandy and Younger, 2007; Azrag, Ugorets
and Atkinson, 2012). Anders als in herkömmlichen Strömungsmodellen in porösen Medien
nach Darcy, wird die Wasserbewegung in Grubenhohlräumen mindestens während des Was-
seranstieges als turbulent charakterisiert. Grubenflutungen sind daher meist eine Kombination
aus Matrixfluss und Hohlraumströmung. Die Modelle können basierend auf der Strömungs-
charakteristik in drei Ansätze unterteilt werden: a) physikalisch motivierte Modellkonzepte, wel-
che die Strömung zwischen Hohlräumen und Matrix differenziert berechnen, b) semi-explizite
Parametermodelle (Boxmodelle), welche die Flüsse über definierte Volumina bilanzieren, so-
wie c) voll diskretisierte, numerische Kontinuum Modelle. Zwei dieser Ansätze [b) und c)] sollen
in diesem Beitrag vorgestellt werden.
2. Modelltypen
Semi-explizite Parametermodelle
In den 1990er Jahren wurden für große Bergbaureviere mit mehreren Wasserprovinzen kon-
zeptionelle Modelle miteinander kommunizierender Becken einheitlicher Parametrisierung ent-
wickelt und in Softwarepaketen umgesetzt (GRAM, BoxModell3D). Dabei werden hydraulische
Einheiten unabhängig von der räumlichen Geometrie des Grubengebäudes definiert und damit
der Rechenaufwand um ein Vielfaches reduziert. Der Ansatz ist vergleichbar mit einem volu-
metrischen Black-Box-Modell, an dem hydraulische Übertritt- und Ausflusspunkte für jedes
Becken separat festgelegt werden. Die Berechnung des Grubenwasseranstiegs basiert auf
den gefluteten Beckenvolumina und den für eine Wasserprovinz berechneten Wasserbilanzen
(Adams and Younger 2001). Da es sich bei den Parametermodellen um eine Volumenbilanz-
modellierung handelt, kommt der Berechnung des flutbaren Hohlraumvolumens eine Schlüs-
selfunktion zu. Dieses wird als Resthohlraumvolumen als Differenz von Rohfördervolumen und
Senkungs- und Versatzvolumen definiert (Eckart et al. 2004).

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Abbildung 1: Schema des Konzepts der kommunizierenden Röhren/Becken durch Wasserüber-
trittpunkte wie es im GRAM code implementiert wurde
(Sherwood 1997)
.
Numerische Kontinuum Modelle
Trotz vielversprechender Ergebnisse und häufiger Anwendung von semi-expliziten Parame-
termodellen im deutschen Steinkohlenbergbau gibt es auch eine Reihe gut dokumentierter
Grubenwasseranstiegsmodelle mittels numerischer Kontinuummodelle. Die meisten Modelle
wurden mit der Software MODFLOW (McDonald and Harbaugh 1988) durchgeführt und ba-
sieren auf laminaren Strömungsgleichungen. Es zeigt sich jedoch, dass diese Modelle für
Bergwerksanwendungen mit einigen Limitierungen behaftet sind. Die notwendigen Daten-
grundlagen für die Parametrisierung sind oft umfangreich und/oder nicht verfügbar (Kim and
Choi 2018). Daneben kann die Diskretisierung des Modellraumes aufgrund der Hohlraum-
strukturen kompliziert werden (Adams and Younger 2001). Unabhängig davon wurden in An-
lehnung an kleinskalige Hohlraummodelle Erweiterungsmodule für Kontinuum Modelle entwi-
ckelt, welche die Kombination von laminarem Matrixfluss mit turbulenter Rohrströmung erlau-
ben (z.B. MODFLOW-CFP (Shoemaker et al. 2005)). Allerdings fehlen hierfür dokumentierte
Erfahrungswerte aus Grubenwasseranwendungen.
3. Aktuelle Modellentwicklungen
In deutschen Steinkohlerevieren an Saar und Ruhr kommen überwiegend Parametermodelle
zum Einsatz um Grubenwasseranstiege und die damit verknüpften Schadstofffrachten zu mo-
dellieren. Diese Modelle sind jedoch, was die Repräsentation der Geologie und die Paramet-
risierung der untertägigen Strukturen und Hohlräume angeht, stark vereinfacht. Insbesondere
das komplexe Fließverhalten im Untergrund (turbulent bei Flutung, laminar in Hohlräumen,
Darcy im Nebengestein) kann rechnerisch nicht abgebildet werden. Mit numerischen Model-
len, welche auf Basis stratigraphischer und strukturgeologischer Kenntnisse inklusive anthro-
pogen geschaffener Grubenhohlräume diskretisiert werden, können hydraulisch relevante
Strukturen implementiert werden. Darüber hinaus stehen für die verschiedenen Fließtypen

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entsprechende Gleichungen zur Verfügung, welche geometrisch differenziert kombiniert wer-
den können. Verschiedene Versuche mit FEM Modellen haben dabei gezeigt, dass insbeson-
dere die Geometrie und die räumliche Dimension der Grubenhohlräume zu Konvergenzprob-
lemen führen können. Ein wesentlicher Arbeitsschritt erfolgreicher Modellierungen besteht in
der sorgfältigen Diskretisierung der Hohlräume und der benachbarten Gesteinsmatrix, da hier
die größten Gradienten physikalischer Parameter auftreten. Vielversprechende Ergebnisse
können insbesondere mit unstrukturierten, tetraedrischen Netzen erzielt werden, welche klein-
räumige Strukturen in großen Modellgebieten recheneffizient abbilden können.
Die Frage nach dem passenden Modellansatz ist auch eine Frage Datenverfügbarkeit und der
zu modellierenden räumlichen Skala. Einerseits unterstützen inverse Parametermodelle eine
rasche und verlässliche Berechnung beobachteter Grubenwasserdynamiken. Die Kalibrierung
über die Volumenströme lässt dabei eine hohe Genauigkeit der prognostizierten Anstiegskur-
ven zu und erlaubt die Berechnung von Schadstofffrachten in bestimmten Wasserprovinzen.
Numerische Ansätze können das reale Fließgeschehen in Grubengebäuden inklusive der un-
terschiedlichen Fließtypen differenziert abbilden. Die Modelle lassen sich allerdings aufgrund
der Komplexität schwer diskretisieren und erfordern eine strenge Validierung der Randbedin-
gungen. Bei der Weiterentwicklung numerischer Modellansätze für Grubenwasseranstiege
können insbesondere Parametermodelle als wertvolle Benchmark dienen und sollten als sol-
che wissenschaftlich berücksichtigt werden.
4. Literatur
Adams, R., and P.L. Younger. 1997. “Simulation of Groundwater Rebound in Abandoned
Mines Using a Physically Based Modelling Approach.”
International Mine Water
Association IMWA
, 353–62.
Adams, R., and P.L.Younger, 2001. “A Strategy for Modeling Ground Water Rebound in
Abandoned Deep Mine Systems.”
Ground Water
. https://doi.org/10.1111/j.1745-
6584.2001.tb02306.x.
Azrag, E.A., V.I. Ugorets, and L.C. Atkinson. 2012. “Use of a Finite Element Code to Model
Complex Mine Water Problems,” 31–41.
Burke, S.P., and P.L. Younger. 2000. “Groundwater Rebound in the South Yorkshire
Coalfield: A First Approximation Using the GRAM Model.”
Quarterly Journal of
Engineering Geology and Hydrogeology
33 (2): 149–60.
https://doi.org/10.1144/qjegh.33.2.149.

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51
Eckart, M., Brüggemann, Hewig, Kunz, Langosch, Marzilger, Rüterkamp, Schiffer, and
TeKook. 2004. “Abschlussbericht Resthohlraumvolumen.”
Gandy, C.J., and P.L. Younger. 2007. “Predicting Groundwater Rebound in the South
Yorkshire Coalfield, UK.”
Mine Water and the Environment
26: 70–78.
https://doi.org/10.1007/s10230-007-0153-7.
Kim, Sung Min, and Yosoon Choi. 2018. “SIMPL: A Simplified Model-Based Program for the
Analysis and Visualization of Groundwater Rebound in Abandoned Mines to Prevent
Contamination of Water and Soils by Acid Mine Drainage.”
International Journal of
Environmental Research and Public Health
15 (5).
https://doi.org/10.3390/ijerph15050951.
McDonald, Michael G., and Arlen W. Harbaugh. 1988. “A Modular Three-Dimensional Finite-
Difference Ground-Water Flow Model.”
Techniques of Water-Resources Investigations
.
https://doi.org/10.3133/twri06A1.
Sherwood, J.M. 1997. “Modelling Minewater Flow and Quality Changes after Coalfield
Closure.” Newcastle University.
Shoemaker, W Barclay, Eve L Kuniansky, Steffen Birk, Sebastian Bauer, and Eric D Swain.
2005. “Documentation of a Conduit Flow Process (CFP) for MODFLOW-2005.”
U.S.
Geological Survey Techniques and Methods, Book 6, Chapter A24
, 50.
Toran, Laura, and Kenneth R. Bradbury. 1988. “Ground-Water Flow Model of Drawdown and
Recovery Near an Underground Mine.”
Ground Water
26 (6): 724–33.
https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.1988.tb00423.x.

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Überblick über numerische Berechnungsverfahren in der
Geotechnik
Prof. Dr. habil. Heinz Konietzky
TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik
Numerische Berechnungsverfahren können gemäß verschiedener Kriterien eingeteilt wer-
den. Sehr sinnvoll ist eine Betrachtung bzgl. der räumlichen und zeitlichen Diskretisierung:
bezgl. der zeitlichen Diskretisierung kann man explizite und implizite Methoden unter-
scheiden
bzgl. der räumlichen Diskretisierung kann man netzfreie und netzbehaftete Methoden
unterscheiden
Zunächst wurden in der Geotechnik netzbehaftete implizite und explizite Verfahren benutzt,
z.B. die Finite Elemente (FEM), Finite Differenzen (FDM) und Randelemente Methoden (BEM).
Später kamen netzfreie Methoden dazu, wie Smooth Particle Hydrodynamics (SPH), diverse
Partikelmethoden (PM) und Diskrete Elemente Methoden (DEM).
Netzfreie Methoden haben den Vorteil, sehr große Deformationen sowie Vermischungs- und
Zerteilungsprozesse abbilden zu können, da sie über automatische Kontakterkennungsrouti-
nen verfügen. Sie finden deshalb z.B. für folgende Problemstellungen Anwendung (siehe auch
Abb. 1 und 2):
Simulation von Massenbewegungen (Steinfall, Lawinen, Muren etc.)
Simulation von statischen und dynamischen Zerkleinerungsprozessen (Bohren,
Sprengen etc.)
Verhalten granularer Medien

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Der Nachteil der netzfreien Methoden besteht im erhöhten Rechenaufwand, der noch relativ
geringen Anwendererfahrung sowie dem Fakt, dass klassische Stoffgesetze nicht direkt an-
wendbar sind.
Explizite Verfahren haben den Vorteil, auch physikalisch instabile Systeme problemlos abbil-
den zu können (z.b. Kollisionen, Verhalten im Nachbruchbereich). Sie benötigen aber i.d.R.
längere Rechenzeiten und interne Dämpfungsalgorithmen für statische Lösungen.
Neben Eigenentwicklungen (z.B. im universitären Umfeld) kann der Geotechniker zwischen
‚Multi-Purpose-Programmen‘ wie z.B. ANSYS, ABAQUS, NASTRAN etc. und geotechnischen
Spezialprogrammen (z.B. FLAC, PLAXIS, RS3 etc.) wählen. Die ‚Multi-Purpose-Programme‘
verfügen nur in sehr begrenztem Rahmen über die geotechnisch notwendigen Eigenschaften
und Elemente. Dies betrifft zum Beispiel Stoffgesetze oder auch Bauelemente, wie Anker, Ge-
otextilien etc. Deshalb hat sich die geotechnische Spezialsoftware bis heute behauptet.
Beim Einsatz numerischer Programme in der Geotechnik sind folgende wesentliche Aspekte
zu betrachten:
Auswahl einer geeigneten numerischen Methode bzw. Tools
Spezifizierung der Anfangs- und Randbedingungen
Festlegung der Modellgröße
Wahl geeigneter Stoffgesetze und Parameter
Vernetzung (Struktur, Dichte, Element-Typen)
Räumliche Dimension (2D oder 3D)
Ausnutzen von Symmetriebedingungen beim Netzaufbau
Modellierungssequenzen (z.B. bautechnische Arbeitsschritte)
Kopplungen (HTMC = Hydro-Thermo-Mechanisch-Chemisch, siehe auch Abb. 3)
Statische oder dynamische Simulation
Effizienz vs. Genauigkeit

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Abb. 1: Numerische Simulation eines Schneidprozesses mittels DEM
Abb. 2: Numerische Simulation von Lawinen (links) und Steinschlag (rechts)
Numerische Modelle müssen zunächst verifiziert und danach validiert werden. Verifikation be-
deutet den Nachweis, dass die implementierten Algorithmen korrekt arbeiten. Dazu werden
die numerischen Berechnungsergebnisse meist mit analytischen Lösungen oder geprüften Lö-
sungen, erhalten mittels anderer numerischer Verfahren (benchmarking), verglichen. In der
Phase der Validierung erfolgt der Vergleich von Simulationsergebnissen mit in-situ Messer-
gebnissen. In der Validierungsphase wird also geprüft, ob die numerisch umgesetzten physi-
kalisch-chemischen Prozesse den in-situ Prozess auch richtig beschreiben können (siehe
Abb. 4).

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In Bezug auf die Kopplungen kommt der hydro-mechanischen Kopplung die bei weitem größte
Bedeutung zu. Dabei gibt es verschiedene Kopplungsmöglichkeiten: einseitig oder beidseitig
wirkend.
Heutzutage können auch große Modelle (bis zu einigen Millionen Zonen, Elemente oder Par-
tikel) mittels PC berechnet werden. Die Rechenzeiten liegen je nach Modellgröße und Aufga-
benstellung zwischen wenigen Stunden bis hin zu mehreren Wochen. Bei Notwendigkeit kön-
nen Submodell-Techniken angewandt werden, bei der eine Problemstellung auf mehreren
Skalen betrachtet wird, wie in Abb. 5 dargestellt.
Abb. 3: Illustration der THMC-Kopplung
Abb. 4: Verifikation und Validierung von numerischen Modellen

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Abb. 5: Submodell-Technik: großes Modell (links) und detailliertes Submodell (rechts)

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DEM zur Simulation von Folgen von Grundwasseränderungen in
Bergbaufolgelandschaften am Beispiel des ehemaligen Stein-
kohlereviers Lugau/Oelsnitz.
Gunther Lüttschwager
TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik
Durch Bergbau induzierte Bodenbewegungen können an der Erdoberfläche noch lange nach
Stilllegung des Abbaus Folgewirkungen haben. Zur Überwachung der Auswirkungen des Ab-
baus auf Oberflächenbewegungen bedarf es einer umfassenden und integrierten Untersu-
chung. Dazu können u.a. Grund- und Grubenwassermessstellen, Nivellementmessungen,
Grubenwasserchemie, satellitengestützte Radarinterferometrie und andere Methoden beitra-
gen. Am Beispiel des 1971 stillgelegten und bereits seit 1970 in Flutung befindlichen Stein-
kohlereviers Lugau/Oelsnitz soll dazu eine entsprechende Strategie entworfen werden.
Schwerpunkt der Untersuchungen im Rahmen des EU-Projektes GeoMAP ist dabei ein bes-
seres Verständnis der vertikalen Bodenbewegungen die sich grob in zwei Kategorien einteilen
lassen:
1) Senkungen infolge des Massedefizits durch den Abbau der Kohle.
2) Hebungen infolge des Gruben- und Grundwasserwiederanstiegs nach Ende des aktiven
Bergbaus.
Ein erster Schritt ist die Sammlung aller verfügbaren Daten und Informationen im Untersu-
chungsgebiet: Geologisch liegt das Untersuchungsgebiet in der Vorerzgebirgs-Senke, welche
sich während der variszischen Orogenese ausgebildet hat. Darauf aufliegend befinden sich
die steinkohlehaltigen Ablagerungen des Oberkarbons, welche im Rahmen des Bergbaus aus-
gebeutet wurden. Das Oberkarbon hat im Untersuchungsgebiet im Nordwesten seine größte
Mächtigkeit mit ca. 150 m und streicht in südöstlicher Richtung aus. Die eigentlichen Kohlefel-
der teilen sich in min. 14 verschiedene Flötze. Die Mächtigkeiten variieren dabei zwischen 0,6

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m und 5,0 m (Beyer, 1974; Felix et al. 2007). Für die Modellierung kann aufgrund von unzu-
reichenden Informationen über die genauen Abbauhöhen, sowie der Komplexität des Gruben-
gebäudes nur von einem gemittelten Abbaufeld ausgegangen werden. Aufgrund der hohen
tektonischen Aktivität der nordost-südwest verlaufenden Mittelsächsischen Störungszone mit
Verwerfungen von teilweise bis zu 350 m (Rödlitzer Sprung) ist die Modellbildung des Gebietes
sehr anspruchsvoll. Die aufliegenden Schichtungen des Rotliegend werden vereinfacht in
4 Formationen unterteilt (Abb. 1). Die tertiären und quartären Ablagerungen werden als eine
Einheit zusammengefasst. Da im Rahmen der Modellierungen nur vertikale Bewegungen un-
tersucht werden sollen, wurde die Topographie vereinfacht, indem die Geländeoberkante bei
300 m NN als eben angenommen wird. Die weitere geotechnisch relevante Auflast des Ge-
ländes kann dann als Randbedingung implementiert werden. Die Geologie wird, wie in Abb. 1
gezeigt durch die Verwendung von abschnittsweise ebenen Schichtgrenzen ebenfalls stark
vereinfacht.
Abb. 1: Geologische Horizonte im Untersuchungsgebiet. Oben: Geologisches Modell (LfULG). Unten:
Vereinfachung für Numerische Modellierung. Die Kohleflötze liegen im Karbon zwischen Basis
Karbon und Basis Härtensdorf.
Die geotechnischen Eigenschaften für die einzelnen Bereiche stammen überwiegend aus
Bohrkernuntersuchungen. Die numerische Umsetzung der „Flutung“ des Bergwerkes sollte ur-
sprünglich durch eine hydraulisch-mechanische Kopplung Erfolgen. Aufgrund der sehr

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schlechten hydraulischen Durchlässigkeit der Gesteinsschichten, sowie der aus aktiven Berg-
bauzeiten bekannten hydraulischen Dichtigkeit der meisten Störungen (Beyer, 1974) wird auf
die Modellierung eines Gruben- und Grundwasserfließens verzichtet. Das steigende Gruben-
wasser kann somit vereinfacht durch die Änderung der Gesteinseigenschaften sowie den An-
stieg des Porenwasserdrucks im angenommenen Grubengebäude numerisch umgesetzt wer-
den.
Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt ist die Aufbereitung der vorhandenen Messdaten der verti-
kalen Bodenbewegungen. Diese basieren zum einen auf Nivellement Messungen, zum an-
deren auf satellitengestützen InSAR-Messungen (Abb. 2). Es zeigt sich allerdings, dass auf-
grund der, im Vergleich zu anderen ähnlichen Bergwerken sehr langsamen Flutung und so-
mit im Bereich der Nachweisgrenze befindlichen Hebungsraten, die Messdaten schwierig zu
interpretieren sind. Eine weitere Herausforderung für die Modellierung sind fehlende Informa-
tionen über die Hebung der Geländeoberkante im Zeitraum 1972-1996. Die Flutung selbst ist
erst seit 2006 (Einrichtung der GWM I Oelsnitz) nachvollziehbar. Die 2014 eingerichtete
GWM II (Gersdorf) zeigt zudem, dass der Grubenwasserspiegel im Bergwerk nicht überall
gleich ist (Abb. 3).

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Abb. 2: Vertikale Bodenbewegungsraten im Untersuchungsgebiet in verschiedenen Zeitintervallen.

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Abb. 3: Grundwasserspiegel an den Grundwassermessstellen Oelsnitz und Gersdorf.
Literatur:
BEYER, C. u. a. (1974): Bergschadenskundliche Analyse „Lugau-Oelsnitz“. - Unveröff., VEB
Baugrund Berlin, Produktionsbereich Zwickau & VEB Steinkohlenwerk Oelsnitz,
Zwickau, Archiv Oberbergamt; Freiberg.
FELIX, M. et al. (2007): Bergbaufolgen im ehemaligen Steinkohlerevier Lugau/Oelsnitz unter
besonderer Berücksichtigung des Grubenwasseranstiegs. - Abschlussbericht. - Unver-
öff. Bericht, Archiv LfULG, Freiberg

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Stand der 3D-Kippenmodellierung als Grundlage für geotechnische
Bewertungen im LEAG-Tagebau Nochten
Roman Zschieschick, Lars Schumacher, Regine Grosser
Lausitz Energie Bergbau AG
Die LEAG stellt den viertgrößten Kraftwerksbetreiber und den zweitgrößten Betreiber von
Braunkohlentagebauen in Deutschland dar. Die Lausitz Energie Kraftwerke AG (LE-K) und die
Lausitz Energie Bergbau AG (LE-B) agieren unter der gemeinsamen Marke LEAG auf dem
deutschen Energiemarkt. 2018 wurden aus den 4 aktiven Tagebauen der LE-B 60,7 Mio. t
Braunkohle gewonnen, die zum überwiegenden Teil in den Kraftwerken verstromt wurde.
Die landesplanerische Grundlage für einen Tagebau bildet der jeweilige Braunkohlenplan.
Bergrechtliche Grundlagen für den aktiven Betrieb eines Tagebaues bilden der jeweilige Rah-
menbetriebsplan sowie die Haupt- und Sonderbetriebspläne. In Abschlussbetriebsplänen ist
die Gestaltung des nachbergbaulichen Zustandes bergrechtlich geregelt. Für eine Entlassung
aus der Bergaufsicht sind u.a. der Nachweis der Dauerstandsicherheit der Tagebaukippen und
der Nachweis eines sich weitgehend selbst regulierenden Wasserhaushaltes im nachbergbau-
lichen Zustand notwendig.
Ein räumlich-geographisches Modell zur Bereitstellung von Informationen zum Aufbau und Zu-
stand der Kippen ist ein wesentlicher Bestandteil der „Lebenslaufakte“ eines jeden Tagebaues.
Für jeden Tagebau der LEAG wurde auf dem ArcGIS Standard ein solches Modell aus mark-
scheiderisch eingemessenen Daten erstellt und wird als sogenannte Kippenakte geführt.
Diese Modelle umfassen unter anderem die geometrischen Daten der Kippen aus den einzel-
nen Abwürfen der Abraumförderbrücke (AFB) sowie der nachfolgenden Endgestaltung durch
die Absetzergeräte. Alle Ebenen sind lückenlos, überschneidungsfrei und eindeutig modelliert.
Am Beispiel des LEAG-Tagebaues Nochten soll die Herstellung des räumlich-geographischen
Modells und dessen Anwendung für geotechnische Bewertungen anhand von 2 Beispielen
erläutert werden.

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Geometrisches Modell Tagebau Nochten
Die Hohlform des Tagebaues, bestehend aus dem betrieblichen Liegenden und dem Randbö-
schungssystem (Abb. 1), bildet die Aufstandsfläche für alle folgenden Verkippungsschichten.
Darauf aufbauend folgen die Vorschüttung und die Vorkippe der AFB und die einzelnen AFB-
Hochkippenabwürfe 1, 2 und 3. Die obersten Kippenschichten entstehen aus den Daten der
Absetzerverkippung: die Absetzerkippenbasis (Absetzerkippenunterkante), die Absetzertief-
schüttung (Absetzerarbeitsebene) sowie die Absetzerhochschüttung. Wird keine Absetzerver-
kippung vorgenommen, entspricht die oberste Kippenschicht der planierten bzw. der zu die-
sem Zeitpunkt fertiggestellten Hochkippe der AFB (Abb. 2).
Die regelmäßig markscheiderisch aufgenommenen Luftbilder bzw. Strossenrisse bilden die
primäre Informationsquelle. Jedoch liegen diese erst seit 1995 digital vor. Um eine digitale
Nutzbarmachung der davor ausschließlich analog vorhandenen Daten zu gewährleisten, wur-
den hunderte quartalsweise aufgenommene Betriebsrisse aus Archiven recherchiert, ge-
scannt, georeferenziert und digitalisiert. Über verschiedene Selektionsalgorithmen wurden die
relevanten Geoinformationen extrahiert und zusammengefasst. Für die Vorkippe beispiels-
weise beträgt die modellierte Gesamtfläche ca. 6.230 ha. Im analogen Datengrundlagegebiet
(1974 – 1995) wurden dafür insgesamt ca. 3.500 Höhenpunkte digitalisiert. Aus digitalen Quel-
len wurden ca. 100.000 Höhenpunkte verarbeitet. Alle Modelle werden jährlich aktualisiert,
wobei jeder Höhenpunkt einen Zeitstempel besitzt. Durch diesen Zeitstempel haben die Mo-
delle einen 4D-Charakter und ermöglichen auch temporär-räumliche Analysen.

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Abb. 1: geometrisches Modell Nochten - Hohl-
form / betr. Liegendes
Stand: Dezember 2018
Abb. 2: geometrisches Modell Nochten – AFB-
und Absetzerkippe
Stand: Dezember 2018
Prognose der Bindigkeitsverteilung der Kippe
Die geologischen Erkundungsbohrungen im Vorfeld des Tagebaues sowie im bereits in An-
spruch genommenen Bereich bilden die Grundlage für die Bindigkeitsberechnung der Abraum-
massen. Aus der geophysikalischen Bohrlochmessung im Gewachsenen stehen Angaben zu
den petrografischen Eigenschaften zur Verfügung. Diese petrografischen Eigenschaften wer-
den nach prozentualer Aufteilung in Grob- und Feinkorn zur Ermittlung der Bindigkeit des ge-
wachsenen Bodens genutzt.
Die so ermittelten Bindigkeiten der Schichten bilden jedoch zunächst nur die kompletten Ab-
raummassen in der Vertikalen ab (Abb. 3). Die Verlagerung auf die Kippenseite bleibt zu die-
sem Zeitpunkt unberücksichtigt und erfolgt dann in einem weiteren Bearbeitungsschritt. Hierfür
werden die Schichten samt der Bindigkeiten unter Berücksichtigung der Baggerstandorte, der
Transport- und Verkippungstechnologie der AFB sowie ggf. der Nachholschnitte von der Bag-
gerseite auf die Kippenseite verschoben.
Es wird davon ausgegangen, dass die der AFB angeschlossenen Eimerkettenbagger auf der
Hauptarbeitsebene entweder im Hoch- oder im Tiefschnitt und der Bagger auf der oberen Ar-
beitsebene im Hochschnitt die Massen abtragen. Dadurch kommt es zu einer Mischung der
Bindigkeiten vom jeweiligen Baggerstandort bei der Aufgabe auf das Hauptband. Ausgehend

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vom Schnittpunkt der Geräteachse der AFB zur deren Fahrachse werden die Standorte der
Bagger bestimmt und unter Berücksichtigung der Mächtigkeit ein gewichtetes Mittel erstellt
und am Schnittpunkt als „Bindigkeit AFB“ erfasst (Abb. 4 und Abb. 5). Dies erfolgt getrennt
nach Brückenhoch- und –tiefschnitt.
Im nächsten Bearbeitungsschritt werden die gewichteten Bindigkeiten entsprechend der AFB-
Winkelstellungen und den Abständen der Brückengeometrie auf die einzelnen Abwürfe der
Kippenseite versetzt (Abb. 6) und wieder zusammengefasst, womit man die Bindigkeit der
Gesamtkippe erhält. Durch die Aufteilung, Versetzung und anschließende Zusammensetzung
der mächtigkeitsabhängigen Bindigkeiten bleiben der Mittelwert sowie die Standardabwei-
chung unverändert. Im Vergleich zur bohrlochbezogenen Bindigkeitsberechnung entsteht aber
eine homogenere und realitätsnähere Bindigkeitsverteilung auf der Kippe.
Abb. 3: geologische Erkundungsbohrung –
Trennebene Vorschnitt bis betr. Liegendes
Abb. 4: geologische Erkundungsbohrungen –
unter Berücksichtigung der Baggerstand-
orte sowie der Schnittmächtigkeiten der
Brückenschnitte
Abb. 5: geologische Erkundungsbohrungen –
Zusammenfassung auf Geräteachse AFB
Abb. 6: geologische Erkundungsbohrungen –
Verschiebung der zusammengefassten
Bindigkeit auf einzelne Abwürfe

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Das Grundwassermodell für den Tagebau Nochten
Zur Prognose von Grundwasserstandsentwicklungen im Tagebau Nochten und in seinem Ein-
flussbereich, zur Abgrenzung der Reichweite, zur Erstellung von Prognosen zur zukünftigen
Wasserhebung sowie zur Einschätzung der sich nachbergbaulich einstellenden Grundwasser-
verhältnisse wird ein hydrologisches Großraummodell (HGM) genutzt. In dem Modell werden
die wesentlichen geometrischen und hydraulischen Eigenschaften des Modellraumes, wie z.B.
das jeweilige Liegende und die Mächtigkeiten von Grundwasserleitern sowie Durchlässigkei-
ten der gewachsenen oder gekippten Materialien abgebildet. Dazu ist die Kippenakte (s.o.) für
den Bereich der Kippe der Tagebaue eine entscheidende, weil belastbare und sehr gut doku-
mentierte Datenbasis. Das HGM selbst sowie die Modellrechnungen zur Kalibrierung und für
Prognosen werden mit dem Programmsystem PCGEOFIM erstellt, fortlaufend gepflegt und
weiterentwickelt. Das Programmsystem PCGEOFIM berechnet die Grundwasserverhältnisse
auf Basis der Finite-Volumen-Methode und ist ein speziell für die Anforderungen des Braun-
kohlenbergbaus ausgerichtetes Werkzeug.
Die Grundwasserströmungen und Grundwasserstände im und im Umfeld des Tagebaues
Nochten werden zusammen mit dem Tagebau Reichwalde im HGM Nochten/Reichwalde be-
rechnet. Das HGM wird instationär betrieben und deckt den Zeitraum ab 2007 bis zum Errei-
chen des quasistationären Endzustandes ab. Räumlich ist das Modell im Nordosten vom Mus-
kauer Faltenbogen und im Westen von der Spree begrenzt. Im Norden reicht es bis an das
Nordufer der Talsperre Spremberg, im Süden bis südlich der Ortschaft Reichwalde. Im Osten
ist es durch den Lauf der Neiße begrenzt.
Das HGM Nochten/Reichwalde unterteilt den Modellraum im Grundraster in quadratische Zel-
len von 200 m Kantenlänge, in denen der Aufbau des natürlichen oder gekippten Untergrundes
durch sieben Modellschichten unterschiedlicher hydraulischer Eigenschaften nachgebildet
wird. Von zentraler Bedeutung sind dabei die Kenntnisse in Bezug auf den geometrischen
Untergrundaufbau sowie diejenigen in Bezug auf die hydraulischen Eigenschaften der natür-
lich anstehenden oder gekippten Böden. Mit Stand Mai 2019 sind im HGM Nochten/Reich-
walde ca. 94.000 Modellelemente aktiv, es besitzt eine Ausdehnung von ca. 600 km².
Die Geometrie der Schichten des HGM für die Kippe wird dabei aus den in der Kippenakte
modellierten Kippenflächen übernommen. So wird zum Beispiel der Modellgrundwasserleiter

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3 durch das Hangende der Vorkippe nach unten sowie durch das Hangende der Abraumför-
derbrückenkippe (AFB-Kippe) nach oben abgegrenzt. Im HGM wird mit dem Modellgrundwas-
serleiter 3 die AFB-Kippe nachgebildet (Abb.7).
Abb. 7: Die Bindigkeitsverteilung in der AFB-Kippe als Grundlage für die Ableitung von Homogenberei-
chen und der Parametrisierung der Elemente des HGM, hier der Modellgrundwasserleiter 3 (An-
gaben der durchschnittlichen Bindigkeit in Prozent und des abgeleiteten Durchlässigkeitsbeiwertes
in m/s). Im Hintergrund sind die Sicherheitslinie und die Abbaugrenzen des Tagebaues Nochten
sowie das Modellgrundraster des HGM (Ausschnitt) von 200 m x 200 m zu erkennen.
Die Parametrisierung der Modellschichten, d.h. im Wesentlichen die Belegung mit Durchläs-
sigkeitsbeiwerten, erfolgt durch eine gemeinsame Betrachtung der Ergebnisse der Untersu-
chungen zur Verteilung der bindigen Anteile in den jeweiligen Kippscheiben zusammen mit
Ergebnissen aus bodenphysikalischen Untersuchungen. Aus letzterem wurde mit Hilfe einer
statistischen Analyse ein spezifischer Zusammenhang zwischen Durchlässigkeitsbeiwert und
Anteil an Feinkorn für die Kippe des Tagebaues Nochten abgeleitet. Dadurch wird es möglich,
die punktuell an Bohrungen gewonnenen Informationen mit Hilfe der ebenfalls in der Kippen-
akte modellierten Verteilungen der bindigen Anteile in die Fläche zu übertragen. Für die oben

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beispielhaft genannte AFB-Kippe wurden dazu Homogenbereiche gleicher Bindigkeitsvertei-
lung ermittelt, die dann aus der statistischen Analyse heraus mit Durchlässigkeitsbeiwerten
belegt werden konnten.
Letztendlich basieren damit die aus der Grundwassermodellierung heraus erstellten Einschät-
zungen zu z.B. nachbergbaulichen Grundwasserständen oder Prognosen zu Pegelentwick-
lungen zu einem Großteil auf Daten, die aus den in der Kippenakte zusammengefassten In-
formationen abgeleitet sind.
Standsicherheitsberechnungen für die Kippen im rückwärtigen Bereich des Tage-
baues Nochten
Auf der Grundlage der Daten des geometrischen Modells des Tagebaues und der Angaben
aus der Bindigkeitsverteilung am Beispiel der AFB-Kippe des Tagebaues Nochten sind
schnittbezogene Darstellungen möglich.
Die Abb. 8 zeigt beispielhaft ein aus dem geometrischen Modell des Tagebaues Nochten
abgeleiteten geologischen Schnitt für eine Erhebung im rückwärtigen Bereich. Inhalt des
geologischen Schnittes sind neben den Höhenangaben für das betriebliche Liegende die
jeweiligen Niveaus der AFB-Kippe und der Absetzerkippe.
Abb. 8: geometrischer Schnitt durch die Kippe des Tagebaues Nochten im Bereich ABP Flächenareal
nördlich Nochten, Stand Dezember 2017
(Standsicherheitsnachweis Tagebau Nochten, Flächenareal nördlich von Nochten vom
08.05.2018, IGF Freiberg)

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Ähnliche Darstellungen sind auch aus der Bindigkeitsverteilung des Tagebaues ableitbar. Hier
zeigen die Schnittdarstellungen neben den Höhenangaben aus dem geometrischen Modell für
die einzelnen Kippscheiben auch die unterschiedlichen bindigen Anteile innerhalb der
Kippscheiben.
Auf deren Grundlage ist die objektkonkrete Festlegung von Erkundungsmaßnahmen zur
Bestimmung von bodenmechanisch erforderlichen Kennwerten wie spannungsabhängigen
Festigkeiten im erdfeuchten und wassergesättigten Zustand für die verschiedenen Kippen
möglich. Dabei handelt es sich um das Abteufen von Erkundungsbohrungen in den Kippen zur
Gewinnung von strukturgestörten Proben bzw. um das Abteufen von Drucksondierungen bzw.
radiometrischen Kombinationsdrucksondierungen (siehe ebenfalls Abb. 8).
Im Ergebnis dieser Untersuchungen und Auswertungen von bodenphysikalischen
Untersuchungen erfolgt die Festlegung von Berechnungskennwerten, die als Grundlage für
Standsicherheitsberechnungen erforderlich sind.
Die Abb. 9 zeigt ein Berechnungsmodell und das Ergebnis der Standsicherheitsberechnung
unter Berücksichtigung der Daten aus der Kippenakte, der Prognosewerte für den
Kippengrundwasserspiegel im nachbergbaulichen Zustand und objektkonkret abgeleiteter
Berechnungskennwerte für eine Kippenerhebung im rückwärtigen Bereich des Tagebaues
Nochten (Beispiel aus der Abb. 8). Im Ergebnis der Standsicherheitsberechnung wird die
Standsicherheit für den nachbergbaulichen Zustand im erforderlichen Maß nachgewiesen.
Ist dies ggf. nicht der Fall, bedeutet das eine Gefährdung für die öffentliche Sicherheit im
nachbergbaulichen Zustand. Für diesen Fall sind Maßnahmen einzuleiten, die eine spätere
Gefährdung ausschließen.

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Abb. 9: Berechnungsmodell für eine Kippenerhebung unter Berücksichtigung der Daten aus Kippenakte,
HGM und ortskonkreter Erkundung, Stand Dezember 2017 (Standsicherheitsnachweis Tagebau
Nochten, Flächenareal nördlich von Nochten vom 08.05.2018, IGF Freiberg)
Zusammenfassung
Der zunehmende Anteil an rückwärtigen Kippenflächen in den Lausitzer Tagebauen machte
in den vergangenen Jahren eine lückenlose Aufarbeitung der Entstehungsgeschichte dieser
Kippen erforderlich. Aus diesem Grund wurde für jeden Tagebau der Lausitz Energie Bergbau
AG die Lebenslaufakte hinsichtlich ihrer geometrischen Daten in der sogenannten Kippenakte
verankert. Der Aufwand der insbesondere vor 1995 ausschließlich analog vorhandenen
geometrischen Daten der einzelnen Kippen war sehr groß und erforderte umfangreiche
Recherchen und Nachdigitalisierungen. Im Ergebnis liegen digitale Daten in einem räumlich
geographischen System für jeden Tagebau vor, die insbesondere für geotechnische
Aufgabenstellungen eine wesentliche Grundlage darstellen. Ausdrücklich sei darauf
hingewiesen, dass es sich um ein dynamisches System handelt, das jährlich fortgeschrieben
wird.
An zwei Beispielen aus dem Tagebau Nochten wurde die Nutzung dieser Daten vorgestellt:
Im Grundwassermodell zur Prognose von Grundwasserströmungen und Grundwasserständen

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und für Standsicherheitsberechnungen im nachbergbaulichen Zustand für rückwärtige
Kippenflächen.