Felsmechanische und felshydraulische In-situ-Messungen

Die BGR führt felsmechanische und felshydraulische In‑situ‑Untersuchungen durch, die Aussagen über die Eigenschaften der aufgeschlossenen Gesteinsschichten ermöglichen. Andererseits werden unter Berücksichtigung der geologischen und bergbaulichen Randbedingungen Messeinrichtungen für die Überwachung untertägiger Grubenräume geplant und die Messdaten ausgewertet und interpretiert.

Gebirgsspannungsmessungen

Bohrprozess bei der Ermittlung primärer Gebirgsspannungsmessungen im Tonstein Quelle: BGR

Durch die Auffahrung untertägiger Grubenräume werden Gebirgsreaktionen in Form von Spannungsänderungen, Verformungen und Änderungen der hydraulischen Eigenschaften hervorgerufen. Diese Gebirgsreaktionen sind abhängig von den Eigenschaften der im Einflussbereich der Grubenräume anstehenden Gesteinsschichten, von Größe und Richtung der Gebirgsspannungen, von den Abmessungen der Grubenräume sowie von der Auffahrmethode und der Wirkung von Ausbaumitteln bzw. Versatz.

Die Größe und Orientierung der Gebirgsspannungen im ungestörten Gebirge untersucht die BGR nach der Überbohrmethode. Hierfür hat die BGR eine spezielle Sonde entwickelt. Ergänzend dazu können die kleinsten primären Gebirgsspannungen durch Fracversuche bestimmt werden. Spannungen im Konturbereich von Grubenräumen werden nach der Schlitzentlastungsmethode bzw. nach der Kompensationsmethode mit Druckkissen ermittelt. Die Erfassung von räumlichen Spannungsänderungen im Gebirge als Folge von Grubenraumauffahrungen, Versatztätigkeiten oder Temperaturänderungen erfolgt durch Langzeitspannungsmessungen in Bohrungen.

Untertägige Überwachung von Gebirgsverformungen

Die Gebirgsverformungen werden im Rahmen der Überwachung von untertägigen Hohlräumen durch Nivellements-, Konvergenz-, Extensometer-, Inklinometer- und Lageänderungsmessungen erfasst. Diese Daten der geomechanischen und markscheiderischen Messungen werden ausgewertet und lokationsbezogen unter Berücksichtigung der anstehenden Gesteinsschichten hinsichtlich ihres Verformungsverhaltens und potentieller Einflussgrößen interpretiert. In einzelnen Lokationen werden zusätzlich Bohrlochkonturmessungen durchgeführt, die aufgrund der definierten geometrischen Randbedingungen eine exakte Bestimmung des Verformungsverhaltens einzelner Gesteinsschichten mit Unterstützung numerischer Modellberechnungen ermöglichen.

Permeabilitätsmessungen

Oberflächenpacker zur Ermittlung der Durchlässigkeit in einem gefrästen Stollen im Granit Quelle: BGR

Verformungen und Spannungsänderungen führen grundsätzlich zu Änderungen der hydraulischen Bedingungen im Gebirge. Insbesondere die Ausbildung von Auflockerungsbereichen in Hohlraumnähe hat eine Änderung der hydraulischen Gebirgseigenschaften in diesen Bereichen zur Folge. Zur Identifikation und Bewertung dieser Auflockerungszonen, auch mit Blick auf potentielle Fließwege, ermittelt die BGR durch hydraulische In-situ-Versuche die Durchlässigkeit solcher aufgelockerten Gebirgsbereiche in Hohlraumnähe. Aber auch Permeabilitäten ungestörter Gebirgsbereiche in größerer Entfernung zu den Grubenräumen werden bestimmt. Abhängig vom Wirtsgestein (Granit, Steinsalz oder Tongestein) und der jeweiligen Fragestellung werden unterschiedliche Messmethoden (Oberflächenpacker, Einfachpacker, Kurzintervall‑Doppelpacker, Mehrfachpacker, Schlitzpacker) für diese Untersuchungen eingesetzt. Die eingesetzten Messgeräte wurden zum Teil in der BGR entwickelt.

Die Bewegungsgeschwindigkeit von Schadstoffen im Gebirge kann durch die Zugabe von Markierungsstoffen (Tracer) bestimmt werden. Der Einsatz verschiedener Markierungsstoffe wie Helium, Salzlösung, fluoreszierende Farbstoffe (Uranin, Eosin) und Strontium hängt vom Typ des Gebirges und dem Grad der Wassersättigung des Porenraums ab. Hierbei wird nicht nur der Stollennahbereich (Auflockerungsbereich), sondern auch der Fernbereich des Gebirges (unverritztes Gebirge) untersucht.

 

Ausgewählte Projekte:

• Bewertung der Standsicherheit von Untertageanlagen
  
• Felshydraulische In-situ-Untersuchungen im Wirtsgestein Ton: Felslabor Mont Terri (CH) und Felslabor Bure (F)
  
• Gas Migration Test (GMT)
  
• Full-scale Engineered Barriers Experiment in Crystalline Host Rock (FEBEX)
  
• Hydraulische Charakterisierung der Salzbarriere Gorleben