DE102005009036B3 - Verfahren und Zusammensetzung zum Abdichten von Strecken im Bergbau und/oder eines Baukörpers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Zusammensetzung auf Bitumenbasis zum Abdichten von Strecken im Bergbau, insbesondere im leichtlöslichen Salzgestein (Carnallitit), die auch vorteilhaft zur Abdichtung von Bauwerkflächen gegen Wassereinwirkung und Fugen zwischen Bauwerken und dem Gebirge eingesetzt werden kann. DOLLAR A Wegsamkeiten für Flüssigkeitszuflüsse, Schrumpfungsrisse, Kontaktfugen zwischen einem Bauwerk und dem anstehenden Salzgestein können mit den bisher bekannten Abdichtungsmaterialien auf Bitumenbasis nicht sicher und langzeitstabil, insbesondere nicht bei Temperaturen < 30 DEG C, abgedichtet werden. DOLLAR A Die Erfindung schlägt hierfür ein spezielles Injektionsbitumen in weiter verbesserter Zusammensetzung aus einem aufgemahlenen Hartbitumen und einem entaromatisierten Kohlenwasserstoff vor. Beide Komponenten werden kurz vor der Verwendung zu einem Gemisch mit Flüssigkeitscharakter vermischt und mittels an sich bekannter Injektionsverfahren im anstehenden Salzgestein verpresst. Im Unterschied zu üblichen Bitumenmaterialien, die einen Flüssigkeitscharakter haben, nähert sich die erfindungsgemäße Zusammensetzung im Zeitverlauf einem Festkörper an und ist somit dauerhaft lagestabil.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Zusammensetzung auf Bitumenbasis zum Abdichten von Strecken im Bergbau, insbesondere von Strecken im klüftigen oder porösen Salzgestein (Carnallitit) und/oder zur Abdichtung von Bauwerken und Kontaktfugen zwischen Bauwerken und umgebendem Gebirge, wie beispielsweise im Zusammenhang mit untertätigen Verschlussbauwerken (Streckenverschlüsse, Schachtverschlüsse, Bohrlochverschlüsse etc.). Die Erfindung ist ferner für Abdichtungen im Hoch- und Tiefbau vorteilhaft einsetzbar.
• Besonders im Salzgestein müssen untertägige Hohlräume, die beispielsweise als Zwischen- oder Endlager oder als Deponien bzw. Versatzbergwerke genutzt werden, gegenüber unkontrollierten Flüssigkeitszuflüssen, insbesondere wenn es sich um gegenüber dem Gebirge lösungsfähige Flüssigkeiten handelt, zuverlässig abgedichtet und jeder Flüssigkeitszutritt sicher vermieden werden. Bei den dazu einzubringenden Abdichtungen kann es sich um die Abdichtung von Kontaktfugen zwischen dem Salzgebirge und einem konstruktiven Abdichtungsbauwerk (z.B. Betondamm etc.), um die sogenannte „Auflockerungszone" im Gebirge im konturnahen Bereich der abzudichtenden Hohlräume oder um Risse und Undichtigkeiten im Abdichtungsbauwerk selbst (z.B. im Betondamm) handeln. Es kann sich aber auch um die Abdichtung natürlicher oder induzierter Zuflüsse von Lösungen im Salzgebirge außerhalb von Absperrbauwerken handeln.
• Für derartige Abdichtungsmaßnahmen sind bereits zahlreiche Lösungen vorschlagen worden, die teilweise auch bereits Bitumen als Puffer- und Abdichtmedium gegenüber der abzusperrenden Flüssigkeit vorsehen.
• So sind aus DD 135 103 und DE 102 16 105 C2 Verfahren zur Abdichtung von untertägigen Hohlräumen gegen Gase und Flüssigkeiten, insbesondere von Hohlräumen im Carnallitit, bekannt, in dem in den abzudichten Streckenabschnitt zwei Dammkörper, die zur Aufnahme und Übertragung der geomechanischen Kräfte dienen, und für die Abdichtung zwischen den Dammkörpern Bitumen oder Asphalt eingebracht wird oder zwischen den Dammkörpern ein Pufferkörper vorgesehen ist, wobei Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Bitumen, als abdichtende Puffermedien dienen.
• DE 197 51 257 A1 beschreibt ein Verfahren zur Abdichtung von unterirdischen Hohlräumen, insbesondere Tunnelbauten; gegen Wassereintritt. Nach diesem Verfahren wird auf das, den Hohlraum umgebende Gestein zunächst eine Betonschicht aufgebracht und diese Betonschicht danach mit einer feuchtigkeitsunempfindlichen Abdichtungsschicht versehen. Mit dem weiteren Ausbau des Hohlraumes, wird auf die trockene Abdichtungsschicht abschließend ein elastisches Abdichtungssystem aufgetragen, wobei im Bereich von Wasserleckstellen vor Aufbringen des elastischen Abdichtungssystems eine Abdichtungsschicht aufgebracht wird. Nach vorteilhaften Ausführungsvarianten des Verfahrens wird für das elastische Abdichtungssystem ein Kautschuk-Bitumen Gemisch verwendet, das im erhitzten Zustand aufgespritzt wird. Das elastische Abdichtungssystem kann aber auch ein heiß verarbeitbares Bitumen- oder Bitumenmischprodukt oder eine zweikomponentige Bitumendickschicht sein.
• Bekannt ist ferner eine Abdichtung für poröse Bauflächen gegen Wassereinwirkung – DE 90 13 944.5 U1 , die aus einer Grundierungslösung auf Basis alkalischer wasserabweisenden Siliciumverbindungen und aus einer Deckschicht auf Polymerbitumenbasis besteht. Hierbei kann die Polymerbitumendeckschicht, die durch ein Styrol-Butadien-Styrol-Blockcopolymer gebildet wird, modifiziertes Bitumen enthalten.
• Die in Betracht gezogenen Lösungen zeigen, dass Bitumen für die Herstellung von Abdichtungen gegenüber Flüssigkeitszuflüssen und Wassereinwirkungen ein sehr effektives Material ist, da es sich sowohl gegenüber Flüssigkeitszuflüssen in Form von Wasser oder Salzlösungen als auch gegenüber dem Gebirge und den in Bauwerken überwiegend verwendeten Baustoffen inert verhält und unter gegeben geomechanischen Bedingungen vor Ort langzeitstabil sein kann. Die Möglichkeit, Bitumen zur Abdichtung von Strecken und Hohlräumen einzusetzen ist aber nur dann gegeben, wenn das Bitumen auf über 100 Grad Celsius erhitzt, oder ein Lösungsmittel zugeführt wird, um dadurch die Viskosität so zu reduzieren, dass das Bitumen auch verpumpt oder injiziert werden kann.
• Die bereits vorgeschlagenen Lösungen und Varianten zum Einbringen des Bitumen sind aufgrund der Bedingung vor Ort oftmals nicht anwendbar und mit erheblichen Nachteilen behaftet. Einige Salzgesteine reagieren auf erhöhte Temperaturen mit Abgabe von gebundenem Kristallwasser und verhindern somit die Anwendung heißhärtender Bitumenarten für Abdichtungszwecke. Letztere Erscheinung gilt vor allem für das Salzgestein Carnallitit, das bei ca. 85° C Kristallwasser abgibt und sich damit chemisch umwandelt. Das gilt insbesondere, wenn das Carnallitit neben dem Mineral Carnallit vermehrt Minerale wie Tachydrit und Kieserit enthält. Das Kristallwasser verhindert eine ausreichend Kohäsion des Abdichtungsmaterials an der Gesteinsmatrix, verändert die mechanischen Eigenschaften des Salzgesteins nachteilig und führt deshalb nicht zum beabsichtigten Abdichtungseffekt. Bei der Anwendung von Injektionsverfahren greift das Kristallwasser außerdem auch das nicht erhitzte und extrem hygroskopische Gestein Carnallitit in der Umgebung der Injektionsstelle an, zersetzt es und verhindert damit den beabsichtigten Abdichtungseffekt vollständig. Weiterhin können lange Risse und Klüfte durch vorzeitige Abkühlung des erhitzten Bitumens nur teilweise verschlossen werden. Das thermische Schrumpfen des Verbundkörpers Gestein, Bauwerk und Bitumen bei der Abkühlung wirkt einer zuverlässigen Abdichtung entgegen. Eine vollständige Abdichtung von Wegsamkeiten ist somit nicht erreichbar. Die hohen Temperaturen heißer Bitumenmischungen verbieten sich besonders bei der Herstellung von Abdichtungen im Salzgestein.
• Der Zusatz von Lösungsmitteln zur Reduzierung der Viskosität des Bitumens, hebt das chemisch inerte Verhalten des Bitumens oft auf und verschlechtert den Abdichtungseffekt, weil die Lösungsmittel im Verlaufe des Verfestigungseffektes wieder aus den abzudichtenden Poren und Rissen austreten müssen. Außerdem widerspricht die Zugabe von Lösungsmitteln in vielen Fällen den Forderungen des Brandschutzes unter Tage. Bei Verwendung des Bitumens als Injektionsmaterial kann das Lösungsmittel nicht entweichen oder verdunsten, wodurch das injizierte Dichtungsmaterial nicht oder nur über einen sehr langen Zeitraum hinaus erhärtet. Außerdem bleibt das Bitumen (in der Regel Destillationsbitumen) eine Newtonsche Flüssigkeit, so dass es zeitabhängig zu einem „Auslaufen" der verpressten Wegsamkeiten z.B. infolge von Schwerkraft und Gebirgsdruckeinwirkung kommt.
• Die Herstellung von Abdichtungen im Salzgestein gegenüber lösungsfähigen Flüssigkeiten mit anderen Injektionsstoffen als Bitumen bereiteten immer wieder Probleme, da diese Stoffe zu diesen Flüssigkeiten und zu dem anstehenden Salzgestein weder inert noch langzeitstabil sind und somit keine sichere und dauerhafte Abdichtung gewährleisteten.
• Problematisch gestaltete sich bis heute die Abdichtung von sehr kleinen Wegsamkeiten im Salinar, da das Gebirge bei Injektionen mit lösungsfähigen Fluiden angelöst werden kann. Die sehr kleinen Wegsamkeiten können geologische Ursachen besitzen, vor allem aber werden sie durch bergmännische Tätigkeiten verursacht, welche grundsätzlich geomechanische Auflockerungszonen um bergmännische Hohlräume herum erzeugen. Werden Dichtungssysteme in diese bergmännischen Hohlräume (Schächte, Strecken, Stollen) eingebaut, besteht die Gefahr der Umströmung der Bauwerke durch die geomechanische Auflockerungszone hindurch und/oder über die technisch bedingten Kontaktfugen des Bauwerkes zum Gebirge.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein gegenüber lösungsfähigen Flüssigkeiten inertes Abdichtungsmaterial anzugeben, mit dem Wegsamkeiten für Flüssigkeitszuflüsse im Salzgestein und poröse Oberflächen, Schrumpfungsrisse und Kontaktfugen an Bauwerken sicher und langzeitstabil abgedichtet werden können.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die technische Lehre nach den in den Ansprüchen 1 und 4 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen nach 2 und 3 und 5 bis 9.
• Zur Abdichtung von Bauwerken und von Hohlräumen im Salzgestein gegenüber unerwünschten Flüssigkeitszuflüssen wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine kalt abbindende Zusammensetzung auf Bitumenbasis mit Flüssigkeitscharakter hergestellt und mit an sich bekannten Injektionsverfahren direkt in anstehende Salzgestein oder Kontaktfugen verpresst. Die kalt abbindende Zusammensetzung auf Bitumenbasis besteht aus einem arteigenen, festem und speziell aufgemahlenen Hartbitumen und einem entaromatisierten Kohlenwasserstoff. Beide Komponenten werden kurz vor der Injektion miteinander vermischt. Die Zusammensetzung besitzt unmittelbar nach dem Anmischen eine niedrige Viskosität und ist daher sehr fließfähig. Sie breitet sich sehr rasch in den Poren und Rissen aus, wo sie sich zeitabhängig durch Viskositätserhöhung und Ausbildung einer Schubfestigkeit rückstandsfrei verfestigt und aushärtet. Hierbei kann die Geschwindigkeit der Verfestigung mit der Mischung eingestellt und variiert werden. Aufgrund dieser vorteilhaften Eigenschaften können vorhandene Wegsamkeiten, vor allem sehr kleine Risse, Spalten und Klüfte (z.B. Rissweiten < 0,1 mm) dauerhaft und langzeitstabil abgedichtet werden.
• Der besondere Vorteil der vorgeschlagenen Zusammensetzung liegt in der niedrigen Temperatur des in das Salzgestein zu injizierenden, fließfähigen Materials von unter 30 °C. Lösungseffekte und das Freisetzen von Kristallwasser im Salzgestein sind daher sicher ausgeschlossen. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung füllt die Risse, Fugen und Poren dicht aus, ist dauerhaft immobil und dennoch in einem bestimmten Grad plastisch. Damit bleibt der Dichteffekt auch erhalten, wenn sich das umgebende Gestein (z.B. kriechendes Salzgestein) zeitabhängig weiter verformt.
• Mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung können auch flüssigkeitsgefüllte Spalten und Risse verpresst werden, wobei eine Verdrängung der wässrigen Phase (z. B. Salzlösung, Grubenwasser) durch das Injizieren der bituminösen Zusammensetzung erreicht wird. Dadurch können Wegsamkeiten für Flüssigkeitszuflüsse im Gebirge, wie bereits beschrieben, dauerhaft und langzeitstabil verschlossen werden. Andererseits ist es möglich, bereits bestehende Schwachstellen in technischen un tertägigen Absperrbauwerken, beispielsweise im Kontaktbereich eines Bauwerkes zum anstehenden Gebirge sicher und dauerhaft abzudichten.
• Erfindungsgemäß wird das Hartbitumen so aufgemahlen, dass die maximale Korngröße 0,5 mm, vorzugsweise 0,3 mm nicht übersteigt. Danach wird das Hartbitumen mit dem entaromatisierten Kohlenwasserstoff im Masseverhältnis von 0,79 bis 1,00 vorzugsweise 0,85 bis 0,93 intensiv gemischt. Danach kann das Gemisch verpresst werden. Nach dem Vermischen ist das so hergestellte Injektionsbitumen innerhalb von 15 Minuten gut pumpbar und verpressbar. Seine Viskosität liegt im Bereich zwischen 1 bis 50 Pas. Das Injektionsbitumen kann in Risse mit einer Weite von bis zu 0,03 mm hinab eindringen. Mit zunehmender Zeit tritt eine Änderung der rheologischen Eigenschaften auf, die durch die Ausbildung einer Anfangsschubspannung charakterisiert werden kann. Nach ca. einer Stunde wird eine Anfangsschubspannung von 50 bis 200 Pa erreicht. Infolgedessen verfestigt sich das verpresste Material so, dass es aus den verpressten Rissen weder durch zutretende Flüssigkeiten noch durch den Gebirgsdruck wieder verdrängt werden kann.
• Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel näher erläutert werden.
• Beispiel 1: Es werden im Labor 48 Masseteile eines aufgemahlenen Hartbitumens H 165/175 (d₅₀- Korngröße 45 μm, max. Korngröße 150 μm) mit 52 Masseteilen eines entaromatisierten Kohlenwasserstoffes (Flammpunkt 102 °C) intensiv vermischt. Dieses Gemisch wurde in einem Spaltplattenmodell mit einem eingestellten Spalt von 30 μm verpresst. Der erforderliche Verpressdruck lag bei 7 bar. Die nach Versuchsende festgestellte Verteilung des Injektionsbitumens war regelmäßig. Das ausgehärtete Injektionsbitumen hatte die angestrebten mechanischen Eigenschaften und die Temperatur blieb unter 30° C.
• Beispiel 2: Mit der gleichen Mischung wie im Beispiel 1 wurde eine in situ Anwendung im tachhydrithaltigen Carnallititgestein durchgeführt. Im konturnahen Bereich des Gebirges (Auflockerungszone) wurde vor der Anwendung im Ausgangszustand mit gesättigter Salzlösung (sog. R-Lösung) in horizontaler Richtung, entlang der Schichtgrenzen, eine Permeabilität von 1,5·10^–13 m2 gemessen. Danach wurde das Injektionsbitumen in der im Beispiel 1 angegebenen Zusammensetzung verpresst. Nach dem Ausreagieren des Injektionsbitumens wurde im gleichen Bereich mit R-Lösung eine Permeabilität zwischen 4·10^–16 bis 3·10^–18 m2 gemessen. Diese Permeabilität entspricht am Anwendungsort der natürlichen Gebirgspermeabilität außerhalb der Auflockerungszone. Durch Nachuntersuchungen wurde bestätigt, dass das Injektionsbitumen in die Wegsamkeiten des Salzgesteins eingedrungen war und diese dicht verschlossen hatte. Diese Anwendung und Überprüfung belegen die Verbesserung der Dichteigenschaften des Gebirges durch das erfindungsgemäß eingesetzte Injektionsbitumen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Abdichten von Strecken im Bergbau, insbesondere von Strecken im klüftigen oder porösen Salzgestein (Carnallitit) und zur Abdichtung poröser Oberflächen, von Schrumpfungsrissen und von Kontaktfugen an Bauwerken mit einem gegenüber den Flüssigkeitszuflüssen und dem Gebirge inerten Abdichtungsmaterial auf Bitumenbasis, dass in das anstehende Gestein oder in das abzudichtende Bauwerk injiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass aufgemahlenes Hartbitumen und ein entaromatisierter Kohlenwasserstoff kurz vor der Injektion vermischt und mittels an sich bekannter Injektionstechniken in das Gebirge oder in den Baukörper verpresst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus aufgemahlenem Hartbitumen und entaromatisiertem Kohlenwasserstoff auf die Oberfläche eines Baukörpers aufgetragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weder die einzelnen Komponenten noch das Gemisch zu irgendeinem Zeitpunk während des Misch-, Verarbeitungs-, Injektions- oder Aushärtungsprozesses Temperaturen > 30° Celsius erreicht.
4. Zusammensetzung auf Bitumenbasis zum Abdichten von Strecken im Bergbau, insbesondere von Strecken im klüftigen oder porösen Salzgestein (Carnallitit) und zur Abdichtung von Bauwerken, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Gemisch aus einem (speziell) aufgemahlenem Hartbitumen und einem entaromatisiertem Kohlenwasserstoff besteht.
5. Zusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Hartbitumen und entaromatisierter Kohlenwasserstoff in einem Masseverhältnis von 0,79 bis 1,00 vorzugsweise in einem Masseverhältnis von 0,85 bis 0,93 gemischt sind.
6. Zusammensetzung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Hartbitumen einen Erweichungspunkt zwischen 165 und 175 °C hat.
7. Zusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartbitumen einen unterschiedlichen Aufmahlungsgrad aufweist und eine maximale Korngröße von 0,5 mm, vorzugsweise von 0,3 mm besitzt. Dabei sollen 50 % eine Korngröße unter 0,175 mm, vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,06 mm haben.
8. Zusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der entaromatisierte Kohlenwasserstoff einen Flammpunkt > 100 °C hat.
9. Zusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch einen Flüssigkeitscharakter besitzt und sieh zeitabhängig durch Viskositätserhöhung und Ausbildung einer Schubfestigkeit verfestigt und aushärtet.