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EP2843190B1 - Verschlussbauwerk und Verfahren und Materialien zu dessen Herstellung - Google Patents

Verschlussbauwerk und Verfahren und Materialien zu dessen Herstellung Download PDF

Info

Publication number
EP2843190B1
EP2843190B1 EP14181512.6A EP14181512A EP2843190B1 EP 2843190 B1 EP2843190 B1 EP 2843190B1 EP 14181512 A EP14181512 A EP 14181512A EP 2843190 B1 EP2843190 B1 EP 2843190B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pellets
closure
inert
use according
materials
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP14181512.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2843190A3 (de
EP2843190A2 (de
Inventor
Matthias Schellhorn
Eva Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Stephan Schmidt KG
Original Assignee
Stephan Schmidt KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Stephan Schmidt KG filed Critical Stephan Schmidt KG
Priority to PL14181512T priority Critical patent/PL2843190T3/pl
Publication of EP2843190A2 publication Critical patent/EP2843190A2/de
Publication of EP2843190A3 publication Critical patent/EP2843190A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2843190B1 publication Critical patent/EP2843190B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
    • E21F17/00—Methods or devices for use in mines or tunnels, not covered elsewhere
    • E21F17/16—Modification of mine passages or chambers for storage purposes, especially for liquids or gases

Definitions

  • the present invention relates to materials and their use in processes for the production of closure structures for closing cavities, which occur especially in underground construction in so-called manhole structures, but also as a dam construction in the line closure.
  • Hazardous waste such as Highly toxic or radioactive substances are deposited in mines and disposed of to permanently isolate them from the environment. This happens in barrels, drums or other containers, which are spent in underground caverns (cavities). When the usable space of the cavern has been exhausted, the free space between the various containers is filled with solid material to ensure sufficient compressive strength of the storage pile while avoiding possible collapsing of the ceiling. Subsequently, these cavities must be permanently sealed watertight to guarantee safe long-term storage of the substances mentioned.
  • the sealing against water ingress in such closure structures is produced by so-called sealing plugs made of bentonite.
  • the building material is spent underground and also compacted underground to achieve the required low water permeability.
  • Another possibility is the use of bentonite shaped bricks, which are made overground and built underground as dry masonry.
  • the cohesive material preferably bentonite or bentonite stones.
  • the cohesive material in particular bentonite, swells when absorbed by water and considerably increases its volume. Due to the increase in volume there is a pressure build-up. This effect is used to create a permanently watertight sealing plug for the cavity to be closed with the aid of cohesive (and at the same time swellable) material. For this, however, it is again necessary to compact the bentonite beds underground as evenly as possible with hydraulic devices.
  • At least one layer of a further material is disposed within the backfilling of the cohesive material.
  • This further layer is at an angle of 60 ° to 90 ° to the water inlet direction, is between 2 and 30 cm thick and has a water permeability that is at least ten times greater than that of the bentonite or the cohesive material.
  • the DE 198 56 640 A1 describes a material for the construction of underground closure elements.
  • a mixture of sand, clay and bentonite is used to compact mining stones. From these stones, a drywall - using a clay mortar - built as under-day closure construction in known structural engineering technology.
  • the WO 92/10438 refers to a lightweight aggregate in the form of pellets or granules and its use in the construction industry, such as for building blocks, lightweight building blocks and light cement fillers.
  • This aggregate consists of fuel ash, cement and polystyrene beads.
  • the invention was thus based on the object of finding a method and / or suitable materials and building materials with which or with which closure structures or sealing plugs, in particular for closing cavities, can be produced in the most efficient manner possible. It was important to note that these cavities can be located underground in particular and a closure should normally be watertight. Further work should be underground during the creation of such closure structures are at least largely avoided.
  • a material combination or composition according to the invention which serves as a closure material and basically consists of highly compressed moldings, preferably pellets, of a cohesive material and an inert gusset filling.
  • the closure construction or the sealing plug consists of this closure material. Additional abutments or dry masonry are usually required for structural reasons, are required as a building and are not considered here.
  • the term closure construction used according to the invention therefore comprises only the actual closure stopper and not the abutments required for static reasons, which are preferably designed as concrete abutments.
  • the closure material can be installed as a finished mixture of moldings / pellets and inert gusset filling at the installation site, this is the variant preferred according to the invention.
  • the components are also possible to install the components as separate beds (pellets as bed 1 and gusset filling as bed 2) alternately or successively.
  • the introduction takes place by the loose plunging of the closure material as a mixture or as separate beds 1 and 2 (for example as a loose crevice into a manhole structure) or, preferably, in the blowing offset, in which again preferably a prefabricated mixture of the components of the closure material is used.
  • the requirements for the closure material depend on the requirements of the closure structure produced therefrom (swelling volume, swelling pressure, tightness to pending media / test liquids), which in turn depend on the local conditions, in particular the expected upcoming water column and the resulting hydrostatic pressure , And whether the closure must be largely or completely as possible sealing against possible ingress of water or only a temporary structure, for example in the line closure represents.
  • the closure structure will have to be largely water-tight.
  • the resulting requirements on the closure structure and thus on the closure material used are then preferably determined by the following parameters: installation density of the closure material without additional local compaction of greater than 1.7 t / m 3 (kg / dm 3 ), in particular between 1.7 and 2.1 t / m 3 .
  • Installation density of the closure material without additional local compaction of greater than 1.7 t / m 3 (kg / dm 3 ), in particular between 1.7 and 2.1 t / m 3 .
  • Swelling pressure builds up when a volume increase (swelling) caused by water absorption is hindered (eg by a surcharge).
  • the sealing plug or the closure material should moreover have water permeabilities (characterized by the permeability coefficient k f in m / s) of k f less than 10 -11 m / s, in particular less than 10 -12 m / s (determination of water permeability according to DIN 18130).
  • the moldings or pellets to be used according to the invention as a component of the closure material are preferably cylindrical, highly compressed moldings which are produced by vacuum extrusion.
  • Their bulk density is preferably more than 2.0 t / m 3 corresponding to a dry bulk density of about 1.8 to 2.0 t / m 3 .
  • the preferred dimensions are at a diameter of up to 20 mm, preferably 6 - 10 mm, and a length of about 5-30 mm, preferably also 6-10 mm, about a cylindrical, but also isometric as possible mold body respects length / To achieve latitude. Even with this material, a volume filling of about 60-65% by volume, corresponding to a void volume of about 35-40% by volume, would result in a single-grain bed (bed 1).
  • the shaped bodies of cohesive material preferably contain minerals of the smectite group. These are minerals and mineral mixtures of various swellable phyllosilicates, which have a three-layer structure and belong to the clay minerals.
  • the pellets contain these minerals to at least 60 wt .-%, preferably to more than 75 wt .-%.
  • the most important representative of these smectite minerals is the layered silicate montmorillonite, which is preferred to the above contained in the pellets.
  • these pellets or molded articles consist of pure bentonite.
  • Bentonite is a natural, plastic clay rock which, in addition to quartz, mica, feldspar, pyrite or even calcite, contains montmorillonite as the most important constituent to about 60-80 wt .-% in addition to other clay minerals.
  • An essential point to be considered in the production of the shaped bodies according to the invention is a certain residual water content, so that the shaped bodies have the mechanical properties required for the purpose according to the invention.
  • the pellets too dry, there is an increased risk of breakage in the fall, which can hinder the penetration of Inertkorns in the gusset massively.
  • the pellets may burst because the absorption of water can lead to immediate and possibly uncontrolled swelling with the build-up of a corresponding swelling pressure. Therefore, depending on the material used, residual water contents of preferably less than 20 wt .-%, in particular less than 18 wt .-%, to strive for.
  • the residual water content should preferably not fall below 10% by weight and in particular 8% by weight, since this is in addition to the above-mentioned. adverse properties may lead to too dry material.
  • the second component of the closure material according to the invention is a so-called inert gusset filling for filling the gussets, which, as stated above, would form in a single-grain bed of the shaped bodies according to the invention. Under gusset one understands the cavity between the particles of a heap.
  • the inert gusset filling is a highly flowable inert material. This inert material is preferably of a rolling grain, so that it can penetrate particularly well into the cavities or gussets formed by the shaped bodies or pellets and can completely fill them.
  • inert materials having a maximum particle size of up to 1 mm, in particular having a maximum particle size of less than 0.25 mm.
  • the largest grain of a corolla (Dmax) is the denomination of the largest grain of the coarsest grain group.
  • Highly advantageous inert materials of rolling granulation with a narrow grain gradation between 0.25 mm and 0.1 mm are very advantageous.
  • Such materials are commercially available, eg quartz sand plant Haltern H 35 S the company Quarzwerke GmbH, Frechen. This consists of more than 99 wt .-% of SiO 2 , has an average grain size of 0.17 mm with 98 wt .-% of the grains in the range of 0.09 to 0.25 mm.
  • coarser inert materials (larger largest grain size, wider grain grading) can also be used.
  • the inert gusset material thus preferably consists of fine sand, in particular quartz sand.
  • the following substance classes are suitable with appropriate grain size and distribution as Zwickelfüllung invention: inert metal oxides and silicates, such as oxides of spinel or Felds Georgte, but also all other inorganic minerals, which pose no threat due to their water insolubility in terms of long-term safety of the building , Increased water solubility as an exclusion criterion would for example be the case with most carbonates or sulfates with the exception of barite.
  • the selection of suitable materials depends on the requirements of the closure structure, which are significantly dependent on the conditions of the construction site.
  • the gusset filling (bed 2) in addition to the inert fine material, e.g. in the form of sand, also containing correspondingly fine-grained cohesive material according to bed 1 (for example smectite-group minerals or pure bentonite-fine granules).
  • bed 1 for example smectite-group minerals or pure bentonite-fine granules
  • the method according to the invention for producing a closure construction particularly preferably includes the installation of the closure material in the form of a prefabricated mixture by blowing this mixture (blown offset), e.g. from a silo truck with built-in or separate blowing device.
  • composition of this mixture of bed 1 (moldings / pellets) and bed 2 (inert gusset filling, eg sand) is preferably dimensioned so that, starting from the theoretical cavity filling or between the pellets forming cavity, the proportion of moldings always something is. This has the consequence that after completed installation of the mixture inert gusset filling can be poured to fill up last remaining gusset. In doing so, we suppress the formation of lenses made of gusset material (eg, sand lenses) that form a higher water permeability could result.
  • the advantages of the method according to the invention are, in particular, that one can install the closure structures in an extremely short construction period, no (or significantly reduced) man-days on site (underground) are necessary because the closure material is spent immediately to the site, especially by the Method of blowing offset.
  • inventive method closure structures coupealing layer thicknesses or plugs in any thickness, eg with layer thicknesses of 5 m) produced without interrupting construction or working underground. A compaction of the closure material on site can be omitted.
  • closure materials according to the invention can be arbitrarily dimensioned sealing structures with, depending on the material used, the desired water permeabilities k f generate. Even with a simple camber offset, installation densities of greater than 1.7 t / m 3 can be achieved, which can be increased to values of up to and greater than 1.9 t / m 3 due to the advantageous blowing offset.
  • Fields of application are generally the closing of cavities underground, as is necessary, for example, in the (final) storage of toxic and radioactive materials, the screening of parts of a mining district against inflowing surface water and / or pressurized groundwater; ie generally the creation of hydraulic barriers.
  • the method and the associated material concept are not only shaft closures but also for the construction of dam structures in lines suitable.
  • the advantage of Blasversatzes results under the ridges. In conventional construction methods, compaction under the roof is not possible.
  • the invention thus encompasses the use of the described materials, separately or as a prefabricated mixture, for the production of closure structures, a process for the production of closure structures using the materials according to the invention and closure structures, which can be produced with the materials mentioned and according to the described process.
  • the sand has a density (grain density) according to DIN EN ISO 787-10 of 2.65 g / cm 3 (t / m 3 ).
  • the pellets have the following dimensions: diameter 10 mm, production-dependent between 5 and 15 mm, a grain density (dry bulk density) of 2.1 g / cm 3 , a swelling volume of 400 ml (upper edge of the swollen pellets in a 500 ml wide-mouth beaker at 100 g of pellets) and an Enslin-Neff water absorption of 370%.
  • This mixture is filled into a silo truck and blown the material about 350 meters out of the silo train via a blow pipe in an underground test. It is about 300 m vertically and about 30 m horizontally above ground and about 20 m horizontally underground.
  • a bucket is buried directly in a track end and exposed to the flow. After overfilling the bucket, the undisturbed sample is measured for density and distribution. The results are given in the following table.
  • the sample has a density after the blowing process and without any additional compaction of at least 1.74 kg / dm 3 (t / m 3 ) and is therefore suitable for the production of a closure structure according to the invention.
  • the table also shows the already described partial grain destruction of the pellets in a comparison of the particle size distribution of the starting mixture and the blown material.
  • fine-grained cohesive material here bentonite
  • the binary mixture according to the invention in accordance with exemplary embodiment 1 is installed in multiple layers by means of blast displacement in alternating storage with sand layers.
  • 786.94 t of material are installed here for a total volume of 456.54 m 3 .
  • the density achieved is thus 1.72 t / m 3 due to loose cinder without subsequent compaction on site.

Landscapes

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  • Bulkheads Adapted To Foundation Construction (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Materialien und deren Verwendung in Verfahren zur Herstellung von Verschlussbauwerken zum Verschließen von Hohlräumen, die insbesondere im Untertagbau bei sogenannten Schachtbauwerken, aber auch als Dammbauwerk im Streckenverschluss auftreten.
  • Gefährliche Abfälle, wie z.B. hochtoxische oder radioaktive Substanzen, werden in Bergwerken deponiert und endgelagert, um sie dauerhaft von der Umwelt zu isolieren. Dies geschieht in Fässern, Trommeln oder anderen Gebinden, die in unterirdische Kavernen (Hohlräume) verbracht werden. Ist der Nutzraum der Kaverne ausgeschöpft, wird der Freiraum zwischen den verschiedenen Gebinden mit festem Material verfüllt, um eine ausreichende Druckfestigkeit des Bergstocks unter Vermeidung möglicher Deckeneinstürze zu gewährleisten. Anschließend müssen diese Hohlräume dauerhaft wasserdicht verschlossen werden, um eine sichere Langzeitlagerung der genannten Substanzen zu garantieren.
  • Gemäß dem Stand der Technik wird die Abdichtung gegen Wassereintritt bei solchen Verschlussbauwerken durch sogenannte Verschlussstopfen aus Bentonit erzeugt. Dazu wird der Baustoff untertage verbracht und auch untertage verdichtet, um die geforderten geringen Wasserdurchlässigkeiten zu erzielen. Eine andere Möglichkeit besteht in dem Einsatz von Bentonit-Formsteinen, die übertage hergestellt und untertage als Trockenmauerwerk verbaut werden.
  • In der DE 101 49 972 C1 wird eine weitere Variante zum Verschließen eines untertägigen Hohlraums beschrieben. Dabei wird der Hohlraum mit einem statischen Widerlager, das direkt an den Hohlraum grenzt, verschlossen. Dann folgt ein Abschnitt aus einem bindigen Material, an den sich wiederum ein äußeres statisches Widerlager anschließt. Die Widerlager, die nicht wasserdicht sein müssen, werden in an sich bekannter Weise als Trockenmauer aus Formsteinen ausgebildet. In Salzbergwerken bietet es sich an, Salzformsteine für diesen Zweck zu verwenden. Diese Formsteine werden übertage hergestellt und untertage verbaut.
  • Zwischen den statischen Widerlagern befindet sich der Abschnitt aus bindigem Material, vorzugsweise aus Bentonit oder aus Bentonitformsteinen. Das bindige Material, insbesondere Bentonit, quillt bei einer Wasseraufnahme und vergrößert sein Volumen dabei beträchtlich. Durch die Volumenvergrößerung kommt es zu einem Druckaufbau. Dieser Effekt wird genutzt, um mit Hilfe des bindigen (und gleichzeitig quellfähigen) Materials einen dauerhaft wasserdichten Verschlussstopfen für den zu verschließenden Hohlraum zu erzeugen. Hierfür ist es allerdings wiederrum erforderlich, die Bentonit-Schüttungen untertage mit hydraulischen Geräten möglichst gleichmäßig zu verdichten.
  • Um eine gleichmäßige Befeuchtung des bindigen Materials und damit einen möglichst homogenen Druckaufbau innerhalb des Bentonit-Abschnitts zu erzeugen, wird innerhalb der Verfüllung aus dem bindigen Material mindestens eine Schicht aus einem weiteren Material angeordnet. Diese weitere Schicht befindet sich in einem Winkel von 60° bis 90° zur Wassereintrittsrichtung, ist zwischen 2 und 30 cm dick und hat eine Wasserdurchlässigkeit, die mindestens zehn Mal größer ist als die des Bentonits bzw. des bindigen Materials.
  • Die DE 198 56 640 A1 beschreibt ein Material zur Errichtung untertägiger Verschlusselemente. Dabei werden aus einer Mischung aus Sand, Ton, Bentonit Bergbau-Formatsteine verspresst. Aus diesen Steinen wird in bekannter bautechnischer Technologie eine Trockenmauer - unter Verwendung eines Tonmörtels - als untertägiges Verschlussbauwerk errichtet.
  • Die WO 92/10438 bezieht sich auf einen leichten Zuschlagsstoff in Form von Pellets oder Granulat und dessen Gebrauch in der Bauindustrie, wie z.B. für Bausteine, Leichtbaufüllblöcke und als Füllmittel für leichten Zement. Dieser Zuschlagsstoff besteht aus Brennstoffasche, Zement und Polystyrolkügelchen.
  • Allen Verfahren aus dem Stand der Technik zum Verschließen von, bevorzugt untertägigen, Hohlräumen ist somit gemeinsam, dass immer Arbeiten vor Ort stattfinden müssen, die in der Regel aus der Herstellung von (Trocken-) Mauern und / oder dem Verdichten des eingebrachten, bindigen Materials bestehen. Dies ist zeit- und kostenintensiv und auf Grund der besonderen Arbeitsumstände auch nicht ungefährlich.
  • Der Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und / oder geeignete Materialien und Baustoffe aufzufinden, mit dem bzw. mit denen in möglichst effizienter Art und Weise Verschlussbauwerke oder Verschlussstopfen insbesondere zum Verschließen von Hohlräumen hergestellt werden können. Dabei galt es zu beachten, dass diese Hohlräume sich insbesondere untertage befinden können und ein Verschluss in der Regel wasserdicht erfolgen sollte. Weiterhin sollten Arbeiten untertage bei der Erstellung solcher Verschlussbauwerke zumindest weitgehend vermieden werden.
  • Die Aufgabe wird durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Materialkombination oder -Zusammensetzung gelöst, welche als Verschlussmaterial dient und grundsätzlich aus hochverdichteten Formkörpern, bevorzugt Pellets, aus einem bindigen Material und einer inerten Zwickelfüllung besteht. Das Verschlussbauwerk oder der Verschlussstopfen besteht aus diesem Verschlussmaterial. Zusätzliche Widerlager oder Trockenmauerwerke sind in der Regel aus statischen Gründen erforderlich, werden als Bauwerk vorausgesetzt und werden hier nicht näher betrachtet. Der erfindungsgemäß verwendete Begriff Verschlussbauwerk umfasst daher nur den eigentlichen Verschlussstopfen und nicht die aus statischen Gründen erforderlichen Widerlager, die bevorzugt als Betonwiderlager ausgeführt werden. Das Verschlussmaterial kann als fertige Mischung von Formkörpern/Pellets und inerter Zwickelfüllung an dem Einbauort verbaut werden, dies ist die erfindungsgemäß bevorzugte Variante. Daneben ist es auch möglich, die Komponenten als getrennte Schüttungen (Pellets als Schüttung 1 und Zwickelfüllung als Schüttung 2) abwechselnd oder nacheinander zu verbauen. Die Einbringung erfolgt durch das lose Verstürzen des Verschlussmaterials als Gemisch oder als separate Schüttungen 1 und 2 (z.B. als loser Versturz in ein Schachtbauwerk) oder, bevorzugt, im Blasversatz, bei dem wiederum bevorzugt ein vorgefertigtes Gemisch der Komponenten des Verschlussmaterials zum Einsatz kommt.
  • Die Anforderungen an das Verschlussmaterial sind abhängig von den Anforderungen an das daraus hergestellte Verschlussbauwerk (Quellvolumen, Quelldruck, Dichtigkeit gegenüber anstehenden Medien / Prüfflüssigkeiten), welche wiederum abhängig sind von den örtlichen Gegebenheiten, insbesondere der zu erwartenden anstehenden Wassersäule und dem sich hieraus ergebenden hydrostatischen Druck, und ob der Verschluss weitgehend oder möglichst vollständig abdichtend gegen möglichen Wassereintritt sein muss oder nur ein temporäres Bauwerk, zum Beispiel im Streckenverschluss, darstellt.
  • In der Regel wird das Verschlussbauwerk weitgehend wasserabdichtend sein müssen. Die sich daraus ergebenden Anforderungen an das Verschlussbauwerk und damit an das verwendete Verschlussmaterial sind dann bevorzugt durch die folgenden Parameter bestimmt: Einbaudichte des Verschlussmaterials ohne zusätzliches Verdichten vor Ort von größer als 1,7 t/m3 (kg/dm3), insbesondere zwischen 1,7 und 2,1 t/m3. Aufbau eines Quelldrucks im Verschlussmaterial (durch Wasseraufnahme) von mehr als 1 MPa (1 Megapascal = 1N/mm2), insbesondere von mehr als 2 MPa. Quelldruck baut sich auf, wenn eine durch Wasseraufnahme ausgelöste Volumenzunahme (Quellung) behindert wird (z.B. durch eine Auflast). Der Verschlussstopfen bzw. das Verschlussmaterial sollte darüber hinaus Wasserdurchlässigkeiten (gekennzeichnet durch den Durchlässigkeitsbeiwert kf in m/s) von kf kleiner als 10-11 m/s, insbesondere von kleiner als 10-12 m/s, aufweisen (Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit nach DIN 18130).
  • Die erfindungsgemäß zu verwendenden Formkörper oder Pellets als eine Komponente des Verschlussmaterials sind bevorzugt zylindrische, hochverdichtete Formkörper, die durch Vakuumstrangpressung hergestellt werden. Ihre Rohdichte beträgt bevorzugt mehr als 2,0 t/m3 entsprechend einer Trockenrohdichte von ca. 1,8 bis 2,0 t/m3. Die bevorzugten Abmessungen liegen bei einem Durchmesser von bis zu 20 mm, vorzugsweise 6 - 10 mm, und einer Länge von ca. 5-30 mm, vorzugsweise ebenfalls 6-10 mm, um einen zylindrischen, aber auch möglichst isometrischen Formkörper hinsichtlicht Längen-/Breitenverhältnis zu erlangen. Auch bei diesem Material würde sich bei einer Einkornschüttung (Schüttung 1) eine Volumenerfüllung von ca. 60-65 Volumen-% entsprechend einem Hohlraumvolumen von ca. 35-40 Volumen-% ergeben.
  • Die Formkörper aus bindigem Material enthalten vorzugsweise Minerale der Smektitgruppe. Dabei handelt es sich um Minerale und Mineralgemenge aus verschiedenen quellfähigen Schichtsilikaten, die eine Dreischichtstruktur besitzen und zu den Tonmineralen gehören. Die Pellets enthalten diese Minerale zu mindestens 60 Gew.-%, vorzugsweise zu mehr als 75 Gew.-%. Der wichtigste Vertreter dieser Smektitminerale ist das Schichtsilikat Montmorillonit, das bevorzugt zu den oben genannten Prozentwerten in den Pellets enthalten ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bestehen diese Pellets oder Formkörper aus reinem Bentonit. Bentonit ist ein natürliches, plastisches Tongestein, welches neben Quarz, Glimmer, Feldspat, Pyrit oder auch Calcit als wichtigsten Bestandteil Montmorillonit zu ca. 60-80 Gew.-% neben weiteren Tonmineralien enthält.
  • In Abhängigkeit von den Anforderungen an das Verschlussbauwerk, insbesondere im Hinblick auf die maximal zulässige Wasserdurchlässigkeit kf, ist auch die Verwendung von (Ton-)Pellets/ Formkörpern mit einem geringeren Anteil an quellfähigen Smektit-Tonmineralen möglich. Dabei ist zu beachten, dass auch mit nicht- oder nur gering quellfähigen Tonpellets aus kaolinitischem Ton durchaus Wasserdurchlässigkeiten von 1 *10-10 m/s erreicht werden können. Für das Erreichen des erfindungsgemäß angestrebten Verschlussergebnisses ist grundsätzlich die Kombination aus hochverdichteten Formkörpern und inerter Zwickelfüllung entscheidend.
  • Ein wesentlicher Punkt, der bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Formkörper, insbesondere Pellets, besonders bevorzugt zylindrische Pellets, zu beachten ist, ist ein gewisser Restwassergehalt, damit die Formkörper die für den erfindungsgemäßen Zweck erforderlichen mechanischen Eigenschaften aufweisen. Sind die Pellets zu trocken, besteht erhöhte Bruchgefahr beim Versturz, welche das Eindringen des Inertkorns in die Zwickel massiv behindern kann. Des Weiteren kann bei Wasserzutritt ein Zersprengen der Pellets auftreten, da die Wasseraufnahme zum sofortigen und evtl. unkontrollierten Quellen mit dem Aufbau eines entsprechenden Quelldrucks führen kann. Daher sind, in Abhängigkeit vom verwendeten Material, Restwassergehalte von bevorzugt kleiner 20 Gew.-%, insbesondere kleiner 18 Gew.-%, anzustreben. Der Restwassergehalt sollte andererseits bevorzugt 10 Gew.-% und insbesondere 8 Gew.-% nicht unterschreiten, da dies zu den o.g. nachteiligen Eigenschaften bei zu trockenem Material führen kann.
  • Die zweite Komponente des erfindungsgemäßen Verschlussmaterials ist eine sog. inerte Zwickelfüllung zum Auffüllen der Zwickel, die sich, wie oben ausgeführt, bei einer Einkornschüttung der erfindungsgemäßen Formkörper bilden würden. Unter Zwickel versteht man den Hohlraum zwischen den Partikeln eines Haufwerks. Als inerte Zwickelfüllung dient ein hochfließfähiges Inertmaterial. Dieses Inertmaterial ist bevorzugt von rolliger Körnung, damit es besonders gut in die von den Formkörpern oder Pellets gebildeten Hohlräume oder Zwickel eindringen und diese vollständig verfüllen kann.
  • Bevorzugt sind Inertmaterialien mit einem Größtkorn von bis zu 1 mm, insbesondere mit einem Größtkorn von kleiner als 0,25 mm. Dabei ist das Größtkorn einer Krönung (Dmax) der Nennwert des Größtkorns der gröbsten Korngruppe. Sehr vorteilhaft sind hochfließende Inertmaterialien rolliger Körnung mit enger Kornabstufung zwischen 0,25 mm und 0,1 mm. Solche Materialien sind im Handel erhältlich, z.B. Quarzsand Werk Haltern H 35 S der Firma Quarzwerke GmbH, Frechen. Dieser besteht zu mehr als 99 Gew.-% aus SiO2, hat eine mittlere Korngröße von 0,17 mm mit 98 Gew.-% der Körner im Bereich von 0,09 bis 0,25 mm. In Abhängigkeit von den Anforderungen an das Verschlussbauwerk, insbesondere im Hinblick auf die erforderliche Wasserabdichtung, können auch gröbere Inertmaterialien (größeres Größtkorn, breitere Kornabstufung) Anwendung finden.
  • Das inerte Zwickelmaterial besteht somit bevorzugt aus Feinsand, insbesondere Quarzsand. Auch die folgenden Substanzklassen sind bei entsprechender Korngröße und Verteilung als erfindungsgemäße Zwickelfüllung geeignet: inerte Metalloxide und Silikate, wie zum Beispiel Oxide der Spinellgruppe oder Feldspäte, aber auch alle anderen anorganischen Mineralstoffe, die aufgrund ihrer Wasserunlöslichkeit keine Gefährdung im Hinblick auf die Langzeitsicherheit des Bauwerkes darstellen. Eine erhöhte Wasserlöslichkeit als Ausschlusskriterium wäre zum Beispiel bei den meisten Carbonaten oder Sulfaten mit Ausnahme von Schwerspat der Fall. Auch hier richtet sich die Auswahl der geeigneten Materialien nach den Anforderungen an das Verschlussbauwerk, die maßgeblich von den Gegebenheiten des Erstellungsorts abhängig sind. Ein Einsatz von Schwerspat beispielsweise ist denkbar in Dammbauwerken, wo eine zusätzliche Abschirmung gegenüber radioaktiver Strahlung im laufenden Betrieb erforderlich ist. Die feine und hochfließende Zwickelfüllung hat die Eigenschaft, dass sie selbst bei nachträglichem Schütten sehr gut in die Hohlräume der Schüttung 1 (Pellets) einrieseln kann, diese Hohlräume weitgehend ausfüllt und somit für eine sehr hohe Dichtepackung des Verschlussmaterials sorgt.
  • Als weitere Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zwickelfüllung (Schüttung 2) neben dem inerten Feinmaterial, z.B. in Form von Sand, auch noch entsprechend feinkörniges bindiges Material gemäß Schüttung 1 (z.B. Minerale der Smektitgruppe oder reines Bentonitfeingranulat) enthält. Dadurch kann die Dichtigkeit des Verschlussbauwerks weiter erhöht werden.
  • Neben der getrennten Schüttung von Formkörpern und inerter Zwickelfüllung ist erfindungsgemäß insbesondere bevorzugt, eine vorgefertigte Mischung bzw. ein vorgefertigtes Gemenge aus verdichteten Formkörpern und inerter Zwickelfüllung herzustellen, welches dann durch losen Versturz am Einbauort oder im sogenannten Blasversatz eingesetzt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erstellung eines Verschlussbauwerks umfasst neben den genannten Maßnahmen besonders bevorzugt den Verbau des Verschlussmaterials in Form einer vorgefertigten Mischung durch Verblasen dieser Mischung (Blasversatz) z.B. aus einem Silo-LKW mit eingebauter oder separater Blasvorrichtung.
  • Beim Verblasen einer erfindungsgemäßen Verschlussmischung aus Pellets und feinem Sand als Zwickelfüllung wurde festgestellt, dass es dabei zu einer partiellen Zerstörung der Pellets kommt. Diese werden abgerundet und dabei bildet sich sehr feines bindiges (Pellet-) Material, was zu einer erhöhten Packungsdichte und weiter verbesserter Wasserundurchlässigkeit führt.
  • Die Zusammensetzung dieser Mischung aus Schüttung 1 (Formkörper/Pellets) und Schüttung 2 (inerte Zwickelfüllung, z.B. Sand) ist bevorzugt so dimensioniert, dass, ausgehend von der theoretischen Hohlraumerfüllung oder des sich zwischen den Pellets bildenden Hohlraums, der Anteil an Formkörpern immer etwas überhöht ist. Das hat zur Folge, dass nach vollzogenem Einbau der Mischung inerte Zwickelfüllung nachgeschüttet werden kann, um letzte verbliebene Zwickel aufzufüllen. Dabei wir die Bildung von Linsen aus Zwickelmaterial (z.B. Sandlinsen) unterdrückt, die zu einer höheren Wasserdurchlässigkeit führen könnten. Ausgehend von der Tatsache, dass die Monokornschüttung aus Pellets einen Zwickelhohlraum von ca. 35-40 Volumen-% aufweist, hat sich ein Verhältnis Schüttung 1 : Schüttung 2 von 70 : 30 - 65 : 35 Gew.-% als sinnvoll erwiesen, also eine Unterdeckung des Feinmaterials von ca. 5 Gew.-%.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen insbesondere darin, dass man die Verschlussbauwerke in äußerst kurzer Bauzeit einbauen kann, keine (bzw. deutlich reduzierte) Mann-Tage vor Ort (untertage) notwendig sind, da das Verschlussmaterial sofort zum Einsatzort verbracht wird, insbesondere durch das Verfahren des Blasversatz. Gegenüber dem untertägigen Einbau mit der Erstellung von Widerlagern und dem regelmäßigen Verdichten vor Ort des bindigen Materials, was sehr zeit- und kostenaufwendig ist, können durch das erfindungsgemäße Verfahren Verschlussbauwerke (Verschlussschichtdicken oder Verschlussstopfen in beliebiger Stärke, z.B. mit Schichtdicken von 5 m), erzeugt werden, ohne dass dabei Bauunterbrechungen oder Arbeitseinsatz untertage notwendig ist. Eine Verdichtung des Verschlussmaterials vor Ort kann entfallen.
  • Mit den erfindungsgemäßen Verschlussmaterialien lassen sich beliebig dimensionierte Dichtbauwerke mit, in Abhängigkeit vom verwendeten Material, den gewünschten Wasserdurchlässigkeiten kf erzeugen. Schon im einfachen Sturzversatz können Einbaudichten von größer als 1,7 t/m3 erreicht werden, die durch den vorteilhaften Blasversatz auf Werte von bis zu und größer als 1,9 t/m3 gesteigert werden können.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die dabei verwendeten Materialien haben ein breites Einsatzgebiet. Anwendungsgebiete sind allgemein das Verschließen von Hohlräumen untertage, wie dies z.B. bei der (End-)Lagerung von toxischen und radioaktiven Materialien notwendig ist, das Abschirmen von Teilen eines Bergbaureviers gegen zuströmendes Oberflächenwasser und/oder drückendes Grundwasser; d.h. generell die Erstellung von hydraulischen Sperren. Das Verfahren und das damit in Verbindung stehende Materialkonzept sind neben Schachtverschlüssen auch für die Erstellung von Dammbauwerken in Strecken geeignet. Hier ergibt sich z.B. der Vorteil des Blasversatzes bis unter die Firste. In herkömmlichen Bauweisen ist eine Verdichtung unter der Firste nicht möglich.
  • Die Erfindung umfasst somit die Verwendung der beschriebenen Materialien, getrennt oder als vorgefertigtes Gemisch, zur Erstellung von Verschlussbauwerken, ein Verfahren zur Erstellung von Verschlussbauwerken unter Einsatz der erfindungsgemäßen Materialien und Verschlussbauwerke, herstellbar mit den genannten Materialien und nach dem beschriebenen Verfahren.
  • Das nachfolgende Beispiel dient zur näheren Erläuterung der Erfindung, ohne diese in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr können alle genannten Merkmale und Maßnahmen aus Beschreibung, Beispielen und/oder Patentansprüchen in jeder für den Fachmann und den Erfindungszweck sinnvollen Art und Weise ohne Beschränkung miteinander kombiniert werden.
    • Ausführungsbeispiel
  • Es wird eine Mischung aus 30 Gew.-% des beschriebenen Quarzsandes H 35 S und 70 Gew.-% hochverdichteten Pellets, die aus reinem Bentonit bestehen, hergestellt.
  • Der Sand hat eine Dichte (Kornrohdichte) gemäß DIN EN ISO 787-10 von 2,65 g/cm3 (t/m3). Die Pellets haben die folgenden Abmessungen: Durchmesser 10 mm, Länge produktionsbedingt zwischen 5 und 15 mm, eine Kornrohdichte (Trockenrohdichte) von 2,1 g/cm3, ein Quellvolumen von 400 ml (obere Kante der aufgequollenen Pellets in einem 500 ml Weithalsbecherglas bei Einwaage von 100 g Pellets) und eine Wasseraufnahme nach Enslin-Neff von 370 %.
  • Diese Mischung wird in einen Silo-LKW gefüllt und das Material in einem Untertageversuch rund 350 Meter aus dem Silozug über eine Blasleitung verblasen. Dabei ca. 300 m vertikal und ca. 30 m waagerecht übertage und ca. 20 m waagerecht untertage. Bei dem Versuch wird ein Eimer direkt in einen Streckenabschluss eingegraben und dem Förderstrom ausgesetzt. Nach Überfüllung des Eimers wird die ungestörte Probe auf Dichte und Konverteilung vermessen. Die Ergebnise sind in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben.
    Kornfraktion (mm) > 16 > 12,5 > 10,0 > 8,0 > 5,6 > 4,0 > 2,8 > 2,0 > 1,0 > 0,5 > 0,2 > 0,125 > 0,063 < 0,063, Dichte (kg/dm3)
    Anteile (Masse-%)
    a) Ausgangsmischung     		0,7 n.b. 45,9 13,9 5,3 0,9 0,3 0,1 0,1 0,5 13,1 16,3 0,3 0,0
    b) Probe
    Eimer im Hanfwerk eingegraben    		 0,2 0,0 40,7 11,7 8,4 3,9 1,4 0,8 1,3 1,0 23,5 6,2 0,8 0,1 1,74
  • Die Probe weist eine Dichte nach dem Blasvorgang und ohne jede zusätzliche Verdichtung von mind. 1,74 kg/dm3 (t/m3) auf und ist damit für die Erstellung eines erfindungsgemäßen Verschlussbauwerks geeignet.
  • Die Tabelle zeigt weiterhin die bereits beschriebene partielle Kornzerstörung bei den Pellets bei einem Vergleich der Korngrößenverteilung von Ausgangsmischung und verblasenem Material. Durch den Blasvorgang wird zusätzlich zum Sand feinkörniges bindiges Material (hier Bentonit) erzeugt, was zu einer erhöhten Wasserundurchlässigkeit des gebildeten Verschlussbauwerks führt.
    • Ausführungsbeispiel 2
  • Bei einem vertikalen Schachtverschluss wird das erfindungsgemäße Binärgemisch gemäß Ausführungsbeispiel 1 in mehreren Lagen durch Blasversatz in Wechsellagerung mit Sandlagen eingebaut. Insgesamt werden hierbei 786,94 t Material bei einem Gesamtvolumen von 456,54 m3 verbaut. Die erzielte Dichte liegt somit bei 1,72 t/m3 durch losen Versturz ohne nachträgliche Verdichtung vor Ort.
    • Ausführungsbeispiel 3
  • In einem untertägigen Streckenverschluss werden insgesamt 204,18 t des erfindungsgemäßen Binärgemischs gemäß Ausführungsbeispiel 1 horizontal zwischen Schalungselementen im Blasversatz bis unter die Firste verbaut. Das markscheiderische Aufmaß wird mit einem Hohlraumvolumen von 119,58 m3 bestimmt. Somit ergibt sich nach Abzug aller Einbauten eine Einbaudichte von 1,74 t/m3.

Claims (13)

  1. Verwendung von hochverdichteten Pellets aus bindigem Material mit einer Rohdichte von mehr als 2t/m3 in Kombination mit einer inerten Zwickelfüllung zur Herstellung von Verschlussbauwerken.
  2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgefertigte Mischung aus Pellets aus bindigem Material und inerter Zwickelfüllung verwendet wird.
  3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pellets einen Durchmesser von bis zu 20 mm und eine Länge von 5-30 mm aufweisen.
  4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als bindiges Material Minerale der Smektitgruppe verwendet werden.
  5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als bindiges Material Montmorillonit verwendet wird.
  6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pellets Bentonit enthalten oder aus diesem bestehen.
  7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als inerte Zwickelfüllung Sand rolliger Körnung verwendet wird.
  8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die inerte Zwickelfüllung ein Größtkorn von kleiner als 0,25 mm aufweist.
  9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Verschlussbauwerks durch Blasversatz einer Mischung von hochverdichteten Pellets aus bindigem Material und inerter Zwickelfüllung erfolgt.
  10. Verfahren zur Herstellung von Verschlussbauwerken durch Verwendung von hochverdichteten Pellets aus bindigem Material mit einer Rohdichte von mehr als 2t/m3 in Kombination mit einer inerten Zwickelfüllung als Verschlussmaterialien.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien nach einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Verschlussbauwerks durch Blasversatz einer Mischung von hochverdichteten Pellets aus bindigem Material und inerter Zwickelfüllung erfolgt.
  13. Verschlussbauwerk, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12.
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