Projekt Geostab

Methodik zur integralen Bewertung der Gebirgsstabilität zur Ableitung von Geogefahren unter regionalgeologischen Aspekten

Das Bild zeigt Arbeiten zur Felssicherung im Kirnitzschtal — Arbeiten zur Felssicherung im Kirnitzschtal. © LfULG

Projektlaufzeit

08/2020 - 11/2022

Projektpartner

Professur für Felsmechanik, TU Bergakademie Freiberg

Karte mit den geologischen 3D-Modellen desLfULG, die Modelle Aue, Elbe-Zone und Mügeln wurden als Fallbeispiele für das Projekt ausgewählt. — Am LfULG verfügbare geologische 3D-Modelle sowie die für das Projekt GeoStab ausgewählten Untersuchungsgebiete. © LfULG

Projektziele

Im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprojekts GeoStab sollte eine numerische Methode zur integralen Bewertung der Gebirgsstabilität des Untergrundes bei Bau- und Planungsvorhaben entwickelt werden. Dabei sollten natürliche Objekte (z.B. Störungszonen) sowie Gebirgsbereiche um unterirdische Hohlräume (z.B. Altbergbau oder Tunnel) besonders berücksichtigt werden, um ihren mechanischen sowie hydraulischen Einflussbereich zu beschreiben, in welchem mit Auflockerungen, Deformationen und Permeabilitätsänderungen zu rechnen ist.

Es sollte eine Methode entwickelt werden, mit welcher durch numerische Simulation die Deformationen an Diskontinuitäten wie Störungen gut dargestellt, großräumige Spannungs- und Deformationsfelder des Untergrundes in 3D-Modellen ermittelt und der Einfluss verschiedener physikalischer Parameter untersucht werden kann. Der Einfluss existierender bergbaulicher Grubenfelder auf die Stabilität des umgebenden Gebirges sollte möglichst gut erfasst werden.

Nachdem die Modellierungsmethode entwickelt wurde, sollte sie an drei Referenzmodellen mit unterschiedlichen geologischen Situationen getestet werden.

Das Bild zeigt den Workflow der Projektbearbeitung, der im Projektbericht im Detail beschrieben wird. — Arbeitsschritte zur Erzeugung eines numerischen Modells aus einem geologischen 3D-Modell. © LfULG

Projektergebnisse

Die in diesem Projekt durchgeführten Arbeiten haben anhand von drei Modellgebieten gezeigt, wie aus einem strukturgeologischen Modell in Skua-Gocad ein numerisches Modell berechnet und analysiert werden kann. Ein allgemeingültiger Workflow zur künftigen Nachnutzung wurde abgeleitet.

Mit den hier vorgestellten Ergebnissen wird deutlich, welche Möglichkeiten die numerische Modellierung der Gebirgsstabilität im Umfeld von bergbaulichen Objekten auf der Basis von regionalen Großmodellen liefert:

Geotechnisch relevante Objekte wie unterirdische Bauwerke und Störungen konnten im regionalgeologischen Kontext betrachtet werden.
Grubenbaue konnten sehr effektiv und ausreichend gut durch eine umhüllende Fläche abgegrenzt werden, statt mit hohem Aufwand jeden bergbaulichen Hohlraum einzeln und im Detail modellieren zu müssen.
Zu erwartende Hebungen und Senkungen der Geländeoberfläche über Grubenbauen konnten aufgezeigt werden.
Laterale Schädigungen der Gebirgsfestigkeit im Umfeld der Grubenbaue konnten dargestellt werden.
Für größere geotechnisch relevante Objekte wie Tage- oder Tiefbaue konnte ein stationärer mechanischer Einflussbereich um diese Objekte herum definiert werden.
Störungen, die im rezenten Spannungsfeld so liegen, dass sie ein hohes Reaktivierungspotential aufweisen, konnten identifiziert werden.
Es konnte gezeigt werden, dass Grubenbaue Spannungsumlagerungen in der Gesteinsmatrix verursachen. Diese können zu einer Reaktivierung von Störungen, welche die Grubenbaue kreuzen, führen. Im Modell konnte dabei auch eine mögliche Fernwirkung betrachtet werden.
Gebiete, die durch seismische Aktivität oder vertikale Bodenbewegungen gefährdet sind, konnten identifiziert werden.
Der Einfluss von Änderungen des Grubenwasserspiegels auf Hebungen und Senkungen sowie Störungsaktivität konnte erfolgreich untersucht werden.

Das Bild zeigt einen Ausschnitt des 3D-Modells Aue mit den vom Bergbau beeinflussten Gebieten des Untergrunds in seiner Umgebung. — Verhältnis von Scherdeformation zur maximalen Scherdeformation im Modell Aue. In schwarz sind die Grubenbaue dargestellt. Das Modell wurde entlang der N-S-Achse aufgeschnitten, um den Bereich innerhalb des Modells zu visualisieren, in welchem der Grubenbau die Festigkeit des umgebenden Gebirges reduziert. © LfULG

Der Aussagekraft der Simulationsergebnisse sind jedoch Grenzen gesetzt:

Häufig sind für die benötigten Materialparameter keine gesicherten Werte vorhanden, sodass diese geschätzt werden müssen. Entsprechend unsicher und ungenau sind die Simulationsergebnisse.
Die Datenlage wird mit zunehmender Modelltiefe schlechter, sodass es nicht sinnvoll ist, eine Tiefenabhängigkeit der Materialparameter zu berücksichtigen.
Um das Modell mit realistischen Materialparametern zu initialisieren, muss eine aufwändige Kalibrierung anhand unabhängiger Messwerte wie seismologischer Daten, Deformations- oder Spannungsmessungen (z.B. Hydro Frac-Versuche) durchgeführt werden.
Um die Rechenzeit zu begrenzen, muss das Volumenmodell so gebaut werden, dass möglichst wenige Volumenelemente enthalten sind, aber gleichzeitig genügend viele, sodass die zu simulierenden Prozesse abgebildet werden können. Die Modellauflösung ist ein entscheidender Faktor, der bei der Interpretation der Simulationsergebnisse berücksichtigt werden muss.

Nicht geeignet sind die durchgeführten Modellierungen, um den Einfluss von Objekten mit geringer Ausdehnung wie Tunnel oder kleinskalige Bergbaue (z.B. Altbergbau) zu studieren, weil dazu die Auflösung der Modelle zu grob ist. Für solche Fragestellungen müssen hochaufgelöste Detailmodelle verwendet werden, die als Submodelle aus den großräumigenModellen mit regionalgeologischem Kontext abgeleitet werden müssen.

Mit der Weiterentwicklung der Computertechnik in den nächsten Jahren ist damit zu rechnen, dass Simulationen auf numerischen Regionalmodellen zu einer Standard-Methode bei der Planung von Infrastrukturvorhaben und unterirdischen Bauwerken werden. Der im Abschlussbericht zusammengestellte Katalog, welcher Empfehlungen zur Anfertigung eines strukturgeologischen Modells und praktische Hinweise zur Erstellung eines Volumennetzmodells gibt, kann als Grundlage dienen, um möglichst effizient geologische in numerische Modelle zu überführen.