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Mittels künstlichen neuronalen Netzen wurden die in den rekultivierten Tagebaukippen im Nordraum Lausitz (Tagebaue Schlabendorf und Seese) auftretenden Geländedeformationen infolge Bodenverflüssigung für die Jahre 2009 - 2013 als Zeitreihe modelliert. Das Modell ist in der Lage, grob die zeitliche Entwicklung und exakt die räumliche Lage des in den Kippen auftretenden Gefährdungspotenzials nachzuvollziehen und als Funktion des sich ändernden Grundwasserspiegels und der sich ändernden Oberflächenmorphologie in die Zukunft zu prognostizieren. Das Modell zeigt dynamisch das Entstehen neuer Risikoflächen in bisher scheinbar stabilen Bereichen des Untersuchungsgebietes. Die Korrektheit des Modells wurde mittels verschiedener Tests geprüft sowie anhand einer Prognoserechnung für das Jahr 2014 und des Vergleichs mit den real in 2014/2015 gegangenen Ereignissen nachgewiesen. Folgende Gefährdungsfaktoren wurden ermittelt: Destabilisierend wirken eine möglichst einförmige Lithologie folgender Zusammenset-zung: 31 % Feinsand, 34 % Mittelsand, 31 % Grobsand, 3 % Schluff, < 1 % Kies, < 1 % Kalk, < 1 % Ton, < 1 % Kohle, kf-Werte zwischen 10-4 und 10-4,5 m/s, ein Grundwasserflurabstand bei 3,45 m (Medianwert), möglichst hohe Gradienten der nicht lithologisch kontrollierten Parameter: Tagebauoberfläche, Grundwasseroberfläche, Grundwasserflurabstand und Mächtigkeit der gesättigten Kippe. Stabilisierend wirken vor allem eine möglichst große Heterogenität der Lithologie auf kleinem Raum (möglichst hohe Gradienten der lithologisch kontrollierten Parameter (z.B. Kiesgehalt, Sandgehalt, Tongehalt, Kohlegehalt)), ein möglichst geringer Sandanteil, möglichst hohe Anteile an Kies, Schluff, Ton, Kalk, bzw. Kohle, ein möglichst großer Grundwasserflurabstand sowie möglichst geringe Gradienten der nicht lithologisch kontrollierten Parameter: Tagebauoberfläche, Grundwasseroberfläche, Grundwasserflurabstand, Mächtigkeit der gesättigten Kippe sowie wechselnde kf-Werte 10-7 bzw. >10-2 m/s. Für die Bearbeitung wurden ausschließlich die bei der LMBV vorhandenen bzw. laufend flächendeckend erhobenen Daten genutzt: Lage des Grundwasserspiegels, Relief der Tagebauoberfläche, Liegendes der Kippe, geologische Daten der Vorfeldbohrungen. Das Modell kann als dynamisches Instrument zum Risikomanagement vor bzw. während der Sanierungsmaßnahmen genutzt werden. Mittels der Variation der prozesskontrollie-renden Parameter können die geotechnischen Auswirkungen verschiedener Sanierungsszenarien (z.B. Gestaltung der Tagebauoberfläche, Schüttung der Kippen, Grundwasseranstieg) auf die Stabilität der Kippen prognostiziert werden. / Geotechnical events (terrain deformation due to soil liquefaction) in lignite mining waste rock piles of the northern Lausitz area (opencast pits Schlabendorf and Seese), have been modeled as time series for the years 2009 – 2013 by using artificial neural networks. The model has clearly recognized the influences of various lithological and non-lithological controlled parameters on the occurrence of geotechnical events, and these have been quantified and weighted in terms of their importance. The model is able to predict the tem-poral evolution and the exact spatial location of the events occurring in the dumps as a function of changing groundwater levels and surface morphology. The model shows dynamically the emergence of new risk areas in hitherto seemingly stable areas. The correctness of the model was confirmed by means of various tests and its predictive success was demonstrated through forecasting of events for the years 2014 and 2015 and their comparison with the observed events of those years. The following main risk factors were identified: Important destabilizing factors are a monotonous lithology with the following composition: 31% fine sand, 34% medium sand, 31% coarse sand, 3% silt, <1% gravel, <1% lime, <1% clay, <1% coal, kf-values between 10-4 and 10-4.5 m/s, a surface to groundwater distance of 3.45 meters (median value), high gradients of non-lithological controlled parameters: waste dump surface, groundwater level, depth to groundwater and thickness of saturated dump. 2. Important stabilizing factors are a high heterogeneity of lithology (high gradients of the lithological controlled parameters: e.g. gravel content, sand content, clay content, carbon content), a low proportion of sand in the dump composition, high proportions of gravel, silt, clay, lime, or coal, a high depth to groundwater, low gradients of non-lithological controlled parameters: open pit surface, groundwater surface, depth to groundwater, thickness of saturated dump, strongly changing kf values between 10-7 and 10-2 m/s. The model can be used as a dynamic tool for risk management before and during the re-habilitation of lignite waste dumps, and for constructing stable waste dumps. By means of varying the model parameters (e.g. design of the dump surface, composition of dumped rocks, rising groundwater) the geotechnical effects of dump design and remediation scenarios can be predicted.

This thesis is motivated by problems studied as part of the Diavik Waste Rock Pile Project. Located at the Diavik Diamond Mine in the Northwest Territories, with academic support from the University of Waterloo, the University of Alberta, and the University of British Columbia, this project focuses on constructing mine waste rock piles and studying their physical and chemical properties and the transport processes within them. One of the main reasons for this investigation is to determine the effect of environmental factors on acid mine drainage (AMD) due to sulfide oxidation and the potential environmental impact of AMD. This research is concerned with modeling pressure driven flow through waste rock piles. Unfortunately, because of the irregular shape of the piles, very little data for fluid flow about such an obstacle exists, and the numerical techniques available to work with this domain are limited. Since this restricts the study of the mathematics behind the flow, this thesis focuses on a cylindrical domain, since flow past a solid cylinder has been subjected to many years of study. The cylindrical domain also facilitates the implementation of a pseudo-spectral method. This thesis examines a pressure driven flow through a cylinder of variable permeability subject to turbulent forcing. An equation for the steady flow of an incompressible fluid through a variable permeability porous medium is derived based on Darcy's law, and a pseudo-spectral model is designed to solve the problem. An unsteady time-dependent model for a slightly compressible fluid is then presented, and the unsteady flow through a constant permeability cylinder is examined. The steady results are compared with a finite element model on a trapezoidal domain, which provides a better depiction of a waste rock pile cross section.

This thesis is motivated by problems studied as part of the Diavik Waste Rock Pile Project. Located at the Diavik Diamond Mine in the Northwest Territories, with academic support from the University of Waterloo, the University of Alberta, and the University of British Columbia, this project focuses on constructing mine waste rock piles and studying their physical and chemical properties and the transport processes within them. One of the main reasons for this investigation is to determine the effect of environmental factors on acid mine drainage (AMD) due to sulfide oxidation and the potential environmental impact of AMD. This research is concerned with modeling pressure driven flow through waste rock piles. Unfortunately, because of the irregular shape of the piles, very little data for fluid flow about such an obstacle exists, and the numerical techniques available to work with this domain are limited. Since this restricts the study of the mathematics behind the flow, this thesis focuses on a cylindrical domain, since flow past a solid cylinder has been subjected to many years of study. The cylindrical domain also facilitates the implementation of a pseudo-spectral method. This thesis examines a pressure driven flow through a cylinder of variable permeability subject to turbulent forcing. An equation for the steady flow of an incompressible fluid through a variable permeability porous medium is derived based on Darcy's law, and a pseudo-spectral model is designed to solve the problem. An unsteady time-dependent model for a slightly compressible fluid is then presented, and the unsteady flow through a constant permeability cylinder is examined. The steady results are compared with a finite element model on a trapezoidal domain, which provides a better depiction of a waste rock pile cross section.

Mittels künstlichen neuronalen Netzen wurden die in den rekultivierten Tagebaukippen im Nordraum Lausitz (Tagebaue Schlabendorf und Seese) auftretenden Geländedeformationen infolge Bodenverflüssigung für die Jahre 2009 - 2013 als Zeitreihe modelliert. Das Modell ist in der Lage, grob die zeitliche Entwicklung und exakt die räumliche Lage des in den Kippen auftretenden Gefährdungspotenzials nachzuvollziehen und als Funktion des sich ändernden Grundwasserspiegels und der sich ändernden Oberflächenmorphologie in die Zukunft zu prognostizieren. Das Modell zeigt dynamisch das Entstehen neuer Risikoflächen in bisher scheinbar stabilen Bereichen des Untersuchungsgebietes. Die Korrektheit des Modells wurde mittels verschiedener Tests geprüft sowie anhand einer Prognoserechnung für das Jahr 2014 und des Vergleichs mit den real in 2014/2015 gegangenen Ereignissen nachgewiesen. Folgende Gefährdungsfaktoren wurden ermittelt: Destabilisierend wirken eine möglichst einförmige Lithologie folgender Zusammenset-zung: 31 % Feinsand, 34 % Mittelsand, 31 % Grobsand, 3 % Schluff, < 1 % Kies, < 1 % Kalk, < 1 % Ton, < 1 % Kohle, kf-Werte zwischen 10-4 und 10-4,5 m/s, ein Grundwasserflurabstand bei 3,45 m (Medianwert), möglichst hohe Gradienten der nicht lithologisch kontrollierten Parameter: Tagebauoberfläche, Grundwasseroberfläche, Grundwasserflurabstand und Mächtigkeit der gesättigten Kippe. Stabilisierend wirken vor allem eine möglichst große Heterogenität der Lithologie auf kleinem Raum (möglichst hohe Gradienten der lithologisch kontrollierten Parameter (z.B. Kiesgehalt, Sandgehalt, Tongehalt, Kohlegehalt)), ein möglichst geringer Sandanteil, möglichst hohe Anteile an Kies, Schluff, Ton, Kalk, bzw. Kohle, ein möglichst großer Grundwasserflurabstand sowie möglichst geringe Gradienten der nicht lithologisch kontrollierten Parameter: Tagebauoberfläche, Grundwasseroberfläche, Grundwasserflurabstand, Mächtigkeit der gesättigten Kippe sowie wechselnde kf-Werte 10-7 bzw. >10-2 m/s. Für die Bearbeitung wurden ausschließlich die bei der LMBV vorhandenen bzw. laufend flächendeckend erhobenen Daten genutzt: Lage des Grundwasserspiegels, Relief der Tagebauoberfläche, Liegendes der Kippe, geologische Daten der Vorfeldbohrungen. Das Modell kann als dynamisches Instrument zum Risikomanagement vor bzw. während der Sanierungsmaßnahmen genutzt werden. Mittels der Variation der prozesskontrollie-renden Parameter können die geotechnischen Auswirkungen verschiedener Sanierungsszenarien (z.B. Gestaltung der Tagebauoberfläche, Schüttung der Kippen, Grundwasseranstieg) auf die Stabilität der Kippen prognostiziert werden. / Geotechnical events (terrain deformation due to soil liquefaction) in lignite mining waste rock piles of the northern Lausitz area (opencast pits Schlabendorf and Seese), have been modeled as time series for the years 2009 – 2013 by using artificial neural networks. The model has clearly recognized the influences of various lithological and non-lithological controlled parameters on the occurrence of geotechnical events, and these have been quantified and weighted in terms of their importance. The model is able to predict the tem-poral evolution and the exact spatial location of the events occurring in the dumps as a function of changing groundwater levels and surface morphology. The model shows dynamically the emergence of new risk areas in hitherto seemingly stable areas. The correctness of the model was confirmed by means of various tests and its predictive success was demonstrated through forecasting of events for the years 2014 and 2015 and their comparison with the observed events of those years. The following main risk factors were identified: Important destabilizing factors are a monotonous lithology with the following composition: 31% fine sand, 34% medium sand, 31% coarse sand, 3% silt, <1% gravel, <1% lime, <1% clay, <1% coal, kf-values between 10-4 and 10-4.5 m/s, a surface to groundwater distance of 3.45 meters (median value), high gradients of non-lithological controlled parameters: waste dump surface, groundwater level, depth to groundwater and thickness of saturated dump. 2. Important stabilizing factors are a high heterogeneity of lithology (high gradients of the lithological controlled parameters: e.g. gravel content, sand content, clay content, carbon content), a low proportion of sand in the dump composition, high proportions of gravel, silt, clay, lime, or coal, a high depth to groundwater, low gradients of non-lithological controlled parameters: open pit surface, groundwater surface, depth to groundwater, thickness of saturated dump, strongly changing kf values between 10-7 and 10-2 m/s. The model can be used as a dynamic tool for risk management before and during the re-habilitation of lignite waste dumps, and for constructing stable waste dumps. By means of varying the model parameters (e.g. design of the dump surface, composition of dumped rocks, rising groundwater) the geotechnical effects of dump design and remediation scenarios can be predicted.