Auf den Innenkippen nehmen mit dem Anstieg des Grundwassers die Zahl der Verflüssigungsereignisse und auch die Größe der verflüssigten Bereiche zu. Besonders davon betroffen ist der sogenannte Nordraum der Lausitz südlich von Lübbenau. Dort wurden deshalb Böschungskonturen vor und nach den Verflüssigungsereignissen über Jahre systematisch erfasst. Die erfassten Konturen wurden geokinematisch analysiert, um charakteristische Bewegungsmuster erkennen und beschreiben zu können. Das Ergebnis ermöglicht eine neue Klassifizierung der auf Innenkippen auftretenden Verformungsvorgänge. Darauf aufbauend, entstand eine neue Methodik zur Berechnung der Standsicherheit verflüssigungsgefährdeter Innenkippenflächen deren Basis die Theorien des Erddrucks und Hydromechanik sind. Für den Nachweis des horizontalen Gleichgewichts einer Böschung wird ein Kräfte-, für das der vertikalen, ein Momentenvergleich hergeleitet. Mit einem hydromechanischen Ansatz ist es auch möglich, zusätzlich die Endgeometrie der sich nach der Verflüssigung einstellenden Böschung zu berechnen. Die Ergebnisse der Standsicherheitsberechnungen und der geometrischen Endkonturen zeigen überraschende Übereinstimmungen mit den erfassten gegangenen Böschungsbewegungen.

Recently observed cumulation of unexpected collapses of slope-distant waste dumps in lignite mining areas of eastern germany re-initiated research of soil liquefaction. Especially it turned the question of internal initials that correspond to water rise. Parallel to laboritory tests and field experiments a micromechanical model should be developed, which can reproduce processes in the soil during saturation. In first approximation a partly saturated soil consists of two phases: the soil particles and the pore fluid. For micromechanical modeling a coupling of discontinuum particles) and continuum (fluid) is required. The soil particles can be simulated with the Discrete-Element-Method (DEM). For the pore fluid, which is assumed to be a mixture of liquid and gaseous fractions, Pore scale model with Finite Volumes (PFV) is used. At low water content liquid bridges (meniscii) arise between the particles that cause an apparent cohesion. The effect of the meniscii is considered by a correspondingly contact law in the DEM model. During the saturation of a soil both, cohesive effect and fluid bulk modulus, are reduced. In addition buoyancy acts on the particles during the process. The micromechanical modeling approach has the advantage, that just a few model parameters are needed. The numerical model shows pore fluid pressures during saturation process, that leads to a reduction of effective stress. It is investigated how much the reduction is regarding porosity, degree of saturation, stress conditions and grain shape. Furthermore the influence of model parameters as well as hydromechanics is investigated. The investigations are completed with another series of experiments under special conditions like integration of macropores, horizontal fixed model boundaries and abrupt saturation.

Recently observed cumulation of unexpected collapses of slope-distant waste dumps in lignite mining areas of eastern germany re-initiated research of soil liquefaction. Especially it turned the question of internal initials that correspond to water rise. Parallel to laboritory tests and field experiments a micromechanical model should be developed, which can reproduce processes in the soil during saturation. In first approximation a partly saturated soil consists of two phases: the soil particles and the pore fluid. For micromechanical modeling a coupling of discontinuum particles) and continuum (fluid) is required. The soil particles can be simulated with the Discrete-Element-Method (DEM). For the pore fluid, which is assumed to be a mixture of liquid and gaseous fractions, Pore scale model with Finite Volumes (PFV) is used. At low water content liquid bridges (meniscii) arise between the particles that cause an apparent cohesion. The effect of the meniscii is considered by a correspondingly contact law in the DEM model. During the saturation of a soil both, cohesive effect and fluid bulk modulus, are reduced. In addition buoyancy acts on the particles during the process. The micromechanical modeling approach has the advantage, that just a few model parameters are needed. The numerical model shows pore fluid pressures during saturation process, that leads to a reduction of effective stress. It is investigated how much the reduction is regarding porosity, degree of saturation, stress conditions and grain shape. Furthermore the influence of model parameters as well as hydromechanics is investigated. The investigations are completed with another series of experiments under special conditions like integration of macropores, horizontal fixed model boundaries and abrupt saturation.:Einleitung Literaturauswertung Numerische Modellierung Modellstudien Ergebnisauswertung Zusammenfassung Extended summary

Mit dem Grundwasserwiederanstieg in Braunkohleabraumkippen werden die aus der Pyritverwitterung resultierenden Stoffausträge an Sulfat-, Eisen-, Schwermetall- und H+-Ionen gelöst. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine Methodik entwickelt, mit deren Hilfe Problembereiche ausgehalten und somit Maßnahmen im aktiven mitteldeutschen Tagebaubetrieb ergriffen werden können, um die zukünftige Beeinflussung der umgebenden Grund- und Oberflächenwasserkörper zu minimieren. An Vorfeldsedimenten konnten in Feld-eluaten, Stoßbeprobungen und Verwitterungsversuchen geochemische Eigenschaften ermittelt werden. In resultierenden Pufferungsversuchen aus karbonathaltigen Geschiebe-mergeln und Hauptaciditätsträgern konnte eine langfristige Minderung der Aciditätswirkung nachgewiesen werden und ein adaptierter Regelkippenaufbau mit laminaren, alterierenden Sichtaufbau begründet werden. In umliegenden Altkippengrundwässern sind Pufferung und Sulfatreduktion als Wiederfestlegungsprozesse der AMD-Problemstoffe belegt worden. / For lignite mining extensive overburden masses have to be moved. Due to the ventilation of the overburden by atmospheric oxygen, there is a weathering of mostly tertiary sulfides. The rebound of groundwater in future tippings dissolves sulfate, iron, heavy metal and H+ ions, resulting from the pyrite weathering. The partial mobilization of overburden sulfides are opposed to hydrogeochemical buffer reactions e.g. the buffering by carbonates as the first step of buffering. Therefore, there are the questions to the mining operators of the measures that can be taken to minimize the geochemical influence of the surrounding ground and surface water bodies. Object of this PhD-thesis is to lead a methodology that helps to characterize the future tilting substrates to find technological and strategic measures for minimizing the acid water formation in the active open pit operation. In Field eluates and weathering tests in the laboratory and in the field, sediments from dry drill holes in the forefront of open pits “Schleenhain” and “Peres” it could be shown that the geological facies formation of sediments has a decisive influence on geochemical characteristics. As the main acidifying sediment the tertiary aquifer number 2 (lying part) and number 3 can be identified with their high sulfur contents. With increasing time of oxygen exposure sulfate, iron, heavy metal and H + ions released massively. Furthermore, it appears that carbonate buffer essentially are available as glacial till only in cohesive Quaternary. With the resulting buffering experiments from glacial till and the most acidic aquifer sediments a long-term retention of iron, heavy metal and H + - ion and a reduction of sulfate release can be shown, if there is a share of at least 40% glacial till to the lying aquifer number 2 sediments or 20% glacial till to the aquifer number 3. The groundwater quality monitoring of unstructured resaturated old dumps near to the active open pits is comparable to a field test. In addition to weathering zones with high levels of pollutants in the presence of carbonates, buffering processes and sulfate reduction with precipitation of problematic substances in secondary mineral phases can be detected. Blending the research results of geological and geochemical data, an important, in principle selectively recoverable, buffer potential already exists. The determined mixing ratio from 80-60 mass-% acidic sediments to 20-40 mass-% buffering sediment from the buffering experiments can be realized in tilting. In the open pit “Schleenhain” the missing buffering material can be compensated by mass offset from the open pit “Peres”. With the use of the already existing equipment, it is possible to establish a laminar, alternately tipping body with good geochemical and geotechnical conditions.

Mit dem Grundwasserwiederanstieg in Braunkohleabraumkippen werden die aus der Pyritverwitterung resultierenden Stoffausträge an Sulfat-, Eisen-, Schwermetall- und H+-Ionen gelöst. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine Methodik entwickelt, mit deren Hilfe Problembereiche ausgehalten und somit Maßnahmen im aktiven mitteldeutschen Tagebaubetrieb ergriffen werden können, um die zukünftige Beeinflussung der umgebenden Grund- und Oberflächenwasserkörper zu minimieren. An Vorfeldsedimenten konnten in Feld-eluaten, Stoßbeprobungen und Verwitterungsversuchen geochemische Eigenschaften ermittelt werden. In resultierenden Pufferungsversuchen aus karbonathaltigen Geschiebe-mergeln und Hauptaciditätsträgern konnte eine langfristige Minderung der Aciditätswirkung nachgewiesen werden und ein adaptierter Regelkippenaufbau mit laminaren, alterierenden Sichtaufbau begründet werden. In umliegenden Altkippengrundwässern sind Pufferung und Sulfatreduktion als Wiederfestlegungsprozesse der AMD-Problemstoffe belegt worden.:Versicherung 3 Zusammenfassung 8 1 Aktualität und Bedeutung der gesteuerten Abraumverkippung 10 2 Theoretische Grundlagen, Ziele, Aufgaben und Technik 15 2.1 Das System Kippe mit Verwitterungsstufen und Stufen der Gegenmaßnahmen 16 2.1.1 Phasen der Tagebauentwicklung in Bezug auf die Sauerwasserbildung 16 2.1.2 Systematik der Gegenmaßnahmen 18 2.2 Pyritbildung, Verwitterung, Pufferung und Wiederfestlegung 22 2.2.1 Pyritbildung 22 2.2.2 Pyritverwitterung 22 2.2.3 Pufferreaktionen 24 2.2.4 Wiederfestlegung durch autochthone mikrobielle Sulfatreduktion 26 2.2.5 Wiederfestlegung durch technisch- biologisch forcierte Sulfatreduktion 28 2.3 Geochemische Verhältnisse der Kippen Zwenkau und Witznitz 30 2.4 Geräteeinsatz im Tagebau des Untersuchungsgebietes 33 3 Ableitung einer Untersuchungsmethodik 35 3.1 Bearbeitungsziel und Ableitung der notwendigen Methoden 35 3.1.1 Geologisches Modell 36 3.1.2 Geochemisches Modell 38 3.1.3 Gewinnungstechnologisches Modell 39 3.2 Vorfeldbohrungen, Korngrößenbestimmung, stoffliche Charakterisierung und RFA 41 3.2.1 Vorfeldbohrungen 41 3.2.2 Lagerung und Probenahme 42 3.2.3 Körnungsanalyse und Wassergehaltsbestimmung 43 3.2.4 Feststoffcharakterisierung Kohlenstoff / Schwefel mittels CS-Mat 44 3.2.5 Röntgenfluoreszenzanalytik 44 3.3 Feldeluate, HCl-Test und organoleptische Ansprache 46 3.3.1 Feldelution 46 3.3.2 Salzsäure-Test (HCl-Test) 47 3.3.3 Organoleptische Ansprache 47 3.3.4 Hydrolytische Acidität 48 3.4 Verwitterungsversuche 49 3.5 Stoßbeprobung 51 3.6 Pufferungsversuche 52 3.7 Kippengrundwassermonitoring 54 3.7.1 Grundwassermessstellen und Probenahmeequipment 54 3.7.2 Feldanalytik 55 3.7.3 Laboranalytik 56 3.7.4 Hydrogeochemische Modellierung 56 4 Grundlagen und geologische Beschreibung des Untersuchungsgebietes 58 4.1 Untersuchungsgebiet 58 4.2 Tertiäre Einheiten 59 4.3 Quartäre Einheiten 61 4.4 Abgrenzung und Festlegung der Auswerteeinheiten 61 4.5 Vorfeldbohrungen 62 5 Anwendung der Methodik für den Tagebau Vereinigtes Schleenhain 65 5.1 Baufeld Schleenhain 65 5.1.1 Vorfeldbohrungen und Feldeluate 65 5.1.2 Stoffliche C/S-Charakterisierung 69 5.1.3 Verwitterungsversuche 72 5.1.4 Stoßbeprobung 85 5.1.5 Pufferungsversuche 90 5.1.6 Körnungsanalyse und Verwitterungszugänglichkeit 99 5.2 Baufeld Peres 103 5.2.1 Feldeluate 103 5.2.2 Vorfeldbohrungen und stoffliche Charakterisierung 105 5.2.3 Verwitterungsversuche 107 5.2.4 Pufferungsversuche 113 5.3 Beschaffenheit der Kippengrundwässer 114 5.3.1 Grundlegende hydrogeochemische Charakterisierung 115 5.3.2 Verwitterungszonen 117 5.3.3 Spurenmetallgehalte 118 5.3.4 Wirksamkeit der geogenen Puffer 119 5.3.5 Kennzeichnung der Sulfatreduktion als natürlicher Rückhalteprozess 121 5.3.6 Hydrochemische Modellierung 124 5.4 Fehlerdiskussion 126 6 Übertragung der Ergebnisse, Bewertung und Schlussfolgerung 127 6.1 Geologisches Modell und technische Verschnittmöglichkeiten 127 6.1.1 Geologisch-genetische Charakteristik der Auswerteeinheiten 127 6.1.2 Verbreitung und Mächtigkeit wesentlicher Auswerteeinheiten im Tagebau „Vereinigtes Schleenhain“ 128 6.1.3 Tagebautechnologische Verschnittmöglichkeiten 130 6.2 Geochemische Möglichkeiten bei der Umstellung der Tagebautechnologie – Massenversatz und Mischung 132 6.2.1 Gewinnungsscheiben 132 6.2.2 Regelkippenaufbau 134 6.2.3 „Schnelle Fahrweise“ und (Zwischen-) Abdeckung 134 6.2.4 Einmischung der Sedimente 135 6.3 RFA-Analytik und Bewertung von Sedimenteigenschaften 137 7 Zusammenfassung und weiterer Handlungsbedarf 139 7.1 Zusammenfassung - Ergebnisse Vorfeldbohrungen 139 7.2 Zusammenfassung – Verwitterungsversuche Labor und Feld 139 7.3 Zusammenfassung – Pufferungsversuche Schleenhain und Peres 141 7.4 Zusammenfassung – Gütemonitoring Kippengrundwässer 141 7.5 Zusammenfassung – Geologisches Modell/ Verschnitt/Technologie 142 7.6 Nachweis der Anwendbarkeit der Methode 144 7.7 Ausblick und weiterer Handlungsbedarf 145 Literatur und Quellen 146 Tabellenverzeichnis 151 Abbildungsverzeichnis 151 Abkürzungsverzeichnis 157 Anlagen 159 / For lignite mining extensive overburden masses have to be moved. Due to the ventilation of the overburden by atmospheric oxygen, there is a weathering of mostly tertiary sulfides. The rebound of groundwater in future tippings dissolves sulfate, iron, heavy metal and H+ ions, resulting from the pyrite weathering. The partial mobilization of overburden sulfides are opposed to hydrogeochemical buffer reactions e.g. the buffering by carbonates as the first step of buffering. Therefore, there are the questions to the mining operators of the measures that can be taken to minimize the geochemical influence of the surrounding ground and surface water bodies. Object of this PhD-thesis is to lead a methodology that helps to characterize the future tilting substrates to find technological and strategic measures for minimizing the acid water formation in the active open pit operation. In Field eluates and weathering tests in the laboratory and in the field, sediments from dry drill holes in the forefront of open pits “Schleenhain” and “Peres” it could be shown that the geological facies formation of sediments has a decisive influence on geochemical characteristics. As the main acidifying sediment the tertiary aquifer number 2 (lying part) and number 3 can be identified with their high sulfur contents. With increasing time of oxygen exposure sulfate, iron, heavy metal and H + ions released massively. Furthermore, it appears that carbonate buffer essentially are available as glacial till only in cohesive Quaternary. With the resulting buffering experiments from glacial till and the most acidic aquifer sediments a long-term retention of iron, heavy metal and H + - ion and a reduction of sulfate release can be shown, if there is a share of at least 40% glacial till to the lying aquifer number 2 sediments or 20% glacial till to the aquifer number 3. The groundwater quality monitoring of unstructured resaturated old dumps near to the active open pits is comparable to a field test. In addition to weathering zones with high levels of pollutants in the presence of carbonates, buffering processes and sulfate reduction with precipitation of problematic substances in secondary mineral phases can be detected. Blending the research results of geological and geochemical data, an important, in principle selectively recoverable, buffer potential already exists. The determined mixing ratio from 80-60 mass-% acidic sediments to 20-40 mass-% buffering sediment from the buffering experiments can be realized in tilting. In the open pit “Schleenhain” the missing buffering material can be compensated by mass offset from the open pit “Peres”. With the use of the already existing equipment, it is possible to establish a laminar, alternately tipping body with good geochemical and geotechnical conditions.:Versicherung 3 Zusammenfassung 8 1 Aktualität und Bedeutung der gesteuerten Abraumverkippung 10 2 Theoretische Grundlagen, Ziele, Aufgaben und Technik 15 2.1 Das System Kippe mit Verwitterungsstufen und Stufen der Gegenmaßnahmen 16 2.1.1 Phasen der Tagebauentwicklung in Bezug auf die Sauerwasserbildung 16 2.1.2 Systematik der Gegenmaßnahmen 18 2.2 Pyritbildung, Verwitterung, Pufferung und Wiederfestlegung 22 2.2.1 Pyritbildung 22 2.2.2 Pyritverwitterung 22 2.2.3 Pufferreaktionen 24 2.2.4 Wiederfestlegung durch autochthone mikrobielle Sulfatreduktion 26 2.2.5 Wiederfestlegung durch technisch- biologisch forcierte Sulfatreduktion 28 2.3 Geochemische Verhältnisse der Kippen Zwenkau und Witznitz 30 2.4 Geräteeinsatz im Tagebau des Untersuchungsgebietes 33 3 Ableitung einer Untersuchungsmethodik 35 3.1 Bearbeitungsziel und Ableitung der notwendigen Methoden 35 3.1.1 Geologisches Modell 36 3.1.2 Geochemisches Modell 38 3.1.3 Gewinnungstechnologisches Modell 39 3.2 Vorfeldbohrungen, Korngrößenbestimmung, stoffliche Charakterisierung und RFA 41 3.2.1 Vorfeldbohrungen 41 3.2.2 Lagerung und Probenahme 42 3.2.3 Körnungsanalyse und Wassergehaltsbestimmung 43 3.2.4 Feststoffcharakterisierung Kohlenstoff / Schwefel mittels CS-Mat 44 3.2.5 Röntgenfluoreszenzanalytik 44 3.3 Feldeluate, HCl-Test und organoleptische Ansprache 46 3.3.1 Feldelution 46 3.3.2 Salzsäure-Test (HCl-Test) 47 3.3.3 Organoleptische Ansprache 47 3.3.4 Hydrolytische Acidität 48 3.4 Verwitterungsversuche 49 3.5 Stoßbeprobung 51 3.6 Pufferungsversuche 52 3.7 Kippengrundwassermonitoring 54 3.7.1 Grundwassermessstellen und Probenahmeequipment 54 3.7.2 Feldanalytik 55 3.7.3 Laboranalytik 56 3.7.4 Hydrogeochemische Modellierung 56 4 Grundlagen und geologische Beschreibung des Untersuchungsgebietes 58 4.1 Untersuchungsgebiet 58 4.2 Tertiäre Einheiten 59 4.3 Quartäre Einheiten 61 4.4 Abgrenzung und Festlegung der Auswerteeinheiten 61 4.5 Vorfeldbohrungen 62 5 Anwendung der Methodik für den Tagebau Vereinigtes Schleenhain 65 5.1 Baufeld Schleenhain 65 5.1.1 Vorfeldbohrungen und Feldeluate 65 5.1.2 Stoffliche C/S-Charakterisierung 69 5.1.3 Verwitterungsversuche 72 5.1.4 Stoßbeprobung 85 5.1.5 Pufferungsversuche 90 5.1.6 Körnungsanalyse und Verwitterungszugänglichkeit 99 5.2 Baufeld Peres 103 5.2.1 Feldeluate 103 5.2.2 Vorfeldbohrungen und stoffliche Charakterisierung 105 5.2.3 Verwitterungsversuche 107 5.2.4 Pufferungsversuche 113 5.3 Beschaffenheit der Kippengrundwässer 114 5.3.1 Grundlegende hydrogeochemische Charakterisierung 115 5.3.2 Verwitterungszonen 117 5.3.3 Spurenmetallgehalte 118 5.3.4 Wirksamkeit der geogenen Puffer 119 5.3.5 Kennzeichnung der Sulfatreduktion als natürlicher Rückhalteprozess 121 5.3.6 Hydrochemische Modellierung 124 5.4 Fehlerdiskussion 126 6 Übertragung der Ergebnisse, Bewertung und Schlussfolgerung 127 6.1 Geologisches Modell und technische Verschnittmöglichkeiten 127 6.1.1 Geologisch-genetische Charakteristik der Auswerteeinheiten 127 6.1.2 Verbreitung und Mächtigkeit wesentlicher Auswerteeinheiten im Tagebau „Vereinigtes Schleenhain“ 128 6.1.3 Tagebautechnologische Verschnittmöglichkeiten 130 6.2 Geochemische Möglichkeiten bei der Umstellung der Tagebautechnologie – Massenversatz und Mischung 132 6.2.1 Gewinnungsscheiben 132 6.2.2 Regelkippenaufbau 134 6.2.3 „Schnelle Fahrweise“ und (Zwischen-) Abdeckung 134 6.2.4 Einmischung der Sedimente 135 6.3 RFA-Analytik und Bewertung von Sedimenteigenschaften 137 7 Zusammenfassung und weiterer Handlungsbedarf 139 7.1 Zusammenfassung - Ergebnisse Vorfeldbohrungen 139 7.2 Zusammenfassung – Verwitterungsversuche Labor und Feld 139 7.3 Zusammenfassung – Pufferungsversuche Schleenhain und Peres 141 7.4 Zusammenfassung – Gütemonitoring Kippengrundwässer 141 7.5 Zusammenfassung – Geologisches Modell/ Verschnitt/Technologie 142 7.6 Nachweis der Anwendbarkeit der Methode 144 7.7 Ausblick und weiterer Handlungsbedarf 145 Literatur und Quellen 146 Tabellenverzeichnis 151 Abbildungsverzeichnis 151 Abkürzungsverzeichnis 157 Anlagen 159