Die immer komplexer werdenden geologischen Verhältnisse aktueller Lagerstätten, sowie die Umsetzung einer hoch-selektiven Rohstoffgewinnung, machen eine Modellierung auf Basis von geostatistischen Simulationsverfahren in einem modernen Lagerstättenmanagement notwendig, da diese Verfahren die in-situ Variabilität der struktur- und qualitätsbeschreibenden Lagerstättenparameter realistisch vorhersagen und damit auch realitätsnahe betriebswirtschaftliche Risikoabschätzungen zu den Auswirkungen der Unsicherheiten in der Vorhersage, aufgrund eines unvollständigen Kenntnisstandes, ermöglichen. Die Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung und Anwendung von Verfahren der geostatistischen Simulation für die Modellierung komplexer, sedimentartig ausgebildeter Lagerstätten in einem praxisrelevanten Umfang und unter Berücksichtigung der besonderen Anforderungen, welche aus der Charakteristik der Lagerstätte und der Zielsetzung einer selektiven Rohstoffgewinnung abgeleitet wurden. Zunächst wird ein geeigneter Ansatz identifiziert, welcher die Grundlage für eine methodische Erweiterung und effiziente Implementierung, hinsichtlich der zu erfüllenden Anforderungen, bildet. Danach wird die komplette Prozesskette für eine zuverlässige Lagerstättenmodellierung untersucht und praktikable Modellierungsstrategien werden vorgestellt. Ein komplexes Anwendungsbeispiel aus dem Braunkohlenbergbau dient der Evaluierung der vorgestellten Modellierungsverfahren. / The more and more complex geological conditions of current deposits, as well as the implementation of a highly selective extraction of raw materials, require new approaches for the reservoir management. The use of geostatistical simulation methods for modelling the shape and quality of deposits is necessary, because these methods taking into account the natural variability of the deposit attributes and the resulting geological uncertainties. Furthermore this methods allow faithfully and realistic economic risk assessments on the impact of uncertainties in the prediction, due to an incomplete state of knowledge. This work describes the further development and application of geostatistical simulation algorithms for the modelling of complex sediment-like formed deposits in a practically scope, taking into account the special requirements, which are derived from the characteristics of such deposits and the objective of the selective extraction of raw material. First an appropriate simulation approach is identified, which then forms the basis for a methodical expansion and efficient implementation, in terms of fulfilling requirements. In addition, the complete process chain for reliable reservoir modelling is studied and a viable modelling strategy is presented. A complex application example from the lignite mining is used for evaluation of the presented modelling methods.

Die immer komplexer werdenden geologischen Verhältnisse aktueller Lagerstätten, sowie die Umsetzung einer hoch-selektiven Rohstoffgewinnung, machen eine Modellierung auf Basis von geostatistischen Simulationsverfahren in einem modernen Lagerstättenmanagement notwendig, da diese Verfahren die in-situ Variabilität der struktur- und qualitätsbeschreibenden Lagerstättenparameter realistisch vorhersagen und damit auch realitätsnahe betriebswirtschaftliche Risikoabschätzungen zu den Auswirkungen der Unsicherheiten in der Vorhersage, aufgrund eines unvollständigen Kenntnisstandes, ermöglichen. Die Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung und Anwendung von Verfahren der geostatistischen Simulation für die Modellierung komplexer, sedimentartig ausgebildeter Lagerstätten in einem praxisrelevanten Umfang und unter Berücksichtigung der besonderen Anforderungen, welche aus der Charakteristik der Lagerstätte und der Zielsetzung einer selektiven Rohstoffgewinnung abgeleitet wurden. Zunächst wird ein geeigneter Ansatz identifiziert, welcher die Grundlage für eine methodische Erweiterung und effiziente Implementierung, hinsichtlich der zu erfüllenden Anforderungen, bildet. Danach wird die komplette Prozesskette für eine zuverlässige Lagerstättenmodellierung untersucht und praktikable Modellierungsstrategien werden vorgestellt. Ein komplexes Anwendungsbeispiel aus dem Braunkohlenbergbau dient der Evaluierung der vorgestellten Modellierungsverfahren. / The more and more complex geological conditions of current deposits, as well as the implementation of a highly selective extraction of raw materials, require new approaches for the reservoir management. The use of geostatistical simulation methods for modelling the shape and quality of deposits is necessary, because these methods taking into account the natural variability of the deposit attributes and the resulting geological uncertainties. Furthermore this methods allow faithfully and realistic economic risk assessments on the impact of uncertainties in the prediction, due to an incomplete state of knowledge. This work describes the further development and application of geostatistical simulation algorithms for the modelling of complex sediment-like formed deposits in a practically scope, taking into account the special requirements, which are derived from the characteristics of such deposits and the objective of the selective extraction of raw material. First an appropriate simulation approach is identified, which then forms the basis for a methodical expansion and efficient implementation, in terms of fulfilling requirements. In addition, the complete process chain for reliable reservoir modelling is studied and a viable modelling strategy is presented. A complex application example from the lignite mining is used for evaluation of the presented modelling methods.

Kernthema der Dissertation ist die Weiterentwicklung von Kohle-Online-Messtechniken zur kontinuierlichen Bestimmung, das Brennstoffverhalten in Kraftwerkskesseln beeinflussender anorganischer Kohleinhaltsstoffe im Rheinischen Braunkohlerevier, die geologisch bedingt, natürlichen Schwankungen unterliegen. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden die Gammastrahlenabsorptionsverfahren zur Aschegehaltsbestimmung und die Prompte-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse (PGNAA) zur Multielement-Analyse als innovative Messmethoden zur Analyse des gesamten Kohlestroms auf Förderbandanlagen identifiziert, deren Eignung im Rahmen von Voruntersuchungen bestätigt, betrieblich eingeführt und unter Praxisbedingungen optimiert. Dabei wurde die Wechselwirkung zwischen Gamma- und Neutronenstrahlung unterschiedlicher Energien mit Braunkohlen und Fördergurten unterschiedlicher Eigenschaften sowie Einflüsse variierender homogener und inhomogener Elementzusammensetzungen bei verschiedenen Messsystemanordnungen und Förderleistungen auf die Messergebnisse systematisch erfasst und für die Versuchsanlagen in der betrieblichen Praxis umgesetzt. Die Gamma-Absorptionsmethode ist im betrieblichen Einsatz, die Erprobung der PGNAA-Prototypanlage steht bevor.

Die Broschüre enthält die Erläuterungen zu den Lithofazieskarten Tertiär Lausitz 1 : 50.000. Darin werden die tertiären Formationen und Subformationen der Lausitz ausführlich beschrieben. Die als Anlagen aufgeführten Kartendaten werden auf der Internetseite des LfULG unter der Rubrik „Geologie – Digitale Geologische Karten“ bereitgestellt. Die Veröffentlichung richtet sich an alle geowissenschaftlich arbeitenden und interessierten Firmen, Behörden, Gesellschaften, Vereine, Verbände, Privatpersonen usw. Redaktionsschluss: 13.10.2020

Kernthema der Dissertation ist die Weiterentwicklung von Kohle-Online-Messtechniken zur kontinuierlichen Bestimmung, das Brennstoffverhalten in Kraftwerkskesseln beeinflussender anorganischer Kohleinhaltsstoffe im Rheinischen Braunkohlerevier, die geologisch bedingt, natürlichen Schwankungen unterliegen. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden die Gammastrahlenabsorptionsverfahren zur Aschegehaltsbestimmung und die Prompte-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse (PGNAA) zur Multielement-Analyse als innovative Messmethoden zur Analyse des gesamten Kohlestroms auf Förderbandanlagen identifiziert, deren Eignung im Rahmen von Voruntersuchungen bestätigt, betrieblich eingeführt und unter Praxisbedingungen optimiert. Dabei wurde die Wechselwirkung zwischen Gamma- und Neutronenstrahlung unterschiedlicher Energien mit Braunkohlen und Fördergurten unterschiedlicher Eigenschaften sowie Einflüsse variierender homogener und inhomogener Elementzusammensetzungen bei verschiedenen Messsystemanordnungen und Förderleistungen auf die Messergebnisse systematisch erfasst und für die Versuchsanlagen in der betrieblichen Praxis umgesetzt. Die Gamma-Absorptionsmethode ist im betrieblichen Einsatz, die Erprobung der PGNAA-Prototypanlage steht bevor.:1 Hintergrund und Motivation 5 1.1 Belagsbildungen bei der Verbrennung von Braunkohlen in Dampferzeugern 5 1.2 Bildungsbedingungen von Schmelzphasen in Mehrstoffsystemen 6 1.3 Methoden zur Bewertung des Ansatzbildungspotenzials 9 1.4 Geologie des Rheinischen Braunkohlenreviers 9 1.4.1 Tektonische Vorgeschichte der Niederrheinischen Bucht 9 1.4.2 Stratigrafischer und lithologischer Überblick des Rheinischen Braunkohlenreviers 11 1.5 Lagerstätten des Rheinischen Braunkohlenreviers 14 1.5.1 Tagebau Garzweiler 14 1.5.2 Tagebau Hambach 15 1.5.3 Tagebau Inden 16 1.6 Kohlesortenkonzept des Rheinischen Braunkohlenreviers 17 2 Ziel der Arbeit 21 3 Stand von Wissenschaft und Kohle-Online-Messtechnik 22 3.1 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) 22 3.2 Laser-induzierte-Plasma-Spektroskopie (LIPS) 23 3.3 Gammastrahlenabsorption 24 3.4 Prompte-Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse 28 3.5 Eingesetzte Messtechniken im Rheinischen Revier 30 4 Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken 31 4.1 Revierweite Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken 31 4.2 Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken zur Aschegehaltsbestimmung 31 4.3 Standortspezifische Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken 32 5 Arbeits- und Versuchsprogramm 33 5.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 33 5.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 36 6 Versuchsergebnisse und Diskussion 41 6.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 41 6.1.1 Vorversuche mit einer Americiumquelle (Am-241) am Teilstrom (Firma Berthold) 41 6.1.2 Gammastrahlenabsorption eines stahlarmierten Fördergurts 46 6.1.3 Anlagengeometrie der betrieblichen Versuchsanlagen 57 6.1.4 Vollständige Erfassung der Bandbelegung (Detektorgeometrie) 59 6.1.5 Auswirkungen der Elementverteilungen auf die Gammastrahlenabsorption 60 6.1.6 Fehlerbetrachtungen der Gammastrahlenabsorption und Optimierungsansätze 66 6.1.7 Probennahme-Techniken für Referenzwerte der Kalibrierung 68 6.1.8 Anlagen-Kalibrierung für unterschiedliche Aschegehalte 75 6.1.9 Anlagen-Kalibrierung bei unterschiedlichen Förderleistungen 76 6.1.10 Langzeitversuche zu Lagerstättendaten und weiteren Analysetechniken 77 6.1.11 Zusammenfassung der Ergebnisse 81 6.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 83 6.2.1 Testmessungen mittels MEDINA-Anlage am Forschungszentrum Jülich (FZJ) 83 6.2.2 Simulationsrechnungen für heterogen verteilte Sandfrachten am FZJ 95 6.2.3 Testmessungen mittels Coalscan-Anlage bei der Firma Scantech (Australien) 99 6.2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 105 7 Schlussfolgerungen und Fazit 106 7.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 106 7.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 107 8 Ausblick 108 8.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 108 8.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 109 9 Abbildungsverzeichnis 111 10 Tabellenverzeichnis 118 11 Abkürzungsverzeichnis 120 12 Literaturverzeichnis 123 13 Anhang 126

Mining operations produce a multiscale network of fractures in the coal seams. Permeability evolution in rocks is important for coal bed methane (CBM) and shale gas exploitation as well as for greenhouse gas storage. Therefore, this work presents laboratory tests and a coupled model using PFC3D and FLAC3D to simulate the stress induced permeability evolution in coal samples. Basic mechanical properties are determined via lab testing. The spatial distributions of different components inside the reconstructed samples produce a significant heterogeneity based on CT technique. A newly developed experimental system is employed to perform 3-dimensional loading and to measure the flow rate simultaneously. The evolution process is described by 5 distinct phases in terms of permeability and deformation. Triaxial tests are simulated with PFC3D using a novel flexible wall boundary method. Gas seepage simulations are performed with FLAC3D. Relations between hydraulic properties and fracture data are established. Permeability and volumetric strain show good nonlinear exponential relation after a newly introduced expansion point. Piecewise relations fit the whole process, the expansion point can be treated as critical point. The structural characteristics of the samples influence this relation before and after the expansion point significantly.