Thesis--Brunswick. / In Periodical Room.

Zugl.: Clausthal, Techn. Univ., Diss., 2007

Auf mikromechanischer Ebene stellen Salzgesteine ein Diskontinuum aus unregelmäßig geformten Salzkristallen dar, die entlang ihrer Korngrenzen miteinander wechselwirken. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Modellierungsansatz für Salzgesteine basierend auf der diskontinuumsmechanischen Berechnungsmethode unter Verwendung von Voronoi-Triangulationen entwickelt und validiert, wobei die Grundidee darin bestand, dass diese Korngrenzen als intrinsisches Schwächeflächennetzwerk wirken und dabei die hauptsächlichen Träger der Schädigungsentwicklung im Festkörper sind. Neben mechanischen Beanspruchungen können diese auch durch hydraulichen Druck geöffnet werden und somit als potentiellen Fließwege für eindringende Fluide agieren, weshalb dieser Ansatz insbesondere für die Bewertung der Integrität von Salinarbarrieren im konventionellen Salzbergbau, bei der Kavernenspeicherung und Endlagerung in Salzformationen geeignet ist. Erstmalig wurde darüber hinaus ein phänomenologisches Verheilungsmodell entwickelt und implementiert, dass den zeitabhängigen Wiederaufbau kohäsiver Kräfte auf Korngrenzen unter Druckbelastung abbildet. Der vorgestellte Ansatz wurde durch die Nachrechnung zahlreicher experimenteller Versuche bezüglich seiner hydro-mechanischen Plausibilität und Leistungsfähigkeit validiert. Daraufhin wurden praktische Anwendungen untersucht, in denen mit zunehmender Komplexität die Kopplung mechanischer, hydraulischer und thermischer Effekte modelliert wurde.

Die Rückstandshalden des Kalibergbaus bestehen überwiegend aus Steinsalz. In Abhängigkeit der Stabilität des Untergrundes sowie der Haldenhöhe neigen diese Halden dazu sich plastisch zu verformen. Diese Deformationen gilt es frühzeitig zu erkennen und zu bewerten. Das neue gestaffelte Monitoringkonzept beruht auf langjährigen Erfahrungen, die ebenso kurz vorgestellt werden. / Tailing heaps of potash mining consist predominantly of rock salt. Depending on the stability of the underground, as well as the heights of the heaps, these heaps tend to deform plastically. These deformations must be recognized and assessed at an early stage. The new graduated monitoring concept is based on many years of experience, which are also briefly presented.

Mit dem neu entwickelten Berechnungsmodell für vorgespannte Spreizkopfanker zur Firstsicherung im Kali- und Steinsalzbergbau können die Ankertechnologie und das Tragverhalten der Anker realistisch berücksichtigt werden. Für das Last-Verformungsverhalten bei Scherbeanspruchung und dynamischer Beanspruchung durch Sprengerschütterungen werden auf experimenteller Basis theoretische Modellvorstellungen neu entwickelt und numerisch umgesetzt. In einem in situ-Sprengversuch können wesentliche Erkenntnisse zum Schwingungsverhalten des Salinargesteins im unmittelbaren Nahbereich einer Gewinnungssprengung gefunden werden. Mit Hilfe messtechnisch instrumentierter Anker wird der Verlauf der Vorspannkraft während des gesamten Sprengzyklus gemessen. Aus der Berechnung und Analyse komplexer numerischer Modelle werden Aussagen zum Einfluss des Ankerabstandes von der Firstkante auf die Vorspannkraftreduktion abgeleitet und das Ankerverhalten unter dem Einfluss des mehrfachen Übersprengens im Gewinnungszyklus diskutiert. / The newly developed calculation model for pre-stressed expansion-shell rock bolts for roof support in potash and rock salt mining enables the bolting technology and the load-bearing behavior of the rock bolts to be realistically taken into account. For the load-deformation behavior under shear stress and dynamic stress due to blasting vibrations, theoretical model concepts are newly developed on an experimental basis and numerically implemented. In an in situ blasting test, fundamental insights into the vibration behavior of the saline rock in the immediate vicinity of a mining blast can be found. With the help of instrumented rock bolts, the development of the pre-stressing force is monitored during the entire blasting cycle. From the calculation and analysis of complex numerical models, statements on the influence of the bolt's distance from the face on the pre-stressing force's reduction are derived and the bolt's behavior under the influence of multiple overblasting in the extraction cycle is discussed.

Geotechnische Problem- und Fragestellungen befassen sich zunehmend mit der komplexen Interaktion unterschiedlicher physikalischer Prozesse. Ein Beispiel sind hydro-mechanische Wechselwirkungen, die in verschiedenen Anwendungsbereichen eine große Rolle spielen (Hydraulic Fracturing, Bewertung von Barriereintegrität, Böschungsanalysen, etc.). Numerische Simulationen helfen dabei, umfangreiche multiphysikalische Vorgänge abzubilden. Zur hinreichend genauen und effizienten Bearbeitung kann es jedoch sein, dass die Anwendung eines einzelnen spezialisierten Softwarepaketes nicht ausreicht und nur Softwarekopplungen Abhilfe schaffen. Die vorliegende Arbeit erweitert die geomechanische Komplexität einer hydro-mechanischen Kopplung auf visko-elasto-plastisches Materialverhalten im Salinar. Betrachtet werden langandauernde und großräumig induzierte Fluidbewegungen in den durch Volumenkonvergenz charakterisierten lösungserfüllten Abbauen in einem generischen Kali- bzw. Steinsalzbergwerk. Zur Bearbeitung der Problemstellung wird eine grundlegende Methode zur Kopplung der numerischen Codes FLAC3D und Ansys Fluent entwickelt, detailliert vorgestellt und verifiziert. Unterschiedliche Modellszenarien in Bezug auf die initiale Fluidverteilung simulieren eindrucksvoll das Strömungsverhalten im generischen Grubenmodell unter Ausbildung eines freien Fluidspiegels oder eines Überdrucks im eingeschlossenen Fluid. Die Ergebnisse werden umfassend analysiert und das Potenzial zu Effizienzsteigerung durch die Softwarekopplung aufgezeigt. / Geotechnical problems and questions are progressively dealing with complex interactions of different physical processes. An example is hydro-mechanical coupling playing an important role in various research topics and applications (e.g. hydraulic fracturing, assessment of barrier integrity and slope analysis). Numerical simulations help to model extensive multi-physical processes. However, for an accurate and efficient processing, using a single specialized numerical code may not be sufficient and solutions can be obtained only with software couplings. The presented work extends the geomechanically complexity of a hydro-mechanical coupling by visco-elasto-plastic material behaviour in salt formations considering long-lasting and large-scale induced fluid flow within solution-filled cavities in a generic potash or rock salt mine, due to volume convergence. For solving this problem, a basic method for coupling the numerical codes FLAC3D and Ansys Fluent is developed, presented, and verified in detail. Different model scenarios in respect to initial fluid saturation are simulating the fluid flow in the generic mine model, depicting either a free fluid surface or an excess pressure in the trapped fluid. The results are analysed, and the potential for the increase of efficiency through the software coupling of FLAC3D and Ansys Fluent is demonstrated.