Rekonstruktion nichtzugänglicher Altbergbaubereiche
Zusammenfassung:
In vielen Teilen Europas ist, bedingt durch nicht kartographierten Altbergbau, wilden Bergbau, Verlust von Unterlagen - speziell durch die Weltkriege - o.Ä. die Situation gegeben, dass sich bergmännisch erzeugte Hohlräume unter heute besiedelten Bereichen befinden.
Solange das Grubengebäude ausreichend Stabilität besitzt, d.h. tief genug gelegen ist bei ausreichender Pfeilerdimensionierung, und für eventuell im Salz gelegene Bereiche keine Frischwasserzuflüsse vorliegen, geht von diesen Altbergbauten keine Gefährdung für die obertägigen Bereiche aus.
Ist aber das Deckgebirge zu schwach oder die Pfeilerstärke zu klein, ist eine akute Gefährdung der darüber befindlichen Siedlungen, Straßen, etc. gegeben. Dies gilt im besonderen für alte Bergwerke oder Schächte im Salz, bei denen ein Frischwasserzufluss bei gleichzeitigem Soleabfluss vorhanden ist.
Um einsturzgefährdete urbane Bereiche zu schützen, sind großflächige Sanierungsmaßnahmen in Form von Untergrundstabilisierungen nötig. Zur effizienten Platzierung von notwendigen Verfüllbohrungen ist eine genaue Kenntnis des Grubengebäudes nötig.
Da diese Altbergbauten in aller Regel nicht mehr zugänglich sind, kann diese Kenntnis nur über Erkundungsbohrungen gewonnen werden. Dazu wird eine Ultraschallsonde im flüssigkeitsgefüllten Bereich bzw. eine Lasermesssonde im luftgefüllten Bereich eingefahren und der Verlauf, d.h. Ausdehnung und Form des entsprechenden umgebenden Bereiches, aufgezeichnet. Durch entsprechend platzierte Erkundungsbohrungen ist es somit möglich, Überlappungen in den messtechnisch erfassten Grubenbereichen zu erzielen, d.h. eine durchgängige Kartierung des Grubengebäudes ist möglich.
Auf Basis dieses Datenmaterials können nun die bestmöglichen Verfüllungsstandorte festgelegt und somit eine Stabilisierung des Untergrundes erreicht werden.
 Abb.1 : Gebäudeschäden durch Senkungsvorgänge Abb.2 : Straßenschäden durch Senkungsvorgänge 
1. Altbergbau und seine Auswirkungen
In vielen Teilen Europas ist, bedingt durch nicht kartographierten Altbergbau, wilden Bergbau, Verlust von Unterlagen - speziell durch die Weltkriege - o.Ä. die Situation gegeben, dass sich die genaue Position und Größe bergmännisch erzeugter Hohlräume heute nicht mehr bzw. nicht mehr zuverlässig angeben lassen.
Solange das Grubengebäude ausreichend Stabilität besitzt, d.h. tief genug gelegen ist bei ausreichender Pfeilerdimensionierung, und für eventuell im Salz gelegene Bereiche keine Frischwasserzuflüsse vorliegen, geht von diesen Altbergbauten keine Gefährdung für die Tagesoberfläche aus.
Ist das Deckgebirge zu schwach oder die Pfeilerstärke zu klein, ist eine akute Gefährdung der darüber befindlichen Siedlungen, Straßen, etc. durch mögliche Senkungen gegeben. Als Beispiele seien hier der Salzabbau im Bereich Staßfurt/Sachsen-Anhalt und im Bereich von Northwich/Mittelengland genannt (Abb.3).
 Abb.3 : Stillgelegte Altbergwerke - Northwich
Abbildung 4 zeigt den vermuteten Einflussbereich von vier Altbergwerken, die unterhalb des Stadtzentrums von Northwich liegen. In diesen Bergwerken wurde in ca. 90 m Tiefe nach der Kammer-und-Pfeiler Methode Salz abgebaut, wobei in relativ gleichmäßigen Abständen Pfeiler stehen gelassen wurden, um das Hangende zu stabilisieren. Im modernen Salzbau würde zu diesem Zwecke ungefähr 25% des Salzes als Pfeiler stehen bleiben. Zur aktiven Zeit der Gruben waren dies aber nur etwa 7%.
 Abb.4 : Stillgelegte Steinsalzbergwerke, Northwich Stadtzentrum. Gestrichelt ist der senkungsgefährdete Bereich dargestellt
Die Schließung und Flutung der Gruben erfolgte vor ca. 120 Jahren. Man muss davon ausgehen, dass im Laufe der Zeit eine Schwächung der Pfeiler aufgetreten ist und dass diese Pfeiler nicht noch weitere 120 Jahre Stabilität gewährleisten. Um die senkungsgefährdeten urbanen Bereiche zu schützen und diese auch vernünftig in die zukünftige Stadtentwicklung einbinden zu können, sind großflächige Sanierungsmaßnahmen in Form von Untergrundstabilisierungen nötig.
2. Stabilisierung von Altbergbaubereichen
Typische Vorgehensweise ist die Verfüllung der Grube über Injektionsbohrungen mit einem Gemisch aus Kraftwerksschlacke und Zement. Die vorhandene Sole wird dadurch verdrängt und wird abgepumpt.
Zur effizienten Platzierung der notwendigen Verfüllbohrungen ist eine genaue Kenntnis des Grubengebäudes nötig. Die Bohrungen sollten im freien Grubengebäude platziert werden und selbstverständlich nicht in Pfeilern. Höhenunterschiede innerhalb der Abbaustrecken sollten Berücksichtung finden, da das Verfüllmaterial nur eingeschränkt fließfähig ist. Hilfreich ist zudem, wenn Hindernisse in Form von Einbauten, Abtrennungen, etc. bekannt sind.
 Abb.5 : Typisches Bohrgerät für Verfüllbohrungen
Da diese Altbergbauten in aller Regel nicht mehr zugänglich sind, kann diese Kenntnis nur über Erkundungsbohrungen gewonnen werden, die im weiteren Verlauf selber als Verfüllbohrungen genutzt werden. Dazu wird eine Ultraschallsonde im flüssigkeitsgefüllten Bereich bzw. eine Lasermesssonde im luftgefüllten Bereich eingefahren und der Verlauf, d.h. Ausdehnung und Form des entsprechenden umgebenden Bereiches aufgezeichnet.
3. Messausrüstung und -verfahren
Zur Durchführung von echometrischen Hohlraumvermessungen in nicht mehr befahrbaren Bereichen alter Bergwerke sowie in Schächten werden von SOCON Bohrlochmess-Sonden eingesetzt, wie sie auch bei der Vermessung von Solegewinnungs- und Speicherkavernen verwendet werden. Die Technologie der aktuellen Sondengeneration BSE/BSF basiert auf inzwischen über 30 Jahren Erfahrung mit der Vermessung unterirdischer Kavernen und Hohlräume sowohl in flüssigen (Wasser, Sole, Rohöl, Diesel etc.) als auch in gasförmigen Medien (Erdgas und Luft).
Speziell für Einsätze in alten Bergwerken steht ein Messwagen (Abb.6) mit einer elektrischen Winde und 1000 m Kabellänge zur Verfügung.
 Abb.6 : Messwagen für Einsätze in alten Bergwerken und Schächten
3.1 Messprinzip
Zur Durchführung der Messung wird die Sonde über eine Bohrung in den zu vermessenden Hohlraum hinabgelassen und es werden zunächst die erforderlichen LOGs aufgezeichnet. Anschließend erfolgt die Hohlraumvermessung, indem in definierten Teufen Horizontalschnitte erfasst werden. Die First- und Sohlenbereiche werden mit gekipptem Sondenkopf vermessen (Abb.7).
 Abb.7 : Schematische Darstellung der Sonde im Hohlraum mit Strahlenwegen der Horizontalschnitte und Kippschnitte
3.2 Sondentechnik (BSE/BSF)
Die modular aufgebaute BSE/BSF-Sonde (Abb.8) verfügt über ein Logging-Modul, mit dem z.B. Temperatur-, Natural-Gamma-, CCL- (Casing Collar Locator) und Schallgeschwindigkeit-Logs aufgezeichnet werden können.
Für Hohlraumvermessungen in gefluteten Bergwerken kommt der übliche Messkopf mit Ultraschallsensoren zum Einsatz, während für Messungen in Luft ein Lasermesskopf zur Verfügung steht. Die Orientierung erfolgt magnetisch, für Vermessungen in einem magnetisch gestörten Umfeld steht ein Faserkreiselkompass zur Verfügung.
 Abb.8 : Modular aufgebaute Sonde
Die zur Umrechnung der gemessenen Schalllaufzeiten in Entfernungen benötigte Schallgeschwindigkeit wird in-situ mit einem speziellen Sondenmodul bestimmt, das über drei verschiedene Kalibrierstrecken verfügt. Die Sondenlänge variiert je nach Messaufgabe und Sondentyp zwischen 3,5 m und 6 m. Der Außendurchmesser der Sonde beträgt 70 mm (mit Standard-Ultraschallmesskopf) und 150 mm (mit Lasermesskopf).
3.3 Messwerterfassung
Die Echosonde ist kreiselstabilisiert und damit während der Messwertaufnahme im Hohlraum fixiert. Jeder Messpunkt kann deshalb zur Qualitätssteigerung mehrfach erfasst und korreliert werden.
Abbildung 9 zeigt die gemessenen Werte eines in einem gefluteten Salzbergwerk gemessenen Horizontalschnittes im Polardiagramm und das zugehörige Echogramm. Das Echogramm stellt analog zu den aus der Seismik bekannten Seismogrammen die kompletten reflektierten Signalzüge in den gemessenen Azimut-Richtungen dar.
Die aufgezeichneten Echogramme dienen als Interpretationsbasis und zur Dokumentation der Rohdaten. Alle Messergebnisse sind somit jederzeit nachprüfbar.
 Abb.9 : Horizontalschnitt mit allen Rohdaten, rechts als Polardiagramm, links das zugehörige Echogramm mit den kompletten Signalzügen für die gemessenen Azimut-Richtungen
Bei der Vermessung in alten Bergwerken wird der Hohlraum im Regelfall mit Horizontalschnitten im Abstand von ca. 0,2 m bis 1 m - abhängig von der Höhe des Hohlraumes - vermessen. Anhand dieser Schnitte lässt sich in einer Darstellung als Vertikalschnitt festlegen, in welchen Winkeln der Messkopf angekippt werden muss, um das Hangende und das Liegende ausreichend dicht abzutasten (Abb.11a-c).
Der Sondenkopf beinhaltet zwei horizontal und einen vertikal ausgerichteten Ultraschallwandler und kann zwischen 0 und 90 Grad beliebig ausgekippt werden, so dass alle Raumwinkel von der Sondenposition aus vermessen werden können (Abb.10).
Während der Messung kann anhand der Horizontal- und Vertikaldarstellungen jederzeit beurteilt werden, ob noch zusätzliche Schnitte nötig sind, um ein möglichst lückenloses Punktabbild des Hohlraumes zu erhalten.
Zu beachten ist, dass im Normalfall nur Punkte, die auf einem geometrisch geraden Strahlenweg liegen, erreicht werden können.
 Abb.10 : Ultraschallmesskopf - kann bis zu 90 Grad angekippt werden  Abb.11 : Vertikalschnitt - a) nur horizontal gemessene Punkte b) inklusive möglicher Kippstrahlen alle 3° c) horizontal und gekippt gemessene Punkte
Nach Aufnahme aller Messwerte werden die Daten auf Plausibilität geprüft. Störechos - z.B. durch Reflektionen an einem Luft/Solespiegel (falls vorhanden) - werden entfernt. Soll eine detaillierte Betrachtung des einzelnen vermessenen Hohlraumes vorgenommen werden, müssen Mehrfachreflektionen bewertet und, falls unplausibel, ausgeschlossen werden.
3.4 Darstellung der Messergebnisse
Nach Abschluss der Interpretationsarbeiten stehen zur Darstellung der Messergebnisse die Programme der CavInfo Software Suite zur Verfügung. Diese ermöglichen es, den vermessenen Teil des Hohlraums als Grundriss, als Schnitt oder auch perspektivisch darzustellen (Abb.12).
 Abb.12 : 3D-Darstellung des von einer Bohrung aus vermessbaren Bereichs einer gefluteten Grube. Die Pfeile markieren Positionen von Pfeilern.
Von einer Bohrung aus ist natürlich nur ein beschränkter Teil des gesamten Hohlraumes zu erfassen, da nur Punkte, die auf einem direkten geraden Strahlenweg erreichbar sind, vermessen werden können.
Trotzdem lassen sich aber schon mit diesen Messergebnissen, wie in den Abbildungen 9 und 12 zu erkennen, erste Angaben über die Position von Pfeilern und die Grenzen des Grubengebäudes machen. Um potentielle Pfeiler in ihren Abmessungen genauer eingrenzen zu können und Andeutungen von abzweigenden Strecken zu verifizieren bzw. weiterzuverfolgen, muss das Bild mit den Messergebnissen aus weiteren Bohrungen ergänzt werden.
4. Rekonstruktion von Streckenverläufen
Anhand der nachfolgenden Abbildungen wird die Vorgehensweise bei der Rekonstruktion der Streckenverläufe bei der Gesamtkartierung eines Grubenbereiches verdeutlicht. Ausgehend von der Grundrissdarstellung aller Messergebnisse einer Einzelbohrung (Abb.13) werden unter Berücksichtigung des Ansatzpunktes und des Bohrlochverlaufes geeignete Positionen für weitere Erkundungsbohrungen festgelegt.
 Abb.13 : Günstige Positionen für nachfolgende Erkundungsbohrungen ergeben sich aus der grundrisslichen Darstellung der Messergebnisse
Die Bohrungen werden so platziert, dass sich bei Überlappung mit dem schon erfassten Bereich ein möglichst großer noch nicht erschlossener Bereich vermessen lässt. Die Bohrungen sollten daher die Strecken mittig treffen, um einen möglichst großen freien "Sichtbereich" für die Mess-Sonde zu schaffen. Zu dichte Lage an der Wand schränkt den Erfassungsbereich ein und stört bei der Messwertaufnahme durch Seitenreflektionen, denn die ausgesendete Ultraschallkeule streift - speziell bei der Erfassung großer Entfernungen - die nahe Wand.
Diese "messtechnischen Wünsche" sind, soweit es geht, mit der Realität in Form von vorhandener Bebauung, Zugänglichkeit des Geländes, etc. in Einklang zu bringen. Dass dies nicht immer einfach ist, zeigt nebenstehende Abbildung. Speziell in bewohnten Gebieten kann dies das Abteufen von abgelenkten Bohrungen notwendig machen. Mit jeder Erkundungsbohrung wird die Kartierung der Streckenverläufe erweitert. Pfeiler lassen sich nach und nach in ihrer Ausdehnung definieren und die Gesamthohlraumgrenzen werden erfasst.
 Abb.14 : Erkundungsbohrung mitten im bewohnten Bereich
 Abb.15 : Vertikalschnitt durch eine aus mehreren Bohrungen ermittelte Abbaustrecke Oben: Darstellung der Rohdaten, Mitte: Position des Vertikalschnittes, Unten: Darstellung nach Interpretation
Notwendige Übersichtsdarstellungen können jederzeit aus den Rohdaten erzeugt werden (Abb.15 und 16). So ist sichergestellt, dass kontinuierlich Bohrarbeiten mit nachfolgenden Vermessungen, ohne Verzögerungen bedingt durch Interpretationszeiten, durchgeführt werden können. Grundriss nach Vermessung von 1, 4 und 6 Bohrungen - links Überlagerung aller Rohdaten, rechts Überlagerungen der Einhüllenden der Messdaten der Einzelbohrungen.
 Abb.16
Abbildung 16 zeigt deutlich einen ansteigenden Verlauf des ehemaligen Kalksteinabbaus. Bei einer nachfolgenden Verfüllung ist dieses Gefälle entsprechend zu berücksichtigen.
Wird eine Interpretation durchgeführt, lassen sich weitere Darstellungsformen erzeugen, die den Hohlraum nicht nur mittels Punktabbildungen, sondern auch flächenhaft als Vertikalschnitt oder als Festkörpermodell perspektivisch zeigen. Abbildung 17 zeigt den bisher erfassten Teil des Streckenverlaufes perspektivisch. Derartige Präsentationen helfen, eine gute räumliche Vorstellung des unzugänglichen Bereiches zu erhalten, da die Pfeiler deutlich erkennbar sind.
Es bleibt festzuhalten, dass auch die beste Präsentation nicht mehr darstellen kann, als gemessen werden konnte. Daher ist es wichtig, bei der Rekonstruktion des Hohlraumverlaufes immer eine möglichst große Messpunktdichte an der Hohlraumwand zu erhalten. Die Bohrungen sollten nicht zu weit auseinanderliegen, damit die zu vermessenden Entfernungen und damit auch die Abstände zwischen benachbarten Punkten nicht zu groß werden. Bei einem typischen Winkelabstand zwischen 2°-5° zwischen den einzelnen Messrichtungen ist der Abstand bei großen Entfernungen nicht unerheblich.
 Abb.17 : Perspektivansicht des erfassten Teils des Gesamthohlraumes
Da Strecken aber typischerweise lange schmale Hohlräume darstellen, ist es wünschenswert, die Messpunktdichte in Längsrichtung der Strecke zu erhöhen. Um dies zu erreichen, wird künftig nicht mehr mit festem Winkelinkrement in Horizontal- und Kippschnitten gearbeitet. Die Sonde wird stattdessen während der Messwertaufnahme langsam kontinuierlich gedreht und gleichzeitig langsam von unten nach oben gezogen, wobei sich der Winkelabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messwerten auf 0.1° verringern lässt.
Diese Vermessungsweise wurde bisher meist nur in Bohrungen und Kavernenhälsen als sogenannte Spiralmessung durchgeführt. Das Prinzip entspricht einer sehr langsam ablaufenden Televiewer-Messung.
Durch Erweiterungen und Veränderungen in der CavInfo-Software und der Entwicklung der CavMapMine Software ist es nun möglich, die sehr großen anfallenden Rohdatenmengen so zu verarbeiten, dass sich fast ohne Interpretationsaufwand aussagekräftige Schnitte, Risse und Perspektivansichten mit den Rohdaten darstellen lassen (vgl. Abb. 15 und 16).
5. Schlussfolgerungen
Um durch Altbergbau senkungs- und einsturzgefährdete Bereiche zu schützen, sind großflächige Sanierungsmaßnahmen in Form von Untergrundstabilisierungen nötig. Zur effizienten Platzierung von notwendigen Verfüllbohrungen ist eine genaue Kenntnis des Grubengebäudes nötig.
Sind diese Bergwerke unzugänglich, ist die Vermessung der Hohlräume mit Ultraschall- oder Laserbohrlochsonden ein geeignetes Verfahren, um diese auf Form, Größe, Positionierung, etc. zu untersuchen.
Es ist möglich, durch systematische Platzierung von Erkundungsbohrungen, Überlappungen in den messtechnisch erfassten Grubenbereichen zu erzielen und so eine sich mit jeder neuen Bohrung stetig selbst erweiternden Kartierung zu erhalten. Eine durchgängige Darstellung des zu untersuchenden Grubenbereiches in Form von Grundrissen, Schnitten oder Perspektivansichten ist möglich.
Bei fehlender Datenbasis ist diese Vorgehensweise unumgänglich, um eine Planungsgrundlage für nachfolgende Sanierungsmaßnahmen zu erhalten.
Bei unsicherer oder unvollständiger Datenbasis kann vorhandenes Material (Karten, Risse, usw.) auf seinen Aussagegehalt hinsichtlich Vollständigkeit, Bemaßung, etc. geprüft und ergänzt werden, wodurch eine Optimierung der Planung und Durchführung erreicht wird. Der Vorteil der Rekonstruktion mittels Ultraschall- oder Laservermessung liegt in der direkten Prüfbarkeit der Resultate - im Gegensatz zur Nutzung möglicherweise unrichtiger und unvollständiger Aufzeichnungen.
Da die Erkundungsbohrungen bei nachfolgender Sanierung als Verfüllbohrungen genutzt werden können, lassen sich durch optimierte Platzierung der Erkundungsbohrungen Fehlbohrungen in Pfeiler oder ungünstige Verfüllbohrungspositionen vermeiden. Es ergeben sich somit eine Kosten- und Zeitersparnis und es wird eine optimierte Stabilisierung des Untergrundes erreicht.
Da bei derartigen Sanierungsmaßnahmen sehr große Mengen an Füllmaterial benötigt werden (z.B. im geplanten Northwich-Sanierungsprojekt geschätzt ca. 800.000 m³), ist es für die Planungseffizienz und zur Kostenoptimierung sehr hilfreich, dass die Messergebnisse die Abschätzung der notwendigen Gesamtmaterialmenge deutlich präziser machen, wodurch unnötige Kosten vermieden werden können.
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