Numerische Analyse der Auflockerungszone um einen Schacht bei Tongesteinsformationen
Temperaturprofile beim schichtweisen Einbau von Heißbitumen
Permeabilität als Funktion des Abstands zur Kontur, in Raumrichtung getrennt und mit und ohne Abtrag von Gesteinsteilen an der Kontur
Die geringen Kenntnisse über die in-situ-Bedingungen von als Endlagerstandort geeigneten Tongesteinsformationen erschweren jedoch die konstruktive Entwicklung von Schachtverschlusskonzepte. Dadurch können offene Fragen wie die technische Notwendigkeit einer teilweisen Entfernung der konturnahen Auflockerungszone oder mögliche zusätzliche Schädigungen dieser im Zusammenhang mit dem Heißeinbau von Bitumen nicht zufriedenstellend beantwortet werden. Zur Verbesserung des Prozessverständnisses hat die BGE TECHNOLOGY GmbH eine numerische Analyse eines generischen, 800 m tiefen und 10 m breiten Schachtes und Schachtverschlusses innerhalb einer Tonsteinformation durchgeführt. Hauptziele waren die Vorhersage der Ausprägung der Auflockerungszone und eine quantitative Analyse der Permeabilitätsänderungen innerhalb der Auflockerungszone. Die Permeabilität wurde als Funktion der effektiven Spannungen und der plastischen Verformung simuliert.
Die THM-Analyse sagt eine Ausdehnung der Auflockerungszone bis zu mehreren Metern in das Wirtgestein voraus. Die Analyse der Permeabilität zeigt, dass das Abteufen des Schachtes die Haupteigenschaften der Permeation signifikant verändert. Der primäre Zustand ist gekennzeichnet durch eine Permeabilität parallel zur Bettung, die mindestens eine Größenordnung höher ist als senkrecht zur Bettung. Durch das Abteufen des Schachtes nimmt die Permeabilität innerhalb der ersten 10 cm um vier Größenordnungen zu. Innerhalb dieser stark geschädigten Zone ändert sich die Hauptströmungsrichtung von parallel zur Bettung auf parallel zur Schachtkontur. Dabei hat die Verformung des schachtnahen Gebirges den größten Einfluss auf die Permeabilität. Ein zweiter interessanter Effekt wurde tiefer im Inneren des Gesteins beobachtet. Aufgrund der Ausdehnung der äußeren Gesteinszone wurde der Bereich von ca. 50 cm vorübergehend komprimiert und die Durchlässigkeit nimmt in dieser Zeit leicht ab.
Die Analyse der Effekte im Zusammenhang mit thermischen Einwirkungen auf der Grundlage des Bitumeneinbaus und der teilweisen Entfernung der Auflockerungszone zeigt, dass die durch die thermische Einwirkung induzierten Schäden marginal sind. Die Auflockerungszone um den Schacht herum ist bereits durch eine stark erhöhte Durchlässigkeit aufgrund des Schachtteufens gekennzeichnet. Stärker ausgeprägte Änderungen werden beim Nachschnitt der Kontur beobachtet. Dies hängt mit einer zusätzlichen Umorientierung des Spannungsfeldes zusammen. Die Entfernung der ersten 50 cm Gestein von der Kontur erhöht die Permeabilität innerhalb der verbleibenden Auflockerungszone.
Die numerische Analyse trägt dazu bei, die Kenntnisse über die Bedingungen an Schächten in Tonsteinformationen und die Bedingungen während des Verschlusses solcher Schächte zu verbessern. Die Größe und Qualität der Auflockerungszone wird hauptsächlich durch die Verformung und die Spannungsbedingungen beeinflusst. Zusätzliche thermische Einflüsse haben nur einen marginalen Einfluss. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dazu beitragen, die Schachtdichtungskonzepte für ein potentielles deutsches Endlager in Tongesteinsformationen zu verbessern.