Numerische Analyse des Tragverhaltens komplexer gebirgsmechanischer untertägiger Systeme mit filigranen Strukturen bei Anwesenheit von Imponderabilien. Ein Beitrag zur Systematisierung des Untersuchungsprozesses mit Anwendung/Demonstration am Beispiel des Salzbergwerks Schacht ASSE II/Südflanke

Dyogtyev, Oleksandr

Innerhalb des gesamten Gebietes gebirgsmechanischer Untersuchungen kann ein besonderer Bereich komplexer anspruchsvoller Aufgabenstellungen separiert werden, in dem ein großräumiges untertägiges System in die gebirgsmechanische Analyse einbezogen werden muss, das im Zentrum aus einer anthropogenen filigranen konfigurativen Struktur besteht, die eingebettet ist in eine großräumige geogene Struktur. Zu der Besonderheit der Untersuchungsobjekte in diesem Anwendungsbereich gehörten vor allem eine ausgeprägte Komplexität des Gebirgsaufbaus sowie meist auch der anthropogenen Strukturen. Eine zusätzliche Herausforderung bei der Modellierung von derartigen Tragsystemen stellen geooder tragsystemimmanente Imponderabilien dar: die Geometrie des Gebirgsbaus, das geotektonische Inventar, die Materialeigenschaften von Homogenbereichen sowie die lokalen Gegebenheiten/Bedingungen. Die Anwesenheit dieser Imponderabilien im System erfordert im Hinblick auf die Erarbeitung einer hinreichend zuverlässige Prognose zunächst eine umfangreiche Validierung von numerischen Modellen anhand von in situ-Messdaten. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein Konzept entwickelt worden, das eine Systematisierung und Optimierung der Vorgehensweise beim Aufbau eines Instrumentariums zur Durchführung von numerischen Untersuchungen für komplexe geomechanische Systeme bei Anwesenheit von Imponderabilien ermöglicht. Komplexe geomechanische Systeme sind dabei gekennzeichnet durch die Attribute Großräumigkeit, filigrane Teilstrukturen, nichtlineares komplexes Materialverhalten, Imponderabilien. Das entwickelte Konzept ist exemplarisch auf die Asse II/Südflanke als einem derartigen komplexen geomechanischen System angewendet worden. Zur Demonstration der Anwendung des Konzeptes wurde ein lateral erweitertes 3D-Gesamtmodell für das Grubengebäude Asse II/Südflanke (filigrane Struktur) und für die umgebenden geologischen Strukturen (großräumiger Bereiche) mit einer weitgehend realitätsnahen Abbildung der konfigurativen Elemente aufgebaut. Durch die in dem durch das Konzept gesteuerten Modell- Aufbauprozess optimierte Modellausgestaltung wurde eine handhabbare Rechenzeit erreicht, die eine umfangreiche Validierungsanalyse ermöglicht hat. Bei der Validierung wurde insgesamt eine plausible qualitative und eine teilweise auch quantitativ sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse der numerischen Simulationen mit dem gesamten Datenkollektiv der vorhandenen In-Situ-Messwerte erreicht. Das entwickelte numerische Instrumentarium kann somit vergleichsweise realitätsnah die geschichtliche Entwicklung des realen Systems abbilden und wird als eine geeignete Basis zur Erstellung von Prognosen zum zukünftigen Systemverhalten angesehen, sei es bei veränderten geogenen Einwirkungen, sei es infolge zusätzlicher technologischer Eingriffe.

Within the overall field of geomechanical investigations, a particularly complex and challenging task with special problems is involved when a large-scale underground system has to be incorporated in the geomechanical analysis, but has at its centre an intricate anthropogenic configurative structure, which is embedded within a large-scale geogenic structure. The special features of the investigated zone in this area of application primarily includes the remarkable complexity of the composition of the rock mass, and usually also the anthropogenic structures. Additional challenges for the modelling of such a load-bearing system are the geo or load-bearing system imponderables: the geometry of the structure of the rock mass, the geotectonic inventory, the material properties of homogenous zones, and the local conditions. With the aim of elaborating an adequately reliable forecast, the presence of these imponderables in the system initially requires comprehensive validation of the numerical models on the basis of in situ measurement data. This work included developing a concept that enables the systematisation and optimisation of the procedure for setting up the tools required to implement the numerical analysis for complex geomechanical systems in the presence of imponderables. Complex geomechanical systems here are characterised by the following attributes: large scales, intricate substructures, non-linear complex material behaviours, imponderables. The concept which was developed was applied to the Asse II/Südflanke as a typical complex system of this kind. To demonstrate the application of the concept, a laterally enlarged 3D overall model was set up for the Asse II/Südflanke underground workings (intricate structure) and for the surrounding geological structures (large-scale zone), with a largely realistic modelling of the configurative elements. Optimisation of the configuration of the model, using the concept presented here to guide the setting up, enabled a workable computing time to be achieved, which supported a comprehensive validation analysis. The validation achieved a plausible qualitative match, and partially also a very good quantitative match, of the results of the numerical simulations with the overall database of in situ measurement data. The numerical tools which were developed model in a relatively realistic way the historical development of real systems, and are also considered to be a suitable basis for preparing forecasts on the future behaviour of the system – arising from either changed geogenic effects, or additional technological operations.

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Dyogtyev, Oleksandr: Numerische Analyse des Tragverhaltens komplexer gebirgsmechanischer untertägiger Systeme mit filigranen Strukturen bei Anwesenheit von Imponderabilien. Ein Beitrag zur Systematisierung des Untersuchungsprozesses mit Anwendung/Demonstration am Beispiel des Salzbergwerks Schacht ASSE II/Südflanke. 2017.

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