Modellbasierte Sensitivitätsanalyse systembestimmender Faktoren eines Grubenwasseranstiegs in Untertagebergwerken mittels statistischer Versuchsplanung

Westermann, Sebastian GND

Eine Auswertung abgeschlossener Grubenwasseranstiege in Untertagebergwerken ergibt ein Bild verschiedener Anstiegsszenarien. Der Grund dafür ist die Komplexität der Bergwerksgeometrie und der standortspezifischen hydrogeologischen Gebirgseigenschaften. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein Code auf Basis analytischer Methoden der Grundwasserdynamik entwickelt, mit welchem der Grubenwasseranstieg sowie die Zuflussrate in hydraulisch isolierten Untertagebergwerken modelliert werden kann. Das analytische Modell zeichnet sich durch vereinfachte Annahmen eines Untertagebergwerks aus. Gegenüber numerischen Grund‐ und Grubenwasserströmungsmodelle ist eine detaillierte Kenntnis über die räumliche Verteilung der natürlichen und anthropogenen Faktoren nicht erforderlich. Die Arbeit beschreibt den Aufbau und die Anwendung dieses analytischen Modells, um die Signifikanz ausgewählter natürlicher und anthropogener Faktoren zu untersuchen, die den Anstieg des Grubenwassers beeinflussen. Zu den untersuchten Faktoren zählen der Durchlässigkeitskoeffizient, das bergmännisch geschaffene Resthohlraumvolumen, die Reichweite des hydraulisch wirksamen Einflussbereichs für das Grubenwasser sowie die flächenspezifische vertikale Infiltrationsspende. Als Untersuchungsgebiete dienen die drei Steinkohlenbergwerke Ibbenbüren, Königsborn (Unna) und Westfalen (Ahlen), die sich hinsichtlich des geologischen Aufbaus voneinander unterscheiden. Diese Arbeit belegt eine erstmalige Anwendung der statistischen Versuchsplanung (Design of Experiments) im Bereich der speziellen Hydrogeologie im (Nach‐)Bergbau. Das Ursache‐Wirkungs‐Modell wird mathematisch durch ein nicht‐lineares, multiples Beschreibungsmodell (Regressionsgleichung) dargestellt. Diese beschreibt den funktionalen Zusammenhang zwischen der Variation der Faktoren und deren Auswirkung auf die Abweichung der Grubenwasser(druck)fläche. Hohe statistische Kenndaten (R2, Q2) bestätigen die gute Modellgüte. Die faktorspezifischen Wirkstärken werden anhand der partiellen Ableitung des Beschreibungsmodells und der Integration der Ergebnisse über den Vertrauensbereich der Faktoren bestimmt. Das Ergebnis zeigt, dass die Wirkstärken den Regressionskoeffizienten der linearen Terme der jeweiligen Faktoren entsprechen. Die standortspezifischen Wirkstärken zeigen im Vergleich mit dimensionslosen Lagerstättencharakteristika plausible Abhängigkeiten. Durch Normierung lassen sich die Wirkstärken verallgemeinern und vergleichen. Dadurch können lagerstättenabhängige Prioritätenklassen gebildet werden. Die Ergebnisse leisten einen zentralen Beitrag für ein vertieftes Prozess‐ und Systemverständnis. Dadurch können Monitoringmaßnahmen entsprechend der systembestimmenden Faktoren gestaltet und optimiert werden.

An evaluation of several completed mine water rebounds has resulted in different rise scenarios due to the complexity of the geometry of the mine workings and the pertinent hydrogeological properties ofthe local strata. During this dissertation project, a code has been developed which is based on analytical methods of groundwater dynamics and allows for a modelling of mine water rebounds and the influx rate in hydraulically isolated underground mine workings. This analytical model is characterised by applying a simplified concept of an underground mine. Contrary to numeric flow models for both groundwater and mine water movements, no detailed knowledge of the spatial distribution of the natural and anthropogenic factors is required. This dissertation describes the design and application of this analytical model to examine the relevance of selected natural and anthropogenic factors which influence the mine water rebound. The factors examined include the conductivity coefficient, the void volumes created by mining, the scale of area hydraulically affected by the mine water (depression range), and the vertical infiltration contribution specific to the area. These examinations are carried out at the collieries Ibbenbüren, Königsborn (Unna) and Westfalen (Ahlen) because they all differ in their geological structure. This thesis provides evidence of a successful application of Design of Experiments (DoE) regarding aspects of hydrogeology and (post)mining. The cause‐and‐effect model is described by a non‐linear multiple model (regression equation). This describes the functional connection between the variation of the factors and the effect they have on the deviation of the mine water (pressure) level. A high number of statistical indicators (R2, Q2) confirms a high quality of the model. The effects (sensitivity coefficients) of different factors are defined by means of a partial derivation of the model and the integration of the results via the confidence interval of the factors (mean value theorem for integrals). The result shows that the sensitivity coefficients correspond with the regression coefficient of the linear terms of the individual factors. The location‐specific sensitivity coefficients show plausible dependencies compared to non‐dimensional deposit characteristics. A standardisation allows to generalise the sensitivity coefficients and to compare them. By doing so, the factors can be categorised into priority classes which depend on the deposits. These results contribute to an in‐depth understanding of processes and systems; they also help to optimise monitoring measures by placing the monitoring focus on those factors which dominate the system.

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Westermann, Sebastian: Modellbasierte Sensitivitätsanalyse systembestimmender Faktoren eines Grubenwasseranstiegs in Untertagebergwerken mittels statistischer Versuchsplanung. Clausthal-Zellerfeld 2020.

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