Material zur Abdichtung im Brunnenbau und zur Verfüllung von untertägigen Hohlräumen, insbesondere Tiefbohrungen
Die Erfindung betrifft ein Material zur Abdichtung im Brunnenbau und zur Verfüllung von untertägigen Hohlräumen, insbesondere Tiefbohrungen, mit einem Gemisch mit einem überwiegenden Anteil an Mergel und einem Anteil an Zement.
Zur Gewinnung von Grundwasser werden in der Regel Brunnen verwendet. Über die Brunnen wird aus einer wasserführenden Schicht Grundwasser angesaugt und nach Übertage gepumpt. Von Bedeutung ist, daß das geförderte Grundwasser keine Verunreinigungen enthält. Problematisch ist es, wenn beim Abpumpen des Grundwassers aus der betreffenden wasserführenden Schicht sogenanntes Fremdwasser, d. h. Wasser aus anderen Schichten, das häufig Salzwasser beinhaltet, mitgefδrdert wird. Des weiteren ist es insbesondere in Bereichen, in denen auch eine landwirtschaftliche Nutzung des Bodens stattfindet, so, daß häufig erhöhte Nitratwerte im Grundwasser auftreten. Man nimmt an, daß sich die erhöhten Nitratwerte durch die Düngung des Bodens ergeben, wenn Nitrate in wasserführende Schichten und über diese in den Grundwasserhorizont gelangen.
Zur Vermeidung derartiger Probleme ist es aus der Praxis bekannt, das Bohrloch bis auf den Grundwasser führenden Horizont abzudichten. Hierzu wird in der Praxis ein Material der eingangs genannten Art verwendet, das einen überwiegenden Mergelanteil und einen Zementanteil aufweist. Dieses Material zeichnet sich dadurch aus, daß es nach dem Einbringen und Abbinden extrem hart ist. Die große Härte des Materials führt allerdings dazu, daß es bei Bewegungen im Gebirge zu Rissen und damit zu Undichtigkeiten kommt.
Eine ähnliche Problematik ergibt sich im Zusammenhang mit untertägigen Hohlräumen. Mit untertägigen Hohlräumen sind beispielsweise Tiefbohrungen, die zu Explorations- oder Forschungszwecken abgeteuft worden sind, aber auch alte nicht mehr betriebene Brunnen gemeint. Durch derartige Tiefbohrungen ist der Schichtaufbau im Gebirge durchbrochen. Über den untertä- gigen Hohlraum kann salzhaltiges Fremdwasser in Grundwasser führende Ho-
rizonte gelangen. Aus diesem Grunde werden derartige Hohlräume, wenn sie ihre Funktion erfüllt haben, verfüllt. Zur Verfϊillung dieser Hohlräume wird auch das vorstehend genannte, aus Mergel und Zement bestehende Material verwendet, das, wie zuvor beschrieben, sehr hart ist und infolge dessen bei Gebirgsbewegungen zu Rissen neigt, was zu Undichtigkeiten fuhrt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Material der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, durch das die vorstehenden Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß dem Gemisch aus Mergel und Zement ein zusätzlicher Anteil an Sand und ein zusätzlicher Anteil an Ton zugemischt wird. Durch die Mischung aus den Bestandteilen Mergel, Zement, Sand und Ton ergibt sich ein Material, das ge- genüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Gemisch aus Mergel und Zement plastischer bzw. elastischer ist, was dazu führt, daß das Material bei Gebirgsbewegungen nicht reißt. Die Härte der erfindungsgemäßen Zusammensetzung ist gegenüber dem aus Mergel und Zement bestehenden Material deutlich verringert. Für das elastische bis plastische Verhalten sorgt insbeson- dere der zusätzliche Anteil an Ton. Demgegenüber sorgt der zusätzliche Anteil an Sand dafür, daß sich nicht nur eine Art Gerüst im Material durch die Sandkörner ergibt, die Sandkörner stellen auch im Kontakt bzw. am Übergang zum Gebirge eine feste und damit langlebige bzw. dauerhafte Verbindung zwischen dem Gebirge und dem Material her. Das Sandgerüst in Verbindung mit dem Ton gleicht dabei Gebirgsbewegungen aus und trägt zur Stabilisierung des in den betreffenden Hohlraum eingebrachten und ausgehärteten Materials bei. Ohne den Sandanteil wäre das Material zwar elastisch bzw. plastisch genug, um bei Bewegungen im Gebirge eine hinreichende Dichtigkeit des Materials selbst zu gewährleisten, jedoch könnten Ablösungen des Mate- rials von der Gebirgswandung stattfinden, was einen Fremdwassereintritt an dieser Stelle begünstigen würde. Der zusätzliche Sandanteil verringert die Gefahr des Ablösens des Materials vom Gebirge und verhindert dadurch, daß etwaige Spalte an der Übergangsstelle entstehen. Darüber hinaus führt die Verwendung sehr feiner Sandpartikel dazu, daß die Poren im Gebirge durch den Sand verschlossen werden.
Die vorstehenden Vorteile ergeben sich im übrigen nicht nur bei der Abdichtung im Brunnenbau, sondern grundsätzlich auch bei der Verfüllung von un- tertägigen Hohlräumen, beispielsweise von Tiefbohrungen oder alten, nicht mehr benötigten Brunnen. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß im Brunnenbau der Ringraum abgedichtet wird, wobei das Material als Spülsuspension oder Abdichtungssuspension in den Ringraum eingebracht wird, während bei Tiefbohrungen die gesamte Bohrung verfüllt wird. Im Hinblick auf die bestehenden Gemeinsamkeiten wird nachfolgend lediglich auf die Eignung des Materials zur Abdichtung im Brunnenbau eingegangen, wobei es sich versteht, daß die nachfolgenden Ausführungen bezüglich der Verwendung des Materials zur Abdichtung im Brunnenbau in gleicher Weise zur Verfüllung von untertägigen Hohlräumen gelten.
Zur Klarstellung sei darauf hingewiesen, daß etwaige Ton- bzw. Sandanteile im Mergel, wie er in situ vorgefunden wird, nicht den zusätzlichen Anteilen an Sand und Ton, die erfindungsgemäß vorgesehen sind, entsprechen. Bei der Erfindung wird bewußt dem in situ gewonnenen Mergel, der schon Sand und Ton enthalten kann, ein zusätzlicher Anteil an Sand und Ton ebenso zugemischt, wie der Anteil an Zement dem Mergel zugemischt wird.
Das erfindungsgemäße Material weist einen überwiegenden Anteil an Mergel auf. Dies bedeutet, daß der Anteil an Mergel die größte Fraktion in der erfϊn- dungsgemäßen Zusammensetzung ausmacht. Bei Mergel handelt es sich bekanntlich um kalkreiche, hell bis dunkelgraue, bräunliche oder durch Glauko- nit grünliche, feinkörnige, gut spaltbare, oft an Mikrofossilien reiche und zum Teil sehr harte Tone. Dabei werden unterschieden Tonmergel, die 25 bis 35% Kalk enthalten, normale Mergel, die zwischen 35 und 65% Kalk enthalten und Kalkmergel, die zwischen 65 und 75% Kalk enthalten. Hauptminerale sind Calcit, selten auch Dolomit, und Tonminerale. Sind noch weitere gemengte Teile vorhanden, so spricht man z. B. von sandigen, kieseligen (mit Quarz), glaukonitischen oder bituminösen Mergeln.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß ein zusätzlicher Anteil eines die Stoffwechselaktivität von nitratabbauenden Mi- kroorganismen, insbesondere von nitratabbauenden Bakterien, fördernden Zusatzstoffes zugemischt ist. Im Ergebnis weist das erfindungsgemäße Material
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dann neben Mergel, Zement, Sand und Ton zusätzlich wenigstens einen Zusatzstoff auf, der die Stoffwechselaktivität nitratabbauender Mikroorganismen fördert. Nitrat wird dabei von Mikroorganismen unter aeroben und anaeroben Bedingungen als Stickstoffquelle für die Synthese von Zellbestandteilen (as- similatorische Nitratreduktion) und/oder unter anaeroben Bedingungen für die Nitrat- Atmung (dissimilatorische Nitratreduktion) genutzt. Für den Abbau organischer Substanzen ist die dissimilatorische Nitratreduktion von Bedeutung. Hierbei können die Prozesse der Denitrifikation und der Nitrat- Ammonifϊ- kation unterscheiden werden. Denitrifizierende Bakterien sind in der Lage, Nitrat über Nitrit zu gasförmigen Stickstoff zu reduzieren. In Abwesenheit von Sauerstoff wird in aeroben Bakterien Nitrat als Elektronenakzeptor genutzt. Nitrat kann auch fakultativ anaeroben Bakterien als Elektronenakzeptor dienen. Bei dieser sogenannten Nitrat- Amonifikation wird zunächst Nitrat zu Nitrit reduziert. Statt einer Umsetzung zu gasförmigem Stickstoff wird Nitrit durch Vergährung ohne direkten Energiegewinn weiter zu Ammonium reduziert. Der Prozeß der Denitrifikation wird gegenüber der Nitrat- Ammonifika- tion wegen seines höheren Energiegewinnes für die Mikroorganismen bevorzugt. Im Zusammenhang mit der Erfindung kann unter dem Begriff Nitratabbau sowohl die Reduzierung von Nitrat über Nitrit zu gasförmigem Stickstoff als auch die Vergährung von Nitrit zu Ammonium verstanden werden.
Erfϊndungsgemäß konnte nun überraschenderweise festgestellt werden, daß es durch Zusatz eines die Stoffwechselaktivität bzw. das Wachstum von nitratabbauenden Mikroorganismen fördernden Zusatzstoffes zu dem erfϊndungs- gemäßen Material möglich ist, sehr geringe Nitratwerte im Grundwasser zu erzielen, und zwar auch in Bereichen, die übertägig landwirtschaftlich genutzt und gedüngt werden. Das erfindungsgemäße Material trägt zu einem erhöhten Nitratabbau des beispielsweise über Düngung des Bodens in die wasserführenden Schichten gelangenden Nitrates bei. Bei Einsatz des erfindungsgemä- ßen Materials zur Abdichtung des Ringraums konnte bei der Förderung von Grundwasser festgestellt werden, daß das so geförderte Grundwasser keine oder nur sehr geringe Spuren von Nitraten enthält. Das erfindungsgemäße Material hat somit auch eine nitrataufzehrende oder nitratumsetzende Wirkung. Im Ergebnis kommt es durch die höhere Stoffwechselaktivität zu höhe- ren Umsatzraten beim Nitratabbau, an dem neben Bakterien gegebenenfalls auch Pilze beteiligt sein können.
Bei einer weiter bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß als Zusatzstoff ein Nährmedium für nitratabbauende Mikroorganismen zugemischt ist. Neben Nährstoffen können grundsätzlich auch andere Stoffe zugemischt sein, die sich auf das Wachstum positiv auswirken können, zum Beispiel solche Stoffe, die dazu beitragen können, wachstumshemmende Substanzen zu verringern oder gegebenenfalls auch Enzyme, die an den beim Nitratabbau ablaufenden Stoffwechselprozessen der beteiligten Mikroorganismen unterstützend mitwirken.
Schließlich kann vorgesehen sein, daß ein organischer, vorzugsweise kohlenstoffhaltiger, die Stoffwechselaktivität fördernder Zusatzstoff, insbesondere ein zellulosehaltiger Zusatzstoff, zugemischt ist. Hierbei ist es so, daß der Nitratabbau vornehmlich bei geringen Sauerstoffgehalten bei gleichzeitiger An- Wesenheit von bioverfügbarer organischer Substanz verstärkt stattfindet. Dabei ist es in der Regel so, daß in der Bodenzone und im Grundwasserraum anfänglich noch originär vorhandene organische Substanz durch den mikrobiel- len Nitratabbau allmählich umgesetzt wird. Die Konsequenz kann ein sprunghafter Anstieg der Nitratkonzentrationen in bisher diesbezüglich unauffälligen Wässern sein. Durch die Zumischung eines organischen, vorzugsweise kohlenstoffhaltigen, Zusatzstoffes kann erfindungsgemäß der mikrobielle Nitratabbau auch dann noch gewährleistet werden, wenn die in der Bodenzone und im Grundwasserraum eventuell originär vorhandene organische Substanz bereits umgesetzt worden ist.
Der zusätzliche Anteil eines die Stoffwechselaktivität von nitratabbauenden Mikroorganismen fördernden Zusatzstoffes und/oder das Nährmedium für nitratabbauende Mikroorganismen weist einen Anteil zwischen 0,1 Gew.-% bis 20 Gew.-%, insbesondere 0,2 Gew.-% bis 10 Gew.-% weiter vorzugsweise 0,3 Gew.-% bis 5 Gew.-% auf.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist festgestellt worden, daß der Anteil an Mergel am Gesamtmaterial zwischen 40 und 70 Gew.-% betragen sollte. Vorzugsweise liegt der Anteil zwischen 50 und 60 Gew.-%. Dabei sollte es sich bevorzugt um einen Mergel mit einem Kalkanteil zwischen 50 und 90 % und einem Tonanteil zwischen 20 und 40 % handeln. Vor-
zugsweise sollte der Kalkanteil im Mergel zwischen 65 und 75 % und insbesondere etwa 70 % betragen. Es sollte also vorzugsweise ein Kalkmergel zum Einsatz kommen. Der Tonanteil im Mergel sollte zwischen 25 und 35 %, vorzugsweise etwa 30 % betragen, wobei 1 bis 10 % des Tonanteils im Mergel quellfähig sein können.
Bei dem vorstehenden Mergel handelt es sich um ein solchen, der die vorgenannten Bestandteile in situ aufweist, der also so wie er ist gewonnen wird. Allerdings versteht es sich, daß es grundsätzlich auch möglich ist, eine Mer- gelzusamrnensetzung der vorstehenden Art auch durch verschiedene Einzel- anteile von Kalk und Ton zusammenzumischen.
Zur Erzielung einer hinreichenden Festigkeit und Härte des abgebundenen Materials sollte ein Anteil an Zement zwischen 5 und 25 Gew.-%, insbesonde- re zwischen 10 und 20 Gew.-% vorgesehen sein, wobei es sich insbesondere um einen Zement gemäß DIN 1164 handelt.
Der dem Gemisch aus Mergel und Zement beigemischte zusätzliche Anteil an Sand sollte zwischen 5 und 25 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 10 und 20 Gew.-% betragen. Bei dem Sand handelt es sich Quarzsand, der vorzugsweise unterschiedliche Kornfraktionen aufweist, nämlich vorzugsweise eine größere Kornfraktion und eine kleinere Kornfraktion. Die größere Kornfraktion dient im wesentlichen der Gerüstbildung im erfindungsgemäßen Material, während die kleinere Kornfraktion insbesondere zur Kontaktbildung zum Gebirge bzw. zur Erhöhung der Rauhigkeit dient. Es ist festgestellt worden, daß die größere Kornfraktion eine Korngröße bis 0,3 mm haben sollte, während die zweite kleinere Kornfraktion eine Korngröße kleiner 0,1 mm haben sollte. Der Anteil der ersten größeren Kornfraktion sollte zwischen 2,5 und 7,5 Gew.-% liegen, während der zweite Anteil mit der kleineren Kornfraktion zwischen 7 und 12 Gew.-% liegen sollte. Die Anteile der einzelnen Kornfraktionen können je nach Anwendungsfall bzw. Art des Gebirges ebenso variieren wie die Korngrößen. Bei einem sehr grobporigen Gebirge kommen größere Kornfraktionen zum Einsatz, während bei einem sehr feinporigen Gebirge kleinere Korngrößen verwendet werden.
Der die Elastizität bzw. Plastizität des erfindungsgemäßen Materials verbessernde zusätzliche Anteil an Ton sollte zwischen 5 und 25 Gew.-% und insbesondere zwischen 10 und 20 Gew.-% betragen. Bei dem Ton sollte es sich um gemahlenen Bentonit handeln.
Bei der Zusammenmischung des erfindungsgemäßen Materials und der Zugabe von Wasser sollte darauf geachtet werden, daß das Material ein spezifisches Gewicht zwischen 1,5 bis 2, vorzugsweise zwischen 1,7 und 1,8 aufweist. Das jeweils gewünschte spezifische Gewicht wird durch einen größeren (geringeres spezifisches Gewicht) oder kleineren (höheres spezifisches Gewicht) Anteil an Wasser gesteuert. Der Vorteil eines derartigen Materials besteht darin, daß die einzelnen Bestandteile nach dem Einbringen des Materials als Suspension in den Ringraum bzw. das abzudichtende Gebirge und vor dem Abbinden sich nicht entmischen, also kein Absinken schwererer Bestandteile während der mehrere Stunden dauernden Abbindezeit stattfindet. Durch die Einstellung des vorgenannten spezifischen Gewichtes ergibt sich eine homogene Verteilung der einzelnen Bestandteile des erfindungsgemäßen Materials, bis dieses ausgehärtet ist.
Die vorstehend genannten und in den Patentansprüchen angegebenen Bereichsangaben umfassen sämtliche innerhalb der Bereichsgrenzen liegenden Einzelwerte und Intervalle, auch wemi diese im einzelnen nicht angegeben sind.
Nachfolgend ist ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemäßen Materials angegeben.
Das erfindungsgemäße Material als solches weist im trockenen Zustand einen Anteil des Gemisches von Zement und Kalkmergel von etwa 70,5 Gew.-% auf. Dieser Gemischanteil enthält zu etwa 20 % Zement nach DIN 1164 und zu etwa 80 % Kalkmergel. Der Mergel setzt sich aus einem Kalkanteil von etwa 70 % und einem Tonanteil von etwa 30 % zusammen. Dem Gemischanteil aus Kalkmergel und Zement ist ein etwa 15 %iger Anteil an gemahlenem Ton zugemischt. Weiterhin zugemischt ist ein Anteil von 14,5 Gew.-% Quarzsand. Der Quarzsand weist einen Anteil mit einer Korngröße bis 0,3 mm von 5 Gew.-% und einen Anteil mit einer Korngröße von kleiner 0,1 mm von
9,5 Gew.-% auf. Die Mischung wird mit einem solchen Anteil an Wasser versetzt, daß sich ein spezifisches Gewicht von 1,7 ergibt. Im übrigen versteht es sich auch, daß es grundsätzlich möglich ist, die einzelnen Anteile als solche zunächst mit Wasser anzumischen und anschließend zusammen zu geben. Letztlich ergibt das mit Wasser versetzte Material eine Suspension. Die zusammengemischte Suspension wird dann in den Ringraum eingebracht und mit Druck beaufschlagt, so daß sie auch in bzw. an das ungebundene Gebirge gedrückt wird. Nach einer vorgegebenen mehrstündigen Abbindezeit härtet das Material bzw. die Suspension aus.
Bei dem die vorstehende Zusammensetzung aufweisenden Gemisch ist bei Langzeitversuchen festgestellt worden, daß sich ein hervorragendes Abdichtungsverhalten auch über einen langen Zeitraum ergibt. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, daß im geförderten Grundwasser nur sehr geringe Spuren von Nitraten enthalten sind.
Es wird darauf hingewiesen, daß die vorstehend angegebenen und zusätzlich in den nachfolgenden Ansprüchen beanspruchten Wertebereiche sämtliche diskrete Einzelwerte beinhalten, auch wenn diese im einzelnen nicht angeben sind.
Im einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Material auszugestalten und weiterzubilden, wobei einerseits auf die abhängigen Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung ei- nes bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen wird. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Bohrloch in einer Bodenformation 1, wobei über einen Bohrmeißel 2 einer am Ende eines Bohrstrangs 3 vorgesehenen Probenentnahmevorrichtung 4 das Bohrloch bis in eine wasserführende Schicht der Bodenformation 1 abgesenkt worden ist. Zur Stabilisierung des Bohrlochs und zur Abdichtung des Ringraums ist in den Ringspalt zwischen der Bohrlochwandung und der Außenwandung des Bohrstrangs 3 im Bereich der Probenentnahmevorrichtung 4 ein Material 5 vorgesehen, das erfindungsgemäß einen überwiegenden Anteil an Mergel, einen Anteil an Zement und einen zusätzlichen Anteil an Sand und einen zusätzlichen Anteil an Ton aufweist. Um den Nitratgehalt des über die Probenentnahmevorrichtung 4 geförderten Probenmediums zu verringern,
kann darüber hinaus vorgesehen sein, daß das Material 5 einen zusätzlichen Anteil eines die Stoffwechselaktivität von nitratabbauenden Mikroorganismen fördernden Zusatzes aufweist.