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Reactive transport modeling in geomechanically dynamic coal mine systems - Numerical approaches to characterize subsurface mine water interactions

  • Underground hard coal mining operations irreversibly disrupt the pre-existing mechanical equilibrium of the geological media. The employment of high-recovery methods modifies the stress field of the sedimentary sequence, generating movement and faulting of the rock layers above and below mined seams. These new fracture zones do affect the original conditions of the hydrogeological system by modifying flow pathways and increasing the permeability of the rock sequence. Moreover, the surface area of rock exposed to air and water is increased, conditioning the water-rock interaction. Despite this rather clear conceptualization, flow and reactive transport processes in fractured overburdens are rarely modeled simultaneously. Discrete setups that consider fractures and porous matrix require extensive characterization of both media, which is impractical for regional case studies. As a result, most post-mining models explicitly ignore fracture structures by employing the equivalent porous approach or even both media with lumped parameter models. However, omitting either medium represents a delicate simplification, considering that mining-related fractures control the rate and direction of water flow within moderately permeable but relatively highly porous rock sequences. In this dissertation, the specific contribution of fractured and matrix continua to the transient discharge and water quality of a post-mining coal zone is quantified and evaluated. For this purpose, dual and multiple interacting continua models are employed to simulate fluid flow and reactive mass transport in fractured and variable water-saturated rock sequences. The effectiveness of the models is evaluated by simulating the origin, generation and transport of acid mine drainage (i.e., water with elevated concentrations of hydrogen, iron, sulfate and chloride) within the shallow overburden of the Ibbenbüren Westfield. Compared to other coal districts in Germany, this area is strongly delimited by the local geology and topography, resulting in a well-defined hydrogeological system to test the models. Petrographic and chemical analyses performed on core samples from the area show the strong influence of mining-derived fractures on the water-rock interaction within the Carboniferous sequence. The presence of oxidized pyrite along with amorphous iron hydroxide phases in weathering fronts on both sides of the fractures demonstrates the exchange of solutes and gases between the fractured and the porous matrix media. Based on the previous evidence, the TOUGHREACT software is employed to characterize flow and reactive transport processes in the Westfield. However, each of the two processes is simulated at separate stages to have more control in the adjustment of sensitive parameters for which little information is available. For the flow component, a dual continuum model, with Richard’s equations is used to characterize the unsaturated water flow in both fractured and matrix media. Under this approach, the model adequately reproduces the bimodal flow behavior of the discharges measured in the mine drainage for the years 2008 and 2017. Simulation results show how the fractured continuum generates intense discharge events during the winter months while the rock matrix controls smooth discharge limbs in summer, when water is slowly released back to the fractures. With the flow component calibrated, the second part of the study incorporates the geochemical processes into the model based on actual data from the rock samples. Their simulation requires extending the two-continuum setup to a multiple continua model with five nested block strings: one for the fractures and four for the rock matrix. This further subdivision prevents under-representations of kinetic reactions with short equilibrium length scales and numerical instabilities due to lack of chemical and flow gradients. As a result, the new multiple continua model provides good agreement with respect to long- and short-term concentrations and discharge trends measured in the mine drainage. The flow of oxygen and meteoric water through the fractured continuum leads to a high and steady release of hydrogen, iron and sulfate ions derived from pyrite oxidation in the matrix continua closest to the fractures. Moreover, high chloride concentrations result from the mixing and gradual release of relatively immobile solutes in the matrix as they interact with percolating water in the fracture. Both findings are equally congruent with the reactive pyrite oxidation and iron hydroxide precipitation fronts identified in the fractured core samples. In the end, the multiple continua models, the simulation procedure and the results of the benchmark and sensitivity analysis scenarios developed for the Westfield pave the way for the application of the approach in other mining zones. The first candidate emerges in the Ibbenbüren Eastfield, where a coupled elemental-isotopic approach included in this thesis has confirmed that water-conducting fracture zones are primary elements for solute generation and transport in the first 300 meters of the overburden. In the latter case, calibration and verification of the models can be complemented with measurements of δ34S in sulfates and δ18O, δ2H, and Tritium in water.
  • Der untertägige Steinkohlenbergbau stört irreversibel das zuvor bestehende mechanische Gleichgewicht des geologischen Untergrunds. Der Einsatz produktiver Abbaumethoden verändert das Spannungsfeld der sedimentären Sequenz und erzeugt Bewegungen und Verwerfungen in den Gesteinsschichten über und unter den abgebauten Flözen. Neu erzeugte Kluftzonen wirken sich auf die ursprünglichen Bedingungen des hydrogeologischen Systems aus, indem sie die Fließwege verändern und die Durchlässigkeit der Gesteinssequenz erhöhen. Zudem wird die Kontaktfläche des Gesteins erhöht , was die Wechselwirkung zwischen Wasser, Luft und Gestein beeinflusst. Trotz dieser Konzeptualisierung werden Fließ- und reaktive Transportprozesse in geklüfteten Deckschichten selten gleichzeitig modelliert. Diskrete Ansätze, die sowohl Klüfte und poröse Matrix berücksichtigen, erfordern eine umfassende Charakterisierung beider Medien, was für regionale Fallstudien unrealistisch ist. Daher ignorieren die meisten nachbergbaulichen Grund-/Grubenwassermodelle explizite Kluftstrukturen, indem sie diese mittels einem äquivalenten porösen Ansatz oder gar beide Medien mit pauschaler Parametrisierung darstellen. Die Nichtbeachtung eines der beiden geologischen Medien stellt jedoch eine kritische Vereinfachung dar, wenn man bedenkt, dass bergbaubedingte Risse die Geschwindigkeit und Richtung des Wasserflusses in mäßig durchlässigen, aber hochporösen Gesteinsschichten steuern. In dieser Dissertation wird der spezifische Beitrag von Kluft- und Matrixkontinua zum instationären Abfluss und zur Wasserqualität einer Kohle-Nachbergbauzone quantifiziert und bewertet. Zu diesem Zweck werden Doppel- und multiple interagierende Kontinua-Modelle verwendet, um den Wasserfluss und den reaktiven Massentransport in geklüfteten und variabel wassergesättigten Gesteinssequenzen zu simulieren. Die Effektivität der Modelle wird anhand der Simulation des Entstehungsprozesses, des Auftretens und des Transports von saurem Grubenwasser (d.h. Wasser mit erhöhten Konzentrationen von Wasserstoff, Eisen, Sulfat und Chlorid) innerhalb des flachen Deckgebirges des Ibbenbürener Westfeldes bewertet. Im Vergleich zu anderen Kohlerevieren in Deutschland ist dieses Gebiet durch die örtliche Geologie und Topographie räumlich begrenzt, so dass ein gut definiertes hydrogeologisches System zum Testen der Modelle vorliegt. Petrographische und chemische Analysen von Bohrproben aus dem Gebiet zeigen einen starken Einfluss von bergbaubedingten Klüften auf die Wasser-Gesteins-Interaktion innerhalb der Karbonabfolge. Das Vorhandensein von oxidiertem Pyrit zusammen mit amorphen Eisenhydroxidphasen in Verwitterungsfronten auf beiden Seiten der Klüfte zeigt den Austausch von gelösten Stoffen und Gasen zwischen den Klüften und der porösen Matrix. Auf der Grundlage der bisherigen Erkenntnisse wird die Software TOUGHREACT eingesetzt, um die Strömungs- und reaktiven Transportprozesse im Westfield zu charakterisieren. Jeder der beiden Prozesse wird jedoch in getrennten Phasen simuliert, um eine bessere Kontrolle bei der Anpassung empfindlicher Parameter zu haben, für die nur wenige Informationen verfügbar sind. Für die Strömungskomponente wurde ein doppeltes Kontinuumsmodell mit den RichardsGleichungen verwendet, um den ungesättigten Wasserfluss sowohl in geklüfteten als auch in Matrix-Medien zu charakterisieren. Mit diesem Ansatz gibt das Modell das bimodale Fließverhalten der in den Jahren 2008 und 2017 in der Grubenentwässerung gemessenen Abflüsse adäquat wieder. Die Simulationsergebnisse zeigen, wie das geklüftete Kontinuum während der Wintermonate intensive Abflussereignisse erzeugt, während die Gesteinsmatrix im Sommer, wenn das Wasser langsam in die Klüfte zurückfließt, glatte Abflussganglinien generiert. Nachdem die Strömungskomponente kalibriert wurde, werden im zweiten Teil der Studie die geochemischen Prozesse in das Modell integriert, die auf gemessenen Daten aus den Gesteinsproben basieren. Ihre Simulation erfordert die Erweiterung des Zwei-KontinuumAufbaus zu einem Multi-Kontinuum-Modell mit fünf verschachtelten Modellblöcken: einen für die Klüfte und vier für die Gesteinsmatrix. Diese Unterteilung verhindert die Unterrepräsentation von kinetischen Reaktionen mit kurzen Gleichgewichtslängen sowie numerische Instabilitäten aufgrund fehlender chemischer und/oder Strömungsgradienten. Im Ergebnis liefert das neue Multi-Kontinuum-Modell eine gute Übereinstimmung sowohl der lang- als auch der kurzfristigen Konzentrationen und Abflusstrends, die in der Grubenentwässerung gemessen wurden. Der Fluss von Sauerstoff und meteorischem Wasser durch das Kluftkontinuum führt zu einer hohen und stetigen Freisetzung von Wasserstoff-, Eisen- und Sulfationen, die aus der Pyritoxidation in den den Klüften am nächsten liegenden Matrixkontinua stammen. Darüber hinaus ergeben sich hohe Chloridkonzentrationen aus der Vermischung und allmählichen Freisetzung von relativ unbeweglichen gelösten Stoffen in der Matrix, die mit dem im Kluftbereich versickernden Wasser interagieren. Beide Ergebnisse stimmen mit den reaktiven Pyrit-Oxidations- und Eisenhydroxid-Ausfällungsfronten überein, die in den Bohrproben aus den Brüchen identifiziert wurden. Schließlich ebnen die Multi-Kontinuum-Modelle, das Simulationsverfahren und die Ergebnisse der für das Westfeld entwickelten Benchmark- und Sensitivitätsanalyse-Szenarien den Weg für die Anwendung des Modellansatzes in anderen Abbaugebieten. Zuvorderst für das Ibbenbürener Ostfeld, wo ein in dieser Arbeit enthaltener gekoppelter elementar-isotopischer Ansatz bestätigt hat, dass wasserführende Kluftzonen primäre Elemente für die Bildung und den Transport gelöster Stoffe in den ersten 300 Metern des Deckgebirges sind. Im letzteren Fall kann die Kalibrierung und Verifizierung der Modelle durch Messungen von δ34S in Sulfaten und δ18O, δ2H und Tritium in Wasser vervollständigt werden.

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Metadaten
Author: Diego Bedoya-GonzalezORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-87413
Title Additional (German):Modellierung des reaktiven Transports in geomechanisch dynamischen Kohlebergbausystemen - Numerische Ansätze zur Charakterisierung der unterirdischen Grubenwasserinteraktionen
Referee:Prof. Dr. Maria-Theresia Schafmeister, Assoc.-Prof. Dr. Sylke Hilberg, Prof. Dr. Georg Wieber, Prof. Dr. Steffen Birk
Advisor:Prof. Dr. Maria-Theresia Schafmeister, Assoc.-Prof. Dr. Sylke Hilberg
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Date of first Publication:2023/07/27
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2023/06/23
Release Date:2023/07/27
Tag:Coal mining; Geochemistry; Hydrogeology; Mine drainage; Numerical modelling; Pyrite; Reactive transport; Water-rock interaction
GND Keyword:Hydrogeologie, Grubenwasser, Modellierung, Geochemie, Kohlenbergwerk, Ibbenbüren
Page Number:165
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geographie und Geologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 550 Geowissenschaften, Geologie