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Ziel der numerischen Simulation ist das theoretische Verständnis für die Dynamik eines Erdfall Kollapses zu verbessern. Dabei geht es um die Frage, wie ein Hohlraum nach oben wächst und wodurch das Wachstum beeinflusst bzw. gebremst wird, und welche charakteristischen Veränderungen man an der Oberfläche und in der Gesteinssäule über dem Lösungszentrum erwarten kann.

Es geht darum, generische Kollaps Modelle für typische Tiefenlagen der Lösungszentren und Stablitätsmodelle der Deckschichten zu simulieren, um diese mit integrierten Messdaten zu vergleichen. Zum Beispiel könnte die Lage der ersten Oberflächenrisse Rückschlüsse auf die Tiefe des Hohlraums erlauben. Oder die Anzahl und Verteilung von mikroakustischen Ereignissen über einer festgesetzten Detektionsschwelle erlaubt die Prozesse im Untergrund besser einzuschätzen.

Method:

PFC (V. 5.0) ist eine Diskrete Elemente Simulation in 2D. Gestein wird dabei als Interaktion zwischen Partikeln definierbarer Größe simuliert, wobei jedes einzelne Partikel mit seinem Nachbarn über Federkräfte verbunden ist. Die simulierten Federkonstanten können auf realistische Gesteinsfestigkeiten übertragen werden. Brüche und Risse formen sich in diesen Simulationen intrinsisch, d.h. durch Übersteigung der Zug- oder Scherfestigkeiten kann es zu dynamischer Rissbildung, Rissausbreitung und, in unserem Fall, zu Oberflächenabsenkungen – und Kollaps kommen. Die Mikroskopischen Modellparameter (für jedes Individuelle Partikel) werden anhand von simulierten Labortests an makroskopische, realistische Gesteinsparameter (Elastische Module, Dichte, Festigkeiten) kalibriert.

Ansatz:

Als Ansatz für die inkrementelle Entwicklung eines Hohlraums wurde dabei das Wachstum einer Lösungszone in heterogenem Untergrund angenommen.

Ballops
2D DEM Modell mit den Partikelpositionen während der Bildung eines simulierten Erdfalls. Implementiert wurden multiple, simultan wachsende Hohlräume in ca. 30 m Tiefe die eine Materialwegnahme simulieren. Die weiteren Grafiken zeigen die vielfältigen Möglichkeiten der Registrierung geophysikalischer und geodätischer Parameter.
Ballops
DEM Modell mit den vertikalen Verschiebungen (Dy) während der Bildung eines simulierten Erdfalls. Leichte Subsidenzen vor dem Kollaps sind zu erkennen.
Ballops
DEM Modell mit der maximalen Kompressionsspannung (S1) während der Bildung eines simulierten Erdfalls. Spannungsbögen bilden sich vor dem Kollaps über den Hohlräumen.
Ballops
DEM Modell mit der minimalen Kompressionsspannung (S2) während der Bildung eines simulierten Erdfalls. Zugspannungen bilden sich an der Oberfläche vor dem Kollaps.
Ballops
DEM Modell mit der maximalen Scherspannung (Tmax) während der Bildung eines simulierten Erdfalls. An den Seiten der Hohlräume bilden sich vor dem Kollaps starke Scherspannungen aus.
Ballops
DEM Modell mit den akustischen Emissionen während der Bildung eines simulierten Erdfalls. Die Farbskala bezieht sich auf die Magnituden der Ereignisse. Die maximale Magnitude ist Mw=-0.65, sie stellt die Referenz für die Größe der Symbole. Events finden sich hauptsächlich oberhalb der Hohlräume und nahe der Oberfläche. Die Lokationen beziehen sich auf den Beginn des Ereignisses.
Ballops
DEM Modell mit den akustischen Emissionen während der Bildung eines simulierten Erdfalls. Die Farbskala bezieht sich auf die Zeiten der Ereignisse, hier die Simulationszyklen. Die maximale Magnitude ist Mw=-0.65, sie stellt die Referenz für die Größe der Symbole. Frühe Ereignisse finden sich hauptsächlich oberhalb der Hohlräume und nahe der Oberfläche. Die Lokationen beziehen sich auf den Beginn des Ereignisses.
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