Research on alteration of german potash heaps

Im Zuge der Aufbereitung von Kalirohsalzen fallen weltweit feste Rückstände an, die auf Großhalden entsorgt werden. Die Aufhaldung und die von den Rückstandshalden ausgehenden Umweltauswirkungen unterliegen in Deutschland der Kontrolle durch die zuständigen Bergbehörden. Um die Emissionen besser quantifizieren zu können und die Eignung technischer Minderungsmaßnahmen zu beurteilen, erfolgte im Rahmen der Genehmigungsverfahren zur Erweiterung der Rückstandshalden an den Standorten Hattorf und Wintershall die Erkundung des Haldenkörpers durch Bohrungen mit Fokus auf die darin ablaufenden Strömungsprozesse. Eine Modellvorstellung zur Zonierung der Halde im Hinblick auf Strömungsprozesse war zunächst anhand von Haldenbohrungen am Standort Hattorf entwickelt worden. Das Ziel dieser Arbeit war, mittels der Bohrergebnisse einer weiteren Haldenbohrung am Standort Wintershall die Übertragbarkeit der zuvor in Hattorf gefundenen Gegebenheiten zu überprüfen und den Kenntnisstand zu Strömungs- und Alterationsprozessen innerhalb der Halde zu verbessern. Im Zuge der Haldenbohrungen erfolgten bohrbegleitende Untersuchungen (Abflussmessungen, Kamerabefahrungen, geophysikalische und geohydraulische Untersuchungen), und an dem Bohrkernmaterial und den Haldenlösungen wurde ein umfangreiches Laboruntersuchungsprogramm ausgeführt, das chemische und mineralogische Analysen sowie Untersuchungen der physikalischen und hydraulischen Eigenschaften des Rückstands umfasste. Zusätzlich wurden ergänzende Gefügeuntersuchungen (Dünnschliffuntersuchungen am Rasterelektronen-Mikroskop und exemplarische CT-Untersuchungen) an Probenmaterial der Halde Hattorf durchgeführt, um mittels visueller Untersuchungen insbesondere die Rolle überschütteter ehemaliger Haldenoberflächen für das Strömungsgeschehen im Haldenkörper zu erkunden. Unter Berücksichtigung aller Ergebnisse wurden die Strömungs- und Alterationsprozesse im Rückstand beschrieben. Die maßgebliche Erkenntnis im Hinblick auf das Strömungsgeschehen im Haldenkörper ist, dass in dessen Porenraum keine Sättigung besteht und dieser in allen Bereichen mit einem Gemisch aus Lösung und Luft gefüllt ist, so dass die Gesetzmäßigkeiten der Zweiphasenströmung maßgeblich sind. Die bislang zur Bewertung von Strömungsprozessen üblichen Durchlässigkeitsbeiwerte sind damit ungeeignet, da sie für gesättigte Bereiche gelten. Übereinstimmend wurde mit einer Reihe von Ergebnissen belegt, dass die Strömungsprozesse im Haldenkörper an bevorzugte Wegsamkeiten gebunden sind, bei denen es sich ausweislich der Gefügeuntersuchungen um ein System miteinander verbundenen Sekundärporen handelt. Der Rückstand ist zu charakterisieren als ein Nebeneinander aus diesen Wegsamkeiten und unbeeinflussten, aggregierten Bereichen. Des Weiteren wurde gezeigt, dass der Niederschlagseinfluss zur Teufe hin abnimmt, und es wurden Kriterien zum Nachweis von Niederschlagsunbeeinflussten Bereichen formuliert. Die Arbeit hat damit auch gezeigt, dass die Modellvorstellung, welche die Halde in eine für die Strömungsprozesse maßgebliche Haldenmantelzone, eine gering durchlässige Kernzone und eine dazwischen befindliche Übergangszone mit gradueller Änderung der Eigenschaften unterteilt, grundsätzlich auch auf den Standort Wintershall übertragbar ist. Das Modell des Haldenkörpers wurde weiter detailliert und zusätzliche Kriterien zur Verortung der einzelnen Zonen im Haldenkörper abgeleitet. Insbesondere wurde im Haldenmantelbereich eine charakteristische Randzone ausgehalten, welche im Ergebnis einer intensiven Durchströmung mit un- bzw. teilgesättigten Lösungen selektiv an Wertstoff-Restgehalten abgereichert ist. Sie 2 wird von den unterlagernden reaktiven Zonen durch die Lösungsfronten für Kalium und Magnesium abgegrenzt. Aufbauend auf der erweiterten Modellvorstellung wurde die Zonierung für die Haldenbohrung am Standort Wintershall abgeleitet. Besonderes Augenmerk galt im Rahmen aller Untersuchungen der Wirkung von überschütteten ehemaligen Haldenoberflächen, die als Schüttflächen bezeichnet werden. Es zeigte sich anhand der Untersuchungen, dass die Relevanz von Schüttflächen für das Strömungsgeschehen abhängig von der Schütthistorie ist, und dass diese, selbst wenn sie aktiv am Strömungsgeschehen teilnehmen, die Gegebenheiten im Haldenkörper nur lokal überprägen. Das Ziel der Aufstellung eines Modells zu Strömungsprozessen im Haldenkörper besteht in der Beurteilung der von diesen Halden ausgehenden Umweltauswirkungen. Darüber hinaus dienen die Erkenntnisse der Einschätzung der Wirksamkeit der bereits ergriffenen bzw. noch zu ergreifenden Schutz- und Emissionsminderungsmaßnahmen sowie der Planung zukünftiger Maßnahmen zur Wiedernutzbarmachung der Tagesoberfläche und zur Erstellung von Prognosen. In diesem Sinne wurden aus den Ergebnissen der Arbeit abschließend Empfehlungen für technische Konzepte und den Haldenbetrieb abgeleitet.Residues of german potash production are piled on large tailings near the mineral processing factories. The extend of those tailing piles as well as the necessary environmental protection measures are controlled by local mining authorities. Within the scope of permitting procedures for heap extensions and on behalf of the authority, the potash tailing piles of Hattorf and Wintershall site were examined by a large drilling program in order to learn more about flow processes inside the residues. Based on a former driling program at the hattorf site, a model of the heap´s interior was set up. By evaluating another drilling at the Wintershall site, this work contributes to the question whether that model conception can be applied to other potash heaps with similar composition as well. The evaluation was based on the displayed results of field examination (i.e. camera inspection, geophysical measurement) as well as laboratory examinations, including chemical and mineralogical analyses and examinations of physical and hydraulic properties. Furthermore, complementary structural examinations were carried out on samples from hattorf site. The results of those, in combination with the results from the Wintershall drilling programme, were used to describe flow and alteration processes inside the heap. The results have shown that there is no brine saturation inside the compacted residues allover the tailing pile, and therefore the principles of two-phase-flow have to be applied. So far, flow processes inside the tailings had been characterised by permeability coefficients, which are, in respect to the presented results, not applicable, because they describe saturated environments. Structural examinations have proved in agreement with other results that flow processes inside the tailing pile are bound to preferred flow paths, which can be described as a net of secondary porosity resulting from solution processes. According to the various results, those preferred paths lie next to aggregated areas, which are not affected by percolating brines. The influence of precipitation decreases with depth, and in conclusion, criteria for uninfluenced areas within the tailing pile were deduced. 3 The model conception, based on former results at Hattorf site, distinguishes between an outer mantle zone, where major flow processes take place, a low permeable core zone and a transition zone in between. According to the presented results, this work has proved, that the model conception is applicable for other kieserite-bearing tailing piles like Wintershall site; with the limitation, that the term of liquid permeability (or non-permeability) is not appropriate for the description of flow processes, as stated before. The results contributed to the model conception by providing further details according to the zone´s properties. In particular, it is shown, that the tailing pile´s mantle area contains a characteristic outer zone, which is – due to intense percolation of non-saturated brines – depleted of the remains of the resources kieserite and sylvine and their conversion products. This „halite-calcium sulphate zone“ is separated from the underlying reactive conversion zone by solution fronts of magnesium and potassium. Based on the so – extended model conception, the depth position of each zone for the area of the borehole at Wintershall site was derived, which provides the basis for technical measures of water catchment, as well as for the hydrologic balance. The focus of all research work in the frame of this dissertation was on the role of former surfaces of the tailing pile, which have been subsequently buried by further residues (so called „Schüttflächen“), and the contribution of such inhomogeneities to flow processes. The analyses have shown, that the role of those former surfaces depends mainly on the history of deposition. But even if the former surfaces still take part in flow processes and are not alterated due to compaction and chemical precipitation, their influence within the heap is limited to a small area, and so is their impact on the hydrologic balance. The model conception of potash tailing piles provides basic information for the assessment of the tailing pile´s environmental impact, especially on groundwater, as well as for the hydrologic balance and forecasts according to wastewater disposal. Furthermore, the results are relevant for the evaluation of protection and minimization measures as well as for the planning process of future measures of redevelopment of the mining sites. In this context, the work finally provides recommendations for future technical aspects of emission control measures and an environmentally sustainable tailings management