Titel: Bischof, Verfahren Bohrlöcher mit hydraulischem Mörtel auszufüttern um die in oberen Teufen zutretenden Wasser abzuschließen.
Autor: Bischof, Gustav
Bischof, Carl
Fundstelle: 1863, Band 167, Nr. LXVI. (S. 272–279)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj167/ar167066

LXVI. Verfahren, Bohrlöcher auf sedimentärem Wege mit hydraulischem Mörtel auszufüttern, um die in oberen Teufen zutretenden Wasser vollständig abzuschließen; von Dr. G. Bischof, Geh. Bergrath und Professor zu Bonn, und Dr. Carl Bischof bei Ehrenbreitstein.

Mit Abbildungen auf Tab. IV.

Der Oberbergrath Althans auf der Sayner Hütte scheint zuerst auf den Gedanken gekommen zu seyn, Bohrlöcher, welche niedergetrieben werden, um warme Quellen zu erbohren, mit hydraulischem Mörtel (Traßmörtel) auszufüttern, und nach Erhärtung desselben ihn zu durchbohren, um den Eintritt der in oberen Teufen vorhandenen Wasser zu verschließen. Er schrieb vor, aus steifem Traßmörtel kleine Cylinder zu bilden, dieselben in das mit Wasser erfüllte Bohrloch zu werfen und mittelst eines eisernen Stampfers von 600 Pfd. Gewicht fest zu stampfen. Dieses Verfahren wurde in dem bei Ehrenbreitstein zur Aufsuchung von warmen Quellen niedergestoßenen Bohrloche in Anwendung gebracht. Nach mündlicher Mittheilung von Althans war diese Arbeit so weit gelungen, daß beim Durchbohren des ausgetraßten Bohrloches erst, nach- dem die Traßsohle durchstoßen worden, die Wasser wieder zum Aufsteigen kamen. Ob und welche Schwierigkeiten sich bei diesem Durchbohren ergeben hatten, ließ sich nicht ermitteln, da der Hauptmann von Kirn, welcher diese Arbeit geleitet hatte, mittlerweile gestorben war.

Wir hatten Gelegenheit, dieses Verfahren bei einem, unter unserer Leitung niedergestoßenen Bohrloche zu Beul im Ahrthal, um warme Quellen aufzusuchen, zu prüfen. Dieses Bohrloch stand 33 Fuß im Ahrgerölle, und war bis zu dieser Tiefe mit eisernen Röhren ausgefüttert; von da an stand es 47 Fuß tief im Thonschiefer- und Grauwackengebirge. Obgleich das träge Thermometer von 26 Fuß bis zu 80 Fuß Tiefe Temperaturen von 30° bis 33° R. nachwies, so konnte doch selbst durch lange fortgesetztes Pumpen kein höherer Wärmegrad als 26° R. im ausgepumpten Wasser erreicht werden, weil die aus dem Gerölle durch die Fugen und Mutterschrauben der eisernen Röhren eindringenden Wasser die warmen Wasser aus der Tiefe erkälteten. Nach den mittelst des trägen Thermometers ermittelten Temperaturen erschien es zweckmäßig, das Bohrloch von oben bis zu 60 F. Tiefe und von 67 F. bis 74 F. Tiefe |273| zu vertrassen, und in den übrigen Teufen die Wasserzuflüsse offen zu erhalten.

Nach vorhergegangenen Versuchen ergab sich, daß sich Sand am besten eignet, die Wasserzuführungs-Canäle da offen zu erhalten, wo man es wünscht, indem versuchsweise Traßmörtel, welcher auf eine, in einer eisernen Röhre eingeschlossene Sandsäule gebracht und fest gestampft wurde, den Sand nur ungefähr 2 Zoll tief cementirte. Diesem zufolge wurde in das Bohrloch eine 6 Fuß hohe Sandsäule, hierauf eine 7 1/2 F. hohe Traßmörtelsäule, dann wieder eine 6 3/4 F. hohe Sandsäule und zuletzt eine 60 F. hohe Traßmörtel-Säule eingeführt.

Vorher war aber durch andere Versuche ermittelt worden, ob der Traßmörtel überhaupt so fest am Eisen adhärirt, daß eine Ablösung davon nicht zu befürchten ist. Deßhalb wurden eiserne Röhren mit Traßmörtel gefüllt und derselbe gepreßt. Als diese Röhren vier Wochen lang unter Nasser gestanden hatten, konnte die Traßmörtel-Säule selbst nicht durch starte Hammerschläge und auch dann nicht zum Weichen gebracht werden, als diese Säule in der Richtung der Achse durchbohrt worden war.

Beim Ausfüttern des Bohrloches mit Traßmörtel ergaben sich jedoch große Schwierigkeiten, welche den Zweck gänzlich zu vereiteln drohten. Das Stampfen erwies sich als zwecklos; denn der Traßmörtel wurde dadurch, selbst wenn man ihn nur gelinde preßte, so sehr aufgerührt, daß die trübe Brühe hoch in dem Bohrloche aufstieg, und daß der Stampfer, wenn man ihn auch nur kurze Zeit in Ruhe ließ, durch den mittlerweile schon theilweise erhärteten und an ihm stark adhärirenden Traßmörtel so fest eingekittet wurde, daß er mit Hebeln herausgezogen werden mußte.

Dieses Aufrühren des Traßmörtels, welches erst in den oberen Teufen erkannt wurde, vereitelte auch die Absicht, durch die eingeschüttete obere Sandsäule die Wasserzuführungs-Canäle in dieser Teufe offen zu erhalten. Als nämlich der Sand eingeschüttet wurde, war der unter demselben befindliche Traßmörtel noch größtentheils in Suspension; der Sand riß daher die suspendirten Theile nieder und wurde durch dieselben cementirt, wodurch die Wasserzuführungs-Canäle mehr oder weniger verstopft wurden.

Um den Traßmörtel aus den eisernen Röhren concentrisch auszubohren, wurde eine 35 Fuß lange eiserne Stange, welche aus drei an einander geschraubten Theilen bestand, in den Mittelpunkt eines 6 Zoll hohen Cylinders von Trachytconglomerat, der den Durchmesser des im festen Gesteine stehenden Bohrloches hatte, eingesetzt und mittelst einer Schraubenmutter befestigt. Nachdem die aus dem Bohrloche hervorragende |274| Stange concentrisch befestigt worden war, wurde das Bohrloch ausgetraßt. Diese Stange diente als Leitung beim Ausbohren des Traßmörtels in den eisernen Röhren. Dieses Bohren gieng anfangs recht gut von Statten; später brach aber der obere Theil der eisernen Stange ab, wodurch das Fortbohren sehr erschwert wurde. Ungeachtet dieser und anderer Schwierigkeiten gelang es dennoch, einen Traßmörtelring von 1 1/2 Zoll Dicke zu bilden, der so vollkommen alle Fugen und Schrauben in dem Röhrensatze verschloß, daß bis zum eingesetzten Trachytconglomerat-Cylinder nicht ein Tropfen Wassers und ebenso wenig Kohlensäuregas in das Bohrloch drang.

Unglücklicher Weise war das Bohrloch da, wo es in den Thonschiefer übergieng, nicht concentrisch angesetzt worden. Als daher das Bohren unterhalb des Röhrensatzes fortgesetzt wurde, nahm der Löffelbohrer an einer Seite allen Traßmörtel weg, und sogar Theile vom Thonschiefer. Dadurch öffnete sich in 36 Fuß Tiefe ein Wasserzufluß-Canal: es trat Wasser und Kohlensäuregas mit zischendem Geräusche in das Bohrloch. Dieser Canal konnte jedoch nur eine Haarspalte gewesen seyn; denn das eingetretene Wasser stieg in der Stunde nur 0,4 Fuß hoch im Bohrloche an.

Diese Stelle wurde abermals ausgetraßt und nach dem Erhärten des Mörtels durchbohrt; als man jedoch wieder bis zu 36 Fuß Tiefe gekommen war, trat abermals Wasser und Kohlensäure in das Bohrloch. Wir sahen nun ein, daß weitere Versuche, diese Haarspalte zu verschließen, vergebens gewesen seyn würden. Um so weniger konnte darauf Bedacht genommen werden, da das eingedrungene Wasser eine Temperatur von 30°,5 R. hatte, mithin der höchsten durch das träge Thermometer ermittelten Temperatur nahe kam.

Bis zu einer Tiefe von 53 Fuß 7 Zoll hatten sich die Wasserzuflüsse nicht vermehrt. Von da an nahmen sie etwas zu; sie betrugen jedoch nur 1/22 Kubikfuß in der Stunde. Es waren daher noch einige Haarspalten entblößt worden, wie sich auch daraus ergab, daß das Bohrmehl Thonschiefer- und Grauwacken-Splitter heraufbrachte. Erst nachdem man mit dem Bohren ungefähr 2 1/2 Fuß tief in die obere Sandschicht gekommen war, mehrten sich die Wasserzuflüsse etwas; eine bedeutende Zunahme fand aber so lange nicht statt, als das Bohrloch in der oberen Sandsäule stand. Dieß und das ausgelöffelte, größtentheils aus cementirtem Sande bestandene Bohrmehl lieferte den Beweis, daß die obere Sandsäule durch die suspendirten Traßmörteltheile fast ganz cementirt worden war. Erst als die untere Mörtelsäule durchbohrt worden |275| und man auf die untere Sandsäule gekommen war, stiegen die Wasser in reichlicher Menge mit einer Temperatur von 32° R. auf.

Aus der Beschreibung dieser Bohrarbeiten ergibt sich, daß das Ausfüttern eines Bohrloches mit Traßmörtel und das nachherige Ausbohren desselben mit vielen Schwierigkeiten verknüpft und sehr langwierig ist. Es waren zu diesem Bohren bis zu einer Tiefe von 62 F. nicht weniger als 24 Arbeitstage erforderlich, und dennoch wurde der Zweck, ein vollkommen wasserdichtes Bohrloch zu erhalten, nicht erreicht. Im vorliegenden Falle war dieß zwar von keiner Bedeutung: in anderen Fällen, wo die Zuflüsse kalten Wassers tief hinabreichen, kann aber der Zweck, diese von den warmen Wassern aus der Tiefe zu sondern, gänzlich vereitelt werden.

Der oben erwähnte Umstand, daß durch das Stampfen der Traßmörtel aufgerührt wurde, gab Anlaß zu folgenden Versuchen. Nachdem während eines Vormittags ununterbrochen fort Traßmörtel in das Bohrloch geworfen und gestampft worden war, wurde diese Arbeit Nachmittags unterbrochen, um den Absatz der suspendirten Theile zu erwirken. Am Abend wurde die Tiefe bis zur Traßmörtel-Säule gemessen. Am anderen Morgen hatte sich diese Tiefe etwas vermindert; die suspendirten Theile hatten sich daher während der Nacht noch abgesetzt. Nun wurde unter fortgesetztem Stampfen so viel Traßmörtel eingetragen, daß derselbe, wenn er nicht aufgerührt worden wäre, das Bohrloch um ungefähr 8 F. hätte erhöhen müssen. Gleichwohl hatte sich die Tiefe des Bohrloches nicht vermindert; die ganze Menge des eingetragenen Traßmörtels war demnach durch das Stampfen aufgerührt worden, und hatte sich erst, als nicht mehr gestampft wurde, abgesetzt. Beim nachherigen Ausbohren ergab sich aber, daß der Mörtel an dieser Stelle eben so hart geworden war, wie an anderen Stellen, wo er mit dem Stampfer nur gelinde gepreßt wurde.

Diese Erfahrungen führten zu einem ganz anderen Princip des Austrassens der Bohrlöcher, welches wir zur öffentlichen Kenntniß und zur Benutzung in ähnlichen Fällen bringen.

Nachdem man nämlich in unter Wasser gestellte hölzerne Röhren eine dünne Traßmörtelbrühe hatte so lange fließen lassen, als noch Mörtel niederfiel, war derselbe nach vier Wochen steinhart und von dichtem, feinem und homogenem Korn, fast wie Marmor geworden. Derselbe Erfolg ergab sich, als in eine hölzerne Röhre eine verzinnte Blechröhre concentrisch gestellt und der Zwischenraum mit Traßmörtel- brühe sedimentirt wurde: die Blechröhre war so fest eingekittet, daß sie selbst nicht durch harte Hammerschläge auch nur zum Weichen gebracht |276| werden konnte. Nach dem Zerschlagen der hölzernen Röhre zeigte sich der Traßmörtel in Berührung mit der Blechröhre wie polirt, und wie innig er sich an dieselbe angelegt hatte, ergab sich daraus, daß in ihm ein genauer Abdruck der Naht der Röhre zu sehen war.

Von wesentlichem Einflusse ist es, daß der Traßmörtel nach einem richtigen Verhältnisse seiner Gemengtheile mit besonderer Rücksicht für den besondern Zweck dargestellt wird. Um dieses zu finden, wurde eine große Zahl von Traßmörtel-Proben nach sehr abweichenden Mengungs-Verhältnissen bereitet, und diese Proben zur Erhärtung unter Wasser gebracht. Die Zeit und der Grad der Erhärtung dienten als Maaßstab. Da der Mörtel zur Ausfütterung von Röhren dienen sollte, durch welche warme und an Kohlensäure sehr reiche Wasser aufstiegen, so war Bedacht zu nehmen, daß die Menge der Kalkerde so viel wie möglich vermindert und deßhalb ihre Auflösung durch die Kohlensäure beschränkt wurde. Allen diesen Anforderungen entsprach am besten das Verhältniß auf 1 Maaß Kalkbrei 2 1/2 Maaß gemahlener Traß; denn ein solcher Mörtel wurde innerhalb vier Wochen ganz steinhart, während Mörtel nach anderen Verhältnissen zusammengesetzt selbst nicht in längeren Zeiten so hart wie jener wurde.

In jenem Verhältnisse wurden die Gemengtheile unter Zusatz von Wasser innigst mit einander gemengt und geschlagen, bis der Mörtel eine steife, wie Gallerte zitternde Masse bildete. Diese Masse ließ man mehrere Stunden lang, selbst über Nacht, liegen, damit die Bildung von Silicaten gehörig von statten gehen konnte. Wird der Traßmörtel zur Ausfütterung auf sedimentärem Wege angewendet, so muß der Traß sehr fein gemahlen und gesiebt werden; denn enthält er grobe Körner, so setzen sich dieselben früher als die feinen Theile ab, und es bilden sich ungleichartige Schichten, welche theils überschüssigen Kalk, theils überschüssigen Traß enthalten, und wodurch undichte Massen entstehen.

Da sich das Volumen des Traßmörtels beim Erhärten, in Folge aufgenommenen Hydratwassers erweitert, so wird dadurch das feste Anschließen desselben an die Wände der Röhren, sowie seine Verdichtung sehr begünstigt; daher denn auch die oben bemerkte so starke Adhäsion des Mörtels an die inneren Wände der Eisenblechröhren.

Nach dem günstigen Erfolge aller dieser Versuche wurden zwei Bohrlöcher so tief, als sie durch das aufgeschwemmte Gebirge gehen, mit Traßmörtel auf sedimentärem Wege ausgefüttert.

In das erste, welches bis zu einer Tiefe von 34 Fuß niedergestoßen war, wurde Sand geschüttet, bis derselbe 1 1/2 Fuß hoch in die 8 Zoll weite Eisenblechröhre, womit das Bohrloch bis zum Thonschiefergebirge |277| ausgefüttert war, ragte. Hierauf wurde eine aus drei Theilen bestehende 6 Zoll weite Röhre von verzinntem Eisenblech von 31 1/2 Fuß Höhe eingesenkt. Damit sie concentrisch in jene Eisenblechröhre zu stehen kam, wurde an ihrem unteren Ende ein Kranz von Zinn, der nahe den Durchmesser der Eisenblechröhre hatte, angelöthet. Dieser Kranz war ausgezackt, damit man beim Einsenken der Röhre irgend einem Hindernisse in der Eisenblechröhre, etwa einer vorstehenden Schraube, durch Drehung jener Röhre leicht ausweichen konnte. Die untere Oeffnung der inneren Röhre war durch einen eingekitteten Gyps-Pfropf wasserdicht verschlossen. – Fig. 11, A, versinnlicht die ganze Einrichtung.

Das Niedersenken geschah durch allmähliches Eingießen von Wasser in die im Bohrloche schwimmende innere Röhre; man hatte es daher in seiner Gewalt, sie langsam und ohne alle Beschädigung zum Niedersenken zu bringen. Als das erste Drittel der Röhre eingesenkt war, wurde es fest geklemmt, das zweite Drittel senkrecht angelöthet und durch eingegossenes Wasser abermals niedergesenkt u.s.w. Während dieses Eingießens wurde die Röhre von Zeit zu Zeit festgeklemmt, um den Wasserstand in derselben mehrere Fuß über den äußeren im Bohrloche erhöhen und auf diese Weise prüfen zu können, ob nicht irgend eine undichte Stelle in der Löthung sich zeigte.

Nachdem das untere Ende der ganzen Röhre auf die eingeschüttete Sandlage gekommen war, wurde sie oben concentrisch befestigt, und Traßmörtel im breiartigen Zustande durch einen laugen Trichter in den Zwischenraum zwischen der äußeren und inneren Röhre gegossen. Der Brei verdünnte sich durch das Wasser im Bohrloche, und die Theilchen des suspendirten Mörtels setzten sich allmählich ab. Dieses Eingießen wurde so lange fortgesetzt, bis die trübe Brühe überfloß. Sobald sich das Wasser geklärt hatte, wurde mit dem Eingießen fortgefahren. Zweckmäßig ist es, die Nachtzeit zum Absetzen des Mörtels zu benutzen, und den anderen Morgen abermals einzugießen, bis wieder trübe Brühe überfließt. Dazu waren drei Tage erforderlich.

Nachdem der Traßmörtel innerhalb vier Wochen vollkommen erhärtet war, wurde das Wasser in der inneren Röhre ausgeschöpft, um sich zu versichern, ob der Mörtel in der ganzen Tiefe einen vollständig dichten Abschluß gebildet hatte. Da die Röhre gänzlich ausgeschöpft werden konnte, ohne daß neues Wasser zutrat, so hatte man diese Sicherheit erlangt. Als hierauf der Gyps-Pfropf mit dem Bohrer durchstoßen wurde, stieg das warme Wasser in der inneren Röhre auf. Der eingeschüttete Sand wurde endlich mit dem Löffelbohrer herausgeschafft, und das Bohrloch mit einem kleineren Bohrer noch bis zu einer Tiefe von 57 Fuß niedergetrieben.

|278|

Das Einsetzen der verzinnten Blechröhre und das Eingießen des Traßmörtels nahm lange nicht so viel Zeit in Anspruch, als das Austrassen des oben genannten Bohrloches mit dem Stampfer; die ganze Zeit des mühsamen Ausbohrens der Vertrassung wurde daher erspart.

Wie so gänzlich die kalten Wasser im Ahrgerölle abgedämmt worden waren, geht auch daraus hervor, daß die Temperatur des ausfließenden Wassers vor der Ausfütterung mit Traßmörtel 23°,3, nach derselben aber 30° R. war.

Die Ausfütterung mit Traßmörtel wurde deßhalb nicht bis in das Thonschiefergebirge hinein fortgesetzt, weil es zweckmäßiger schien, durch das mögliche Eindringen von kälterem Wasser durch die Fugen der äußeren Blechröhre lieber einige Zehntel Grade an Wärme zu verlieren, als sich der Gefahr auszusetzen, daß der Traßmörtel vielleicht in Spalten und Klüfte im Gesteine hätte dringen und Wasserzuführungs-Canäle verstopfen können. Da, wie schon bemerkt, der Traßmörtel den Sand nur bis zu einer Tiefe von ungefähr 2 Zoll cementirt, so wurde ein solches Verstopfen dadurch beseitigt, daß man den Sand 1 1/2 Fuß hoch in die äußere Röhre ansteigen ließ.

Wie lange eine aus dem stärksten verzinnten Eisenblech angefertigte Röhre, durch welche warmes kohlensaures Wasser fließt, aushalten mag, darüber liegen keine Erfahrungen vor. Sollten aber auch diese Röhren in kürzerer oder längerer Zeit durch Oxydation zerstört werden, so bleibt stets der Traßmörtelring übrig, der, da die Erhärtung unter Wasser immer fortschreitet, zu einer Steinmasse wird, welche denselben Widerstand wie ein ähnliches natürliches Gestein leistet.

Mit demselben glücklichen Erfolge wurde auch das dritte Bohrloch zu gleicher Tiefe und auf dieselbe Weise ausgetraßt, und hierauf das Bohren mit einem kleineren Bohrer bis zu einer Tiefe von 72 Fuß fortgesetzt. Daß auch in diesem Bohrloche die kälteren Wasser im Ahrgerölle gänzlich abgeschlossen wurden, ergibt sich daraus, daß die Temperatur des nach dem Austrassen ausfließenden Wassers auf 32° R. gestiegen war, eine Temperatur wie sie auch durch das träge Thermometer ermittelt worden war.

Schließlich noch folgende Bemerkungen. Tritt der Fall ein, daß man sich zum Ausfüttern eines Bohrloches mit Traßmörtel erst entschließt, nachdem dasselbe schon bis zu einer gewissen Tiefe niedergestoßen worden war, so bleibt nichts anderes übrig, als es bis zu derjenigen Teufe, bis zu welcher es ausgetraßt werden soll, mit Sand zu füllen und nach der Erhärtung des Mörtels denselben wieder herauszubohren. Der Gedanke, durch Einkeilen eines festen Steins der inneren Röhre und dem Mörtel |279| einen Stützpunkt zu gewähren, ist zu verwerfen, da sich möglicher Weise an der Stelle wo dieser Stein eingesetzt würde, eine Spalte oder Schichtungsfläche hinabziehen könnte, durch welche die Mörtelbrühe bis zu bedeutender Tiefe fließen und diese Wasserzuführungs-Canäle verstopfen würde.

Ist man dagegen schon vor dem Niederstoßen eines Bohrloches entschlossen, dasselbe bis zu einer gewissen Tiefe auszutrassen, so hat man das Bohrloch in solcher Weite anzusetzen, daß, nach Abzug der festgestellten Dicke des Traßmörtelrings derjenige Durchmesser übrig bleibt, den man für das ganze Bohrloch wünscht. In diesem Falle kommt die innere Blechröhre auf die Sohle zu sitzen, bis zu welcher die Vertrassung reichen soll (Fig. 12, B), und nach dem Erhärten derselben wird das Bohren mit dem kleineren Bohrer fortgesetzt. Es ist klar, daß auf diese Weise der Ruhepunkt für die Blechröhre und für die Vertrassung am meisten gesichert ist. Da jedoch nach den oben mitgetheilten Erfahrungen der Traßmörtel-Ring mit der äußeren und inneren Röhre ein fest verbundenes Continuum bildet und er überdieß durch die vielen Schrauben und Nietnägel in der äußeren Röhre festgehalten wird, so gewährt auch der im Bohrloche gleichsam schwebende Ring eine genügende Sicherheit. Unter anderen Umständen, z.B. wenn die Vertrassung bis in das feste Gebirge fortgesetzt werden muß, ist es durchaus nöthig, daß die äußere Blechröhre eben so weit reicht; denn nur dann, wenn die Vertrassung in der Röhre endigt, ist man sicher, daß die Traßmörtelbrühe nicht seitwärts in Spalten oder Schichtungsflächen dringen und dieselben verstopfen kann.

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