Tagebau: Von Bohren und Sprengen bis hin zu Wasserkontrolle und Minenrehabilitierung
Der Tagebau sieht aus der Ferne einfach aus: Man bohrt das Gestein, zerkleinert es, verlädt es und transportiert es ab.
In der Praxis hängt ein sicherer und produktiver Tagebau von mehreren miteinander verbundenen Systemen ab. Die Geometrie der Abbauwand beeinflusst das Bohren. Die Qualität des Bohrens beeinflusst die Sprengung. Die Sprengung beeinflusst das Laden, den Transport, das Brechen, die Hangstabilität, die Staubentwicklung, die Entwässerung und letztendlich die Kosten der Rekultivierung.
Das Verständnis des gesamten Arbeitsablaufs ist sinnvoller als die isolierte Betrachtung einer einzelnen Maschine.
1. Die zwei grundlegenden Arten von Tagebauen
Die „geschlossene Kontur“ ist die horizontale, geschlossene Linie, die durch die Tagebaugrenze an der Erdoberfläche gebildet wird.
Anhand des Geländes und der Lage der Lagerstätte relativ zu dieser Höhenlinie werden Tagebauminen üblicherweise in zwei Typen unterteilt:
Tagebaue am Hangliegen oberhalb der geschlossenen Höhenlinie. Die Baugrube verläuft entlang eines Hangs, und die Schwerkraft kann bei einigen Entwässerungsmaßnahmen hilfreich sein.
Tagebaue während der WeltwirtschaftskriseSie reichen bis unter die geschlossene Geländekontur. Diese Gruben erfordern mit zunehmender Tiefe oft eine komplexere Wasserregulierung, Planung der Transportwege und Hangsicherung.
Diese Unterscheidung wirkt sich auf die Anordnung der Mine, die Zufahrtsstraßen, das Entwässerungssystem und die endgültige Böschungsgestaltung aus.
2. Die drei Grundelemente einer Bank
Ein Tagebau wird in horizontalen Abbauebenen, sogenannten Terrassen, errichtet.
Bank:Eine horizontale Schicht, in die das Erz- und Gesteinsgestein unterteilt ist. Der vertikale Abstand zwischen den Abbauebenen entspricht der Abbauhöhe.
Bankfläche:Die geneigte Fläche der Abbaufläche, die dem Abbaubereich zugewandt ist. Der Winkel zwischen dieser Fläche und der Horizontalen ist der Abbauflächenwinkel.
Plattform oder Erdwall:Die horizontale Fläche zwischen der Unterkante und der Oberkante der Sitzfläche. Ihre Breite entspricht der Breite der Plattform.
Verschiedene Plattformen dienen unterschiedlichen Zwecken:
Die Arbeitsplattform unterstützt Bohr-, Spreng-, Lade- und Transportarbeiten.
Ein Sicherheits- oder Auffangwall hilft, herabfallende Steine abzufangen.
Ein Reinigungswall bietet Platz zum Entfernen von losem Material.
Die Arbeitsbreite muss sowohl für die Bewegung der Geräte als auch für einen sicheren Abstand ausreichend sein.
Die Gestaltung von Bänken ist nicht nur eine Frage der Produktion. Es geht auch um Hangstabilität und Zugangskontrolle.
3. Die Hauptproduktionssequenz im Tagebau
Der Kernproduktionsablauf umfasst normalerweise Folgendes:
Bohren
Sprengung oder Gesteinszerkleinerung
Verladen und Transportieren
Abraumentsorgung
Jede Phase beeinflusst die nächste. Unzureichende Bohrungen können zu einer mangelhaften Sprengung führen. Unzureichende Fragmentierung kann Bagger und Brecher überlasten. Eine mangelhafte Konstruktion der Transportwege kann die Leistung ansonsten leistungsfähiger Ladeausrüstung verringern.
Bohren
Die Bohrung ist der erste große Arbeitsschritt bei der Tagebauförderung. Sie macht üblicherweise etwa 10 bis 15 % der gesamten Produktionskosten aus.
Drei Gerätekategorien werden häufig verwendet.
DTH-BohranlagenSie bieten flexible Bohrwinkel, gute Mobilität und ein vergleichsweise geringes Gerätegewicht sowie niedrige Investitionskosten. Sie eignen sich besonders für kleine und mittlere Bergwerke, insbesondere in mittelhartem Gestein. Schrägbohrungen können die Erzqualität verbessern, die Bildung von Bohrlochfüßen reduzieren und übergroße Blöcke begrenzen.
Drehbohranlagen für SprenglöcherSie bieten hohe Produktivität und einen hohen Mechanisierungsgrad. Sie werden häufig in großen Tagebauen eingesetzt und können Formationen mit einem breiten Härtebereich durchbohren.
Jumbo- oder raupenmontierte GesteinsbohranlagenEs werden ein oder mehrere Gesteinsbohrgeräte mit automatischem Vorschub eingesetzt, die an einem Ausleger oder Rahmen montiert sind. Ihre Mobilität und mechanische Funktionsweise machen sie geeignet für spezialisierte oder wechselnde Bohrarbeiten.
Beim DTH-Bohren müssen Hammer, Bohrmeißel, Gestänge, Kompressor, Spülsystem und Gesteinsformation als ein System aufeinander abgestimmt sein. Bohrlochdurchmesser, -tiefe, -neigung und -genauigkeit beeinflussen das endgültige Spreng- bzw. Gesteinsspaltungsergebnis.
Sprengung und kontrolliertes Gesteinsbrechen
Das Sprengen dient dazu, eine handliche Fragmentgröße für Bagger, Muldenkipper und Primärbrecher zu erzeugen. In vielen Tagebaubetrieben machen die Sprengkosten etwa 15 bis 20 % der gesamten Produktionskosten aus.
Gängige Methoden sind:
Flachlochsprengung:Üblicherweise werden kleinere Löcher verwendet, oft mit einem Durchmesser von etwa 30-75 mm und einer Tiefe von in der Regel unter 5 m. Es wird in kleineren Steinbrüchen, Tunneln, Straßeneinschnitten, bei sekundären Aufbrüchen und speziellen Aushubarbeiten eingesetzt.
Tieflochsprengung:Es werden tiefere Bohrungen mit DTH- oder Drehbohrgeräten durchgeführt. Je nach Aufbau der Abbauwand und den Anforderungen an die Fragmentierung können vertikale und geneigte Bohrungen eingesetzt werden.
Kammersprengung:Dabei wird eine größere Menge Sprengstoff in eine Kammer oder einen unterirdischen Hohlraum eingebracht. Das Verfahren ist im Allgemeinen auf bestimmte Bauvorhaben oder Steinbrüche mit hohem Durchsatz beschränkt.
Millisekunden-Mehrzeilen-Blasting:Wird eingesetzt, wenn größere Produktionsmengen erforderlich sind. Durch kontrollierte Zeitsteuerung lassen sich die Fragmentierung verbessern und Vibrationen effektiver kontrollieren als durch gleichzeitige Zündung.
Im Bereich der endgültigen Böschungen können Ingenieure kontrollierte Sprengverfahren wie Millisekunden-Verzögerungen, Vorsprengungen, gleichmäßige Sprengungen und Puffersprengungen einsetzen. Ziel ist es, das verbleibende Gestein zu schützen und nicht einfach den Bruch zu maximieren.
Für Standorte in der Nähe von Gebäuden, Eisenbahnstrecken, Autobahnen, Stromleitungen oder anderen sensiblen Anlagen kann ein nicht-explosives Verfahren besser geeignet sein. Das O2-Gasenergie-Gesteinsspaltungssystem von Gaea Rock nutzt flüssigen Sauerstoff und ein brennbares Absorptionsmittel in einem Spaltrohr. Es handelt sich um einen kontrollierten Phasenübergangsprozess, nicht um ein herkömmliches Sprengsystem.
Das O₂-System kann dort eingesetzt werden, wo geringere Stoßwellenintensität, reduzierte Vibrationen, einfachere Transportklassifizierung und kontrolliertes Gesteinsspalten wichtig sind. Die eigentlichen Bohr-, Verfüll-, Lade-, Zünd-, Absperr- und Notfallmaßnahmen müssen von qualifiziertem Personal geplant und überwacht werden.
4. Be- und Entladen
Die Verladung ist das zentrale Glied im Produktionszyklus des Tagebaus. Bagger fördern Erz oder gesprengtes Gestein und verladen es in Transportfahrzeuge oder transportieren es zu einem bestimmten Ort.
Gängige Verladeausrüstung umfasst:
Hydraulikbagger
Kabelschaufeln
Hydraulikbagger
Radlader
Verladung und Transport lassen sich nicht getrennt voneinander optimieren. Ein größerer Bagger nützt wenig, wenn sich Lkw an der Abbaufront stauen oder die Transportwege schlecht instand gehalten werden.
Die Transportinfrastruktur kann einen großen Teil der Investitionen im Bergbau ausmachen, und der Transport kann in manchen Betrieben mehr als die Hälfte der gesamten Erzkosten und des Arbeitsaufwands ausmachen.
Zu den gängigen Transportsystemen gehören:
LKW-Transport
Schienentransport
Fördersysteme
Schrägaufzug
Kombinierte Verkehrssysteme
Der Lkw-Transport ist nach wie vor die gängigste Transportart, da er flexibel ist, aber größere Bergwerke integrieren zunehmend kontinuierliche Förderbänder, Dispositionssoftware und automatisierte Anlagen.
5. Entsorgung von Abraumgestein
Abraum und abgetragenes Deckgebirge müssen zu dafür vorgesehenen Entsorgungsflächen verbracht werden.
Die Abraumförderung kann per Lkw, Bahn oder Förderband erfolgen. Deponien können als einstufige, mehrstufige, überdachte oder am Fuß abgestützte mehrstufige Deponien ausgeführt werden.
Die Deponie muss hinsichtlich Kapazität, Entwässerung, Hangstabilität, Verkehrstrennung und langfristiger Sanierung ausgelegt sein. Unsachgemäße Abfallentsorgung kann zu Instabilität, Oberflächenabfluss, Staubentwicklung und späteren Sanierungsproblemen führen.
6. Wasserschutz und Entwässerung
Die Wasserbewirtschaftung ist eines der wichtigsten technischen Systeme im Tagebau.
Gängige Entwässerungsverfahren sind:
Schwerkraftentwässerung für Bergwerke an Hängen
Bodensammelbecken für flache Gruben mit begrenztem Zufluss
Stufenweise Abfangentwässerung für tiefere Gruben mit höherem Wasserdurchfluss
Unterirdische Galerien und Entwässerungstunnel für sehr hohe Zuflüsse
Je nach Gelände und Geologie können mehrere Systeme kombiniert werden.
Die Abdichtung erfordert zudem regelmäßige Kontrollen. Entwässerungsrinnen, Barrieren, Pumpen, Auskleidungen und andere Schutzkonstruktionen sollten vor der Regenzeit und nach extremen Wetterereignissen überprüft werden.
7. Probleme nach dem Abbau
Unkontrollierte Tagebaue können ernsthafte Gefahren bergen:
Wasseransammlung in der Grube
Hohe und instabile Hänge
Erdrutsche
Druckauswirkungen auf nahegelegene unterirdische Anlagen
Dammbruch
Schlammlawinen, die flussabwärts gelegene Gemeinden betreffen
Langfristige ökologische Schäden durch die Einleitung von Abraumhalden
Diese Risiken sollten bereits bei der Minenplanung berücksichtigt werden, nicht erst nach Produktionsende.
8. Sanierung von Bergwerken
Die moderne Minenrehabilitierung konzentriert sich üblicherweise auf vier Bereiche.
Hangbehandlung:Instabiles Gestein entfernen, übermäßige Hangneigungen verringern, stabile Terrassen anlegen und die behandelten Flächen wieder bepflanzen.
Abraummanagement:Geeignete Abraumhalden sollten, sofern technisch und rechtlich zulässig, als unterirdisches Verfüllmaterial verwendet werden. Wertvolle Mineralien können durch Aufbereitung zurückgewonnen und sichere Verwendungsmöglichkeiten als Baumaterialien erforscht werden.
Bodenbehandlung:Beschädigte Böden ersetzen oder verbessern, Barrieren errichten, die die Ausbreitung von Schadstoffen einschränken, und Bodenverbesserungsmittel hinzufügen, die die Fruchtbarkeit wiederherstellen.
Vegetationswiederherstellung:Wählen Sie Pflanzen, die an das lokale Klima, nährstoffarme Böden und gegebenenfalls an Schwermetallbelastung angepasst sind. Eine direkte Vegetationsbedeckung ist einfach und kostengünstig; das Aufbringen von Mutterboden verbessert oft das Anwachsen und die Regenerationsgeschwindigkeit.
Die effizienteste Tagebaumine ist nicht einfach diejenige, die die größte Menge Gestein bewegt. Sie ist diejenige, die von Anfang an Bohren, Gesteinsaufbereitung, Verladung, Transport, Entwässerung, Hangsicherung und Rekultivierung koordiniert.
