Jüngste Fortschritte bei Schlüsseltechnologien für den Untertage-Metallbergbau
Der Untertagebau von Metallen ist ein komplexes System, das die Erschließung, die Abbauvorbereitung (Erzdefinition und -errichtung) und die Gewinnung umfasst. Sprengungen sind in jeder Phase erforderlich. Daher ist die Entwicklung sicherer und effizienter Sprengverfahren ein zentrales Forschungsziel für Bergbauingenieure. Metallbergwerke befinden sich derzeit in einem entscheidenden Übergang von flachen zu tiefen Abbaustrecken, von einfachen zu schwierigen Bedingungen und von hochgradigen zu niedriggradigen Erzen. Dies stellt Theorie, Technologie und Ausrüstung vor neue Herausforderungen. Die Forschung zu den Schlüsseltechnologien für den Untertagebau ist daher besonders wichtig geworden. Aktuelle Fortschritte konzentrieren sich auf fünf Bereiche: Bohren und Sprengen, Materialtransport und -förderung, Gesteinsverstärkung, Pastenverfüllung und Fernsteuerung. Dieser Übersichtsartikel fasst die Entwicklungen und jüngsten Fortschritte in jedem dieser Bereiche zusammen.
Bohren und Sprengen sind nach wie vor Kerntechnologien im Metallbergbau, stellten aber in der Vergangenheit auch eine Schwachstelle dar. Die Steigerung der Effizienz dieser Verfahren ist entscheidend für einen sicheren und produktiven Untertagebau. Im Laufe der Zeit hat sich die Branche von manuellen Bohrungen über pneumatische und hydraulische Bohrgeräte bis hin zu Bohrgeräten mit großem Hubraum (einschließlich Dreh- und Bohrlochbohranlagen) und nun hin zu Bohrrobotern weiterentwickelt. Der Trend geht weg von reiner Mechanisierung hin zu Automatisierung, intelligenten Systemen und Umweltschutz.
Eine Vielzahl von Bohrgeräten, die an unterschiedliche Bodenverhältnisse angepasst sind, wurde im In- und Ausland entwickelt. Dank verbesserter Bohrtechnik haben einige Länder (insbesondere die USA und Kanada) in den letzten Jahren großflächige Tagebau-Sprengungsverfahren für den Untertagebau adaptiert: Segmentierte Bohrungen mittlerer Tiefe wurden teilweise durch gestaffelte Tiefbohrungen mit großem Durchmesser ersetzt, was zu vielversprechenden Ergebnissen führte. Schweden beispielsweise hat eine Reihe von Tunnelbohrmaschinen mit hoher Bohrleistung, verbesserter Sicherheit und geringerer Umweltbelastung entwickelt. In Kanada wurden vollcomputergesteuerte Dreiarmbohrmaschinen entwickelt, die Mobilität, Bohren und Beladen integrieren und sich durch einfache Bedienung, hohe Sicherheit und geringere Kosten auszeichnen. Diese Systeme verbessern die Bohrqualität und -effizienz, reduzieren den Arbeitsaufwand und das Betriebsrisiko und fördern Automatisierung, intelligente Systeme und eine bessere Umweltverträglichkeit.
Da die Bedingungen unter Tage und die Anforderungen an den Streckenvortrieb und den Bergbau variieren, sind auch die Sprengmethoden vielfältig. Techniken wie die Sprengung mit geringer Ladungsdifferenz, die Quetschsprengung und die Kontursprengung (Glattflächensprengung) sind weit verbreitet und haben in vielen Fällen die Sprengergebnisse verbessert.
Die Sprengtechnik entwickelt sich hin zu Präzisionssprengungen, umweltfreundlichen Sprengungen und intelligenten Sprengungen. Präzisionssprengungen basieren auf optimierten Bohrlochmustern, detaillierten Sprengstoffenergieanalysen und Sprengsimulationsmodellen, um gezielte Gesteinszerstörung zu erreichen. Umweltfreundliche Sprengungen verwenden neuartige Verbrennungsmittel anstelle herkömmlicher Sprengstoffe, wodurch schädliche Sprenggase vermieden und die Luftqualität unter Tage deutlich verbessert wird. Intelligente Sprengungen integrieren intelligente Sprengplanung, intelligente Ausrüstung, prädiktive Schwingungsmodellierung und die automatische Erkennung ungeladener Bohrlöcher zu einem intelligenten Sprengsystem.
Neben explosiven Methoden gewinnen nicht-explosive Gesteinsabbauverfahren zunehmend an Bedeutung. Kontinuierliche Abbaugeräte werden für den mechanischen Abbau von mittelhartem und weicherem Gestein eingesetzt und ermöglichen hohe Produktivität und günstige Bodenkontrollbedingungen. Physikalische Fragmentierungsverfahren – wie Hochdruckwasserstrahlen und thermische Fragmentierung – können einige Einschränkungen des rein mechanischen Schneidens überwinden, da sie wenig Staub und keine Funken erzeugen und die Arbeitsbedingungen verbessern. Hoher Energieverbrauch, hohe Kosten und starker Werkzeugverschleiß haben jedoch eine breite Anwendung bisher verhindert. Zudem setzte die Entwicklung von Informations- und KI-Technologien im Inland später ein als in einigen anderen Ländern, sodass wichtige intelligente Systeme für den kontinuierlichen Hartgesteinsabbau noch weitgehend auf ausländischer Technologie basieren. Daher ist der kontinuierliche Abbau von Hartgesteinslagerstätten im Inland noch nicht weit verbreitet.
Materialtransport und Fördertechnik sind für die Untertageproduktion von entscheidender Bedeutung. Sie integrieren den Abbauprozess in ein kontinuierliches System und gewährleisten einen reibungslosen Betrieb. Der Erztransport hat sich von manuellen Methoden über schienengebundene Systeme zu spurlosen (gummibereiften) Systemen entwickelt. Der aktuelle Trend geht hin zu spurlosen Geräten als primärem Transportmittel, während kettengetriebene Systeme eine sekundäre Rolle spielen. Dieser Trend ist auf die Entwicklung und den Ausbau spurloser Untertageausrüstung seit den 1960er Jahren zurückzuführen.
Für den Kurzstreckentransport innerhalb von Abbaustrecken werden typischerweise Lader eingesetzt, die sich durch komfortable Bedienung, zuverlässige Leistung, hohe Produktivität und Wendigkeit auszeichnen. Der Langstreckentransport unter Tage erfolgt üblicherweise mit Muldenkippern; diese sind im Ausland weit verbreitet, im Inland jedoch weniger. Mit zunehmender Abbautiefe wachsen die Förderstrecken, und die Fördertechnik steht vor größeren Herausforderungen, begleitet von steigenden Kosten für die Erzförderung. Die Entwicklung von Fördertechnologien für Tiefschächte gewinnt daher zunehmend an Bedeutung. Der allgemeine Trend geht hin zu größeren Systemen mit höheren Förderleistungen und einem höheren Automatisierungsgrad.
Im Tiefbergbau kombinieren viele Betriebe Schienentransport, Förderbänder oder schienenlose Lader mit mehrstufiger Schachtförderung. Beispielsweise nutzt die Goldmine TauTona in Südafrika ein dreistufiges Schachtfördersystem mit Zwischenschachttransfer per Förderband oder schienenloser Ausrüstung. Konventionelle offene Förderbänder sind zwar einfach aufgebaut, neigen aber zu Staubentwicklung und Materialverlusten, was die Untertageluft verschmutzt und die Sicherheit beeinträchtigt; zudem weisen sie eine geringe Steigleistung auf. Neuere geschlossene Förderbandsysteme – wie beispielsweise die von SiCON entwickelte Lösung – verhindern Materialverluste und Staubentwicklung, erreichen Transportgeschwindigkeiten von über 3 m/s und bewältigen Steigungen bis zu 36°. Bei entsprechender Anpassung bieten solche Systeme vielversprechende Möglichkeiten für den Erztransport im Tiefbergbau.
Hydraulische Förderverfahren (mit Wasser) werden hauptsächlich in der Tiefsee eingesetzt, und einige Forscher haben ihren Einsatz in Tiefbergwerken untersucht, da sie einen kontinuierlichen Betrieb und eine einfachere Automatisierung ermöglichen. Der Einsatz hydraulischer Förderverfahren unter Tage würde jedoch Zerkleinerungsanlagen (Brechen und Mahlen) in der Tiefe erfordern, was die praktische Umsetzung derzeit erschwert. Innovative Konzepte wie Magnetschwebebahnen für den Erztransport wurden ebenfalls vorgeschlagen, bedürfen aber weiterer detaillierter Forschung. Diese neuen Technologien und Konzepte geben dem Transport und der Förderung von Erz im Bergbau neue Impulse und treiben Innovationen bei Methoden und Ausrüstung voran.
Felsverstärkung in Metallbergwerken konzentriert sich auf schwache, geklüftete und hochbeanspruchte Gesteinsschichten. Die Stützsysteme werden in passive und aktive unterteilt. Passive Stützsysteme (Holz, Mauerwerk, Stahlbögen) können die innere Gesteinsstruktur nicht verändern und widerstehen lediglich Verformungen. Aktive Stützsysteme modifizieren die Gesteinsmasse, um ihre Eigenfestigkeit zu erhöhen – Beispiele hierfür sind Fels- und Seilanker, mit Harz oder Zement verpresste Anker, Spritzbeton mit Bewehrungsmatten und Verbundsysteme wie Anker in Kombination mit Spritzbeton und Bewehrungsmatten. Unter diesen haben sich Kombinationen aus zementverpressten Ankern und Spritzbeton als primäre Methoden zur Gebirgsverstärkung in Metallbergwerken etabliert.
Durchgehende und verklebte Ankerbolzen bilden zusammen durchgehende Verbundsysteme, die die Verankerungsfestigkeit deutlich verbessern und großes Potenzial für den praktischen Einsatz bieten. Die Spritzbetontechnologie hat sich vom Trockenmischen zum Nassmischen weiterentwickelt, wodurch die Arbeitsbedingungen verbessert und das Abplatzen des Gesteins reduziert werden. Die Kombination von Spritzbeton mit Felsankern begrenzt effektiv die freie Verformung des umgebenden Gesteins, verteilt Spannungen um und verhindert Oberflächenabplatzungen und Steinschlag.
Fortschritte bei der Mechanisierung und Ausrüstung beschleunigen die Einführung moderner Bolzen- und Spritzbetonsysteme. International wurden verschiedene Bolzenheber, Nassspritzgeräte und Bewehrungsaufhängungsmaschinen entwickelt. In China wurden reifen- und kettengetriebene Bolzenheber, Nassspritzgeräte für den Bergbau und zweiarmige Nassspritzbetongeräte entwickelt, die die Effizienz steigern, den Arbeitsaufwand reduzieren und die Sicherheit erhöhen – und damit die Mechanisierung vorantreiben und erste Schritte hin zu intelligentem Betrieb darstellen. Nach mehreren technologischen Iterationen hat sich die Felsverstärkung von passiven Einzelstützmethoden zu aktiven Verbundmethoden weiterentwickelt; zukünftige Entwicklungen werden voraussichtlich die Mechanisierung und intelligente Systeme in den Vordergrund stellen, um Sicherheit und Produktivität weiter zu verbessern.
Die durch den Bergbau verursachten festen Abfälle, die Wasser- und Luftverschmutzung sowie der Flächenverbrauch stellen ernsthafte Umweltprobleme dar. Die Pastenverfüllungstechnologie und die dazugehörige Ausrüstung bieten einen vielversprechenden Ansatz zur Minderung dieser Probleme. Bei der Pastenverfüllung werden Abraumhalden und andere feste Abfälle aus dem Bergbau in eine gesättigte, nicht ausblutende, zahnpastaartige Struktursuspension umgewandelt, die zum Verfüllen von Abbaustrecken und Absetzbecken verwendet werden kann. Dadurch werden zwei Hauptgefahren – die Lagerung von Abraumhalden und Hohlräume in Abbaustrecken – angegangen und gleichzeitig ein nachhaltiger Bergbau gefördert.
Im Vergleich zu herkömmlichen hydraulischen Sandverfüllungen bietet die Pastenverfüllung drei entscheidende Vorteile: keine Schichtung, keine Entmischung und kein Ausbluten. Eine industrielle Testanlage für Pastenverfüllungen mit einer Fläche von ca. 2.000 m² und über 200 Geräten wurde eingerichtet. Sie zeichnet sich durch hohe Präzision, umfassende Funktionalität und intelligente Steuerung aus und ermöglicht die Prüfung des gesamten Prozesses, die Parametermessung sowie die Beratung in der Baupraxis. Insbesondere die Testsysteme mit Mehrrohrschleifen für verschiedene Durchmesser, Ausrichtungen und Durchflussmengen liefern Testergebnisse, die die Feldbedingungen besser widerspiegeln als viele herkömmliche Methoden.
Die gemeinsame theoretische Grundlage aller Prozessschritte des Pastenverfüllverfahrens ist die Pastenrheologie. Die Forschung konzentriert sich auf konstitutive Modelle für die Pastenrheologie und nutzt theoretische Berechnungen, rheologische Experimente und numerische Simulationen, um die technischen Anforderungen in vier Prozessphasen zu erfüllen: Eindicken (Konzentrieren), Mischen, Transportieren und Verfüllen/Aushärten. Das Eindicken sorgt für eine stabile Unterlaufkonzentration zur Herstellung einer qualifizierten Paste; das Mischen gewährleistet eine gleichmäßige Materialvermischung für Fließfähigkeit und homogene mechanische Eigenschaften in Rohrleitungen; der Transport zielt auf geringen Energieverbrauch und reduzierten Verschleiß ab; das Verfüllen zielt auf eine gleichmäßige Festigkeitsverteilung und einen hohen Grad an Abbauraumfüllung und Haftung an den Hangenden ab. Diese vier Technologien entsprechen den wichtigsten technischen Herausforderungen des Pastenverfüllens. Die Pastenverfülltechnologie – gekennzeichnet durch Sicherheit, Wirtschaftlichkeit, Umweltschutz und Effizienz – ist eine wichtige technische Säule für umweltfreundliche Metallbergbausysteme.
Fernsteuerung und Automatisierung: Die Bergbautechnologie hat sich von manuellen über mechanisierte zu automatisierten und intelligenten Prozessen weiterentwickelt. Fernsteuerungstechnologie ist ein zentraler Faktor für Automatisierung und intelligente Prozesse und wird im modernen Bergbau eine unverzichtbare Rolle spielen. Weltweit ist die Fernsteuerung im Untertagebau etabliert und umfasst unter anderem die Fernsteuerung von Bohrungen, Ladevorgängen und Erzförderanlagen. Eine flächendeckende Einführung hängt jedoch vom allgemeinen industriellen und technologischen Entwicklungsstand eines Landes ab; eine vollständige Implementierung hat im Inland noch nicht stattgefunden.
Die wichtigsten Fernsteuerungstechnologien basieren auf drei Kernkompetenzen: der Fernerkundung der Bergbauumgebung, dem Fernbetrieb von Abbauprozessen und der Fernsteuerung von Bergbausystemen. Diese ermöglichen gemeinsam die automatisierte Wahrnehmung und Analyse, den unbemannten Betrieb, die Fernsteuerung, die automatische Frühwarnung und die Entscheidungsfindung aus der Ferne. Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Integration von Sensorik, Kommunikations- und Steuerungssystemen sowie künstlicher Intelligenz ist erforderlich, um einen vollständig autonomen und ferngesteuerten Untertage-Metallbergbau zu realisieren.
Fazit: Die kombinierte Weiterentwicklung von Bohr- und Sprengtechniken, Transport- und Förderverfahren, Gesteinsverstärkung, Pastenfüllung und Fernsteuerungstechnologien verändert den Untertage-Metallbergbau grundlegend. Fortschritte bei Ausrüstung, Materialien, Prozesssteuerung und digitalen Systemen ermöglichen eine sicherere, effizientere und nachhaltigere Gewinnung. Kontinuierliche Forschung, Feldversuche und die Integration intelligenter Systeme sind unerlässlich, um die Herausforderungen tieferer, komplexerer und geringwertigerer Metalllagerstätten zu meistern.
