Reduzierung der Felsbrockenausbeute beim Sprengen von Böschungen: Warum mehr Sprengstoff nicht die Lösung ist

Wer schon länger im Tagebau sprengt, kennt das Gefühl. Man geht nach der Sprengung zum Abraumhaufen, und da liegen sie – ein halbes Dutzend Felsbrocken so groß wie Kleinwagen, genau dort, wo vorher die erste Reihe stand. Der Baggerfahrer wirft einem diesen Blick zu. Der Projektleiter fängt im Kopf an, die Kosten für Folgeschäden zu kalkulieren. Und irgendwann sagt jemand, was man nicht hören will: „Vielleicht sollten wir beim nächsten Mal mehr Pulver nachfüllen.“

Was ich auf die harte Tour gelernt habe, nachdem ich genug ANFO verbraucht hatte, um einen kleinen Steinbruch zu finanzieren: Probleme mit Felsblöcken liegen fast nie an zu wenig Sprengstoff. Sie entstehen, wenn die Energie an die falschen Stellen fließt. Dichtt man die Lecks ab, erledigt sich die Fragmentierung von selbst.

Schritt eins: Prüfen Sie den Felsen, bevor Sie einen Parameter berühren

Bevor Sie den Lochabstand ändern, bevor Sie den Pulverfaktor anpassen, bevor Sie irgendetwas mit Zahlen machen, gehen Sie die Werkbankoberfläche ab. Sehen Sie sie sich wirklich an.

Die vorderste Lochreihe und der obere Teil der Bank sind die Herkunftsorte der Felsbrocken, und das hat seinen Grund. Die vorderste Reihe stößt auf bereits beschädigtes Gestein – durch die vorherige Sprengung, durch monatelange Verwitterung und durch die Entspannung der Gesteinsoberfläche. Die obere Bank? Dasselbe gilt von oben nach unten. Diese Bereiche sind von offenen Klüften und Mikrorissen durchzogen, die man aus zwanzig Metern Entfernung nicht erkennen kann, die aber die Sprengenergie massiv absorbieren.

Wenn eine Detonationswelle auf einen offenen Riss trifft, durchdringt sie diesen nicht ungehindert. Die Druckwelle wird reflektiert, gestreut und verliert an Druck. Das nachfolgende Gas – das bei einer fachgerecht geplanten Sprengung den größten Teil des Gesteinsbruchs bewirkt – entweicht direkt in den Riss, anstatt die Bohrlochwand unter Druck zu setzen. Das Ergebnis: Der Sprengstoff detonierte, die Erde bebte, und das Gestein zwischen den Rissen erfuhr nie genügend anhaltenden Druck, um zu brechen.

Dasselbe geschieht an geologischen Grenzen. Trifft man auf eine Tonschicht, eine Scherzone oder einen verwitterten Gang, kommt die Druckwelle abrupt zum Stillstand. Das Gestein auf der anderen Seite dieser Grenze wird unversehrt herausgedrückt und landet als Felsbrocken im Abraumhaufen, über den die nachfolgenden Brecher die nächsten drei Tage fluchen werden.

Der erste Schritt besteht also nicht darin, irgendetwas anzupassen. Es geht darum, die Bank abzulaufen und Problemzonen auf einer Skizze mit Sprühfarbe zu markieren: hier eine gebrochene vordere Reihe, dort eine Lehmschicht, oben verwittertes Deckgestein. Wenn man nicht weiß, wo die Energie verloren geht, kann man die Lücken nicht schließen.

Schritt zwei: Die beiden Parameter, die den entscheidenden Unterschied machen

Sobald man weiß, welche Zonen einem Schwierigkeiten bereiten, kann man sich intelligent anpassen, anstatt blindlings vorzugehen.

Der erste Parameter, den man beachten sollte, ist das Lochmuster. Erstaunlich viele Steinbrüche arbeiten immer noch mit dem, was man als „traditionell“ bezeichnen könnte: geringe Lochabstände bei relativ hoher Materiallast. Man geht davon aus, dass eng beieinander liegende Löcher eine bessere Fragmentierung bewirken. In Wirklichkeit ist das Gegenteil der Fall: Kleine Abstände bei hoher Materiallast führen zu Energielücken am Fuß der Abbauwand, und genau diese Lücken erzeugen die ungeliebten Felsblöcke und Reststücke am Fuß der Abbauwand.

Drehen Sie es um. Großer Abstand, geringe Belastung. Vergrößern Sie den Abstand zwischen den Bohrlöchern, aber rücken Sie die Bohrreihe näher an die freie Oberfläche heran. Das bringt zwei Vorteile gleichzeitig: Die geringere Belastung sorgt dafür, dass die vordere Reihe sauber bis zum Boden bricht, anstatt einen Ausläufer zu hinterlassen. Der größere Abstand – vorausgesetzt, er ist so berechnet, dass sich benachbarte Bohrlöcher vollständig überlappen – deckt die Gesteinsmasse ab, ohne die verschwenderische Überlappung eines engen Bohrmusters. Die Fragmentierung wird gleichmäßiger, und Sie bohren weniger Löcher pro Kubikmeter. Das spart Geld an beiden Enden.

Der zweite Parameter ist der Sprengstofffaktor. Entscheidend ist, ihn nicht als einheitliche Größe für die gesamte Sprengung zu betrachten. Die gebrochene vordere Sprengreihe erhält eine Erhöhung – 10 bis 20 % mehr Sprengstoff pro Kubikmeter als im Ausgangszustand. Es geht nicht um die Erhöhung der Sprengkraft an sich, sondern um den Energieverlust durch die bereits vorhandenen Risse auszugleichen. Das intakte Gestein hinter der vorderen Sprengreihe behält den Ausgangswert bei. Nahe der letzten Böschungswand wird der Sprengstofffaktor sogar reduziert – Böschungsstabilität ist eine Sicherheitsfrage, keine Produktionskennzahl. Übermäßige Sprengungen am Rand führen zu Keilbrüchen, die erst sechs Monate später sichtbar werden.

Passen Sie die Einstellungen in kleinen Schritten an und testen Sie. Erhöhen Sie die Sprengkraft im Problembereich um 10 %, sprengen Sie und prüfen Sie den Aushub. Immer noch Felsbrocken? Erhöhen Sie die Sprengkraft auf 15 %. Springen Sie nicht gleich auf 25 %, nur weil Sie ungeduldig sind. Übermäßiges Sprengen ist nicht nur Geldverschwendung – es erzeugt Steinschlag, übermäßige Vibrationen und eine unebene Rückwand, die das Bohren der nächsten Runde erschwert.

Schritt drei: Etwas Schlamm als Puffer aufbewahren

Die sogenannte „Sauberflächensprengung“ – bei der das gesamte Aushubmaterial der vorherigen Sprengung vor der nächsten Runde abtransportiert wurde – ist an vielen Standorten Standard, weil sie sauber aussieht. Sie trägt außerdem maßgeblich zu einer hohen Ausbeute an Findlingen bei, und hier ist der Grund dafür.

Wenn die erste Reihe in die Leere feuert, wirkt der Gesteinsbewegung nichts entgegen außer der Trägheit des Gesteins selbst. Die Explosionsenergie teilt sich grob in zwei Teile: die Druckwelle, die das Gestein an Ort und Stelle bricht, und die Gasausdehnung, die das gebrochene Gestein nach vorne schleudert. Da sich vor der Abbauwand nichts befindet, wird der größte Teil der Energie der Gasausdehnung für den Schleudervorgang verwendet – das Gestein wird ungehindert nach außen, von der Abbauwand weg, beschleunigt. Die Bruchstücke fliegen, landen und bleiben als intakte Blöcke liegen, da es keine Kollision, kein Zerdrücken der einzelnen Partikel und nichts gab, was große Stücke in kleine zerteilt hätte.

Das sogenannte Puffersprengen – bei dem ein 2 bis 4 Meter breiter Streifen des vorherigen Abraumhaufens an der Abbauwand belassen wird – verändert die physikalischen Gegebenheiten grundlegend. Die Sprengladungen der ersten Reihe treffen auf diese Abraumbarriere anstatt ins Freie. Die Gesteinsfragmente prallen gegen den zurückgehaltenen Haufen, kollidieren miteinander, und die kinetische Energie, die sonst beim Wegschleudern verloren gegangen wäre, wird durch Aufprall und Zerkleinerung in sekundären Bruch umgewandelt. Man erhält kleinere Fragmente, weniger Steinflug und einen dichteren Abraumhaufen, der sich leichter abbauen lässt.

Einige Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit das funktioniert: Das zurückgehaltene Material muss dicht genug sein, um einen wirksamen Widerstand zu bieten – lockeres, flockiges Material reicht nicht aus. Der Pulveranteil muss um 10 bis 20 % erhöht werden, da mehr Arbeit geleistet werden muss (das Brechen gegen Widerstand erfordert mehr Energie als das Brechen in freiem Raum). Und die Wartezeit zwischen den Reihen sollte etwas länger sein als bei einer Flächensprengung, damit die Fragmente jeder Reihe Zeit haben, auf den Puffer aufzuprallen und sich dort zu verdichten, bevor die nächste Reihe eintrifft.

Schritt vier: Vergessen Sie nicht, was an der Spitze passiert.

Die Verfüllzone – der obere Teil des Bohrlochs, der mit inertem Material statt Sprengstoff gefüllt ist – dient der Steinschlagkontrolle und ist aus Sicherheitsgründen unerlässlich. Sie birgt jedoch ein Problem: Die Sprengstoffsäule beginnt weiter unten im Bohrloch, wodurch die oberste Schicht weniger direkte Sprengenergie abbekommt. Man kann sich denken, woher die nächsten Felsbrocken kommen.

Das Problem lässt sich nicht durch Kürzen der Verankerungen beheben – dadurch entstehen Ausbrüche und Steinschlag. Hier ist jedoch ein bewährter Trick: Platzieren Sie eine kleine Sprengladung innerhalb der Verankerungssäule. Die Ladung sollte gerade so viel Energie abgeben, dass die Kragenzone aufbricht, ohne die Verankerungen zu zerstören. Keine volle Ladung – nur so viel, dass das Deckgestein bricht und sich mit dem Rest des Blocks löst, anstatt als massive Platte durch die Gasausdehnung herauszubrechen. Ich habe beobachtet, wie diese Technik die Anzahl der Blockabbrüche an Felsbändern, wo Blockabbrüche in der Kragenzone ein chronisches Problem darstellten, um mehr als die Hälfte reduziert hat.

Synchronisieren Sie dabei gleich Ihre Initialisierungssequenz mit dem neuen Lochmuster. Große Abstände bei geringer Belastung funktionieren am besten mit zeilenweisen elektronischen Verzögerungen – jede Reihe erhält einen sauberen Durchgang zum Puffer, die Fragmente kollidieren, und die nächste Reihe trifft ein, bevor sich der Aushubhaufen gesetzt und seinen Widerstand verloren hat.

Was hat das mit O2-Gesteinszerkleinerung zu tun?

Alles, was ich soeben beschrieben habe, setzt die Verwendung konventioneller Sprengstoffe in einer Standard-Sprengungsanlage voraus. Die zugrundeliegenden Prinzipien – kontrollierte Energiefreisetzung, Minimierung des Leckageverlusts durch Risse, Nutzung eingeschränkter Expansion anstelle von freiem Sprengkopfwurf – sind jedoch genau das, was nicht-explosive Gesteinsbrechsysteme so effektiv macht.

Das O2-Sprengsystem arbeitet nach einem grundlegend anderen Prinzip: der Expansion durch Phasenübergang von flüssigem Sauerstoff anstelle einer chemischen Detonation. Die physikalischen Prinzipien effektiven Gesteinsbrechens bleiben jedoch dieselben. Gezielte Expansion gegen Widerstand führt zu einer besseren Fragmentierung als unkontrollierter Wurf. Vorhandene Risse rauben Energie, egal ob ANFO oder LOX verwendet wird. Und die Kenntnis des Gesteinskörpers vor der Sprengplanung entscheidet darüber, ob ein sauberer Aushubhaufen entsteht oder ein Geröllfeld – unabhängig davon, welches Material in das Bohrloch eingebracht wird.

Für Steinbrüche in der Nähe sensibler Infrastruktur, wo Steinschlag, Vibrationen und Genehmigungen die entscheidenden Einschränkungen darstellen, löst das O₂-System die Probleme, die durch Puffersprengungen und sorgfältige Pulvermengenkontrolle nur teilweise behoben werden können. Kein Steinschlag bedeutet keine Kompromisse bei der Verbausicherung. Kontrollierte Energiefreisetzung verhindert das Austreten von Gasen durch Risse. Und der Sicherheitsabstand reduziert sich von Hunderten von Metern auf hundert – was in einem von Straßen und Gebäuden umgebenen Steinbruch den entscheidenden Unterschied zwischen Betrieb und Stillstand ausmachen kann.