6 wichtige Trends im Bergbau der Zukunft, die nicht übersehen werden dürfen
Mit der industriellen Entwicklung steigt auch die Nachfrage nach Bodenschätzen stetig. Sowohl Industrie- als auch Entwicklungsländer betrachten den Besitz und die Erschließung von Ressourcen als strategische Maßnahmen. Infolgedessen hat die Bergbauentwicklung zur Entwicklung zahlreicher effizienter, sicherer und kostengünstiger Bergbautechnologien und -methoden geführt. Um Ressourcen effektiv zu erschließen, ist es unerlässlich, mit fortschrittlichen Technologien Schritt zu halten.
(I) Aufklärung im Untertagebergbau
Weltweit wird in Untertagebergwerken nach Effizienz und Sicherheit gestrebt, was zu kontinuierlichen Verbesserungen bei Mechanisierung und Automatisierung führt. Ein Beispiel hierfür ist das schwedische Eisenbergwerk Kiruna. Das Bergwerk ist bekannt für die Produktion von hochwertigem Eisenerz (mit einem Eisengehalt von über 70 %) und zählt zu den größten Eisenbergwerken der Welt. Die Eisenerzgewinnung blickt auf eine über 70-jährige Geschichte zurück und umfasst den Übergang vom Tagebau zum Untertagebau. Die Intelligenz des Bergwerks Kiruna profitiert vor allem vom Einsatz großer mechanischer Anlagen, intelligenter Fernsteuerungssysteme und moderner Managementsysteme. Hochautomatisierte und intelligente Bergbausysteme und -ausrüstungen sind der Schlüssel zu einer sicheren und effizienten Gewinnung.
Erschließung. Die Eisenmine Kiruna nutzt ein kombiniertes Schacht- und Rampensystem. Das Bergwerk verfügt über drei Schächte für die Belüftung sowie die Erz- und Abraumförderung. Personal, Ausrüstung und Material werden überwiegend gleislos über Rampen transportiert. Der Hauptförderschacht befindet sich im Liegenden des Erzvorkommens. Bislang wurden Abbaufront und Hauptfördersystem sechsmal abgesenkt; die aktuelle Hauptförderhöhe liegt bei 1045 m.
Bohren, Laden und Sprengen. Beim Tunnelvortrieb kommen Jumbo-Bohrer zum Einsatz, die mit dreidimensionalen elektronischen Messgeräten zur präzisen Bohrlochpositionierung ausgestattet sind. Beim Abbau kommt die ferngesteuerte Bohranlage Simba W469 des schwedischen Herstellers Atlas Copco zum Einsatz, mit einem Bohrlochdurchmesser von 150 mm und einer maximalen Bohrlochtiefe von 55 m. Diese Anlage nutzt ein Lasersystem zur präzisen Positionierung, ist unbemannt und kann im 24-Stunden-Dauerbetrieb betrieben werden. Das jährliche Erzsprengvolumen kann bis zu 3 Millionen Tonnen erreichen.
Ferngesteuertes Laden, Transportieren und Fördern von Erz. Bohren, Laden, Transportieren und Fördern in den Abbauräumen der Kiruna-Eisenmine sind intelligent und automatisiert, wobei Bohranlagen und Lader unbemannt arbeiten. Zum Laden des Erzes kommt der ferngesteuerte Lader Toro 2500E mit einer Einzelleistung von 500 t/h zum Einsatz. Das unterirdische Transportsystem umfasst Bandförderanlagen und automatisierten Schienenverkehr. Der automatisierte Schienenverkehr besteht typischerweise aus acht Erzwaggons, die als Bodenkipper für kontinuierliches Be- und Entladen dienen. Bandförderer transportieren das Erz automatisch von der Brechstation zur Messeinrichtung und übernehmen die Be- und Entladung mit dem Schachtkübel – alles ferngesteuert.
Ferngesteuerte Betonspritztechnik und Stützbewehrungstechnik. Der Tunnelausbau erfolgt durch eine Kombination aus Spritzbeton, Felsankern und Stahlmatten. Ferngesteuerte Betonspritzgeräte ergänzen dies, während Felsanker und Stahlmatten mit Ankergeräten installiert werden.
(II) Immer häufigere Anwendung der Laugungstechnologie
Derzeit wird die Laugungstechnologie häufig zur Gewinnung von minderwertigem Kupfer, Golderzen, Uranerzen usw. eingesetzt. Zu den Laugungstechnologien gehören In-situ-Laugung, Haufenlaugung und In-situ-Sprenglaugung. Länder wie die USA, Kanada und Australien nutzen in der Regel Haufenlaugung und In-situ-Sprenglaugung, um 0,15–0,45 % minderwertige Kupfererze, über 2 % Kupferoxiderze und 0,02–0,1 % Uranerze zu gewinnen.
In den USA beispielsweise gibt es über 20 Minen, die Kupfer mittels In-situ-Sprenglaugung gewinnen. So produzieren beispielsweise die Mike Mine in Nevada und die Zonia Copper Mine in Arizona jeweils mehr als 2,2 Tonnen Kupfer pro Tag. Die Butte Mine in Montana und die Copper Queen Branch Mine produzieren 10,9 bis 14,97 Tonnen Kupfermetall pro Tag. In den USA macht die Kupferlaugung über 20 % der Gesamtproduktion aus, Gold über 30 %, und der überwiegende Teil der Uranproduktion stammt aus dem Laugungsbergbau.
(III) Tiefschacht-Bergbautechnologie
Da die Rohstoffvorkommen weiter abnehmen, werden die Abbautiefen immer größer und überschreiten häufig 1.000 m. Dies bringt zahlreiche Schwierigkeiten und Probleme mit sich, die beim Flachbau nicht auftreten, wie z. B. erhöhter Bodendruck, höhere Gesteinstemperaturen und größere Herausforderungen bei der Förderung, Entwässerung, Abstützung und Belüftung.
Häufige Probleme in Tiefschachtbergwerken:
Förderkapazität. Mit zunehmender Abbautiefe stellt die Förderkapazität der Mine das erste Problem dar. Aktuelle Förderanlagen erreichen eine maximale Förderhöhe von über 2000 m, beispielsweise in einer kanadischen Mine mit einer Fördertiefe von 2172 m und in einer südafrikanischen Goldmine mit einer Schachttiefe von 2310,4 m. Die Förderkapazitäten der Anlagen erfüllen die Anforderungen großer Tiefschachtminen voll und ganz.
Gesteinstemperatur und Belüftungskühlung. Mit zunehmender Abbautiefe steigen auch die Gesteinstemperaturen. Beispielsweise übersteigen in der japanischen Toyoha-Kupfer-Zink-Mine auf der -600-m-Ebene (ca. 1200 m unter der Oberfläche) die Gesteinstemperaturen 100 °C. In vielen Ländern ist jedoch eine Untertagetemperatur von maximal 28 °C vorgeschrieben. In Tiefschachtbergwerken wird üblicherweise das Belüftungsvolumen erhöht und die Luft mittels Luft- und Wasserkühlung gekühlt. Bei der Wahl einer oder beider Methoden muss neben der Temperatursenkung auch auf die Reduzierung der Wärmeableitung von unterirdischen Maschinen, Dieselaggregaten und Kühlanlagen selbst geachtet werden.
Bodendruckmanagement und Bergbaumethoden. Tiefschachtbergwerke verfügen in der Regel über ein umfassendes Bodendruckmess- und -überwachungssystem, das sich direkt auf den reibungslosen Ablauf der Bergbauproduktion und die Höhe der Produktionskosten auswirkt. Gebirgsschläge sind ein großes Problem im Tiefschachtbergbau. Um Gebirgsschläge vorherzusagen, installieren viele Bergwerke mikroseismische Überwachungsgeräte im Untergrund, wie beispielsweise die US-amerikanische Sunshine Silver Mine, die in der 2254-m-Ebene eine mikroseismische Überwachung für eine 24-Stunden-Überwachung installierte.
Selbstentzündung und Explosion. Beim Tiefbau kann es aufgrund der hohen Erztemperaturen auch zur Selbstentzündung von Sulfiderzen und zur Selbstexplosion bei der Sprengladung kommen, was besondere Aufmerksamkeit erfordert.
Derzeit übersteigt die Abbautiefe von Nichtkohlebergwerken in China im Allgemeinen nicht 700–800 m, in den letzten Jahren werden jedoch einige Erzvorkommen in Tiefen von etwa 1.000 m erschlossen, darunter die Dongguashan-Kupfermine der Tongling Nonferrous Metals Company und das Bergbaugebiet Jinchuan Nr. 2.
(IV) Umweltschutzmaßnahmen im Bergbau
Im Ausland, insbesondere in Industrieländern, werden umfassende Maßnahmen zum Umweltmanagement in Bergwerken ergriffen. Für Abwässer, Abgase, Schlacke, Staub, Lärm usw. aus Bergwerken gelten strenge technische Standards. Viele Bergwerke mit niedrigem Bergbaupotenzial können aufgrund zu hoher Kosten für die Umweltbehandlung nicht gebaut oder in Betrieb genommen werden.
Derzeit liegt der Schwerpunkt im Ausland auf der Schaffung abfallfreier und sauberer Bergwerke. Das deutsche Kohlebergwerk Walsum im Ruhrgebiet ist ein erfolgreiches Beispiel. Es nutzt Kohleschlamm aus der Kohlenwäsche, Asche aus der Kohleverstromung und zerkleinertes, mit Zement vermischtes, aktiviertes und aufgerührtes Abraumgestein. Anschließend wird es mit einer PM-Pumpe unter Tage gepumpt, um Hohlräume zu füllen. Das Bergwerk leitet keine festen Abfälle nach außen ab.
(V) Füllbergbautechnik
Je nach den unterschiedlichen Voraussetzungen kommen unterschiedliche Füllmaterialien zum Einsatz:
Regionale Unterstützung. Hochwertige, starre Füllmaterialien werden benötigt, um den elastischen Volumenschluss und die Gefahren von Steinschlägen zu reduzieren.
Kontrolle der Gesteinsschichten. Die Anforderungen an die Qualität des Füllmaterials sind nicht streng, es ist jedoch eine großflächige Füllung erforderlich, und die Füllung sollte nach dem Einbringen nicht schrumpfen.
Bergbau mit mehreren Adern. Füllmaterialien müssen unter geringen Spannungsbedingungen stabil sein, um Gesteinsverformungen und -verschiebungen zu minimieren.
Umweltkontrolle. Um sicherzustellen, dass das Hangende abgedichtet ist und kein Luftstrom durch den abgebauten Bereich strömt, darf das Füllmaterial nicht schrumpfen. Eine großflächige Verfüllung ist erforderlich.
Reduzierung des Abraumtransports. Vorbereitung und Zerkleinerung von Abraum unter Tage für Füllmaterialien, wodurch die Effizienz verbessert wird.
Aktuelle Überlegungen zur Befüllung:
Konzentrieren Sie sich auf die Entwicklung praxistauglicher und zuverlässiger Systeme. Erforschen und entwickeln Sie effektive Abfülltechnologien, um Abfüllvorgänge in den Bergbauzyklus zu integrieren. Legen Sie Wert auf das Management der Abfüllsysteme.
Erforschen Sie Technologien zur Optimierung bestehender Systeme, einschließlich der Partikelgrößenverteilung für hochwertige Füllmaterialien, verbesserter Füllmaterialaufbereitungsprozesse in Hydrozyklonen und Zerkleinerern sowie optimierter Fördertechnologien wie Druckverlust, Verschleiß, Korrosion und Gesamtdesign des Füllsystems.
Das quantitative Verständnis der Prozesse der Aufbereitung, Förderung, Platzierung und Lastverformung von Füllmaterialien soll gestärkt werden, um die Grundlage für einen sicheren, stabilen und effizienten Bergbau zu schaffen. International übliche Füllverfahren sind hydraulische Sandfüllung, Trockenfüllung, wasserreiche Feststofffüllung und Zementfüllung. Zementfüllungen werden weiter unterteilt in: hydraulische Segmentverfüllung (Schwerkraftförderung mit hoher Konzentration), hydraulische Verfüllung mit anderen Füllmaterialien (Schwerkraftförderung mit hoher Konzentration), Schwerkraftverfüllung mit vollständiger Tailings-Paste und Pumpverfüllung mit vollständiger Tailings-Paste. Die international empfohlene Methode ist die Pumpverfüllung mit vollständiger Tailings-Paste.
Derzeit gibt es in Kanada zwölf Minen, die hochkonzentrierte Pastenfüllung einsetzen. Auch in Südafrika und Australien sind neue Pastenfüllsysteme im Einsatz. Neue Füllverfahren werden den Anforderungen an Ressourcenschutz, Umweltschutz, Effizienzsteigerung und Minenentwicklung besser gerecht. Der Füllbergbau bietet im Bergbau des 21. Jahrhunderts größere Perspektiven.
(VI) Ozeanischer Abbau polymetallischer Knollen
Polymetallische Knollen kommen auf dem Meeresboden in Tiefen von etwa 3000–5000 m vor. Um sie abzubauen, sind praktikable Abbaumethoden unerlässlich. Daher legen Länder weltweit großen Wert auf die Entwicklung zuverlässiger Abbaumethoden und haben umfangreiche experimentelle Forschung betrieben, einige sogar Tiefseebergbauversuche im mittleren Maßstab. Von den späten 1960er Jahren bis heute lassen sich international entwickelte und erprobte Meeresbergbaumethoden hauptsächlich in drei Kategorien einteilen: Continuous Line Bucket (CLB)-Bergbau, Abbau mit ferngesteuerten Fahrzeugen am Meeresboden und Fluid Lift-Bergbau.
Continuous Line Bucket (CLB)-Förderverfahren. Dieses Verfahren wurde 1967 von den Japanern vorgeschlagen. Es ist relativ einfach und besteht im Wesentlichen aus einem Förderschiff, einem Schleppkabel, Eimern und einem Schleppschiff. Eimer werden in bestimmten Abständen am Schleppkabel befestigt und auf den Meeresboden abgesenkt. Das vom Schleppschiff angetriebene Schleppkabel bewegt die Eimer nach unten, schöpft und wieder nach oben. Dieser stufenlose Seilzyklus bildet einen kontinuierlichen Sammelkreislauf. Das Hauptmerkmal von CLB ist die Fähigkeit, sich an Tiefenänderungen anzupassen und den normalen Betrieb aufrechtzuerhalten. Die Produktion von CLB beträgt jedoch nur bis zu 100 t/d und liegt damit weit unter dem Bedarf des industriellen Bergbaus. Daher wurde das CLB-Förderverfahren Ende der 1970er Jahre aufgegeben.
Abbauverfahren mit ferngesteuerten Meeresbodenfahrzeugen. Dieses Verfahren wurde hauptsächlich von den Franzosen vorgeschlagen. Das ferngesteuerte Meeresbodenfahrzeug ist ein unbemanntes, tauchfähiges Bergbaufahrzeug, das im Wesentlichen aus vier Systemen besteht: Erzgewinnung, Eigenantrieb, Auftriebskontrolle und Ballast. Unter Aufsicht eines Mutterschiffs an der Oberfläche taucht das Bergbaufahrzeug gemäß den Befehlen zum Meeresboden, um Knollen zu sammeln. Sobald es voll ist, taucht es auf und entlädt die Knollen in den Aufnahmebehälter des Mutterschiffs. Das Mutterschiff an der Oberfläche kann typischerweise mehrere Bergbaufahrzeuge gleichzeitig steuern. Dieses Bergbausystem erfordert erhebliche Investitionen, und da der Produktwert gering war und über Jahrzehnte hinweg kein wirtschaftlicher Nutzen erzielt wurde, stellte die französische Gesellschaft für ozeanische Knollenforschung und -entwicklung die Forschung 1983 ein. Die Sammel- und Transportprinzipien dieses Bergbaufahrzeugs gelten jedoch als vielversprechend.
Fluid-Lift-Bergbauverfahren. Das international anerkannte Verfahren mit dem größten industriellen Anwendungspotenzial ist derzeit das Fluid-Lift-Bergbauverfahren. Sobald das Bergbauschiff das Abbaugebiet erreicht, werden Kollektor und Förderrohr verbunden und schrittweise ins Meer abgesenkt. Der Kollektor sammelt Knollen aus Meeresbodensedimenten und führt eine erste Verarbeitung durch. Durch hydraulisches oder pneumatisches Heben steigt das Wasser im Rohr mit ausreichender Geschwindigkeit nach oben, um die Knollen zum Tagebauschiff zu transportieren.
Mit der Erschließung und Nutzung der Ozeane durch den Menschen im 21. Jahrhundert ist die Meeresbergbautechnologie besonders wichtig. Die Entwicklung moderner Hochtechnologie hat den Weg für die Nutzung der Meeresressourcen geebnet, und ihre Entwicklung und Weiterentwicklung wird sich positiv und weitreichend auf die weltweite Meereswirtschaft, die Kultur und das menschliche Meeresbewusstsein auswirken.
