Abbau mineralischer Rohstoffe

Einführung in die Rohstoffgewinnung - Abbau fester mineralischer Rohstoffe im untertägigen Bergbau

Nach dem in den vorausgegangenen AMS-Ausgaben im Rahmen der Weiterbildung die Fachgebiete „Rohstoffsicherung, Lagerstättenerkundung, Reservenberechnung, Geomechanik und Hydrogeologie“ als Voraussetzung für Planung von Bergbauprojekten ausführlich behandelt wurde, setzt die Weiterbildung dieser Ausgabe mit der Einführung in die Rohstoffgewinnung fort. Nach der Eröffnung des Themas in der vergangenen Ausgabe durch die „Bergbaurelevanten Lagerstättenmerkmale“ werden in dieser Weiterbildung die Verfahren der Rohstoffgewinnung im untertägigen Bergbau behandelt.

Abbauverfahren

Die Verfahren, nach denen der Abbau von festen mineralischen Rohstoffen im Tiefbau vorgenommen wird, sind sehr vielfältig. Überspitzt kann gesagt werden, dass die Abbauverfahren in ihrer Erscheinungsform so vielfältig sind wie die Lagerstätten selbst. Bei der Auswahl eines Abbauverfahrens ist die Ausprägung der Lagerstätte und hier besonders die Teufenlage, die Mächtigkeit, das Einfallen und die Standfestigkeit des Lagerstätten- und Nebengesteins der Haupteinflussfaktor.

Nur durch Abstimmung des Abbauverfahrens auf diese Lagerstättenparameter wird ein Abbau des mineralischen Rohstoffes wirtschaftlich und technisch möglich. Die Abbauverfahren können nach verschiedenen Merkmalen eingeteilt werden. Die Merkmale können in drei Ordnungen eingeteilt werden. Merkmale der ersten Ordnung sind die Bauweise und die Dachbehandlung, Merkmale der zweiten Ordnung umfassen Angaben über die Verhiebsart und -richtung. Die Merkmale der dritten Ordnung geben letztlich Auskunft über die Abbauführung und Abbaurichtung.

Merkmale der ersten Ordnung

Eine grundsätzliche Einteilung der verschiedenen Abbauverfahren wird mittels der Bauweise vorgenommen. Die Bauweise beschreibt, wie ein abzubauender Lagerstättenabschnitt in Angriff genommen wird. Die folgenden Bauweisen sind möglich:

• langfrontartige Bauweise,
• stoßartige Bauweise,
• pfeilerartige Bauweise,
• kammerartige Bauweise und
• blockartige Bauweise.

Bei der langfrontartigen Bauweise wird die Lagerstätte in einer Front von bis zu mehreren hundert Metern abgebaut. Die Abbaufront rückt dabei quer zu ihrer Erstreckung vor. Eine solche Bauweise wird bei großflächig abgelagerten, plattenförmigen Lagerstätten mit mäßigem Einfallen angewandt und ist typisch für den Abbau von Steinkohle.

Wird die bestehende Lagerstätte in schmale Abschnitte, so genannte Stöße, eingeteilt, so wird dies als stoßartige Bauweise bezeichnet. Die einzelnen Stöße weisen dabei meist eine ein- bis dreifache Streckenbreite auf, können neben-, über- oder untereinander angeordnet werden und werden nacheinander abgebaut. Abbauverfahren mit stoßartiger Bauweise werden meist bei gangartigen Vorkommen des Erzbergbaus angewandt.

Bei der pfeilerartigen Bauweise wird die Lagerstätte in Abschnitte, so genannte Pfeiler eingeteilt. Die Pfeiler werden durch vollständiges oder teilweises Umfahren hergestellt. Nachdem dieses Pfeilerstreckensystem aufgefahren wurde, kann in einem zweiten Arbeitsschritt damit begonnen werden, die Pfeiler und damit einhergehend den größten Teil der Lagerstätte abzubauen. Die Pfeiler können dabei je nach Ausprägung des Rohstoffvorkommens neben oder übereinander liegen.

Die kammerartige Bauweise zeichnet sich durch das Herstellen von Kammern oder Örtern aus. Kammern und Örter sind gleichmäßig geformte Abbauräume mit einem lang gestreckten meist rechteckigen Grundriss. Wird der Hohlraum dabei in einem Arbeitsgang aufgefahren, entsprechen die Abmessungen also ungefähr denen einer Strecke, dann handelt es sich um Örter. Werden diese Abmessungen vor allem hinsichtlich der Höhe überschritten, so spricht man von einer Kammer. Eine Sonderform der kammerartigen Bauweise ist die so genannte Weitung.

Die blockartige Bauweise ist beschränkt auf sehr mächtige Lagerstätten. Das Vorkommen wird in Lagerstättenabschnitte mit zum Teil beträchtlichen Abmessungen, so genannte Blöcke, unterteilt. Der durch den Abbau geschaffene freie Raum ist bei diesem Abbauverfahren im Gegensatz zum Kammerbau nicht zugänglich.

Eine weitere Unterteilung der Abbauverfahren kann durch die verschiedenen Möglichkeiten der Behandlung der Firste während und nach dem Abbau vorgenommen werden. Unter diesem auch als Dachbehandlung bezeichneten Merkmal wird die Behandlung der lotrecht über dem Abbauraum anstehenden losen oder festen Massen verstanden. Die Möglichkeiten der Dachbehandlung sind:

• der Festenbau,
• der Versatzbau und
• der Bruchbau.

Beim Festenbau wird das den Abbau überdeckende Gebirge durch stehen gelassene Lagerstättenteile, so genannte Bergfesten, dauerhaft abgestützt. Die Festen werden im Gegensatz zu Pfeilern nicht abgebaut.

Wird der Versatzbau angewendet, so wird den beim Abbau entstandenen Hohlräumen durch das Einbringen von Versatzbergen ein neues Auflager gegeben. Der Versatz sollte eingebracht werden, bevor es zu Setzungen des Gebirges kommt, damit eine geringe und bruchfreie Absenkung der Deckgebirgsschichten erreicht wird.

Als Bruchbau wird das Verfahren bezeichnet, bei dem die Deckgebirgsschichten planmäßig zubruchgehen. Durch die beim Bruch auftretende Volumenvergrößerung des Haufwerkes wird der durch den Abbau und das Zubruchgehen entstandene Hohlraum gefüllt und dient somit den weiteren Gebirgsschichten als Auflager. Typischerweise treten beim Bruchbau Setzungen an der Tagesoberfläche auf.

Merkmale der zweiten Ordnung

Nachdem die Abbauverfahren durch die Merkmale der ersten Ordnung bereits grob beschrieben wurden erfolgt durch die Merkmale der zweiten Ordnung eine weitere Spezifizierung. Merkmale dieser Ordnung sind die Abbau- bzw. Verhiebsrichtung, die Verhiebsart sowie die Abbauführung. Hierzu muss zunächst kurz erläutert werden, was im bergmännischen Sprachgebrauch unter Abbau- bzw. Verhiebsrichtung zu verstehen ist. Im Gegensatz zur Abbaurichtung, die die Richtung beschreibt, in die sich der Abbau im Großen bewegt, sagt die Verhiebsrichtung etwas über die Richtung des Hereingewinnens des Wertminerals im Kleinen aus. Die Abbaurichtung beschreibt sozusagen die Strategie des Abbaus insgesamt, während die Verhiebsrichtung die Taktik vor Ort beschreibt. Sowohl die Abbaurichtung als auch die Verhiebsrichtung kann streichend, fallend, schwebend oder schräg realisiert werden, wobei die schräge und fallende Richtung nur eine untergeordnete Bedeutung hat.

Die Verhiebsart beschreibt in welcher Weise die Abbaufront in Angriff genommen wird. Dies kann firstartig, strossenartig oder stoßartig geschehen.

Die Abbauführung schließlich umfasst mehrere Merkmale. Sie beschreibt die räumliche Verteilung der Abbaubetriebe im Grubengebäude. Ein sehr wichtiges Merkmal in diesem Bereich ist die Unterscheidung ob es sich bei dem betrachteten Abbau um einen Vor- oder einen Rückbau handelt. Bei einem Rückbau werden ausgehend von einer Hauptstrecke zunächst die das Abbaufeld begrenzenden Abbaustrecken aufgefahren. Im weiteren Vorgehen wird das Wertmineral in einer rückwärts gerichteten Bewegung in Richtung der Hauptstrecke abgebaut. Beim Vorbau ist die Abbaurichtung von der Hauptstrecke wegführend. Die Abbaustrecken können dabei entweder vorher oder begleitend mit dem Abbau aufgefahren werden.

Abbauverfahren mit langfrontartiger Bauweise

Abbauverfahren mit einer langfrontartigen Bauweise werden eingesetzt, wenn eine plattenförmige Lagerstätte mit großer Ausdehnung vorliegt. Beispiele für den Einsatz dieser Bauweise sind der Abbau der deutschen Steinkohle sowie der Golderzbergbau in Südafrika. Von praktischer Bedeutung bei dieser Bauweise ist heute nur noch der Strebbau.

Beim Strebbau wird üblicherweise ein rechteckiger Flözabschnitt an einer langen Front abgebaut. Der als Streb bezeichnete streckenförmige Abbauraum wandert quer zu seiner Längserstreckung über die für den Abbau vorgesehene Fläche. Der Streb ist ein langer, schmaler Abbauraum von relativ geringer Höhe, der auf der einen Seite durch das Wertmineral und auf der Anderen durch den Bruch bzw. Versatz begrenzt wird. Die Höhe des Strebes ist abhängig von der Mächtigkeit des abzubauenden mineralischen Rohstoffes. Hinsichtlich der Dachbehandlung kann zwischen Bruchbau und Versatzbau unterschieden werden.

Die nachstehende Abbildung 1 zeigt den Strebbau, wie er im deutschen Steinkohlenbergbau angewendet wird. Ausgehend von den Hauptstrecken werden bei diesem Abbauverfahren die obere und untere Abbaustrecke (Kopf- und Bandstrecke) aufgefahren. Der Streb wird durch ein so genanntes Aufhauen eingerichtet. Das Aufhauen legt die Abbaufront für den späteren Abbau frei und stellt die Verbindung zwischen den beiden Abbaustrecken her. Ausgehend von diesem Aufhauen bewegt sich der Streb rechtwinkelig zu den Abbaustrecken durch die Baulänge. Der Strebraum wird auf der rechten Seite der Abbildung durch den bereits ausgekohlten Bereich, den Alten Mann, begrenzt. Links des Strebraumes liegt die noch abzubauende Kohle an.

Um einen Wetterzug durch den Alten Mann und damit einhergehend eine Entzündung von Restkohle zu vermeiden werden Streckendämme errichtet. In dem in Abbildung 1dargestellten Beispiel wird die untere Abbaustrecke nach dem Durchgang des Strebes abgeworfen. Die obere Abbaustrecke hingegen wird für das nachfolgende Abbaufeld als untere Abbaustrecke erneut genutzt.

Der Bereich des Alten Mannes wird entweder mit Versatz aufgefüllt oder aber zu Bruch gehen gelassen. Beim Strebbau ist der Bruchbau üblich, nur ein geringer Anteil der weltweit im Strebbau gewonnenen Kohle kommt aus Streben in denen Vollversatz angewendet wird. In diesen seltenen Fällen wird der Raum hinter dem Streb mit taubem Gestein aus der Kohlenaufbereitung, so genannten Waschbergen, verfüllt.

Ein weiteres Merkmal der Abbauverfahren mit langfrontartiger Bauweise ist die Abbaurichtung, bei der beim Strebbau die Richtung verstanden wird, in die sich der Streb als Ganzes bewegt. Im Bezug auf die Lage des Flözes im Gebirge kann sich der Streb in streichender, schwebender oder fallender Richtung bewegen. Eine Auswahl von Kombinationen der Abbau- und Verhiebsrichtungen zeigt die nachstehende Abbildung 2.

Die Abbaue links in der Abbildung zeigen eine streichende Abbaurichtung mit schwebendem (oben) und fallendem (unten) Verhieb. Die Abbildung rechts zeigt ein Abbauverfahren mit einer schwebenden Abbaurichtung und einem schwebendem Verhieb.

Zur weiteren Beschreibung des Abbauverfahrens werden Aussagen zur Abbauführung getroffen. Ausgehend von einem Aufhauen wird der Streb zwischen der oberen und unteren Abbaustrecke ins Feld geführt. Werden die Begleitstrecken gleichzeitig mit dem Streb aufgefahren so wird dies als Vorbau bezeichnet. Bei einem Rückbau werden die Begleitstrecken zunächst in ihrer gesamten Länge bis zur Baufeldgrenze hergestellt. An der am weitesten von der ausgehenden Hauptstrecke liegenden Stelle wird dann das Aufhauen hergestellt und der Streb zurück zur Hauptstrecke geführt (Abbildung 3).

Die nachstehende Abbildung 4 zeigt ein Beispiel eines langfrontartigen Abbauverfahrens wie es im südafrikanischen Golderzbergbau angewendet wird. Das Golderz wird in dem als Reef bezeichneten Flöz mit einer Mächtigkeit von rund 1 Meter abgebaut. Gegenwärtig werden in Südafrika Teufen von 4.000 m und mehr erreicht.

Das Flöz wird abgebohrt und gesprengt, das so freigelegte Gestein wird mit Hilfe von Schrappern zur Hauptfördersohle gefördert und von dort nach übertage transportiert. Ein Charakteristikum des südafrikanischen Golderzbergbaus sind die Pfeiler aus geschichtetem Holz, die die Tragfähigkeit des bereits ausgeerzten Bereiches unterstützen.

Abbauverfahren mit stoßartiger Bauweise

Die Abbauverfahren mit stoßartiger Bauweise zeichnen sich durch die Einteilung der Lagerstätte in Streifen oder Stöße aus, die in flacher Lagerung nebeneinander und in steiler Lagerung übereinander liegen. Erst wenn ein Stoß vollständig abgebaut ist, wird mit dem Abbau des nachfolgenden Stoßes begonnen. Die wichtigsten Ausführungen dieses Abbauverfahrens sind der Stoßbau und der Firstenstoßbau. Diese beiden Varianten werden im Folgenden näher betrachtet.

Stoßbau

Beim Stoßbau werden nacheinander mehrere Meter breite Stöße aufgefahren. Die nachstehende Abbildung 6 zeigt anhand des Beispiels Erzbergwerk Meggen einen Stoßbau bei flacher Lagerung. Ausgehend von einer Strecke, die durch den Erzkörper aufgefahren wird, werden zu beiden Seiten der Strecke Stöße in Angriff genommen. Nachdem ein Stoß vollständig abgebaut wurde, wird er versetzt. Im Anschluss kann ein neuer Stoß angegriffen werden. Die Abförderung des Erzes erfolgt durch die mittlere Strecke.

Auch bei steiler Lagerung kann der Stoßbau eingesetzt werden. Diese besondere Art des Stoßbaus wird als abwärts geführter Stoßbau oder als Strossenstoßbau bezeichnet (Abbildung 7).Hierbei werden die einzelnen Stöße nicht nebeneinander sondern untereinander aufgefahren. Ausgehend von einer Wendelstrecke oder Rampe wird eine Strecke im Erzkörper aufgefahren. Im Erzkörper wird zudem ein Rollloch aufgefahren, durch das das Erz auf die tiefer gelegene Fördersohle verstürzt werden kann. Ist ein Stoß vollständig abgebaut, wird er versetzt und dient dem darunter zu gewinnenden Stoß als Firste . Der Versatz wird durch einen im Versatz mitgeführten Verschlag bis auf die zu versetzende Stelle transportiert. Allerdings gilt das Verfahren als verhältnismäßig leistungsschwach und teuer. Aus diesem Grund kommt es nur noch selten zum Einsatz.

Firstenstoßbau

Der Firstenstoßbau kann bei steilstehenden Erzlagerstätten eingesetzt werden. Ausgehend von einer Wendelstrecke (Abbildung 8) wird im Rahmen der Vorrichtung zunächst eine Gangstrecke aufgefahren, die den Erzkörper in seiner gesamten Mächtigkeit unterfährt. Die Gangstrecke ist meist durch eine Schwebe, das heißt durch einen stehen gelassenen horizontalen Lagerstättenstreifen, von der Förderstrecke getrennt. Ausgehend von der Gangstrecke bzw. von der nächst höher gelegenen Sohle werden vertikale Rolllöcher für das Erz und den Versatz erstellt.

Aus der Gangstrecke bzw. aus einem vorher erstellten Überbruch wird ein gerader Firstenstoß mit einer Höhe von bis zu 4 m aufgefahren. Dies geschieht mittels Bohr- und Sprengarbeit. Ist dieser Stoß abgebaut kann er versetzt werden und dient als Arbeitsebene für die Gewinnung des darüber liegenden Stoßes. So wird ein Stoß nach dem anderen angegriffen, bis die nächst höhere Sohle erreicht ist. Als Versatzarten kommen Spül-, Pump-, Sturz-, Blas- oder Schleuderversatz in Betracht.

Eine Sonderform des Firstenstoßbaus ist der so genannte Magazinbau. Das Verfahren ist nur bei sehr standfestem Nebengestein und einer regelmäßigen Ausbildung der Lagerstätte anwendbar. Der Abbau funktioniert prinzipiell wie beim Firstenstoßbau, allerdings dient hier das bereits gesprengte Haufwerk als Arbeitsebene für den Angriff des nächsten Stoßes (Abbildung 9). Da das gesprengte und damit aufgelockerte Gestein mehr Raum in Anspruch nimmt als das anstehende Gestein, muss ein Teil des Erzes durch Trichter auf die Fördersohle abgezogen werden. Es muss stets soviel Haufwerk abgezogen werden, dass ein ausreichend großer Arbeitsraum im Bereich des Firstenstoßes entsteht. Das Verfahren ist sehr leistungsfähig, allerdings ist ein großer Teil des verkaufsfähigen Wertminerals auf längere Zeit im Speicher gebunden.

Zudem ist das Verfahren nicht anwendbar, wenn das Material, wie bei einigen sulfidischen Mineralen der Fall, zur Selbstentzündung neigt oder wenn eine Veränderung des Speichergutes beispielsweise durch Oxidation auftritt, die eine Aufbereitung möglicherweise erschwert.

Literaturverzeichnis

[1] Reuther, E.-U.: Lehrbuch der Bergbaukunde
[2] Atlas Copco: Underground Mining Methods – Mining Methods case studies, a technical reference edition,
[3] Fotomaterial: http://web.uct.ac.za/depts/geolsci/dlr/hons2000/
[4] Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe: Verschiedene Artikel und Publikationen
[5] GibGas – Fahren mit Erdgas: Internetpräsenz http://www.gibgas.de/german/fakten/naturstoff_erdgas.html
[6] Bay. Sand- und Kiesindustrie: Schriftenreihe der bayrischen Sand- und Kiesindustrie, Heft 2
[7] Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe: Dr. Michael Kosinowski, Tendenzen auf dem Rohstoffmarkt eine Analyse der BGR
[8] Deutsches nationales Komitee des Weltenergierates: Energie für Deutschland – Fakten, Perspektiven und Positionen im globalen Kontext 2002
[9] DEBRIV: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 2003
[10] World of Mining Surface and Underground: Die Verfügbarkeit von Rohstoffen – insbesondere von fossilen Energieträgern, 04/2004
[11] Verein der Kohlenimporteure: Jahresbericht 2003
[12] Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe: Rohstoffwirtschaftliche Studie, 2002
[13] DEBRIV: http://www.debriv.de/zahlen/folien/grafik09.pdf
[14] Statistik der Kohlenwirtschaft e.V.: http://www.kohlenstatistik.de/ftp/BK-WELT.XLS
[15] Wirtschaftsvereinigung Bergbau: Nachfrage und Absatz von Steinkohle, http://www.wv-bergbau.de/
[16] USGS – United States Geological Survey: Iron Ore – Statistics and Information, Mineral Commodity Summaries 2005
[17] International Aluminium Institute: Aluminium production - www.world-aluminium.org/ production/
[18] Wirtschaftsvereinigung Metalle: Metallstatistik 2003
[19] Volker Lukas: Kali- und Steinsalz in Deutschland, Akademie der Geowissenschaften, Hannover, 2002, Veröffentlichung 20, (2002), S. 54-62
[20] IG BCE: Bericht I/2004, Kalibergbau und weiterer Nichtkohlenbergbau
[21] Deilmann-Haniel: Internetpräsenz der Firma Deilmann-Haniel, http://www.dh-ms.com
[22] Thyssen-Schachtbau: Thyssenschachtbau-Report 2004
[23] Thyssen-Schachtbau: TS Schachtbau und Bohren, Internetpräsenz http://www.schachtbau-bergbau.de/
[24] RKK-Soilfreeze Technology: About Ground Freezing, www.cryocell.com/AboutGF.html
[25] Deilmann-Haniel: Herstellung einer Wetterbohrung auf der Schachtanlage Heinrich Robert, Zeitschrift Unserer Betrieb, April 1992,
[26] Herrenknecht: Datenblatt VSM 8000 Shaft sinking machine 11/2004
[27] Orica: Internetpräsenz der Firma Orica, http://www.oricaminingservices.com
[28] DBT: Internetpräsenz der Firma DBT, www.dbt.de, Broschüre DBT Diesel FBR-15 Coal Hauler
[29] Atlas Copco: Internetpräsenz der Firma Atlas Copco, Photoarchiv, http://www.atlascopco.com
[30] Kali und Salz: Internetpräsenz der Firma K+S, Pressefotos, http://www.k-plus-s.com
[31] Deutsche Steinkohle AG: Internetpräsenz der Firma DSK, Bildarchiv http://www.deutsche-steinkohle.de
[32] Betek: Internetpräsenz der Firma Betek http://www.betek.de/
[33] Eickhoff: Bildmaterial der Firma Eikhoff Bergbautechnik GmbH
[34] Wirth: Internetpräsenz der Firma Wirt, http://www.wirth-europe.com, Broschüre RM T 1.24
[35] Parallelgraphics: Bildmaterial der Firma Parallelgraphics, http://www.parallelgraphics.com
[36] Voest Alpine Bergtechnik: Internetpräsenz der Firma Voest Alpine Bergtechnik http://www.vab.sandvik.com, Bildmaterial ASVA
[37] Herrenknecht: Internetpräsenz der Firma Herrenknecht http://www.herrenknecht.com
[38] Geo Kompakt: Geo Kompakt, Nr. 1, 2004, Die Geburt der Erde, Vom Werden und Vergehen der Gesteine, S. 89
[39] Steinkohle-Portal: Internetpräsenz http://www.steinkohle-portal.de
[40] DBT: Internetpräsenz der Firma DBT, www.dbt.de
[41] Halbach & Braun: Internetpräsenz der Firma Halbach und Braun, http://www.halbach-braun.de/
[42] Mining Magazine: Mining Magazine, Ausgabe Februar 2005 http://www.grundwasser-online.de