Einführung in die Rohstoffgewinnung

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

Nach dem bereits im Rahmen der Weiterbildung der AMS-Ausgabe 01/2013 mit der Einführung in die Rohstoffgewinnung begonnen wurde, erfolgt nun die Fortführung der verschiedenen Abbauverfahren des Themas „Abbau fester mineralischer Rohstoffe im untertägigen Bergbau.

Abbauverfahren mit pfeilerartiger Bauweise

Auch bei den Abbauverfahren mit pfeilerartiger Bauweise kann zwischen Verfahren bei flacher und steiler Lagerung unterschieden werden. Liegt eine Lagerstätte in flacher Lagerung vor, so kann hier der so genannte gewöhnliche Pfeilerbau eingesetzt werden, bei dem die einzelnen Pfeiler nebeneinander liegen. In steiler Lagerung wird hingegen der Teilsohlenpfeilerbau angewendet, bei dem die Pfeiler übereinander angeordnet sind. Diese beiden Abbauverfahren werden im Folgenden näher beschrieben.

Gewöhnlicher Pfeilerbau

Es existieren vielfältige Variationen des Pfeilerbaus, die sich im Wesentlichen hinsichtlich der Lage, des Verlaufes und des Abstandes der Pfeilerstrecken untereinander unterscheiden. Durch den Abstand der Pfeilerstrecken wird zwangsläufig die Pfeilerfläche festgelegt. Ein weiteres Unterscheidungskriterium ist die Dachbehandlung, die entweder in Form des Bruchbaus oder in Form des Versatzbaus erfolgen kann.

Die Pfeiler können dabei, wie in Abbildung 1 dargestellt, eine quadratische Grundfläche aufweisen. Allerdings sind auch rechteckige Grundflächen durchaus üblich. Die nachstehende Abbildung 2 zeigt einen Überblick über die beim Pfeilerbau notwendigen Arbeitsprozesse.

Die Pfeiler können dabei, wie in Abbildung 1 dargestellt, eine quadratische Grundfläche aufweisen. Allerdings sind auch rechteckige Grundflächen durchaus üblich. Die nachstehende Abbildung 2 zeigt einen Überblick über die beim Pfeilerbau notwendigen Arbeitsprozesse.

Die Pfeilerstrecken werden in einem oder mehreren Arbeitsgängen in ihrer Gesamtmächtigkeit aufgefahren. Zur Stabilisierung des Hangenden werden die Pfeiler stehen gelassen. Für das Auffahren der Pfeilerstrecken kommen Bohrwagen zum Einsatz, die die Lagerstätte horizontal oder vertikal abbohren. Das gesprengte Haufwerk wird mittels mobiler Technik abgefördert.

Im bergmännischen Sprachgebrauch muss zwischen Pfeilern und Festen unterschieden werden. Von ihrer Funktion sind beide im Wesentlichen identisch, sie unterscheiden sich nur dadurch, dass Festen dauerhaft stehengelassen werden, während Pfeiler nachträglich abgebaut werden.
Nach Art der Abbauführung ist der Pfeilerbau immer ein Rückbau. Bei der Vorrichtung werden die Pfeilerstrecken bis zu den Abbaugrenzen vorgetrieben. Das spätere Abbauen der Pfeiler wird im Rückbau realisiert. Das Zurückbauen der Pfeiler findet meist an vier bis sechs benachbarten Pfeilern gleichzeitig statt. Grundsätzlich wird darauf geachtet, dass sich eine im Ganzen möglichst grade Front des Bruches am Alten Mann ausbildet. Die Bruchfront kann diagonal oder parallel zu den Pfeilerstrecken voranschreiten (Abbildung 3).

Für den Abbau der Pfeiler gibt es eine Vielzahl von Vorgehensweisen. An dieser Stelle soll nur eine der Möglichkeiten erwähnt werden. Wird eine diagonale Bruchfront angestrebt, so kommt meist die so genannte Open End-Methode zum Einsatz. Der Pfeiler wird hierbei in mehreren geraden Stößen, mit der Reihenfolge entsprechend der Zahlen in Abbildung 4, hereingewonnen. Beim Hereingewinnen der Stöße wird ein Unterstützungsausbau (Bruchkästen) eingebracht, der wiederum geraubt wird, wenn der Stoß bis zum Alten Mann vorgedrungen ist. Ein vollständiger Abbau des Pfeilers ist nicht möglich.

Die nachstehende Abbildung 2 18 zeigt einen Pfeilerbau mit länglichen rechteckigen Pfeilern, bei dem Versatzbau angewandt wird. Die einzelnen Phasen des Abbaus sind in der Abbildung von rechts nach links dargestellt. Bei diesem Verfahren werden zunächst Lagerstättenstreifen einer bestimmten Breite abgebaut. Zwischen den einzelnen Abbauen bleiben Pfeiler stehen. Nachdem der Stoß abgebaut wurde, wird er mit Versatz verfüllt. In einem weiteren Arbeitsschritt können nach dem Aushärten des Versatzes die Pfeiler in gleicher Art abgebaut werden. Die Versatzbereiche funktionieren in diesem Fall als das Hangende abstützende Feste. Das Abbauverfahren ist aufgrund der hohen Kosten für das Einbringen des Versatzes nur für hochwertige Lagerstätten geeignet, bei denen die Abbauverluste durch die stehen gelassenen Festen möglichst gering gehalten werden sollen.

Teilsohlenpfeilerbau

Bei steilstehenden Lagerstätten unterschiedlicher Mächtigkeit ist der Teilsohlenpfeilerbau sehr verbreitet. Im Hinblick auf die Dachbehandlung ist der Teilsohlenbruchbau die am häufigsten auftretende Variante. Aber auch ein Einsatz von Versatz ist möglich.
Die Vorrichtung für dieses Abbauverfahren beginnt mit dem Auffahren und Verbinden zweier Teilsohlen ausgehend von einer Wendelstrecke. Der übliche Abstand zweier Teilsohlen liegt bei 5 bis 15 m und ist abhängig von den geologischen Gegebenheiten. Die zwischen den Teilsohlen gelegenen Pfeiler werden im Rückbau durch Bohr- und Sprengarbeit hereingewonnen. Die Pfeiler zwischen den Teilsohlen werden mittels Bohrwagen über ihre gesamte Mächtigkeit abgebohrt und im Anschluss gesprengt. Das so entstandene Haufwerk kann über die darunter liegende Teilsohle abgezogen werden. Da das Gestein durch den Einfluss der Schwerkraft nachbricht, ist es wichtig, dass das Nebengestein eine ausreichende Standfestigkeit aufweist, damit zusätzliche Verunreinigungen des Erzes und damit einhergehend eine Verdünnung vermieden werden kann.

Abbauverfahren mit kammerartiger Bauweise

Bei den Abbauverfahren dieser Bauweise werden kammerartige Abbauhohlräume geschaffen. Das umliegende Gebirge wird durch stehen gelassene Festen abgestützt. Durch diese Festen, die nicht nachträglich abgebaut werden, entstehen unvermeidliche Abbauverluste. Die auftretenden Abbauverluste können wie in Abbildung 7 dargestellt berechnet werden. Dabei wird jeder Feste eine identische Fläche zugeordnet. Das Verhältnis der Festenfläche zu dieser Fläche beschreibt die auftretenden Abbauverluste.

Abbauverluste = ((26m x 26m)/(42m x 42m))x 100% = 38%

Die Abbauverluste bei den hier angenommenen Dimensionen für die Festen und Örter belaufen sich auf rund 38%.
Die Festen müssen umso größer dimensioniert werden, je tiefer der Abbau liegt und desto weniger standfest das umgebende Gebirge ist. Von den weltweit angewendeten Abbauverfahren mit kammerartiger Bauweise sollen im Folgenden der Örter- und Kammerbau sowie der Weitungsbau näher betrachtet werden.

Örterbau

Diese Bauform ist gekennzeichnet durch das Auffahren von lang gestreckten Abbauräumen mit streckenähnlichen Abmessungen, so genannte Örter. Die Breite der Örter richtet sich nach der Standfestigkeit des Gebirges, die Höhe ist meist an die Mächtigkeit der Lagerstätte angepasst. Die einzelnen Örter verlaufen parallel zueinander und kreuzen sich rechtwinklig oder schräg.

Das Wertmineral wird mittels Bohr- und Sprengarbeit gewonnen und mit mobilen Transportgeräten nach übertage gefördert. Der Örterbau ist in Deutschland im Kalisalzbergbau der flachen Lagerung im Werra-Fulda-Gebiet anzutreffen. Hierbei weisen die Örter eine Breite von 16 m und eine Höhe von 4 m auf. Die quadratischen Festen haben eine Kantenlänge von 26 m. Die nachstehende Abbildung 10 zeigt das Schema eines Örterbau im Kalisalzbergwerk Hattorf. Die Abbaufront verläuft pfeilförmig. Zum Auffahren der Örter wird zunächst ein 5 m breites Ort mit Einbruch auf Großbohrloch (? 280 mm) hergestellt. Im zweiten Arbeitsgang wird das Ort auf die endgültige Breite von 16 m erweitert. Im internationalen Raum wird der Örterbau häufig in untertägigen Gewinnung von Steinkohle (USA) eingesetzt.

Kammerbau

Beim Kammerbau werden regelmäßig geformte, meist rechteckige Abbauräume aufgefahren. Die Abmessungen von Kammern sind deutlich größer als die von Örtern, zudem werden Kammern in mehr als einem Arbeitsgang hergestellt. Im Vergleich zu einer Weitung sind die Abmessungen der Kammern vor Beginn des Abbaus festgelegt. Die Kammern sind umgeben von Festen oder Pfeiler, die die Standsicherheit des Abbauhohlraumes sicherstellen. Im Hinblick auf die Dachbehandlung ist beim Kammerbau sowohl der Festenbau als auch der Versatz- oder Bruchbau anzutreffen. Abbildung 11 zeigt einen Kammerbau auf dem Steinsalzbergwerk Borth.

Die Kammern werden zunächst mit einem Marietta Miner mit einer Mächtigkeit von 2,75 m und einer Breite von rund 8 m aufgefahren. Zur Absicherung der Kammer werden Firstanker gesetzt. In einem zweiten Arbeitsschritt wird diese Kammer mit dem Marietta Miner in zwei weiteren Schnitten auf eine Breite von 20 m erweitert. In der Abbildung in grün dargestellt sind das Schneiden des Strossenkeils und damit die Erweiterung der Kammer auf eine Höhe von 17,25 m. Ist der Strossenkeil erstellt kann mit dem Strossen begonnen werden. Hierzu werden Strossenbohrwagen eingesetzt, die das Wertmineral in der Kammer vertikal abbohren. Nachdem das Salz gesprengt wurde, kann es mittels mobiler Technik aus der Kammer transportiert werden.

Weitungsbau

Im Gegensatz zum Kammerbau ist der Weitungsbau durch unregelmäßig geformte Abbauräume gekennzeichnet. Weitungen sind Abbauräume, deren Abmessungen durch die Struktur und Standfestigkeit der Lagerstätte und des Nebengesteines abhängig sind und daher zu Beginn des Abbaus nicht exakt festgelegt werden können. Aus Sicherheitsgründen dürfen Weitungen nicht betreten werden. Der Verhieb findet somit auch nicht in der Weitung statt, sondern von horizontalen Strecken am Rand der Weitung aus.

Die Weitung wird von Teilsohlen aus durch Bohren und Sprengen hergestellt. Dabei sind fächerförmig abgebohrte Sprengbohrlöcher mit einer Länge von 40 m und mehr die Regel. Der Abstand der Teilsohlen richtet sich nach der maximal möglichen Bohrlochlänge und der dabei erreichbaren Zielgenauigkeit. Der Weitungsbau tritt in den Varianten mit und ohne Versatz auf.

Abbauverfahren mit blockartiger Bauweise

Bei den Abbauverfahren mit blockartiger Bauweise werden quaderförmige Lagerstättenteile in Angriff genommen. Voraussetzung für dieses Verfahren ist eine in alle Richtungen ausgedehnte Lagerstätte mit mäßiger Standfestigkeit. Im Hinblick auf die Dachbehandlung ist der Blockbruchbau die wichtigste Variante. Die nachstehende Abbildung 2 25 zeigt das Prinzip eines Blockbruchbaus.

Die Ausrichtungsgrubenbaue um- und unterfahren die Lagerstätte und berauben damit dieser ihren Widerlagern. Das Wertmineral innerhalb des unterfahrenen Blockes bricht infolge der Schwerkraft von selbst herein. Beim Unterschneiden des Blockes werden Fördertrichter angelegt, durch die ein Abziehen des Minerals möglich ist. Der Vorteil des Blockbruchbaus sind die sehr niedrigen Gewinnungskosten bei einer sehr hohen Leistung. Entwickelt wurde das Verfahren im Norden der USA. In den Wintermonaten, in denen ein Abtransport des abgebauten Erzes aufgrund der zugefrorenen Seen nicht möglich war, wurden die Umfahrungen und Unterfahrungen mehrer Blöcke vorgenommen. In den Sommermonaten konnte dann das Erz aus den Blöcken in großen Mengen entnommen werden.

Literaturverzeichnis

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