Der Bergbau lebt!

4. Internationales Kolloquium zur sprengstofflosen Gesteinsgewinnung

Rund 130 Spezialisten waren der ­Einladung des Instituts
  für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg zum 4. Internationalen Kolloquium „Sprengstofflose Gesteinsgewinnung“ vom 14. – 17.11.2012 in Freiberg/Sachsen gefolgt (Bild 1). Es versteht sich als ein spezielles Fachforum für den Bergbau, Spezialtief- und Tunnelbau sowie für die Bauindustrie. Veranstalter dieser im Rhythmus von vier Jahren stattfindenden Tagung ist die 2007 gegründete „Internationale Universität der Ressourcen“, der die Freiberger Bergakademie als Gründungsmitglied angehört. Integriert in das Kolloquium war das 4. Internationale Protodjakonov-Kolloquium, das seit 2008 alle zwei Jahre abwechselnd in Dnepropetrovsk/Ukraine und Freiberg durchgeführt wird. Der russische Bergbauingenieur Protodjakonov (1874 – 1930) gilt als Begründer einer bis heute verwendeten, praktischen Klassifikation von Gestein.

Wissenschaftler aus 15 europäischen Universitäten (neben Deutschland Bulgarien, Italien, Rumänien, Russland, Ser­bien und Ukraine), aber auch aus China, Vietnam und Thailand sowie Vertreter von Unternehmen nutzten die Chance zum fachübergreifenden Informationsaustausch auf den Gebieten Geomechanik, schneidende Gewinnung, Bohrtechnik und Aufbereitung (Bild 2). Ressourceneffizienz war auch auf diesem Kolloquium ein Hauptthema, hier als ressourceneffizienter Rohstoffabbau zu verstehen. Die Referenten stellten neue Methoden zur vollmechanischen Gesteinsgewinnung und die damit erzielten Untersuchungsergebnisse vor. Ziel aller Bemühungen ist es, Optimierungen hinsichtlich der Abbau- und Förderleistungen, der Staubentwicklung und des Werkzeugverschleißes zu erreichen.

Der Rektor der Bergakademie, Magnifizenz Prof. Dr.-Ing. Bernd Meyer (Bild 3) hob in seinem Grußwort hervor, dass das Kolloquium ein sehr spezielles und wichtiges Thema des Bergbaus behandelt und der Austausch wissenschaftlich-praktischer Lösungen heute wichtiger ist als denn je. „Bergbau kann zukünftig nur erfolgreich sein, wenn die Belange der Ressourcenschonung und des Umweltschutzes Beachtung finden. Und so wird Material- und Energieeffizienz auch auf dem 1. Weltforum der Universitäten am 30.10.2013 in St. Petersburg/Russland anlässlich der Gründung der dortigen Bergbauuniversität vor 240 Jahren ein großes Thema sein“, so seine Magnifizenz. Das Weltforum für Nachhaltigkeit der Ressourcenuniversitäten war im Juni 2012 in Freiberg gegründet worden; ihm gehören heute bereits 80 Universitäten an. Zweck dieses Forums ist die Verankerung hoher, der nachhaltigen Entwicklung verpflichteten Standards in der Ausbildung von Bergingenieuren weltweit.

Forschungen zur maschinellen Gewinnung

Prof. Prof. e. h. Dr. Dr. h. c. mult. Carsten Drebenstedt (Bild 4), Direktor des Instituts für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg, gab in seinem Eröffnungsvortrag zunächst einen Überblick über den Bergbau in Deutschland, der entgegen der landläufigen Meinung auch heute ein wichtiger Wirtschaftszweig ist. Immerhin steht Deutschland an 12. Stelle im letzten Bericht über die Weltbergbaudaten. Hauptbergbauprodukte sind dabei Braunkohle, Steinkohle, Kalisalz, Kalk und Tonerde. Deutschland verfügt auch über eine lange Tradition bei der Entwicklung und Herstellung der notwendigen Bergbautechnik. Prof. Drebenstedt nahm die Gelegenheit wahr, sein Institut und die Möglichkeiten, an der Bergakademie Freiberg ein Studium in bergbautechnische Disziplinen zu absolvieren, zu präsentieren. Außerdem stellte er verschiedene Forschungsprojekte vor, die sich mit der Ressourcenplanung, der Modellierung im Tagebau und der Visualisierung des Gewinnungsprozesses beschäftigen. Denn „vollmechanische Abbauverfahren sind (zwar) hocheffizient und erreichen hohe Abbau- und Förderleistungen, durch den ständigen Kontakt des Werkzeugs mit dem Gestein entsteht jedoch besonders viel Staub und ein unerwünscht hoher Feinkornanteil.“ Daher sind Forschungen zur Optimierung zwingend erforderlich.

Mit der „Optimierung des Schneidprozesses und der Prognose der relevanten Arbeitsgrößen bei der Gesteinszerstörung unter Berücksichtigung des Meißelverschleißes“ beschäftigte sich Dr.-Ing. Maxim Vorona (Bild 5), Montan Bildungs- und Entwicklungsgesellschaft, Zeitz. Er untersuchte dazu den Einfluss von Schnittwiderstand, Andruck- und Seitenkraft auf die Schneidkennwerte wie Schnitttiefe, spezifischen Energieverbrauch, Stückigkeit des Materials und den Staubanteil.

Über die Besonderheiten der Braunkohlenlagerstätte ­Hambach (NRW), in der Toneisenstein (Siederit/FeCO3 eingebettet in harte Tonschichten) den Abbau der Kohle erschwert, referierte Dr. Stefan Strunk, RWE Power AG, Essen (Bild 6). Die Bereiche mit Toneisenstein verursachen beim Abbau und bei der Förderung große Probleme: es sind hohe Grabkräfte erforderlich, um das Gestein zu lockern, es entstehen hohe Vibrationen, die scharfkantigen Gesteins­blöcke führen schnell zur Zerstörung der Bänder und die Maschinenleistung beträgt oft nur 40 % der normalen Leistung. Der Referent zeigte Lösungswege für diese Probleme, für die zunächst eine Analyse der Zerstörung der Toneisenschichten vorgenommen werden musste. Eine Vielzahl an maschinellen und technologischen Veränderungen, z.B. die Entwicklung völlig neuer Schaufeln für den Schaufelradbagger oder der Einsatz von gummiabgefederten Elementen und Stahl­blechen bei den Förderbändern sowie die Entwicklung von Reparaturstreifen, die schnelle Reparaturen zulassen, wurden vorgenommen. Wenngleich bisher nur geringe Leistungssteigerungen bezüglich der Kohleförderung und des Abbaus des Toneisensteins erreicht wurden, so sind jedoch die  Stillstandszeiten der Förderbänder deutlich vermindert worden.

Prof. Viktor Atrushkevich, Staatliche Bergbau-Universität, Moskau/Russland berichtete über die „Entwicklung sprengstoffloser Technologien für die Erz- und Kohlegewinnung“ und betonte, dass Abbautechnologien vielschichtige Prozesse sind, die eine enge Verbindung von technischen und organisatorischen Lösungen erfordern. Mit dem Ziel, die Effizienz des Untertage-Kohleabbaus im Kusbassrevier in Sibirien zu erhöhen, wurde eine mechanisch-hydraulische, energiesparende Methode entwickelt, die der Referent vorstellte.

Über Grundlagenuntersuchungen berichtete Dipl.-Ing. Ulf Kirsten in seinem Beitrag „Experimentelle Untersuchungen der schlagenden Gesteinszerstörung zur Beschreibung des Bohrens in Hartgestein“, um grundsätzliche Aussagen zum bruchmechanischen Verhalten bei einer äußeren Beanspruchung und zur erforderlichen Energie für die Gesteinszerstörung treffen zu können. Dazu wurden Fallwerksversuche an unterschiedlichen Probengesteinen (Quarzit, Rhyolith und Gabbro) durchgeführt und die Struktur und Eigenschaften der Gesteine, das Eindringverhalten, das Kratervolumen, die spezifische Energie und die Korngrößenverteilungen ermittelt. Dadurch wurden wichtige Aussagen über die Einsatzbedingungen von Schneidstoffen in dem neuen Anwendungsfeld der tiefen Geothermie möglich. Auf­nahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera zeigten die Zerstörungsmechanismen unter atmosphärischen Bedingungen. Außerdem wurden dynamische Effekte sowie die Auswirkung von Auftreffgeschwindigkeiten auf den Zerstörungsprozess untersucht. Die Arbeiten sollen mit weiteren Gesteinen, auch sedimentären Ursprungs bei Variation der Geometrie und des Materials der Schlagelemente fortgeführt werden.

Einen gut strukturierten Überblick über technologische ­Verfahren und die technischen Ausrüstungen für die Gesteinsgewinnung in der Bergbauindustrie gab Dipl.-Ing. Christoph Kuchinke, RWTH Aachen. Er ging auf die wichtigsten Faktoren ein, die die Entwicklung von Bergbaumaschinen beeinflussen wie z.B. die Lage des Abbaugebietes, die Abbaumethode, die Gesteinsart oder die Energieübertragung. Neben den Sprengmethoden sind es vor allem die mechanischen Verfahren wie Schneiden, Schälen, Jarring (Fallbohren) und auch die nichtmechanischen Methoden wie Flammenschneiden bzw. der Einsatz nichtmechanischer „Werkzeuge“ (Temperatur, Wasserstrahlen, Ultraschall) sowie thermoelektrische oder chemische Methoden. Durch Betrachtung aller bekannten Energieträger und Maschinen ist es dem Referenten gelungen, eine Klassifizierung der Technologien vorzunehmen.

Die Gestaltung der Werkzeuge als wichtige Einflussgröße für eine effektive mechanische Gesteinsgewinnung waren Inhalt zweier weiterer Vorträge: Dipl.-Ing. Andreas Keller, TU Bergakademie Freiberg: „Effekte der Werkzeugaktivierung“ und B. Grosso, Università degli Studi di Cagliari/Italien: „Zum Problem der Wasserstrahlwirkung auf die mechanischen Werkzeuge bei der Gewinnung von mittelhartem Gestein“.

Dr.-Ing. X. Bui (Bild 7), Universität Hanoi/Vietnam referierte über den Abbau von Titanseifen in Vietnam und stellte die Chancen und Herausforderungen dar. Während in der Vergangenheit das Rohhaufwerk aus Vietnam exportiert wurde, beginnt man jetzt mit eigener Forschung, um eine größere Verarbeitungstiefe zu erreichen und höherwertige Konzentrate auf den Markt zu bringen. Dabei wird eine nachhaltige Titangewinnung angestrebt. Neben der Forschung ist auch ein Masterplan für die Erkundung, den Abbau und die Aufbereitung zu erstellen. Außerdem ist das staatliche Management der Lizenzierung und des Erzverbrauchs zu verbessern.

Aktuelle Forschungs- und Entwicklungsvorhaben

Am zweiten Konferenztag kamen vornehmlich ausländische Autoren zu Wort, wie z.B. Paul van Helden (Bild 8), Vermeer EMEA AV’s-Heer Arendskerke/Niederlande, der „Neuste Fortschritte bei der Oberflächenabbautechnik“ in einem beeindruckenden Überblick vorstellte. Seit mehr als 10 Jahren bietet Vermeer Bergbautechnik in einem breiten Sortiment an und exportiert Tagebauanlagen in über 100 Länder. Mit den Maschinen der Baureihe Terrain Leveller ist durch Einsatz von Laser und GPS ein zentimetergenaues Arbeiten ohne Sprengen und Bohren und eine Zerkleinerung auf  etwa ≤ 300 mm möglich. Es wurden verschiedene Maschinen gezeigt, beispielsweise die Flächenfräse T1655 TL als größtes Aggregat, das vor allem für so riesige Lagerstätten wie  in Australien (Eisenerz) entwickelt wurde und bei einer Walzenbreite von 4,5 m und einer Antriebsleistung von 894,8 kW eine maximale Schnitttiefe von 71 cm aufweist (Bild 9 und Bild 10).

Prof. D. Ignjatovic, Universität Belgrad/Serbien referierte über die „Auswirkungen der Optimierung der Schneidelemente auf die Effizienz von Schaufelradbaggern“, eine wichtige Thematik für den Kohlebergbau Serbiens, da das Vorkommen in den dortigen Tagebauen noch  über 4 Mrd. t beträgt. Es wurden verschiedene Einflussgrößen untersucht, z.B. die Auslegung der Baggerschaufeln und über die ­Modellierung der Schaufelkonstruktion eine Optimierung vorgenommen. Der Autor bezeichnete diese Vorgehensweise als gutes Beispiel für die Industrieforschung in Serbien.

Einen Überblick über die Forschungen der letzten 13 Jahre zur sprengstofflosen Gewinnung von Gesteinen und Kohle im Tage- und Tiefbau an der Technischen Universität ­Petrosani/Rumänien, Abteilung Bergbautechnik gab Dr. I. Kovacz. Aus den wissenschaftlichen Untersuchungen im Labormaßstab an Testmaschinen wurden Schneidwerkzeuge aber auch neue Zahnradformen für Schaufelradbagger sowie eine asymmetrische Schaufel entwickelt. Eine neue Tagebautechnologie im Chalkovskij-2-Tagebau erläuterte Prof. A. Cherep von der Staatlichen Bergbau-Universität Dnepropetrovsk (Ukraine) und Dr.-Ing. Doral Gusant, Nord-Universität Baia Mare/Rumänien referierte über „Stetigförderer in der Salzlagerstätte Ocna Dej – eine neue Darlegung der Abbautechnologie“. 2015 wird in Ocna Dej die 3. Sohle, in über 100 m Tiefe erreicht. Noch wird der Abbau durch Bohren und Sprengen realisiert, aber bei einer Fördermenge von 400 000 t/a besteht großes Interesse an einer sprengstofffreien Technologie.

Eine etwas nur gelegentlich behandelte, aber nicht weniger wichtige Thematik erörterte Dr.-Ing. habil. S. W. Kalchuk, Staatliche Universität Zhytomir/Ukraine: „Untersuchungen zur Rissausbreitung bei der Gewinnung von Architekturbausteinen unter Anwendung sprengstoffloser Verfahren“. Diese Bausteine müssen natürlich besonders sorgfältig geschnitten werden. Von den etwa 300 Steinbrüchen mit geeignetem Material werden bisher erst 164 genutzt. Dr. Kalchuk stellte unterschiedliche Abbautechnologien vor, die auf den Ergebnissen der Rissbildungsprozesse basieren und zeigte, dass das hydraulische Keilverfahren am günstigsten ist.

Eine ähnliche Problematik behandelte Prof. J. Agafonov, Staatliche Bergbau-Universität Moskau/Russland in seinem Beitrag „Technologie des Abbaus von Naturwerkstein in strukturkomplizierten Kalksteinlagerstätten“. Da der Einsatz von Sprengstoff in den zahlreichen Kalksteintagebauen um Moskau mit komplizierter Struktur zu einem unrentablen Abbau und schlechten Steinqualitäten führt, ist die sprengstofflose Gewinnung topaktuell. Dabei sind die Besonderheiten dieser Lagerstätten zu berücksichtigen. Erprobt wurden Löffelbagger, hydraulischen Baggern, Teilschneidmaschinen mit Ausleger und Schälmaschinen.

Olena Sdvyzhkova (Bild 11), Staatliche Bergbau-Universität Dnepropetrovsk (Ukraine) beschäftigte sich abschließend in ihrem Referat „Sicherstellung der Gesteinsstabilität während der Entfernung der Strebbauausrüstung“ mit der digitalen Simulation der Belastung des Gebirgskörpers. Die Berechnungen erfolgten für vier bogenförmige und rechteckige Kammern. Das Fazit: die Erfahrungen, die mit den Kammern gemacht wurden sind positiv, wobei die Bogenkammer nicht sehr bequem, aber wirkungsvoll ist.

Sonderprogramm

Den Abschluss der Veranstaltung bildete eine Exkursion in das Lehr- und Forschungsbergwerk „Himmelfahrt-Fundgrube“ und die Besichtigung des Versuchsstandes „Schneidende Gewinnung“ des Instituts für Bergbau und Spezialtiefbau, über den an anderer Stelle berichtet wird.

Resümee

In seinem Schlusswort stellte Prof. Drebenstedt heraus, dass die Konferenz eine gute Mischung von Forschung, Entwicklung und Anwendung darstelle, über deren Ergebnisse sich die Fachleute austauschen konnten (Bild 12). Die Beiträge hätten klar gezeigt, dass man die einzelnen Prozesse der Gesteinsgewinnung als Gesamtheit betrachten müsse und die verschiedenen Verfahren je nach Anwendungsfall ihre Berechtigung haben. Fragen der Sicherheit, der Gesundheit und des Umweltschutzes dürfen nicht außer Acht gelassen werden. „Es steht in unserer Verantwortung, all diese Aspekte in unsere Technologien einzuschließen. Negative Bergbaufolgen dürfen nicht auftreten!“ so Prof. Drebenstedt. Über die Beiträge der Konferenz wird an der TU Bergakademie Freiberg ein Sammelband erscheinen.

Die nächste Konferenz „Sprengstofflose Gesteinsgewinnung“ wird im Jahr 2016 in Freiberg stattfinden. Im Rahmen der Feierlichkeiten zur 250. Wiederkehr der Gründung der Bergakademie Freiberg 2015 wird es eine große Bergbaukonferenz geben.

Autor: Dr. Brigitte Hoffmann, Fachbüro für Abfallberatung und Umweltschutz, Oberschöna/Deutschland
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