Stofftransport in gefluteten Untertagebergwerken

Schadstoffreduzierung durch Prognose und kontrollierte Einleitung

Einleitung

Bergbauliche Aktivitäten stellen ein Gefahren- und Schadstoffpotential dar und wirken sich im Allgemeinen negativ auf die Stoffströme im Bergwerksumfeld aus. Damit einhergehend entstehen kontaminierte Grubenwässer, indem leicht lösliche Phasen im entwässerten und dem Luftsauerstoff ausgesetzten Gebirge und Grubenhohlraum durch Sickerwässer mobilisiert werden. Vor allem in ökologisch sensiblen Systemen können diese Prozesse im Bergwerksumfeld zu irreversiblen Schäden in der Bio- und Anthroposphäre führen.

Sobald sich ein Bergwerk nicht mehr rentabel betreiben lässt, wird es, in Abhängigkeit von der Bergwerksgeometrie, verschlossen oder durch Abstellen der Grubenwasserhaltung geflutet. Aufgrund von Erfahrungen werden sich im gefluteten Bergwerk hydrodynamische Bedingungen einstellen, die entweder zu einer Durchmischung oder aber zu einer Überschichtung des kontaminierten Grubenwassers durch relativ unkontaminiertes Grubenwasser führen. Dies scheint unabhängig davon zu sein, ob das Grubengebäude gesteuert oder ungesteuert geflutet wird. Nach Flutungsende kann das austretende Grubenwasser schließlich folgende Charakteristika aufweisen:

• Unkontaminiert
• Anfangs stark kontaminiert, danach schnell abfallende Schadstoffkonzentrationen
• Anfangs stark kontaminiert, danach langsam abfallende Schadstoffkonzentrationen
• Ständig hoch kontaminiert

Ursächlich sind für dieses Verhalten die folgenden Faktoren verantwortlich:

• Geochemische Zusammensetzung des Gebirges und abgebauten metallischen Rohstoff
• Chemische Zusammensetzung der dem Grubengebäude zusitzenden Sickerwässer
• Chemische Zusammensetzung von Versatzstoffen
• Lagerungsverhältnisse des Gebirges (Klüftung, Porosität)
• Art des bergmännischen Vortriebs und der Gewinnung
• Hydrodynamische Verhältnisse
• Geometrie und Abbauvolumen des Grubengebäudes
• Dauer des Abbaubetriebes

Ganz offensichtlich haben die erstgenannten Faktoren einen entscheidenden Einfluss auf den Stoffaustrag aus dem Grubengebäude, wohingegen die beiden letztgenannten Faktoren zunächst weniger offensichtlich sind.

Arbeitsziel

Um bergbaubedingte Schäden in der Hydrosphäre zu beseitigen, oder um Wasser­aufbereitungsanlagen zu betreiben, sind große finanzielle Mittel aufzubringen. Modellvorstellungen, mit denen sich die hydrodynamischen Verhältnisse und daraus resultierend der Schadstoffaustrag prognostizieren ließen, stellen somit einen bedeutenden Beitrag zur Ökologie und Ökonomie von bestehenden und künftigen Bergwerksanlagen dar.Wie bereits bekannt ist, hat die Art des bergmännischen Vortriebs erhebliche Auswirkungen auf die spätere chemische Zusammensetzung des austretenden Grubenwassers. Bislang jedoch gibt es keine umfassenden wissenschaftlichen Untersuchungen zur Frage, inwieweit sich die Grubengeometrie sowie eine Flutungssteuerung auf das Schadstoffpotential und den Stofftransport im Bergwerk und dessen Umfeld auswirkt. Das vorliegende Projekt soll diese Lücke schließen und für untertägige Erzbergwerke ein Modell entwickeln, mit dem die

• Prognose des Schadstoffaustrags und des hydrodynamischen Regimes aus einem zu flutenden Untertagebergwerk in Abhängigkeit von der Grubengeometrie und
• Aussagen zur Minimierung des Schadstoffaustrags durch Einbau untertägiger Barrieren ermöglicht werden. Dazu sind stochastische sowie numerische Methoden (letztere in Teil­bereichen), Tracerversuche und in-situ Messungen notwendig.

Die zu klärenden Fragen sind daher:

• Mit welchen Methoden und Randbedingungen lässt sich der Schadstoffaustrag aus einem zu flutetenden Untertagebergwerk verlässlich vorhersagen?
• Welche Kriterien zur Beurteilung des Schadstoffpotentials sind anwendbar?

Im Umkehrschluss können Untertagebergwerke anhand der Ergebnisse des Projekts so angelegt werden, dass nach der Flutung des Bergwerks ökologische und ökonomische Folgelasten auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden.

Methoden

Um die Schadstoffausbreitung in einem gefluteten oder zu flutenden Untertagebergwerk vollständig numerisch zu modellieren und die Randbedingungen optimal einzusetzen, wären eine große Anzahl von Parametern notwendig. Diese lassen sich jedoch in den meisten Fällen nicht in ausreichender Genauigkeit gewinnen. Vor allem zeigen analytische, numerische und experimentelle Untersuchungen an einfachen Strömungsmodellen, dass es großräumig betrachtet zu chaotischen Bedingungen kommen kann, so dass das Strömungsfeld nicht mehr vorhersagbar ist. Aus diesen Gründen sollen statt numerischer Methoden stochastische und empirische Methoden sowie Tracerversuche herangezogen werden. Um die Datenbasis für diese Untersuchungen zu gewinnen, werden in zahlreichen Untertagebergwerken die folgenden Daten gewonnen:

• physiko-chemische Zusammensetzung des Grubenwassers an verschiedenen Lokalitäten und zu unterschiedlichen Zeiten
• teufenabhängige physiko-chemische in-situ Messungen in gefluteten Schächten
• Strömungsfeld mittels Tracerversuchen
• Grubenrisse und -geometrie
• Umfeldgeologie (Geologie, Mineralogie, Geochemie, Hydrogeologie)

Mittels empirischer Vergleiche der vorgenannten Parameter und stochastischer Berechnungen sind die unterschiedlichen Untertagebergwerke hinsichtlich ihres Schadstoffpotentials und der Grubengeometrie zu klassifizieren und die Ergebnisse zu verifizieren.

Ergebnisse

Aus den Ergebnissen der empirischen und stochastischen Auswertungen lassen sich dann Aussagen zu folgenden Punkten treffen:

• Anlage eines Untertagebergwerks, um den Schadstoffaustrag nach Flutungsende minimal zu halten
• Minimierung des Schadstoffaustrags durch den Einbau von Barrieren
• Größenordnung des Schadstoffaustrags nach Flutungsende
• Art der Durchmischung (konvektiv oder diffusiv) des Grubenwassers im Untertagebergwerk nach Flutungsende
• Zeitraum, nach dem mit einem signifikanten Rückgang des Schadstoffaustrags zu rechnen ist

Somit liefern die Ergebnisse des Projekts einen Beitrag dazu, durch richtige Planung oder den Einbau technischer oder chemischer Barrieren, die ökologischen und ökonomischen Folgelasten eines Untertagebergwerks auf ein Minimum zu reduzieren.

Die Arbeit wurde am 9. März 2006 abgeschlossen, Ende 2006 verteidigt und Anfang 2008 publiziert.