Der Untertagebau: Entwicklung und Techniken

Der Untertagebau in der Antike

Liegen Erzvorkommen eines Rohstoffes unter einer Deckschicht aus wirtschaftlich uninteressantem Boden oder Gestein, so ist es ab einer gewissen dicke dieser Deckschicht wirtschaftlich sinnvoller, einen Einstiegstunnel durch diese Deckschicht in Richtung der Erzvorkommen zu bohren, als die Deckschicht abzutragen. Ein solches Verfahren der unterirdischen Rohstoffgewinnung wird als Untertagebau bezeichnet. Die Anfänge des Untertagebergbaus liegen bereits in der Jungsteinzeit, wobei bereits vor über 7500 Jahren Feuersteinbergbau betrieben wurde. Aus etwa 8 Meter tiefen Schächten wurden diese Rohstoffe in bergmännischer Arbeit gewonnen. Vermutlich fuhren die Bergleute an Seilen in die kleinen Gruben ein. Wenn ein Schacht abgebaut war, wurde einige Meter weiter ein neuer gegraben und der alte mit dem Abraum des neuen verfüllt. Dieses Verfahren ist quasi der Übergang vom Tagebau zum Untertagebau. In der einfachsten Form wird ein Stollen oder ein Tunnel in den Berg oder Boden gegraben, wobei die gesamte Versorgung des Untertagebaus über diesen Tunnel erfolgt, wobei anfangs nur Handwerkzeuge wie Schaufeln, Hämmer und Meißel benutzt wurden. In der Frühzeit des Untertagebaus bestand somit die Aufgabe des Stollens darin, dem Bergmann einen Zugang zu den Rohstoff-Vorkommen zu schaffen, und gleichzeitig für eine hinreichende Sauerstoff-Zufuhr zur Abbaustelle zu sorgen, um dort eine Fackel zum Beleuchten des Tunnels brennen zu lassen, und natürlich den Bergmann vor dem Ersticken zu bewahren. Diese einfachen technischen Mittel waren jedoch stark limitierend, so dass bald als zusätzliche Aufgabe hinzukam, den Untertagebau frei von Wasser zu halten, um Stollen auch unter das Grundwasserniveau zu treiben.

Neue Sitten erfordern neue Techniken

Der Bergbau erlebte signifikante Veränderungen im mittelalterlichen Europa. Durch die metallenen Rüstungen der Ritter, die bis zu 50kg wiegen konnten, stieg der Bedarf an Metallen, allen voran Eisen stetig an. Dies führte gegen Ende des Mittelalters zu einer Krise, als die Stollen mit der damaligen Technik nicht tiefer in den Felsen hineingetrieben werden konnten. Einen weiteren Technologiesprung im Untertagebau gab es im 17. Jahrhundert, als erstmals in Ungarn mittels Schwarzpulver Stollen in den Fels hineingesprengt wurden.

Der Untertagebau heute

Heute gleicht ein Untertagebau einer modernen Fertigungsfabrik, die Arbeitsgänge sind weitestgehend automatisiert und werden mit entsprechender maschineller Unterstützung durchgeführt. Trotz aller modernen Technik besteht die Kernaufgabe immer noch darin, einen Tunnel oder einen Stollen in den Berg oder den Boden zu treiben, um Erzlagerstätten zu erreichen und diese wirtschaftlich abzubauen. Sowohl das Erz als auch der Abraum oberhalb der Lagerstätte müssen durch den Abstiegstunnel nach oben abtransportiert werden, das zum Abbau benötigte Material, die Luft und Energie müssen durch diesen Tunnel (oder zusätzliche Versorgungsstollen) an den Abbauplatz unter Tage gefördert bzw. gebracht werden.

Der Abstiegstunnel oder Stollen kann entweder gegraben, gesprengt oder gebohrt werden, wobei sich das Graben für eher weichen Untergrund und das Sprengen besonders für harte Felsen eignet. Beim Vorantreiben eines Abstiegstunnels in eine Untertagemine ist darauf zu achten, dass dieser Tunnel die einzige "Lebensader" der Untertagemine ist und daher besonders gegen Einsturz gesichert werden muss. Dabei bieten moderne Tunnelbohrmaschinen den Vorteil, dass diese neben dem Bohrkopf (der ähnlich wie bei einer RC-Bohrung das abgetragene Material im Inneren des Bohrers nach hinten fördert) über Anlagen zur Verschalung des Tunnels verfügen, um den gebohrten Tunnel gegen Einsturz zu sichern. Allerdings sind solche Tunnelbohrmaschinen sehr teuer und eignen sich besonders für Großprojekte, in denen diese Kosten in einer vernünftigen Relation zum Aufwand stehen.

Da die Temperatur durchschnittlich um ca. 3°C je 100m Tiefe steigt, kann es im Untertagebau ganz schön heiß werden, wenn in Tiefen von 800 – 1000m unter der Oberfläche die Temperatur schnell in den Bereich von 40-50°C steigt. Um bei dieser Hitze die teils immer noch körperlich schwere Arbeit unter Tage erträglich zu machen, ist die Belüftung von Untertageminen eine der wichtigsten Aufgaben. Auch diese Luft muss (zumindest solange keine weiteren Versorgungsstollen vorhanden sind) durch den Einstiegstunnel geleitet werden. Während die Bergleute bis ins letzte Jahrhundert Kanarienvögel mit Untertage nahmen, da diese Tiere sehr sensibel auf Sauerstoff-Mangel bzw. Grubengase reagieren, kann die Qualität der Luft heute sicher und zuverlässig mit entsprechenden Sensoren erfasst werden. Der Abbau des Erzes erfolgt heute in der Regel durch gezielte Sprengungen. Dazu werden in einer Fläche Bohrungen angebracht, in denen die Sprengladungen platziert werden. Im Anschluss wird das so herausgesprengte Erz von der Abbaustelle nach oben befördert. Das Erz wird dann mittels Grubenbahnen, welche entweder elektrisch, per Druckluft oder mit Dieselmotoren betrieben werden, an die Oberfläche bzw. bis zur nächsten Verladestation gebracht. Dabei haben Grubenbahnen den Vorteil, dass sie relativ klein und kompakt gebaut werden können und somit auch für niedrige und/oder enge Stollen geeignet sind. Dort wo Sprengungen aus Sicherheits- oder Kostengründen nicht möglich oder sinnvoll sind, wird das Erz mittels druckluftbetriebenen Meißeln in harter, körperlicher Arbeit aus dem Fels geschlagen.

Nachdem das Erz eines Stollens komplett abgebaut ist, wird dieser Stollen in der Regel wieder mit Abraum verfüllt, um die Gefahr eines Einsturzes der darüberliegenden Schichten zu reduzieren.

Eine weitere Herausforderung liegt darin, einen Wassereinbruch in einen Untertagebau zu vermeiden. Zur Wasserhaltung nutzt der Bergmann verschiedene Verfahren und Methoden. Zum einen eine Abdämmung oder Zurückhaltung des Wassers, damit es nicht in die Grubenbaue eindringen kann, zum anderen das Entfernen von Wasser aus dem Untertagebau mittels Pumpen und Rohrlei-tungen bzw. Sammelgefäßen. Zusätzlich kann der natürliche Abfluss des Wassers durch entsprechende Ablaufbohrungen unterstützt werden. Gerade bei der Wasserhaltung (ähnlich wie bei der Grubenbelüftung) kann ein Ausfall des Systems zu schweren Schäden an Mensch und Maschine führen, wobei der Aufwand, einen einmal vollgelaufenen Stollen wieder zu entwässern in der Regel so hoch ist, dass sich dies wirtschaftlich betrachtet nicht lohnt. Daher sind im Wassermanagement sowie in der Luftversorgung die Systeme oft redundant ausgeführt, d.h. es gibt zwei unabhängige Systeme, so dass bei dem Ausfall eines Systems zumindest ein Erhalt des Untertagebaus gesichert werden kann. Darüber hinaus besteht in einzelnen Untertagebau-Bergwerken, insbesondere beim Abbau von Kohle, die Gefahr von Explosionen und Grubenbränden. Auch hier liegt wieder die Hauptaufmerksamkeit in der Überwachung der Luft in der Grube, welche vom Bergmann als "Wetter" bezeichnet wird, um rechzeitig zündfähige Grubengas-Luft-Gemische (meist ist das brennbare Gas Methan) oder explosionsfähige Kohlenstaubkonzentrationen zu erkennen.

Zusammenfassend ergeben sich beim Untertagebau vier Hauptrisiken:

• Sauerstoffmangel (Ersticken durch Grubengase)
• Explosionen oder Feuer
• Einsturz eines oder mehrerer Stollen
• Wassereinbruch in das Bergwerk

Auch wenn sich diese Risiken niemals vollständig ausschließen lassen, so zeichnet sich eine gute Untertagebau-Mine dadurch aus, dass man sich dieser Risiken bewusst ist und entsprechende Schutzmaßnahmen trifft, um diese Risiken zu minimieren.

Ihr Manuel Giesen