Bergwerke sicher überwachen

Es war eine Geschichte, die um die Welt ging: 33 Bergleute wurden in der Kupfer- und Goldmine St. José am 5. August 2010 verschüttet. Erst nach rund 69 Tagen voller Hoffen und Bangen konnten sie aus der Tiefe im Norden Chiles gerettet werden. Der Vorfall mit dem glücklichen Ausgang zeigt: Auch heute noch ist Bergbau mit Risiken vor allem für Minenarbeiter aber auch für die Zivilbevölkerung verbunden. Eine Nachwuchsforschergruppe des Instituts für Geophysik der Universität Hamburg forscht an Lösungen, die eine frühzeitige Warnung vor Gefahren ermöglichen könnten. Vor wenigen Monaten startete das Projekt Mining Environments (MINE), das im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Programms gefördert wird.

Die Mitarbeiter des Projektes wollen ein System entwickeln, das die Daten verschiedener Messinstrumente bündelt und dank neuer Auswertungsmethoden genauere Erkenntnisse über den Zustand des Gesteins in und um die Minen ermöglicht. Gold-, Kupfer- oder Kohleminen könnten so besser charakterisiert und Spannungsveränderungen des Gesteins in Echtzeit erkannt werden.

Die Grafik zeigt seismische Ereignisse (farbige Punkte) im Jahre 2003 in der finnischen Pyhäsalmi Mine. Die Farbe gibt den Zeitpunkt des Ereignisses und die Größe seine Stärke an. Der in der Mine abgebaute Erzkörper ist schematisch in grau dargestellt. (Quelle: www.norsar.no)

Herausforderung: die lokale Ebene

Schon vor dem Projektstart wussten die Forscher um eine Herausforderung: Untersuchungsinstrumente wie das Seismometer würden in der Seismologie zur Aufzeichnung von Erdbeben meist in großen Entfernungen zum Erdbebenherd genutzt, sagt der Leiter des Forschungsteams, Dr. Simone Cesca. Im Projekt finde die Technik jedoch Anwendung, um Erkenntnisse über vergleichsweise kleinräumige Gebiete wie Bergwerke und Minen zu gewinnen. Welche Eigenschaften das lokale Gestein hat, wird dadurch zu einer wichtigen Größe. „Durch den Abbau entstehen in Bergwerken Hohlräume. Sie bilden für seismische Wellen Hindernisse, um die sie herumlaufen. Auch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten, mit der Gesteine die Wellen weitergeben, machen im kleinen Raum viel aus – sie verändern den Charakter der Wellen. Das macht Vorhersagen, wie die Wellen im Minengebäude verlaufen, sehr schwierig. Das müssen wir berücksichtigen“, erläutert Cesca. „Auf viele Kilometer Entfernung fällt der Hohlraum praktisch nicht ins Gewicht. Die Eigenschaften der unterschiedlichen Gesteine würden sich, salopp formuliert, mitteln“, ergänzt Projektpartner Dr. Dirk Becker.

Wie man diese Schwierigkeiten lösen kann, darauf wollen die Forscher in den nächsten knapp drei Jahren von MINE Antworten finden.

Aufbau des Projektes

Im Vorhinein prüften die Forscher eine Vielzahl statistischer und seismischer Daten. Anhand derer entwickelten sie ihre Methodik, erstellten grundlegende Modelle für die Analyse von Minen und bestimmte Algorithmen zur Datenauswertung.

Die aktuelle Arbeit des Projektes spaltet sich auf in insgesamt vier Bereiche. Im ersten Arbeitspaket wird eine Software entwickelt, die den kontinuierlichen Datenstrom der verschiedenen Messinstrumente verarbeiten kann. Neben Seismometern werden zum Beispiel auch akustische Sensoren, Temperaturmessungen und Daten der Oberfläche (GPS) gesammelt. „Wir versuchen, möglichst viele unterschiedliche Datensätze zu bündeln, um herauszufinden, was in der kleinen Region vorgeht“, sagt Cesca. Außerdem werden Kriterien entwickelt, die es der Software ermöglichen, seismische Ereignisse automatisch in bestimmte Kategorien einzuordnen.

Über die genaue Analyse und Interpretation der aufgezeichneten Wellenformen sollen in einem weiteren Arbeitspaket Rückschlüsse auf den Erdbebenherd gewonnen werden. Das sei ein Novum, erläutert Projektpartner Becker. „Bisher gibt es keine Software, die das Zurückberechnen der Wellen in diesem speziellen lokalen Rahmen leistet“, erläutert er. Die Problematik dieser Aufgabe wurde bereits weiter oben skizziert. Um möglichst genaue Rückschlüsse auf die geologischen Strukturen in und um die Mine herum ziehen zu können, sollen auch kleine nur lokal messbare Erdbewegungen ausgewertet werden.

Im Arbeitspaket drei analysiert das Team statistische Daten, etwa um zu überwachen, ob sich in bestimmten Teilen eines Bergwerkes Erdbewegungen häufen oder ob sich ihr Auftreten in einem vorher definierten Zeitrahmen erhöht. Im Zusammenspiel mit Temperatur- und Deformationsmessungen soll so ein möglichst genaues Bild der Spannungen im Gestein entstehen. „Vor allem Zugspannungen können zu Mikrorissen und Klüften im Gestein führen. In der Folge können Teile der Mine oder der Lagerstätte instabil werden und zusammenbrechen“, erläutert Becker. Ebenfalls in diesem Bereich wird eine visuelle Oberfläche für das System entwickelt.

In das vierte Arbeitspaket fällt Simone Cescas Aufgabe, alle Projektteile und Partner zu koordinieren und eine Metadatenbank für Ereignisse in den Untersuchungsgebieten zu erstellen. Dass alle Teile zum Abschluss ineinandergreifen, darauf muss der Leiter schlussendlich ein waches Auge haben.

Ziele und Anwendung

Wenn das Team vorankomme wie gewünscht, stehe am Ende des Projektes im Jahr 2013 ein Prototyp, sagt Cesca. Der könne die ankommenden Datenströme in Echtzeit aufnehmen, automatisch auswerten, in 3D-Modelle visualisieren und als Überwachungssystem in Bergwerken oder Lagerstätten eingesetzt werden. Außerdem müsse das System flexibel auf Veränderungen in seinem Einsatzgebiet reagieren. „Das Gestein ist immer in Bewegung. Unser Prototyp muss mit diesen Veränderungen zurechtkommen“, betont Cesca. Durch das beständige Monitoring weise das System frühzeitig auf Spannungsänderungen hin und könne Betreibern im Idealfall entscheidende Zeit verschaffen, um auf Veränderungen und damit mögliche Gefahren zu reagieren.

Anwendungsgebiete für ein solches System gibt es viele. Etwa in Goldbergwerken in Südafrika oder auch in Frankreich. Dort gebe es beispielsweise eine Firma, die Salz unter Tage auslauge, also schon im Untergrund in Wasser löst, um dieses dann an die Oberfläche zu fördern, erzählt Becker. Ist die Lösung abgepumpt, wird der Bereich kontrolliert kollabiert. „Das System könnte hier Voraussagen treffen, wie das Gebiet zusammenbricht und den Vorgang damit sicherer machen.“

Simone Cesca, 38 Jahre jung, koordiniert ein solches Projekt zum ersten Mal. Er ist dankbar für die Möglichkeit, die das Fördersystem in Deutschland, zum Beispiel in Form des GEOTECHNOLOGIEN-Programms, bietet. „Es ist eine Gelegenheit als Wissenschaftler, aber auch persönlich zu wachsen. Es gibt nicht viele Länder, in der ein solches Projekt möglich wäre. Darüber freue ich mich sehr“, betont Cesca.

CP, iserundschmidt 03/2011

Weitere Informationen zum Projekt MINE finden Sie hier.  Am Projekt MINE beteiligen sich die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) Hannover, das GeoForschungsZentrums Potsdam (GFZ) sowie die norwegische Forschungsgesellschaft NORSAR. Ihre Datensätze für Vorarbeiten erhielten die Forscher von einem finnischen Eisenbergwerk und verschiedenen deutschen Salzbergwerken.