Der in Ensdorf an der Saar gelegene Haldenkomplex der Bergehalde Duhamel mit angrenzendem Absinkweiher, ist mit einer Höhe von etwa 140 m auf einer Fläche von ca. 77 ha, eine der größten Bergehalden des ehemaligen Steinkohlenbergbaus im Saarrevier. Die Halde Duhamel, entstanden durch den Betrieb des Bergwerks Saar, ist von infrastrukturellen Einrichtungen und Wohnbebauung umgeben.
Die Zunahme von Extremniederschlagsereignissen machte für den Endzustand der Halde erstmalig eine Gefährdungsanalyse erforderlich. In einem Pilotprojekt wurde gemeinsam mit den zuständigen Behörden ein Konzept zur ganzheitlichen Analyse der Starkregengefahr entwickelt (100-jährlich, 1% jährliche Eintrittswahrscheinlichkeit), welches die Themen oberflächlich abfließende Wasser, Erosion und Standsicherheit behandelt. Die Modellierung des Oberflächenabflusses und der dadurch entstehenden temporären Fließwege und Überflutungsflächen bei Starkregen wurde mittels 2D-hydrodynamischem Modell durchgeführt. Durch die entstandene Starkregengefahrenkarte konnte die Bereiche identifiziert werden, die von einer aus der Halde resultierenden Überflutung besonders betroffenen wären.
Auf Basis dieser Daten und Annahmen zur Bodenoberfläche direkt nach der Sanierung (vegetationslos) bzw. aus Kornverteilungskurven des Haldenmaterials wurde ein Erosionsmodell aufgesetzt, um den Abtrag und die Ablagerung von Feinmaterial während dieses Starkregens konkret zu verorten.
Zur Einschätzung der Auswirkungen eines Starkregenereignisses auf die Sickerwasserlinie wurde eine Berechnung der Sickerwassergeschwindigkeit und -menge (Perkolation) des in den Haldenkörper infiltrierenden Wassers durchgeführt. Mit den auf dieser Grundlage und im Vergleich mit Pegelmessungen ermittelten maximalen Haldenwasserständen erfolgten analytische und numerische Standsicherheitsuntersuchungen.

Die Ergebnisse der Gefährdungsanalyse dienen dazu, den Sanierungsprozess und den Endzustand risikomindernd zu planen. Die in Bezug auf Standsicherheit, Oberflächenabfluss sowie Erosion und Deposition kombinierte Gefährdungsanalyse einer komplexen Haldensituation kann zukünftig als Konzept für vergleichbar herausfordernde Projekte herangezogen werden.

Methanemissionen aus Steinkohlebergwerken stellen eine relevante Quelle klimawirksamer Gase dar. Auch nach Beendigung des aktiven Steinkohlebergbaus diffundiert Methan weiterhin über Schächte, Bohrungen, Klüfte oder Störungen an die Oberfläche und in die Atmosphäre. Vor dem Hintergrund der EU-Verordnung 2024/1787, die eine kontinuierliche Erfassung und Minderung dieser Emissionen fordert, gewinnt der Grubenwasseranstieg als gezielte Gegenmaßnahme zunehmend an Bedeutung.

Eine besonders effektive Maßnahme zur Reduktion von Methanemissionen ist der kontrollierte Anstieg des Grubenwassers. Steigt das Wasser in den ehemaligen Bergwerken an, überstaut es sukzessive die methanführenden Kohleflöze. Dadurch entsteht ein hydrostatischer Druck, der den Gasaustritt physikalisch verhindert. Ab einem bestimmten Wasserstand übersteigt der Wasserdruck den Gasdruck im Flöz – die Methanfreisetzung kommt nahezu vollständig zum Erliegen. Zusätzlich wirkt das Wasser als Diffusionsbarriere, da die Ausbreitung von Methan in Wasser um Größenordnungen langsamer erfolgt als in Luft.

Begleitend ermöglicht ein integriertes Monitoring – bestehend aus hydrologischen, geochemischen und isotopenanalytischen Methoden – ein gezieltes Verständnis des Ausgasungsverhaltens. So lassen sich Emissionsquellen identifizieren und gegebenenfalls gezielt regulieren.

Der Grubenwasseranstieg leistet damit nicht nur einen aktiven Beitrag zur Einhaltung europäischer Klimaschutzvorgaben, sondern fungiert zugleich als geotechnische Maßnahme mit hohem Steuerungspotenzial für diffuse Emissionen. In Kombination mit technischen Verfahren zur Erfassung und Nutzung von Grubengas, auch bei niedrigen Konzentrationen, entsteht ein wirkungsvoller Ansatz zur Emissionsminderung im Nachbergbau.

Mit dem Ende des Steinkohlenbergbaus im Ruhrrevier beginnt die Nachbergbauzeit. Sie ist gekennzeichnet durch Maßnahmen zum ordnungsgemäßen Abschluss des Bergbaubetriebs. Die damit notwendigerweise verbundenen Umweltveränderungen beeinflussen weiterhin die Region. Die sogenannten Ewigkeitslasten umfassen verschiedene Entwicklungen im Nachbergbau, so auch den Gruben- bzw. Grundwasserwiederanstieg. Aufgrund des Zeithorizonts als Ewigkeitslast bezeichnet, stellt sich die Frage, nach welchen Parametern der Wiederanstieg des Grundwassers gesteuert werden kann.

Um sinnvoll steuern und eine Gefährdungsabschätzung auf einer stabilen Datenbasis treffen zu können, muss das hydrogeologische System des Münsterländer Kreidebeckens möglichst genau verstanden sein. Das Ruhrrevier entspricht dem südlichen Rand des Münsterländer Kreidebeckens. Die Bergbauzone ist geologisch im Karbon erschlossen und aufgrund der vielen Bergwerke, Bohrungen usw. geologisch umfangreich erkundet. Der Fokus des Bergbaus lag historisch jedoch auf der Ressource Kohle und nicht der hydrogeologischen Beschreibung des Untergrunds.

Zudem ist die geologische Datenlage außerhalb der Bergbauzone des Steinkohlenbergbaus deutlich weniger umfangreich. Im Rahmen der Diskussion zur Platzierung neuer, tiefer Grundwassermessstellen rückte die hydrogeologische Funktion der Schichtenfolge des Cenomans und Turons (C/T) innerhalb des regionalen, beckenweiten Grundwasserfließsystems in den Vordergrund.

Neben dem Neubau tiefer Grundwassermessstellen außerhalb der unmittelbaren Bergbauzone im C/T und im Karbon wurde die stufenweise Erstellung eines Grundwasserströmungsmodells für das Münsterländer Becken vorgeschlagen.

Aufgrund der Komplexität, der Besonderheiten, die bestehende Datenlage zu vereinheitlichen und daraus ein auf unterschiedlichen Betrachtungsmaßstäben aussagekräftiges Modell zu erstellen, wurde ein abgestuftes Vorgehen unter Beteiligung der Akteure vorgeschlagen.

Ziel ist es, mit dem Konzeptmodell die Datengrundlage zusammenzutragen, auf deren Basis unterschiedliche Szenarienberechnungen durchgeführt werden können. Im Ergebnis soll das Konzeptmodell ein verbessertes Verständnis des gesamten Grundwasserfließsystems im Münsterländer Kreidebecken liefern und den bergbaulich beeinflussten Bereichen des Karbons. Es bildet so die Grundlage für ein Grundwassermodell, mit dem die Auswirkungen des Grubenwasseranstiegs in verschiedenen Szenarien überprüft und verglichen werden können.

Der Schlüsselstollen ist der Hauptentwässerungsstolln des Mansfelder Reviers, über den ca. ca. 250 kt/a an Salzen und ca. 150 t/a Zink sowie jeweils 2 – 3 t/a Cu und Pb der Saale zugeführt werden, was dort zur Überschreitung der UQN-Werte für Zink im Sediment führt.

Es wurde untersucht, ob sich die o.g. Metalle elektrochemisch abscheiden lassen bzw. ob eine Abtrennung mittels des RODOSAN(R)-Verfahrens möglich ist und welcher Aufwand für eine Entsalzung mit begleitender Erzeugung von Chlor, Natronlauge/Soda und Wasserstoff zu erwarten wäre. Dabei zeigte sich, dass die Abreinigung mittels galvanischer Abscheidung von Zn, Cu und Pb nicht befriedigend verläuft. Die Abtrennung mittels RODOSAN(R)-Verfahren gelingt hingegen sehr gut bei Restkonzentrationen im Bereich von 10 – 20 µg/L (1/1000 der Ausgangskonzentration) bei einem spezifischen Energieaufwand von ca. 1 kWh/m³ (Technikumsversuche).

Die weitergehende Teilentsalzung erfordert dagegen einen bedeutend höheren energetischen Aufwand, würde aber u.a. die Erzeugung von bis zu 160 kt/a HCl oder 158 kt/a Cl₂, 7 kt/a Wasserstoff und 25 kt/a CaCO₃ zulassen bei einem Bedarf von bis zu 200 kt/a CO₂, das in Form von NaHCO₃ gebunden oder (nach einer weiteren Prozessstufe) auch in Form von Natriumhydrogencarbonat gewonnen werden kann. Unsere Untersuchungen zeigen, dass dabei ein sehr reines Produkt hergestellt werden kann. In ähnlicher Weise lässt sich auch sog. Kreislaufwasser (NaCl/CaCl₂-Lösung) aus dem klassischen Solvay-Verfahren zur Gewinnung von Soda aus Steinsalz/Kalk und Koks unter Gewinnung von Natriumhydrogencarbonat entsalzen, wobei wiederum Calciumionen in CaCO₃ überführt werden, was eine Form des CCS (carbon capture and storage) darstellt. Die Ableitung solcher Wässer in die Vorflut führt in Mitteldeutschland ebenfalls zu erheblichen Umweltproblemen.

Die elektrochemische Behandlung saliner Wässer ist daher auch unter dem Aspekt des CCS von Interesse. Zunehmend rückt auch die Abtrennung von Arsen, Blei, Zink und anderen störenden Ionen bei Solebadeanstalten in den Fokus der Behörden. Auch hierfür ist das Verfahren anwendbar.

Mit dem Temperaturtiefenprofil in der Hand erkunden wir mit Schachtkamera und ROV (Remotely Operated Vehicle) die ehemalige untertägige Arbeitswelt. Ziel ist es, die Ursachen und somit Interpretationsansätze der gemessenen Signale zu untersuchen. Mit zunehmender Teufe ändern sich die Anforderungen an Technik und Herangehensweise und es stellt sich die Frage: Welche Orte lassen sich mit einem kabelgebundenem Tauchfahrzeug erreichen? In dieser Session, zur Kassel25, begeben wir uns auf den langen Weg zu kartierten Dämmen und in einer Teufe von 225m befahren wir außerdem eine Pumpenkammer. Tauchfahrten in geflutete Bergwerksschächte 4.0.

Die Knauf Gips KG plant den untertägigen Abbau einer Gipslagerstätte im Raum Altertheim in der Nähe von Würzburg im Kammer-Pfeiler-Bau. Zur Bewertung potenzieller Auswirkungen auf die hydrogeologischen Verhältnisse – insbesondere auf die Mittleren Dolomite, einen bedeutenden Grundwasserleiter für die Trinkwasserversorgung – wurden von der DMT umfassende geowissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt. Dazu zählen Bohrungen, geohydraulische Tests, chemisch-mineralogische Analysen und Laugungstests.

Im Rahmen dieser Arbeiten wurde ein gekoppeltes reaktives Stofftransportmodell mit COMSOL Multiphysics entwickelt, das die Wechselwirkungen zwischen Grundwasserströmung, Gipsauflösung und der Entwicklung der Kluftöffnungsweiten realitätsnah abbildet. Das Modell stützt sich auf Labor- und Felddaten, darunter hydrogeochemische Analysen, Durchlässigkeitsbeiwerte und Batch-Tests zur Gipsauflösung. Das numerische Modell ermöglicht die Simulation zeitlich variabler Veränderungen der Kluftgeometrie. Die Ergebnisse zeigen, dass die durch Gipsauflösung verursachten Änderungen der Kluftöffnungsweite selbst nach vielen Jahrzehnten sehr gering sind und sich auf den Einstrombereich der repräsentativen Klüfte fokussieren. Die Auswirkungen auf die Durchlässigkeit der Klüfte ist ebenfalls sehr gering – ein relevanter Aspekt für die Planung des Bergwerks und den Schutz empfindlicher Wasserressourcen.

Die Modellierung erlaubt eine quantifizierte Bewertung der Gipsauflösung und ihrer hydraulischen Effekte in sulfatführenden Gesteinen. Sie trägt wesentlich zum Verständnis geochemisch-hydraulischer Prozesse bei und liefert eine belastbare Grundlage zur vorausschauenden Bewertung möglicher Auswirkungen auf den regionalen Grundwasserhaushalt. Damit wird ein wichtiger Beitrag zur dauerhaften Sicherung der Trinkwasserversorgung im Umfeld des geplanten Bergwerks geleistet.

Das Grubenwassermanagement stellt eine der größten Herausforderungen in Bergbaufolgelandschaften dar. In diesem Zusammenhang kommt den Entwässerungsstollen eine zentrale Bedeutung zu, deren Instandhaltung für eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung entscheidend ist. Um die Funktionsfähigkeit des tiefsten und längsten Entwässerungsstollens im ehemaligen Freiberger Revier (Sachsen, Deutschland) sicherzustellen, erfolgt seit März 2021 die Sanierung dieses sogenannten Rothschönberger Stollns. Dieser Stollen ist sowohl für stabile geotechnische als auch hydraulische Verhältnisse im gesamten Revier sowie an der Tagesoberfläche von entscheidender Bedeutung.

Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeiten zwischen natürlichen Karstlandschaften und anthropogen geschaffenen Grubenbauen etablieren wir das Konzept des „anthropogenen Karsts“. Dieses ermöglicht es uns, mithilfe von Methoden der Karsthydrologie die hydraulische Reaktion des Rothschönberger Stollns auf Prozesse wie Niederschlag, Schneeschmelze und anthropogene Eingriffe zu untersuchen.

Der Simulationszeitraum von 2015 bis 2023 wird hierbei von insgesamt vier verschiedenen linearen Speichermodellen simuliert, wobei eine Unterteilung in einen anthropogen unbeeinflussten Zeitraum von 2015 bis 2020 sowie einen durch Sanierungsarbeiten beeinflussten Simulationszeitraum von 2021 bis 2023 erfolgt. Letzterer umfasst unter anderem die wöchentliche Aufstauung und kontrollierte Abgabe von Grubenwasser mithilfe eines unterirdischen Stauraums.

Die Ergebnisse zeigen, dass der Modellansatz mit linearen Speichermodellen eine rechnerisch effiziente Methode zur Simulation der Grubenwasserdynamik des Rothschönberger Stollns darstellt und dass etablierte Methoden der Karsthydrologie auf künstliche Strukturen und technische Eingriffe im Untergrund angewendet werden können.

Der Klimawandel erfordert eine umfassende Transformation aller CO₂-emittierenden Sektoren, auch der Bergbausanierung der LMBV einschließlich deren Wasserbehandlung. Das Ziel Deutschlands und der gesamten EU ist es, bis 2045 die netto CO₂-Emmisionen bis auf null zu senken.

Die Wasserbehandlung von bergbaubeeinflussten Fluss-, See- sowie gehobenen Grundwässern ist auf verschiedene Weise mit der Emission von CO₂ verbunden. Diese resultieren, aus

• dem Energieverbrauch für den Abbau, die Aufbereitung und den Transport von Kalkprodukten,

• der thermischen Abtrennung von CO₂ aus den Feststoffen im Falle der Branntkalkherstellung,

• der Freisetzung der CO₂-Komponente aus karbonatischen Neutralisationsmitteln bei deren Lösung im Wasser und

• dem für die Applikation der Neutralisationsmittel benötigten Energiebedarf (Anlagenbetrieb, Schiffsdiesel etc.).

Die Applikation erfolgt im Wesentlichen durch In-Lake-Neutralisation in Bergbaufolgeseen (BFS) oder durch Wasserbehandlungsanlagen (WBA) oder Grubenwasserreinigungsanlagen (GWRA) sowie in Flusswasserkläranlagen zur Behandlung azidischer Grund-, Fluss- und Sickerwässer. Die in den einzelnen Phasen der Neutralisationsmittel (NM)-Applikation freigesetzten CO₂-Mengen wurden quantifiziert und den einzelnen NM-Arten sowie den verschiedenen Applikationsarten zugeordnet.

In den Jahren 2015 bis 2022 wurden von der LMBV 280.000 t kalkbasierte Neutralisationsmittel im Rahmen der In-Lake-Neutralisationen (77 %) sowie in den Wasserbehandlungsanlagen (23 %) eingesetzt. Insgesamt wurde dadurch im Betrachtungszeitraum 188 kt CO₂ freigesetzt.

Es wurde herausgearbeitet, dass durch den Brennprozess bei der Herstellung von Branntkalk und Kalkhydrat vergleichsweise viel CO₂ freigesetzt wird. Zudem ist bei den Teilschritten der Herstellung, des Transports und der Applikation die Art der Stromerzeugung der zur Anwendung kommende Energie entscheidend.

Insgesamt wird bei der Wasserbehandlung von BFS mittels In-Lake-Technik weniger CO₂ emittiert als bei der Wasserbehandlung in WBAs und GWRAs.

Auf Basis der fertiggestellten CO₂-Bilanz werden nun Maßnahmen zur Minderung des CO₂-Fußabdrucks der Wasserbehandlungsmaßnahmen der LMBV geprüft bzw. Optimierungen zum NM-Verbrauch umgesetzt.

Mit dem Critical Raw Materials Act (CRMA), den die Europäische Union am 3.5.2024 verabschiedet hat, soll die Industrie für eine einheimische Evaluierung kritischer Rohstoffe beispielsweise durch Recyclingmaßnahmen oder einem Screening bestehender oder neu anfallender bergbaulicher Reststoffe (z.B. Halden) sensibilisiert werden. Untersuchungen belegen, dass u.a. die Absetzbecken des ehemaligen Anthrazit-Bergwerks in Ibbenbüren nennenswerte Mengen an kritischen und wertvollen Metallen enthalten. Auch Grubenwasserschlämme des ehemaligen Erz-Bergwerks Meggen im Sauerland wurden beprobt.

Die verfahrenstechnische Machbarkeit einer direkten Rohstoffgewinnung aus getrockneten Grubenwasserschlämmen durch Plasmareduktion wurde in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien (Düsseldorf) geprüft. Es konnte gezeigt werden, dass diese Methode einen Großteil des im Grubenwasserschlamm enthaltenen Eisens als hochreines Eisenpellet klimaneutral extrahiert werden kann. Gleichzeitig reichert sich in der anfallenden Restschlacke die weiteren ursprünglich im Grubenwasserschlamm enthaltenen Metalle an. Seltene Erden konnten beispielsweise um den Faktor 100 gegenüber dem Grubenwasserschlamm angereichert werden.

Eine Weiterentwicklung dieser Technologie hinsichtlich ihrer Energieeffizienz und Formiergasverbrauchs sowie im Hinblick auf ein Upscaling des gesamten Prozesses kann eine Lösung der im CRMA formulierten Ziele sein: Bergbauliche Reststoffe wie beispielsweise Grubenwasserschlämme, können direkt bei ihrer Entstehung aufbereitet und verwertet werden, um eine Deponierung dieser Schlämme zu reduzieren. Dadurch, dass die Entsorgung und damit die entsprechenden Kosten reduziert werden können, kann die Vermarktung des hochreinen Eisens als Rohstoff für die Produktion von grünem Stahl einen Teil der Extraktionskosten kompensieren. Eine denkbare Vermarktung der an kritischen Metallen einschließlich Seltenen Erden angereicherten Schlacke stellt eine zusätzliche Gewinnmöglichkeit dar.