Lehrgänge - kassel24

Die Rolle der Erstspülung (First Flush) für den Sanierungsbergbau – Untersuchungen an einem gefluteten Uranbergwerk in Sachsen und einem analogen Grubenwassermodell

In der Regel werden Untertagebergwerke nach deren Stilllegung und dem Rückbau geflutet. Dabei kommt es durch das aufsteigende Grubenwasser zu Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein und somit zur Verwitterung von Primärmineralen und der Lösung von Sekundärmineralen. Dies verändert die Wasserqualität des Flutungswasserkörpers. Beim Austritt des Grubenwassers in die Hydrosphäre verschlechtert sich zunächst dessen Qualität, um sich nach einem bestimmten Zeitraum zu verbessern, wobei sich dieser über Jahren bis Jahrzehnte erstrecken kann. Fast alle gefluteten untertägigen Bergwerke zeigen eine zeitliche Änderung der Wasserqualität, welche als First Flush oder Erstspülung bezeichnet wird. Ausgehend von der Dauer der Flutung lässt sich die Zeit bis zum Ende der Erstspülung abschätzen, also der Zeitpunkt, ab dem sich die Wasserqualität nur noch unwesentlich ändert, wobei die Dauer des First Flush etwa das Vierfache des Flutungszeitraumes beträgt (Younger 1997; 2000). Eine hohe Vorhersagegenauigkeit für die Entwicklung der Wasserqualität ist für gutes Grubenwassermanagement sowie die Planung und den Bau von Grubenwasserreinigungsanlagen essentiell (Wolkersdorfer 2021).

Membrane-based decentralized reclamation of acid mine drainage for improvement of water security and mitigation of environmental impacts in Southern Africa (MAMDIWAS)

Despite government efforts to get mining companies to take responsibility to ‘clean-up’ mine water leachate, mine dumps, and slime dams, outflows of the generated metal-rich acidic liquid effluents (acid mine drainage, AMD) continue to pollute the water systems in Southern Africa. To address this challenge, this project aims to develop a purpose-oriented, flexible, and renewable energy powered membrane-based water treatment system. This should be specifically adaptable to different regional mining conditions and aim at both reuse of water and recovery of recyclables to meet local needs. In addition, targeted governance and capacity building measures will be developed and implemented to enable wider application of the technology and integrated water resource management strategies.
Three representative mining sites will be selected for the detailed case studies to be carried out in the main phase and a strategy, concept and work plan will be established for the development of (a) a decentralized technical system for water and resource recycling from AMD, powered by renewable energy and adaptable to local conditions, (b) a water management system based on the technical solution, taking into account the local circular economy, environment and socio-economic aspects, (c) effective governance mechanisms and regulatory and legislative frameworks to achieve sustainable water and resource recycling from AMD, (d) transferable capacity building and governance strategies for wastewater treatment and discharge and waste management, taking into account local and state regulations and the impact of (potential) regional and transboundary conflicts.

Flutungsmodellierung von untertägigen Steinkohlebergwerken mit finite-Elemente Methode

Nach der Stilllegung von Steinkohlebergwerken unter Tage stellt der Grundwasserwiederanstieg eine Herausforderung für den Nachbergbau dar. Von besonderem Interesse sind die zeitliche Entwicklung des Wiederanstiegs und der stationäre Grundwasserspiegel nach Abschaltung der Pumpen. Gängige Grubenwasseranstiegsmodelle wie pond-and-pipe Modelle verwenden einen Finite-Volumen-Ansatz, bei dem der gesamte Hohlraum (einschließlich Grubengebäude, abgebaute Kohleflöze, tektonische Hohlräume und Porenvolumen) und der Grundwasserzustrom bilanziert werden. Strömungsfunktionen werden in erster Linie an Wasserübertrittspunkten zwischen zwei hydraulisch getrennten Grubenbereichen definiert. In dieser Studie wurde getestet inwieweit vollständig diskretisierte Finite-Elemente-Modelle geeignet sind, den Grubenwasseranstieg räumlich aufgelöst für das gesamte Bergwerksareal abzubilden. Dazu werden neben dem Grubengebäude auch die angrenzenden hydraulischen Strömungswege wie Störungen, Klüfte und das poröse Umgebungsgestein berücksichtigt. Grundwasseranstiege können damit nicht nur im Grubengebäude selbst, sondern auch im angrenzenden Gebirge oder für umliegende Grundwassermessstellen berechnet werden. Vollständig diskretisierte Finite-Elemente-Modelle müssen allerdings in ihrem gesamten räumlichen Umfang parametrisiert werden. Der Ansatz ist daher in Bezug auf Rechenzeit und Datenbedarf aufwändiger als pond-and-pipe Modelle. Die Vorteile liegen in der Abbildung physikalisch begründeter Strömungs- und Transportvorgänge und in räumlich differenzierten Anstiegskurven, die für jeden beliebigen Punkt im Modellraum berechnet werden können. Voll diskretisierte Modelle können bei richtigem Aufbau die Unsicherheiten von Volumenbilanzmodellen reduzieren, da spezifische Prozesse oder Strömungsbarrieren berücksichtigt und gewichtet werden können. Außerdem bietet er eine numerische Grundlage für chemische und reaktive Transportsimulationen, die Gesteins-Wasser-Wechselwirkungen entlang der Infiltrationspfade durch die Gesteinsmatrix berücksichtigen.

Sanierungsaudit am Beispiel einer langlaufenden Grundwassersanierungsmaßnahme im Lausitzer Revier – Abproduktenhalde Terpe

Am Standort Terpe fand ab dem Jahr 1965 die Ablagerung von Teer-Öl-Feststoffe (TÖF) und Staub-Dickteer-Produkten aus dem Industriestandort Schwarze Pumpe statt. Für die Ablagerung wurde eine Kiessandgrube mit einer Größe von ca. 600.000 m³ genutzt, in der teilweise bereits Kraftwerksaschen sowie Generatoren- und Filteraschen abgelagert wurden (1959–1965). Ab 1985 erfolgte der teilweise Rückbau der Staub-Dickteer-Produkte und der Einbau von mit teer- bzw. ölbelastetem Boden- und Bauschuttmassen. Die Einlagerung endete im Jahr 1990. Anschließend wurden lokal mit der Abdeckung und Rückbau der TÖF-Produkte begonnen. Bis 2007 fand eine Teilberäumung und die finale Oberflächenabdeckung der Abproduktenhalde (APH) statt. Die hydraulische Sicherung und Sanierung des kontaminierten Grundwassers aus dem schwebenden Grundwasserleiter im Abstrom der APH Terpe erfolgt seit 1998 über eine Pump & Treat Maßnahme.

Im Jahr 2022 wurde erstmalig ein Sanierungsaudit durchgeführt, um die laufenden Sanierungsmaßnahmen hinsichtlich ihrer Wirksamkeit (Effektivität) und Wirtschaftlichkeit (Effizienz) zu bewerten und im Ergebnis das Sanierungskonzept fortzuschreiben. Als Kennwerte zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit wurden u.a. die spezifische Fördermenge und die spezifischen Betriebskosten betrachtet, welche die erforderliche Fördermenge Grundwasser bzw. die Kosten je abgereinigter Schadstoffmasse beschreiben. Beide Kennzahlen wurden dann mit vergleichbaren Standorten verglichen und sind im Ergebnis als vergleichsweise effizient einzuordnen.

Aus den Erkenntnissen des Sanierungsaudits wurden Optimierungsansätze für die bestehenden Sanierungsverfahren abgeleitet. Das betrifft die zu verwendende Abreinigungstechnologie kontaminierten Grundwassers, das Pump&Treat Verfahren sowie Sicherungsmaßnahmen im direkten Abstrom der Schadstoffquelle als auch an der Fahnenspitze.

MineATES - Unraveling operational challenges and failures in mine thermal energy storage

Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) has emerged as a promising geo-energy storage technique. While most ATES systems focus on natural porous aquifers, the potential reuse of former underground mines for ATES, referred to as Mine Thermal Energy Storage (MTES), has gained increasing attention. However, many ATES / MTES projects face operational issues and failures, including clogging, mineral precipitation, and corrosion, affecting both the geological matrix and technical infrastructure such as pipes and heat exchangers. Additionally, inefficient energy recovery rates due to convective and conductive heat energy losses across natural system boundaries can hinder overall efficiency.

The ongoing research project, “MineATES”, concentrates on exploring the opportunities and constraints associated with utilizing man-made caverns filled with water for thermal energy storage. Specifically, an in-situ real laboratory has been installed within the former silver mine “Reiche Zeche” of TU Bergakademie Freiberg, Germany, to simulate periodic heat exchange between mine water and the surrounding rock. Concurrently, hydro-/geochemical parameters will be monitored alongside heat propagation within both water and rock.

Furthermore, laboratory-scale flow-through column experiments and batch tests will be conducted at defined temperatures (approximately 5 °C to 50 °C) using various combinations of rock types and mine water compositions. These experiments aim to identify the scales, types, and locations of potential mineralization and chemical alterations. Reference materials, sourced from the “Reiche Zeche”, will be compared to materials from Saxonian mines, including “Ehrenfriedersdorf” (a former tin ore mine) and “Lugau/Oelsnitz” (a former hard coal mine).

The ultimate goal of the project is to compile a comprehensive set of applied guidelines for evaluating the feasibility and implementation of MTES in underground mines.

Die thermische Energiespeicherung in Grundwasserleitern (Aquifer Thermal Energy Storage, ATES) hat sich als vielversprechende Technik zur Speicherung von Geoenergie erwiesen. Während sich die meisten ATES-Systeme auf natürliche poröse Aquifere konzentrieren, hat die potenzielle Wiederverwendung ehemaliger unterirdischer Bergwerke für ATES, die als Mine Thermal Energy Storage (MTES) bezeichnet wird, zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Viele ATES/MTES-Projekte sind jedoch mit Betriebsproblemen und Ausfällen konfrontiert, darunter Verstopfungen, Mineralausfällungen und Korrosion, die sowohl die geologische Matrix als auch die technische Infrastruktur wie Rohre und Wärmetauscher betreffen. Außerdem können ineffiziente Energierückgewinnungsraten aufgrund von konvektiven und konduktiven Wärmeenergieverlusten über natürliche Systemgrenzen hinweg die Gesamteffizienz beeinträchtigen.

Das laufende Forschungsprojekt „MineATES“ konzentriert sich auf die Erforschung der Möglichkeiten und Beschränkungen, die mit der Nutzung von mit Wasser gefüllten künstlichen Kavernen für die Speicherung thermischer Energie verbunden sind. Konkret wurde im ehemaligen Silberbergwerk „Reiche Zeche“ der TU Bergakademie Freiberg, Deutschland, ein In-situ-Reallabor eingerichtet, um den periodischen Wärmeaustausch zwischen Grubenwasser und dem umgebenden Gestein zu simulieren. Gleichzeitig werden hydro-/geochemische Parameter sowie die Wärmeausbreitung im Wasser und im Gestein überwacht.

Darüber hinaus werden im Labormaßstab Durchflusssäulenexperimente und Batch-Tests bei definierten Temperaturen (ca. 5 °C bis 50 °C) mit verschiedenen Kombinationen von Gesteinsarten und Grubenwasserzusammensetzungen durchgeführt. Ziel dieser Experimente ist es, das Ausmaß, die Art und den Ort einer möglichen Mineralisierung und chemischer Veränderungen zu ermitteln. Referenzmaterialien aus der „Reiche Zeche“ werden mit Materialien aus sächsischen Bergwerken verglichen, darunter „Ehrenfriedersdorf“ (ein ehemaliges Zinnerzbergwerk) und „Lugau/Oelsnitz“ (ein ehemaliges Steinkohlenbergwerk).

Ziel des Projektes ist es, einen umfassenden Leitfaden für die Bewertung der Machbarkeit und den Einsatz von MTES in Untertagebergwerken zu erstellen.

Nachhaltige Nutzung von Grubenwasser in Gefluteten Bergwerken: Herausforderungen und Potenziale in Deutschland

In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat die nachhaltige Bewirtschaftung von Nachbergbaustandorten auf nationaler als auch internationaler Ebene erheblich an Bedeutung gewonnen. Besonders die nachhaltige Verwaltung von Wasserressourcen an aktuellen und ehemaligen Bergbau-Standorten hat sich zu einer wegweisenden und komplexen Herausforderung entwickelt. Geflutete Bergwerke bergen ein erhebliches Potenzial für vielfältige Nutzungsansätze, deren Wert durch den steigenden Wasserbedarf und die Auswirkungen des sich verändernden Klimas verstärkt wird. Um geeignete Nutzungsstrategien für einen Standort zu entwickeln, ist es erforderlich, ein umfassendes Verständnis der spezifischen Anforderungen an die zeitliche Entwicklung der Grubenwasserqualität und -quantität als auch die umliegenden geologischen und infrastrukturellen Bedingungen der beabsichtigten Nutzung zu entwickeln. Eine Datenbank von gefluteten Bergwerken in Europa wurde im Rahmen des UNEXMIN-Projekts, unterstützt durch die EU-Fördermaßnahme Horizon 2020 entwickelt (Statsi et al. 2020). Erfasst wurden mehr als 8000 Einträge zu gefluteten Bergwerken in 24 europäischen Ländern. Diese Anzahl unterstreicht das immense Potenzial und den Bedarf für eine nachhaltige Wiederverwendung dieser Standorte. Bisher wurden in dieser Datenbank die Nachnutzungsstrategien nicht miterfasst, sodass noch keine Aussage getroffen werden kann welche dieser Standorte bereits eine Bewirtschaftungsstrategie verfolgen. Daher wird derzeit die Datenbank im Rahmen einer Promotionsarbeit an der Technischen Universität Clausthal erweitert, um den aktuellen Stand der Nachnutzung von gefluteten Bergwerken in Europa zu erfassen und gleichzeitig Anforderungskriterien für vorhandene Nutzungsstrategien abzuleiten. In diesem Beitrag werden die identifizierten Nutzungsstrategien von gefluteten Bergwerken in Deutschland vorgestellt und erste Erkenntnisse vorgestellt. Die Ergebnisse stellen den ersten Entwicklungsschritt eines Entscheidungsmodells dar, welches künftig die Auswahl von Nutzungsstrategien von gefluteten Bergwerken systematisieren und vereinfachen soll. Anhand der identifizierten Kriterien lassen sich zusätzlich Planungsempfehlungen für sowohl neue als auch bestehende Bergbauprojekte ableiten, um sicherzustellen, dass die intendierte Nutzungsmöglichkeit in der Nachbergbauphase ohne bedeutende Aufwältigungsmaßnahmen realisiert werden kann.

Verunreinigung von Grubenwässern durch polychlorierte Biphenyle (PCB)

Polychlorierte Biphenyle (PCBs) gehören zu den persistenten organischen Schadstoffen (POPs), die seit 2001 aufgrund ihrer Persistenz, Bioakkumulation und chronischen Toxizität weltweit verboten sind. Als Industriechemikalien hergestellt, wurden PCB in reiner Form oder als Beimischung als Isolieröle in Transformatoren und Kondensatoren verwendet. Im Bergbau unter Tage waren sie sogar durch Brandschutzvorschriften vorgeschrieben. Bislang werden bei Reinigungsverfahren von Grubenwässern hauptsächlich anorganische Schadstoffe berücksichtigt und behandelt. Als Hinterlassenschaft des Bergbaus können (geschlossene) Bergwerke jedoch relevante Mengen an PCB enthalten. Wo eine Überwachung der PCB-Kontamination stattfindet, zielt sie hauptsächlich auf die aufnehmenden Oberflächengewässer ab. Von der Gruppe der PCB mit theoretisch 209 verschiedenen Kongeneren werden dabei häufig nur die sechs Indikator-PCB und ein dioxinähnliches PCB berücksichtigt. Ziel der vorliegenden Studie war es daher, (i) ein einfaches, schnelles, miniaturisiertes und lösungsmittelfreies Verfahren mit niedrigen Nachweis- und Quantifizierungsgrenzen für die Analyse von PCB-Kongeneren in Grubenwässern und grubenwasserbeeinflussten Gewässern zu entwickeln und (ii) durch die Bestimmung von PCB-Konzentrationen und Jahresfrachten sowohl kongenerspezifische Muster als auch deren zeitabhängige Veränderungen innerhalb bestimmter Gruben zu ermitteln. Für die PCB-Analyse wurde eine Festphasen-Mikroextraktionsmethode (SPME) in Kombination mit Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) für die Extraktion und den Nachweis zahlreicher PCB-Kongenere direkt aus unbehandeltem Grubenwasser optimiert. Wie die Ergebnisse zeigen konnten mehr als 50 PCB-Kongenere in den Proben aus fünf verschiedenen Bergwerken in Deutschland, teilweise über einen Zeitraum von drei Jahren, quantifiziert werden. Die vorgestellte Methode ermöglicht eine umfassende und arbeitssparende Analyse von PCBs selbst in kleinsten Mengen von 10 mL unbehandeltem, matrixreichem Grubenwasser, mit sehr niedrigen Nachweisgrenzen (LOD 0,005-0,58 ng L^-1). Die PCB-Konzentrationen und die jährliche Fracht (80–660 g y^-1 pro Bergwerk) deuten darauf hin, dass das Grubenwasser eine zusätzliche Quelle für PCB in der Umwelt darstellt. Da der PCB-Ausstoß durch Punktquellen erfolgt, wird eine gezielte Wasseraufbereitung empfohlen, um eine Verringerung dieser Frachten zu erreichen.

Wasserrecht und hydrogeologisches Systemverständnis – Grundlagen für die Genehmigung des Grubenwasseranstiegs im Saarrevier

2012 wurde nach über 250 Jahren Bergbaugeschichte der Steinkohlenbergbau im Saarland eingestellt. 2017 stellte die RAG den Antrag auf das „Heben und Einleiten von Grubenwasser am Standort Duhamel in die Saar als Folge des Ansteigenlassens des Grubenwasserspiegels auf -320 m NN in den Wasserprovinzen Reden und Duhamel“. Nach § 19 WHG (WHG, 2009) entscheidet bei einem Vorhaben, mit dem die Benutzung eines Gewässers verbunden ist und ein Planfeststellungsverfahren durchgeführt geführt werden muss, die Planfeststellungsbehörde, d.h. in diesem Fall das Oberbergamt, im Einvernehmen mit der Wasserbehörde über die Erteilung der Erlaubnis.
Dabei war zunächst zu prüfen, welche wasserrechtlichen Benutzungen vorliegen, welche Gefährdungen oder Beeinträchtigungen für die Gewässer von diesen ausgehen, ob und wie der Anstieg gesteuert werden kann und mit welchen Maßnahmen nachteilige Veränderungen möglicherweise vermindert oder sogar verhindert werden können. Dies ist ohne ein grundlegendes hydrogeologisches Verständnis des Systems nicht möglich. Damit hat die fachliche Beurteilung eine entscheidende Bedeutung für die wasserrechtliche Entscheidung.
Wasserrechtlich wurden daher zusätzlich zum Heben (§ 9 Abs. 1 Nr. 5 WHG) und Einleiten (§ 9, Abs. 1 Nr. 4 WHG) auch das Überleiten von der Wasserprovinz Reden in die Wasserprovinz Duhamel (§ 9 Abs. 2 Nr. 1 WHG) geprüft und genehmigt (Oberbergamt, 2021). Der Anstieg ist nach Ansicht der Wasserbehörde durch die mit den Prozessen des First Flush verbundenen Auswirkungen auf das Grundwasser auch als sog. „unechte Benutzung“ des Grundwassers nach § 9, Satz 2, Nr. 2 WHG anzusehen. Dieser Tatbestand wurde ebenso wie die Überleitung bisher von der Antragstellerin nicht gesehen (Jordan & Welsing, 2017) und nicht beantragt, hat aber erhebliche Auswirkungen auf das Monitoring des Grubenwasseranstiegs. Denn ohne Benutzungstatbestand ist weder eine Erlaubnis möglich, noch kann damit über entsprechende Nebenbestimmungen ein Monitoring verbindlich festgelegt werden. Bei Beschränkung der Erlaubnisse auf die beantragten Benutzungen des Hebens und Einleitens wäre damit auf wasserrechtlichem Weg die Anordnung einer Überwachung der Anstiegsphase nicht möglich gewesen.

Standortgenaue Machbarkeitsstudie zur regenerativen Energieversorgung von Gebäuden mittels Grubenwassergeothermie (MareEn)

Im Rahmen der Mehrwert-Initiative »Nachhaltig aus der Krise« wurde in den Projekt MareEn Fragestellungen zur erneuerbaren Wärme- und Kälteversorgung beleuchtet und die nötigen Analysen im Untertage- sowie Übertagebereich miteinander gekoppelt. Dazu wurde neben Parametermessungen, sowie darauf aufbauenden Potentialerhebungen unter Tage, auch die Abnehmerseite über Tage intensiv beleuchtet. Für das etwa 70 km² große Untersuchungsgebiet – bestehend aus den Gemeinden Oelsnitz/Erzgeb., Gersdorf, Hohndorf sowie der Verwaltungsgemeinschaft Lugau/Erzgeb. und Niederwürschnitz – konnten im Rahmen des Projektes detailliert die untertägigen energetischen Potentiale ermittelt und potenzielle Entnahmestellen für Grubenwasseranwendungen identifiziert werden. Darüber hinaus hat die Analyse über Tage gezeigt, dass trotz der ländlichen Prägung des Gebietes auch eine netzgebundene Energieversorgung von Wohn- und Nichtwohngebäuden in vielen Gebieten im ehemaligen Steinkohlerevier Lugau-Oelsnitz sinnvoll ist. Hierzu wurde im Projektverlauf das gesamte Untersuchungsgebiet abnehmerseitig auf eine Eignung zur netzgebundenen Wärmeversorgung geprüft, via geometrischer Algorithmen mit den Grubenwasserentnahmepunkten verschnitten und technisch darstellbare Wärmenetze trassiert.

Analoge Modellierung von Grubenflutungen – Das Agricola Modellbergwerk

Untersuchungen in gefluteten untertägigen Bergwerken können schwierig, teuer und vor allem zeitaufwendig sein. Oft sind dabei Messungen aufgrund der mangelnden Zugänglichkeit gar nicht möglich. Allerdings sind Untersuchungen vor Ort für ein genaueres Verständnis und vor allem für die Vorhersage zukünftiger Flutungsszenarien unerlässlich. In Fällen, in denen es keine Möglichkeit gibt, Versuche in tatsächlichen Bergwerken durchzuführen, sind sowohl numerische als auch analoge Modellierungen eine anwendbar.
Eine Alternative zur Feldarbeit ist der Einsatz eines Analogmodells wie das Agricola-Modellbergwerk (AMM). Dabei handelt es sich um das weltweit einzigartige 4 × 6 m große Analogmodell eines gefluteten Bergwerks mit vier Schächten, die auf vier Sohlen miteinander verbunden sind. Anhand von drei verschiedenen Experimenten zu Dichteschichtung, dem First Flush und dem Verhalten von fluoreszierenden Tracern in gefluteten Grubenwasserkörpern konnten ein breites Spektrum an möglichen Grubenwasseranwendungen demonstriert werden. Einerseits war es möglich, numerische Modelle zu validieren, andererseits konnten Feldexperimente mit dem AMM wiederholt werden.
Mit dem AMM konnte gezeigt werden, dass verschiedene Szenarien nachgebildet werden können, wobei die Versuchsdauer von Monaten bis Jahren im Feld auf wenige Wochen im Labor reduziert werden kann. Die Kombination von analoger und numerischer Modellierung ist von besonderem Interesse, da Schwachstellen sowohl im analogen als auch im numerischen Modell identifiziert werden können. Aufgrund der geringen Größe des Modells und der bekannten Randbedingungen sind die Kosten viel geringer als bei Feldversuchen. Darüber hinaus sind die Randbedingungen genau bekannt und können entsprechend angepasst werden. Lediglich die Wechselwirkung zwischen den Schächten und dem umgebenden Gestein lässt sich bisher nicht nachbilden.
Verschiedene Experimente, die in einem realen Bergwerk aus unterschiedlichen Gründen nicht durchführbar sind, können mit dem AMM realisiert werden. Durch die Verwendung von horizontalen Barrieren und unterschiedlichen Flutungsniveaus kann das analoge Modell an reale Bedingungen angepasst werden, was viele Ansatzpunkte für zukünftige Untersuchungen bietet. Insbesondere die Kombination von analoger und numerischer Modellierung ist vielversprechend für das Verständnis von realen Szenarien.

Geophysikalische Überwachung der gesteuerten Flutung des NSB Volkenroda/Pöthen

Zwischen 1910 und 1990 wurden im Bergwerk Volkenroda/Pöthen Kalisalze abgebaut. Die Stilllegung des Bergwerks mit Rückbau aller technischen Anlagen erfolgte 1990 bis 1998. Bereits 1992 wurden über die noch offenen Schächte Haldenlösungen aus der Fabrikrückstandshalde in die Grube eingestapelt. Nach Verwahrung der Schächte wurde 1997 eine Flutungsbohrung in das Grubenfeld geteuft, über die die Einleitung unter Luftabschluss fortgesetzt wurde. Die eingeleiteten Lösungen breiteten sich nach einer gezielten Aufsättigung in einem Steinsalzfeld zunächst im Südostfeld aus. Anschließend wurde die Flutung 2011 auf eine nahe der Ortschaft Urbach geteufte Bohrung (inkl. Drucksensor) umgestellt, durch welche die teilgesättigten Haldenlösungen in ein Baufeld mit bereits in Größenordnungen vorhandenen gesättigten Lösungen eingebracht werden.

Begleitend zur Flutung erfolgt seit Dezember 2002 eine kontinuierliche seismische Überwachung, mit aktuell 11 Oberflächenmesspunkten sowie 2 Bohrlochsonden auf Grubenfeldniveau. Zur weiteren Überwachung des Lösungsanstiegs wurde 2013 eine Beobachtungsbohrung nahe Schacht Pöthen geteuft. Diese wurde 2015 mit einer Kombisonde (Drucksensor und Tiefenseismometer) ausgerüstet. Im September 2021 glichen sich die Flutungsstände der Grubenbereiche Volkenroda und Pöthen aus – der Bereich Pöthen war somit vollständig geflutet. Derzeit befindet sich das Bergwerk in der Endphase der Einleitung.

Die Flutung kann zudem anhand der seismischen Aktivität nachvollzogen werden. Bis 2009 war überwiegend das Südostfeld aktiv. Später wanderten die Herdlagen verzögert zum Flutungsverlauf Richtung Nordfelder. Der Übertritt der Flutungslösungen nach Pöthen fand etwa 2013 statt und ab dieser Zeit wurden einige Ereignisse in diesem Baufeld registriert. Die seismische Überwachung belegt die erfolgreiche Verwahrung durch die Flutung. Im vollständig gefluteten Südostfeld gingen die Aktivität sowie die Energiefreisetzungen deutlich zurück. In den weiteren Baufeldern stieg die Seismizität an, die Spannungsfreisetzung erfolgt hier jedoch langsamer und gleichmäßiger als im Südostfeld und die Ereignisstärke ist moderat.

Nach Abschluss der Flutung können weiterhin Spannungsumlagerungen auftreten. Das ist an die deutliche tektonische Vorprägung – Lage im Bereich des Schlotheimer Grabens – gekoppelt.

Tauchfahrten in geflutete Bergwerksschächte 3.0

Während sich die Schachtkamera allmählich in Betrieb und Forschung als Werkzeug etabliert, wächst zugleich auch Bedarf und Notwendigkeit, den erweiterten Schachtbereich sowie Strecken und Orte darüber hinaus zu erkunden.

Signale aus Temperatur-Tiefenprofilen erzeugen neue Fragestellungen und rufen dazu auf genauer hinzusehen.

Teil 3 der Vortragsreihe beleuchtet zunächst die Methodik des Erstellens von Tiefenprofilen in Schächten. Durch das Verlassen der sicheren Führung durch die Spurlatten, können Füllörter und auch Signale aus ganz neuen Perspektiven betrachtet werden.

Hydrogeochemische Charakterisierung der Teilwasserkörper der Zinnerzgrube Ehrenfriedersdorf als Basis für die langfristige Wasserbehandlung

Die Stadt Ehrenfriedersdorf liegt im Erzgebirgskreis etwa 20 km südlich von Chemnitz entfernt. Hier wurden über 750 Jahre Zinn-, Arsen- und später auch Wolframerze abgebaut. In 1990 wurde das Bergbau- und Hüttenkombinat aufgelöst und die Grube geflutet. Lagerstätten, in denen die Erzminerale als Sulfide, Sulfosalze oder komplexe Metall-Schwefel-Verbindungen vorkommen, neigen dazu, das nach der Flutung, abhängig von der jeweiligen Mineralisation und hydrologischer Situation, schwach bis stark saure, mit Arsen, Aluminium und anderen Metallen belastete Bergbauwässer austreten. Für Ehrenfriedersdorf liegt hier das Hauptaugenmerk vor allem auf erhöhten As-Gehalten. Der Tiefe Sauberger Stolln wurde bereits im 16. Jahrhundert zur Lösung des Grubenwassers im Saubergrevier angelegt und besitzt heute einen As-Austrag von ca. 1000 kg/a in den lokalen Vorfluter Wilisch. Die Arsenbelastung resultiert dabei auch aus anthropogen bedingten Anomalien. So sind die obersten Bodenschichten im Saubergrevier und im nördlichen Teil des Stadtgebiets, auf denen sich von alters her Hütten- und Pochwerke befanden, mit wasserlöslichem As₂O₃ kontaminiert. In der Grube erfolgte bisher keine konkrete Wasserbehandlung. Das Projekt TERZinn, innerhalb des BMBF-geförderten RECOMINE Projektverbundes, ändert dies jetzt, indem dies zum Modellstandort für die Testung/ Anwendung moderner Grubenwasserreinigungsverfahren ausgewählt wurde. Ein wichtiger Teilaspekt ist dabei, die zu erwartende Varianz der potentiell zufließenden, zu behandelnden Wässer zu verstehen. Diesbezüglich werden die Teilkörper der Grube mit ihren Wässern charakterisiert. Der gedankliche Schwerpunkt liegt dabei in der Identifizierung der arsenhaltigen Zuläufe in die Grube. Außerdem wurde mit einfachen Methoden die Arsen-Speziation in den Grubenwässern bestimmt. Um auch die Wässer genau mittels hydrogeochemischer Modellierung zu charakterisieren wurden weiterhin die Anionen, Alkali- und Erdalkalimetalle, sowie Summenparameter TIC, TOC und TN untersucht. Diese gesamte hydrogeochemische Charakterisierung der Teilwasserkörper dient dazu, eine modellbasierte Entwicklung des Systems vorauszusagen. Die Ergebnisse der chemischen Analysen werden mit lokalen Wetterdaten in Verbindung gesetzt und es werden Schlüsse auf das hydrogeochemische Verhalten der Ehrenfriedersdorfer Grube gezogen.

Hydrogeochemische Untersuchungen im Umfeld des ehemaligen Asbestbergwerks Havelock bei Bulembu, eSwatini (vormals Swasiland)

Die Asbestmine Havelock bei Bulembu in eSwatini (vormals Swasiland) war eine der größten Asbestminen der Welt und wurde 2001 endgültig geschlossen. Sie liegt etwa 4 km südlich des höchsten Berges von eSwatini, des Emlembe (1862 m), direkt an der Grenze zu Südafrika. Das Bergwerk bestand aus einem Untertagebau und einem Tagebau, der inzwischen mit Rückständen aus der Asbestaufbereitung verfüllt wurde. Derzeit liegt der Grubenwasserspiegel ca. 100 m unter der Geländeoberfläche und das Grubenwasser fließt mit 3300 L/min ungereinigt und unkontrolliert über einen Entwässerungsstollen 1,1 km südlich des Vertikalhauptschachts ab. Lokal wird das Gebiet durch die beiden Flüsse Tutusi und Nkomazana entwässert, wobei der Tutusi im Zuge des Bergbaus durch einen Tunnel am Tagebau vorbeigeleitet wurde.

Im Rahmen der Untersuchungen wurden an zehn Stellen insgesamt 14 Wasserproben entnommen und hydrogeochemisch analysiert. Zusätzlich wurde ein Tracerversuch durchgeführt, um die hydraulischen Verbindungen im gefluteten Bergwerk zu untersuchen. Die Wässer lassen sich in zwei Gruppen einteilen: unbeeinflusste, schwach mineralisierte Oberflächenwässer und bergbaulich beeinflusste Wässer. Letztere zeichnen sich durch As- und Cr-Konzentrationen aus, die leicht über den WHO-Grenzwerten für Trinkwasser liegen. Ansonsten haben alle untersuchten Proben Trinkwasserqualität und elektrische Leitfähigkeiten zwischen 25 und 670 µS/cm.

Die Wasseranalysen des Grubenwasserkörpers und die Ergebnisse des Tracerversuchs zeigen, dass das Grubenwasser gut durchmischt ist, was auf eine gute hydraulische Verbindung des gefluteten Grubengebäudes hinweist. Insgesamt sind auch zwei Jahrzehnte nach Einstellung des Bergbaus keine Hinweise auf eine chemische Kontamination der Wässer erkennbar. In einzelnen Proben konnten jedoch Asbestfasern nachgewiesen werden.

In weiteren Untersuchungen soll die hydraulische Verbindung innerhalb des gefluteten Bergwerks getestet und im Vertikalhauptschacht, der in 100 m Teufe blockiert ist, sollen die vor-Ort-Parameter aufgenommen werden.

Ein kontrollierter Grubenwasseranstieg im Ruhrrevier – hydrogeochemische Bestandsaufnahme für eine bessere Prognose der Grubenwasserchemie

Der kontrollierte Grubenwasseranstieg im Ruhrrevier bedarf wie jedes industrielle und langzeitliche Großprojekt ein Risikomanagement gepaart mit Monitoringmaßnahmen, um frühzeitig Abweichungen von der modellierten Prognose zu erkennen. Hydrologisch gesehen wird dies konkret (a) bei Abweichungen der Fließwege des Grubenwassers untertage und prekärer bei (b) Infiltrationen von Grubenwasser in kritische Aquifere oder Trinkwasservorkommen. Solche Ereignisse würden zukünftig im Risikomanagement zunächst eine erhöhte Aufmerksamkeit bedingen oder sofort einen Alarm auslösen.

Diese Ereignisse früh zu erkennen bedarf daher eines hydrogeochemischen Monitoringsystems, das folgende Aufgaben hinreichend erfüllen muss:

Grubenwasser muss im Untergrund eindeutig und flächendeckend als solches erkannt werden
Mischungen von Grubenwasser mit anderen Aquiferen müssen ab einem bestimmten und möglichst niedrigen Vermischungsgrad, je nach Zusammensetzung der sich mischenden Wässern, detektiert werden
Der in-situ Prozess der Sulfidoxidation, die das Grubenwasser mit gelösten Stoffen anreichert, muss verstanden sein und ihre Auswirkung auf die Grubenwasserchemie abschätzbar sein.

Um diese Grundvoraussetzungen zu erfüllen, müssen die hydrogeochemischen Signaturen von Grubenwasser flächendeckend messbar und bekannt sein. Hier wird ein Überblick über die geochemischen Signaturen der Grubenwässer im Ruhrrevier und Formationswässer im Deckgebirge gegeben. Ferner wird der Ansatz für den Einbezug der in-situ Prozesse in den Grubenbauen dargestellt. Der überwiegende Teil der Grubenwässer setzt sich, wie bereits analysiert, aus oberkarbonischen Formationswässern zusammen. Wasserisotopendaten haben festgestellt, dass dieses Formationswasser größtenteils von meteorischen Wässern gespeist wird. Sie zeigen einen graduellen Verlauf hin zu erhöhten Sauerstoffisotopen-Werten, ein Indiz für die Wechselwirkungen mit dem Gestein. Sulfidoxidationsprozesse haben ihren Ursprung im Sulfidgehalt der Steinkohlenflöze. So können Bereiche mit erhöhter Bildung von Sulfat und Eisen mit einer erweiterten, flächendeckenden Beprobung unter Einbezug der Schwefeldaten ermittelt werden. Die Bildung von H₂S durch mikrobielle Sulfatreduktion kann in Teilbereichen durch intelligentes Grubenwassermanagement kontrolliert werden.

Risikobewertung der Wasserbewirtschaftung von Bergbaufolgelandschaften im Kontext des Klimawandels

Das Wassermanagement in ehemaligen und aktiven Bergbauregionen erweist sich als herausfordernde Zukunftsaufgabe, die durch Faktoren wie den Klimawandel, gesteigerten Wasserbedarf in Wirtschaft und Industrie sowie politische und gesetzliche Anforderungen zusätzlich komplex wird. Diese Masterarbeit widmet sich einer umfassenden systematischen Risikoanalyse für das Wassermanagement von vier stillgelegten Bergwerken unter dem Aspekt der Erderwärmung. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, die potenziellen Auswirkungen klimatischer Unsicherheiten auf das Wassermanagement dieser Bergwerksstandorte zu bewerten und somit potenzielle Risiken für die umgebende Umwelt, die vorhandene Infrastruktur und die umliegenden Gemeinden zu identifizieren.

Um diese Risikoanalyse durchzuführen, werden spezifische Informationen zu jedem Standort herangezogen, darunter das Schließungskonzept, der Zustand der bergbaulichen Infrastruktur sowie geo-(und hydro-)logische Parameter, die in einer holistischen Betrachtung zusammengeführt werden. Ergänzend werden in begrenztem Umfang soziale und ökonomische Faktoren berücksichtigt, um die möglichen Auswirkungen auf die lokale Gemeinschaft zu erfassen und die Kosten für Maßnahmen zur Milderung dieser Effekte abzuschätzen. Durch die Korrelation dieser Daten versucht die Studie, potenzielle Risiken vorherzusagen, die sich aus künftigen klimatischen Veränderungen ergeben.

Trotz des theoretischen Charakters und der Nutzung von frei zugänglichen Informationen, ermöglicht sie ein qualitatives Verständnis der potenziellen Risiken und Schwachstellen, die klimatische Einflüsse auf das Wassermanagement in stillgelegten Bergwerken haben könnten.

Die Ergebnisse dieser Forschung können zur Entscheidungsfindung und zur Formulierung von Strategien beitragen, welche nicht nur auf bereits geflutete Bergwerke angewendet werden können, sondern auch als Grundlage für zukünftige Bergbauprojekte oder für Anpassungsstrategien zur Bewältigung und Minderung der festgestellten Schwachstellen dienen.

Geothermische Nutzung von Grubenwasser – Machbarkeitsstudie Sangerhäuser Mulde

Die Stadtwerke Sangerhausen GmbH planen eine CO₂-neutrale, ressourceneffiziente und nachhaltige Fernwärmeversorgung in den Fernwärmeversorgungsbereichen der Stadt Sangerhausen unter Nutzung des vorhandenen geothermischen Potentials des Grubenwassers aus den aufgelassenen Grubenbauen des ehemaligen Sangerhäuser Kupferschieferreviers.

Von der Stadtwerke Sangerhausen GmbH, gefördert durch die BAFA, wurde die Dornier Power and Heat GmbH in Kooperation mit PLEJADES mit der Erstellung einer geologischen und technisch-wirtschaftlichen Machbarkeitsstudie beauftragt. Ziel der Machbarkeitsstudie sind Aussagen zur Nutzbarkeit des geothermischen Potentials an Grubenwasser am Standort Sangerhausen, wobei der Fokus rein auf der Wärmebereitstellung liegt.

Im Vortrag werden die geologischen und hydrogeologisch-hydraulischen Grundlagen vorgestellt sowie die bergbaulichen Rahmenbedingungen auf der Grundlage des umfangreich vorhandenen Risswerks, des Abschlussbetriebsplans und der Ergebnisse der abschließenden Flutung des Reviers Anfang der 1990er Jahre. Eine besondere Herausforderung bilden der hohe Salzgehalt des Grubenwassers (ca. 300 g/L), die vergleichsweise niedrige Grubenwassertemperatur (ca. 22 °C) und die eingeschränkte Hydrodynamik durch Dammbauwerke in einzelnen Strecken.

Es werden erste Überlegungen für die Installation einer Pilotanlage vorgestellt und mögliche Einschränkungen und Risiken diskutiert.

Grubenwasser als schulisches Anschauungsmaterial – Ein Projekt im Alfried Krupp-Schülerlabor der Wissenschaften Bochum

Die bergbauliche Vergangenheit und der Umgang mit Grubenwasser als Überbleibsel dieser Zeit ist in Regionen mit Alt-Bergbau Teil der öffentlichen Wahrnehmung. Gleichzeitig bietet sich Grubenwasser als naturwissenschaftliches Studienmaterial mit vielschichtigen Fragestellungen aus der Physik und Chemie an. Im Rahmen eines Projekts im Alfried Krupp-Schülerlabor der Wissenschaften an der Ruhr-Universität Bochum werden seit zwei Jahren Tiefenprofile der Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit zusammen mit Videoaufnahmen aus einem Schacht analysiert. Ziel ist die Analyse von hydraulischen Prozessen im Bergwerk, worauf aufbauend eine Diskussion um thermische Nutzungspotenziale und Umweltrisiken geführt werden kann. Durch kleine Demonstrationsversuche können zudem einzelne Prozesse und wesentliche Parameter isoliert genauer betrachtet werden.

Das Projekt ermöglicht den Schüler*innen das Erleben eines originären Forschungsprozesses: Von der Beobachtung eines Phänomens, über die Hypothesenbildung und die computer-basierten Auswertung großer Datensätze hin zur Entwicklung von Erklärungsansätzen. Neben der Einbindung wesentlicher Aspekte digitaler Datenverarbeitung, bietet das Projekt inhaltliche Anknüpfungspunkte an die Lehrinhalte der Klassen 8 bis 10 in den Fächern Physik (Druck und Auftrieb), Chemie (Salze und Ionen) und Erdkunde (Wirtschaftsräume, Aufbau der Erde).

Der Beitrag schildert das Konzept und die Durchführung des Projekts am Alfried Krupp-Schülerlabor der Wissenschaften, sowie die gesammelten Erfahrungen der letzten zwei Jahre.

Prozesse der Methanbildung im Ruhrgebiet und Saarland vom Karbon-Zeitalter bis heute: Thermogene versus biogene Methanogenese

Im Ruhrgebiet und in Ibbenbüren endete der aktive Steinkohlenbergbau 2018 und im Saarland bereits 2012. Die Einstellung der Abbautätigkeiten und die damit verbundene Anpassung der Grubenwasserhaltung führen langfristig zu einem Anstieg des Grubenwassers. Um auch ein unkontrolliertes, diffuses Ausgasen zu verhindern, wird das Grubengas weiterhin abgesaugt.

Die Bildung von Methan in kohlehaltigen Sedimentbecken ist originär mit der thermischen Reifung der Kohlen verbunden. Aufgrund der Kohlegenese ist dieses Methan thermogenen Ursprungs aber auch biogenes Methan kann unter anoxischen Bedingungen von Bakterien aus Kohle oder anderem organischen Material gebildet werden. Dieser Prozess findet nach abgeschlossener Kohlengenese statt.

Das Forschungsvorhaben untersucht das langfristige Ausgasungsverhalten von Methan im Rahmen des Grubenwasseranstiegsprozesses und zeigt die Zusammenhänge auf zwischen steigendem Grubenwasserspiegel und Methankonzentrationen und der isotopischen Signatur des Methans. Ein Schwerpunkt liegt auf der systematischen Erfassung sowohl des thermogenen Methans aus der Kohle, als auch des sekundären, biogenen Bildungspotentials von Methan. Die Ergebnisse zeigen, dass besonders im südlichen Ruhrgebiet sekundäres, biogenes Gas gebildet wurde oder möglicherweise auch noch rezent gebildet wird. Hier ist die Überdeckung mit Deckgebirge (Emscher Mergel) nur gering ausgebildet bis gänzlich fehlend, wodurch organisches Material und Nährstoffe über Sickerwasser dauerhaft in die Lagerstätte eingetragen werden kann.

Die Betrachtung der Kohlenstoffisotopie des sogenannten „Nachbergbau Methans“ muss differenziert betrachtet werden, da komplexe Hebungs- und Senkungsvorgänge im Ruhrgebiet zu einer wiederholten Mobilisierung des Methans geführt hat. Hieraus kann sich eine Kohlenstoffisotopensignatur ergeben, die einer biogenen Signatur sehr ähnlich ist. Auch der Prozess der anaeroben Methanoxidation, der an einzelnen Standorten beobachtet werden kann, führt zu einer Überprägung des thermogenen Methans. Die Ergebnisse aus dem Saarland zeigen einen deutlich geringeren Einfluss durch biogene Methanbildung und ein ursprünglicheres, thermogenes Signal. Dies deutet darauf hin, dass das Methan im Saarland weniger mobilisiert wurde als im Ruhrgebiet und/oder dass es dort verstärkt zu anaerober Methanoxidation kommt.

Kritische Rohstoffe in Grubenwässern des Steinkohlebergbaus

Bei der Verwertung von Grubenwässern des Bergbaus lässt sich zwischen energetischer und stofflicher Inwertsetzung unterschieden. Bei der energetischen Verwertung mitteltiefer Grubenwässer mit Temperaturen bis ca. 30 °C bietet sich die geothermische Nutzung mittels Wärmetauschertechnologie an. Für eine stoffliche Verwertung besteht eine Priorität für Stoffe, bei denen ein Mangel besteht oder zukünftig zu erwarten ist.

Hinsichtlich der stofflichen Nutzung von Grubenwasserinhaltsstoffen wurden in den Revieren des Ruhrgebietes und Ibbenbüren interessante Anreicherungen festgestellt. Weitergehende Untersuchungen zur Verifizierung und Extraktion werden derzeit am Beispiel der auslaufenden Grubenwässer des Westfeldes des Anthrazithbergwerkes Ibbenbüren auf Lithium und seltene Erden durchgeführt.

Die aus dem gefluteten Westfeld über den Dickenberger Stollen auslaufenden Grubenwässer weisen bei starken Schwankungen einen mittleren Abfluss von 8,1 m³/min auf. Die durchschnittliche Lithiumkonzentration wurde mit 0,6 mg/L bestimmt und liegt somit ca. dreimal so hoch wie im Meerwasser. In dem Bergwerk Ibbenbüren bestand während der Betriebsphase eine Zunahme der Lithiumkonzentrationen mit zunehmender Teufe auf über 20 mg/L.

In Cooperation mit dem KIT wurden selektive Sorptionsversuche auf MnO-Basis durchgeführt. Dabei wurden die Lithiumkonzentrationen im Sorptionseluat verringert und das Sorbens mit max. 1,7 mg/g Lithium beladen. Es fanden jedoch mit zunehmender Dauer weitere geochemische Reaktionen statt, die geklärt werden müssen. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass Li-Extraktion aus den Grubenwässern des Dickenberger Stollens generell möglich ist. Zur Optimierung sind weitere Untersuchungen erforderlich.

Des Weiteren wurden Sorptionsversuche von Seltenen Erden (REE) aus den Grubenwässern an Tonen aus dem Westerwald durchgeführt. Aufbauend auf ein abgeschlossenes BMBF Projekt wurden Laborversuche durchgeführt, ob diese auch aus den Grubenwässern des Anthrazithbergwerkes Ibbenbüren gewonnenen werden können. Die Untersuchungen des zugrundeliegenden Forschungsprojektes haben gezeigt, dass die in der Lösung enthaltenen REE-Metalle durch Adsorption an die Tonminerale – selbst bei einer sehr niedrigen Konzentration und in Gegenwart anderer Metalle – nahezu vollständig aus der Lösung entfernt werden können. Optimale Adsorptionsergebnisse der REE-Ionen werden im pH-Bereich von 5,0–6,5 erreicht.

Die Ergebnisse der Adsorptionsversuche und der anschließenden Rückgewinnung deuten darauf hin, dass in den Grubenwässern gelösten REE-Ionen an die Tone temporär gebunden und in Folge durch Spülprozess wieder gelöst werden.

Neben Lithium und Seltenen Erden wurden weitere kritische Stoffe (z.B. Cobalt) in den Grubenwässern identifiziert, die im Rahmen ergänzender Auswertungen verifiziert und bewertet werden sollen.

Bewertung des Betriebsindikatoren eines potenziellen untertägigen niedrigtemperaturen Wärmespeichers

Bei der Anwendung erneuerbarer Energien kann die Nutzung des unterirdischen nachbergbaulichen Resthohlraumvolumens zur Zwischenspeicherung thermischer Energie vielversprechend sein. Als Beispiel für einen solchen Ansatz ist die Möglichkeit der Nutzung einer ringförmigen Strecke am 5. Horizont des Bergwerks Prosper-Haniel unterhalb der Ebene –450 m NN als einen unterirdischen Speicher und eines Akkumulierungsteichs in zwei Varianten betrachtet.

Bei der ersten Variante füllt Wasser den unterirdischen Speicher mit einer Temperatur von etwa 20 °C im Juli-August, wird dort bis November gespeichert und bis März-April an die Oberfläche für thermische Nutzung gehoben. Gleichzeitig wird gekühltes Wasser mit einer Temperatur von etwa 6 °C zurück in den Speicher geleitet und verdrängt warmes Wasser. Das Wasser wird wieder im Juli und August zirkuliert, wobei ersetzt man das kühle Wasser im Speicher und benutzt es für die Raumabkühlung; danach wiederholt sich der Zyklus. Bei Bedarf wird das Wasser aus dem Teich verwendet.

Die zweite Variante unterscheidet sich mit der Speicherung des abgekühlten Wassers bis Juli in den oberirdischen Teich, wo es durch Sonnenenergie erwärmt wird. Im Juli-August wird warmes Wasser aus dem Teich zur die Generatorturbine im Bergwerk nach unten geworfen, es erzeigt den Strom und füllt die verfügbare Kapazität, wo bis zum Beginn des nächsten Zyklus gespeichert wird.

Den Berechnungen zufolge kann die Wärmeleistung des vorgeschlagenen Systems bei einer Heizperiode von 4 bis 5 Monaten 2 MW überschreiten, dabei die erste Option zur Nutzung des Wärmespeichers ist energetisch rentabler.

Wohin mit dem Grubenwasser? Studie zum Schutzgut Wasser im Zuge der Planung eines Kupferschiefer-Bergwerkes in der Lausitz

Die Kupferschiefer Lausitz GmbH plant die Errichtung eines Bergwerkes inkl. Erzaufbereitung im Raum Spremberg. Im Zuge des laufenden Raumordnungsverfahrens, für das bis Jahresende ein behördlicher Bescheid erwartet wird, wurden die Möglichkeiten einer gewässerverträglichen Ableitung des Grubenwassers sowie der Verbringung der anfallenden Mineralstoffe untersucht. Grundlage war eine Prognose der Menge und Beschaffenheit des bei Errichtung und Betrieb des Bergwerkes anfallenden Grubenwassers. Anschließend wurden mögliche Verbringungsorte eruiert, zu denen in der Nähe befindliche Fließgewässer und zu flutende Tagebaurestlöcher zählen. Die Studie orientierte sich methodisch und strukturell an der Mustergliederung für Fachbeiträge nach EG-Wasserrahmenrichtlinie. Ausgehend von der Vorhabensbeschreibung wurden die für den Wasserpfad relevanten Wirkfaktoren für drei Hauptbereiche identifiziert und die voraussichtlich anfallenden Abwasserteilströme charakterisiert. Die vom Vorhaben betroffenen Oberflächen- und Grundwasserkörper (GWK) wurden identifiziert und bezüglich ihres IST-Zustandes und der festgelegten Maßnahmen zur Zielerreichung beschrieben.

Die Wirkbereiche mit den empfindlichsten Auswirkungen auf Gewässer sind die Mineralstoffverwahrung und das Betriebswassermanagement. Als primär bewertungsrelevante Beschaffenheitskenngrößen wurden die löslichen Salze Chlorid und Sulfat, die Wassertemperatur und mehrere eluierbare Elemente (Metalle und Halbmetalle) identifiziert. Die Einleitung von salzbelastetem Betriebswasser würde erhebliche Auswirkungen für die zum Teil bergbaubedingt bereits mit Sulfat vorbelasteten Fließgewässer bedeuten. Auch kombinierte Einleitungen in mehrere Gewässer wurden geprüft. Es zeigte sich, dass spätestens nach der Hälfte der anvisierten Betriebszeit eine technische Lösung zur Entsalzung des hochsalinaren Sümpfungswassers unumgänglich wird. In Betracht kommt das ZLD-Prinzip (zero liquid discharge) mit wirtschaftlicher Verwertung der anfallenden Salze. Diese Technologie könnte autark und genehmigungsrechtlich nahezu risikofrei etabliert werden.

Auch die Auswirkungen der Verbringung der Mineralstoffe durch Aufhaldung, Verbringung ins Tiefenwasser eines Bergbaufolgesees, oder durch Verspülung in Restlöchern wurden geprüft. Was die Zielerreichung der betroffenen Grundwasserkörper betrifft, wird keine der im aktuellen Bewirtschaftungsplan geplanten Maßnahmen in ihrer Durchführung oder Wirksamkeit durch das Vorhaben beeinträchtigt. Aufgrund der geringen flächenhaften Ausdehnung ist eine erhebliche Gefährdung der Geschütztheit der GWK insgesamt nicht zu besorgen.

Erweiterung der hydrogeologischen Systemvorstellung des Ruhrreviers um tiefe Grundwassermessstellen im Deckgebirge zum Baseline-Monitoring

Der Nachbergbau im Ruhrrevier sieht einen Anstieg des Grubenwassers in der Fläche auf ca. -600 m NHN vor. Zur Erfassung möglicher Auswirkungen des Grubenwasseranstiegs soll zum einen das hydrogeologische System (i. W. bestehend aus Grubengebäude, Oberkarbon, Cenoman/Turon und restlichem Deckgebirge) und die Umsetzung des Grubenwasserkonzeptes überwacht und bewertet werden. Ausgewählten Lotungsstandorten, in denen der Grubenwasseranstieg überwacht wird, sind im Rahmen des Monitorings Aufgaben und Funktionen, Prüf- und Warnwerte zugewiesen.

Seit 1993 wurde das Messnetz der Lotungsstellen um Grundwassermessstellen im Deckgebirge erweitert. Ziel dieses Messnetzes ist es, die hydrogeologischen Systemzusammenhänge besser zu verstehen, ein Baseline-Monitoring zu ermöglichen und potenzielle Auswirkungen des Grubenwasseranstiegs auf das Deckgebirge zu erfassen.

Auf Basis historischer Recherchen, der bisher vorliegenden hydraulischen und hydrochemischen Daten der Wasserhaltung, des Lotungsprogramms der RAG, den Berichten zum Projekt „Tiefe Pegel“ und des wissenschaftlichen Forschungsstands wurden Hypothesen zum hydrogeologischen System vor, während und nach dem Steinkohlenbergbau entwickelt. Mit Erstellung weiterer tiefer Grundwassermessstellen im Westen des Ruhrreviers, in einer hydraulisch höher durchlässigen Zone im Osten und außerhalb der Bergbauzone, sollen diese Hypothesen und die hydrogeologische Modellvorstellung präzisiert werden. Insbesondere der Grundwasserleiter der Oberkreide (Cenoman und Turon) steht im Fokus, weil dessen Grundwasserleitereigenschaften eine zentrale Rolle im hydrogeologischen Gesamtsystem zukommt. Zwei neue Grundwassermessstellen sollen außerhalb der Bergbauzone im Oberkarbon und C/T errichtet werden, um die Reichweite der bergbaubedingten Absenkung des Grundwassers nach Norden und die Stellung des C/T im Münsterländer Becken näher zu erkunden.

Eine bisher vorgesehene Erweiterung des Messnetzes im C/T um drei Grundwassermessstellen ist zunächst zurückgestellt. Neben der Erfassung der Grundwasserstände wird empfohlen, konservative Umwelttracer so weiterzuentwickeln und ins Monitoring aufzunehmen, dass unterschiedliche Grundwässer an den Grundwassermessstellen sicher unterschieden werden können.

Um bestehende sowie aus den Untersuchungen abgeleitete Hypothesen verifizieren zu können (Prognose), wäre ein numerisches Grundwassermodell des Münsterländer Kreidebeckens der nächste Schritt.

Verwertung von Eisenhydroxidschlämmen zur Bodenverbesserung von ertragsarmen Kippenböden

Bei der Wasserhaushaltssanierung der LMBV fallen sowohl in Wasseraufbereitungsanlagen sowie durch diffuse Grundwasserzutritte zu Fließgewässern umfangreiche Mengen Eisenhydroxid-Schlämme (EHS) an. Es gilt, diese soweit wie möglich einem Verwertungsweg zuzuführen.

Der Versuch wurde an den Lausitzer Kippenböden, welche im Rahmen der Rekultivierung und einer Verbesserung bezüglich einer Nachnutzung zu land- und forstwirtschaftlichen Zwecken bedürfen, durchgeführt.

Es wurde ein 2,5 ha großes Versuchsfeld für Grünland und Gehölze angelegt. Auf Teilfeldern wurden in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen Eisenhydroxidschlamm und ein organischer Bodenergänzungsstoff in die Vegetationsschicht des Bodens eingearbeitet. Jeweils ein unbehandeltes Teilfeld diente als Referenzfläche. Im Bereich Grünland wurde eine Gras-Kräuter-Mischung ausgesät. Im Bereich Gehölzanpflanzung kamen Kiefern, Eichen und Birken für den Test zum Einsatz. Im gesamten Versuchszeitraum wurden weder Dünger appliziert noch bewässert.

Für den Versuch wurden ausschließlich bodenschutzrechtlich und ökotoxikologisch unbedenkliche EHS verwendet.

Eisenoxidverbindungen sind in vielen Böden an der Entwicklung fruchtbarkeitsbestimmender Eigenschaften beteiligt. Durch den EHS wurden v.a. die Elemente Eisen, Mangan und Calcium dem Boden appliziert.

Die wichtigsten Erkenntnisse sind die Eignung des EHS zur Bodenverbesserung, sowohl physikalisch durch die bessere Speicherung von Niederschlagswasser als auch biochemisch durch die Speicherung und Verfügbarmachung von Nährstoffen für die Vegetation. Mit dem durchgeführten Monitoring konnte die Verbesserung der Bodenstruktur und der Fruchtbarkeit der Böden nachweislich belegt werden.

Die Bodenverbesserung mit Eisenhydroxidschlamm zeigt innerhalb der drei bisher durchgeführten Vegetationsperioden im Vergleich zu den unbehandelten Böden sowohl für die Gras-Kräuter-Mischung als auch für die Gehölzpflanzung deutlich bessere Ergebnisse. Diese Ergebnisse konnten trotz zusätzlichen Stresssituationen für die Vegetation aufgrund der überdurchschnittlichen Temperaturen und unterdurchschnittlichen Niederschläge im Versuchszeitraum erzielt werden.

Die fruchtbarkeitsbestimmenden Eigenschaften anstehender Quartärsande in den Lausitzer Kippen können durch Zugabe von Eisenhydroxidschlamm verbessert werden. Das Material kann somit im Sinne der Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit einer Nutzung zugeführt werden, Abfälle werden vermieden.

Konsequenzen des Klimawandels auf die Salzlaststeuerung des Kali Südharz Revieres der LMBV, Sanierungsbereich Kali-Spat-Erz

Die LMBV mit ihrem Sanierungsbereich Kali-Spat-Erz ist u.a. Rechtsnachfolgerin des DDR Kalibergbaus in Thüringen und Sachsen-Anhalt. Im ehemaligen Revier „Kali Südharz“ sind vor der Wiedervereinigung insgesamt 6 Kalirückstandshalden entstanden (Bischofferode, Bleicherode, Sollstedt, Sondershausen, Menteroda und Roßleben), an denen permanent salzhaltige Sickerwässer anfallen. Die Wässer werden dezentral gefasst und durch Rohrleitungen zum zentralen Laugenstapelbecken nach Wipperdorf transportiert. Hier werden sie bis zum kontrollierten Abstoß in die Vorflut Wipper gespeichert. Die gesamte Steuerung – also Aufnahme, Transport, Regelung und Abstoß der Haldensickerwässer – wird im System der Salzlaststeuerung zusammengefasst. Durch den sich intensivierenden Klimawandel kommt es in diesem System vermehrt zu extremen singulären Ereignissen wie kurzen Starkniederschlägen, die sich mit längeren Trockenphasen abwechseln. Hinzu kommt durch stetige Verringerungen Niederschlagsmengen in der Region, dass die Vorfluter hohe Variationen und dadurch allgemein weniger Wassermengen zum Abfluss bringen. Diese Entwicklung übt Druck auf die Steuerung des komplexen Salzlastmanagements aus. Der Sanierungsbereich Kali-Spat-Erz arbeitet fortwährend an der Optimierung des Systems, zum einen durch Verbesserungen seitens der Technik, zum anderen wird an der Überdeckung der Halden weitergearbeitet, um die Quantität der Haldensickerwässer zu verringern. Permanent werden neue innovative Möglichkeiten zu weiteren nachhaltigen Verbesserung des Systems geprüft, um die Belastung der Hinterlassenschaften des DDR-Kalibergbaus auf die Umwelt, insbesondere die Vorfluter zu minimieren.

Integrales Monitoring des Grubenwassers

Die Erfahrungen mit dem IM-Prozess des Landes sollen aus Sicht der Bürgerinnen und Bürger dargestellt werden.

	Grubenwasserchemie 2. September 2024
	Probenahme von Grubenwasser 4. September 2024