Tagungsbeiträge - kassel25

Grubenwasseranstieg im ehemaligen Steinkohlenrevier Lugau/Oelsnitz – Aktueller Stand zum Aufbau des Grundwasserströmungs- und Stofftransportmodells

Das Grubengebäude im ehemaligen Steinkohlenrevier Lugau/Oelsnitz in Sachsen reicht bis in Tiefen von 1200 m unter Gelände und unterliegt seit 1971 einer ungesteuerten natürlichen Flutung. Dieser anhaltende langsame Flutungsvorgang wird nach bisherigen Prognosen voraussichtlich im Jahr 2032 zu unkontrollierten Wasseraustritten an der besiedelten Tagesoberfläche führen. Dies kann infolge ausgedehnte Vernässungsflächen in Ortslagen und qualitative Beeinträchtigungen der Grund- und Oberflächengewässer durch hochmineralisierte Tiefen- bzw. Grubenwässer (ELF ≈ 33.400 µS/cm in ca. 630 m Tiefe) verursachen. Als Entscheidungsgrundlage für eine gegebenenfalls erforderliche Gefahrenabwehr (bspw. flutungsregulierende Maßnahmen) durch das Sächsische Oberbergamt soll zukünftig eine differenzierte Flutungsprognose basierend auf einem Strömungs- und Stofftransportmodell dienen. Die aufwendige Modellerstellung folgt dabei einem mehrstufigen Modellkonzept, das ein derzeit in Arbeit befindliches regionales Bilanzmodell und ein lokales Bergbaumodell bzw. Lokalmodell mit integriertem Gruben-/Boxmodell umfasst. Im Rahmen der sich anschließenden Modellierung werden verschiedene Szenarien des Grubenwasseranstiegs in Variantenbetrachtungen analysiert, um eine fundierte Entscheidungsgrundlage zu schaffen.

Der Beitrag gibt eine kurze Einführung in das hydrogeologisch komplexe Revier und zum Stand der bisherigen Flutungsprognose, gibt Einblicke in diverse Vorarbeiten und Aspekte, wie die hydrochemische Charakteristik der Tiefenwässer und das geologische 3D-Strukturmodell als geometrische Modellgrundlage. Abschließend werden wesentliche Eckpunkte und der aktuelle Stand der Arbeiten am regionalen Bilanzmodell vorgestellt.

Zielorientierte Kommunikation bei größeren Genehmigungsvorhaben – die Erfahrungen beim Grubenwasseranstieg im Saarrevier

Die Erfahrung zeigt, dass bei größeren Zulassungsvorhaben immer öfter mit Widerständen aus Teilen der Bevölkerung und Klagen vor den Verwaltungsgerichten zu rechnen ist. Diese Entwicklung macht die Verwaltungsgerichte faktisch zur letzten Instanz im Genehmigungsprozess.

Für rechtsichere Entscheidungen ist aber zu allererst ein Verständnis des Systems erforderlich, in das das Vorhaben eingreifen soll, aber auch der Auswirkungen des Vorhabens. der Möglichkeiten, mögliche Veränderungen zu überwachen, und der erforderlichen Maßnahmen, um negativen Entwicklungen begegnen zu können. Dieses Systemverständnis wird in der Regel erlangt durch den Austausch mit dem Antragsteller, dessen Gutachtern und auch externen Experten, die die Behörden zu ihrer Unterstützung heranziehen können.

Diese Kommunikation findet in der Regel unter Verwendung von Fachsprachen statt, die die Kommunikation in dem jeweiligen Fachgebiet vereinfachen, aber für fachliche Laien nicht unbedingt verständlich sind. Diese Verständnislücke kann erhebliche Missverständnisse verursachen. Dabei ist jedoch die korrekte Beschreibung der Sachverhalte zwar Aufgabe der technisch-wissenschaftlichen Experten, andererseits ist sie für den Juristen Grundlage der Subsumtion, d. h. die Zuordnung einer Rechtsnorm zu diesem Sachverhalt und damit bestimmend für die Rechtsfolgen.

Fachliche Beurteilungen lassen jedoch häufig die Relevanz der rechtlichen Fragestellungen ganz oder teilweise außer Acht. Andererseits sind die rechtlichen Bearbeiter naturgemäß fachliche Laien. Missverständnisse sind damit vorprogrammiert. Im Saarland wurde durch einen intensiven Kommunikationsprozess innerhalb der Behörden, mit der Antragstellerin und ihren Gutachtern sowie externen Experten sichergestellt, dass die Verständnislücke überwunden werden konnten.

Mit 6882 Einwendungen von Bürgern und 128 Stellungnahmen im Rahmen der Öffentlichkeitsbeteiligung war klar, dass der Beschluss beklagt werden würde und dass die Klagebegründungen im Wesentlichen auf den Argumenten dieser Einwendungen beruhen würde. Daher wurde bei der Abfassung des Textes Wert auf allgemeine Verständlichkeit gelegt, um mögliche Missverständnisse weitestgehend auszuschließen. Diese Strategie war schlussendlich auch erfolgreich: Von 18 eingereichten Klagen wurden 6 vom Oberverwaltungsgericht des Saarlandes zurückgewiesen, wobei in der Begründung des Gerichts weitgehend aus der Begründung des Beschlusses zitiert wurde; die restlichen Klagen wurden zurückgezogen.

Testung einer mechanischen Belüftung als Reinigungsmaßnahme von Eisenhydroxid an einem Wärmeübertrager

Durch die Fällungen von Eisenhydroxiden kommt es in der Grube Mercur in Bad Ems zu Ablagerungen an den Wärmetauschern einer Geothermieanlage. Für die Behandlung des Grubenwassers wurde die Zugabe von Sauerstoff „Belüftung“in Betracht gezogen. Aus dem Schacht 2 und 3, sowie aus dem Auslauf der Rösche (wo sich die Wärmetauscher befinden) wurden Wasserproben entnommen und im Labor der RUB drei verschiedenen Belüftungsszenarien (Sauerstoffabschluss, passive Belüftung, aktive Belüftung) simuliert. Bei den „belüfteten“Proben kam es neben der erwarteten Fällung von Eisenhydroxid auch zur Fällung von Kalzit. Da dieser sich im Falle einer Belüftung um die Wärmetauscher legen würde, und somit die Effizienz dieser heruntersetzt, wird eine mechanische Belüftung zur Entfernung von Eisenhydroxid nicht empfohlen.

Starkregen-Gefährdungsanalyse einer Bergehalde: Oberflächenabfluss, Erosion und Standsicherheit

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.

Schwefelumsatzprozesse in ehemaligen Steinkohlebergwerken des Ruhrgebiets

Das Ende bergbaulicher Aktivitäten und der damit verbundene kontrollierte Grubenwasseranstieg in stillgelegten Steinkohlebergwerken des Ruhrgebiets führt teilweise zu einer Veränderung der laufenden Schwefelumsatzprozesse. Eisensulfide, die unter anderem in den Kohleflözen vorkommen, werden zu Sulfat (SO₄) oxidiert und können anschließend, unter anoxischen Bedingungen, von sulfatreduzierenden Bakterien (SRB) zu Schwefelwasserstoff (H₂S) reduziert werden. Es ist daher wichtig, Bereiche im Grubengebäude zu identifizieren, in denen es zur H₂S-Bildung kommen kann, um geeignete Gegenmaßnahmen zu treffen. Ziel ist es, durch geochemische Modellierungen die Bildung von H₂S im weiteren Verlauf des Grubenwasseranstiegs vorherzusagen. Dazu muss die Schwefelverteilung in der Kohle räumlich erfasst werden. So können Bereiche im Bergwerk mit erhöhtem Risiko für H₂S-Bildung identifiziert werden.

Der Einfluss von meteorischem Wasser auf die Zusammensetzung des Grubenwassers ist ein weiterer wichtiger Faktor. Besonders im südlichen Ruhrrevier, wo das Grubenwasser überwiegend aus meteorischem Wasser gespeist wird, hat der Wechsel von trockenen und feuchten Wetterperioden einen sichtbaren Einfluss auf die Schwefelumsatzprozesse im Grubenwasser. Dieser klimatische Einfluss auf den Schwefelkreislauf ist ein wichtiger Aspekt für das Grubenwassermanagement.

In der ersten Projektphase von 2021 bis 2024 wurde bereits die Rolle der Schwefelumsatzprozesse beim Grubenwasseranstieg untersucht. Erhöhte Sulfat- und Eisenkonzentrationen deuten auf Eisensulfid-Oxidation hin. Die Isotopenanalyse des Sulfat-Schwefels zeigt an einigen Wasserhaltungsstandorten eine Anreicherung der schweren Schwefelisotope im Grubenwasser. Dies ist ein eindeutiger Indikator für Sulfat-Reduktion. Um diese Prozesse besser zu verstehen, soll nun in einem weiteren Schritt die Probennahme um eine teufenorientierte Probennahme ergänzt werden.

Das Ziel des Projektes ist es ein vertieftes Verständnis über die ablaufenden Schwefelumsatzprozesse zu erhalten und dies in geochemische Modellierungen einfließen zu lassen. So sollen Prognosen zur H₂S-Bildung einzelner Grubenbereiche ermöglicht werden, und damit ein Beitrag zur Vermeidung von Kosten sowie zur Reduktion von Risiken für die Umwelt geleistet werden.

System- und Prozessverständnis der Grubengasfreisetzung aus stillgelegten Steinkohlenbergwerken im Kontext der EU-Methanverordnung

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.

Zwischen Risiko und Ressource – Minenbeeinflusstes Wasser (MIW) als Herausforderung und Potenzial

Der Bergbau, insbesondere der Goldabbau, stellt einen bedeutenden wirtschaftlichen Faktor dar, verursacht jedoch erhebliche Umweltbelastungen durch vom Bergbau beeinflusstes Wasser (MIW). Dieses kontaminierte Wasser, insbesondere saures Grubenwasser (AMD), gefährdet die Qualität von Oberflächen- und Grundwasser und beeinträchtigt die Gesundheit von Mensch und Umwelt. In Ländern wie Südafrika, die stark vom Bergbau abhängig sind und zugleich unter Wasserknappheit leiden, stellt MIW eine komplexe Herausforderung dar. Das vom BMFTR geförderte Forschungsprojekt MAMDIWAS („Nutzung von Grubenwasser als Motor für Veränderung zur Erhöhung der Wassersicherheit in Südafrika“) verfolgt einen integrativen, technologiegestützten Ansatz zur nachhaltigen Nutzung von MIW. Ziel ist es, MIW als Ressource zu begreifen und für Zwecke wie Trinkwasserversorgung, Landwirtschaft und Rohstoffrückgewinnung nutzbar zu machen. Dieser Vortrag stellt die ersten Ergebnisse aus dem Teilprojekt MAMDIWAS-IWRM vor, dessen Ziele (i) die Untersuchung der Wasserqualität im Einzugsgebiet, (ii) die Identifikation der Hauptschadstoffe aus MIW und die Bewertung deren toxikologischer Wirkung sowie (iii) mögliche Wiedernutzungsoptionen und die Analyse der gesellschaftlichen Akzeptanz sind, um fundierte Maßnahmen zum Gewässerschutz und zur Ressourcennutzung abzuleiten.

In zwei Messkampagnen wurden Proben entlang zweier Fließgewässer unterhalb von Goldminen westlich von Johannesburg, sowie Wässer auf dem Gelände einer aktiven Goldmine gewonnen und anschließend im Labor auf potentiell toxische Elemente (u.a. Al, Sr, Fe, Mn, Pb, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Zn, Mo, V, Si, Ar, U) und weitere Parameter analysiert. Die Kampagnen erfolgten zu Normal- und zu Niedrigwasserabflussverhältnissen. Ergänzend wurden in-vitro-Toxizitätstests zur Bewertung mutagener und genotoxischer Effekte durchgeführt. Ziel war es, die ökologischen und gesundheitlichen Risiken für Mensch und Umwelt zu erfassen, insbesondere in Regionen, in denen MIW als Trink- oder Bewässerungswasser genutzt wird, und damit die Grundlage für nachhaltige Wasserbewirtschaftung zu schaffen.

Schadstoffmobilisierung und -transport an aufschwimmenden Eisenschichten in einem stillgelegten Wasserlösungsstollen im Harz, Deutschland

Die Entstehung von an der Wasseroberfläche schwimmender Eisenschichten wurde bereits ausführlicher in Feuchtgebieten oder Flussmündungen durch natürliche mikrobiologische und/oder abiotische Prozesse beschrieben, jedoch noch nicht in einem anthropogen beeinflussten Umfeld mit organischen Schadstoffen in Verbindung gebracht. In dieser Studie wurden solche aufschwimmenden Eisenschichten im Ernst-August-Stollen untersucht. Dabei standen die chemische Zusammensetzung, die mögliche Kontamination mit Schadstoffen sowie die Struktur der aufschwimmenden Eisenschichten im Mittelpunkt der Untersuchungen. Letztlich sollten die Mobilisierung und der Transport von Schadstoffen in Oberflächengewässer abgeschätzt werden.

Insgesamt wurden drei Probenahmekampagnen in 2023 und 2024 durchgeführt. In dem Maschinenraum wurden Proben aus dem Grubenwasser, von aufschwimmenden Eisenschichten sowie vom Maschinenlack entnommen. Im Jahr 2023 wurden alle Proben mittels GC-MS und HPLC-MS/MS auf verschiedene organische Substanzen analysiert. Die im Jahr 2024 entnommenen Proben wurden auf ausgewählte anorganische (ICP-OES, ICP-MS) und organische Stoffe (GC-MS), die mineralogische Struktur (DTA, XRD, REM, TEM, IR) sowie Mikroorganismen (Zelllebensfähigkeit, DNA-Analysen) untersucht. Zusätzlich wurde in 2024 am Stollenmundloch eine passive Probenahme hydrophober organischer Schadstoffe im Grubenwasser mit Hilfe silikonbasierter Passivsammler durchgeführt. In den aufschwimmenden Eisenschichten konnten signifikante Konzentrationen an anthropogenen hydrophoben organischen sowie auch geogenen anorganischen Schadstoffen nachgewiesen werden. So wurden bezogen auf das Trockengewicht bis zu 450 mg/kg an Mineralölkohlenwasserstoffen (MKW) und bis zu 3,7 mg/kg an polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK, Summe 16 U.S. EPA) nachgewiesen, die aus der Verwendung von Schmieröl stammen könnten. Mit Hilfe der passiven Probenahme konnte gezeigt werden, dass auch im Grubenwasser gelöste PAK in den Vorfluter gelangen können.

Es konnte weiterführend anhand von GC/MS Fingerprint Auswertungen einerseits eine Punktquelle im Sedimentationsbecken im Maschinenraum des Stollens identifiziert und andererseits ein Schadstofftransport aus dem Stollen in den Vorfluter festgestellt werden. Der Transport von organischen Schadstoffen stellt somit auch im Bergbau eine potentielle Gefährdung für Oberflächengewässer dar und sollte auch im Hinblick auf die Ziele der Wasserrahmenrichtlinie mit bedacht werden.

Konzeptmodell Münsterländer Becken zur Vorbereitung der Erstellung eines regionalen Grundwasserströmungsmodells

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.

Modellierung von Leistungsabfällen von Pumpen über die Betriebsdauer – Eine theoretische Betrachtung

In der Modellierung mit der etablierten und von DMT entwickelten Software „Boxmodell“ zur Simulation von Grubenwasseranstiegen und den darauffolgenden Wasserhaltungen inklusive (reaktivem) Stofftransport, sind durch die in-house Programmierung bereits viele verschiedene Pumptypen darstellbar. Bisher wird aber in Boxmodell ausschließlich mit über die Betriebsdauer unbeeinflussten Pumpraten gearbeitet. Mögliche Pumpmethoden sind beispielsweise feste Pumpraten oder das Halten eines bestimmten Wasserstandniveaus. Die dann eventuell in den Pumpraten vorhandenen temporären Änderungen sind auf Änderungen in der Zuflussmenge (jahreszeitliche Schwankungen) oder auf äußere Vorgaben (Abhängigkeit von Vorflutern) beschränkt. Veränderungen der Pumprate, die allein oder zusätzlich von zeitabhängigen Prozessen abhängen, sind in der Modellierung mit Boxmodell bisher nicht vorgesehen. Es ist aber durch langjährige Beobachtungen bekannt, dass Pumpen in der Realität über die Laufzeit einen mehr oder minder ausgeprägten Leistungsabfall aufweisen. Die Betrachtung einer möglichen Integration der betriebszeitabhängigen Reduzierung einer Pumprate in bestehende Grubenwassermodelle verdient daher eine nähere Betrachtung.

Dieser Beitrag möchte einen Überblick über verschiedene mathematische Beschreibungen der für mögliche Leistungsminderungen verantwortlichen Prozesse und ihre Handhabbarkeit während der Modellierung geben. Das vorzustellende Modell basiert auf unterschiedlichen mathematischen Ansätzen, welche jeweils auf verschiedene Pumpmethoden und –Einschränkungen anwendbar sind. Dabei wird die durch die Pumpmethode vorgegebene Pumprate über eine gewählte zeitabhängige Funktion gedrosselt. Die Wahl der Drosselungsfunktion ist in der Realität abhängig von den zu Grunde liegenden Parametern, zum Beispiel der Auslastung der Pumpe und/oder der zu erwartenden Schwankungen der Wassermengen. Über diese Funktion kann dann eine Extrapolation der zeitlichen Reduzierung und damit eine fundierte Prognose der Drosselung erfolgen.

Neben einer modelltechnisch rein zeitbedingten Reduzierung der Pumpleistung, kann auch die Wasserqualität selbst die Pumpe derart beeinflussen, dass ein Leistungsverlust zu beobachten ist. Die Verknüpfung der Pumprate an die Zeit kann und sollte daher auf eine Verknüpfung an die stoffliche Zusammensetzung des Grubenwassers erweitert werden. Als Ergebnis dieses innovativen Modelles ergeben sich zahlreiche Optimierungsmöglichkeiten für den Pumpbetrieb.

Wasserdaten fließen lassen mit ENOLA

Das Grubenwassermonitoring in Bergbauregionen basiert bislang weitgehend auf konventionellen Mess- und Berichtsverfahren, die auf regional verteilten Messstellen und periodischen Datenerhebungen beruhen. Diese etablierten Strukturen liefern grundlegende Informationen zu Wasserständen und hydrochemischen Parametern, schöpfen jedoch das Potenzial moderner digitaler Technologien bisher nur begrenzt aus.

Die Digitalisierung eröffnet umfangreiche Möglichkeiten, die Qualität und den Nutzen des Monitorings deutlich zu steigern. Digitale Plattformen können unter anderem:

Messnetze mit Echtzeit-Sensorik verknüpfen,
Daten standardisieren,
automatische Routinen für die Plausibilisierung ergänzen,
Datensicherheit gewährleisten und
Informationen für Beteiligte und Betroffene transparent bereitstellen.

ENOLA ist eine digitale Grundwassermanagementplattform, die modular aufgebaut ist und cloudbasiert sowie On-Premise eingesetzt werden kann. Die Daten liegen sicher auf DSGVO-konformen Servern in Deutschland und werden durch effektive IT-Sicherheitsmaßnahmen (z.B. 2FA) vor unerlaubten Zugriffen geschützt.

Essentielle Aufgaben für Akteure im Bereich Bergbau und Grundwasser lassen sich darin intuitiv, schnell und vernetzt erledigen: Erfassen – Verwalten – Analysieren – Weitergeben von Grundwasserdaten sowie entsprechenden Auswertungen. Alle Beteiligten können sowohl individuell als auch gemeinschaftlich Team mit denselben, aktuellen Daten arbeiten – vom kleinen Bauprojekt bis zum Landesmessnetz oder Bergbauprojekt.

Die Vorteile:

Zeitersparnis durch voll digitale Prozesse und nahtlose Workflows
alle Akteure können ortsunabhängig und in Echtzeit mit denselben Daten arbeiten statt mit der veralteten Kopie des Exports aus der letzten E-Mail
unabhängig von Ort, Gerät und Betriebssystem nutzbar

Dies erlaubt nicht nur die frühzeitige Erkennung hydrogeologischer Trends, sondern auch eine effizientere Planung von Maßnahmen und eine schnellere Reaktionsfähigkeit bei kritischen Entwicklungen. Darüber hinaus können digitalisierte Systeme gezielt die Potenziale des Grubenwassers erschließen. So eignet es sich zum Beispiel für die thermische Nutzung oder als Rohstoffträger, birgt jedoch aufgrund seiner Belastung auch Risiken für die Umwelt. Eine systematische, volldigitalisierte Erfassung und Auswertung der Grubenwasserdaten ist daher empfehlenswert, um diese Optionen wirtschaftlich und ökologisch effizient bewerten zu können und so einen zukunftsorientierten, nachhaltigen Umgang mit Grubenwasser zu ermöglichen.

Thermische Energiespeicherung in (teil)gefluteten Bergwerksstollen: Erkenntnisse aus dem Geo-Lab Reiche Zeche

What We Learned from Heating and Cooling a (Semi)-Flooded Mine Gallery: Thermal Energy Storage at Reiche Zeche

Disused mines offer a promising opportunity for sustainable underground thermal energy storage (MTES), repurposing legacy infrastructure to balance seasonal heat supply and demand. As part of the BMBF-funded MineATES project, a field-scale pilot was implemented in a controlled experimental drift section within the historic Reiche Zeche silver mine in Freiberg, Germany. Three thermal cycles—heating up to 38 °C and cooling down to 2 °C—were conducted in a 20 m³ basin embedded in grey gneiss at 147 m depth. Monitoring included 90+ temperature sensors, tracer-based flow characterization, hydrochemical sampling, and fouling assessments. Results show that conductive heat transfer dominated, with storage efficiencies up to 60%. Tracer tests revealed ongoing groundwater inflow, leading to advective heat losses, while thermal cycling induced iron and manganese precipitation and pH shifts in mine water. Fouling of heat exchanger surfaces caused up to 45% performance loss, mitigated by coatings. These findings demonstrate both the potential and complexity of operating MTES systems in hydraulically connected, geochemically dynamic mine environments.

Einzelheiten werden folgen

Einzelheiten zu diesem Beitrag folgen in Kürze. Bitte kommen Sie in ein paar Tagen wieder.

Elektrochemische Metallabtrennung, Salzentfrachtung und Wasserstofferzeugung aus salinem Wasser des Schlüsselstollns (Sachsen-Anhalt)

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.

Tauchfahrten in geflutete Bergwerksschächte 4.0

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.

Numerische Modellierung der Gipsauflösung und hydraulischen Kluftentwicklung im Rahmen der hydrogeologischen Untersuchungen für ein geplantes Gips-Bergwerk bei Altertheim

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.

Modellierung des Grubenwasserabflusses mittels linearer Speichermodelle am Beispiel des Freiberger Reviers

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.

Bilanzierung der CO₂-Emmisionen bei den LMBV-Wasserbehandlungsmaßnahmen als Ausgangsbasis für deren zukünftige Reduzierung

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.

Der Spessart läuft aus – Hydrochemische Spuren vergangener Bergbautätigkeit

Erste Bergbauspuren im kristallinen und sedimentären Spessart sind aus dem 15. Jahrhundert bekannt. Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts wurden im heute bayerischen und hessischen Mittelgebirgsteil Eisen, Kupfer, Silber und Blei, sowie Kobalt, Mangan und Schwerspat abgebaut. Im Gegensatz zum Erzgebirge oder dem Harz war der Bergbau im Spessart von geringerer Bedeutung und die Anzahl der Literatur darüber hält sich demzufolge in Grenzen. Montanhydrogeologische Arbeiten über den Spessart fehlen bisher gänzlich und auch die hydrogeologische Literatur ist überschaubar. Ziel der hier vorgestellten Studie war es, Grubenwasseraustritte bei historischen Bergwerken im Spessart zu lokalisieren und diese hydrogeochemisch zu charakterisieren. Auf der Basis von historischen Karten und der Auskunft von Bergbauhistorikern wurden zwischen Aschaffenburg und Bieber 14 Altbergbaue identifiziert, bei denen mit dem Austritt von Grubenwasser zu rechnen war. Letztendlich konnte an sieben dieser Lokalitäten Grubenwasser entnommen werden, wobei diese teilweise durch den Einsatz einer Wärmebildkamera von Quellaustritten unterschieden wurden. Neben den Hauptionen und Spurenelementen (0,45 µm Membranfilter) wurden die vor-Ort-Parameter Temperatur, elektrische Leitfähigkeit (EL), pH-Wert, Redoxspannung und Sauerstoffkonzentration gemessen sowie an allen Lokalitäten mit Grubenwasseraustritten die Durchflüsse ermittelt. Diese bewegten sich zwischen 3 und 19 L/min mit Wassertemperaturen zwischen 9 und 11 °C. EL reichte von 86 µS/cm an der Schwerspatgrube Erichstollen bis zu 652 µS/cm am Oberen Kahler Stollen. Alle pH-Werte sind zirkumneutral und reichten von 6,7 bis 7,7. An keiner der Wasseraustritte wird eine Umweltqualitätsnorm überschritten. Am Oberen Kahler Stollen beträgt die SO₄-Konzentration 40 mg/L bei einer Ca- und Mg-Konzentration von 78 mg/L und 36 mg/L. Mittels multivariater Statistik (PCA, Clusteranalyse) lassen sich drei Gruppen von Grubenwässern isolieren, die ein Spiegelbild der geologischen Verhältnisse des Spessarts sind. Aufgrund der derzeitigen Datenlage lässt sich insgesamt feststellen, dass es keine problematischen Grubenwasseraustritte im Spessart gibt. Die geringen Frachten schließen zudem eine chemische oder geothermale Nutzung der Grubenwässer aus.

Metallgewinnung aus Grubenwasserschlämmen durch Plasmareduktion – ein Beitrag zum CRMA?

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.