Unkontrollierte Wasserzutritte in einen Erztagebau beeinträchtigen die Effizienz der Erzgewinnung und die Produktionsbedingungen. Deshalb ist es wichtig, das Zuflusssystem zum Tagebau zu verstehen, um die Quellen der Wasserzutritte zu detektieren und gezielt diesbezüglich effektive Entwässerungsmaßnahmen zu veranlassen. Die detaillierten hydrogeochemischen Untersuchungen der Wasserzutritte und potentieller „Herkunftsgebiete“ am beispielhaften Standort weisen aus, dass das Zuflusssystem bedeutend komplexer ist, als vorher vermutet.
Weiterführend werden Untersuchungsergebnisse für chilenische Bergbaustandorte aufgezeigt. In den letzten Jahren rücken immer häufiger ältere sekundäre Bergbaukörper in den Fokus („secondary mining“). Die darin enthaltenen Restgehalte von Wertmetallen liegen oftmals im Niveau oder darüber heute abgebauter Primärlagerstättenkörper. Bei den Untersuchungen lag der Schwerpunkt
auf dem strukturellen Verständnis der Tailingskörper. Im Detail wurde untersucht, ob lagenartige Anreicherungszonen vorliegen. In Bezug auf einen anderen Standort mit Haufenlaugung wird gezeigt, dass es neben dem gelaugten Kupfer zu einer deutlichen Mobilisierung von z. B. Kobalt und Seltene Erden-Elementen (Rare Earth Elements – REE) aus dem Material kommt. Dies wird u. a. auf den Säureangriff auf Alumo-Silikat-Phasen zurückgeführt.
1 Bergbauliche Wasserwirtschaft und Entwässerungstechnik in Lehre und Forschung
Der Aspekt Wasser spielt in der öffentlichen Wahrnehmung oft erst nachbergbaulich eine entscheidende Rolle. Bei genauer Kenntnis ist natürlich klar, dass ein Bergbau ohne die Berücksichtigung der Komponente Wasser überhaupt nicht möglich ist. Diesbezüglich bringt die Arbeitsgruppe „Bergbauliche Wasserwirtschaft“ Kenntnisse zum Verständnis von hydraulischen und hydrogeochemischen Prozessen im Bergbau in die studentische Ausbildung ein. Seit dem Jahr 2011 ist die Arbeitsgruppe am Institut für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg (zugehörig der Professur Tagebau) und bearbeitet auch umfangreich Forschungsprojekte. Die Erkenntnisse daraus fließen dann auch wieder in die Ausbildung der Studenten zurück.
In die Ausbildung des Diplom-Studiengangs „Geotechnik und Bergbau“ sind somit die “Bergbauliche Wasserwirtschaft” und die “Entwässerungstechnik“ integriert. Die englischsprachigen Master-Programme „Groundwater Management“ und „Sustainable Mining and Remediation Management“ beinhalten Module zu „Groundwater Chemistry/Hydrogeology for GW-Management“ sowie „Mine Water“.
Die Bearbeitung von Forschungsprojekten spielt eine essentielle Rolle. Die folgende Breite an Forschungsfeldern wird von der Arbeitsgruppe „Bergbauliche Wasserwirtschaft“ abgedeckt und in gemeinsamen Projekten mit nationalen und internationalen Projektpartnern bearbeitet:
- hydrogeochemische Prozesse in Bergbaualtkörpern (Kippen, Tailingskörper etc.),
- Sauerwasserbildung – technologische Gegenmaßnahmen (auch Sulfatreduktion),
- Verständnis hydraulischer Zufluss- und Entwässerungs-systeme,
- hydraulisch/hydrogeochemische Prozesse bei geotechnischen Ereignissen in Altkippen und
- Re-Mining von Tailingskörpern/Gewinnung von Wertelementen aus Bergbauwässern.
Es sind diesbezüglich vielfältige Fragestellungen im Bergbau zu bewältigen: Entwässerung im Tief- und Tagebau, die nachbergbauliche Flutung von Tagebaurestlöchern, Sanierung saurer Tagebaufolgeseen, generelles Management und Behandlung solcher Sauerwässer (Acid Mine Drainage – AMD). Neben den benannten, aber auch für den Rückbau sekundärer Bergbaukörper (Tailings) ist die Gewinnung eines Prozess- und Detailverständnisses für den jeweiligen Standort essentiell.
Hierbei besitzen detaillierte hydrogeochemische Untersuchungen oft eine entscheidende Bedeutung. Diese dienen dazu, ein detailliertes Prozessverständnis zu erlangen, um darauf aufbauend fundierte, problemoptimierte und differenzierte technische Lösungen für den jeweiligen Standort zu veranlassen. Dies soll an den nachfolgenden Beispielen verdeutlicht werden.
2 Beispiel – Vertiefung eines Erztagebaus – Verständnis Wasserzuflusssystem
Der betrachtete Erztagebau ist einer der tiefsten Europas. In den letzten Jahren dehnte er sich sowohl flächenmäßig, als auch vor allem in die Tiefe deutlich aus. Dies erhöht natürlich die hydraulischen Potentiale. Potentiell sind sich erhöhende Wasserzutritte in den Tagebau relevant, auch wenn die klimatischen Verhältnisse – z. T. Permafrost – zu beachten sind. Wasserzutritte und ihr Einfluss auf die Produktionsbedingungen beeinträchtigen die Effizienz der Erzgewinnung. Somit besteht großes Interesse, die lokalen hydraulischen Zuflussbedingungen zu verstehen, um gezielte und effektive Entwässerungsmaßnahmen zu veranlassen.
Grundlage ist dafür ein tieferes Verständnis des geohydraulischen Systems des Tagebaus. Diesbezüglich wurden hydrogeochemische Untersuchungen durchgeführt, um die zunächst vorherrschende Vorstellung zu überprüfen, dass die in verschiedenen Bereichen zusitzenden Wässer alle mehr oder weniger gleichen Ursprungs sind. In Hinblick darauf wurden die verschiedenen Wassereintrittsbereiche im Tagebau, aber auch potentiell denkbare „Herkunftsbereiche“ dieser Wässer untersucht. Dabei wurden neben der vollständigen „Hauptchemie“ der Wässer auch anorganische Spurenuntersuchungen und Isotopenmessungen an den Wässern vorgenommen.
Insgesamt konnten vier verschiedene Wasserzuflussarten unterschieden werden:
- Seitliche Zuflüsse aus dem anstehenden Gebirge bezogen auf Störungs- und Fissurzonen.
- Die Frage von Zuflüssen aus dem Generalentwässerungsgraben, dessen Dichtheitsverhalten unklar war.
- Sickerwässer aus Haldenkörpern, die über oberflächennah anstehende Quartärsedimente in den Tagebau gelangen. Hierbei spielen vorbergbauliche „Talstrukturen“ mit Zonen stärkerer hydraulischer Durchlässigkeiten eine wesentliche Rolle.
- Zuflüsse tieferer Formationswässer über die Tagebausohle, die mit zunehmender Vertiefung des Tagebaus zunehmen werden.
Als erster großer Schritt ist ein pragmatisches Verständnis im Sinne eines Wasserhaushalts erforderlich. Die detaillierten hydrogeochemischen Untersuchungen zeigten auf, dass es sehr wohl deutliche Unterschiede bei den zufließenden Wässern in Bezug auf ihre Beschaffenheiten gibt. Dies ist im Hinblick auf unterschiedliche „Herkunftsbereiche“ für diese Wässer zu sehen und bedarf somit auch unterschiedlicher Gegenmaßnahmen. Es ist also zu verstehen, wie die gesamt gehobenen Wässer sich im Hinblick auf die verschiedenen „Herkunftsbereiche“ aufteilen.
Es wurden somit die verschiedenen Bereiche mit einfließenden Wässern im Tagebau selbst sowie die potentiellen „Herkunftsbereiche“ beprobt und wie oben erwähnt hydrogeochemisch untersucht (Bild 1). Alle entnommenen Wasserproben wurden auf ihre Milieuparameter – pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit (ELF), Redoxpotential, Alkalinität und Acidität – sowie Haupt- und Nebenelement- und umfangreiche Spurenelementgehalte untersucht.
Fig. 1. Ore open pit mine – Overview of main influx areas with sampling points. // Bild 1. Erztagebau – Übersicht der Hauptzutrittsbereiche mit entnommenen Proben. Source/Quelle: TUBAF
Es ergab sich, dass vor allem die Gehalte für Aluminium, Seltene Erden (Rare Earth Elements – REE) und Kupfer eine entscheidende Bedeutung beim Verständnis der Zuordnung der einfließenden Wässer zu potentiellen Wasserzuflussbereichen besitzen.
In dem Tagebau konzentrieren sich die Wasserzutritte hauptsächlich auf zwei Bereiche – die hier A und B genannt werden sollen.
2.1 Wasserzutritte im Bereich A des Tagebaus
Im Bereich A kommt es zu deutlichen Wasserzutritten. Die vor den Untersuchungen im Raum stehende Vermutung, dass hier in erheblicher Größenordnung Wässer aus dem unbekannt gedichteten Generalentwässerungsgraben versickern und gleichfalls nahe gelegene Wasseraufbereitungsbecken (clarification ponds) eine Rolle spielen, konnte durch die hydrogeochemischen Untersuchungen eindeutig ausgeschlossen werden. Die potentiell für Abdichtungsmaßnahmen vorgesehenen Budgets konnten somit anderweitig eingesetzt werden. Die Proben des Generalentwässerungsgrabens und der Klärungsbecken zeigen REE-Gehalte (Lanthan, Cer, Neodym) bis ca. 1 mg/l und hohe Aluminium- sowie Kupfergehalte. Dem stehen die zutretenden Wässer entgegen, in denen die erwähnten Elemente zumeist < NWG sind. Weitere hydrochemische Messergebnisse in Kombination mit den Isotopenmessungen weisen ein anderes Zuflussregime für den Bereich A als relevant aus.
2.2 Wasserzutritte im Bereich B des Tagebaus
Anhand der gewonnenen Daten liegt für den Bereich B ein Zusammenhang zwischen den Wasserzutritten im oberen Teil des Tagebaustoßes und den Wässern aus dem Generalentwässerungsgraben vor. Die genauere Interpretation der Daten legte allerdings nahe, dass es vielmehr um zusitzende Wässer geht, die in den Halden generiert wurden. Die Ähnlichkeit zu den Grabenwässern ist eher darauf zurückzuführen, dass der Graben zum Großteil von diesen Haldenwässern gespeist wird. Es wird auch diskutiert, dass die Wasserzutritte im oberen Stoßbereich des Tagebaus eventuell als Mischung dieser über quartäre Fließwege und z. T. aus dem nur ungenügend gedichteten Abflussgraben zu verstehen ist.
Bei den Zuflüssen im unteren Teil des Bereichs B konnte dieser Zusammenhang nicht festgestellt werden. Die zusitzenden Wässer weisen keine höheren Gehalte von Aluminium, Kupfer und REE auf. Demnach besitzen diese zutretenden Wässer einen anderen Ursprung als die im oberen Teil des Bereichs B des Tagebaustoßes. D. h., will man diesen beiden Wasserzutrittsbereichen begegnen, sind unterschiedliche technische Maßnahmen vorzusehen.
3 Beispiel – Re-Mining von Tailingskörpern – Bedeutung hydrogeochemischer Untersuchungen
Bergbau und vor allem Kupferbergbau spielt in Chile bzw. allgemein in Südamerika eine wesentliche Rolle. Hierbei geraten inzwischen auch immer häufiger ältere sekundäre Bergbaukörper in den Fokus („secondary mining“). Die darin enthaltenen Restgehalte von Wertmetallen liegen oftmals auf dem Niveau heute abgebauter Primärlagerstättenkörper. Aufbauend auf Untersuchungen und dem daraus entwickelten Grundverständnis zu Tailingskörpern, welches auf den seit langem gemeinsam durchgeführten Untersuchungen mit der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) in Hannover beruht, besteht eine Hauptfrage darin, ob sich in diesen Körpern lagenartige Anreicherungszonen befinden, die selektiv zurückgewonnen werden sollten. Man kann diese Zonen als eine Art „anthropogene Flöze“ benennen und verstehen. Deshalb ist es wichtig, ortskonkret ein besseres Verständnis des strukturellen Aufbaus dieser Tailingskörper zu erhalten.
Im südamerikanischen Kontext der Kupferproduktion resultieren aus dem Abbau von „porphyry copper“-Lagerstätten oft sehr große Tonnagen auch für solche älteren Tailingskörper. Dabei können diese Körper mehr als 50 Mio. t Material, welches nach dem Flotationsprozess verspült wurde, umfassen.
Um die Tailingskörper näher charakterisieren zu können, wurden verschiedene Untersuchungsmethoden angewendet. An Probegräben wurden Profile aufgenommen, um den generellen Aufbau zu kennzeichnen. Hierbei erfolgte nach dem Aushalten von Haupt- und Teilhorizonten eine sofortige Vermessung der Elementgehalte direkt am Stoß mithilfe einer handgehaltenen Röntgen-Fluoreszenz-Analyse (hRFA). Weiterhin wurden sofort im Feld, an diesen Profilen und Teilproben Feldelutionen – Bestimmung der hydrogeochemischen Milieuparameter pH-Wert, ELF und Redoxpotential – durchgeführt. Mit diesen hydrochemischen Untersuchungen wird sofort klar, welche Variation man in den Materialien in Bezug auf ihren Verwitterungszustand und damit auch in Bezug auf das Mobilisierungsverhalten hat.
Vor Ort wurden neben einer Vielzahl an Profilen (Bild 2) nachfolgend auch Bohrungen untersucht. Anhand der hRFA-Daten konnte für den Tailingskörper die vermutete Lagencharakteristik mit Anreicherungszonen, die entscheidend für den Rückgewinnungsaspekt sind, nachgewiesen werden.
Fig. 2. Field investigation and sampling of a Chilean tailings body. // Bild 2. Felduntersuchung und Probenahme an einem chilenischen Tailingskörper. Source/Quelle: TUBAF
Der Vergleich der im Feld erhobenen Daten mit den später im Labor ermittelten Daten (unter idealen Probenaufbereitungsbedingungen) zeigte, dass die weniger idealen Feldmessungen dennoch zu belastbaren Aussagen führen. Es liegt sofort das generelle Grundverständnis für die wesentlichen Charakteristika des Aufbaus vor. Demnach kann der Lagenaspekt schon im Feld mit Hilfe der hRFA untersucht werden. Es ist aber anzumerken, dass die hRFA durch eigene Vorarbeiten am generellen Material selbst kalibriert sein muss. Nur dadurch erlangt man verlässliche Aussagen. Gerade auch in Bezug auf Neben- und Spurenelemente und vor allem in Bezug auf „leichte Elemente“ (geringere Atommassen) sind unbedingt nur auf eigene Kalibrierung beruhende Werte zu erheben und die standardmäßig durch die Geräte ausgegebenen Gehalte kritisch zu hinterfragen.
Neben den Felduntersuchungen und angesprochenen nachfolgenden Labormessungen wurde eine Vielzahl weiterer Untersuchungen vorgenommen. Dabei lag der Fokus u. a. auch darauf, die verschiedenen Gehalte an Wertelementen – nicht nur Kupfer, sondern auch andere wirtschaftsstrategische Elemente – in Bezug auf verschiedene Kornfraktionen mit Blick auf die spätere Aufbereitung zu charakterisieren. Dafür wurde für eine Vielzahl von Proben eine granulometrische Untersuchung durchgeführt. Je nach Art der Korngrößenanalyse (Trocken-, Nasssiebung, lasergranulometrische Untersuchung mit Ultraschall) zeigten sich klare Ergebnisunterschiede. Das Tailingsmaterial besitzt, verständlich durch den früheren Flotationsprozess, einen hohen Feinkornanteil. Dieser führt dazu, dass am Material die Aggregation feiner Kornfraktionen zu größeren Konglomeraten begünstigt wird. Bild 3 weist exemplarisch für eine Probe die bestimmten Korngrößenverteilungen mittels Trocken- und Nasssiebung sowie lasergranulometrisch mit Ultraschall auf.
Fig. 3. Exemplary sieve passage of a tailings sample in comparison with dry sieving (pink), wet sieving (yellow) and laser granulometry with ultrasonic (blue). // Bild 3. Beispielhafter Siebdurchgang einer Tailingsprobe im Vergleich bei Trocken- (rosa), Nasssiebung (gelb) und Lasergranulometrie mit Ultraschall (blau). Source/Quelle: TUBAF
Es wird zunächst deutlich, dass man nennenswerte Unterschiede in der Korngrößencharaktersistik erhält. Durch den zunehmenden Energieeintrag während der einzelnen Untersuchungsmethoden – bei Nasssiebung durch Wasser bzw. bei Lasergranulometrie zusätzlich noch durch Ultraschall – kommt es zu einer Deaggregation der konglomerierten Körner. D. h., um die wirkliche Zusammensetzung zu beschreiben, eignet sich am besten die Lasergranulometrie mit Ultraschall. Es ist aber unbedingt auch zu bedenken, dass aufbereitungstechnisch zu überlegen ist, welches spätere Vorgehen praktisch angewandt werden wird. Da scheidet die Lasergranulometrie mit Ultraschall natürlich aus. Somit kann auch eine Trockensiebung relevant sein.
Die separierten Kornfraktionen wurden anschließend auf ihre Elementgehalte untersucht. Dabei wurde deutlich, dass vor allem die Fraktionen < 80 µm hohe relevante Wertelementgehalte aufweisen. Dies ist dem primär nicht flotierten Material zuzuordnen. Weiterhin finden sich höhere Kupfergehalte in der Fraktion > 150 bzw. 250 µm – dies sind nicht freigemahlene Gehalte. Diese Ergebnisse unterstreichen die große Bedeutung der Deaggregierung in Bezug auf die potentiell anzuwendende Gewinnungs- und Aufbereitungstechnologie.
4 Beispiel – Mobilität von Elementen an Haufenlaugungsmaterial (Heap-Leaching) nach der aktiven Produktionszeit von ca. 60 Tagen
Bei der Aufbereitung von Erzen mittels Haufenlaugung (Heap-Leaching) werden die Materialien nach der Zerkleinerung entweder mit mikrobiell generierter oder zugesetzter Säure einem Laugungsprozess unterzogen. Ziel der Untersuchungen war es, die Mobilität auch anderer Element außer Kupfer an den Laugungsrückständen, also nach der aktiven Laugung, zu untersuchen. Besonderes Interesse galt dabei neben Kupfer also den REE, Kobalt, Molybdän etc.
Bei diesem Prozess wird das einfach laugbare, leicht verfügbare Kupfer gewonnen. Dieser Laugungsprozess läuft typischerweise z. B. über einen Zeitraum von 60 Tagen, an denen das Material mit Säure versetzt wird (Bild 4).
Fig. 4. Ore processing by heap leaching – sampling of the residues. // Bild 4. Erzaufbereitung mittels Haufenlaugung (Heap-Leaching) – Probenahme an den Rückständen. Source/Quelle: TUBAF
Während des Laugungsprozesses werden ca. 80 % des Kupfers gewonnen. Im Anschluss daran werden die Rückstände der Laugung gewaschen und auf Halden verstürzt. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen auf, dass der Säureangriff auch zur Mobilisierung von anderen Elementen führt.
Die verstürzten Restmaterialien befinden sich nach wie vor in einem stark sauren Zustand. Das pH-Niveau von Wassereluaten dieser Materialien liegt bei einem pH-Wert zwischen 2 und 3. Bei den Materialen zeigen sich deutliche Mobilisierungen von einer Vielzahl von Elementen. Dies ist vor allem auf den Säureangriff auf die Alumo-Silikate zurückzuführen. An den untersuchten Materialien kommt es neben Kupfer auch zur Freisetzung von Kobalt und REE, z. B. Lanthan, Cer, Yttrium, Gadolinium, Dysprosium sowie Scandium. Die z. T. sehr großen Unterschiede bei den mobilisierten Elementen und ihren Konzentrationen aus den gelaugten Materialien sind auf die heterogenen Ausgangsmaterialien zurückzuführen. Ebenfalls spielt möglicherweise auch ein Angriff auf weitere Mineralphasen eine Rolle.
5 Zusammenfassung
Zusammenfassend zeigen die vorgestellten Beispiele auf, wie wesentlich hydrogeochemische Untersuchungen zur Charakterisierung von Zuflusssystemen in Erztagebauen und die Rückgewinnung von Wertelementen aus Tailingskörpern und Bergbauwässern sind.
