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Innovative Monitoring-Maßnahmen im (Nach-)Bergbau

Bergbauliche Aktivitäten beeinflussen oftmals große Areale, die nur mit Methoden der Fernerkundung leistungsfähig beobachtet werden können. Seit kurzem bietet das Europäische Programm zur Erdbeobachtung Copernicus die Möglichkeit, mit innovativen Ansätzen das Monitoring sowohl in der Gewinnungs- als auch in der Nachbergbauphase zu betreiben. Die Verknüpfung der Daten der satellitengestützten Sensoren, also der Weltraum-Komponente, mit weiteren Daten aus der In-Situ-Komponente ermöglicht eine räumlich und zeitlich hochaufgelöste Darstellung der Umweltauswirkungen bergbaulicher Prozesse. Der Beitrag beschreibt erste Erfahrungen mit innovativen Monitoringmaßnahmen und setzt sich mit den Perspektiven zur Gewährleistung eines nachhaltigen Bergbaus auseinander. Er basiert auf der Präsentation des erstgenannten Verfassers auf der Tagung der International Mine Water Association (IMWA) 2016 in Leipzig (1).

Autoren: Prof. Dr.-Ing. Peter Goerke-Mallet und Prof. Dr. rer. nat. Christian Melchers, Forschungszentrum Nachbergbau, Technische Hochschule Georg Agricola (THGA), Bochum, Dr. rer. nat. Andreas Müterthies, EFTAS Fernerkundung Technologietransfer GmbH, Münster

1  Einleitung

Bergbauliche Prozesse unterliegen weltweit einem Lebenszyklus, der mit der Erteilung der Bergbauberechtigung beginnt und über die Explorations- und Produktionsphase bis zur Stilllegung reicht. Es schließt sich die Phase des Nachbergbaus an, die je nach Komplexität des bergbaulichen Geschehens einen sehr langen Zeitraum umfassen kann.

Die Herausforderungen des Nachbergbaus betreffen die Faktoren Ökologie, Strukturwandel, Gesellschaft und Ökonomie. Zusammengefasst sehen sich die ehemaligen Bergwerksstandorte mit Einflüssen auf die Medien Wasser, Boden und Luft konfrontiert (Bild 1). Die Ableitung von Grubenwasser beeinflusst die Hydrochemie der Vorfluter. An Schächten, über oberflächennahem Abbau und über großen untertägigen Hohlräumen kommt es zu Instabilitäten der Tagesoberfläche. Der Luftpfad wird an Halden und Absetzteichen durch Staubabwehungen belastet.

Fig. 1. Action fields connected to post-mining. // Bild 1. Herausforderungen im Nachbergbau. Source/Quelle: THGA

Diese Probleme sind international. Das gilt auch für die Konversion bergbaulich genutzter Flächen, für die Finanzierung des Rückzugs und für den erfolgreichen Strukturwandel in Bergbauregionen. Die genannten Herausforderungen stellen sich in vielen Fällen schon während der Produktionsphase (2).

Die nachhaltige Bewältigung des Nachbergbaus gelingt nur dann, wenn im Rahmen der Bergbauplanung die zukünftige Stilllegung ständig antizipiert wird. Dazu bedarf es eines spezifischen Monitorings des bergbaulichen Umfelds und der Auswirkungen des Bergbaus auf seine Umgebung. Im Zentrum des Monitorings steht das Medium Wasser, weil es durch die bergbauliche Wasserhaltung häufig in seiner Mineralisation verändert wird. Damit gehen in den betroffenen Gewässerkörpern Veränderungen der Flora und Fauna einher. Bergbauliche Bodenbewegungen an der Tagesoberfläche führen zu Änderungen des Flurabstands und damit zu Veränderungen in der Vegetation. Ähnlich wirken sich Pumpmaßnahmen zur Trockenhaltung von Tagebauen aus.

In Deutschland ist die Verantwortung des letzten Bergbauunternehmers für die Bewältigung der Stilllegungs- und Nachbergbauphase bergrechtlich und höchstrichterlich klar definiert. Aber auch andere Bergbaunationen entwickeln zunehmend ein Gespür für die Notwendigkeit eines geordneten Umgangs mit den Bergbaufolgen und den sich daraus entwickelnden Chancen und Risiken.

Der verantwortungsvolle Umgang mit den Chancen und Risiken des (Nach-) Bergbaus setzt ein möglichst umfassendes Verständnis der relevanten Prozesse voraus. In den Naturwissenschaften und der Technik ist es üblich, zu beobachten, zu messen, Modellvorstellungen zu entwickeln und Soll-Ist-Abgleiche vorzunehmen. Anschließend werden die Modelle verbessert.

Für diesen Regelkreis hat sich nicht nur in der Technik der Begriff des Monitorings etabliert. Bezogen auf die beschriebene Ausgangslage stellt sich zunächst die Frage nach den bergbaulichen Objekten und Tätigkeiten, ihren Auswirkungen auf die Umwelt und den potentiellen Beobachtungsverfahren.

Ein häufiges Spezifikum bergbaulicher Prozesse ist die Inanspruchnahme und Beeinflussung großer Flächen und die Langfristigkeit. Demgegenüber vollziehen sich bestimmte Vorgänge kleinräumig und schnell. Ein Beispiel für lokale Erscheinungen sind Unstetigkeitszonen an tektonischen Störungen oder Tagesbrüche an Schächten. Letztere haben hinsichtlich der Eintrittsgeschwindigkeit Gemeinsamkeiten u. a. mit dem Bruch von Dämmen an Tailingbecken. Die Suche gilt daher Verfahren bzw. der Kombination von Verfahren mit hoher Trefferquote und Zuverlässigkeit bezüglich des zu überwachenden Prozesses.

2  Copernicus-Programm

An dieser Stelle kommt die Raumfahrtstrategie der Bundesregierung aus dem Jahr 2010 in den Fokus. Darin wird zum Ausdruck gebracht, dass sich die Raumfahrt zu einem unverzichtbaren Bereich für Wirtschaft, Wissenschaft, Politik und die Gesellschaft entwickelt hat. Hervorgehoben wird ihre Bedeutung für Innovationen, Wachstum, Arbeitsplätze, Lebensqualität und Umweltschutz. Eine konkrete Ausfüllung dieser Strategie stellt das Copernicus-Programm der Europäischen Union (EU) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) dar. Copernicus schafft eine moderne und leistungsfähige Infrastruktur für die Erdbeobachtung und Dienstleistungen der Geoinformation. Das Projekt ist auf die Bereitstellung zeitlich und räumlich hochauflösender Fernerkundungsdaten ausgerichtet. Den Nutzern werden die Umweltdaten aus dem Copernicus-Programm kostenlos zur Verfügung gestellt.

Fig. 2. Sentinel 1A and Sentinel 2A (© ESA) // Bild 2. Sentinel 1A und Sentinel 2A (© ESA). Source/Quelle: THGA

Eigens für Copernicus werden sieben Satellitenmissionen, die Copernicus Sentinels (deutsch: Wächter) entwickelt. Sie bilden das Herzstück der Weltraumkomponente. Der Erdbeobachtungssatellit Sentinel 1A ist seit April 2014 im Orbit und liefert Daten über Bodenbewegungen und bodenphysikalische Parameter (Bild 2). Die Sentinel-1-Mission besteht aus zwei baugleichen Satelliten. Sentinel 1B wurde im April 2016 gestartet.

Im Juni 2015 wurde Sentinel 2A planmäßig gestartet und Sentinel 2B folgte im März 2017. Diese Satelliten verfügen über multi-spektrale Sensoren, die Bilder der Landoberfläche erzeugen. Diese werden zur Analyse der Landbedeckung und –nutzung eingesetzt.

Sentinel 3A befindet sich seit Februar 2016 in seiner Umlaufbahn. Er trägt verschiedene Instrumente zur Beobachtung der Land- und Ozeanoberflächen.

Die Sentinel-Satelliten befinden sich auf polaren Umlaufbahnen in einer Höhe von etwa 700 bis 800 km. Sie decken mit ihren Beobachtungen alle fünf Tage nahezu jeden Punkt der Erdoberfläche ab. Die Satelliten werden im Endausbauzustand paarweise eingesetzt. Das Copernicus-Programm ist auf Verlässlichkeit und Langfristigkeit angelegt. Bis zum Jahr 2018 sollen noch weitere zehn Satelliten ihre Arbeit aufnehmen, und es gibt heute schon Planungen zur Fortführung des Programms weit über das Jahr 2027 hinaus.

Ein herausragendes Stichwort ist in diesem Zusammenhang „Big Data“. In der Tat erzeugen die Sentinel-Satelliten gigantische Datenmengen, die gehandhabt, für die Nutzer bereitgestellt und vor allem langfristig gespeichert werden müssen. Allein bis zum Jahr 2018 wird das Datenvolumen auf etwa 18 PB angewachsen sein.

Das Forschungszentrum Nachbergbau der Technischen Hochschule Georg Agricola (THGA), Bochum, arbeitet gemeinsam mit der EFTAS Fernerkundung Technologietransfer GmbH, Münster, und weiteren Partnern an der Nutzung der Satellitendaten zur Fernerkundung und zum Monitoring konkreter nachbergbaulicher Prozesse. Im Fokus stehen die Hydrochemie von Gewässern, der Bodenwassergehalt, die Landnutzung, die Landbedeckung und Bodenbewegungen. Angesichts der Potentiale des Copernicus-Programms und der Verlässlichkeit der Datenbereitstellung wird die Verknüpfung der von den satellitengestützten Sensoren generierten Informationen mit terrestrischer Expertise – der In-situ-Komponente – zu einer Innovation des Monitorings führen. Damit können die Risiken des Nachbergbaus reduziert und die Chancen, wie die Inwertsetzung der bergbaulichen Infrastruktur u. a. zur Gewinnung regenerativer Energien, verbessert werden.

Im März 2017 wurde in Berlin unter dem Motto „Copernicus@work“ das Nationale Forum für Fernerkundung und Copernicus veranstaltet. Gemeinsam mit dem Deutschen Dachverband für Geoinformation e. V. (DDGI), dem Deutschen Markscheider Verein e. V. (DMV) und EFTAS organisierte das Forschungszentrum Nachbergbau den Workshop „Copernicus for Mining“. Ziel war es, mit anderen Fachleuten über die Möglichkeiten zu diskutieren, die das Copernicus-Programm für die verschiedenen Aufgaben im Verlauf des bergbaulichen Lebenszyklus bietet. Als Fazit kann festgehalten werden, dass es unbedingt notwendig ist, sich mit der Genauigkeit, der Aussagekraft und der Reproduzierbarkeit der Messergebnisse der satellitengestützten Fernerkundung zu beschäftigen. Ohne diese Transparenz ist es kaum möglich, die Nutzer von Monitoring-Verfahren von diesem besonderen Messverfahren zu überzeugen.

3  Monitoring

Das Forschungszentrum Nachbergbau erarbeitet im Rahmen eines laufenden Forschungsvorhabens einen möglichst vollständigen Katalog der aktuell verfügbaren Monitoring-Verfahren für den Alt- und Nachbergbau. Ziel ist es ferner, die Einsetzbarkeit und Leistungsfähigkeit der einzelnen Verfahren auf der Basis publizierter Informationen zu beschreiben. In einem zweiten Schritt sollen ausgewählte Verfahren an Praxisfällen getestet werden. Die dritte Phase besteht in der Erarbeitung von Empfehlungen für die Auswahl und die Kombination von Verfahren für spezifische Anforderungen.

3.1 Weltraum-Komponente

Welche Möglichkeiten und Erwartungen verknüpfen sich nun mit den Daten, die im Rahmen der satellitengestützten Erdbeobachtung zur Verfügung gestellt werden?

Die folgenden Beispiele sind dem Forschungs- und Entwicklungsprojekt GMES4Mining (www.gmes4mining.de) entnommen. Sie sollen das Potential der Copernicus-Daten zum Monitoring des bergbaulich verursachten Einflusses auf die Umwelt verdeutlichen.

Die Testfläche Kirchheller Heide befindet sich im nordwestlichen Bereich des Ruhrgebiets. Sie wurde im Rahmen von GMES4Mining genutzt, um Methoden zur Erkennung von Veränderungen an Wasserkörpern und im Boden-Wasser-Gehalt infolge bergbaulicher Bodenbewegungen zu entwickeln.

Ein bergbaubedingter Wasseranstieg kann direkt durch die Beobachtung der Veränderung der Wasserverteilung bewertet werden. Die indirekte Beobachtung basiert auf Veränderungen der Vegetation, die auf Änderungen des Boden-Wasser-Gehalts und dem Anstieg des Wasserspiegels beruhen. Das plötzliche Auftreten von Wasser an der Tagesoberfläche ruft in der betroffenen Vegetation besondere Erscheinungsbilder hervor, die zur Unterscheidung von Senkungsseen und anderen Wasserkörpern genutzt werden können. Diese Information kann durch die einfache Beobachtung der Wasserverteilung nicht erzielt werden (3).

GMES4Mining bewertete die Auswirkungen von ansteigenden Wasserspiegeln bei der Vegetation. Im Umfeld von bergbaulich bedingten Wasserflächen sterben Pflanzen oftmals einfach ab und Gruppen von Bäumen in unterschiedlichen Schadensstufen des Verfalls lassen sich beobachten (Bild 3).

Fig. 3. Flooding stages in Kirchheller Heide. AISA-Eagle airborne sensor infrared composition. Photos taken in October 2012. // Bild 3. Flutungsstadien in der Kirchheller Heide. AISA-Eagle airborne sensor infrared composition. Fotos aufgenommen im Oktober 2012. Source/Quelle: THGA (nach (3), modifiziert)

Unterschiedliche Stadien der Schädigung der Vegetation lassen sich auf der Basis der Analyse von hyperspektralen Daten des Sensors des Satelliten AISA-Eagle deutlich abgrenzen (Bild 4). Tatsächlich kann der hohe Aufwand für Befliegungen durch Daten der Sentinel-2-Mission ersetzt werden. Diese stehen seit dem Jahr 2015 kostenfrei zur Verfügung. Die vertikalen Linien in Bild 4 repräsentieren die relevanten Infrarot-Bänder von Sentinel 2.

Fig. 4. Vegetation damage transect at study site Kirchheller Heide ranging from open water body to undamaged forest. AISA-Eagle airborne sensor data as graphs and Sentinel 2 bands as vertical lines. // Bild 4. Vegetationsschaden-Transekt im Testgebiet Kirchheller Heide ausgehend von der offenen Gewässerfläche bis zum ungeschädigten Wald. AISA-Eagle-Daten als Graphen und Sentinel 2-Bänder als vertikale Linien. Source/Quelle: THGA (nach (3), modifiziert)

Zusätzlich zur Analyse der geschädigten Vegetation können mit den Copernicus-Daten Veränderungen an offenen Wasserflächen detektiert werden. Um Wasserkörper zu bestimmen, die in der Beobachtungsperiode eine Flächenveränderung erfahren haben, können Reflexionsänderungen genutzt werden. Bei geringer Reflexion von Wasserflächen werden diese mit dem Wert 1 und alle anderen mit dem Wert 0 repräsentiert. Die Wasser-körper sind daher im zusammengefassten Reflexions-raster versehen mit Werten, die von 0 abweichen. Wasserkörper, die im vorgegebenen Zeitraum unabhängig von ihrem Typ – natürlich oder anthropogen, Fluss, Hafen, See u. a. – keine Veränderung erfahren, ergeben einen maximalen Wert (Wert 9 in Bild 5) und können verworfen werden. Wasserkörper, die sich verändern – einschließlich bergbaubedingter Wasserflächen – werden durch mittlere Werte in Bild 5 wiedergegeben. Das Ergebnis dieser Untersuchungen hebt nicht nur bergbaubedingte Wasseranstiege hervor. Vielmehr können Fachleute die Ergebnisse nutzen, um zu bestimmen, welche Bereiche auf Bergbau-Einfluss oder auf anderen Ursachen beruhen, z. B. Erweiterung eines Hafens, Wechsel in Flussläufen.

Fig. 5. Results of the change detection using nine RapidEye images between April 2009 and September 2012 for the Ruhr Valley/Germany (a). Known flooded area in Kirchheller Heide/Germany (b). // Bild 5. Ergebnisse der Veränderungsdetektion durch Nutzung von neun RapidEye- Aufnahmen zwischen April 2009 und September 2012 des Ruhrtals (a). Bekannte Polderfläche in der Kirchheller Heide (b). Source/Quelle: THGA (nach (3), modifiziert)

Bergbauliche Aktivitäten führen zu Bewegungen an der Tages-oberfläche. Mithilfe von satellitengestützten Fernerkundungsverfahren lässt sich ein Monitoring der Bodenbewegungen ohne Installationen vor Ort umsetzen. Die Bodenauflösung ist seit der Inbetriebnahme des TerraSAR-X Radarsatelliten im Jahr 2007 auf unter 1 m reduziert.

Radarinterferometrisch können Setzungen/Senkungen u. a. mit der PSInSAR-Methode gemessen werden. In städtischen Bereichen stehen genügend Reflektoren, sogenannte Persistent Scatterer (PS) zur Verfügung. In ländlichen Regionen können künstliche Radarreflektoren, sogenannte Corner-Reflektoren aufgebaut werden.

Für das Monitoring großer Flächen bietet sich die Radarinterferometrie an. Für ein zeitlich hochfrequentes Bodenbewegungsmonitoring größerer Flächen, wie z. B. dem gesamten Ruhrgebiet, eignet sich u. a. wegen der höheren Aufnahmekapazität die Copernicus-Radarmission Sentinel 1, die mit zwei baugleichen Satelliten mit ein- bis fünftägiger Wiederholrate radarinterferometrische Messungen ermöglicht.

3.2 In-Situ-Komponente

Der Begriff „in situ“ wird im Copernicus-Programm weiter gefasst als in anderen Zusammenhängen. Hier versteht man unter dem Begriff der In-Situ-Komponente die Beobachtungssysteme, die nicht im Weltraum betrieben werden. Dies sind beispielsweise:

  • geodätisch-markscheiderische Vermessungen,
  • luftgestützte Fernerkundungsinstrumente,
  • Begehungen,
  • Fotografie, Fotogrammetrie,
  • meteorologische Messeinrichtungen,
  • Sonden an Wetterballonen oder
  • Messbojen, Flusspegel.

Auch Informationsprodukte, die auf Basis solcher Beobachtungen erstellt werden, zählen dazu. Beispiele sind:

  • digitale topographische Karten,
  • digitale Höhenmodelle,
  • Orthofotos,
  • Straßennetze,
  • thematische Karten (z. B. Waldgebiete, Siedlungen, Gewässer) oder
  • bergbauliche Karten.

Die In-Situ-Komponente wird ganz wesentlich von der Expertise der eingebundenen Fachleute bestimmt. Von Bedeutung ist die Transparenz der verfügbaren Daten. In diesem Zusammenhang spielen die Informationsplattformen in der Geodateninfrastruktur eine besondere Rolle. Als Beispiel soll hier das GEOportal NRW dienen. Es ermöglicht allen Nutzern eine einfache Recherche und Visualisierung der Geobasis- und Geofachdaten der Landesverwaltung. Das Fachportal „Gefährdungspotenziale des Untergrundes“ stellt Informationen über die Verbreitung geologisch und bergbaulich bedingter Untergrundgefährdungen bereit.

4  Ausblick

Das Forschungszentrum Nachbergbau ist auf Initiative der RAG-Stiftung an der THGA gegründet worden. Zum Aufbau des Forschungszentrums und des Masterstudiengangs „Geoingenieurwesen und Nachbergbau“ hat sie eine Professur gestiftet (4).

Vor dem Hintergrund der Beendigung des deutschen Steinkohlenbergbaus verfolgt die RAG-Stiftung das Ziel, dass für die Bewältigung der damit zusammenhängenden Ewigkeitsaufgaben die erforderlichen Fachleute ausgebildet werden und dem Arbeitsmarkt zur Verfügung stehen. Daneben soll intensiv an der Wissensbasis des Nachbergbaus geforscht und gearbeitet werden.

Bergbauliche Prozesse dienen der Rohstoffversorgung der Menschen. Der Bergbau ist also nahezu so alt wie die Menschheit selbst. Angesichts der Entwicklung der Weltbevölkerung und der Technik wird es auch in der Zukunft weltweit bergbauliche Aktivitäten geben. Nun ist der Betrieb eines Bergwerks oder eines Tagebaus zwangsläufig auf Zeit angelegt. Der Einfluss auf die Umwelt kann aber durchaus sehr langfristig bis ewig sein.

Es muss Ziel sein, die Nachbergbauphase des früheren und des heutigen Bergbaus, ebenso wie die bergbaulichen Prozesse in der Zukunft umweltverträglich zu organisieren. Das Wissen über den Einfluss bergbaulicher Aktivitäten auf die Umwelt ermöglicht es, die Prozesse so zu planen, zu überwachen und zu steuern, dass sie zunehmend nachhaltig sind.

In diesem Zusammenhang kommt dem Monitoring eine besondere Bedeutung zu. Nur mithilfe leistungsfähiger Monitoringverfahren lässt sich ein möglichst umfassendes Prozess- und Systemverständnis erreichen. Heute stehen unzählige Verfahren zur Beobachtung bergbaulicher Anlagen und Betriebe und ihrer Umweltauswirkungen zur Verfügung. Ihre Leistungsfähigkeit muss immer wieder geprüft und weiterentwickelt werden. Neue Verfahren sind auf ihre Anwendbarkeit im (Nach-) Bergbau zu testen. Dies gilt aktuell in besonderer Weise für die enormen Potentiale der satellitengestützten Erdbeobachtung.

Wie erste Untersuchungen gezeigt haben, lassen sich die im Rahmen des Copernicus-Programms verfügbaren Daten in Wert setzen. Die Überwachung von Bodenbewegungen infolge von Hangrutschungen, Erdfällen, Tagesbrüchen oder Schwankungen des (Gruben-)Wasserstands ist nahezu praxisreif. Änderungen des Flurabstandes mit Auswirkungen auf die Vegetation lassen sich beobachten und interpretieren.

Es gilt, die Vielzahl der Monitoringmaßnahmen gezielt auf die jeweilige Problemstellung zu fokussieren und die Ergebnisse unterschiedlicher Verfahren miteinander und mit der anthropogenen Expertise zu kombinieren. Genau darin besteht der innovative Ansatz.

References / Quellenverzeichnis

References / Quellenverzeichnis

(1) Goerke-Mallet, P.; Melchers, C.; Müterthies, A.: Innovative monitoring measures in the phase of post-mining. IMWA 2016, Leipzig, Abstracts S. 570 – 577.

(2) Melchers, C.; Goerke-Mallet, P.; Henkel, L.; Hegemann, M.: Experiences with mine closure in the European coal mining industry: An overview of the situation in Germany, and adjacent regions. Conference Mine Closure 2015, Vancouver, Canada.

(3) Garcia-Millan, V. E.; Müterthies, A.; Pakzad, K.; Teuwsen, S.; Benecke, N.; Zimmermann, K.; Kateloe, J.; Preuße, A.; Helle, K.; Knoth, C.: GMES4Mining – GMES-based Geoservices for Mining to Support Prospection and Exploration and the Integrated Monitoring for Environmental Protection and Operational Security. BHM Berg- und Hüttenmännische Monatshefte 02/2014, 159 (2): S. 66 – 73.

(4) Melchers, C.; Goerke-Mallet, P.: Research Institute of Post-Mining, TFH Georg Agricola University of Applied Sciences, Bochum –
Strategies, Activities and Research Priorities. Mining Report Glückauf (151) Heft 6, S. 474 – 479.

 

Autoren: Prof. Dr.-Ing. Peter Goerke-Mallet und Prof. Dr. rer. nat. Christian Melchers, Forschungszentrum Nachbergbau, Technische Hochschule Georg Agricola (THGA), Bochum, Dr. rer. nat. Andreas Müterthies, EFTAS Fernerkundung Technologietransfer GmbH, Münster
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