Sustainable Intelligent Mining Systems (SIMS), einen Schritt näher am Bergwerk der Zukunft

Jeder Betrieb der Rohstoffgewinnung ist heute bestrebt, effizient und effektiv zu arbeiten. Im Beitrag „Smart Mining – Today and Tomorrow“ in diesem Heft konnten wir bereits lesen, wie sich Smart Mining definieren lässt und was darunter zu verstehen ist. Die zentrale Herausforderung, so eine der Kernaussagen des Artikels ist die tatsächliche Umsetzung dessen, was man unter Smart Mining versteht, also das „was“ und „wie“ in der täglichen Praxis.

Bei dem „was“ handelt es sich um die Frage, welche Technologien bei welchen spezifischen Anwendungsfällen benötigt werden. Bei dem „wie“ geht es um die Integration der Technologie in die Prozesse des jeweiligen Bergwerks. Wichtig ist hier eine umfassende Erprobung der einzusetzenden Technologien, um deren Vor- und Nachteile bewerten zu können und damit einhergehend eine bessere Darstellung des Anwendungsfalls zu ermöglichen. Derartig umfassende Erprobungen neuer Technologien wurden im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen, groß angelegten EU-Projekts Sustainable Intelligent Mining Systems (SIMS)¹ vollzogen. Die im Projekt eingesetzten und weiterentwickelten bzw. demonstrierten Technologien der Projektpartner hatten zum Projektstart bereits einen hohen technologischen Reifegrad. Im Rahmen des Projekts wurden diese Technologien in untertägigen Bergbauumgebungen getestet und auf eine höhere technologische Reife, bis zu einem Technology Readiness Level (TRL) von 7 bis 8, weiterentwickelt, sodass das Projekt SIMS, sowohl im Hinblick auf die Durchführung als auch auf die Ergebnisse, als ein positives Beispiel für eine anwendungsbezogene, smarte Entwicklung und für die Erprobung neuer Technologien im Bergbaubereich angeführt werden kann.

Dieser Artikel gibt daher einen Überblick über das Projekt SIMS, unter besonderer Berücksichtigung der technologischen Entwicklungen des Institute for Advanced Mining Technologies (AMT) der RWTH Aachen, welches als Projektpartner am Projekt beteiligt war und in einigen Arbeitspaketen eine wichtige Rolle bei der Technologieentwicklung spielte.

Nach einer kurzen Übersicht der Forschungsschwerpunkte des AMT werden die unterschiedlichen Arbeitspakete des Projekts kurz erläutert und die Beiträge des AMT näher beleuchtet. Der Artikel endet mit einer Zusammenfassung der Projektergebnisse im Hinblick auf die vom AMT im Rahmen des Projekts geleistete Entwicklungsarbeit.

¹ Gefördert durch die Europäische Union im Rahmen des Forschungsrahmenprogramms Horizon 2020 mit der Fördernummer 730302.

Das Institute for Advanced Mining Technologies (AMT) der RWTH Aachen

Seit vielen Jahrzehnten forscht das Institute for Advanced Mining Technologies (AMT) der RWTH Aachen mit seinen Vorgängerinstituten IMR, BGMR und IBH an neuen Technologien für die Automatisierung und Digitalisierung des Berg- und Schwermaschinenbaus. Das Interesse des AMT liegt in der Weiterentwicklung des Konzepts der Industrie 4.0. Dabei legt es den Fokus auf den Bereich Bergbau 4.0, ein Begriff, der durch das AMT geprägt wurde und welcher auf die Verbindung von Industrie 4.0 und den Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich Smart Mining abzielt. Um Smart Mining zu adressieren, hat das Institut erstmalig im Jahr 2015 eine alle zwei Jahre stattfindende Konferenz ins Leben gerufen, die Smart Mining Conference (SMC), in der sowohl Themen als auch Lösungen für die Bereiche Bergbau der Zukunft, Bergbau 4.0 und Smart Mining behandelt und vorgestellt werden. Konkret soll das Internet of Things (IoT) Einzug in den Bergbau finden, wobei der Fokus vor allem auf der Automatisierung und Digitalisierung von Abläufen in der Gewinnung sowie der Aufbereitung von primären Rohstoffen liegt. Neben der Verlegung von Arbeitsplätzen aus möglicherweise gefährlichen Arbeitsbereichen in sichere und vor allem angenehmere Bereiche ermöglicht die Realisierung dieser Ziele vor allem eine effizientere Gewinnung der Rohstoffe und damit eine verbesserte Rohstoffeffizienz sowie eine höhere Wirtschaftlichkeit der Gesamtprozesse.

Einige Schlüsseltechnologien des AMT wurden im Rahmen des Projekts Sustainable Intelligent Mining Systems (SIMS) angewendet und technologisch weiterentwickelt.

Das Projekt Sustainable Intelligent Mining Systems (SIMS)

Die Vision des Projekts SIMS (Bild 1) war es, einen langfristigen Einfluss auf die Art und Weise zu nehmen, wie neue Technologien und Lösungen für die Bergbauindustrie getestet und demonstriert werden, sowie Innovationen im Bergbau durch kollaborative Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten mit einem hohen Anwendungsbezug zu fördern. Gemeint ist hier die enge Zusammenarbeit zwischen Bergwerken, Firmen und Universitäten, um den größtmöglichen Erfolg in den Ergebnissen zu erzielen und die technologischen Entwicklungen zur Produktreife zu bringen. Ein weiteres Ziel des Projekts war die nachhaltige Erhöhung der Sicherheit in Bergwerken durch einen gesteigerten Grad an Digitalisierung, Automatisierung und Robotik. Dazu sollten die Effizienz von Bergbaubetrieben gesteigert und gleichzeitig die im Bergbau entstehenden Emissionseinflüsse auf die Umwelt vermindert werden. Eine weitere Vision des Projekts war die frühzeitige Identifikation von direkten und messbaren Einflussfaktoren auf den nachhaltigen Bergbau, um bestehende Prozesse effizienter und sicherer zu gestalten, sowie die Etablierung eines kontinuierlichen Verbesserungssystems. Das Konsortium des Projekts bestand aus mehreren namenhaften europäischen Bergbauunternehmen, Universitäten, Bergbauausrüstern und Systemzulieferern. (1)

Um die ambitionierten Ziele zu erreichen, wurden sieben Arbeitspakete mit verschiedenen Schwerpunkten über einen Zeitraum von 2017 bis 2020 umgesetzt. Hierbei ist hervorzuheben, dass ein Schwerpunkt im SIMS-Projekt klar auf die Demonstration der Funktionstüchtigkeit von Technologien lag, welche kurz vor der Produktreife stehen. Ein weiterer wichtiger Aspekt des Projekts war die Verbesserung der Kommunikation zwischen der Bevölkerung und der Rohstoffindustrie mit dem Ziel, das Verständnis und die Wichtigkeit der Rohstoffindustrie zu vermitteln und damit die soziale Akzeptanz von Bergbauprojekten zu erhöhen.

Für diese ambitionierten Ziele brauchte es ein starkes Konsortium aus hochkarätigen Partnern:

• Projektkoordinator:

a. Epiroc Rock Drills AB.

• Technologielieferanten:

a. ABB AB,
b. Ericsson AB,
c. iGW Europe AB,
d. Mobilaris Mining & Civil Engineering.

• Bergbauunternehmen:

a. K+S,
b. Boliden,
c. KGHM Cuprum Research & Development Center,
d. LKAB,
e. Agnico Eagle Finland.

• Universitäten:

a. RWTH Aachen University,
b. Luleå University of Technology.

Im Folgenden werden die Arbeitspakete des Projekts vorgestellt und deren Zielsetzung erläutert.

Kommunikation und Positionierung

Dieses Arbeitspaket diente der Demonstration modernster Kommunikations- und Positionierungstechnologie für den Einsatz in rauen Bergbauumgebungen. In der Demonstrationsphase wurden in diesem Arbeitspaket vielseitige, integrierte und höchst anpassbare Netzwerke wie 5G präsentiert. Diese dienen der Aufrechterhaltung und unterbrechungsfreien Kommunikation. Des Weiteren wurden im Demonstrationsbergwerk die Applikationen bezüglich der genauen Positionsbestimmung vorgestellt. Weitere Ziele dieses Arbeitspakets waren die Echtzeit-Interaktion von Personen und Maschinen, die Erfassung und Übertragung von Sensor- und Prozessdaten und die Fernbedienung von Maschinen, Fahrzeugen, Robotern, sowie die Speicherung und Weiterleitung der Positions- und Ortsdaten. All diese Ziele wurden über die untertägige Einrichtung eines 5G Netzwerks realisiert. (1) Das AMT brachte im Rahmen dieses Arbeitspakets sowohl seine Kompetenzen in der untertägigen Lokalisierung und Positionierung von Fahrzeugen als auch der untertägigen Lokalisierung von Personen mittels Ultrabreitband-Technologie (UWB) ein.

Eine präzise Lokalisierung und Positionsbestimmung von Fahrzeugen unter Tage ist die Grundlage für deren Automatisierung (Bild 2). Herkömmliche Positionierungssysteme wie ein satellitengestütztes Positionierungssystem (GPS) können unter Tage jedoch nicht eingesetzt werden. Aus diesem Grund wird ein vom AMT entwickeltes UWB-Ersatzsystem verwendet. Dieses System hat entscheidende Vorteile, wie z. B. Robustheit und die Möglichkeit, Fahrzeuge unter Tage in einem Bergwerkreferenzsystem zu positionieren und zu lokalisieren. Eine weitere Nutzung des UWB-Ersatzsystems ist das Aufspannen eines Kommunikationsnetzwerks. Dieses Netzwerk arbeitet auch während eines Brandes, bei dem das standardmäßige Netzwerk Schaden nehmen könnte. Das durch UWB aufgespannte Netz dient hier als redundantes System zur Übermittlung von kleineren Datenmengen, wie z. B. einer Notfallbotschaft. (2)

Im Zuge des SIMS-Projekts wurden für den Bereich UWB umfangreiche Entwicklungsarbeiten durchgeführt, welche erfolgreich demonstriert werden konnten. Dazu gehörte die Entwicklung eigener Hardware mit dem Entwurf eigener Platinen, Softwarealgorithmen sowie Sensorfusionssystemen, welche in Partnerbergwerken in Zielitz/Deutschland und Kristineberg/Schweden getestet und demonstriert worden sind. Der UWB-Projektfokus liegt hierbei auf der Entwicklung einer groß angelegten Positionierung in untertägigen Strecken und ganzen Bergwerksbereichen in Kombination mit anderen Technologien wie der Inertialnavigation. Während der Demonstration dieser Technologie konnte eine Genauigkeit von 50 cm erreicht werden. Zusätzlich zu Feldmessungen in verschiedenen Bergwerken wurden Labormessungen durchgeführt mit dem Ziel, das Testsystem kontinuierlich zu verbessern und an die geforderten Bedingungen anzupassen. Hierbei wurden Fusionsalgorithmen für das UWB-System und der Inertialen-Messeinheit verbessert und Hardwarekomponenten aufeinander abgestimmt. (2)

Gebirgssicherung

Dieses Arbeitspaket demonstrierte modernste Methoden der Gebirgskontrolle, Gebirgssicherungstechniken und Überwachungstechnologien für den Einsatz in der rauen untertägigen Bergbauumgebung. Bestandteile des Arbeitspakets waren die bessere Kontrolle seismischer Erschütterungen durch Sprengungen und damit verbunden die Vermeidung von Schäden durch Sprengungen unter Tage, Verbesserung des Ankersetzens und eine Effizienzsteigerung beim Prozess des Setzens von Sicherungsnetzen zur Verstärkung. (1) Das AMT brachte im Rahmen dieses Arbeitspakets seine langjährigen Erfahrungen und Kompetenzen im Bereich der Infrarotthermografie (IR) und Bildverarbeitung ein.

Die IR wurde im Rahmen des SIMS-Projekts für zwei Anwendungsfälle genutzt. Zum einen wurde mithilfe von Infrarotkameras die Materialzusammensetzung am Stoß erkannt. Zum anderen wurde diese Technologie dazu genutzt, bevorstehende Firstbrüche zu erkennen, die sich bereits durch sehr kleine Risse andeuten. In beiden Fällen wird die Detektion bisher in der Praxis noch immer händisch ausgeführt. Mithilfe der IR-Kamera kann der Mitarbeiter die erforderlichen Analysen jedoch nun außerhalb des Gefahrenbereichs durchführen, da durch ein eigens aufgespanntes WiFi-Netz eine Übertragung der Daten auf ein Tablet in Echtzeit möglich gemacht wird. Dies erhöht die Arbeitssicherheit enorm, da z. B. ein Streb noch immer als gefährlichster Bereich im Bergwerk gilt. Darüber hinaus eröffnen die Informationen über die Materialzusammensetzung des Stoßes ein enormes Potential für den selektiven und damit effizienteren Rohstoffabbau, da der Abbau von Abraummaterial auf diese Weise minimiert werden kann. Ähnlich wie im Bereich UWB wurden auch hier umfangreiche Entwicklungsarbeiten durchgeführt. Die Entwicklungen wurden anfangs anhand von Laborversuchen zu den oben erwähnten Anwendungsfällen durchgeführt. Nach erfolgreichen Labortests wurden die Applikationen im Feld, d. h. im Kalibergwerk Zielitz, getestet und erfolgreich demonstriert. (2)

Integrierte Prozesssteuerung und Automatisierung

In diesem Arbeitspaket wurde modernste Prozessleittechnik in der untertägigen Bergbauumgebung demonstriert. Die Technologie soll eine effizientere und sicherere Prozesssteuerung im gesamten Demonstrationsbergwerk ermöglichen. Gleichzeitig sollte das Arbeitspaket bei der Einbindung der Kommunikationsinfrastruktur aus dem vorherigen Arbeitspaket unterstützen und eine steuerungsbereite Architektur für das folgende Bergbaurobotik-Arbeitspaket liefern. (1)

Robotik im Bergbau

Dieses Arbeitspaket demonstrierte modernste Robotertechnologie in Bergbauumgebung. Um eine sichere Umgebung für Personen im Bergwerk zu schaffen und die Arbeit effizienter zu gestalten, wurde die Robotik-Demonstration der technologischen Entwicklungen der Bergwerksinfrastruktur aus den beiden vorherigen Arbeitspaketen kombiniert und genutzt. Applikationen für eine Robotisierung sind die Automatisierung eines Fahrladers, Assistenzsysteme für batteriebetriebene Maschinen, die Einbindung von Augmented Reality (AR)-Applikationen sowie eine s-emi-autonome Drohne zu Inspektionszwecken. (1)

Batteriebetriebenes Bergbauequipment

In diesem Arbeitspaket wurde modernste und mobile Bergbautechnologie in Bergbauumgebung demonstriert. Die Entwicklung dieselfreier Bergbautechnologie ist ein wichtiger Beitrag zum Bergwerk der Zukunft. Demonstriert wurden sowohl die Entwicklung und Nutzung eines batteriebetriebenen Fahrladers, eines Muldenkippers und eines Bohrwagens, als auch der teilautomatisierte Batteriewechsel. (1)

Ein weiterer Anwendungsfall der Maschine könnte als Plattform für die Demonstration weiterer Automatisierungslösungen dienen, bei denen die Maschinen über ein modernes Kommunikationsnetz miteinander oder mit Personen interagieren. (1)

Attraktive Arbeitsbedingungen

Durch eine intensive Auseinandersetzung mit den anderen Arbeitspaketen unterstützte dieses Arbeitspaket die Entwicklung attraktiverer Arbeitsplätze, indem während des Entwicklungsprozesses bereits Einfluss auf ihre Gestaltung genommen wurde. Das Arbeitspaket spielt eine wichtige Rolle für die Sicherstellung der Akzeptanz neuer Technologien seitens der Mitarbeiter, aber auch für die Beachtung von Gender-Aspekten bei der Gestaltung der Arbeitsplätze im Bergwerk der Zukunft. Auch im Hinblick auf die Verbesserung der Akzeptanz des Bergbausektors in der Gesellschaft spielt sie eine Rolle, indem sie darüber informiert und aufklärt, dass der moderne Bergbau attraktive Arbeitsplätze bietet, die nicht mehr „dusty“, „dirty“ und „dangerous“ sind, sondern high-tech getrieben. (1)

Öffentlichkeitsarbeit

Dieses Arbeitspaket befasste sich mit den Bildungs-, Outreach- und Kommunikationsaspekten des SIMS-Projekts. Ein wichtiges Ziel des Projekts war die Aufklärung und Demonstration, sowohl für eine schnelle Marktaufnahme als auch für den Aufbau von mehr Vertrauen und gesellschaftlicher Akzeptanz für die Bergbauindustrie. Diese ist auf gesellschaftliche Akzeptanz angewiesen, wobei Vertrauen und Verständnis von entscheidender Bedeutung sind. Durch die Verbesserung der Transparenz und die Kommunikation und öffentlichkeitswirksame Darstellung von nachhaltigen, intelligenten Bergbausystemen soll die Akzeptanz der Bergbauindustrie erhöht werden. Dabei soll insbesondere durch die Visualisierung der Demonstrationsaktivitäten des Projekts Vertrauen aufgebaut und die öffentliche Akzeptanz erhöht werden. Ein wichtiger Teil des Arbeitspakets war auch das Verständnis für die Auswirkungen neuer Technologien in den Bergwerken. Dazu dienten direkte Dialoge in einem Stakeholder-Forum und lokale Referenzgruppen. Zur besseren Visualisierung von nachhaltigen Bergbauprozessen und zukunftsfähigen Technologien ist zudem in Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen eine VR- und AR-Umgebung eines Bergwerks entwickelt worden, die beispielsweise bei Messen, Ausstellungen oder auch zu Schulungszwecken eingesetzt werden kann und einen lebendigen und direkten Eindruck der Untertagewelt vermittelt. (1)

Schlussbetrachtung

Im Frühjahr 2020 wurde das Projekt mit umfangreichen Demonstrationen in verschiedenen Bergwerken Europas zum Abschluss gebracht. Im Ergebnis konnte das Projekt zeigen, wie ein modernes, sicheres, effizientes Bergwerk konkret realisiert werden kann. Damit ist es gelungen, beispielhaft in der Praxis aufzuzeigen, wie sich der Bergbau insgesamt transformieren lässt, eine höhere soziale Akzeptanz erreicht, zu einem zunehmend attraktiver werdenden Arbeitsplatz für Nachwuchskräfte werden kann und zugleich ressourcenschonender und umweltfreundlicher wird.

Im Hinblick auf die Ziele, die sich das AMT im Rahmen der Arbeitspakete gesetzt hatte, ist es gelungen, alle gesteckten Ziele zu erreichen. In beiden Anwendungsgebieten (UWB und Infrarotthermographie) sind sowohl Software- als auch Hardwareentwicklungen im Prototypformat entstanden.

In der Lokalisierung und Positionierung konnten Ergebnisse im Bereich der Genauigkeit (< 0,5 m) erreicht werden. Personen konnten lokalisiert werden und es bestand die Möglichkeit, die Kollisionsvermeidung von Mensch und Maschine zu demonstrieren. Des Weiteren war es möglich, über das stabile UWB-Netz eine Notfallnachricht zu versenden.

Im Bereich der Infrarotthermographie war es möglich, eine Schicht- und Materialerkennung vorzunehmen und diese ebenfalls direkt am Stoß zu klassifizieren. Des Weiteren konnte eine automatisierte Risserkennung der Firste und des Stoßes auf einem Fahrzeug adaptiert werden. In einer weiteren Entwicklung könnte es möglich sein, die Systeme miteinander zu verknüpfen, um Risse oder Materialien nicht nur zu erkennen, sondern diese auch gleichzeitig über das UWB-System zu lokalisieren und im Grubenrisswerk zu verzeichnen.

Auch die Projektziele der anderen Arbeitspakete konnten erreicht werden. Damit wurde es möglich, auf sehr konkrete Art und Weise zu zeigen, wie ein nachhaltiger Bergbau in Europa realisiert und umgesetzt werden kann. Insbesondere die Vielfalt und Komplexität der Projektkomponenten und der Umfang der Demonstrationen machen das Projekt zu einem Meilenstein. Nicht nur ist es gelungen, dieselbetriebene Maschinen erfolgreich auf Batteriebetrieb umzustellen, es konnten auch verschiedene Prozesse im Bergwerk durch die entwickelten Technologien effizienter gestaltet werden. Mit den Entwicklungen im Bereich der UWB-Technologie konnte zudem ein wichtiger Beitrag für das autonome Bergwerk der Zukunft geleistet werden, indem Lokalisierung und Positionierung von Maschinen und Personen weiter vorangebracht und die Kollisionsvermeidung erfolgreich umgesetzt wurden. Damit konnte das Projekt insgesamt einen wichtigen Beitrag für die Weiterentwicklung eines nachhaltigen Bergbaus in Europa leisten.

Unter folgenden Links finden Sie alle zugehörigen Demonstrationsvideos und weiteres Infomaterial:

www.youtube.com/channel/UCFmCyt9ZFJKYXLchvfGSFzg
www.simsmining.eu