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Technische Überlegungen zur Rettung verschütteter Bergleute in großen Teufen

Langandauernde Verschüttungen von Bergleuten unter Tage sind eine eher seltene, aber dennoch ernstzunehmende Problemstellung. Besonders in großen Teufen führen solche Szenarien zu komplexen Rettungsmissionen, die selbst im modernen Bergbau eine technische Herausforderung darstellen. Die ersten Maßnahmen hierbei gelten der Ortung der eingeschlossenen Personen und der Herstellung eines Kommunikationswegs. Große Teufen von mehr als 1.500 m überschreiten die Grenzen der technischen Machbarkeit und erfordern daher alternative Ansätze. Die nach der Ortung eingesetzte Bohrtechnik zur Rettung der Bergleute definiert schlussendlich die gesamte Dauer der Rettungsarbeiten. Das physische und psychische Überleben unter Tage über einen solch langen Zeitraum erfordert auf Seiten der Verschütteten ebenfalls neue technische Ansätze und Vorkehrungen. Die vorliegende Arbeit bietet eine Bewertung der technologischen Beschränkungen, die große Teufen für die Grubenrettung mit sich bringen, und diskutiert darüber hinaus Lösungen für das betrachtete Worst-Case Szenario verschütteter Bergleute.

Autor: Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Felix Lehnen, Oberingenieur am Institute of Mineral Resources Engineering (MRE), RWTH Aachen University, Aachen/Germany

1  Einführung

Das Grubenrettungswesen steht weltweit vor einer Reihe von Herausforderungen und ist für eine Vielzahl von Aufgaben ausgerüstet (1, 2). Regelmäßige Aufgabenstellungen umfassen Erste Hilfe, Brandbekämpfung oder die Arbeit unter Atemschutz. Aus dieser Vielzahl von Aufgabenstellungen heraus befasst sich die vorliegende Arbeit mit dem Szenario langandauernder Verschüttungen. Solche Vorkommnisse beschäftigen das Grubenrettungswesen seit Jahrzehnten. Allerdings fanden 95 % der bekannten Erfolgsgeschichten in weniger als 1.500 m Teufe statt. Solche Teufen werden aber im modernen Bergbau zunehmend überschritten. Insbesondere für den betrachteten Worst-Case von großräumigen Streckenbrüchen sind große Teufen ein Faktor, der die Rettung erheblich verkompliziert.

Das europäische I2Mine-Projekt hat sich mit den Herausforderungen dieser großen Teufen auseinandergesetzt und entwickelte „Innovative Technologies and Concepts for the Intelligent Deep Mine of the Future“. Große Teufen wurden hier als größer 1.500 m definiert. Während der letzten fünf Jahre wurde entsprechende Forschung in einer Reihe von Bereichen der Bergbautechnik von einem internationalen Netzwerk durchgeführt. Eine der Aufgabenstellungen befasste sich mit dem Szenario von unter Tage verschütteten Personen. Dieser Themenkomplex „Deep Mine
Rescue“ wurde von der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen in Zusammenarbeit mit der schwedischen TU Lulea und der Dräger Safety AG & Co. KGaA, Lübeck, bearbeitet.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Frage, inwiefern heutige Grubenrettungstechnologien hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in großer Teufe Grenzen aufweisen. Die entsprechenden technischen Untersuchungen konzentrieren sich hierbei auf die Schlüsseltechnologien zur Rettung verschütteter Bergleute. Die erste Herausforderung ist die Ortung der Verschütteten unter Tage und die Herstellung eines Kommunikationswegs. Um die physische und psychische Durchhaltefähigkeit der Bergleute über einen ausgedehnten Zeitraum sicherzustellen, ist die Versorgung mit Nahrungsmitteln, Ausrüstung und Medizin von herausragender Bedeutung. Sowohl die Versorgung als auch die Rettung der Bergleute hängen stark von der Durchführung der notwendigen Bohrungen ab, deren Dauer den entscheidenden Einfluss auf die Gesamtdauer der Rettungsmission darstellt.

In Bezug auf identifizierte technologische Grenzen in großer Teufe werden in der vorliegenden Arbeit sowohl mögliche Verbesserungen an bestehendem Gerät aufgezeigt als auch organisatorische Alternativen abgeleitet. Weiterhin werden Empfehlungen für eine effektive Anwendung von Schlüsseltechnologien gegeben. Neben der Identifikation weiteren Forschungs- und Entwicklungsbedarfs trägt die vorliegende Arbeit so dazu bei, die Vorbereitung auf Grubenunglücke großer Dimension weiter zu verbessern.

1.1 Einschluss von Bergleuten unter Tage

Die Rettung von verschütteten Bergleuten ist eine eher seltene Aufgabe für Grubenwehren. Trotzdem stellen Zwischenfälle dieser Art komplexe Problemstellungen dar und können langwierige Rettungsmissionen erfordern. Das „Wunder von Lengede“ im Jahr 1963 ist insbesondere in Deutschland vielen Menschen im Gedächtnis geblieben und die Rettung von 33 eingeschlossenen Bergleuten in San José (Chile) zog im Jahr 2010 weltweite Aufmerksamkeit auf sich. Bild 1 zeigt solche langandauernden Rettungsmissionen in roter Farbe. Die grün und gelb hinterlegten Szenarien können hingegen eher als Routineaufgaben von Grubenwehren angesehen werden.

Fig. 1. Classification system for major mine rescue missions (after 3). // Bild 1. Klassifizierungsschema für großangelegte Grubenwehreinsätze (nach 3).

Fig. 1. Classification system for major mine rescue missions (after 3). // Bild 1. Klassifizierungsschema für großangelegte Grubenwehreinsätze (nach 3).

Konkret können Streckenbrüche und Wassereinbrüche die Fluchtwege von Bergleuten für lange Zeit unpassierbar machen. Obwohl in modernen Bergwerken grundsätzlich mindestens zwei Fluchtwege vorgesehen sind, müssen beispielsweise im Streckenvortrieb Situationen berücksichtigt werden, in denen nur ein Fluchtweg zur Verfügung steht (3).

Der Streckenvortrieb ist ein unverzichtbarer Teil jedes untertägigen Bergwerks. Insbesondere Explorationsstrecken können lange Abschnitte ohne zweite Fluchtmöglichkeit erzeugen. Darüber hinaus werden für einige moderne Abbaumethoden Lagerstättenteile durch Teilsohlen vorgerichtet. Diese Teilsohlen finden sich beispielsweise im Bruch- oder Weitungsbau und sind weit weniger lang als in der Exploration, jedoch bergen sie immer noch das Risiko mangelnder Fluchtwegalternativen.

1.2 Große Teufen

Weltweit verlagert sich die Rohstoffgewinnung in immer größere Teufen. Das tiefste Bergwerk in Südafrika arbeitet in einer Teufe von mehr als 4.000 m, während in Kanada 3.000 m erreicht werden (4). Die tiefsten Bergwerke Europas (4), Ibbenbüren (Anthrazitkohle, Deutschland), Pyhäsalmi (Kupfer/Zink, Finnland) und Sigmundshall (Kalisalz, Deutschland) bauen auf etwa 1.500 m ab. In größer werdenden Teufen nimmt grundsätzlich die Komplexität der Grubenbaue zu. Die komplexe Interaktion von Mensch und Natur führt zu einer geringeren Beherrschbarkeit von Einflüssen auf die Arbeitssicherheit, beispielsweise die Brandlast der Grubenbauten, die Verfügbarkeit von Fluchtwegen oder die Frischwetterversorgung.

Fig. 2. New dimensions for mine rescue as a result of great depth (after 4). // Bild 2: Einfluss großer Teufen auf die Komplexität von Grubenwehreinsätzen (nach 4).

Fig. 2. New dimensions for mine rescue as a result of great depth (after 4). // Bild 2: Einfluss großer Teufen auf die Komplexität von Grubenwehreinsätzen (nach 4).

Insbesondere in Bezug auf die Rettung von verschütteten Bergleuten stellen die zunehmende Teufe und die hieraus resultierende erhöhte Dauer der Rettungsmaßnahmen die Grubenwehren vor neue Herausforderungen. Bild 2 setzt die Einflüsse von großen Teufen auf die Komplexität von Grubenwehreinsätzen in Zusammenhang. Es ist festzuhalten, dass große Teufen das Grubenrettungswesen vor signifikante Herausforderungen stellt, die über den gegenwärtigen Stand der Technik hinausgehen.

1.3 Betrachtung der Worst-Case Situation

Als Worst Case-Situation wird eine notwendige Rettungsbohrung von über Tage angesehen. In einer solchen Situation beeinflusst die Teufe der Verschütteten direkt die technologischen Voraussetzungen für eine Rettungsmission. Aufgrund der Relevanz des Zeitfaktors für das Überleben der Verschütteten werden zunächst aber für die Rettungsmaßnahmen alle zur Verfügung stehenden sicheren Zugänge nach unter Tage in Betracht gezogen. Eine unter Tage angesetzte Bohrung kann wertvolle Zeit sparen, die für das Überleben der Verschütteten entscheidend sein kann. Europäische Bergwerke verfügen in aller Regel über zwei unabhängige Verbindungen – Schächte, Rampen, Wendeln – nach über Tage. Diese dienen u. a. als unabhängige Fluchtmöglichkeiten und als Notfallzugang für Grubenwehrtrupps.

Falls möglich starten Rettungsmissionen also von unter Tage aus in Richtung verschütteter Personen. Diese Option macht die Rettungsarbeiten nahezu unabhängig von der tatsächlichen Teufe der Verschüttung. Beispielsweise ist im Fall des Zusammenbruchs nur einer Teilsohle üblicherweise die benachbarte Teilsohle der nächstgelegene Zugangs- und Ansatzpunkt. In europäischen Bergwerken bewegt sich die vertikale Distanz zweier Teilsohlen im Weitungs- oder Bruchbau gewöhnlich im Bereich von 20 bis 40 m (4). Eine Alternative zum vertikalen Bohren bietet unter Tage auch die horizontale Bohrung entlang oder das Wiederaufwältigen einer zusammengestürzten Strecke. Nichtsdestotrotz fokussieren sich die nachfolgenden Abhandlungen auf die Worst Case-Annahme, dass eine Rettungsmission ohne Zugang nach unter Tage gelingen muss.

2 Technische Rettungsansätze

Langandauernde Grubenrettungsmissionen bauen auf mehreren technischen Schritten auf (Bild 3). Zunächst müssen die verschütteten Bergleute geortet und Möglichkeiten zur Kommunikation mit ihnen geschaffen werden. Ist die Position ermittelt, so werden Bohrungen niedergebracht, die zunächst die Versorgung der Bergleute mit lebenswichtigen Gütern sicherstellen sollen und später der eigentlichen Rettung dienen. Um die Überlebenschancen der Bergleute während des Abteufens der Kommunikations- und Versorgungsbohrungen zu steigern, können präventiv spezielle Rettungskammern eingerichtet werden.

2.1 Ortung und Kommunikation

Im Falle eines Grubenunglücks ist die Beschaffung von Informationen ausschlaggebend zur Einleitung geeigneter Maßnahmen. Die Leitung der Rettungsmission benötigt verschiedenste Informationen, beispielsweise ob die essentielle Infrastruktur des Bergwerks funktionstüchtig ist, ob es zu Austritten giftigen Grubengases kommt oder ob die Standfestigkeit des Gebirges beeinträchtigt ist. Sind überlebende Bergleute unter Tage eingeschlossen, so ist die wichtigste Information die exakte Position der Verschüttung. In einem zweiten Schritt muss die Kommunikation mit den eingeschlossenen Personen aufgenommen werden. In der vorliegenden Arbeit werden diese beiden Notwendigkeiten der Ortung und der Kommunikation als eine gemeinsame zentrale Aufgabe betrachtet, da sich beide Problemstellungen in ihren technischen Anforderungen weitgehend überschneiden.

Fig. 4. Technical options to locate miners trapped underground (after 4). // Bild 4. Technische Ansätze zur Ortung verschütteter Bergleute (nach 4).

Fig. 4. Technical options to locate miners trapped underground (after 4). // Bild 4. Technische Ansätze zur Ortung verschütteter Bergleute (nach 4).

Bild 4 unterscheidet prinzipiell drei Wege der Ortung verschütteter Bergleute. Die einfachste Maßnahme wäre direkte Kommunikation mittels Telefon oder Funk. Die hierfür benötigte Infrastruktur könnte jedoch beschädigt sein, sodass spezielle through-the-earth (TTE) Kommunikation benötigt würde. Steht eine vergleichbare Sprachkommunikation nicht zur Verfügung, kann die Detektion von seismischen Wellen, die von den verschütteten Bergleuten ausgelöst werden, als Ortungsverfahren dienen. Eine weitere Alternative bietet das Tracking der Bergleute während ihrer regulären Arbeit, das durch moderne Drahtlostechnologien gewährleistet werden kann.

Unter dem Eindruck tödlicher Grubenunglücke in den USA im Jahr 2006 führte der sogenannte Miner Act zu verstärkten Bemühungen in der amerikanischen Forschung zur Sicherheit im Bergbau, insbesondere mit Augenmerk auf Tracking und Kommunikation. Der Bedarf an Forschung wurde erkannt und benannt, befindet sich jedoch seitdem immer noch weitestgehend im Status dringender Empfehlungen (5). Der Ansatz innerhalb des -I2Mine-Projekts ist es, diesen Bedarf nach einem Abgleich von Technik und dem globalen Trend großer Teufen zu konkretisieren. Darüber hinaus kann aus Bild 4 die Empfehlung abgeleitet werden, möglichst mehrere Verfahren zur Ortung parallel durchzuführen. Im Folgenden werden die drei wichtigsten Strategien – Tracking, Seismik und direkte Kommunikation – im Detail beschrieben und bewertet.

2.1.1 Tracking

Die Informationstechnologie (IT) verändert sich rasant, sowohl im täglichen Leben als auch im Bergbau. Unter Tage werden „leaky feeder“-Kabelsysteme durch moderne drahtlose Punkt-zu-Punkt- und Maschennetzwerke ersetzt (6). Diese in der Bergwerks–
infrastruktur vorhandenen Netzwerke können für das Echtzeit-Tracking von Maschinen und Personal genutzt werden. RFID (radio frequency identification) Transponder oder WLAN-Geräte senden UHF-Signale (ultra high frequency) zu verschiedenen Lesegeräten. Hierdurch wird ein relativ genaues Tracking ermöglicht.

Um Signale senden zu können, benötigen die Transponder eine Energiequelle, beispielsweise die Batterien des Geleuchts. Die Signale der mobilen RFID-Einheit mit einer Reichweite von etwa 100 m (7) werden von einem installierten Maschennetz aus Knoten und Modems empfangen. Während die Übertragung des Signals vom mobilen Transponder zu fest installierten Transceivern – eine Kombination von Transponder und Empfänger – drahtlos erfolgt, benötigt der Transceiver eine stationäre Energieversorgung über ein Stromkabel. Ein innovativer Ansatz im untertägigen Tracking ist Reverse-RFID, bei welcher der Bergmann einen kleinen, mobilen Empfänger mit sich trägt, der mit festen Transpondern kommuniziert (8).

Obwohl Kabelverbindungen und IT durch einen Zwischenfall beeinträchtigt und unterbrochen werden können, ist es möglich, die unmittelbar vor dem Ereignis empfangenen Daten über Tage zu speichern. Die letzte bekannte Position der Bergleute unter Tage ist eine wichtige Information für die Planung von Rettungsarbeiten. Bedenken hinsichtlich der permanenten Mitarbeiter-Überwachung könnte durch eine „Nur im Notfall“-Regelung begegnet werden. Gespeicherte Daten würden dann nur im Fall eines Notfalls abgerufen und ansonsten nach einer gewissen Zeitspanne ohne weitere Nutzung gelöscht.

2.1.2 Seismik

Seismische Ortungsverfahren basieren auf der Detektion von seismischen Wellen, die von den Verschütteten verursacht werden. Diese werden von Geophonen aufgenommen und erlauben nach Auswertung der Zeitabstände Rückschlüsse auf die Position der Bergleute. Eine höhere Anzahl von Geophonen über Tage vergrößert die Genauigkeit der Ortung. Selbst wenn die seismischen Wellen keine exakte Ortung erlauben sollten, liefern sie doch den Beweis für Überlebende unter Tage und legitimieren so weitere Rettungsbemühungen.

Erfahrungen aus experimenteller Forschung deuten darauf hin, dass die maximale Teufe, die die Detektion dieser Art seismischer Wellen zulässt, zwischen 600 m (9) und 800 m (10) liegt. Diese Distanz ließe sich vom Tage her durch die Platzierung von Geophonen in Bohrlöchern vergrößern (11). Neben der Teufe ist der Einsatz von Geophonen in Szenarien limitiert, in denen tote oder schwer verletzte Personen nicht in der Lage sind, Signale zu senden.

2.1.3 Kommunikation

Die Kommunikation mit eingeschlossenen Bergleuten ist der naheliegende Weg zu ihrer Ortung. Darüber hinaus ist die Kommunikation auch über die Lokalisierung hinaus bis zur tatsächlichen Rettung von herausragender Bedeutung. Hier ist grundsätzlich zwischen zwei Arten der Kommunikation in Bergwerken zu unterscheiden. Die Erste bilden konventionelle, tragbare UHF-Funkgeräte (150 MHz bis 6 Ghz), die beispielsweise auf „Leaky Feeder“-Systemen basieren (12). Bei der zweiten Kommunikationsmethode handelt es sich um stationäre MF-Antennen (medium frequency; 300 kHz bis 3 MHz) oder TTE-Systeme, die auf sehr niedrigen Frequenzen senden (VLF, very low frequency; 10 Hz bis 5 kHz) (12).

Primäre Kommunikationssysteme wie Funk und Telefon sind in modernen Bergwerken unverzichtbar. Beide Systeme benötigen in gewissem Maß eine stationäre Kabelinstallation, die im Fall von Gebirgsschlägen beschädigt werden kann. Als vorbeugende Maßnahme sind eine Verlegung der Verkabelung in der Strosse oder eine Verwendung von stabilen Telefonboxen oder Fluchtkammern zum Schutz der Geräte denkbar (13). Sogenannte Leaky Feeder-Systeme basieren auf unvollständig isolierten Kabeln (14), die in der Lage sind, über ihre Länge Funk-signale auszusenden (leak) und zu empfangen (feed). Der Vorteil liegt hier in der Benutzung tragbarer Funkgeräte, die allerdings auf eine Energiequelle, beispielsweise eine Batterie, angewiesen sind.

Ein aufkommender Trend in untertägiger Notfallkommunikation ist die Nutzung von Mittelfrequenzen. Diese benötigen weit weniger aktive Bauteile als Leaky Feeder und können darüber hin-aus Funksignale über metallische Strukturen in der verbleibenden, beschädigten Infrastruktur des Bergwerks übertragen („parasitäre Übertragung“). Durch das hohe Gewicht der benötigten Mittelfrequenzantennen sind diese jedoch nicht tragbar. Hier wäre die Nutzung als Notfallinstallation für die Arbeit in Streckenvortrieben denkbar (7). Sowohl die parasitäre Übertragung als auch die Übertragung von seismischen Signalen könnten durch die vorsorgliche Installation von massiven Metallschienen in der Strosse während des Streckenvortriebs unterstützt werden.

Eine unmittelbare, drahtlose Kommunikation zwischen Über- und Untertage würde sowohl das Problem der Ortung als auch das der Kommunikation lösen. Solche TTE-Kommunikation durch das Gebirge kann durch die Anwendung elektromagnetischer Wellen auf sehr niedrigen Frequenzen erfolgen. Mithilfe von Rahmenantennen können mehrere hundert Meter Gestein überwunden werden. Da die Antennen allerdings eine Energiequelle in der Größenordnung von 1,5 kW benötigen, ist die Nutzung vermutlich nur als Einwegkommunikation von der Tagesoberfläche nach Untertage realisierbar (15). Einseitige Textkommunikation ist durch die Nutzung von Pagern realisierbar. Das Notfallkommunikationssystem der kanadischen Firma MineTrex ermöglicht Grubenrettungsteams die Kommunikation über die verbliebene Bergwerksinfrastruktur. Das Canary-System der Firma VitaAlert ermöglicht sogar eine Zwei-Wege-Kommunikation durch bis zu 300 m Gestein (4).

Die Länge der benötigten Antenne ist proportional zur Leistungsfähigkeit des Systems. Niedrige Frequenzen ermöglichen zwar eine Kommunikation über größere Distanzen, sind jedoch in der Qualität und dem Inhalt der Nachrichten beschränkt. Ein Prototyp der Firma Lockheed Martin erreichte eine maximale vertikale Teufe von 600 m, wobei eine einfache Textnachricht digital durch ein großes magnetisches Feld versandt wurde (16). Neben der Tiefe sind die Leitfähigkeit des Gesteins und elektromagnetisches Rauschen Einflussgrößen auf die Leistungsfähigkeit der TTE-Kommunikation, weshalb die Zwei-Wege-TTE gegenwärtig nicht als zuverlässiges Kommunikationsmittel für große Teufen betrachtet werden kann. Trotzdem könnte TTE bei der Kommunikation durch Bohrlöcher oder zur Anknüpfung an eine intakte Kommunikationsinfrastruktur des Bergwerks zur Anwendung kommen. Für die Arbeit in Streckenvortrieben wäre eine entsprechende Ausrüstung als Sicherheitsvorkehrung notwendig.

2.1.4 Alternative Ortungsverfahren

 

Tracking, Seismik und direkte Kommunikation sind technische Ansätze zur Ortung verschütteter Bergleute. Zusätzlich erfordern große Teufen, unvorhersehbare Zwischenfälle und die Anfälligkeit technischer Ausrüstung im Notfall strategische Alternativen. Neben technischen müssen auch organisatorische und personelle (TOP) Maßnahmen in Betracht gezogen werden. In Bild 5 ist das generelle TOP-Prinzip aus dem Arbeitsschutz in Bezug auf die Ortung verschütteter Bergleute dargestellt.

Im technischen Bereich haben sich auch Suchbohrungen als aussichtsreiche Ortungsmethode erwiesen. Suchbohrungen werden unter Einbeziehung persönlicher und organisatorischer Ortungshinweise geplant und durchgeführt. Die wahrscheinlichste Position der eingeschlossenen Personen kann durch die Auswertung von Tracking-Daten und Schichtplänen eingegrenzt werden. Kommt es zu Überflutungen oder zum Austritt giftiger Grubengase, so können sich in ansteigenden Strecken Luftblasen bilden, in denen ein Überleben möglich ist. Diese Orte können durch Risswerke und ortskundige Bergingenieure identifiziert werden. In Lengede nutzten die eingeschlossenen Bergleute Druckluftleitungen, um durch systematisches Öffnen und Schließen von Ventilen Morsezeichen zu senden (4). Darüber hinaus können bereits gerettete Personen Auskunft darüber erteilen, ob und wo es möglicherweise Überlebende unter Tage geben könnte.

2.2 Mobile Rettungskammern

Fig. 5. Technical, organizational and personal approaches to locate trapped miners (4). // Bild 5. Technische, organisatorische und personelle Maßnahmen zur Ortung Verschütteter (4).

Fig. 5. Technical, organizational and personal approaches to locate trapped miners (4). // Bild 5. Technische, organisatorische und personelle Maßnahmen zur Ortung Verschütteter (4).

Wenn keine Fluchtwege zur Verfügung stehen, können vorbeugende Notfallmaßnahmen und sichere Zufluchtsorte ausschlaggebend sein für das Überleben von Verschütteten über die Dauer der Rettungsarbeiten hinweg. Die bisherigen Betrachtungen haben ein gesteigertes Risiko für den Einschluss von Personen im Streckenvortrieb gezeigt. Auf der AIMS-Konferenz 2015 in Aachen wurden Konzepte für innovative Rettungskammern vorgestellt (17). Kleine, mobile Rettungskammern können in den typischen Streckenquerschnitt integriert werden, ohne die tägliche Vortriebsarbeit zu behindern. Die Kammer sollte möglichst nah zur Ortsbrust platziert werden und dieser stetig folgen, sodass ein möglichst großer Abschnitt der „Sackgasse“ abgedeckt wird.

Wie bereits gezeigt, bergen langandauernde Rettungsmissionen vielschichtige Ungewissheiten. In Bezug auf verschüttete Bergleute wird zwischen drei Zeitabschnitten unterschieden: Die Zeit, bis der erste Kontakt zu den Verschütteten hergestellt ist, die Zeit bis die Versorgung der Personen von über Tage ermöglicht ist und die Zeit bis zu ihrer endgültigen Rettung. Folglich ist der zweite Zeitraum besonders kritisch, da das physische Überleben der Verschütteten ohne äußere Unterstützung bis zur externen Versorgung gewährleistet sein muss. Die Rettung von Xinqiao (China 2009) stellte hierfür einen Weltrekord auf, als erst nach 25 Tagen die Kommunikation und Versorgung ermöglicht werden konnte (3).

Die Gefangenschaft unter Tage verursacht immensen Stress für die Betroffenen, ausgelöst durch psychologische, soziale und umgebungsbedingte Einflüsse (18). Aus vergleichbaren Situationen von Isolation, wie sie in der Raumfahrt oder bei Arktis-Überwinterungen anzutreffen sind, können wichtige Forschungsergebnisse und Know-how übertragen werden, welche die Ausgestaltung einer innovativen Rettungskammer entscheidend verbessern. Durch das Design und die Ausstattung der Kammer kann das Empfinden von Monotonie, etwa durch die immer gleiche Umgebung oder den Konsum einer sehr kleinen Auswahl von Lebensmitteln, subjektiv verringert werden.

Table 1. Aspects in re-designing mobile rescue chambers (after 17). // Tabelle 1. Zusammenstellung anzupassender Design-Parameter für mobile Rettungskammern (nach 17).

Table 1. Aspects in re-designing mobile rescue chambers (after 17). // Tabelle 1. Zusammenstellung anzupassender Design-Parameter für mobile Rettungskammern (nach 17).

Vorschläge und Konzepte für entsprechend angepasste innovative Rettungskammern können dem entsprechenden Konferenzbeitrag entnommen werden (17). Die Tabelle 1 fasst Schlüsselaspekte für das Design einer solchen Kammer zusammen. Neben den äußeren Designaspekten – etwa die Stabilität und die Mobilität betreffend – werden innere Designaspekte aufgeführt, die insbesondere die Bedürfnisse der Insassen berücksichtigen. Unter Beachtung dieser Faktoren können entsprechend entworfene Rettungskammern eine kosteneffiziente Unterstützung für verschüttete Bergleute darstellen.

2.3 Klein- und großkalibrige Bohrungen

Es wird zwischen zwei Arten von Bohrungen unterschieden: Pilotbohrungen geringen Durchmessers (< 10 cm) dienen der Ortung, Kommunikation und Versorgung. Rettungsbohrungen großen Durchmessers (> 40 cm) dienen der eigentlichen Befreiung der Verschütteten. Bohrungen in große Teufen sind technisch sowohl mit großen als auch mit geringen Durchmessern realisierbar (4). Die Schwierigkeit in einem Verschüttungsszenario liegt in der korrelierenden Bohrzeit: Die Zeit bis zum ersten Kontakt und der ersten Versorgung durch die Pilotbohrung ist überlebenskritisch, da die eingeschlossenen Personen diese Zeitspanne ohne äußere Unterstützung überleben müssen. Die Bohrzeit der Rettungsbohrung bestimmt schlussendlich die Dauer der gesamten Rettungsmission.

Die Industrie bietet eine Reihe von Technologien für die Durchführung einer solchen Rettungsbohrung. Die Grubenrettung kann hier stets auf Entwicklungen aus der profitorientierten Anwendung der Bohrtechnik, z. B. Öl-, Gas- und Geothermiebohrungen, zurückgreifen. Diese Branchen unterliegen ständiger Forschung und daher technologischem Fortschritt. Darüber hinaus existiert der Trend, dass einige Bergbaunationen zentral Ausstattungen für Rettungsbohrungen erwerben und diese national oder regional für Notfälle vorhalten. Südafrika entschied sich hier für das amerikanische Schramm-System, das auch bei der Rettung der verschütteten Bergleute in Chile erfolgreich zum Einsatz kam. Sowohl das T685 WS für Pilotbohrungen als auch das T130 XD für Rettungsbohrungen können als die Beste zur Verfügung stehende Technologie betrachtet werden (19). China erwarb das universelle deutsche Bauer-System, das die Anwendung aller gängigen Bohrmethoden erlaubt. Die maximale Teufe ist mit 3.000 m für Pilotbohrungen und 1.500 m für Rettungsbohrungen angegeben. Solch mobile Bohrgeräte wären auch für eine europaweite Präventivmaßnahme denkbar.

Sowohl die Wahl des geeigneten Geräts als auch der erreichbare Bohrfortschritt sind von den geologischen Gegebenheiten am Einsatzort abhängig. Eine Analyse bisheriger Rettungsbohrungen ergab eine Spanne von 0,3 bis 33 m/h und einen durchschnittlichen Bohrfortschritt von 9,1 m/h (3). Die San José-Rettungsbohrung in Chile im Jahr 2010 ist die bis heute einzige Rettungsaktion, bei der in einer Teufe von mehreren hundert Metern eine Bohrung von der Tagesoberfläche die notwendige Strategie war. Hier stellte ein Bohrhammer mit Saugspülung nach 17 Tagen Bohrzeit den ersten Kontakt über ein 14 cm-Bohrloch her. Das 71 cm-Rettungsbohrloch wurde durch die zweifache Erweiterung einer Pilotbohrung hergestellt. Insgesamt 700 t Bohrklein der Erweiterungsbohrungen wurden von den verschütteten Bergleuten in Schichtarbeit unter Tage bewegt. Die Großbohrung nahm insgesamt 34 Tage in Anspruch (3). Linear hochgerechnet auf eine Rettungsbohrung in 2.000 m Teufe würde der erste Kontakt nach 49 Tagen hergestellt, während für die eigentliche Rettung 97 Tage benötigt würden.

Neben den geologischen Verhältnissen birgt Wasser in einem überfluteten Bergwerk die zweite große Herausforderung. Verschüttete Bergleute könnten in einer Luftblase überleben, die sich in einer ansteigenden Strecke bilden kann. In der Folge müsste diese Überdruckatmosphäre während der Bohrarbeiten erhalten bleiben, da diese als natürliche Barrikade gegen den Wasserzutritt überlebenswichtig ist. Nach der Rettung ist ein langsamer Druckabbau in einer Druckkammer erforderlich, wenn die Bergleute die künstliche Atmosphäre verlassen (20).

Da Rettungsbohrungen überlebenskritisch sind und deshalb unter Zeitdruck erfolgen, müssen einige Grundprinzipien (nach 4) im Worst Case befolgt werden:

  • Experten, beispielsweise aus der Öl- und Gasindustrie, müssen sofort hinzugezogen werden.
  • Während der Rettungsmission sollte eine Person für die Leitung der Bohrvorhaben autorisiert und verantwortlich sein.
  • Die Identifizierung möglicher Aufenthaltsorte der Verschütteten und demzufolge die Bohransatzpunkte sollten anhand der TOP-Strategien erfolgen.
  • Die Vorbereitungen für die Bohrung sollten bereits soweit wie möglich abgeschlossen sein, wenn die Bohrausrüstung vor Ort eintrifft.
  • Die Pilotbohrung mit geringem Durchmesser ist überlebenswichtig und hat daher oberste Priorität.
  • Geologische und technische Unsicherheiten erfordern parallele Bohrungen.
  • Ein früher Start der Bohrarbeiten hat positive psychologische Effekte auf die Verschütteten, da diese die Rettungsbemühungen möglicherweise akustisch oder seismisch wahrnehmen können.
  • Auch mit einer Großbohrung sollte früh begonnen werden, da diese Informationen über die Bohrbarkeit und den möglichen Bohrfortschritt liefert (21).
  • Fehlgeleitete Rettungsbohrungen können Rettungsteams Zugang zu anderen Teilen des Bergwerks verschaffen (22).
  • Die Vorauswahl möglicher Bohrplätze und geeigneter Bohrausrüstung sollte individuell getroffen und verfügbar sein, bevor es zu einem Zwischenfall kommt.

3 Zusammenfassung und Ausblick

Langandauernde Verschüttungen sind eine seltene und schwierige Herausforderung des Grubenrettungswesens. Auch für zukünftige Bergbauprojekte müssen Verschüttungen in Betracht gezogen werden. Große Teufen können solche Szenarien in komplexe Rettungsmissionen unbekannter Dimension verwandeln. Langandauernde Rettungsaktionen führen zu physiologischer und psychologischer Belastung bis zur Rettung der Betroffenen. Es werden technische Maßnahmen benötigt, um die Verschütteten zu orten, die Kommunikation zu ihnen aufzubauen und sie schlussendlich zu befreien. Hierfür muss die Tracking- und Bohrtechnologie auf den globalen Trend zunehmender Teufen ausgerichtet werden.

Eine technologische Bewertung zeigt klare Grenzen der gegenwärtigen Rettungstechnologien in Bezug auf große Teufen auf. Es besteht Forschungsbedarf auf dem Gebiet von Ortung und TTE-Kommunikation über große Distanzen, sowie für schnelle, universelle und präzise Bohrtechnik. Parallele Strategien und Vorgehensweisen sind von großer Bedeutung, wenn überlebenswichtige Operationen von einzelnen Technologien abhängen. Alternativen wie das TOP-Prinzip wurden vorgestellt. Eine Form der Prävention stellen innovative, mobile Rettungskammern dar, die psychologisch und physisch das Überleben von Verschütteten, beispielsweise im Streckenvortrieb, unterstützen können.

Neben diesen technischen Betrachtungen hat das I2Mine-Projekt Forschung auf dem Feld der Organisations- und Managementsysteme für solche komplexen Rettungsmissionen ermöglicht. Von der RWTH Aachen wurde ein Online-Prototyp entworfen, der das Potential einer „European Mine Rescue Platform“ (EMRP) aufzeigt. Eine EMRP würde es der europäischen Bergbauindustrie ermöglichen, kosteneffizient Know-how und Equipment für eher seltene Zwischenfälle zu teilen und vorzuhalten. Darüber hinaus hat der Autor seine Dissertationsschrift über „Mine Rescue Management“ verfasst (3). Basierend auf Fallstudienanalysen und Ansätzen aus dem Katastrophenschutz wurde ein Konzept für die Organisation und logistische Vorbereitung einer langandauernden Rettungsmission für verschüttete Bergleute erarbeitet.

4 Danksagung

Die Forschung im Rahmen des I2Mine-Projekts wurde zu großen Teilen durch das 7. Rahmenprogramm der Europäischen Union finanziert (GA # NMP2-LA-2011-280855). Ich danke Prof. Dr.-Ing. Jürgen Brune, Colorado School of Mines, Prof. Dr.-Ing. Ludger Rattmann, THGA Bochum, und Prof. Dr.-Ing. Walter Hermülheim, TU Clausthal, für die kreativen Diskussionen. Prof. Dennis Pettersson, TU Lulea, ermöglichte mir die Organisation eines Design-Workshops für Rettungskammern mit schwedischen Studierenden. Zu guter Letzt danke ich Prof. Dr. Bernd Lottermoser, RWTH Aachen, für die kritische Durchsicht dieses Manuskripts.

References / Quellenverzeichnis

References / Quellenverzeichnis

(1) Hermülheim, W.; Bresser, G.; Fuchs, E.; Langer, G.; Ollesch, E. u. Junker, M.: Handbuch für das Grubenrettungswesen im Steinkohlenbergbau. VGE-Verlag Essen, 2007.

(2) Ramlu, M. A.: Mine disasters and mine rescue. Universities Press Hyderabad, 2007.

(3) Lehnen, F.: Mine Rescue Management. A Concept for Long-Lasting Missions based on Case Study Analysis and Disaster Management Approaches. Dissertation, Aachen 2016.

(4) Lehnen, F.: Concepts for deep mine rescue, Deliverable 6.7 of the European I2Mine Project, 2016.

(5) Robinson, B.: Mine Emergencies. Training and technology can prevent underground disasters. Mining, People and the Environment (2013) 2, S. 22.

(6) Buchsbaum, L.: Unhooking the cables. Mining Magazine (2014) 1, S. 26 – 28.

(7) Tutorial on Wireless Communication and Electronic Tracking. Part 1: Technology Overview. NIOSH Mining Safety and Health Content, National Institute for Occupational Safety and Health, 2011.

(8) Reverse Implementation of Radio Frequency Identification (RFID) Technology for Personnel Tracking in Underground Mines. Technology News Nr. 543, National Institute for Occupational Safety and Health, 2011.

(9) Development of a Seismic System for Locating Trapped Miners. Final Technical Report. NIOSH Broad Agency Announcement (BAA) 2011-N-13046, Heasley, K. A., 2013.

(10) Opitz, P.: Erprobung von Systemen zur Ortung verschütteter und eingeschlossener Bergleute in Bergbaubetrieben der DDR. Neue Bergbautechnik 19 (1989) 5, S. 177 – 179.

(11) Jakeman, M.: Developments in self escape and aided rescue arising for the Moura No.2 Wardens Inquiry by the Joint Coal Industry Committee from Queensland and New South Wales. Coal Operators‘ Conference. Proceedings. 1998, S. 718 – 756.

(12) Waynert, J.: Communications, Tracking, & Data Integration. Research Priorities. Alpha Foundation Priorities Planning Meeting. Proceedings. 2012.

(13) The Sago Mine Disaster. A preliminary report to Governor Joe Manchin III, McAteer, J. D., Bethell, T. N., Monforton, C., Pavlovich, J. W., Roberts, D. C. u. Spence, B., Buckhannon 2006.

(14) Schafrik, S. J.; Dietrich, C. u. Harwood, C.: Geolocation for underground coal mining applications. Classification of systems. Mining Engineering 66 (2014) 4, S. 22 – 48.

(15) Markham, A. u. Trigoni, N.: Magneto-Inductive Networked Rescue System (MINERS). Taking Sensor Networks Underground. 2012 ACM/IEEE 11th International Conference on Information Processing in Sensor Networks (IPSN). Proceedings. Piscataway, NJ: IEEE 2012.

(16) Yenchek, M. R.; Homce, G. T.; Damiano, N. W. u. Srednicki, J. R.: NIOSH-Sponsored Research in Through-the-Earth Communications for Mines. A Status Report. IEEE Transactions on Industry Applications 48 (2012) 5, S. 1700 – 1707.

(17) Lehnen, F.; Rattmann, L. u. Martens, P. N.: Mobile Rescue Chamber Re-Design to Support Miners Trapped Underground. 5th International Symposium „Mineral Resources and Mine Development“. Aachen International Mining Symposia (AIMS), Bd. 14. 2015, S. 235 – 246.

(18) Salam, A. P.: Exploration Class Missions on Earth: Lessons Learnt from Life in Extreme Antarctic Isolation and Confinement. In: Chouker, A. (Hrsg.): Stress Challenges and Immunity in Space. Springer-Verlag Berlin/Heidelberg, 2012, S. 425 – 439.

(19) Klerk, C. de: Improved Rescue Technologies at Mines Rescue Services. South Africa. 6th International Mines Rescue Body Conference. Conference Papers and Presentations. 2013.

(20) Frauendorf, H. u. Gelbrich, W.: Spezielle Probleme der Versorgung und Bergung bei bergmännischen Rettungsbohraktionen. Teil 3. Bergakademie 20 (1968) 2, S. 94 – 98.

(21) Hibbard, W. R.; Chambers, A.; Giel, B. G.; Hair, G.; Keller, G. V.; Lederer, J.; Maurer, W. C.; Talman, W. G.; Williamson, T. N. u. Meloy, G. E.: Mine Rescue and Survival. Final Report. National Academy of Engineering Washington D.C.,1970.

(22) Dittrich, R. u. Nemitz, R.: Bohrungen für den Bergbau zur Rettung von Menschenleben. Bergbau 19 (1968) 9, S. 229 – 238.

Autor: Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Felix Lehnen, Oberingenieur am Institute of Mineral Resources Engineering (MRE), RWTH Aachen University, Aachen/Germany

 

 

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