Kammerpfeilerbau

Der Kammer- Pfeiler - Abbau ist ein Abbauverfahren , bei dem das geförderte Material horizontal abgebaut wird, wodurch horizontale Kammern und Pfeiler entstehen. Dazu werden Erzkammern („Kammern“) abgetragen, während unberührte Pfeiler („Pfeiler“) das Deckgebirge stützen . Die Berechnung von Größe, Form und Position der Pfeiler ist ein komplexes Verfahren und Gegenstand aktueller Forschung. ^{[ 1 ]} Das Verfahren wird üblicherweise für relativ flachliegende Lagerstätten eingesetzt, beispielsweise solche, die einer bestimmten Schicht folgen . Im Vergleich zu anderen Untertagebauverfahren ist der Kammer-Pfeiler-Abbau relativ einfach, gut mechanisierbar und kann das Risiko von Bodensenkungen verringern . [ ^{2 ] Allerdings} werden Ausbeute und Gewinn durch die Notwendigkeit, Erzreste in den Pfeilern zu belassen, reduziert. ^{[ 1 ]} Der Kammer-Pfeiler-Abbau war eines der ersten angewandten Abbauverfahren, ^{[ 3 ]} obwohl der Personalbedarf deutlich gesunken ist.

Das Kammerpfeilerbauverfahren wird im Bergbau von Kohle , Gips ^{[ 4 ]} , Eisenerz ^{[ 5 ]} , Kalkstein [ ^{6 ]} und Uranerzen ^{[ 7 ]} eingesetzt , insbesondere wenn diese als Manto- oder Deckenlagerstätten, Gestein und Zuschlagstoffe , Talk , Soda und Kali vorkommen . ^{[ 8 ] Es wird weltweit angewendet ,} von Tschechien ^{[ 2 ]} über Kanada ^{[ 9 ]} und China ^{[ 10 ]} bis in die USA. ^{[ 4 ]}

Die Planung für die Entwicklung von Kammerpfeilerbergwerken verläuft weitgehend analog zu anderen Abbaumethoden ^{[ 11 ]} und beginnt mit der Sicherung des Eigentums am Bergwerk. Anschließend muss die Geologie des Bergwerks analysiert werden, da diese Faktoren wie die Lebensdauer des Bergwerks, die Produktionsanforderungen und die Kosten für Entwicklung und Instandhaltung bestimmt. ^{[ 11 ]}

Im nächsten Schritt wird das Minenlayout unter Berücksichtigung von Faktoren wie Belüftung, Stromversorgung und Erztransport in der Kostenanalyse festgelegt. ^{[ 4 ] [ 11 ]} Aufgrund der inhomogenen Beschaffenheit von Mineralvorkommen, die typischerweise im Kammerpfeilerbau abgebaut werden, muss das Minenlayout sehr sorgfältig geplant werden. ^{[ 11 ]} Es ist wünschenswert, Größe und Form der Kammern und Pfeiler einheitlich zu halten, jedoch sind einige Minen aufgrund mangelnder Planung und der Eigenschaften der Lagerstätte von dieser Vorgabe abgewichen. ^{[ 4 ]} Das Minenlayout umfasst die Größe der Kammern und Pfeiler, aber auch Faktoren wie Anzahl und Art der Strecken, Deckenhöhe, Belüftung und Abbaufolge. ^{[ 11 ]}

Kammerpfeilerbergwerke werden rasterförmig angelegt, außer wenn geologische Gegebenheiten wie Verwerfungen eine Abweichung vom regelmäßigen Muster erfordern. Die Pfeilergröße wird rechnerisch bestimmt. Die Tragfähigkeit des Materials ober- und unterhalb des Abbaumaterials sowie die Tragfähigkeit des abgebauten Materials bestimmen die Pfeilergröße. ^{[ 11 ]}

Die unstrukturierte Anordnung der Gruben erschwert die Planung der Belüftung, und zu kleine Pfeiler bergen die Gefahr des Einsturzes. In Kohlebergwerken spricht man von Pfeilerbrüchen, da das Gebirgsdach unter dem Druck der Pfeiler zusammenbricht. Sobald ein Pfeiler versagt, erhöht sich das Gewicht auf die benachbarten Pfeiler, was eine Kettenreaktion weiterer Pfeilerbrüche auslöst. Sind diese Kettenreaktionen einmal in Gang gesetzt, lassen sie sich selbst bei langsamer Ausbreitung nur schwer stoppen. ^{[ 12 ]} Um dies zu verhindern, wird die Grube in Bereiche oder Abbaufelder unterteilt. ^{[ 11 ]} Trennpfeiler, sogenannte Barrierpfeiler, trennen die Abbaufelder. Die Barrierpfeiler sind deutlich größer als die Pfeiler der Abbaufelder und so dimensioniert, dass sie einen wesentlichen Teil des Abbaufeldes tragen und im Falle eines Pfeilerbruchs einen fortschreitenden Einsturz der Grube verhindern können. ^{[ 11 ]}

Traditionell besteht der Bergbau aus drei Schritten. Zunächst wird die Lagerstätte untergraben, indem entlang des Bodens eines Erzabschnitts ein möglichst tiefer Schlitz gegraben wird. Diese Untergrabung ermöglicht die spätere Handhabung des Gesteins. Im zweiten Schritt wird der Abschnitt gebohrt und gesprengt. Dadurch entsteht ein Erzhaufen, der verladen und aus der Mine transportiert wird – der letzte Schritt des Abbauprozesses. ^{[ 11 ]} Modernere Kammerpfeilerbergwerke nutzen ein kontinuierlicheres Verfahren, bei dem Maschinen das Gestein gleichzeitig abtragen und an die Oberfläche transportieren. ^{[ 13 ]}

Andere Verfahren, wie beispielsweise das Verfüllen , bei dem Abraum in abgebauten Bereichen entladen wird ^{[ 10 ]} , können angewendet werden, sind aber nicht erforderlich. Die Rückgewinnung (siehe unten) ist ein Beispiel für ein solches Verfahren.

Der Rückzugsabbau ist oft die letzte Phase des Kammerpfeilerbaus. Sobald eine Lagerstätte mit dieser Methode erschöpft ist, werden die ursprünglich zurückgebliebenen Pfeiler entfernt oder „gezogen“, indem man sie in Richtung des Grubeneingangs zurückzieht ^{[ 14 ]} . Nach dem Entfernen der Pfeiler lässt man das Dach (bzw. die Rückwand) hinter dem Abbaugebiet einstürzen. Der Pfeilerabbau muss in einer sehr präzisen Reihenfolge erfolgen, um die Risiken für die Arbeiter zu minimieren, da die verbleibenden Pfeiler durch die Stützspannungen des einstürzenden Gebirges hohen Belastungen ausgesetzt sind.

Der Rückbau ist eine besonders gefährliche Abbaumethode. Laut der US-amerikanischen Mine Safety and Health Administration (MSHA) war der Pfeilerabbau in der Vergangenheit für 25 % der Todesfälle im amerikanischen Kohlebergbau verantwortlich, die durch Einstürze des Hangenden oder der Wände verursacht wurden, obwohl er nur 10 % der gesamten Kohleindustrie ausmacht. ^{[ 15 ]} Der Rückbau kann nicht in Gebieten angewendet werden, in denen Bodensenkungen nicht toleriert werden dürfen, da dies die Rentabilität mindert. ^{[ 15 ]}

Manchmal wird auf den Rückbau verzichtet und der unterirdische Raum stattdessen als klimatisierter Lager- oder Büroraum genutzt. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Viele Kammerpfeilerbergwerke sind seit bis zu 100 Jahren stillgelegt. ^{[ 5 ]} Dies erhöht das Risiko von Bodensenkungen drastisch, sofern keine ordnungsgemäßen Instandhaltungsarbeiten durchgeführt werden . ^{[ 5 ]} Instandhaltungsarbeiten werden jedoch häufig nicht durchgeführt. ^{[ 7 ]}

Der Kammerpfeilerbau zählt zu den ältesten Bergbaumethoden. Frühe Kammerpfeilerbergwerke wurden mehr oder weniger willkürlich angelegt, wobei die Pfeilergrößen empirisch bestimmt und die Strecken in die jeweils günstigste Richtung vorgetrieben wurden. ^{[ 18 ]}

Der Kammerpfeilerbau wurde in ganz Europa bereits im 13. Jahrhundert angewendet ^{[ 19 ]} und in den Vereinigten Staaten seit dem späten 18. Jahrhundert. Er wird in den USA noch immer genutzt ^{[ 13 ]} , ist aber in Teilen Europas zurückgegangen oder ganz zum Erliegen gekommen. ^{[ 19 ]}

Der Kohlebergbau in den Vereinigten Staaten wurde fast immer im Kammerpfeilerbauverfahren durchgeführt, allerdings ursprünglich mit deutlich mehr Arbeitskräften. ^{[ 11 ]}

Der Gipsabbau im Kammerpfeilerverfahren wurde in Iowa ab 1892 angewendet und 1927 aufgrund geringer Ausbeute und der Entwicklung von Technologien, die den Tagebau praktischer, sicherer und kostengünstiger machten, schrittweise eingestellt. ^{[ 4 ]} Die US-Gipsmine Sperry in der Nähe von Mediapolis, Iowa , wurde 1961 eröffnet. Diese Kammerpfeilermine liegt 190 m unter der Oberfläche und verfügt über quadratische Pfeiler mit einer Seitenlänge von 11 m, die gleich breite Kammern in einem etwa 3 m dicken Gipsbett voneinander trennen. ^{[ 20 ]}

Viele Salzbergwerke nutzen das Kammerpfeilerverfahren. Das Sifto-Salzbergwerk in Goderich, Ontario , das größte der Welt, wurde 1959 eröffnet. Es fördert ein 30 Meter dickes Salzflöz in 533 Metern Tiefe, größtenteils unter dem Huronsee . ^{[ 21 ]} Das Cargill-Salzbergwerk in Cleveland, Ohio, das sich in 520 Metern Tiefe, größtenteils unter dem Eriesee , befindet, ist ähnlich aufgebaut. ^{[ 22 ]}

Moderne Kammerpfeilerbergwerke sind heutzutage selten. Dies ist auf viele Faktoren zurückzuführen, darunter die Gefahren für die Bergleute durch Bodensenkungen, die zunehmende Nutzung anderer, stärker mechanisierter Methoden und die sinkenden Kosten des Tagebaus.

Der Kammerpfeilerbau ist nicht besonders von der Tiefe der Lagerstätte abhängig. In besonders großen Tiefen kann er im Vergleich zum Tagebau kostengünstiger sein, da deutlich weniger Deckgebirge abgetragen werden muss. ^{[ 10 ]} Daher wird der Kammerpfeilerbau heute hauptsächlich für hochgradige, aber kleine und tiefe Lagerstätten eingesetzt.

Da die Ausbeute in manchen Fällen nur bei 40 % liegt, ^{[ 4 ]} kann der Kammerpfeilerbau hinsichtlich der Rentabilität nicht mit vielen modernen, stärker mechanisierten Abbaumethoden wie dem Strebbau oder dem Tagebau konkurrieren .

Verlassene Bergwerke neigen zum Einsturz. In abgelegenen Gebieten können Einstürze eine Gefahr für die Tierwelt darstellen ^{[ 23 ]} , aber auch die Absenkung verlassener Bergwerke kann die darüber und in der Nähe befindliche Infrastruktur gefährden ^{[ 5 ] [ 19 ]} . Erhebliche Mengen Kohle lagern noch auf den Pfeilern und dienen als Dachstützung.

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