Geomonitoring im Alt- und Nachbergbau - Fachbeitrag - geodaesie.info
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Fachbeitrag Rudolph et al., Geomonitoring im Alt- und Nachbergbau Geomonitoring im Alt- und Nachbergbau Tobias Rudolph, Peter Goerke-Mallet und Christian Melchers Zusammenfassung It is the strategy of the Post-mining Research Center at the Bergbau im 21. Jahrhundert bedeutet auch Alt- und Nach- Technical University Georg Agricola, Bochum to develop ap- bergbau, geknüpft immer an die Bewältigung post-montaner proaches and solutions. Herausforderungen und die Langzeit- und Zukunftsaufgaben. Therefore, it is essential to prove that integrated information Hiermit einhergehend sind Fragestellungen zu den damit ver- and knowledge about the reservoir and the overlying strata is bundenen Kosten und der Möglichkeit der Weiterentwicklung available for the overall integrity of the mine site. In a mine im Bereich der Standortintegrität und -überwachung. Das life cycle a huge amount of data, information and knowledge Forschungszentrum Nachbergbau der Technischen Hoch- is gathered, which are also for post-mining workflows and es- schule Georg Agricola, Bochum, hat sich zur Aufgabe gestellt, pecially for the mine site monitoring, the so-called Geomoni- hier Lösungsansätze zu entwickeln. toring of importance. This means that these datasets need to Daher ist es grundsätzlich unerlässlich, umfassende und inte- be integrated and analysed. grierte Kenntnisse über die Lagerstätte und die überlagernden Here, the application of the concept »Digital-Twin«, a concept Schichten eines jeweiligen Bergbaustandortes zu haben, um adopted from the Industry 4.0 complex, in which an overall so die langfristige Integrität nachweisen zu können. Im Le- industry starting with an idea in the planning phase, across benszyklus eines Bergbaustandortes fallen eine Vielzahl von the production and maintenance phases down to the aban- technischen Datensätzen, Informationen und Wissen an, die donment phase is digitally rebuilt, could act as an enabler for auch für die alt- und nachbergbaulichen Fragestellungen, the post-mining processes. aber insbesondere für die Standortüberwachung (Geomoni- With the application of the concept »Digital-Twin« the toring) von entscheidender Wichtigkeit sind und daher um- Post-mining research center at the Technical University Georg fassend ausgewertet sein müssen. Hierbei kommt der Ansatz Agricola, Bochum has the unique opportunity to shape and des »Digital-Twin«, einem Konzept aus dem Themenbereich develop further approaches for post-mining processes. This »Industrie 4.0«, zur Anwendung. In einem Digital-Twin wird enables further cost control. ein gesamter Industrieprozess von der Idee, über die Umset- zung bis zur Wartung und Monitoring sowie dem Rückbau voll digital aufgebaut und ausgewertet. Auf Basis der verfüg- Schlüsselwörter: Geomonitoring, Digital Twin, Nachbergbau, baren Geoinformationen wird ein digitaler Zwilling, also ein Fernerkundung, Ewigkeitsaufgaben, Zukunftsaufgaben digitales Abbild/Modell eines aktiven oder ehemaligen Berg- baustandortes erzeugt. Für das Forschungszentrum Nachbergbau der Technischen Hochschule Georg Agricola, Bochum, besteht in der Umset- 1 Einleitung zung des »Digital-Twin«-Konzeptes die Möglichkeit, alt- und nachbergbauliche Prozesse zu gestalten und weiterzuentwi- Heutzutage dienen Geoinformationen und digitale An- ckeln und somit postmontane Herausforderungen, Langzeit- wendungen den Bergbauunternehmen primär dazu, die und Zukunftsaufgaben und die damit verbundenen Kosten betriebliche Führung mit dem Abbau des Rohrstoffes und Risiken bewerten und steuern zu können. zu steuern. So lässt sich besser, schneller und kosten- günstiger auf äußere Veränderungen reagieren, um so die operative Steuerung zu verbessern. Die anfallenden Summary Geoinformationen umfassen die geophysikalische Erkun- Mining in the 21. Century means also post-mining, linked to dung, die Lagerstätte/Lagerstättengeologie aber auch das the accomplishment of the post-mining challenges and tasks, Monitoring wie zum Beispiel Datensätze aus der Fern- always connected to cost and the possibility of the further de- erkundung. Diese Datensätze beinhalten zusätzlich die velopment in the area of mine-site integrity and monitoring. markscheiderische Risswerkaufnahme und weitergehende Digital Twin – Bergbau Erkundung Erschließung Produktion Nachbergbau Abb. 1: Das Konzept Digital-Twin im Lebenszyklus Bergbau Digital Twin – Geomonitoring 168 zfv 3/2020 145. Jg. © Wißner-Verlag DOI 10.12902/zfv-0294-2020
Rudolph et al., Geomonitoring im Alt- und Nachbergbau Fachbeitrag Vermessungsergebnisse. Primär ist diese Datenerfassung wirtschaftliche und genehmigungsrechtliche Rahmenbe- aber auf die Erkundung, Erschließung und Produktion dingungen möglich. Diese digitale Repräsentanz Bergbau der eigentlichen Lagerstätte ausgerichtet. Im Rahmen der gilt es im Rahmen des Nachbergbaus in Richtung einer Betreiberverantwortung (License to operate) und der Be- digitalen Repräsentanz Geomonitoring weiterzuentwi- triebsoptimierung (Operational Excellence) kommen nun ckeln. Damit sind die postmontanen Herausforderungen die modernen Ansätze des Digital-Twin, ein Konzept aus zu steuern, die Wirkzusammenhänge zu verstehen sowie dem Umfeld der Industrie 4.0, zur Anwendung (GE 2019). die Kosten zu kontrollieren. Nur so kann der volle Wert Eine Anwendung des Konzeptes des Digital-Twin für den der Geoinformationen ausgeschöpft werden. kompletten Bergbauzyklus, der auch die alt- und nach- Bei den postmontanen Herausforderungen handelt es bergbaulichen Prozesse umfasst, findet aber aktuell noch sich um (Abb. 2): nicht statt und muss im Rahmen des Geomonitoring ent- 1. Tagesbruch/ ehemalige Schächte wickelt werden (Abb. 1). 2. Geologische Störung/ Störungs-Reaktivierungen Bei einem Digital-Twin handelt es sich um die digitale 3. Poldergebiete Repräsentanz (digitaler Zwilling) eines physischen (z. B. 4. (Gruben-)Wasserhaltung Bergwerk) oder nicht-physischen Objektes (z. B. frühe 5. Abraumhalden und Absetzbecken Projektidee) aus der realen Welt (GI 2019). Die digitale 6. Gasemissionen Repräsentanz ermöglicht einen übergreifenden und stan- 7. Infrastrukturen/Obertage-Installationen dardisierten Austausch von Geoinformationen in einem 8. Bodenbewegungen einheitlichen Format. Hierdurch lassen sich auch umfas- sende Simulationen und Prognosen vorab oder im Nach- Durch die Anwendung von integrierten Geomonitoring- gang eines Ereignisses durchführen. Ein Digital-Twin konzepten für Alt- und Nachbergbaustandorte können in der Bergbauindustrie hilft nun insbesondere den Ab- Arbeitsprogramme zur raum-/zeitbezogenen Beobach- bau und die damit verbundenen Prozesse zu verbessern tung, Kontrolle und Überwachung sowie Bewertung sys- und weiterzuentwickeln, da unmittelbar reagiert werden temrelevanter Prozesse entwickelt werden. Für ein Moni- kann. Eine wichtige Grundlage stellen hier markscheide- toring-Programm ist es wichtig, dass initial ein Konzept rische und vermessungstechnische Datensätze dar. Somit entwickelt wird, welches in der ersten Anwendungsphase lassen sich zum Beispiel die aktuellen Abbauergebnisse auf Basis des Erkenntnisgewinns aus den Geoinformatio- auf Grundlage der Datenbasis der vergangenen Abbau- nen adaptiert und kontinuierlich weiterentwickelt wird tage genau und digital erfassen sowie die weiteren Schrit- (Abb. 3). Hierbei handelt es sich um einen Kreislauf, denn te simulieren. Damit sind weitergehende Prognosen zu die Erfahrungen und Erkenntnisse müssen von Projekt treffen, die dann wieder unmittelbar im Abbau eingebun- zu Projekt oder von Bergbaustandort zu Bergbaustandort den werden. Da nun der komplette Bergbauprozess digital weitergegeben werden. abgebildet ist, sind somit schnelle Anpassungen und Re- Es empfiehlt sich somit, mehrphasige Monitoring- aktionen auf veränderliche gesellschaftliche, politische, Programme mit entsprechenden Revisionspunkten zu Abb. 2: Postmontane Herausforderungen Nach Goerke-Mallet et al. 2017 © Wißner-Verlag 145. Jg. 3/2020 zfv 169
Fachbeitrag Rudolph et al., Geomonitoring im Alt- und Nachbergbau 1. Erkundungsphase, mit der Anwendung der initial festgelegten Methoden über kurz- bis mittelfristige Zeiträume 2. Erschließungsphase, mit der Auswertung der Ergeb- nisse der initialen Methoden und Anpassung und/ oder Erweiterung der Methoden über mittelfristige Zeiträume 3. Produktionsphase, mit der optimalen Anwendung und Integration der Methoden über mittel- bis lang- fristige Zeiträume 4. Abschlussphase, mit ggf. Reduktion der Methoden auf ein notwendiges Minimum über langfristige Zeit- räume und Beendigung des Geomonitoring Durch die Integration der Ergebnisse der einzelnen Pha- sen entwickelt sich ein Innovationskreislauf, der dann, beginnend bei der reinen Überwachung des Standortes, in einem Prozessverständnis der nachbergbaulichen As- pekte/Wirkzusammenhänge mündet (Abb. 3). So lassen sich die Ergebnisse auch für eine Risikobeurteilung wei- terentwickeln, um so die postmontanen Herausforderun- gen bearbeiten und steuern zu können. Abb. 3: Integrationskreislauf von Geoinformationen im Be- reich des Geomonitoring e ntwickeln. Hier muss auch berücksichtigt werden, dass 2 Weiterentwicklung Geomonitoring dies aber nur bei einer vollen Integration der Beobach- tungsergebnisse möglich ist. Beim Geomonitoring im Alt- und Nachbergbau kann eine Somit umfasst ein integriertes und weiter entwickeltes Vielzahl an Methoden zur Erzeugung und Verarbeitung Geomonitoring-Konzept folgende Schritte, sowohl in der von Geoinformationen angewendet werden (Abb. 4). Da Konzeption, als auch in der Umsetzung (nach DMV 2014, keine Methode ein gesamtheitliches Ergebnis im Monito- nach Melchers et al. 2019): ring eines Bergbaustandortes liefert, ist es absolut not- 1. Definition des Ziels des Monitorings in der Integra- wendig, verschiedene Methoden gleichzeitig zur digitalen tion mit übergeordneten Zielen (z. B. Transparenz, be- Anwendung zu bringen, diese zu iterieren, in einzelne hördliche Genehmigungen, gesellschaftlich akzeptier- Daten- und Ergebnissilos zu bündeln sowie die Ergebnis- tes Ziel) se zu integrieren. Als Fundament des Geomonitoring die- 2. Auswahl von geeigneten Methoden und Werkzeu- nen statische Basis-Geoinformationen, die auch mit his- gen und Definition der Konnektivität zwischen den torischen Geoinformationen und/oder Geoinformationen Methoden und Festlegung von führenden Methoden aus Archiven zu erweitern sind. Die historischen Geo- (Startpunkt zur Implementierung des Konzeptes Digi- informationen sind unter modernen Gesichtspunkten zu tal-Twin) überarbeiten sowie auszuwerten. Hierauf aufbauend sind 3. Festlegung von Beobachtungsroutinen und -zeiträu- zusätzlich Überwachungsdaten mit einer höher frequen- men (Regelmäßigkeit und Dauer) ten Aufzeichnungsregelmäßigkeit (täglich/wöchentlich/ 4. Berücksichtigung von Standards, Richtlinien und monatlich) bzw. mit real-time-Datensätzen (24/7) sowie (Handlungs-)Empfehlungen Vor-Ort-Datensätze, die sogenannte in‑situ-Komponen- 5. Definition von Ziel-, Warn und Grenzwerten te, einzubinden. Ein Beispiel hierfür sind die dezentra- 6. Definition von Aktions- und Reaktionsprozessen für len, kostengünstigen Sensoren zur Überwachung von Handlungsoptionen und Kommunikationsmaßnah- Altbergbauelementen wie verfüllte Schachtsäulen (Berg men et al. 2019) oder untertägige Sensoren zum Grubenwas- seranstieg (Witthaus und Melchers 2019). Mit diesen Grundlagen erfolgt der Aufbau eines Geo- Man erhält somit eine digitale Abbildung der vorhande- monitoring-Programmes und somit entsteht ein Digital- nen Gegebenheiten und Prozesse, den sogenannten Digi- Twin in vier Anwendungsphasen. Das Geomonitoring ist tal-Twin Geomonitoring. Die im Folgenden dargestellten in diesen Phasen kontinuierlich auf Basis der gewonne- Methoden sind in der gesamten Bergbauindustrie über- nen Geoinformationen anzupassen. Bei den vier Phasen greifend anwendbar (Abb. 4). Diese Ü bersichtsdarstellung handelt es sich um: des Vergleichs der Relevanz ermöglicht die einfache und 170 zfv 3/2020 145. Jg. © Wißner-Verlag
Rudolph et al., Geomonitoring im Alt- und Nachbergbau Fachbeitrag Abb. 4: Grafische Dar stellung des Vergleiches der Relevanz der verschiedenen Methoden des Geomonitoring schnelle Selektion von mehreren Methoden zum inte 3 Beispiel Digital-Twin Geomonitoring grierten Geomonitoring. Es zeigt sich, dass die Anwendung von Explorations- Am fiktiven Beispiel für den untertägigen Abbau eines seismik für das Geomonitoring einen sehr guten Einblick Rohstoffes zeigt sich die Möglichkeit einer Weiterent- in den Untergrund ermöglicht, aber eine der kostenin- wicklung des klassischen Geomonitoring in Richtung tensivsten Methoden ist und daher auch kaum wieder- Digital-Twin und Integration der Methoden (Abb. 5). holt wird (Verfügbarkeit). Mikroseismische Überwachun- Es zeigt aber auch die Schwierigkeiten bei der initialen gen des Untergrundes liefern dagegen zeitlich (24/7) Interpretation, wenn nur begrenzte Geoinformationen und räumlich hochauflösende Datensätze über (Einzel-) vorliegen. Die in diesem Beispiel dargestellten Prozesse Standorte und somit einen guten Einblick in den Unter- und Konzepte eines untertägigen Steinkohlebergwerks grund. Diese Methode ist ebenfalls kostenintensiv, da sind auch auf andere Bergbauzweige übertragbar. hierfür eine Vielzahl von Sensoren am Standort ausge- Die Ausgangssituation ist Folgende: Es liegen aus der legt werden muss. Für die Geodäsie und Geoinformation Erschließung des Standortes erste Datensätze vor, die ins- wichtige Methoden der Erdbeobachtung mittels Satelliten besondere zur Beschreibung der Lagerstätte interpretiert liefern im direkten Vergleich zu vorangegangenen Me- worden sind. Nachbergbauliche Fragestellungen lassen thoden eine sehr hohe zeitliche Verfügbarkeit (Häufig- sich damit nur begrenzt beantworten, ein Verständnis keit der Überfliegungen), eine gute räumliche Auflösung der Wirkzusammenhänge der postmontanen Herausfor- und Ausdehnung (Riecken et al. 2019). Es sind außerdem derungen ist nur teilweise möglich. In diesem Beispiel kostengünstigere Methoden (je nach Sensor und Träger), wird nun in der Endphase der Produktion des Bergwerkes die aber nur auf die Tagesoberfläche, ggf. in die obersten ein Brunnen abgeteuft und hierbei Methan im Grundwas- Zentimeter des Bodens (je nach Wellenlänge) gerichtet ser detektiert (Abb. 5A). Aufgrund der zu dem Zeitpunkt sind. Diese Beispiele zeigen deutlich, dass keine Methode vorliegenden Datenlage ist die Frage des Auftretens von eine Einzelantwort liefert, sondern immer mehrere Me- Methan im Grundwasser eigentlich nur in Korrelation mit thoden untereinander und zusätzlich auch mit in‑situ- der bergbaulichen Aktivität zu sehen. Datensätzen zu einem Standort integriert werden müs- Der frühzeitige Aufbau eines Digital-Twins Geomoni- sen. Die Weiterentwicklung ist somit die kontinuierliche, toring, bereits mit Beginn der Erschließung/Produktion digitale sowie raum-zeitliche Zusammenführung von des Bergbaustandortes im Beispiel, sowie die Berück- sehr unterschiedlichen Methoden mit sehr verschiedenen sichtigung der Konzepte des Geomonitorings (Kap. 1) Datensätzen über den gesamten Bergbauzyklus. Gleich- hätte zu einer anderen initialen Interpretation geführt. zeitig gilt es, die gewählten Ansätze auf Basis der er- Die im Nachgang durchgeführte Neubewertung der his- reichten Ergebnisse ständig weiterzuentwickeln. Nur so torischen und neuen Geoinformationen ermöglicht eine entsteht der Digital-Twin Geomonitoring. weiterentwickelte Interpretation (Abb. 5B, Fettdruck). Der © Wißner-Verlag 145. Jg. 3/2020 zfv 171
Fachbeitrag Rudolph et al., Geomonitoring im Alt- und Nachbergbau Abb. 5: Beispiel für eine Geomonitoring-Analyse mit der initialen (A) und integrierten Sichtweise (B) 172 zfv 3/2020 145. Jg. © Wißner-Verlag
Rudolph et al., Geomonitoring im Alt- und Nachbergbau Fachbeitrag Digital-Twin Geomonitoring ist zusätzlich auch um die Literatur Erkenntnisse aus der mikroseismischen Überwachung so- Berg, B. v., Schmachtenberger, F., Gruchalla, B .v., Wollnik, F., Klaß, S., Koschare, A., Schnell, S., Schliebs, J. (2019): Mineberry – re- wie hochfrequente Geoinformationen aus der Fernerkun- mote monitoring of abandoned shaft openings. In: Proceedings of dung wie Satellitenbilder (u. a. Bodenfeuchte, Vegeta- the 39th International Symposium »Application of Computers and tionsvitalität) und Befliegungen mit Helikopter und UAS Operations Research in the Mineral Industry (APCOM 2019)«, June (Unmanned Aircraft System, »Drohne«) erweitert worden. 4–6, 2019, Wroclaw, Poland. 578–585. DMV (2014): Empfehlungen zum Monitoring im Altbergbau. www. Die Neuinterpretation zeigt, dass das Methan in der dmv-ev.de/literatur/regelwerke.html, letzter Zugriff 02/2020. Brunnenbohrung auf Prozesse in den Deckschichten zu- GE (2019): Transform your mine into a digital industrial Company. rückzuführen ist und somit in keiner direkten Korrelation www.ge.com/digital/sites/default/files/download_assets/GE-Digital- mit der bergbaulichen Aktivität steht. Diese Information Mine-Transform-Your-Mine-Into-A-Digital-Industrial-Company. pdf, letzter Zugriff 02/2020. hat daher einen unmittelbaren Einfluss auf die Planung GI (2019): Digitaler Zwilling. Gesellschaft für Informatik e. V. https:// und ggf. Umsetzung von nachbergbaulichen (Zukunfts-) gi.de/informatiklexikon/digitaler-zwilling, letzter Zugriff 02/2020. Aufgaben und die damit verbundenen Kosten. Goerke-Mallet, P., Melchers, C., Müterthies, A. (2017): Innovative Mo- nitoring-Maßnahmen im (Nach-)Bergbau. In: Mining Report 153:3, 261–271. Melchers, C., Westermann, S., Reker, B. (2019): Evaluierung von Gru- benwasseranstiegsprozessen – Projektbericht. In: Berichte zum 4 Fazit und Ausblick Nachbergbau, Heft 1. Riecken, J., Krickel, B., Gefeller, V., Reifenrath, P. (2019): Nutzung der Radarinterferometrie im geodätischen Raumbezug. In: zfv – Zeit- Das Konzept des Digital-Twin Geomonitoring mit der schrift für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement, Heft Erweiterung um die Methoden des integrierten Geomo- 6/2019, 144. Jg., 354–361. DOI: 10.12902/zfv-0281-2019. nitorings ist interdisziplinär und innovativ. Die zur Ver- Witthaus, H., Melchers, C. (2019): Mine water monitoring in abandoned fügung stehende umfassende Anzahl an Geomonitoring- mines at RAG Aktiengesellschaft. In: Wolkersdorfer, C., Khayrulina, E., Polyakova, S., Bogush, A. (Hrsg.): Mine water: Technological and Methoden ermöglicht integrierte und raumzeitliche, bis Ecological Challenges. Proceedings of the IMWA 2019 Conference, hin zu real-time-Analysen von Alt- und Nachbergbau- 15–19 July 2019, Perm, Russia. Perm: Perm State University, 59–67. standorten. Die gebündelten und vielfältigen Erfahrungen des Forschungszentrums Nachbergbau an der Technischen Kontakt Hochschule Georg Agricola, Bochum, bieten die einzig- Prof. Dr. Tobias Rudolph artige Möglichkeit für unterschiedliche Bergwerkstand- Geomonitoring im Alt- und Nachbergbau orte, die verschiedensten Geoinformationen mittels des Forschungszentrum Nachbergbau – Technische Hochschule Georg Agricola Konzeptes Digital-Twin Geomonitoring weiterzuentwi- Herner Straße 47, 44787 Bochum ckeln. So kann das verfügbare Wissen von den Abbau- tobias.rudolph@thga.de bereichen bis zum Deckgebirge und den Deckschichten genutzt werden. Dies ist auch auf andere Bergbauzweige Prof. Dr. Peter Goerke-Mallet Forschungszentrum Nachbergbau – Technische Hochschule Georg zu übertragen. Somit ist es möglich, postmontane Wirk- Agricola zusammenhänge zu identifizieren, zu bewerten und opti- Herner Straße 47, 44787 Bochum mierte Handlungsempfehlungen zu entwickeln und damit die Kosten zu kontrollieren. Prof. Dr. Christian Melchers Wissenschaftlicher Leiter Forschungszentrum Nachbergbau – Technische Hochschule Georg Agricola Herner Straße 47, 44787 Bochum Dieser Beitrag ist auch digital verfügbar unter www.geodaesie.info. © Wißner-Verlag 145. Jg. 3/2020 zfv 173
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