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 171Fachbeitrag 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-
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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
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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://
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Das Konzept des Digital-Twin Geomonitoring mit der schrift für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement, Heft
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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
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