Grubenwasser

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Mundloch des Wasserlösungsstollens Magnet bei Schupbach.

Grubenwasser (auch Schachtwasser) ist die Wassermenge, die im Bergwerk anfällt und durch die Wasserhaltung zu Tage gefördert wird. Das beim Braunkohlentagebau anfallende Wasser wird Sümpfungswasser genannt.

Entstehung

Obwohl alles Wasser, das in die Grubenbaue eindringt, von atmosphärischen Niederschlägen herstammt, unterscheidet der Bergmann zwischen Tagewasser und Grundwasser. Das Tagewasser dringt durch Tagesöffnungen in die Grubenbaue ein. Bei starkem Regen sickert das Wasser durch den Erdboden und bildet beim Auftreffen auf wasserundurchlässige Schichten Grundwasser. Das Grubenwasser ist hauptsächlich Poren- und Grundwasser, welches in die Grubenbaue sickert.[1]

Temperatur und Menge des Grubenwassers

Weißgraue mineralische Ablagerungen im Grubenwasserauslauf der Zeche Robert Müser in die Werner Teiche in Bochum.

Die Temperatur und Menge des Tagewassers unterliegt jahreszeitlichen Schwankungen. Da das Grundwasser in größeren Tiefen vorkommt, sind seine Menge und Temperatur über das ganze Jahr hindurch ziemlich gleichbleibend. Die Temperatur des Grubenwassers steigt mit zunehmender Teufe entsprechend der geothermischen Tiefenstufe. Grubenwasser in 1000 Metern Teufe hat eine durchschnittliche Temperatur von 30° Celsius.[2]

Die Menge des Grubenwassers in einem Bergwerk hängt von verschiedenen Faktoren ab. Zunächst einmal spielt die Oberflächenbeschaffenheit des Geländes eine große Rolle. Bei gebirgigem Gelände fließt das Niederschlagswasser schnell ins Tal und kann nicht so schnell in die Grubenbaue eindringen. Anders ist dies ist bei Bergwerken, deren tiefste Sohlen unterhalb der Taloberfläche liegen. Auch die Witterungsverhältnisse haben einen Einfluss auf die Menge des Grubenwassers. In Regionen mit geringen Niederschlagsmengen tritt in der Regel weniger Grubenwasser auf als in Regionen mit großer Niederschlagsmenge. Die Durchlässigkeit der an der Erdoberfläche auftretenden Gebirgsschichten wirkt sich entsprechend auf die Grubenwassermenge aus, ebenso wie der Aufbau der tieferen Gebirgsschichten auf die Verteilung des Grundwassers.[3] Die Menge des Grubenwassers nimmt in der Regel in größeren Teufen zu. Beim Steinkohlenbergbau beträgt die durchschnittlich zu hebende Wassermenge aus einer Tiefe von 700 Metern etwa 2 m3 pro verwertbarer Tonne Steinkohle.[4]

Zusammensetzung

Durch Salzausfällungen aus Grubenwasser zugesetzte Rohrleitung auf Zeche Hannover

Das Grubenwasser weist, bedingt durch zahlreiche mineralische Stoffe im Erdinneren, meist einen eigenen Chemismus auf. Besonders dann, wenn die Oxidation von Pyrit, Schwefelkies, Kupferkies und ähnlichen Sulfiden zu saurem Grubenwasser führt (pH-Werte bis −3,6 sind bekannt)[5], ist das Grubenwasser stark mineralisiert. Neben den gelösten Mineralien kann das Grubenwasser auch durch verfaulendes Grubenholz Schimmelpilze mit sich führen. Die zusätzlichen Bestandteile des Wassers sind je nach Bergwerk unterschiedlich:

  • Bei Steinkohlenbergwerken enthält das Grubenwasser neben 4-6 Prozent Kochsalz auch Anteile von Nickelsulfat, Eisenoxyd und Mangan. Eisen fällt dann in sauerstoffreichem Wasser in Form von Eisen(III)-oxidhydraten ("Eisenocker") aus, welche einen charakteristischen rotbraunen Niederschlag bilden. Je nach Gebirgsschicht kann das Grubenwasser entweder sulfathaltig oder chloridhaltig sein. Werden diese Grubenwässer miteinander vermischt, kommt es zur Ausfällung von Bariumsulfat. Bei dieser Ausfällung wird das in den Wässern enthaltene Radium mitgefällt.[6]
  • Das Grubenwasser aus Braunkohlengruben enthält oftmals Anteile von Kalzium, Eisenoxydul, Zink, Magnesium, Natrium, Ammonium und Mangan. Ähnliche Zusammensetzungen finden sich auch oftmals im Grubenwasser von Silberbergwerken.[7]
  • Das Grubenwasser von Uranbergwerken enthält unter bestimmten Bedingungen Spuren von Uran und Radium, dies trifft insbesondere bei gefluteten Grubenbauen zu.[8]

Eindringen ins Grubengebäude

Beim Durchfahren von wasserführenden Schichten dringt das Wasser durch Klüfte ins Grubengebäude. Von einem Wassereinbruch spricht man, wenn ein Bergwerk unerwartet von Wasser überflutet wird. Wird der Betrieb aufgegeben, spricht man von einer „abgesoffenen“ Grube. Damit diese Gruben erneut zum Abbau von Rohstoffen genutzt werden können, müssen sie zuvor gesümpft werden.

Beim untertägigen Abbau von Bodenschätzen setzt sich das Deckgebirge. Die über dem Abbaufeld liegenden Deckschichten werden aufgelockert und es bilden sich Spalte und Klüfte, durch die Grundwasser in das Grubengebäude einsickern kann. Beim Abteufen von Schächten werden wasserführende Schichten durchstoßen. Wenn die Schachtauskleidung an diesen Stellen nicht sorgfältig wasserdicht ausgeführt ist, dringt Wasser in den Schacht ein. Bei älteren Schächten können Undichtigkeiten durch Schädigung der Schachtausmauerung in Folge eines schachtnahen Abbaus auftreten. Eine weitere Quelle des Auftretens von Grubenwasser sind Wasserblasen, die beim Abbau angefahren werden.

Probleme durch Grubenwasser

Besonders problematisch war das Eindringen von Wasser beim Abteufen von Schächten. Immer wieder mussten Abteufarbeiten gestundet werden, da die Pumpenkapazitäten nicht ausreichten, um die erheblichen Wassermengen abzuführen. Eindringliches Beispiel ist das Abteufen des Schachtes Rheinpreußen 1, das sich über einen Zeitraum von 20 Jahren von 1857 bis 1877 hinzog.[9] Die Abteufarbeiten mussten immer wieder eingestellt werden, da die damals technisch verfügbaren Pumpen die Wassermengen nicht abführen konnten. Erst das im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts entwickelte Gefrierschachtverfahren löste die Problematik des Eindringens von Wasser beim Schachtabteufen.[10]

Ein weiteres Problem von Grubenwasser sind Wasserblasen, die beim Abbau angefahren werden. Durch dieses plötzliche Auftreten großer Wassermengen können ganze Sohlen überflutet werden, und es besteht eine erhebliche Gefahr für die Bergleute. Das Grubenunglück von Lassing im Jahr 1998 wurde durch solch einen Wassereinbruch verursacht.

Tunnelbau

Im Tunnelbau heißt das unerwünschte Wasser Bergwasser, insbesondere wenn beim Vortrieb eine wasserführende Kluft oder Störungszone angeschnitten wird. In längeren Zeiträumen kann auch ein Überfluten durch Poren- oder Grundwasser erfolgen, doch zählt dieses bei extrem kleinen Zuflüssen nicht in jedem Fall zum Bergwasser.

Bergwasser entstammt Klüften oder einer durch den Bau ausgelösten Störung im unterirdischen Wasserhaushalt und erfordert im Regelfall technische Maßnahmen zur Ableitung oder Isolierung, durch die sich die Kosten erhöhen.[11] Beim Bau mancher alpiner Eisenbahn- oder Straßentunnel können die Wasseraustritte mehrere 100 Liter pro Sekunde betragen, lassen sich aber durch geophysikalisch-geologische Exploration der Bergstruktur einigermaßen vorausschätzen. Die erhöhte Temperatur dieses Wassers kann zur Energieerzeugung, der sogenannten Tunnelthermie, genutzt werden.

Nutzung

Während das Grubenwasser früher vielfältig (Salzgewinnung, Rohstoffgewinnung durch Ausfällen, Brauchwasser) genutzt wurde, ist dies heutzutage kaum noch üblich.

Wärmenutzung

Für die Nutzung der thermalen Energie ist das Grubenwasser von offengelassenen und gefluteten Bergwerken gut geeignet. Das Grubenwasser wird auf aufgrund des gelockerten Gebirges gut erwärmt und erreicht, je nach Teufe, Temperaturen zwischen 20 und 30° C. Allerdings sind aufgrund der nur mäßigen Temperaturen zur Wärmenutzung des Grubenwassers Wärmepumpen erforderlich. Die Nutzung der Wärmeenergie des Grubenwassers wurde bereits in mehreren Projekten z. B. in Ehrenfriedersdorf, aber auch in Heerlen/NL erfolgreich getestet. Für die Nutzung müssen bestimmte genehmigungsrechtliche Aspekte berücksichtigt werden. Zur Gewinnung der Erdwärme gibt es im Wesentlichen zwei Verfahren: das Dubletten- und das Einzelsondensystem. Mit dem Dublettensystem kann eine größere Energiemenge kontinuierlich gewonnen werden, das Einzelsondensystem ist kostengünstiger.[12]

Brauchwassernutzung

Das in Braunkohlentagebauen anfallende Sümpfungswasser wird, je nach Verschmutzungsgrad, oftmals als Brauchwasser genutzt. Hierzu wird es, falls erforderlich, geklärt und anschließend zu den Industriebetrieben gepumpt. Da sich Braunkohlenkraftwerke in der Regel in unmittelbarer Nachbarschaft der Tagebaue befinden, wird ein großer Teil des Wassers als Kühlwasser im Kraftwerksbetrieb eingesetzt. Allerdings darf der Sulfatgehalt des Wassers nicht über 300 Milligramm pro Liter liegen. Außerdem wird das Sümpfungswasser entweder direkt oder nach entsprechender Filterung auch als Trink- oder Brauchwasser für die Bergbaubetriebe genutzt. Ein erheblicher Teil des Wassers wird für wasserwirtschaftliche Ausgleichsmaßnahmen genutzt.[13]

Trinkwassernutzung

Wenn Grubenwasser keine besonderen Verschmutzungen aufweist, lässt es sich zu Trinkwasser aufbereiten. Dies wurde bereits in der Mitte des 20. Jahrhunderts in mehreren Ortschaften im Siegerland durchgeführt. Dort wurde das Grubenwasser der stillgelegten Eisensteingrube Pützhorn gefiltert und zur Trinkwassernutzung verwendet.[14]

Umweltauswirkungen

Grubenwässer werden nach ihrer Hebung in der Regel ungefiltert in den nächsten Vorfluter abgeleitet. Je nach Zusammensetzung des Grubenwassers kann dadurch der Chemismus der Oberflächengewässer gestört werden und es können nachhaltige Störungen für die Umwelt entstehen. Stark alkalische Grubenwässer sind dabei nicht so umweltbelastend wie saure Grubenwässer. Wird durch acidisches Grubenwasser der pH-Wert des Oberflächenwassers gesenkt nimmt die Löslichkeit von Eisen, Mangan und weiteren Schwermetallen zu. Durch die größere Bioverfügbarkeit von Schwermetallen kommt es zu einer Anreicherung von Schwermetallen in Algen und Pflanzen und somit in der gesamten Nahrungskette. Dies kann bei Überschreiten bestimmter Toxizitätsgrenzen zum Tod durch Ersticken von Wasserlebewesen führen. Problematisch können dabei Wasserausbrüche aus Grubengebäuden werden. Diese können durch Standwasserbildungen oder durch eindringendes Oberflächenwasser, bei Extremereignissen wie Hochwasser, entstehen. Dadurch kann es zu massiven Sedimentumlagerungen aus den Grubenbauen kommen. Durch diese Ereignisse kommt es zwar aufgrund der großen Wassermengen zur Verdünnung der Schadstoffe, punktuell kann es wiederum zu einer Erhöhung der Schwermetallkonzentrationen führen.[15]

Durch das Einleiten von radiumhaltigen Grubenwässern kommt es zu Radiumanreicherungen in den Flüssen. Im Altrheingebiet konnten Radiumanreicherungen festgestellt werden, die auf Einleitungen von radiumhaltigen Grubenwässern zurückzuführen sind. Allerdings lagen die Aktivitätskonzentrationen vielfach unter der Nachweisgrenze.[16]

Sonstige Auswirkungen

Wenn Bergwerke aufgegeben werden, wird in der Regel die Wasserhaltung außer Betrieb genommen. Dies führt dazu, dass im Laufe der Zeit der Wasserspiegel bis auf sein natürliches Niveau ansteigt. Dieses Wasser kann sich negativ auf die Verfüllsäule der abgeworfenen Schächte auswirken. Dies kann soweit führen, dass die Verfüllsäule abrutscht und es zu einem Schachtverbruch kommt.[17] Außerdem kann das ansteigende Grubenwasser die Betonpfropfen der verwahrten Schächte anheben. Geländeteile, die tiefer als die Wasseraustrittsstellen des Grubenwassers liegen, können überflutet werden. Bei vielen Bergwerken ist das Grubenwasser stark salzhaltig. Tritt nun dieses Grubenwasser beim Ansteigen in die grundwasserführenden Schichten ein, die als Trinkwasser genutzt werden, so kann das Süßwasser durch den vorhandenen Chloridgehalt des Grubenwassers chemisch beeinträchtigt werden.[18] Durch den starken Anstieg des Grubenwassers kann es zu Hebungen des Bodens kommen, dadurch können Hebungsschäden an Bauwerken entstehen.[19] Der Anstieg des Grubenwassers bewirkt auch einen Anstieg des Grundwasserspiegels, dies kann in den betroffenen Regionen zu Vernässungen von Gebäudefundamenten und Kellern, mit entsprechenden Feuchtigkeitsschäden, führen.[20]

Literatur

  • Friedrich P. Springer: Von Agricolas "pompen" im Bergbau, "die das wasser durch den windt gezogen", zu den Gestängetiefpumpen im Erdöl. In: Erdöl/Erdgas/Kohle Zeitschrift. Heft 10, 2007.
  • Ch. Wolkersdorfer: Water Management at Abandoned Flooded Underground Mines – Fundamentals, Tracer Tests, Modelling, Water Treatment. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-77330-6, S. 466.
  • P. L. Younger, S. A. Banwart und R. S. Hedin: Mine Water – Hydrology, Pollution, Remediation. Kluwer, Dordrecht 2002, ISBN 1-4020-0137-1, S. 464.
  • P. L. Younger und N. S. Robins: Mine Water Hydrogeology and Geochemistry. Spec. Publ. – Geol. Soc. London, London 2002, ISBN 978-1-86239-113-0, S. 396.

Einzelnachweise

  1. ↑ Carl Hartmann: Handwörterbuch der Berg-, Hütten- u. Salzwerkskunde der Mineralogie und Geognosie. Dritter Band, 2. Auflage, Buchhandlung Bernhard Friedrich Voigt, Weimar 1860
  2. ↑ Geothermische Potenziale gefluteter Bergwerke
  3. ↑ Emil Stöhr, Emil Treptow: Grundzüge der Bergbaukunde einschließlich der Aufbereitung. Verlagsbuchhandlung Spielhagen & Schurich, Wien 1892
  4. ↑ Ernst-Ulrich Reuther: Einführung in den Bergbau. 1. Auflage, Verlag Glückauf GmbH, Essen, 1982, ISBN 3-7739-0390-1
  5. ↑ D. K. Nordstrom, C. N. Alpers, C. J. Ptacek, D. W. Blowes: Negative pH and Extremely Acidic Mine Waters from Iron Mountain, California. In: Environmental Science & Technology. 34. Jahrgang, Nr. 2, 2000, S. 254 - 258, doi:10.1021/es990646v (acs.org).
  6. ↑ C. Wanke, S. Ritzel, R. Sachse, R. Michel: Radiologische Bewertung der Grubenwässereinleitungen des Steinkohlenbergbaus im Bereich Fossa Eugeniana. (abgerufen am 12. September 2012)
  7. ↑ Ferdinand Fischer: Das Wasser seine Verwendung, Reinigung und Beurtheilung. 2. Auflage, Verlag von Julius Springer, Berlin 1891
  8. ↑ Umwelttoxikologie 9.: Wolfgang Wyskovsky. Vorlesungsskriopt
  9. ↑ Wilhelm Hermann, Gertrude Hermann: Die alten Zechen an der Ruhr. 4. Auflage, Verlag Karl Robert Langewiesche, Nachfolger Hans Köster KG, Königstein i. Taunus, 1994, ISBN 3-7845-6992-7
  10. ↑ Steinkohleportal.de: Schachtbau
  11. ↑ Dimitrios Kolymbas:Geotechnik. 2. Auflage, Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York 2007, ISBN 978-3-540-68965-2
  12. ↑ Kurt Schetelig, Michael Heitfeld, Mark Mainz, Thomas Hofmann, Michael Eßers: Geothermie aus Grubenwasser - regenerative Energie aus stillgelegten Steinkohlenbergwerken.
  13. ↑ Rolf Dieter Stoll, Christian Niemann-Delius, Carsten Debenstedt, Klaus Müllensiefen: Der Braunkohletagebau. 1. Auflage, Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-78400-5
  14. ↑ Heinz Bensberg: Stollenwasser linderte die Trinkwassernot.
  15. ↑ Stefanie Karboth: Grubenwässer und ihre Auswirkungen auf die Umwelt.
  16. ↑ Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Methodische Weiterentwicklung des Leitfadens zur radiologischen Untersuchung und Bewertung bergbaulicher Altlasten und Erweiterung des Anwendungsbereichs.
  17. ↑ Dieter D. Genske: Ingenieurgeologie Grundlagen und Anwendung. Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2006, ISBN 978-3-540-25756-1
  18. ↑ Dieter E. Holhorst: Probleme und Schwierigkeiten bei der Einstellung bergbaulicher Tätigkeiten. Anna Blatt 30
  19. ↑ Peter Rosner: Der Grubenwasseranstieg im Aachener und Südlimburger Steinkohlenrevier - eine hydrogeologisch-bergbauliche Analyse der Wirkungszusammenhänge. Diss. RWTH Aachen 2011
  20. ↑ Axel Preuße, Jörg Krämer, Anton Sroka: Technische Abschätzung von Folgelasten des Steinkohlebergbaus. Bergbau 12/2007
Commons: Bergbau – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
  • Gut aufgehoben? – Artikel über die Möglichkeit der Wiederherstellung saurer Grubengewässer mittels CO2-Speicherung auf planeterde
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