Volker Patzold Günter Gruhn Carsten Drebenstedt Der Nassabbau Erkundung, Gewinnung, Aufbereitung, Bewertung

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1 Volker Patzold Günter Gruhn Carsten Drebenstedt Der Nassabbau Erkundung, Gewinnung, Aufbereitung, Bewertung

2 Volker Patzold Günter Gruhn Carsten Drebenstedt Der Nassabbau Erkundung, Gewinnung, Aufbereitung, Bewertung

3 Dr.-Ing. Volker Patzold VP Consult Dr.-Ing.V. Patzold & Partner GmbH Kleiberweg Buchholz Deutschland Professor (em.) Dr.-Ing. Dr. h. c. Günter Gruhn Am Grünen Berg Luckau Deutschland Professsor Dr. Dr. h. c. ( mult. ) Carsten Drebenstedt Institut für Bergbau und Spezialtiefbau Gustav-Zeuner Straße Freiberg Deutschland Titelbild: Schwimmende Aufbereitungsanlage mit integriertem Eimerkettenbagger der Fa. Gebr. Grieshaber, Ludwigshafen Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National-bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar ISBN Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: deblik, Berlin Herstellung: Almas Schimmel Satz: Autoren Gedruckt auf säurefreiem Papier 30/3180/as

4 VORWORT Das vorliegende Buch befasst sich mit Nassabbau. Dabei handelt es sich um den Bergbau im Nassen und beschreibt Methoden und Ausrüstungen des terrestrischen Tagebaus sowie des Meeresbergbaus auf oberflächennahe Lagerstätten, dargestellt am Beispiel des Bergbaus auf Kiessand. Es werden der Stand der Technik und des Wissens bei der Exploration und bergmännischen Gewinnung von Lockergestein im Nassen sowie deren Aufbereitung dargestellt. Dabei werden folgende Themen behandelt: Genehmigungsplanung, Erkundung, Kies- und Sandprodukte, Nassgewinnung und Rekultivierung, Aufbereitung, Lagerstättenbewertung, Kostenrechnung. Aspekte des Umweltschutzes und der Nutzung computergestützter Planungshilfsmittel sind in die einzelnen Kapitel integriert. Das vorliegende Werk wendet sich als Lehr- und Fachbuch sowohl an Studierende, z.b. der Fachrichtungen Geologie, Bergbau/Tagebau, Geotechnik oder Verfahrens-/Aufbereitungstechnik, als auch an Fachpersonal in den Produktionsbetrieben der Kies- und Sandindustrie, in einschlägig tätigen Ingenieur-Unternehmen und in Behörden. Wegen der mengenmäßigen Begrenztheit jeder einzelnen Lagerstätte, und deren häufig während des Abbaus auftretenden Veränderungen der Rohstoffbeschaffenheit und der Absatzmöglichkeiten für die Produkte, sind mit großer Häufigkeit Neuplanungen für Gewinnungs- und Aufbereitungsvorhaben als auch Optimierungen für bestehende Betriebe vorzunehmen. In dieser Situation ist es für alle an derartigen Vorhaben Beteiligten wichtig, Methoden, Daten, Lösungsvorschläge etc. zur Verfügung zu haben, mit deren Hilfe begründete Entscheidungen sicher und zügig getroffen werden können. Die bisher auf dem Gebiet verfügbare Fachliteratur besteht aus Titeln zu jeweils ausgewählten Themen, wie z.b. zu geologischen Sachverhalten, zu Gewinnungsgeräten oder zu Ausrüstungen für die

5 VI Vorwort Aufbereitung. Demgegenüber zeichnet sich das vorliegende Buch durch folgende Merkmale aus: Die Planungsprozesse werden in Durchgängigkeit von der Erkundung, Genehmigungsplanung und Bewertung der Vorkommen über die Produktprogrammplanung, die Planung der Gewinnungsverfahren und -geräte bis zur Planung der Aufbereitungsprozesse und Aufbereitungsanlagen behandelt. Es wird eine ganzheitliche Betrachtungsweise der Prozesse vorgenommen, indem technische, wirtschaftliche, ökologische und rechtliche Einflussgrößen, Bedingungen und Zusammenhänge Berücksichtigung finden. Dabei werden leistungsfähige systemtechnische Methoden in Verbindung mit modernen Instrumentarien der Informationsverarbeitung für eine strukturierte Behandlung der Planungsprozesse und technologischen Systeme vorgestellt. Die Entwicklung des diesbezüglichen Planungssystems SAGALO mit seinem Modulen LAGER, ALOG, PROPLAN und DIMAN wurde durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) und die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert. Das Planungssystem SAGALO, mit dessen Hilfe die Nassgewinnung und Aufbereitung konfiguriert und die erforderlichen Geräte und Ausrüstungen dimensioniert werden können, wird unter der Internetadresse anhand von Demonstrationsbeispielen weiter vorgestellt. Das Buch hat einen stark interdisziplinären Charakter, dem auch durch die Auswahl der Autoren Rechnung getragen wird. Das Buch unterstützt schließlich den Zugang zur Spezialliteratur, die zu Einzelthemen vorliegt. Der Dank gilt den Mitarbeitern des Ingenieurbüros Dr.-Ing. V.Patzold, insbesondere Frau Valesca Köbke-Patzold, Herrn Dr.-Ing. Jörg U. Köbke, Herrn Dr.rer.nat. Wolfgang Thießen und Herrn Dipl.-Geol. Matthias Hartmann, unter deren Mitwirkung die niedergeschriebenen Ergebnisse entstanden sind. Dies erfolgte oft neben der fordernden täglichen Arbeit im Ingenieurbüro und ist ein großartiges Zeugnis von Leistungsbereitschaft und großem Einsatzwillen. Nicht zuletzt sei allen weiteren sehr herzlich gedankt, die zum Entstehen dieses Buches beigetragen haben. Hier gilt besonderer Dank Frau Ilona Afritsch für ihre Leistung, die Anforderungen von Autoren und Verleger in Schrift und Bild umzusetzen. Buchholz i.d.n, im Mai 2007 Die Autoren

6 INHALTSVERZEICHNIS 1 Einführung Bedeutung von Kies und Sand Erkundung Künstliche Steinsohle Natürliche Verfestigungszonen Schädliche Bestandteile Genehmigungsplanung Nassgewinnung Wasserbauliche Nassbaggerei Bergmännische Nassgewinnung Aufbereitung von Kies und Sand Bewertung Lagerstättenwert Bewertung der Abbautätigkeit Rechnergestützte Planung von Nassgewinnung und Aufbereitung Genehmigungsplanung Rechtsgrundlagen Schutzgüter Rekultivierung und Folgenutzung Ablauf des Genehmigungsverfahren Antragskonferenz Durchführung der Untersuchungen Antrag auf Genehmigung Erörterung des Antrags Planfeststellungsbeschluss Fallbeispiele Genehmigungsplanung Genehmigung eines terrestrischen Vorkommens Rechtsgrundlage Schutzausweisungen und Entwicklungsziele Methodik und Gliederung der Umweltverträglichkeitsstudie...44

7 VIII Inhaltsverzeichnis Genehmigung einer marinen Kiessandgewinnung Rechtsgrundlage Methodik und Gliederung Planungssystem für die ökologische Bewertung eines Abbauverfahrens Methodik Bewertung Erkundung Lagerstättenarten Lagerstättengenese Liefergebiet Transport Prozesse der Bodenbildung Bodenarten Klassifizierung Bindige Böden Schlick Ton, Mergel, Lehm Rollige Böden Fels Relevante geotechnische Daten Korngrößenverteilung Ungleichförmigkeitsgrad Kornform Konsistenz Dichte, Wichte, Wassergehalt, Scherfestigkeit Dichte Wichte Wassergehalt Sättigungszahl Scherfestigkeit Lagerungsdichte Schädliche Bestandteile Erkundungsmethoden Direkte Erkundungsmethoden Van Veen Greifer Sondierungstange Schneckenbohrung Spülbohrung Rammkernbohrung Standard Penetration Test (SPT) Flügelsondierung

8 Inhaltsverzeichnis IX Greiferbohrung Drehbohrung Vibrationsbohrung Drucksondierung Schwerkraftbohrer Piston Corer Schürfgruben, Probebaggerung Indirekte Erkundungsmethoden Akustische Verfahren Elektrische Verfahren Elektomagnetische Verfahren Bestimmung der in situ Dichte Verfahrensvergleich Fallbeispiel: Kombination verschiedener Erkundungsmethoden Vorratsermittlung Abbauverluste Vorratsermittlung mit dem Planungssystem LAGER Kies- und Sandprodukte Petrographische Zusammensetzung von Lockergestein Produkte Produktprogrammplanung mit dem Planungssystem PROPLAN Fallbeispiel: Produktprogrammplanung für ein Kieswerk Nassgewinnung Ausrichtung Betriebsstelle Vorrichtung Betriebsstelle Gewinnung Gewinnungstechnik Abbauführung Verhieb Böschungsbaggerung Betriebszeit, Drehfaktor Gewinnungsverluste Voraufbereitung Gewässertrübung Entwicklung der Nassbagger Lösen von Boden Lösewerkzeuge der Nassbagger Antriebs- und Grableistungsberechnung Beschreibung ausgewählter Nassbagger Grundsaugbagger...231

9 X Inhaltsverzeichnis Saugbagger für große Tiefen Schneidkopfsaugbagger Schneidradsaugbagger Laderaumsaugbagger Tieflöffelbagger Landgestützter Eimerkettenbagger Schrapper Schleppschaufelbagger Stelzenpontonbagger Schwimmender Eimerkettenbagger Schwimmgreiferbagger Leistungsberechnungen ausgewählter Nassbagger Betriebsstelle Förderung Kontinuierliche Förderung Diskontinuierliche Förderung Fördervolumen und Fördermasse Fördermittel Rohrleitung Förderband Schutentransport Transport mit Laderaumbagger Betriebsstelle Zwischenlagerung Betriebsstelle Rekultivierung Zielsetzung Umsetzung der Rekultivierung Kosten Rekultivierungsmaßnahme Fallbeispiel: Machbarkeit einer Grundsaugbaggerung Aufgabenstellung Lagerstättenmerkmale Auswahl des Gewinnungsverfahrens Geräteauswahl mit dem Planungssystem ALOG Fallbeispiel: Geräteauswahl mit ALOG Lagerstättendaten und Kundeninterview Auswahl der technisch geeigneten Gewinnungsgeräte Dimensionierung der Abbauanlagen Ermittlung der Wirtschaftlichkeitskenndaten Auswahl und Wichtung der Bewertungskriterien Durchführung der Nutzwertanalyse Diskussion der Ergebnisse Abbaukontrolle Handlotungen Echolotpeilungen

10 Inhaltsverzeichnis XI 6 Aufbereitung von Kies und Sand Aufbereitungsanlagen Zielsetzung Grundvorgänge Anlagenbeispiele Anlagentypen Anlagenausrüstungen Kennwerte von Ausrüstungen Siebklassierung im Schwerekraftfeld Starre Roste oder Siebe Schwingsiebmaschinen Stromklassieren im Schwerkraftfeld Trogklassierer Mehrkammerklassierer Laderaum-, Spülfeldklassierung Aufstromklassierer Stromklassieren im Zentrifugalkraftfeld Hydrozyklon Dekanter Sortierung Dichtesortierung Waschen Schwertwäsche Trommelwäsche Klauben Lösen Weitere Aufbereitungsprozesse Feinsandrückgewinnung Entwässerung Aufbereitung Prozesswasser Magnetabscheidung Zerkleinerung Lagern und Mischen Prozess- und Anlagenplanung Prozess und Anlagenplanung mit dem Planungssystem DIMAN Prozessplanung Anlagenplanung Shortcut-Modelle für die Prozessplanung Modell der Grobklassierung (Roste) Modell der Siebklassierung Modell der Stromklassierung...389

11 XII Inhaltsverzeichnis Modell der Zerkleinerung Modell der Dichtesortierung Modell der Läuterung Modell der Entwässerung Prozess- und Anlagensimulation mit dem Fließschema simulations-system SolidSim Lagerstättenbewertung und betriebswirtschaftliche Analyse Bewertung einer Lagerstätte Definition Verkehrswert Verkehrswert von Grundstücken mit Bodenschätzen Vergleich mit Kaufpreisen von Vergleichsgrundstücken Ermittlung anhand von Bodenrichtwerten Ermittlung anhand des Ertragswertes von Ackerland Verkehrswertermittlung durch Feststellung von Sach- und Ertragswert Bewertung von Tagebaubetrieben Ertragswert Substanzwert Wirtschaftlichkeitsanalyse Kenngrößen der dynamischen Investitionsrechnung Einflussgrößen der Investitionsrechnung Fixe Kosten Variable Kosten Erlöse Zeitlicher Verlauf des erwirtschafteten Ergebnisses Komplexe Bewertung von Abbauund Aufbereitungsanlagen Fallbeispiel Ermittlung des angemessenen Förderzinses einer Quarzsandlagerstätte Einleitung Stratigraphische Zuordnung Aufbau der Lagerstätte Mengenabschätzung Qualität des abzubauenden Quarzsandes Nutzbarkeit der Lagerstätte Gewinnungstechnik Aufbereitungstechnik Aufbereitung von Bausanden Aufbereitung von feuchten Quarzsanden Aufbereitung von trockenen Quarzsanden Ergebnis

12 Inhaltsverzeichnis XIII Herstellkosten von Bausand Herstellkosten von nassem Quarzsand Herstellkosten von trockenem Quarzsand Ermittlung des angemessenen Förderzinses Anhang Anhang 1: Verzeichnis der angewandten Gesetze und Vorschriften Anhang 2: Verzeichnis der themenbezogenen DIN Quellenverzeichnis Sachwortverzeichnis

13 Verzeichnis der Formelzeichen Vorbemerkung: Bei der fachlichen Breite des Buches und auch der notwendigen Bezugnahme auf mehrere Grundlagengebiete war es nicht zu vermeiden, dass einige Formelzeichen jeweils für unterschiedliche technische Größen stehen. Missverständnisse sind jedoch nicht möglich, da die Formelzeichen auch im Text gekennzeichnet werden. A Fläche, Rostfläche, Siebfläche, jährliche Investitionssumme A G Lagerstättenfläche A A M massebezogene Oberfläche des Aufgabegutes G A M massebezogene Oberfläche des Grobgutes A o offene Siebfläche A S Fläche für Bermen, Aufbereitungsanlagen, Sicherheitsflächen u.a. A Sp Querschnittsfläche des Spans A t Aufwendungen im Jahr t a Bypass in das Grobgut a S Beschleunigung des Siebgutes a Sp Spandicke B Breite b s Rentenbarwertfaktor auf der Basis von s Jahren b Sp Spanbreite C Beladung C AN Annuität des Kapitalwertes C E Endwert C K Kapitalwert c Kohäsion

14 XVI Verzeichnis der Formelzeichen c u Scherfestigkeit D Lagerungsdichte, Diffusionskoeffizient D F Drehfaktor D F,Ki projektspezifische Korrekturfaktoren des Drehfaktors D F,Bagger Drehfaktor des Baggers D R Rohrinnendurchmesser db (A) Schallleistungspegel d Korndurchmesser d E Öffnungsdurchmesser (Eimer) d j mittlerer Korndurchmesser der Fraktion j d ka Schneidkopfaußendurchmesser d max maximaler Korndurchmesser d min minimaler Korndurchmesser d mf Mittelwert der Korngrößenverteilung (gemäß Gl.(3-1)) d o oberer Wert des Durchmessers d Part,u unterer Grenzkorndurchmesser der Partikelgrößenfraktion d Part,o oberer Grenzkorndurchmesser der Partikelgrößenfraktion d ra Schneidradaußendurchmesser d S Saugrohrdurchmesser d T Trennkorndurchmesser d T,max maximaler Trennkorndurchmesser d T,min minimaler Trennkorndurchmesser d u unterer Wert des Durchmessers d 10 Korndurchmesser bei 10 Ma.-% Siebdurchgang E Erlös e spezifischer Erlös, Eindringtiefe F B Beschleunigungswiderstand F F Füllwiderstand F GR Grabwiderstand Fr Froud-Zahl Fr kr Froud-Zahl für kritische Strömungsgeschwindigkeit F R Reibwiderstand F S Schneidwiderstand

15 Verzeichnis der Formelzeichen XVII F S spezifische Schnittkraft f Formfaktor f A Auflockerungsfaktor f F Füllungsgrad f N Neigungsfaktor f S Mantelreibung (bei Drucksondierung) g j Gewichtungsfaktor zwischen den Kriterien U j ; nicht von A i abhängig G Gewinn (wirtschaftliches Ergebnis), Eigengewicht h Sp Spanhöhe i Variante des Abbauverfahrens (z.b.:1=bohren und Sprengen, 2=hori.Fräsen,...) I seismische Impedanz I C Konsistenzzahl I P Plastizitätszahl j Art des Umwelteinflusses (z.b.: 1=Lärm, 2=SO 2 - Äquiuvalent,...) K Kosten k Wasserdurchlässigkeit, spezifische Kosten k H spezifische Herstellkosten k füll Füllungsgrad k ij Korrekturfaktor für Art und Intensität des Umwelteinflusses, von A i abhängig k L Grabwiderstand k S Schwarmbehinderungsfaktor Z k spezifische Kosten für Zukauf k Formkorrekturkoeffizient l Länge L w Schallleistungspegel l Schn Schneidkantenlänge M Moment Ma.-% Massenprozent m Masse m Massenstrom F m Feingutstrom G m Grobgutstrom

16 XVIII Verzeichnis der Formelzeichen m U Massenstrom Unrat m W Massenstrom Wasser A m W, Ob Massenstrom oberflächenhaftendes Wasser N Nutzlast n Porenanteil, Anzahl der Förderspiele pro Zeiteinheit n f nutzbarer Porenanteil n U Drehzahl P Produktmenge, Federkraft, Leistung P B Beschleunigungsleistung P F Füll- und Umwälzleistung P ges Gesamtproduktmenge P Gr Grableistung des Lösewerkzeuges P G,t jährliche Abbauleistung des Gewinnungsgerätes P H Hubleistung P M Antriebsleistung des Lösewerkzeuges P P Pumpenleistung P V elektrische und mechanische Verlustleistung P P Pumpenleistung P R Reibungsleistung P S Schneidleistung, Grableistung P ges Gesamtproduktmenge p ij Punktwert für das Abbauverfahren A i und den Umwelteinfluss U j (berücksichtigt die Differenzen von U bezüglich A i ) o P obere Grenze der Produktmenge u P untere Grenze der Produktmenge p Druck p D druckseitige Förderhöhe p E,D Druckverlust durch Einbauten auf Druckseite p E,S Druckverlust durch Einbauten auf Saugseite p Ges Gesamtförderhöhe p G,D Geodätische Förderhöhe auf Druckseite p R,D Druckverlust durch Rohrreibung auf Druckseite p R,S Druckverlust durch Rohrreibung auf Saugseite

17 Verzeichnis der Formelzeichen XIX p S saugseitige Förderhöhe p V Druckverlust infolge Beschleunigung des Förderstroms p * interner Zinsfuß Q Baggerleistung Fördervolumen bei Baggern Q th theoretisches Fördervolumen q S Spitzendruck (bei Drucksondierung) R Restwert Re Reynold-Zahl ROG Raumordnungsgesetz R f Reibungsverhältnis S ges i soziale Vorteilhaftigkeit S f Sättigungszahl s O Sinkgeschwindigkeit T Trennfunktion, Förderspielzeit T(d j ) Trennfunktion für Korngrößenfraktion j T AD Dynamische Amortisationsdauer T f / m / g Trennfunktion für kleine (k), mittlere (m) und grobe (g) Partikel T h horizontale Baggerungstoleranz T L wirtschaftliche Lebensdauer T v vertikale Baggerungstoleranz t Zeit U Ungleichförmigkeitsgrad, elektrische Spannung, Zukunftserfolg Umwelteinfluss U t jährliche Betriebsüberschüsse U t0 Zukunftserfolg zum Zeitpunkt des Kaufübergangs u Umfangsgeschwindigkeit UE Umwelteinfluss UE ges i Umwelteinflüsse gesamt für Abbauverfahren i UEWS ges i Umwelt-, wirtschaftliche und soziale Einflüsse insgesamt V Volumen Vol.-% Volumenprozent V B Bodenvolumen V E Eimervolumen V F Feststoffvolumen V H Laderaumvolumen V K Kübelvolumen

18 XX Verzeichnis der Formelzeichen V L Löffelvolumen V N Nenninhalt des Grabgefäßes V oa spezifische Rostbelastung V on spezifische Rostbelastung je mm Spaltweite V Volumenstrom V S Schrappgefäßvolumen V Sus Volumenstrom der Suspension V oa spezifische Rostbelastung V on spezifische Rostbelastung je mm Spaltweite v Geschwindigkeit v S Schwenkgeschwindigkeit v K kritische Rohrströmungsgeschwindigkeit v R Rohrströmungsgeschwindigkeit W ges i wirtschaftliche Vorteilhaftigkeit w Wassergehalt, Spaltweite, Benetzbarkeit w L Fließgrenze w P Ausrollgrenze Z L,m mittlere Lagerstättenmächtigkeit unter Berücksichtigung der Abbauverluste Z GV gerätespezifischer Gewinnungsverlust z Baggertiefe z d durchschnittliche Baggertiefe z GS Tiefenmittelwert der Gewässersohle z LG Tiefenmittelwert des Liegenden z opt optimale Baggertiefe S g P Neigung, Steigung der Trennfunktion Neigung des Siebbodens Porenziffer Schüttgewicht Reibungswinkel, Sphärizität dynamische Viskosität Gütegrad der Bodenaufnahme bei Baggern, Wirkungsgrad von Baggerpumpen Rohrreibungsbeiwert

19 Verzeichnis der Formelzeichen XXI Reibungskoeffizient Rohdichte, elektrischer Widerstand K Korndichte d Trockendichte f Feuchtdichte (Wassersättigung) L Laderaumdichte (in Schuten und Laderaubaggern) S Schüttdichte (aufgehaldetes Material) T Gemischdichte bei Transport W Dichte Wasser Normalspannung, elektrische Leitfähigkeit f Scherfestigkeit Winkelgeschwindigkeit Merkmalswert Widerstandsbeiwert der Einbauten jk Zerkleinerungskoeffizient

20 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS Abb. AMOB AWZ BBergG BD BGR BH BKS BL BNatSchG BSH ca. CPT CSD DBU DD DIN DL EAU ECSD EDV EIA EU Fabr. FFH GD GEP ggf. GOK GW HDPE Abbildung All light material over board Ausschließlichen Wirtschaftszone Bundesberggesetz Backhoe Dredger (Stelzenpontonbagger) Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe Hydraulikbagger Bundesverband Kies und Sand Bucket ladder dredger (Eimerkettenbagger) Bundesnaturschutzgesetz Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie Circa Cone Penetration Test Cutter suction dredger (Schneidkopfsaugbagger) Deutsche Bundesstiftung Umwelt Dipper dredger (Schöpflöffelbagger) Deutsche Industrie Norm (Auflistung der zitierten DIN-Vorschriften s. Anhang 1) Dragline (Wurfkübelbagger) Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen Ecological cutter suction dredger (Ökologischer S.) Elektronische Daten Verarbeitung Environmental impact assessment Europäische Union Fabrikat Flora-, Fauna-, Habitat Grab Dredger (Greiferbagger) Gebietsentwicklungsplan Gegebenenfalls Geländeoberkante Grundwasser high density polyethylen

21 XXIV Abkürzungsverzeichnis H:L Höhe : Länge HW Wellenauflaufhöhe i. M. im Mittel i.d.r. in der Regel IHC Werft IHC Holland, Kinderdijk KEA Kumulierter Energieaufwand LANU Landesamt für Natur und Umwelt LBEG Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie LBP Landschaftpflegerischer Begleitplan LEP Landesentwicklungsplan lt. Laut LTD low turbidity dredger ( ) LVerwG Landesverwaltungsgesetz Ma.-% Masse-% Mio. Million MPa Mega Pascal mws Meter Wassersäule NSG Naturschutzgebiet NW Niedrigwasser NWG Niedersächsisches Wassergesetz o. Oben OK Oberkante O&K Orenstein&Koppel AG, Lübeck OKL Oberes Kieslager OZH Oberer Zwischenhorizont PIANC Permanent International Association of Navigation Countries RBP Rahmenbetriebsplan rd. Rund ROG Raumordnungsgesetz RQ- Wert Recovery Quotient RW Richtwert s.o. siehe oben SAE Society of Automotive Engineers SAGALO System zur Anlagenplanung für Gewinnung und Aufbereitung von Lockergestein SD Plain suction dredger (Grundsaugbagger ) sog. sogenannt SPT Standard Penetration Test SSS Side Scan Sonar (Seitensichtgerät)

22 Abkürzungsverzeichnis XXV TBT Tributylzinn T h Horizontale Baggertoleranz THSD Trailer Hopper Suction Dredger (Laderaumsaugbagger) TL Technische Lieferbedingungen TÖB Träger öffentlicher Belange TU Technische Universität T v Vertikale Baggertoleranz u. unten ü. NN über Normal Null u.u. unter Umständen u. Wsp. unter Wasserspiegel u.a. unter Anderem u.a.m. und anderes mehr u.zw. und zwar UCW Schneidradsaugbagger UVP Umweltverträglichkeitsprüfung UVP-G Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung UVP-V Bergbau Umweltverträglichkeitsprüfung bergbaulicher Vorhaben UVS Umweltverträglichkeitsstudie UXO unexploded ordonance Vol. Volumen Vol.-% Volumen-% WaStrG Wasserstraßengesetz WHG Wasserhaushaltsgesetz WID Water injection dredger (Wasserinjektionsgerät) z.b. zum Beispiel ZTVZ / ZTV Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen zw. Zwar

23 1 Einführung 1.1 Bedeutung von Kies und Sand Dem Teilbereich bergmännischer Gewinnung 1,2 von oberflächennahen Rohstoffen wie Kies und Sand kommt eine große wirtschaftliche Bedeutung zu, was sich neben großer Verbreitung auch in einer umfangreichen Zulieferindustrie für Geräte, Apparate, Maschinen, spezielle Werkzeuge und komplette Anlagen sowohl für die Gewinnung als auch für die Aufbereitung niederschlägt. Die Verwendungsmöglichkeiten von Kies und Sand sind in Tabelle 1-1 aufgelistet. Tabelle 1-1 Verwendungsmöglichkeiten für Kies und Sand Industriezweig Hauptprodukt Bau Wohnungsbau Zuschlagsstoff Industriebau Landwirtschaftlicher Wegebau Bau Sportstättenbau Verkehrswegebau Grundstoff- und Produktionsgüter Straßenbau Bahnbau Wasserbau Frostschutz, Tragschichten, Gleisbau, Dränage, Filtermittel (Wasser, Luft), Deckwerke Steine und Erden Transportbeton Mörtel Kalksandstein Betonstein Zement Rohstoffzusatz Ziegel Stahlindustrie Schlackenbildner Form-, Kernsand Auskleidung Öfen Auskleidung Pfannen Gießereiindustrie Formgrundstoff Chemische Industrie Silikatstein Zusatzmittel Erdölindustrie Stützmittel Suspension Bentonit Verbrauchsgüter Glasindustrie Glas Keramische Steingut Feuerfeste Keramik Industrie massen Sonstige Verkehr Haftmittel Streusand Schiffbau Oberflächenbehandlung Strahlsand Müllverbrennung Wirbelschichtsande Wasseraufbereitung Entkarbonatisierung

24 2 1. Einführung Wichtigste Industrien sind neben der Bauindustrie als Hauptverbraucher die Eisen schaffende Industrie, Gießereien, Glas- und Keramikindustrie und die chemische Industrie. Die hohe Akzeptanz von Kies im Wirtschaftsleben drückt sich auch im aus dem jiddischen übernommenen Sprachgebrauch aus, wo Kies Synonym für Geld ist 3. Abb. 1-1 verdeutlicht, dass Kies und Sand sowie gebrochenes Festgestein weitaus den größten Anteil an der weltweiten Produktion von Rohstoffen haben, hinsichtlich der Wertschöpfung rangiert die Produktion der mineralischen Zuschlagstoffe gleich hinter den Energierohstoffen auf Platz 4 (Abb. 1-2) 4, 5. Abb. 1-1 Rangfolge der weltweiten Produktion verschiedener Rohstoffstoffe nach Lüttig (Basis Produktion 2002 in t *10³)

25 1.1. Bedeutung von Kies und Sand 3 Abb. 1-2 Rangfolge der weltweiten Wertschöpfung verschiedener Rohstoffstoffe nach Lüttig (Basis Produktion 2002 in *10³) Im Bereich der Altbundesländer wurden im Jahr 1973 rd. 480 Mio. t Sand und Kies abgebaut und aufbereitet. Heute beträgt die jährliche Produktionsmenge im wiedervereinigten Deutschland ca. 260 Mio. t (Abb. 1-3). Der durchschnittliche pro Kopf-Verbrauch an Kies und Sand ist von 8 t/a auf weniger als 4 t/a im Jahre 2005 gefallen. In bevölkerungsreichen Ballungsgebieten besteht ein höherer Bedarf. In den Bundesländern Niedersachsen und Nordrhein-Westfalen hat in den Jahrzehnten des vergangenen Jahrhunderts der jährliche pro Kopf-Verbrauch im statistischen Mittel beispielsweise 6-8 t betragen.

26 4 1. Einführung Abb. 1-3 Produktion von Sand und Kies in den Jahren 1985 bis 2005 in der Bundesrepublik Deutschland nach BKS 1.2 Erkundung Da der Nasstagebau und dessen Planung, die optimale Auswahl und Konfiguration von Gewinnungs- und Förderanlagen sowie die der Aufbereitungsanlage entscheidend von der geologischen Situation der abzubauenden Lagerstätte und deren Genese abhängt, wird im Kapitel 3 auf die lagerstättenkundlichen Grundlagen von Kiessandlagerstätten eingegangen, ein Überblick über die Bildungsbedingungen von Lockergesteinslagerstätten, die Variationen im Aufbau und in der Zusammensetzung sowie das Auftreten und die Verteilung von Lockergesteinslagerstätten in Deutschland gegeben. Weiter wird auf die Arten der Erkundung und die Bedeutung der geotechnischen Parameter auf Gewinnung und Aufbereitung eingegangen. Insbesondere sind im Zuge der Erkundung zu untersuchen: die Aufgabenstellung für Nassgewinnung und Aufbereitung, die meteorologischen und hydrographischen Verhältnisse, die geologischen und geotechnischen Parameter, das Vorkommen von Hindernissen und Verunreinigungen. Die Erkundung der geologischen und geotechnischen Daten der zu gewinnenden Lagerstätte ist wie bei allen Fragenstellungen in Zusammenhang mit dem Baugrund auch in der Nassgewinnung sowie in der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe von allergrößter Bedeutung für den Erfolg der Abbauvorhabens. Es fällt immer wieder auf, wie viele später auftretende Probleme insbesondere in Hinblick auf Ausbeutemaximierung und Produktart durch ursprünglich unzureichende geologische Erkundung entstehen. Obwohl verständlicherweise beim Neuaufschluss einer Lagerstätte - erst recht in konjunkturell ungünstigen Zeiten - Kosten niedrig gehalten werden müs-

27 1.2. Erkundung 5 sen, können die zu diesem Zeitpunkt unter Umständen eingesparten Kosten später ein Vielfaches an Investitionen für nachträgliche Änderungen an Gewinnungsgerät oder Aufbereitungstechnik notwendig machen. Noch gravierender und von den Abbautreibenden meist hingenommen sind die hohen Gewinnungsverluste, im Wesentlichen hervorgerufen durch keine hinreichend genaue Kenntnis der Lagerstättenverhältnisse und dadurch bedingte Wahl eines weniger geeigneten Gewinnungsgerätes. Die Bedeutung angemessener Lagerstättenerkundung soll an einigen negativen Fallbeispielen verdeutlicht werden. Mangelhafte Erkundung Im Bereich eines Gletschertores einer mecklenburgischen Lagerstätte wurden Erkundungen mittels Rammkernsondierungen mit einem Durchmesser von 80 mm ausgeführt. Es erfolgte die Investition in einen Grundsaugbagger mit zu kleiner Druckrohrleitung von nur 250 mm Durchmesser, was sich als grundsätzlich falsch herausstellte. Der Grundsaugbagger saugte das feine Material ab und es bildete sich eine Blocklage als Sohlschicht aus (sog. stone plating). Die Sohlschicht war nach kurzer Zeit mit Steinen so angereichert, dass eine Gewinnung der darunter anstehenden Kiessande unmöglich wurde. Wäre die Erkundung mit ausreichend großem Bohrdurchmesser erfolgt, hätte man die tatsächlich anstehende Kornverteilung und damit die Steine und Blöcke erkannt und sicherlich keinen Grundsaugbagger eingesetzt. Auswahl des falschen Gewinnungsgerätes Aufgabe war die Sekundärgewinnung eines Kiessandvorkommens. Eingesetzt wurde ein Schneidradsaugbagger mit einer Leistung von 1,5 Mio. t/a, die jedoch nur im Vollschnitt im Zuge der Primärgewinnung zu erreichen ist. Tatsächlich wurden nur 0,35 Mio. t/a abgebaut. Die Herstellkosten stiegen damit von 0,80 /t auf 1,68 /t. Wäre die Restlagerstätte angemessen erkundet worden, hätte man die zu erwartende Produktion abschätzen können und sich sicher für ein kleineres Gerät, wenn nicht Vergabe der Restgewinnung im Fremdbetrieb (Lohnbaggerei), entschieden. Auswahl mangelhafter Voraufbereitung Aufgabe war die Gewinnung von marinen Kiesen mit Abtrennung der Sande der Fraktion 0/2 auf See. Bedingung war, nicht mehr als 10 Ma.-% an Sanden anzulanden. Für die Vorabsiebung wurden 2 stationäre Eindeckersiebe mit einer Siebfläche von je 6 m² gewählt. Die Gemischleistung der Baggerpumpe betrug ca m³/h, der Bodenanteil an Kiessand betrug ca. 20 Vol.-%, der Kornanteil der Fraktion 2/x betrug ca. 35 Ma.-%.

28 6 1. Einführung Neben Problemen bei gleichmäßiger Aufteilung des Förderstromes auf die beiden Siebe - das vordere Sieb hatte mehr grobes Material, das hintere mehr feines Material zu klassieren - war der Trennerfolg sehr schlecht. Je Ladung wurden statt der geforderten 10 Ma.-% Sandanteile zwischen 20 und 40 Ma.-% mitgeliefert. Die Wirtschaftlichkeit der Gewinnung war nicht mehr gegeben. Hätte man die Lagerstättenverhältnisse mit den anstehenden Kiesanteilen besser berücksichtigt, hätte man eine andere Siebgröße und Siebtechnik gewählt. Fehlerhafte Berechnung der Leistung Aufgabe einer Nassbaggerei war es, einen 25 m tiefen Graben für den Bau einer Kaje herzustellen. Der zu baggernde Boden war sehr fein. Der Anteil an der Korngröße 63 µm war lt. Leistungsbeschreibung 90 Ma.-%. Die Folge war, dass statt des angenommenen Laderaum-Füllungsgrades von 50 % des nominellen Volumens nur ca. 25 % erreicht wurden, mit der Konsequenz einer erheblichen Minderleistung und entsprechendem Bauverzug. Hätte man die Kornverteilung des Feinsandes und seiner Schluffund Tonanteile besser analysiert, hätte man die tatsächlich zu erwartende Leistung realistischer eingeschätzt. Nachfolgend sollen einige wesentliche Aspekte der Ausbildung terrestrischer und mariner Lagerstätten im Hinblick auf die Nassgewinnung erläutert und miteinander verglichen werden und damit die Erfordernis einer umfassenden Erkundung der Lagerstätte unterstreichen. Mächtigkeit Marine und terrestrische Nassgewinnung unterscheiden sich signifikant. Marine Seifen haben im Vergleich zu terrestrischen Lagerstätten i.d.r. keine große Mächtigkeit. Kiese am Oberrhein sind beispielsweise bis zu einer Mächtigkeit von 140 m nachgewiesen und werden derzeit auch bis 100 m abgebaut. Kiessande im deutschen Teil der Nord- und Ostsee dagegen stehen in nur geringer Mächtigkeit von wenigen Metern in Wassertiefen von < 40 m an. Transportentfernung Die Transportentfernungen zwischen mariner Lagerstätte und terrestrischer Aufbereitungsanlage sind oftmals sehr groß, z.b. in der Ostsee ca. 100 sm vom Adlergrund nach Rostock oder in der Nordsee ca. 130 sm von der Weißen Bank nach Hamburg oder 150 sm von der Mersey Mündung in England nach Amsterdam. Bei terrestrischen Lagerstätten beträgt die Transportentfernung zum Kieswerk meist nur wenige 100 m, in Ausnahmefällen allenfalls bis zu einigen Kilometern.

29 1.2. Erkundung 7 Abbaufläche Terrestrische Lagerstätten haben wegen der großen Mächtigkeit der Vorräte i.d.r. kleinere Abbauflächen von ca ha, marine dagegen von bis ha und mehr. Die geringe flächenhafte Ausdehnung terrestrischer Lagerstätten ist durch konkurrierende Nutzungen auf sehr beschränktem Siedlungsraum begründet. Die große Ausdehnung mariner Gewinnungsflächen ist durch die Genese einerseits und andererseits durch das Verbot bedingt, aus ökologischen Gründen tiefe, später vollschlickende Abbaulöcher herzustellen. Gewinnungsverfahren In terrestrischen mächtigen Lagerstätten wie an der Oberelbe, am Oberrhein oder im Genfer See erfolgt die Nassgewinnung am häufigsten mittels stationärer Schwimmgreifer (Grab Dredger, GD), seltener im Drucklufthebeverfahren, in zunehmendem Maße jedoch auch im Grundsaugverfahren. Nach dem Lösen aus dem Verband und Heben des Bodens an die Wasseroberfläche erfolgt i.d.r. eine Entwässerung an Bord des Gewinnungsgerätes, bei Anwendung des Grundsaugbaggerverfahrens erfolgt die Entwässerung am Ende des hydraulischen Transports vor Übergabe auf ein Förderband oder Beschickung der Vorhalde bzw. Aufbereitungsanlage mittels Entwässerungssieb oder Schöpfrad. Nassgewinnung mariner Kiessande dagegen erfolgt i.d.r. mittels selbstfahrender Laderaumsaugbagger (Trailing Hopper Suction Dredger, THSD), wobei minderwertigere Sande bereits auf See klassiert und an die Gewinnungsstelle zurückverbracht werden. Die derzeit gebräuchlichen Laderaumsaugbagger bewegen eine Ladung bis zu t je Baggerzyklus, davon > ca % Kies und Steine der Fraktion 2/120. Das Baggergut wird am Löschplatz mittels Austragsband quasi trocken angelandet (Abb. 1-4). Der umgekehrte Fall, den Kies abzutrennen und den Sand, i.d.r. dann mit hervorragenden Qualitäten hinsichtlich Kornverteilung, Kornform, Schluffgehalt sowie Verunreinigungen, zu gewinnen, wird hin und wieder ebenfalls ausgeführt. I.d.R. jedoch liegt der Schwerpunkt des Interesses in der Gewinnung des Körnungsanteils. Gerätearten Die vielfältigen unterschiedlichen Bedingungen der Lagerstätten und sich daraus ergebenden Anforderungen an das jeweilige Gerät bzw. Abbausystem hat eine sehr große Vielzahl von Gerätetypen und -größen zur Folge, die immer wieder Besonderheiten z.b. bei der Ausbildung des Lösewerkzeuges, der Entwässerung, der Fördertechnik oder der Übergabe an die Aufbereitung bedeuten. Dies wiederum hat zur Folge, dass ein einmal gebauter Nassbagger immer nur für ein einziges, das erste Vorhaben in technischer und betriebs-

30 8 1. Einführung wirtschaftlicher Hinsicht maximal geeignet ist. Dieser Aspekt hat vor allem in der wasserbaulichen Nassbaggerei erhebliche Bedeutung, wo man mit ständig wechselnden Einsätzen relativ kurzer Dauer und damit mit sich ständig ändernden Gegebenheiten zu rechnen hat. Dem gemäß muss jeder Einsatzfall genau analysiert werden. Die Verhältnisse des vorausgegangenen Einsatzes können nicht ohne weiteres übertragen werden. Abb. 1-4 Laderaumsaugbagger Charlemagne beim Löschen der Kiesladung in Hamburg 6 Bergmännische Nassgewinnung dagegen stellt i.d.r. auf langfristigen Einsatz oftmals mehrerer Jahrzehnte an einer Lokation ab, so dass der jeweilige Nassbagger entsprechend den lokalen Gegebenheiten des Einsatzortes optimal konfiguriert werden kann.