Eisenerzbergbau: Prozess, Typen und Abbauverfahren

Eisenerz ist eine Art Mineral und Gestein, aus dem metallisches Eisen wirtschaftlich gewonnen wird. Dieses Erz ist normalerweise reich an Eisenoxiden und variiert in der Farbe von dunkelgrau, leuchtend gelb und tiefviolett bis rostrot. Das Eisen selbst wird meist in Form von Magnetit (Fe₃O₄), Hämatit (Fe₂O₃), Goethit (FeO(OH)), Limonit (FeO(OH)·n(H₂O)) oder Siderit (FeCO₃) gefunden.

Der Bergbauprozess

Der Bergbauprozess besteht aus der Entdeckung eines Eisenerzvorkommens über die Gewinnung von Eisenerz bis hin zur Rückführung des Landes in seinen natürlichen Zustand. Er besteht aus mehreren eindeutigen Schritten. Der erste ist die Entdeckung des Eisenerzvorkommens, die durch Prospektion oder Exploration durchgeführt wird, um den Umfang, die Lage und den Wert des Erzkörpers zu finden und zu definieren. Dies führt zu einer mathematischen Ressourcenschätzung der Größe und des Gehalts des Vorkommens. Exploration und Bewertung bestehen aus der Identifizierung und Quantifizierung von Erzkörpern durch Verwendung einer Reihe geologischer, geophysikalischer und metallurgischer Techniken. In seiner einfachsten Form beinhaltet Exploration das Bohren in abgelegenen Gebieten zur Probenahme. Die Daten aus Explorationsaktivitäten werden protokolliert, kartiert, analysiert und interpretiert, oft unter Verwendung von Modellen.

Nach der Bewertung des Erzkörpers wird ein detaillierter Plan für den Bergbau entwickelt. Dieser detaillierte Plan identifiziert, welche Erzkörper abgebaut werden sollen und in welcher Reihenfolge, um das erforderliche Eisenerzprodukt zu angemessenen Kosten zu liefern. Der Prozess der Minenplanung ist ein wichtiger Schritt vor Beginn der Minenentwicklung und wird auf täglicher Basis fortgesetzt, sobald die Mine operativ wird.

Um Zugang zum Eisenerzvorkommen in einem Gebiet zu erhalten, ist es oft notwendig, durch Abraummaterial (auch als Überdeckung bekannt), das nicht von Interesse ist, zu bergbauen oder es zu entfernen. Die Gesamtbewegung von Erz und Abraum constituye den Bergbauprozess. Oft wird während der Lebensdauer einer Mine mehr Abraum als Erz abgebaut, abhängig von der Art und Lage des Erzvorkommens. Entfernung und Platzierung von Überdeckung ist ein Hauptkostenfaktor im Bergbaubetrieb.

Bergbautechniken

Bergbautechniken bestehen üblicherweise aus zwei Typen basierend auf Ausgrabungsmethoden. Dies sind Tagebau und Untertagebergbau (Untergrundbergbau). Eisenerz wird fast ausschließlich durch Tagebau abgebaut. Die vorherrschenden Tagebaumethoden für den Abbau von Eisenerzen sind Tagebau- und Open-Cut-Methoden. Allerdings sind auch einige Untertage-Eisenerzminen weltweit in Betrieb. Die Entscheidung für Tagebau oder Untertagebergbau hängt von der Nähe des Erzkörpers zur Oberfläche ab. Tagebau und Open-Cut sind die kostengünstigsten Techniken für die Erzgewinnung. Überdeckungs- und Abraumverhältnisse sind wichtig bei der Bestimmung, ob ein Vorkommen abgebaut werden soll. Das Abraumverhältnis beschreibt die Einheit an Überdeckung, die für jede Einheit an Roherz entfernt werden muss. Ein typischer Tagebau-Eisenerzbergbau ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1 Ein typischer Tagebau-Eisenerzbergbau

Basierend auf Bergbaumethoden kann der Eisenerzbergbau grob in zwei Kategorien unterteilt werden: manueller Bergbau und mechanisierter Bergbau. Große Eisenerzminen sind mechanisierte Minen, während manuelle Bergbaumethoden in kleinen Minen eingesetzt werden.

Manueller Bergbau

Manueller Bergbau ist normalerweise auf Schweberez (Float Ores) beschränkt. Der Abbau von Reeferz (Reef Ore) wird auch manuell in kleinem Maßstab durchgeführt. Der Schweberez-Bereich wird manuell mit Pickeln, Brecheisen und Spaten ausgegraben, und das Material wird dann manuell gesiebt, um +10 mm Schweberez zu trennen, das dann aufgestapelt wird. Der Abraum wird zurück in die Gruben geworfen. Bezüglich der Reeferze werden Löcher von 0,6 m Tiefe und 30–40 mm Durchmesser mit handgeführten Presslufthämmern, betrieben mit tragbaren Kompressoren, gebohrt. Diese Löcher haben einen Abstand von ca. 0,6 m und jedes Loch wird mit 150–200 Gramm Sprengpulver oder Gelatinekartuschen geladen. Der gesprengte gebrochene Erz wird manuell gesiebt, gestapelt zum Verladen in Muldenkipper für den Abtransport.

Mechanisierter Bergbau

Die meisten großen Eisenerzminen sind mechanisierte Minen. In diesen wird der Abbau durchgeführt, um Eisenerz aus Tagebauvorkommen zu gewinnen. In diesen Minen sind alle Operationen mechanisiert und der Abbau erfolgt unvermeidlich durch systematische Bildung von Sohlen durch Bohren und Sprengen.

Bergbauprozess im Detail

Die Materialgewinnung erfolgt aus einem Tagebau im Boden. Überdeckung bestehend aus Oberflächenvegetation, Boden und Gesteinsmaterial wird entfernt (abgetragen), um vergrabene Erzvorkommen zu erreichen. Die Überdeckung wird während der Lebensdauer der Mine kontinuierlich entfernt, da die hohe Wand zurückgeschnitten wird, um die Vertiefung der Grube zu ermöglichen. Im Bergbauprozess werden Sohlen für Bohren, Sprengen und Abtransport des Erzes zur Brechanlage entwickelt. Die Höhe der Sohlen hängt von mehreren Faktoren ab, wie Ausbringungsanforderung, Form, Größe und Tiefe des Erzkörpers, geologische Störungen, die der Erzkörper erlitten hat, Härte und Kompaktheit des Erzkörpers, Art und Größe der für den Bergbaubetrieb eingesetzten Maschinen etc. Die Länge der Front hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie Konturen des Vorkommens, erforderlicher Ausbringung, Gehaltsvariation, Mischanforderungen und Kapazität der Verlademaschinen etc. Die Breite der Sohle wird weitgehend durch die Größe der größten eingesetzten Maschinen bestimmt.

Bohren in den Sohlen des Tagebaus wird für die Produktion von Eisenerz mit mechanisierten Bohranlagen durchgeführt, die spezifisch für jede Bergbaumethode sind. Das Hauptziel der Bohroperationen ist es, ein Loch mit geeignetem Durchmesser, Tiefe und Richtung im Gestein für Sprengstoffe zu schaffen. Das Bohren der Löcher erfolgt normalerweise in einem bestimmten Muster, das von der Sohlenhöhe, dem Lochdurchmesser, der eingesetzten Bohrmaschinerie, der Gesteinsart und den verwendeten Sprengstofftypen abhängt. Die Sprenglöcher sind meist vertikal, können aber für bessere Sprengergebnisse geneigt sein.

Das Ziel des Sprengens ist es, den Erzkörper für die Gewinnung freizulegen sowie das Erz aufzubrechen. Die Hauptanforderung an einen Sprengstoff für den Bergbau ist die Fähigkeit, vollständige Verbrennung ohne externe Sauerstoffzufuhr zu erreichen. Sprengstoffe, die in früheren Tagen beim Sprengen verwendet wurden, sind hauptsächlich Nitroglycerin, kohlenstoffhaltiges Material und ein Oxidationsmittel. Manchmal werden Emulsions- oder Gelsprengstoffkartuschen als Sprengmaterial verwendet. Heutzutage sind die häufigsten verwendeten Sprengstoffe Gemische aus Ammoniumnitrat und Kraftstofföl (ANFO). Die Sprengstoffe werden durch eine Hochexplosions-Sprengkappe und/oder einen Primer gezündet. Heutzutage wird Nonel als Zünder verwendet. Nonel ist ein Schockrohrzünder, der zur Initiierung von Explosionen konzipiert ist. Anstelle von elektrischen Drähten liefert ein hohler Kunststoffschlauch den Zündimpuls zum Zünder, was ihn immun gegen die meisten Gefahren durch streuende elektrische Ströme macht. Er besteht aus einem kleinen Durchmesser, dreischichtigem Kunststoffschlauch, der auf der innersten Wand mit einer reaktiven Sprengstoffverbindung beschichtet ist, die, wenn gezündet, ein Signal niedriger Energie verbreitet, ähnlich einer Staubexplosion. Die Reaktion breitet sich mit ca. 2000 m/s entlang der Schlauchlänge mit minimaler Störung außerhalb des Schlauchs aus. Das Design der Nonel-Zünder beinhaltet patentierte Technologie, einschließlich der Polsterplatte (CD) und der Verzögerungszündpuffer (DIB), um Zuverlässigkeit und Genauigkeit in allen Sprenganwendungen zu gewährleisten.

Bereiche für den Tagebau werden mittels des Bergbauplans ausgewählt. Identifizierte Bereiche werden dann markiert. Das Erz wird aus großen Tagebauen durch progressive Extraktion entlang von Stufen oder Sohlen abgebaut. Die Sohlen ermöglichen den Zugang zu progressiv tieferem Erz, da die obere Ebene entfernt wird. Nachdem Boden und Überdeckungsklare entfernt sind, wird das Erz gebohrt und gesprengt. Der zu entfernende Teil des Erzkörpers wird zuerst mit Bohranlagen in einem geeigneten Muster gebohrt. Die gebohrten Löcher werden dann mit Sprengstoffgemischen geladen, geladen und gesprengt. Der resultierende Sprengbruch zerkleinert das Material auf eine für das Ausgraben erforderliche Größe.

Nach dem Sprengen wird der gebrochene Erz durch Schaufelbagger, Hydraulikbagger oder Frontlader auf große Muldenkipper zum Transport zur Brech- und Waschanlage verladen. Der Transport wird durch Instandhaltung von Grubenfahrwegen erleichtert. Überlandförderbänder werden verwendet, um das Erzmaterial zu transportieren, wo lange Entfernungen zwischen den Gruben und Brechanlagen und zwischen den Brechanlagen und Verladeplätzen bestehen. Die weiten Löcher im Boden, die durch Bohren, Sprengen und Erzgewinnung entstehen, werden als „Tagebaue“ bezeichnet.

Brechen und Waschen von Erzen

In Brech- und Waschanlagen wird die Verarbeitung des Erzes durchgeführt. Die Verarbeitung des Erzes reicht von einfachem Brechen und Sieben und Trennen verschiedener Größenfraktionen des Erzes bis hin zu Prozessen, die die Qualität der Eisenerzprodukte aufbereiten oder aufwerten. Dies wird durch physikalische Prozesse durchgeführt, die Verunreinigungen durch Unterschiede in Partikeldichte oder Schwerkraft oder Größenabtrennung entfernen. Die Verarbeitung kann nass oder trocken sein. Weitere Erzzufuhr, Wasch- und Sieboperationen sind in den Brech- und Waschanlagen mechanisiert.

Das verarbeitete Erz wird bevorratet und gemischt, um Produktqualitätsanforderungen zu erfüllen, bevor es zurückgewonnen und entweder in Eisenbahnwaggons oder Muldenkipper für den Versand an die Kunden geladen wird.

Umweltaspekte

Abfallmaterialien, die als Ergebnis des Tagebaus entstehen, umfassen Überdeckung, Abraum und Grubenwasser mit Schwebstoffen und gelösten Materialien. Andere Abfallmaterialien können geringe Mengen an Öl und Fett umfassen, die während der Gewinnung verschüttet wurden. Grubenwasser enthält gelöste oder suspendierte Bestandteile, ähnlich denen, die im Erzkörper selbst gefunden werden. Dies können Spuren von Aluminium, Antimon, Arsen, Beryllium, Cadmium, Chrom, Kupfer, Mangan, Nickel, Selen, Silber, Schwefel, Titan und Zink etc. umfassen.