Tailingdämme: Abdichtungssysteme im Wandel der Zeit

Einleitung

Tailingsdämme sind Bergbauhalden, auf denen die Abbauprodukte der mineralgewinnenden Industrie abgelagert werden. Diese Rückstände bestehen aus Feinkornmaterial und werden meist hydraulisch aufgespült. Grundsätzlich können diese Aufbereitungsrückstände im Energiesektor (z.B. Aschen) oder in der mineralgewinnenden Industrie (Gold) anfallen.

Über Jahrzehnte vernachlässigt, hat sich die Einstellung der Industrie gegenüber Tailingsdämmen mittlerweile geändert, weg von der Bewertung als “Müllhalde“ am Ende der Wertschöpfungskette, die nur Kosten verursacht, hin zur Erkenntnis, dass Tailingsdämme ein wesentlicher und zugleich elementarer Bestandteil im Bergbau sind. Ohne Möglichkeit zur sicheren Ablagerung kann keine Produktion stattfinden. Gleichzeitig haben sich, etwa im Goldbergbau, die Prozesse dergestalt verbessert, dass die Dämme oft nochmals bearbeitet werden, um in früheren Prozessen nicht ausgelaugte Mineralien zu fördern (Remining). Die letzten katastrophalen Schadensfälle, etwa in Brasilien 2015 oder 2019, haben ebenfalls dazu beigetragen, diesen Bauwerken mehr Beachtung zu schenken.

Ungewohnt ist oft die Dimension der Dämme, weshalb nachfolgend einige Kennzahlen – typisch für den Goldbergbau in Südafrika – aufgeführt werden:

• Produktion: 100 000 tpm – 500 000 tpm (tons per month)
• Rate of Rise (RoR): 1-4 m/Jahr
• Oberfläche: 50-250 ha
• Höhe: 50-150 m
• Betriebsdauer: Jahrzehnte
• 200 aktive Dämme

Am Beispiel von Südafrika wird im nachfolgenden Beitrag erläutert, wie sich geänderte Umweltschutzrichtlinien auf die Planung und den Neubau von Dämmen (Basisabdichtung), aber auch auf die komplette Industrie auswirken. Dabei wird vor allem der Goldbergbau als Beispiel herangezogen.

Abdichtungssysteme im Wandel der Zeit

Der Goldbergbau in Südafrika hat eine über 130-jährige Tradition, vor allem im Großraum Johannesburg. Allerdings haben die Fördermengen aus verschiedenen Gründen in den letzten Jahrzehnten abgenommen. Gleichzeitig hat auch der mittlere Goldgehalt abgenommen. Dieser Trend ist in Abb. 2.1 graphisch dargestellt. Es ist offensichtlich, dass die dargestellte Kombination zu wirtschaftlichen Herausforderungen für die Minenbetreiber führt.

Abb. 2.1: Entwicklung der Goldproduktion und des mittleren Goldgehalts zwischen 1880 und 2016

Verschärft wird die oben dargestellte Situation noch durch die im Jahre 2010 eingeführten Regelwerke hinsichtlich der Basisabdichtung von Dämmen (National Environment Management: Waste Act, Notice R 636). Waren die gesetzlichen Anforderungen bis dahin eher als lax zu bezeichnen, sind die neuesten Regelwerke wegweisend. Grundsätzlich gab es bis 2010 keine verbindlichen Vorschriften hinsichtlich einer Basisabdichtung. Eine Basisabdichtung wurde in der Regel nur dann vorgesehen, wenn diese produktionstechnisch von Vorteil war, etwa zur Wassereinsparung in ariden Gegenden. Abb. 2.2 zeigt und erläutert schematisch die drei maßgeblichen Entwicklungsphasen, die sich im Goldbergbau seit etwa 1880 haben beobachten lassen.

Abb. 2.2: Maßgebliche Entwicklungsphasen der Basisabdichtung zwischen 1880 und 2016

Grundsätzlich muss mittlerweile eine Basisabdichtung bei der Neuplanung von Dämmen vorgesehen werden. Die vorgeschriebene Anforderung für Gold-Tailingsdämme ist in Abb. 2.3 schematisch dargestellt und erläutert.

Abb. 2.3: Maßgebliche Abdichtungskombination für die Neuplanung von Gold-Tailingsdämmen

Herausforderungen

Übersicht

Die neuen gesetzlichen Vorschriften sind derzeit in Südafrika mit mehreren Herausforderungen behaftet. Im Allgemeinen lassen sich diese in folgende Hauptgruppen unterteilen:

• Drainage
• Fachwissen
• Berücksichtigung betrieblicher Abläufe
• Diebstahl und Beschädigung

Die obigen Herausforderungen werden nachfolgend näher erläutert.

Drainage

Tailingsmaterial ist aufgrund der hydraulischen Ablagerungsprozesse in aller Regel hochgradig anisotrop, siehe Abb. 3.1. Dies führt vor allem bei der Bemessung von Drainagen zu Schwierigkeiten und im schlimmsten Fall, bei nicht ausreichender Bemessung, zu Standsicherheitsproblemen. Diese Situation wird noch dadurch verschärft, dass Bemessungen oftmals nach Bauchgefühl durchgeführt werden. Hier besteht offensichtlich Forschungsbedarf. Gleiches gilt für die Langzeitstabilität und Funktionalität von Geotextilien.

Abb. 3.1: Ablagerungsbedingte Anisotropie

Fachwissen

Die bereits in Abschnitt 3.2 beschriebenen Schwierigkeiten bei der Bemessung von Drainagen werden oftmals auch dadurch vergrößert, dass Bemessungen nach Baugefühl ausgeführt werden. Kompatibilität verschiedener Liner, Reibungswinkel zwischen den einzelnen Komponenten etc. werden oftmals nicht labortechnisch bestimmt, sondern, wenn überhaupt berücksichtigt, abgeschätzt.

Berücksichtigung betrieblicher Abläufe

Aufgrund der Eigenheit der Dämme, die sich im Prinzip unter dauernder Konstruktion befinden, müssen Basisabdichtungen entweder a priori fertiggestellt oder permanent ergänzt werden. Beide Herangehensweisen haben einen Einfluss auf die Integrität der Abdichtung. Werden Abdichtungen im laufenden Betrieb ergänzt, kann sich dies über Jahre hinwegziehen. Dies setzt eine kontinuierliche Versorgung mit Materialen gleichbleibender Qualität voraus. Wird eine komplette Basisabdichtung a priori hergestellt, ist der Liner den Witterungsverhältnissen oftmals über Jahre schutzlos ausgesetzt. Vor allem eine Erosion der Filtermaterialien/Schutzschicht kann hier beobachtet werden.

Diebstahl und Beschädigung

Es lässt sich in der Praxis immer wieder beobachten, dass Geokunststoffe i.a. ganz oder teilweise gestohlen werden (Zweckentfremdung als Dacheindeckung). Gleichzeitig werden Schäden des Liners seitens des Betreibers des Dammes häufig nicht gemeldet, sondern vielmehr verschwiegen. Beides erhöht selbstredend die Leckageraten und ist sicherlich nicht im Sinne der Gesetzgebung.

Zusammenfassung

Die gesetzlichen Anforderungen, Tailingsdämme grundsätzlich nur noch mit Basisabdichtung herzustellen, sind sicherlich ein Schritt in die richtige Richtung, vor allem wenn man an Themen wie Säureauslaugung (Acid Mine Drainage) im Goldbergbau denkt. Kurzfristig kann diese Entwicklung aber zu Kapazitätsengpässen führen, da der Bau neuer Dämme aus Kostengründen oft aufgeschoben wird und dafür die Lebensdauer älterer, unter Bestandsschutz stehender Dämme verlängert wird. Dieses Vorgehen entspricht damit zunächst einmal nicht der Zielsetzung der aktuellen Gesetzgebung.

Weiterhin ist anzumerken, dass hinsichtlich der Basisabdichtung von Tailingsdämmen noch erheblicher Forschungsbedarf besteht. Tailingsdämme sind, im Gegensatz zu klassischen Deponien, erheblich größere und höhere Bauwerke. Damit ergeben sich Fragestellungen, die sich derzeit nur begrenzt beantworten lassen (Zusetzen der Filtermaterialien verursacht durch chemische Prozessrückstände, Auswirkung der hohen Überlagerungsspannungen etc.).

Es ist zu erwarten, dass sich die von Südafrika eingeführte Gesetzgebung in ähnlicher Form in Kürze auch in weiteren afrikanischen Ländern durchsetzen wird. Trotz aller Herausforderungen können diese Entwicklungen daher als Chance betrachtet werden, den Wissenstand bezüglich der Anwendungsgrenzen von Geokunststoffen und damit den Anwendungsbereich selbst zu vergrößern.