Chuquicamata: Überwachung eines der größten Untertagebergwerke der Welt

Herausforderung

Blockeinbrüche bergen mehrere potenzielle geotechnische Gefahren. So ändern sich beispielsweise die Belastungen an Ort und Stelle ständig und damit auch die Anforderungen an die lokalen Stütz- und Bewehrungssysteme. Hinzu kommen Überbeanspruchungen, Bodenverformungen durch den Aushub, Felssprengungen und andere Ereignisse, die die Sicherheit des Bergwerks beeinträchtigen können. Daher ist es wichtig, geotechnische Messgeräte einzusetzen, um die verschiedenen Sicherheitsvariablen eines Gebirges, das Verhalten der Stütz- und Bewehrungssysteme und andere wichtige Elemente zu überwachen.

Eine weitere große Herausforderung ist der fehlende Zugang zu elektrischem Strom, da herkömmliche Datenlogger eine konstante Stromversorgung von einer externen Quelle benötigen. Darüber hinaus ist es ein Problem, die Daten aus dem Bergwerk herauszuholen, da man auf Kabel angewiesen ist, die leicht versehentlich durchtrennt werden können, und es keinen Zugang zu Kommunikationsknotenpunkten gibt, die die Daten außerhalb des Bergwerks liefern können.

Dies waren einige der Herausforderungen, mit denen Chuquicamata konfrontiert war, als es den Untertagebau aufnahm. Codelco betraute seinen Partner für geotechnische und strukturelle Überwachung, Geosinergia, mit dieser Aufgabe. Codelco verlangte ein Überwachungssystem, das eine bessere Abdeckung als herkömmliche Lösungen bietet und dem neuesten Stand der modernen Bergbautechnik entspricht. Ziel war es, ein System einzusetzen, das die Weite des Chuquicamata-Gebietes abdeckt und den Betrieb sicher, effizient und ohne Unterbrechung gewährleistet.

Unterirdische Überwachung heute

Geosinergia ist stolz auf seinen soliden technischen Hintergrund mit 20 Jahren Erfahrung in den Bereichen Bergbau, Infrastruktur und Bauwesen. Igor Bravo, Chief Executive Officer (CEO) des Unternehmens und ausgebildeter Ingenieur, fasst einige der Herausforderungen bei der Überwachung eines Untertagebergwerks zusammen:

"Wenn man in den Untergrund geht, ist das eine andere Welt. Man muss mit speziellen Instrumenten wie In-situ-Spannungssystemen arbeiten, die viel komplexer sind und Dutzende von Sensoren haben. Jeder 'versteht' einen Tagebau. Aber ein unterirdisches Bergwerk? Nicht so sehr.

Bislang gab es nur wenige neue Entwicklungen im Bereich der unterirdischen Überwachung. Herkömmliche drahtgebundene Lösungen waren immer umständlich, teuer und unsicher. Sie erfordern die Verlegung von vielen Kilometern Kabel, um die Sensoren zu verbinden, ein Kabel, das sehr anfällig für den Transport von schweren Maschinen ist. Minenmerkmale wie Schächte, gekrümmte Tunnel oder Winzer erschweren den Einsatz dieser Systeme zusätzlich und machen sie anfälliger für Fehlfunktionen und erhöhen zudem die Kosten. Angesichts der Abgeschiedenheit und des schwierigen Zugangs zu bestimmten Teilen des Bergwerks (einige der Sensoren sind in Bereichen installiert, in denen keine menschliche Anwesenheit zu erwarten ist) sind Reparaturen und regelmäßige Wartung oft keine realistischen Optionen.

Dies sind einige der Gründe, warum in der Vergangenheit viele Bergwerksbetreiber auf Kabel verzichtet und auf die manuelle Datenerfassung zurückgegriffen haben. Diese sind jedoch ebenfalls unzuverlässig und liefern Daten, die uneinheitlich sind und - was besonders kritisch ist - große Lücken zwischen den Messwerten aufweisen. Bodenbewegungen können sich innerhalb von Sekunden vollziehen und Leben und Ausrüstung gefährden, weshalb die ständige Verfügbarkeit von Daten für eine schnelle Entscheidungsfindung entscheidend ist.

Lösung

Allerdings birgt der Blockeinbruch mehrere potenzielle geotechnische Gefahren. So ändern sich beispielsweise die Belastungen an Ort und Stelle ständig und damit auch die Anforderungen an die lokalen Stütz- und Bewehrungssysteme. Hinzu kommen Überbeanspruchungen, Bodenverformungen durch den Aushub, Felssprengungen und andere Ereignisse, die die Sicherheit des Bergwerks beeinträchtigen können. Daher ist es wichtig, geotechnische Messgeräte einzusetzen, um die verschiedenen Sicherheitsvariablen eines Gebirges, das Verhalten der Stütz- und Bewehrungssysteme und andere wichtige Elemente zu überwachen.

Eine weitere große Herausforderung ist der fehlende Zugang zu elektrischem Strom, da herkömmliche Datenlogger eine konstante Stromversorgung von einer externen Quelle benötigen. Darüber hinaus ist es ein Problem, die Daten aus dem Bergwerk herauszuholen, da man auf Kabel angewiesen ist, die leicht versehentlich durchtrennt werden können, und es keinen Zugang zu Kommunikationsknotenpunkten gibt, die die Daten außerhalb des Bergwerks liefern können.

Dies waren einige der Herausforderungen, mit denen Chuquicamata konfrontiert war, als es den Untertagebau aufnahm. Codelco betraute seinen Partner für geotechnische und strukturelle Überwachung, Geosinergia, mit dieser Aufgabe. Codelco verlangte ein Überwachungssystem, das eine bessere Abdeckung als herkömmliche Lösungen bietet und dem neuesten Stand der modernen Bergbautechnik entspricht. Ziel war es, ein System einzusetzen, das die Weite des Chuquicamata-Gebietes abdeckt und den Betrieb sicher, effizient und ohne Unterbrechung gewährleistet.

Vorteile

Robustheit und Verlässlichkeit

Rodrigo Vicencio, Chief Operating Officer (COO) von Geosinergia, weist darauf hin, dass die Zuverlässigkeit von Überwachungssystemen schon lange ein Problem ist:

"Es war üblich, mehrere Sensoren zu installieren und sie mit Datenloggern verschiedener Marken überwachen zu lassen. Während der gesamten Projektlaufzeit fielen diese Geräte, aus welchen Gründen auch immer, aus, oder die Kommunikation wurde unterbrochen. Was Worldsensing uns gebracht hat, ist Zuverlässigkeit, das Vertrauen, dass die Systeme online bleiben."

Die Geräte von Worldsensing können aufgrund ihrer einfachen Installation, der Verwendung von Qualitätskomponenten und ihrer robusten Bauweise (mit einem Betriebsbereich von -40ºC bis +80ºC), der internen Batterien, die bis zu 10 Jahre halten können, und der stromsparenden LoRA-Technologie jahrelang betrieben werden, ohne dass eine Wartung erforderlich ist. Dies führt zu einem System, das ein Minimum an menschlichem Eingreifen erfordert. Als Beispiel erinnert Vicencio an eine der ersten Installationen der Fernüberwachung im Jahr 2016:

"Eines der [Worldsensing]-Gateways, das wir zum ersten Mal installiert haben, wird seit Jahren überwacht, ohne dass irgendetwas daran gemacht wurde. Seit der Installation musste ich dieses Gateway nicht mehr überprüfen. Diese Art von Zuverlässigkeit ist einer der größten Vorteile dieses Systems."

Und Bravo fügt hinzu:

"Sie machen die Geräte unabhängig von der Stromversorgung und entfernen auch die Kabel. Alles in allem entfernt man die Schwachstellen aus dem System. So kommen wir von Systemen, in denen 100 Geräte installiert waren, die immer wieder ausfielen und von denen man mit der Zeit feststellte, dass nur 15 oder 18 funktionierten, zu Systemen mit Tausenden von Geräten, die zu 100 % in Betrieb bleiben."

Ein neues Sicherheitsparadigma

Die einfache Installation, die Zuverlässigkeit und das Fehlen von Kabeln senken die Kosten und ermöglichen die Einrichtung und Unterstützung größerer Überwachungsnetze. Dies erhöht die Sicherheit von großen unterirdischen Anlagen wie Chuquicamata. Die Betreiber können nun alle Teile des Bergwerks überwachen und sich ein klares Bild von den Bedingungen am gesamten Standort machen.

Dies wiederum unterstützt die branchenweite Verlagerung hin zu mehr präventiver Überwachung. Bei der Sicherheit im Bergbau geht es nicht mehr nur darum, Menschen und Ausrüstung aus einem gefährlichen Bereich zu holen, bevor ein Unfall passiert, oder den Schaden zu minimieren, wenn ein Unfall passiert - es geht darum, Unfälle überhaupt nicht passieren zu lassen. Bravo bringt es auf den Punkt:

"Heutzutage ist das Sicherheitskonzept ein anderes. Wir wollen voraussehen, wann sich ein großer Fehler bildet, und nicht warten, bis das Radar ihn sieht. Dann können wir diesen Prozess mit anderen Mitteln stoppen. Das ist es, was von uns verlangt wird."

Ein Einsturz kann den Verlust von Ausrüstungen im Wert von zig Millionen Dollar bedeuten und den Betrieb für eine beträchtliche Zeitspanne zum Erliegen bringen. Und dabei sind die menschlichen Kosten noch gar nicht berücksichtigt. Ein ständiger Strom zuverlässiger Daten ermöglicht es dem Betreiber, Maßnahmen zur Risikominderung zu ergreifen - zum Beispiel die Verstärkung einer überlasteten Felsstruktur -, sobald das System in einem bestimmten Bereich einen Alarm auslöst. Es kann auch dazu beitragen, die Wirksamkeit dieser Maßnahmen nahezu in Echtzeit zu überprüfen, so dass der Betreiber sicher sein kann, dass ein Gebiet vollständig gesichert ist, bevor er den Abbau wieder aufnimmt. Dies wiederum trägt dazu bei, die Produktivität eines unterirdischen Bergwerks zu maximieren, indem die Gefahr von Unterbrechungen aufgrund von Unfällen verringert wird. Außerdem können so neue Lagerstätten erschlossen werden, die andernfalls als zu riskant eingestuft worden wären.

Blick in die Zukunft

Einer der Vorteile des Untertagebaus besteht darin, dass er die Lebensdauer von Tagebauen verlängern kann, ohne die Kosten massiv zu erhöhen. Geosinergia ist daher der Ansicht, dass bewährte und erprobte Überwachungslösungen, die auf die Bedürfnisse des Untertagebergbaus zugeschnitten sind, in den kommenden Jahren zu einem bedeutenden Vorteil werden, da viele Tagebaue ihre besser zugänglichen Lagerstätten in der Nähe der Oberfläche erschöpfen werden.

Aufgrund ihrer Größe und Komplexität ist die chilenische Bergbauindustrie seit langem einer der Benchmarks für die Einführung und Erprobung neuer Technologien. Das neue Überwachungssystem von El Chuquicamata wird die Vorteile einer IoT-Fernüberwachungslösung als Teil des Sicherheitspakets eines Untertagebergwerks demonstrieren. Alex Rojas, der Generaldirektor von Geosinergia, sieht das so:

"Chuquicamata ist das größte Bergwerk der Welt. Die Herausforderung besteht darin, alle geotechnischen Überwachungssysteme in den verschiedenen unterirdischen Abbaubetrieben von Chuquicamata vollständig zu automatisieren. Damit werden wir einen Paradigmenwechsel herbeiführen."

Noch weiter in die Zukunft blickend, glaubt Geosinergia, dass die neuen, jüngeren Generationen von Bergbau-Managern versuchen werden, die Vorteile neuer datengesteuerter Technologien zu nutzen. Ein Beispiel dafür sind dynamische Datenlogger, die lokal Berechnungen durchführen können und nur relevante und umsetzbare Daten an die Minenbetreiber senden. Die Installation von Chuquicamata ist somit der erste Schritt auf dem Weg zu robusteren und intelligenteren Überwachungssystemen.