Sensorik im Bergbau: Nutzen, Herausforderung und Trends (Teil 1)

Durch den Bergbau über und unter Tage entstehen Strukturen, die geologischen Veränderungsprozessen unterliegen. Ihre Standsicherheit und Stabilität müssen überwacht werden. Dies gilt selbst für stillgelegte Betriebe, um Bergbaufolgeschäden mit teils unabsehbaren Gefahren und Kosten zu vermeiden.

Zur Beurteilung des Zustandes von Stollen, Schächten, Abraumhalden, Absetzteichen, Böschungen usw. werden Daten über Verformungen in Böden und Gesteinsschichten sowie Informationen zum Wasserhaushalt benötigt. Vor Ort positionierte Sensoren sammeln diese Daten. Die Auswertung der dezentral gewonnenen Informationen kann nur zentral auf einem Server erfolgen. Doch wie kommen sie dorthin?

Besser wäre eine kontinuierliche Überwachung. Trends wären rechtzeitig erkennbar und Schutzmaßnahmen könnten früher und gezielter eingeleitet werden. Stabile Bergbaustrukturen für einen sicheren und wirtschaftlichen Regelbetrieb und die Vermeidung von Bergbaufolgeschäden ließen sich so effizienter erreichen.

Die kontinuierliche Überwachung ist heute möglich. Lösungsansätze erfordern jedoch immer noch Komponenten verschiedenster Lieferanten, die nicht ohne Weiteres zusammenpassen. Es ergeben sich erhebliche Integrationsrisiken und Unsicherheiten im Kosten- und Zeitmanagement.

Häufig kommen Vibrating Wire Sensoren (VWS) zum Einsatz. Diese Schwingsaitenaufnehmer messen mechanische Kräfte, Spannungen, Verformungen und Temperaturen mit hoher Genauigkeit und Langzeitstabilität.

Das Einsammeln der Sensordaten übernehmen im Nahbereich „Datalogger“. Firmen wie rst instruments, WorldSensing and Geokon haben sich hier spezialisiert und bieten batteriebetriebene drahtgebundene oder drahtlose Produkte an. Abhänig von Messhäufigkeit und gewählter Batterietechnologie wird ein unterbrechungsfreier Betrieb von einigen Wochen bis zu mehreren Jahren erreicht. Die Daten werden per Funk zu einem Portal, dem „Gateway“ übertragen, das die Verbindung zum zentralen Server im Internet herstellt.

Bild 1: Sensor Data Acquisition (Courtesy WorldSensing S.L.)

Meist werden Netzwerke wie beispielhaft in Bild 1 dargestellt als Stern-Topologie um Datalogger und Gateway herum ausgeführt. Gateways bieten die notwendige überregionale Datenverbindung und sind von Connectivity-Spezialisten wie Campell Scientific, MaxStream (acquired by DigiKey) und Sierra Wireless verfügbar.

Für die Aufbereitung der Daten gibt es kein einheitliches Verfahren. Die endgültige Zusammenfassung und Auswertung erfolgt in der Regel in spezialisierten Analyse-Paketen (Analytics) und wird anwendungsspezifisch in sogenannten Dashboards präsentiert. Software für Bergbauanwendungen gibt es z.B. von Canary Systems oder Navstar. Bild 2 zeigt einen Ausschnitt des Ecosystems für Mine Monitoring.

Bild 2: Fragmented eco system for mine site monitoring.

Externe Dienstleister übernehmen als Systemintegratoren die Planung und Errichtung der Überwachungslösung. Bergwerksbetreiber sehen sich so mit erheblichen Einmalkosten (CAPEX) konfrontiert, die sich aus Kaufpreis für die Lösung und die Dienstleistung für deren Implementierung zusammensetzen. Das eingesetzte Kapital amortisiert sich in der Regel erst nach mehreren Jahren. Ggf. erforderliche Erweiterungen ziehen erneuten Kapitalaufwand nach sich.

Fassen wir zusammen: Kontinuierlich messende Sensorlösungen zur Gewährleistung von Sicherheit im Bergbau erfordern ein Ecosystem aus Sensorherstellern, Anbietern von Dataloggern und Gateways sowie Systemintegratoren für Planung und Errichtung. Das fragmentierte Angebot an Einzelkomponenten führt bei Planung, Aufbau, Inbetriebnahme und Wartung zu einem hohen Aufwand und birgt erhebliche Risiken in der Kosten- und Zeitplanung. Im Geschäftsmodell der Anbieter erwirbt der Bergbaubetrieb die Lösung käuflich. Neben den laufenden Betriebskosten hat er so zusätzlich die Einmalkosten für den Kauf vorab zu tragen.   

Hier liegt der Ansatzpunkt innovativer Marktteilnehmer, die seit ein paar Jahren auf den Markt drängen. Ihr Leistungsversprechen: Geringerer Finanzierungsaufwand durch nutzungsbasierte Geschäftsmodelle im Zusammenspiel mit Vereinfachungen bei Handhabung und Installation.

Wie genau das funktioniert, schauen wir uns in einem der nächsten Beiträge an.