1 Einleitung

Zukünftige Herausforderungen im Bergbau im Hinblick auf Nachhaltigkeit und ökologischen Aspekten erfordern zusätzliche Anstrengungen im Bereich von Forschung und Entwicklung. Mit Hilfe von vollständig automatisierten Maschinen und/oder autonomen Robotern sollen neue Lagerstätten erschlossen oder stillgelegte Bergwerke wieder geöffnet und wirtschaftlich betrieben werden können. Roboter bieten sich für folgende Einsatzgebiete an: Wartung von Maschinen, Erkundung (z. B. von stillgelegten Bergwerken und gefluteten Minen) sowie Vortrieb und Abbau (insbesondere in schwer zugänglichen Bereichen). Die Zukunftsszenarien erfordern neue Ansätze und die Anpassung bestehender Technologien. Veraltete Ansichten müssen unter Umständen ausgeblendet werden, um Raum für neues Denken zu schaffen und innovative Lösungen zu entwickeln, die dazu beitragen, den Bergbau der Zukunft nachhaltiger und wirtschaftlicher zu gestalten. Das Design und die eingesetzten Technologien von Bergbau-Robotern können sich grundlegend von den konventionellen Maschinen unterscheiden, da diese auf die neuen Herausforderungen durch größere Flexibilität und Mobilität angepasst werden müssen. Insbesondere müssen die aktuellen Abbautechnologien mit neuen Standards bewertet werden, um die kommenden Kriterien zu erfüllen [1, 2].

Zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsprojekte beschäftigen sich mit der Entwicklung von Robotern für Aufgaben in Umgebungen untertage. Diese Klasse von Robotern ist im Vergleich von Vortriebs- und Abbaumaschinen am anderen Ende der Größenskala. Die vergleichsweise geringe Masse und die geringe verfügbare Leistung sind die limitierenden Faktoren und erfordern daher – neben Anpassungen von kommerziellen Standardprodukten (COTS) – neue Ansätze. Die Interaktion zwischen einem Abbauwerkzeug und dem Gestein erzeugt Kräfte, welche die Maschine aufnehmen bzw. abstützen muss. Das Ausmaß dieser Reaktionskräfte ist je nach Abbaumethode und Gesteinsfestigkeit unterschiedlich.

Abbaumethoden lassen sich in Bohren und Sprengen, mechanische, alternative und kombinierte Abbaumethoden unterteilen, wobei die beiden erstgenannten im modernen Bergbau am häufigsten angewendet werden. Um einen effizienten und wirtschaftlichen Einsatz zu gewährleisten, muss das Abbauwerkzeug eine Reihe von Anforderungen erfüllen, wie z. B. eine angemessene Vortriebs- und Abbauleistung, welche maßgeblich durch das abzubauende Gestein beeinflusst werden. Weiters zu beachten sind die Korngrößenverteilung des abgebauten Materials, Verschleißbeständigkeit, generelle Wartungsnotwendigkeiten der Werkzeuge und die Mobilität des Werkzeugs (aber auch der Maschine/des Roboters), die entscheidend für den Abzweigradius der Maschine/des Roboters sind [3, 4].

2 Limitierungen konventioneller Abbauverfahren

Die Leistungsfähigkeit konventioneller, mechanischer Abbaumethoden, wie beispielsweise Teil- oder Vollschnittmethoden, ist einerseits durch die Festigkeit und Abrasivität des abzubauenden Gesteins begrenzt, andererseits auch durch die Größe und Leistung der Maschine limitiert. Bohren und Sprengen stellen klassischerweise eine wirtschaftliche Vortriebs- und Abbaumethode dar, bringen aber ebenso einige nicht zu vernachlässigende Nachteile mit sich. Einige davon sind die Sicherheit während des Lagerungs‑, Transport- und Sprengprozesses, Entstehung von giftigen Dämpfen und Gasen sowie Vibrationen und Lärm, Übersprengung, Komplexität der Automatisierbarkeit, diskontinuierlicher Abbau und Schwierigkeiten hinsichtlich automatisiertem/autonomem Sprengen aufgrund der jeweiligen Rechtslage – um nur einige zu erwähnen. Aufgrund dieser Punkte gibt es einen großen Trend im Hinblick auf die Entwicklung vollständig automatisierter, kontinuierlicher Abbaumethoden. Als Schlüsseltechnologien haben sich mechanische Abbaumethoden (Teil- und Vollschnittmethoden) manifestiert. Diese Technologien können sowohl als Vortriebs- und Abbaumethoden eingesetzt werden, sind jedoch (im Speziellen Teilschnittmaschinen) durch die Gesteinsfestigkeit und Abrasivität enorm eingeschränkt. Vollschnittmaschinen mit Schneiddisken können weitaus höhere Gesteinsfestigkeiten bearbeiten, weisen jedoch weitaus geringere Flexibilität und Mobilität als Teilschnittmaschinen auf. Teilschnittmaschinen sind bis zu einem gewissen Grad fähig, enge Kurven und Abzweigungen herzustellen, Vollschnittmaschinen haben im Gegensatz sehr hohe Abzweigradien. Abb. 1 stellt die Flexibilität gegenüber der zu bearbeitbaren Gesteinsfestigkeit mechanischer Vortriebs- und Abbaumaschinen dar und zeigt eine „Lücke“ für neue, alternative Technologien auf [5, 6].

Abb. 1
figure 1

Flexibilität gegenüber Leistung mechanischer Vortriebs- und Abbaumaschinen [5]

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Die Anwendbarkeit von mechanischen Schneidtechnologien ist zu einem großen Teil von der Gesteinsfestigkeit abhängig. Je höher die Festigkeit eines Gesteins ist, desto höher sind die dafür erforderlichen Schneidkräfte. Diese Informationen sind ausschlaggebend für die grobe Auslegung des Schneidwerkzeuges. Wie in Abb. 1 ersichtlich, sind für Teilschnitttechnologien Festigkeiten bis hin zu 130 MPa wirtschaftlich. Hierbei werden Schneidköpfe, welche mit Rundschaftmeißeln bestückt sind, eingesetzt. Für die Abschätzung der erforderlichen Schneidkräfte gibt es in der Literatur mehrere Ansätze., welche die Schneidtiefe, den Anstellwinkel des Meißels und weitere Parameter berücksichtigen. Nach [7,8,9,10] kann die erforderliche Schneidkraft in Abhängigkeit der Druck- und Zugfestigkeit des Gesteins ermittelt werden. In Abb. 2 sind die Schneidkräfte für einen Meißel abhängig von der Druckfestigkeit (Uniaxial Compressive Strength – UCS) dargestellt.

Abb. 2
figure 2

Erforderliche Schneidkraft eines Rundschaftmeißels [7,8,9,10]

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Die Reaktionskräfte, welche während des Schneidprozesses entstehen, müssen von der Maschine/dem Roboter aufgenommen werden. Es ist sehr gut zu erkennen, dass bereits für einen Meißel bei moderater Gesteinsfestigkeit die Schneidkräfte im Bereich einiger hundert Newton sind. Beachtet man, dass sich während des Schneidens mehrere Meißel im Eingriff befinden, entstehen insgesamt äußerst hohe Reaktionskräfte.

Tunnelbohrmaschinen und sogenannte Hard Rock Miner nutzten Disken als Schneidwerkzeuge. Mithilfe dieser Schneiddisken können in der Regel höhere Gesteinsfestigkeiten (bis hin zu 300 MPa) bearbeitet werden. Rostami [11] entwickelte einen Ansatz, die erforderliche Schneidkraft von Disken zu berechnen, indem eine Relation zwischen der Spannungsverteilung in der Kontaktzone und der entstehenden Kraft an der Diske gefunden werden konnte. In Abb. 3 werden die Verläufe der Gesamtkraft sowie deren Anteile in Abhängigkeit der Druckfestigkeit (UCS) für eine Schneiddiske dargestellt.

Abb. 3
figure 3

Erforderliche Kraft einer Schneiddiske [11]

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Der Tatsache, dass Tunnelbohrmaschinen und Hard Rock Miner in Hartgesteinszonen vordringen können, stehen im Vergleich zu Teilschnittmaschinen sehr hohe Kräfte – auch schon bei weichem Gestein – gegenüber.

Diese Ergebnisse zeigen eindeutig auf, dass es bei Einsatz dieser Technologien Maschinen bedarf, welche mit entsprechender Leistung und Masse und etwaigen Verankerungen oder Abstützungen den Reaktionskräften entgegenwirken können müssen.

3 Herausforderungen

Wie in Abschn. 2 beschrieben, ist die Wirtschaftlichkeit der mechanischen Abbaumethoden durch die Festigkeit und Abrasivität des zu lösenden Gesteins begrenzt. Wie bereits erwähnt, erfordert der Löseprozess bei mechanischen Abbaumethoden hohe Kräfte, welche wiederum auf die Maschine als Reaktionskräfte einwirken. Kleine Bergbaumaschinen (Bergbauroboter) haben eine begrenzte Leistung und eine vergleichsweise geringe Masse und können somit nur geringe Reaktionskräfte aufnehmen.

Während des Abbauprozesses entstehen durch die Interaktion zwischen Werkzeug und Gestein, welche geringer als die Traktionskräfte der Maschine sein müssen. Dieser Widerstand errechnet sich aus dem Produkt der Schwerkraft der Maschine und des Widerstands- oder Kraftschlussbeiwertes. Je nach Fahrwerk (Typ und Material) und Untergrundmaterial ergeben sich unterschiedliche Widerstandsbeiwerte [12].

Untertage werden typischerweise Gummiluftreifen oder Raupenketten als Fahrwerke von Vortriebs- und Abbaumaschinen eingesetzt. Im Rahmen des EU-Projektes H2020-ROBOMINERS wurden weitere Konzepte zur Fortbewegung von Robotern in harschen Umgebungen betrachtet. Erkenntnisse aus dieser Arbeit zeigten das große Potenzial von Schneckenrädern als Antriebsfahrwerke. In Abb. 4 sind die Traktionskräfte der drei oben genannten Varianten für eine Maschine/einen Roboter mit einer Gesamtmasse von 1500 kg gegenübergestellt. Diese Traktionskräfte wurden nach [13, 14] ermittelt und graphisch für unterschiedliche Untergrundmaterialien aufbereitet.

Abb. 4
figure 4

Traktionskräfte verschiedener Antriebskonzepte in Abhängigkeit des Untergrundmaterials [13, 14]

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Im Allgemeinen weisen Raupenfahrwerke die größten Traktionskräfte auf, Gummiluftreifen besitzen ausschließlich auf Asphalt größere Bodenhaftung und Schneckenräder zeigen in keinem Anwendungsfall einen direkten Vorteil gegenüber den beiden anderen Antriebsarten.

Jedoch können Schneckenräder vielseitiger eingesetzt werden und können somit die Flexibilität und Mobilität einer Maschine/eines Roboters erhöhen. Eine symmetrische Anordnung einer geradzahligen Anzahl an Schneckenrädern in Bezug auf den Grundkörper der Maschine/des Roboters erlaubt erstens einen richtungs- und lageunabhängigen Einsatz und zweitens können durch Beaufschlagung einer zusätzlichen Spannkraft mithilfe der Schneckenräder die Traktionskräfte signifikant erhöht werden (Abb. 5).

Abb. 5
figure 5

Traktionskräfte von Schneckenradsystemen mit und ohne zusätzlicher Spannkraft

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4 Auswahl alternativer Abbauverfahren

Um die Anwendbarkeit der in Frage kommenden Abbaumethoden zu beurteilen, müssen sie vorab klassifiziert und grob analysiert werden. Generell können Abbaumethoden unterteilt werden in: Bohren und Sprengen, mechanische, alternative und kombinierte Abbaumethoden (Abb. 6) [5, 6, 15, 16].

Abb. 6
figure 6

Übersicht Abbaumethoden

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In [6] wurden diese Technologien nach ausgewählten Kriterien untersucht, analysiert und bewertet. Viele dieser Methoden werden für die Gewinnung von Rohstoffen oder für den Tunnelbau eingesetzt, aber nicht alle sind in einem kleinen Maßstab wirtschaftlich. Zunächst werden die folgenden Merkmale bewertet, die für künftige Abbauwerkzeuge kleiner, mobiler Bergbauroboter zwingend erforderlich sind:

  • Die Fähigkeit, kontinuierlich Material abzubauen.

  • Die Fähigkeit, Tunnel für die eigene Fortbewegung der Maschine/des Roboters zu erstellen.

  • Einschränkungen (Druckfestigkeit und Abrasivität des abzubauenden Gesteins usw.)

Bohren und Sprengen ist aufgrund seiner allgemeinen Anwendbarkeit im Berg- und Tunnelbau und seiner hohen Produktionsrate (vor allem bei Hartgestein) eine der am häufigsten eingesetzten Vortriebs- und Abbautechnologien. Mechanische Abbausysteme sind im Vergleich zu Bohren und Sprengen mindestens ebenso populär und weisen einige Vorteile auf, wie z. B. einen sichereren Betrieb, eine bessere Fähigkeit zum selektiven Abbau und den kontinuierlichen Materialabbau. Alternative Abbausysteme umfassen neben dem mechanischen Abbau und Bohren und Sprengen auch nicht-konventionelle (alternative) Abbaumethoden. Haupteinsatzgebiete sind Präzisionsaufgaben, Vorschwächung des abzubauenden Gesteins (bei kombinierten Abbausystemen) und Aufgaben, bei denen die Umgebungsbedingungen konventionelle Verfahren nicht zulassen. Kombinierte Abbausysteme vereinen die Vorteile von mechanischen Abbausystemen und alternativen Abbaumethoden. Hilfswerkzeuge liefern einen zusätzlichen Energieeintrag, um das Gestein vorzuschwächen oder die Effizienz des mechanischen Abbausystems zu verstärken [5, 6, 16].

Die in der Praxis am häufigsten eingesetzten Abbaumethoden benötigen in mindestens einem Arbeitsschritt ein mechanisches Abbauwerkzeug. Aus diesem Grund ist es notwendig, diese Systeme genauer zu untersuchen. Die hohen Massen der mechanischen Werkzeuge im Verhältnis zur Masse der Maschine/des Roboters stellen eine zusätzliche Herausforderung dar. Daher werden, obwohl sie durch hohe spezifische Energien gekennzeichnet sind, auch alternative Abbautechnologien in Betracht gezogen, da die erforderlichen Kräfte des Abbauwerkzeugs zum Vordringen in das Gestein vergleichsweise gering sind.

In [6] wurde in Untersuchungen die Anwendbarkeit der Technologien anhand folgender Parameter bewertet:

  • Spezifische Energie

  • Förderrate

  • Vortriebskraft/Reaktionskraft

Leistung, Masse und die Fähigkeit, die Reaktionskräfte aufzunehmen, werden als die wichtigsten Parameter ermittelt, die die Entwicklung eines kleinen Abbauwerkzeugs beeinflussen. In diesem Fall werden die Leistung und die Masse des Roboters mit 40 kW und 1500 kg angenommen. Die Beschaffenheit und die Festigkeit des abzubauenden Gesteins bestimmen in hohem Maße die Effizienz des Abbauprozesses und setzen vor allem strenge Randbedingungen für jedes Abbausystem. In der Theorie wirken die erzielten Abschätzungen von spezifischen Energien und Produktionsraten vernünftig und lassen eine mögliche Machbarkeit einer bestimmten Technologie vermuten. Allerdings geben diese Ergebnisse keine Auskunft über die praktische Durchführbarkeit. In der Realität muss die Maschine/der Roboter die für das Eindringen in das Gestein erforderlichen Kräfte erzeugen – oder andersherum – mit den auf sie einwirkenden Reaktionskräften umgehen. In der Regel wird den Reaktionskräften durch die hohe Masse der Maschine und, je nach Anwendung und Konstruktion, durch zusätzliche Verankerungsmechanismen entgegengewirkt.

Wie in Abschn. 2 erörtert, übersteigen bereits die minimalen Schneidkräfte von Vollschnitttechnologien, welche bei dem Abbau von sehr weichem Gestein entstehen, die Kapazitäten des Roboters. Teilschnittmethoden können ausschließlich für weiches Gesteinsmaterial eingesetzt werden. Mit hydraulischen und hydrostatischen Abbauverfahren kann härteres Gestein bearbeitet werden, wobei alternative Methoden höhere spezifische Energien und geringere Produktionsraten aufweisen. Hochdruckwasserstrahlen senken zwar die erforderlichen Schneidkräfte der mechanischen Abbauverfahren, erfordern aber auch einen höheren Energieeinsatz. In dieser Größenordnung ist Bohren und Sprengen aufgrund der geringen Kräfte des Bohrprozesses und der hohen Effizienz des Sprengvortriebs die einzig verbleibende Option für die Gewinnung von hartem Gestein. Die technische Machbarkeit ist in diesem Schritt von untergeordneter Bedeutung und wird im Rahmen von prospektiven Aktivitäten abgedeckt.

Aufgrund der vergleichsweise geringen notwendigen Kräfte alternativer Abbaumethoden besitzen diese ein hohes Potenzial für den Einsatz in zukünftigen Bergbau-Robotern.

5 Konzepte und Simulationen

Bohren und Sprengen sowie hydraulische und hydrostatische Abbaumethoden verwenden jeweils im ersten Schritt des Abbauprozesses ein Bohrgerät zur Herstellung der Bohrlöcher. In der Praxis werden je nach Anwendungsfall unterschiedliche Typen von Bohrgeräten verwendet. Der große Vorteil von Bohrgeräten sind die vergleichsweise geringen Vorschubkräfte, welche für den Bohrprozess benötigt werden. Hydraulische und hydrostatische Abbauverfahren sind alternative Abbaumethoden, welche als Primärwerkzeug ein Bohrgerät verwenden und als sekundäres Abbauwerkzeug den hydraulischen Druck von Fluiden verwenden.

In diesem Abschnitt werden eine Konzeptidee dieses Abbauverfahrens sowie die dazugehörige Simulationsmethodik vorgestellt. Im ersten Schritt wurden Konzepte diverser Bohrgeräte für einen Roboter (40 kW Leistung und 1500 kg Eigengewicht) entwickelt, welche hydraulisch oder wasser-hydraulisch betrieben werden. In Abb. 7 sind folgende Konzepte ersichtlich: a) hydraulischer Außenhammer mit Kettenvorschub, b) wasser-hydraulischer Imloch-Bohrhammer mit Kettenvorschub, c) wasser-hydraulischer Rotationsbohrer mit Vorschubzylinder, d) wasser-hydraulischer Rotationsbohrer mit Vorschubzylinder und Materialauffangfilter.

Abb. 7
figure 7

Konzepte Bohrgeräte

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Im nächsten Schritt wird im Inneren der Bohrlöcher mittels eines Fluids ein Überdrück erzeugt und durch Initiierung und Fortschritt von Rissen das Gestein gelöst. Der Abbauprozess wird mithilfe der Diskrete-Elemente-Methode simuliert, um Rückschlüsse hinsichtlich der Anwendbarkeit und Effizienz der Methoden schließen zu können. Um das Gestein realitätsgetreu abzubilden, wurden im ersten Schritt die Materialparameter mittels Abgleich der Ergebnisse zweier Laborversuche kalibriert. Die Druckfestigkeit des Gesteins wird durch einen einachsigen Druckversuch (Uniaxial Compressive Strength Test – UCS Test) und die Zugfestigkeit wird durch einen indirekten Zugversuch (Brazilian Tensile Strength Test – BTS Test) ermittelt. Diese beiden Versuche wurden durch geeignete DEM Simulationen nachgebildet und die Materialparameter wurden kalibriert, um das Materialverhalten bis hin zum Versagen abzubilden. Ein Vergleich der Ergebnisse von Simulation und Prüfung der Druckfestigkeit mittels UCS Test ist in Abb. 8 ersichtlich.

Abb. 8
figure 8

Kalibrierung der Materialparameter

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Anschließend wurde eine Simulationsmethodik erstellt, womit die Auswirkungen von mit Druck beaufschlagten Bohrlöchern auf das umliegende Gestein und die Fähigkeit des Gesteinslösens untersucht wurden. Ziel dieser Simulationen ist es, Aussagen über kritische Bohrlochtiefen sowie -abstände zu treffen und Schwellwerte für hydraulische Drücke innerhalb der Bohrlöcher festzulegen. Im ersten Schritt konnten bereits Rissinitiierungs- und Rissfortschrittsphasen erfolgreich abgebildet werden. Weiters wurden mit bereits kalibrierten Materialen Simulationen mit unterschiedlichen hydraulischen Drücken durchgeführt, und es konnten Einflüsse des Drucks auf das Versagen des Gesteins entdeckt werden.

In Abb. 9 ist der Simulationsvorgang eines hydraulischen Abbauprozesses abgebildet.

Abb. 9
figure 9

Simulation eines hydrostatischen Abbauprozesses mittels DEM

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Diese, zu diesem Stand noch simplifizierten, Simulationen werden in Zukunft erweitert, um auch die dynamische Charakteristik dieses Vorgangs abzubilden und in weiterer Folge die Ergebnisse für die Konzeptentwicklung zukünftiger Abbautechnologien für kleine Bergbauroboter zu verwenden.