mini|Mundloch des Wasserlösungsstollens Magnet bei Schupbach
Grubenwasser (auch Schachtwasser) ist alles Wasser, das mit Tief- und Tagebauen in Kontakt steht oder stand und durch die Wasserhaltung zu Tage gefördert wird. Das beim Braunkohlentagebau anfallende Wasser wird Sümpfungswasser genannt. Je nach Herkunft oder Verwendung kann es der jeweiligen natürlichen Grundwasserqualität entsprechen oder mit Schadstoffen kontaminiert sein.
Entstehung In Grubenbaue eindringendes Wasser wird in Tagwasser bzw. Tagewasser und Grundwasser unterschieden. Als Tagewasser bezeichnet man das Wasser, das sich nicht in einer wasserundurchlässigen Schicht staut, sondern von der Oberfläche aus durch Tagesöffnungen, Klüfte oder Brüche in die Grubenbaue eindringt.
Ein Teil der Niederschläge sickert durch den Erdboden in tiefere Erdschichten und reichert sich oberhalb wasserundurchlässiger Schichten als Grundwasser an. Man unterscheidet zwischen oberflächennahem und tiefem Grundwasser. Aufgrund der Erdschichten wird in mehreren Gebieten das oberflächennahe vom tieferen Grundwasser durch Grundwassergeringleiter hydraulisch wirksam voneinander getrennt. Grubenwasser ist hauptsächlich Grundwasser, das sich im Poren- und Kluftraum der Gesteine befindet und von dort aus in die Grubenbaue einsickert. Grundwasser braucht relativ lange, um größere Teufen zu erreichen. Im Einzugsgebiet des Burgfeyer Stollens des Mechernicher Bleierzbergbaureviers wurden für das Alter des Grundwassers (mittlere Verweilzeiten) mindestens drei Jahre, teilweise aber auch mehr als 100 Jahre ermittelt. Im Ruhrbergbau kamen noch weitere Grundwässer hinzu. Diese stammen nicht aus der Versickerung des jeweiligen Grubenfeldes, sondern fließen aus nördlichen Gebieten über große Querströmungen hinzu. Außerdem steigen thermale Tiefenwässer auf und vermischen sich mit den anderen Grubenwässern.
Temperatur und Menge des Grubenwassers mini|Weißgraue mineralische Ablagerungen im Grubenwasserauslauf der Zeche Robert Müser in die Werner Teiche in Bochum
Die Temperatur und Menge des Tagewassers unterliegt jahreszeitlichen Schwankungen. Im Sommer ist es wärmer, im Winter ist es kälter als das Gestein. Da das Grundwasser in größeren Tiefen vorkommt, sind seine Menge und Temperatur über das ganze Jahr hindurch ziemlich gleichbleibend. Die Temperatur des Grubenwassers steigt mit zunehmender Teufe entsprechend der geothermischen Tiefenstufe. Grubenwasser in 1000 Metern Teufe hat eine durchschnittliche Temperatur von 30 °C und erreichte im tiefsten Uranbergwerk Deutschlands (Bei Niederschlema / Alberoda im Erzgebirge) Durchschnittstemperaturen von bis zu 41 °C.
Die Menge des Grubenwassers in einem Bergwerk hängt von verschiedenen Faktoren ab. Zunächst einmal spielt die Oberflächenbeschaffenheit des Geländes eine große Rolle. Bei gebirgigem Gelände fließt das Niederschlagswasser schnell ins Tal und kann nicht so schnell in die Grubenbaue eindringen. Anders ist das bei Bergwerken, deren tiefste Sohle unterhalb der Taloberfläche liegt. Auch die Witterungsverhältnisse haben einen Einfluss auf die Menge des Grubenwassers. In Regionen mit geringen Niederschlagsmengen tritt in der Regel weniger Grubenwasser auf als in Regionen mit großer Niederschlagsmenge. Die Durchlässigkeit der an der Erdoberfläche auftretenden Gebirgsschichten wirkt sich auf die Grubenwassermenge aus, ebenso wie der Aufbau der tieferen Gebirgsschichten auf die Verteilung des Grundwassers. Die Menge des Grubenwassers nimmt in der Regel in größeren Teufen zu. Wie viel Grubenwasser jeweils anfällt, ist von Bergwerk zu Bergwerk unterschiedlich. Bei den meisten Bergwerken liegt der Zulauf bei einem Kubikmeter pro Minute. Es gibt aber auch Bergwerke, bei denen der Zulauf an Grubenwasser bis zu 10 m3 pro Minute beträgt. Beim Steinkohlenbergbau beträgt die durchschnittlich zu hebende Wassermenge aus einer Tiefe von 700 Metern etwa 2 m3 pro verwertbarer Tonne Steinkohle.
Zusammensetzung, Schadstoffe mini|Durch Salzausfällungen aus Grubenwasser zugesetzte Rohrleitung auf Zeche Hannover
Das Grubenwasser ist oft eine Mischung verschiedener Wässer und besteht dadurch aus einem Gemisch von Süßwasser und Sole. Es weist, bedingt durch zahlreiche mineralische Stoffe im Erdinneren, meist einen eigenen Chemismus auf. Besonders dann, wenn die Oxidation von Pyrit, Schwefelkies, Kupferkies und ähnlichen Sulfiden zu saurem Grubenwasser führt (pH-Werte bis −3,6 sind bekannt), ist das Grubenwasser stark mineralisiert. Neben den gelösten Mineralien kann das Grubenwasser auch durch verfaulendes Grubenholz Schimmelpilze mit sich führen. Durch den Kontakt mit der Atmosphäre wird das Grubenwasser teilweise belüftet, was zu Reaktionen der im Wasser befindlichen Substanzen führen kann. Die zusätzlichen Bestandteile des Wassers sind je nach Bergwerk unterschiedlich:
Bei Steinkohlenbergwerken enthält das Grubenwasser neben 4–6 Prozent Kochsalz auch Anteile von Nickelsulfat, Eisenoxide und Mangan. Der Salzgehalt im Grubenwasser beträgt bei einigen Bergwerken bis zu 20 Prozent. Eisen fällt in sauerstoffreichem Wasser in Form von Eisen(III)-oxidhydraten („Eisenocker“) aus, welche einen charakteristischen rotbraunen Niederschlag bilden. Je nach Gebirgsschicht kann das Grubenwasser entweder sulfathaltig oder chloridhaltig sein. Werden diese Grubenwässer miteinander vermischt, kommt es zur Ausfällung von Bariumsulfat. Bei dieser Ausfällung wird das in den Wässern enthaltene Radium mitgefällt.
Das Grubenwasser aus Braunkohlengruben enthält oft Anteile von Kalzium, Eisenoxydul, Zink, Magnesium, Natrium, Ammonium und Mangan. Ähnliche Zusammensetzungen finden sich auch oft im Grubenwasser von Silberbergwerken und Bleibergwerken.
Das Grubenwasser von Uranbergwerken enthält unter bestimmten Bedingungen Spuren von Uran und Radium, das ist insbesondere bei gefluteten Grubenbauen der Fall.
Aber auch Schadstoffe, die durch den Produktionsprozess ins Grubenwasser gelangen, kommen darin vor. So setzte beispielsweise die RAG zwischen 1979 und 1984 PCB-haltiges Hydrauliköl in Bergwerken ein. Weniger als zehn Prozent davon wurden ordnungsgemäß entsorgt. In Emscher und Ruhr wurde PCB an Stellen gefunden, an denen die RAG ihre Grubenwässer einleitet.
Eindringen ins Grubengebäude mini|Abgesoffener Grubenbau im Philippstollen der Grube Eisenberg Beim Durchfahren von wasserführenden Schichten dringt das Wasser durch Klüfte ins Grubengebäude. Von einem Wassereinbruch spricht man, wenn ein Bergwerk unerwartet von Wasser überflutet wird. Wird der Betrieb aufgegeben, spricht man von einer abgesoffenen Grube. Damit diese Gruben erneut zum Abbau von Rohstoffen genutzt werden können, müssen sie zuvor gesümpft werden. Beim untertägigen Abbau von Bodenschätzen setzt sich das Deckgebirge. Die über dem Abbaufeld liegenden Deckschichten werden aufgelockert und es bilden sich Spalte und Klüfte, durch die Grundwasser in das Grubengebäude einsickern kann. Beim Abteufen von Schächten werden wasserführende Schichten durchstoßen. Wenn die Schachtauskleidung an diesen Stellen nicht sorgfältig wasserdicht ausgeführt ist, dringt Wasser in den Schacht ein. Bei älteren Schächten können Undichtigkeiten durch Schädigung der Schachtausmauerung infolge eines schachtnahen Abbaus auftreten. Eine weitere Quelle des Auftretens von Grubenwasser sind Wasserblasen, die beim Abbau angefahren werden. In alten stillgelegten Grubenbauen sammeln sich große Mengen Grubenwasser, das der Bergmann als Standwasser bezeichnet. Standwasser mit freiem Spiegel zur Atmosphäre bildet eine Säule mit nach unten hydrostatisch ansteigendem Druck. Rundum eingeschlossenes Wasser nimmt hingegen mit der Zeit den Druck des auflagernden Gebirges an. Die Mengen an Standwasser in alten geschlossenen Bergwerken sind sehr groß und betragen alleine im Ruhrgebiet weit über 100 Millionen Kubikmeter.
Probleme durch Grubenwasser Besonders problematisch war das Eindringen von Wasser beim Abteufen von Schächten. Immer wieder mussten Abteufarbeiten gestundet werden, da die Pumpenkapazitäten nicht ausreichten, um die erheblichen Wassermengen abzuführen. Eindringliches Beispiel ist das Abteufen des Schachtes Rheinpreußen 1, das sich über einen Zeitraum von 20 Jahren von 1857 bis 1877 hinzog. Die Abteufarbeiten mussten immer wieder eingestellt werden, da die damals technisch verfügbaren Pumpen die Wassermengen nicht abführen konnten. Erst das im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts entwickelte Gefrierschachtverfahren löste die Problematik des Eindringens von Wasser beim Schachtabteufen. Ein weiteres Problem von Grubenwasser ist Standwasser, das sich in großen Hohlräumen sammelt und beim Abbau angefahren werden kann. Durch dieses plötzliche Auftreten großer Wassermengen können ganze Sohlen überflutet werden, und es besteht eine erhebliche Gefahr für die Bergleute. Das Grubenunglück von Lassing im Jahr 1998 wurde durch solch einen Wassereinbruch verursacht.
Nutzung Die Nutzung des Grubenwassers hängt in der Regel davon ab, welche Zusatzstoffe das Wasser enthält. Verunreinigte Grubenwässer, insbesondere solche mit hohem Kochsalzgehalt, sind für viele betriebliche Prozesse unbrauchbar. Während das Grubenwasser früher vielfältig (Salzgewinnung, Rohstoffgewinnung durch Ausfällen, Brauchwasser) genutzt wurde, ist das heute kaum noch üblich. Beim Leibniz-Institut für Neue Materialien startete im November 2020 das auf zwei Jahre angesetzte Forschungsprojekt MERLIN (mining water lithium extraction), mit dem die Gewinnung von Lithium aus Grubenwasser von stillgelegten Steinkohlenbergwerken getestet werden soll.
Wärmenutzung Für die Nutzung der thermalen Energie ist das Grubenwasser von offengelassenen und gefluteten Bergwerken gut geeignet. Das Grubenwasser wird auf aufgrund des gelockerten Gebirges gut erwärmt und erreicht, je nach Teufe, Temperaturen zwischen 20 und 30 °C. Diese Wärme lässt sich gut für Heizzwecke nutzen. Allerdings sind aufgrund der nur mäßigen Temperaturen zur Wärmenutzung des Grubenwassers Wärmepumpenheizungen erforderlich. Die Nutzung der Wärmeenergie des Grubenwassers wurde bereits in mehreren Projekten z. B. in Ehrenfriedersdorf (Sachsen) und in Heerlen/NL erfolgreich getestet. In Heerlen dient das Grubenwasser dabei der Speisung eines kalten Nahwärmenetzes. Für die Nutzung müssen bestimmte genehmigungsrechtliche Aspekte berücksichtigt werden. Zur Gewinnung der Erdwärme gibt es im Wesentlichen zwei Verfahren: das Dubletten- und das Einzelsondensystem. Mit dem Dublettensystem kann eine größere Energiemenge kontinuierlich gewonnen werden, das Einzelsondensystem ist kostengünstiger.
Brauchwassernutzung Das in Braunkohlentagebauen anfallende Sümpfungswasser wird, je nach Verschmutzungsgrad, oft als Brauchwasser genutzt. Dafür wird es, falls erforderlich, geklärt und anschließend zu den Industriebetrieben gepumpt. Da sich Braunkohlenkraftwerke in der Regel in unmittelbarer Nachbarschaft der Tagebaue befinden, wird ein großer Teil des Wassers als Kühlwasser im Kraftwerksbetrieb eingesetzt. Allerdings darf der Sulfatgehalt des Wassers nicht über 300 Milligramm pro Liter liegen. Außerdem wird das Sümpfungswasser entweder direkt oder nach entsprechender Filterung auch als Trink- oder Brauchwasser für die Bergbaubetriebe genutzt. Ein erheblicher Teil des Wassers wird für wasserwirtschaftliche Ausgleichsmaßnahmen genutzt. Aber auch saure Grubenwässer lassen sich durch spezielle Wasseraufbereitungsverfahren zu gutem Brauchwasser aufbereiten. Dies ist insbesondere in wasserarmen Gegenden für den Bergbau von Nutzen.
Trinkwassernutzung