13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 143 Schlitzwandtechnik mal anders genutzt - Herstellung von Schlitzen bis in 251 m Tiefe im Rahmen eines Erkundungs- und Proben-Sammlungsprogramms Dipl. Ing. Franz-Werner Gerressen BAUER Maschinen GmbH, Schrobenhausen, Deutschland Dipl. Ing. Stefan Schwank BAUER Maschinen GmbH, Schrobenhausen, Deutschland M. Sc. Alexander Blatt BAUER Maschinen GmbH, Schrobenhausen, Deutschland Zusammenfassung Üblicherweise werden mittels der Schlitzwandtechnik unterirdische Strukturen geschaffen die z.B. als Verbauwände, oder Gründungselemente genutzt werden. eine weitere bekannte Anwendung ist die Nutzung von Dichtwänden als Grundwasserbarriere. Im beschriebenen Explorationsprojekt wurde die Schlitzwandtechnik im Sommer 2019 genutzt, um die erste Phase einer Erkundungsprojektes durchzuführen, welches der Entwicklung einer potentiellen Mine im Star Kimberlit zugrunde gelegt wird. Neben der neuartigen Idee, die Gerätschaften für eine Probeentnahme zu nutzen, waren Anpassungen am Gerät und Werkzeug notwendig um eine bisher im kommerziellen Sinne weltweit unerreichte Tiefe zu ermöglichen. Der Artikel beschreibt die Entwicklung dieses Erkundungsprogramms, sowie die Herausforderungen und speziellen Anforderungen der lokalen Geologie und des Explorationsprogramms. Weiterhin gibt es einen Überblick über die 2019 neu gewonnenen Erkenntnisse und einen Ausblick über Ansätze zur Optimierung im Hinblick auf eine zweite, noch anstehende Phase der Erkundung. 1. Einführung Die Entwicklung einer potentiellen Mine ist mit vielen Herausforderungen während der technischen und kommerziellen Planungsphase verbunden. Deswegen ist ein detailliertes und zuverlässiges Erkundungsprogramm unvermeidlich. Im Jahr 2019 wurde eine solches Erkundungs- und Beprobungsprogramm in Sasketchewan, Kanada durchgeführt. Die hohen Anforderungen an Tiefenkapazität, Sicherheitsstandards sowie die Gewährleistung der Vollständigkeit und Qualität der Proben erforderten eine neue Technologie, um diese zu erfüllen. Nachdem 2017 ein Eignungstest durchgeführt wurde, startete im Juni 2019 das Programm mit der Kommissionierung vor Ort und dauerte bis Oktober 2019. Ziel der Arbeiten war das Sammeln von Kimberlit Proben hoher Qualität, in welchen Diamanten eingebettet waren. Die sogenannte Kimberlit Zone begann bei einer Tiefe von ca. 105 m. Überlagert wurde diese Zone von dem sogenannten Overburden, welcher aus lockeren Sanden bis zu anhaftenden und harten Tonschichten mit eingelagerten Steinen und Felsbrocken bestand (vgl. Abbildung 1). Das Kimberlit Mineral mit potentiellen Diamantengehalt wurde gesammelt und für weitere Prozesse eingelagert. eingelagerten Steinen und Felsbrocken bestand (vgl. Abbildung 1). Das Kimberlit Mineral mit potentiellen Diamantengehalt wurde gesammelt und für weitere Prozesse eingelagert. 144 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Schlitzwandtechnik mal anders genutzt - Herstellung von Schlitzen bis in 251 m Tiefe im Rahmen eines Erkundungs- und Proben-Sammlungsprogramms Abbildung 1: Geologie 2. Arbeitsablauf Da die Anwendung von der konventionellen Nutzung der Gerätschaften abweicht wurde auch die Arbeitsabfolge angepasst (vgl. Abbildung 2). 1. Baustellenvorbereitung + Herstellung der tiefen Leitwände (CSM Boxen) 2. Voraushub des Schlitzes 3. Aushub des Overburden - im Set-up Overburden 4. Aushub Kimberlit - im Set-up Kimberlit + Sammeln der Proben 5. Schlitzvermessung + Wiederverfüllung Der Wechsel hin zum Kimberlit Set-up beschreibt die Ergänzung des Systems mit einer Kimberlit Trennungseinheit. Diese Einheit wurde dem Suspensionskreislauf zugeschaltet, nachdem der Kimberlit Horizont erreicht wurde (vgl. Abbildung 3). 1. Herstellung tiefe Leitwand 2. Voraushub 3. Aushub Overburden 4. Aushub Kimberlit und Probensammlung 5. Rückverfüllung Abbildung 2: Arbeitsablauf 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 145 Schlitzwandtechnik mal anders genutzt - Herstellung von Schlitzen bis in 251 m Tiefe im Rahmen eines Erkundungs- und Proben-Sammlungsprogramms Abbildung 3: Suspensionskreislauf 3. Gerätekonfiguration Aufgrund der speziellen Anforderungen der Arbeit mussten einige Gerätekomponenten angepasst und neu konstruiert werden. BAUER Maschinen GmbH hat den Großteil der Geräte auf der Baustelle bereitgestellt. Das umfasste das komplette Fräsensystem, bestehend aus einem MC 128 Seilbagger und einer Schlitzwandfräse BC 50 mit einer Abmessung von 3,2 x 1,5 m². Um die Maximaltiefe erreichen zu können war es notwendig ein Schlauchaufrollungssystem HDS 250 zu entwerfen (vgl. Abbildung 4). Vervollständigt wurde das Fräsensystem durch einer Entsandungsanlage BE 550 und einer Zentrifuge BD 90, inklusive Flockmittelstation von MAT. Zusätzlich waren 2 KBKT Pumpen, mehrere kleinere Transferpumpen und ein SKC-60-K Suspensionsmischer im Einsatz, um einen ausreichenden Suspensionskreislauf bereitzustellen. Für die Fräsarbeiten im Kimberlit Gestein wurde dieser Kreislauf um eine lokal bezogene Kimberlit Separationsanlage (KSU) ergänzt. In dieser Einheit wurde das Gestein mit den eingelagerten Diamanten, mit einer Korngröße bis zu 80 mm von der Stützsuspension getrennt [durch Siebung und Auswaschung der Feinteile kleiner 1 mm]. Nach der Separation wurde das Kimberlit Material in einer Big Bag Station gesammelt. Abbildung 4: Schlitzwandfräse 4. Eignungstest 2017 Zwei Jahre vor dem Programm in Kanada wurde ein Frästest durchgeführt, um die Eignung des Systems für die geplante Anwendung der Kimberlitbeprobung sicherzustellen (vgl. Abbildung 5). 146 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Schlitzwandtechnik mal anders genutzt - Herstellung von Schlitzen bis in 251 m Tiefe im Rahmen eines Erkundungs- und Proben-Sammlungsprogramms Abbildung 5: Eignungstest 2017 Umfang des Tests war das Durchfräsen von vier Betonblöcken unterschiedlicher Festigkeiten (vgl. Abbildung 6). In den vorgefertigten Blöcken wurden 2 Lagen [durch rote Linien in Abb. 6 dargestellt] von Diamantattrappen (Tracer) eingefüllt. Abbildung 6: Technisches Konzept Eignungstest 2017 Das bei den Fräsarbeiten geförderte Materialwurde ebenfalls in Big Bags gesammelt und zu einem späteren Zeitpunkt weiterverarbeitet und analysiert. Alle Blöcke wurden in einen, eigens für den Test erstellten Spundwandkasten abgelassen. Dabei sind jeweils zwei Blöcke aufeinandergestapelt worden. Die Höhe jedes einzelnen Blocks war dabei 1,9 m. Auf den Blöcken wurden Leitwandelemente plaziert, da die Pumpe in der Fräse eine Tiefe von 3 m benötigt damit sie arbeitsfähig ist. Das Testprogram umfasste die Bestimmung und Beurteilung der Korngrößen des gefrästen Materials. Durch einen ständigen Optimierungsprozess konnte das Projektteam Kriterien zur Beurteilung der Proben entwickeln und verfeinern- Somit konnte eine Unterscheidung in gute und schlechte Proben vorgenommen werden. Diese Optimierungen zur Herstellung großer Korngrößen wurden später im Programm implementiert, um die Erfolgskriterien zu erreichen. 5. Herausforderungen während der 2019 Saison 5.1 Vorbereitungen einen sicheren und erfolgreichen Ablauf zu garantieren. Im Wald von Saskatchewan wurde dafür extra ein Lager für bis zu 150 Personen errichtet. Dieses Camp bestand aus 5 Schlaf- & Wohnheimen, einer Kantine, einem Fitnessstudio und einem Erholungsraum. Der Transport zwischen Baustelle und Wohnlager wurde mittels eines alten Schulbusses und Pickup Trucks durchgeführt. Zusätzlich mussten neue Zufahrtsstraßen sowie Erdbecken für die Lagerung der Stützsuspension errichtet werden. Insgesamt wurden ungefähr 2.400 m³ an Stützsuspension erstellt und bevorratet. Mehrere Pumpen und ein Luftsystem stellten dabei die Bewegung innerhalb der Becken sicher, um Absetzungen zu minimieren. Die statischen Anforderungen des Schlitzes konnten durch eine Stützflüssigkeit aus Bentonit und mehreren Additiven, insbesondere zur Regulierung des Filtratwasserverlustes, erfüllt werden. Dabei war die Frischsuspensionsdichte 1,03 g/ cm³. Während des Fräsprozesses waren Anstrengungen nötig, um die Parameter der Suspension zu erhalten, da die Interaktion zwischen Fräse und Boden diese beeinflusst. Ein zusätzlicher Tank nach der Entsandungsanlage wurde im System implementiert, in dem Additive konstant beigemischt wurden, um die Qualität der Stützflüssigkeit zu erhalten. Zur Entsorgung des Erdmaterials und Suspension wurden mehrere Erdbecken genutzt. Als vorbereitende Maßnahme wurden tiefe Leitwände mittels CSM (Cutter Soil Mixing) Boxen um den jeweiligen Schlitz installiert. Ziel war es lockere Sande im oberen Bereich zu stabilisieren. Eine CSM Box bestand aus 7 Einzellamellen mit einer Breite von 800 mm und einer Tiefe von ungefähr 18-20 m. Die finale Tiefe basierte auf einem Abbruchkriterium. Die geforderte Festigkeit der Elemente betrug mindestens 2 MPa nach 28 Tagen. Die tiefen Leitwände dienten neben der Sicherstellung der Schlitzstabilität auch der Führung der Schlitzwandfräse im oberen Bereich. Um eine durchgehende Produktion zu gewährleisten, wurden mehrere 40 Fuß Container mit Ersatzteilen auf der Baustelle vorgehalten. Zusätzlich wurden neue Teile per Luft- und Seefracht bereitgestellt. 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 147 Schlitzwandtechnik mal anders genutzt - Herstellung von Schlitzen bis in 251 m Tiefe im Rahmen eines Erkundungs- und Proben-Sammlungsprogramms 5.2 Overburden In großen Teilen war der Overburden durch bindiges Material charakterisiert. Im oberen Bereich waren auch lockere Sande anzutreffen. Die Kombination dieser Böden und der Präsenz von Geschiebematerial erzeugte einige Herausforderungen für das Fräsenprogramm. Das Antreffen von Hindernissen, vor allem im Geschiebemergel resultierte in erhöhten Verschleiß an den Fräsrädern und benötigte zusätzlichen Aufwand, um die Steine und Blöcke zu entfernen (vgl. Abbildung 7). Abbildung 7: Findlinge im Overburde Erhöhter Zeitaufwand zur Reinigung der Fräsräder verursachte auch das Verkleben mit bindigem Material (vgl. Abbildung 8). Abbildung 8: Ton verklebt die Fräsräder Das Reinigen wurde von Hand und mit Hilfe eines speziell dafür entworfenen Anbauwerkzeug für einen kleinen Lader durchgeführt. Der Einsatz einer großen Bürste brachte leider nicht den gewünschten Erfolg. Die bindigen Bodenschichten des Overburden führten zu einem Viskositäts- und Dichteanstieg der Stützflüssigkeit. Somit war eine Zugabe von Additiven notwendig, um die Parameter beizubehalten und die Schlitzstabilität zu gewährleisten. 5.3 Kimberlite Das diamanthaltige Kimberlitgestein begann ab ca. 105 m. Während der Fräsarbeiten wurde das Kimberlitmaterial in Big Bags gesammelt und für die Weiterverarbeitung gelagert. Um eine hohe Qualität der Kimberlitanalyse zu gewährleisten wurde dieser Bereich in verschiedene Zonen unterteilt. Diese Zonen wurden anhand ihren Felseigenschaften und geologischer Beschreibung festgelegt. Die Mächtigkeit der Schichten war dabei stark variabel und die Festigkeit des Gesteins war im Durchschnitt bei 20 - 30 MPa. Die Probenintervalle bestimmten den Arbeitsablauf, da nach jedem Intervall eine Komplettreinigung des Systems stattgefunden hat. Dies umfasste eine Zirkulation der Suspension im Kreislauf sowie die Reinigung der Siebe der KSU (Kimberlite Separation Unit) um sicherzustellen, dass das gefräste Material dem zugehörigen Intervall zugeordnet wurde. Das Material >0,85 mm wurde hierbei auf mehreren Sieben abgetrennt, gewaschen und anschließend verpackt (vgl. Abbildung 9). Abbildung 9: KSU und Big Bag Station Die wichtigsten Ziele waren dabei, dass erstens kein Material verlorengeht und zweitens qualitativ hochwertige Proben bereitgestellt wurden. Um Suspensionsüberläufe zu vermeiden mussten mehrere manuelle und ferngesteuerte Pumpen Hand in Hand arbeiten, was eine sehr gute Funkkommunikation voraussetzte. Das Verpacken des Materials wurde durch zwei voneinander unabhängige Stationen realisiert (vgl. Abbildung 10). Die Stationen waren im Anschluss an zwei Klassier Siebe, auf denen das Material gewaschen wurde, angeordnet. Von dort wurde das Material durch einen Trichter in die Big Bags eingefüllt. Sobald ein Sack gefüllt war wurde eine Klappe geschlossen und der Trichter speicherte das ankommende Material zwischen. Gleichzeitig führte ein Schlitten einen neuen, leeren Sack der Füllposition zu. Das Handling der Säcke wurde durch 4 Teleskoplader bewerkstelligt, welche diese anschließend in einen überwachten Lagerplatz transportierten. 148 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Schlitzwandtechnik mal anders genutzt - Herstellung von Schlitzen bis in 251 m Tiefe im Rahmen eines Erkundungs- und Proben-Sammlungsprogramms Abbildung 10: Abfüllprozess Ziel war es große Korngrößen zu erzeugen, um den Diamantenbruch gering zu halten. Erste Erfahrungen zum Verhalten des Diamantenbruchs konnten, während eines Eignungstest für das System gesammelt werden. Basierend auf diesen Erfahrungen wurde ein Beurteilungskriterium für die Proben des 2019 Programms ermittelt. Dieses Kriterium definiert einen festgelegten Prozentsatz des Materials mit einer Korngröße größer als 8 mm. Im Zuge eines kontinuierlichen Optimierungsprozesses, wurde versucht die idealen Fräsparameter für Auflast, Drehgeschwindigkeit der Fräsräder und Vorschubgeschwindigkeit zu ermitteln. Zusätzlich wurden verschiedene Fräszähne getestet, um die Ergebnisse der Korngrößen zu optimieren. 5.4 Schlitztiefen Wie in Tabelle 1 dargestellt, variierten die Tiefen der 10 Schlitzstandorte zwischen 225,1 m und 251,1 m. Die Maximaltiefe von 251,1 m wurde am 25 September 2019 erreicht. Dies war das erste Mal, dass eine Schlitzwandfräse eine solch große Tiefe zu kommerziellen Zwecke erreichte (vgl. Abbildungen 11, 12). Tabelle 1: Übersicht Schlitztiefen Position Tiefe [m] FALC001 228,45 FALC003 249,30 FALC004 233,80 FALC005 230,30 FALC006 241,48 FALC007 225,10 FALC009 227,90 FALC008 230,60 FALC002 251,10 FALC010 233,00] Abbildung 11: Fräse nach Erreichen der max. Tiefe von 251,1 m Abbildung 12: Fräse nach Erreichen der max. Tiefe von 251,1 m Insgesamt wurden für das Projekts 2 km Frässtrecke an 10 verschiedenen Standorten gefräst. Die Fräsarbeiten dauerten dabei 126 Tage. Während der gesamten Projektdauer arbeiteten die Mannschaften in Doppelschichten an 7 Tagen in der Woche. Es konnte gezeigt werden, dass die Schlitzwandfräse wiederholt erfolgreich eine Tiefe größer 220 m erreicht hat. Mit der neuen Rekordtiefe wurde bewiesen, dass die Technologie effizient auch hohe Anforderungen in einer Umgebung mit hohem Druck erfüllen kann. 5.5 Backfilling Bevor die Wiederverfüllung begonnen wurde, musste jeder Schlitz vermessen werden, um dessen Volumen über die Tiefe zu ermitteln. Für diese Vermessung wurde das Sonicaliber System (vgl. Abbildung 13,14) eingesetzt. 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 149 Schlitzwandtechnik mal anders genutzt - Herstellung von Schlitzen bis in 251 m Tiefe im Rahmen eines Erkundungs- und Proben-Sammlungsprogramms Abbildung 13: Schlitzvermessung Abbildung 14: Absenkung Sonicaliber tool im Schlitz Die Wiederverfüllung unterlag ebenfalls einem Optimierungsprozess. Das kanadische Umweltministerium legte als Verfüllmaterial bereits verarbeiteten Kimberlit fest. Um die verschiedenen Grundwasserhorizonte getrennt zu halten, mussten in gewissen Tiefen Bentonit Stopfen eingebaut werden (vgl. Abbildung 16). Während der Verfüllung des ersten Schlitzes stellte sich das Kimberlitmaterial als unzweckmäßig heraus, da die darin enthaltenen Feinteile zu einem starken Viskositätsanstieg der Stützflüssigkeit führten. Somit konnte sich das Material nicht absetzen und das führte zu enormen Verfüllzeiten. Nach einer Genehmigungsänderung wurde Material mit wenig Feinanteilen verwendet (vgl. Abbildung 15). Abbildung 15: Rückverfüllung Abbildung 16: Einbau Bentonit Sperre 6. Ergebnisse Während des 2019 Programms wurden insgesamt 6.848 Big-Bags mit qualitativ hochwertigen Kimberlit Proben gesammelt. Das entspricht einer Menge von ca. 8.271 Tonnen. Das Material wurde in einem überwachten Areal für die Weiterverarbeitung gelagert. Dafür wurde eine Schüttgutprobenentnahmeanlage entworfen. Innerhalb dieser Anlage wird das Material mehrere Brecher, Siebe und Rütteltische passieren und die Diamanten vom Kimberlit mittels Lasertechnologie abgetrennt. Im Laufe der Zeit konnte eine konstante Verbesserung der Qualität der Proben beobachtet werden. Am Ende erfüllten über 95% der Proben das Kriterium der hohen Qualität. Aufgeteilt nach Material wurden ungefähr 5.067 m³ Overburden und ca. 5.856 m³ Kimberlit ausgehoben. Abbildung 17: Big Bag Lager 150 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Schlitzwandtechnik mal anders genutzt - Herstellung von Schlitzen bis in 251 m Tiefe im Rahmen eines Erkundungs- und Proben-Sammlungsprogramms Abbildung 18: Aufbau Aufbereitungsanlage Erste Ergebnisse der BSP (Bulk Sampling Plant) wurden im zweiten Quartal 2020 erwartet. 7. Ausblick Der Erfolg des Programms 2019 führte zu einer Verlängerung des Erkundungsprogramms. Dafür wurden 14 weitere Standorte ausgewählt und zugewiesen. Ende 2019 wurde die komplette Baustelle ca. 2 km umgezogen. Die Entsandungsanlage sowie die KSU wurden ebenfalls zum neuen Standort gebracht und wiederaufgebaut. An diesem Standort müssen für das erneut neue Tanks zur Suspensionsbevorratung und Entsorgung hergestellt werden. Die neuen geotechnischen Untersuchungen vermuten am neuen Standort eine größere Anzahl an Hindernissen im Boden. Diese Tatsache, in Kombination mit einer sowohl höheren Durchschnittstiefe der Schlitze und längeren Distanzen zwischen den einzelnen Lokationen wird auch die zweite Phase des Programms zu einer Herausforderung machen. Eine wirtschaftliche Bewertung aus dem Jahr 2018 schätzt das Diamantenvorkommen von Star und Orion South Kimberlite auf 66 Millionen Karat. Die geplante Lebensdauer einer in Betrieb befindlichen Mine wird mit rund 34 Jahren veranschlagt, was zu einer Stabilisierung und Verbesserung der wirtschaftlichen Lage in Saskatchewan führen würde. Der Nachweis der Funktionalität neuen Technologie hat das Potential, künftige Erkundungsprogramme und Bergbauanwendungen zu revolutionieren. Referenzen https: / / www.stardiamondcorp.com/ Daniel Leroux, M.Sc., P.Geo. W.D. Roy, M.Sc.A., P.Eng. Lehman van Niekerk, P.Eng. Geoff Wilkie, P.Eng. Leon McGarry, P.Geo. 2018: PRELIMINARY ECONOMIC ASSESSMENT OF THE STAR - ORIONSOUTH DIA- MOND PROJECT, FORT A LA CORNE, SASKAT- CHEWAN Daniel C. Leroux, M.Sc. P.Geo.Mr. Leon McGarry, B.Sc. P.Geo.Mr Peter J. Ravenscroft, FAusIMM 2015: TECH- NICAL REPORT ANDREVISED RESOURCE ES- TIMATE for the STAR -ORION SOUTH DIAMOND PROJECT,FORT A LA CORNE AREA,SASKATCHE- WAN, CANADA Ngaire McDiarmid 2019: “[This] has the ability to revolutionise future bulk sampling and mining” on https: / / www.mining-journal.com/ precious-stones/ news/ 1373159/ -this-has-the-ability-to-revolutionise-future-bulk-sampling-and-mining (18 th March 2020)