Kurzbeschreibung

Ein sogenannter Eimerkettenbagger gräbt lockeren Boden mit Bernstein darinnen ab. Das gelöste Material wird in die Waggons eines Zuges geladen. Das Bild stammt aus der Zeit um 1930. In der ehemals ostpreußischen Stadt Palmnicken, dem heute russischen Palmnicken, wird Bernstein industriell gewonnen. Der Photograph ist unbekannt. Das Bild gibt einen guten Einblick in einige typische Aufgaben, die in einem Tagebau bewältigt werden müssen.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Ein Eimerkettenbagger löst sogenanntes Lockergestein aus Tonen, Lehm, Sanden und Kiesen. Darin enthalten sind die begehrten Stücke aus Bernstein. © Unknown ☛

Aspekte eines Tagebaus

Der Photograph des Bildes, heute unbekannt, hat bewusst oder unbewusst ein Motiv mit vielen interessanten Details aus einem typischen Tagebaubetrieb gemacht. Es ist lehrreich, sich das Bild vor allem fragend zu betrachten. Man stelle sich vor, man solle selbst den Bernstein gewinnen. Welche Probleme würden auftreten? Wie könnte man sie lösen? Bei möglichen Gefahren beginnt die "Böse Frage" oft mit einem "Wie kann man ausschließen, dass …".

Die Steilheit der Böschungen

Immer wieder hört man von Unfällen am Badestrand: Kinder oder auch Jugendliche und Erwachsene schaufeln tiefe Löcher. Plötzlich rutschen die Wände ab und begraben die Buddler unter sich. Ist das Loch tief genug, kann schnell Gefahr für das eigene Leben aufkommen. Ist man einmal verschüttet, drückt der schwere Sand schnell mit seiner Last auf die Lunge und man erstickt. Das erste Problem, das jeder Betreiber eines Tagebau bedenken muss, ist das der Standsicherheit.

Im Bild des Tagebaus Palmnicken sieht man, dass die Böschungen recht steil und glatt sind. Nur vereinzelt sieht man einige Schüttkegel. Das deutet darauf hin, dass der Boden in sich recht fest ist. Verantwortlich dafür könnte ein höherer Anteil an Tonen und Lehmen sein. Wäre der Ungergrund ganz aus Sanden und Kiesen, wären die Böschungen deutlich flacher.

Je flacher, desto sicherer, desto größer das Loch

Um Böschungen möglichst sicher gegen Abrutschen zu machen, könnte man sie also flacher gestalten. Das aber bringt auch Nachteile mit sich. Aus einfach geometrischen Gründen würde das Loch des Tagebaus dann auch sehr viel größer werden. Auch würde Regenwasser oder austretendes Grundwasser in einer flachen Böschung nicht so leicht abfließen. Damit droht der paradoxe Effekt, dass eine flache lockere Böschung durch zufließendes Wasser wieder weniger fest wird. Und je flacher eine Böschung, desto schwieriger ist der Einsatz der im Bild erkennbaren Eimerkettenbagger. Wer immer im Jahr 1930 verantwortlich war für die Planung des Tagebaugeometrie, hat sicherlich solche Gedanken abgewogen.

Wasserhaltung

Rechts unten im Bild, auf der tiefsten "Sohle" des Tagebaus sieht man größere Pfützen Wasser. Die Schwerkraft der Erde zieht Wasser hin zum tiefsten Punkt, wo es sich dann sammelt. Hier gilt es mehrere Aufgaben zu lösen.

Bei starkem Regen kann der Tagebau mit all seinen Geräten schnell "absaufen". Wie kann man das verhindern?

Wie groß muss die Leistungen der Pumpen für den Notfall sein? Genügen zum Beispiel 10 Kilowatt?

Woher bekommen die Pumpen im Notfall ihre Energie? Stromleitungen? Diesel? Wie kommt im Notfall der Treibstoff an die Pumpenmotoren?

Vor allem starke Regenereignisse, etwa "Wolkenbrüche" oder langer starker Dauerregen haben immer wieder Tagebau geflutet, teilweise mit tödlichen Folgen.

Wie kann man ausschließen, dass der Tagebau bei Starkregen "absäuft"?

Bei starkem Frost in Winter können Leitungen einfrieren und platzen. Wie kann man das verhindern?

Im normalen Betrieb sollte der Boden begehbar bleiben. Wie kann man das Wasser kostengünstig abpumpen?

Sollte man das fließende Regenwasser kontrolliert in kleinen Kanälen und Rinnen fließen lassen oder es frei sich seinen Weg suchen lassen?

Wäre es sinnvoll, irgendwo einen Vorratsteich für Löschwasser oder Gebrauchswasse anzulegen? Falls ja, wie groß sollte der Teich sein? Wie wandert er mit dem sich bewegenden Tagebau mit?

Materialstrom

Der Eimerkettenbagger unten im Bild gräbt kontinuierlich das Material im sogenannten Tiefschnitt ab. Dieses Material wird dann im Bagger so hoch gefördert, dass es von oben in die offenen Waggons eines Zuges fallen kann. Hier treten wieder einige zu lösende Aufgaben auf:

Wie verhindert man beim Beladen, dass Material zwischen zwei Waggons fällt?

Falls das doch einmal passiert, wie entfernt man die ungewollte "Überschüttung"?

Kann man den Betrieb auch bei starkem Nebel und ohne Sicht fortsetzen? Oder droht dann Förderausfall?

Wie könnte der Lokführer mit dem Baggerführer kommunizieren, wenn es noch keine Funkgeräte gibt?

Wie dick müssen die Wände der Waggons sein, dass sie dem herabprasselnden Material stand halten? Leichtere Waggons könnte man billiger bauen. Möglichst dünne wären billig, aber vielleicht nicht so stabil.

Was würde ein einzelner, unerwarter schwerer Gesteinsbrocken (z. B. ein Findling) im gelösten Material anrichten? Könnte er im Eimerkettenbagger oder im Waggon mit seinem Gewicht Schaden anrichten? Könnte man ihn rechtzeitig irgendwie erkennen, auch nachts oder bei Nebel?

Manche zunächst feste Materialien werden durch Vibrationen fließfähig. Man spricht von Thixotropie. Könnten Lagen solcher Materialien - die es in Tagebauen an sich geben kann - zum Problem für Eimerkettenbagger werden?

Statik

Der Eimerkettenbagger scheint in dem Bild elegant über dem Zug zu balancieren. Links an ihm erkennt man auskragend einen Ballastteil. Rechts sieht man den langen und schweren Arm. Leicht kann man sich vorstellen, dass bei Übergewicht auf einer Seite der Bagger kippen könnte. Sind die Eimer leer, ist der Arm leichter, nehmen sie dann das Material auf, werden sie schwerer. Das wirft wieder einige Fragen auf.

Wie schwer muss der Ballast sein, um jede Situation meistern zu können?

Muss der Ballast horizontal beweglich sein, um verschiedene Drehmomente auf der rechten Seite ausgleichen zu können?

Rechts sieht man, dass der lange Arm an Seilen angehoben oder abgelassen werden kann. Ändert sich dadurch das Drehmoment? Muss man beim Hoch- oder Ablassen des Arms den Ballast gleichzeitig dazu passend mitbewegen? Falls ja, wie setzt man das um?

Kann man ausschließen, dass ein plötzliches Verhaken der Eimerketten bei voller Fahrt den Bagger zum Kippen bringen? Falls ja, wie könnte man das am besten automatisch verhindern?

Für die Berechnungen hilfreich ist die Idee des Drehmoments. Die Wirkung von Drehmomenten lernt man als Kind oft spielerisch auf Wippen kennen. Eine Wippe ist physikalisch ein zweiseitiger Hebel. Siehe mehr zur Physik im Artikel 👉 zweiseitiger Hebel

Schienenrücken

Man etwas Phantasie kann man aus dem statischen Bild einen kleinen Film vor dem geistigen Auge machen. Der Eimerkettenbagger dürfte ein ohrebetäubend lautes Klackern erzeugen. Die Dampflok lässt laut schnaubend immer wieder Dampf ab oder pfeift mit schrillem Ton. Rufe von Bergleuten hört man vielleicht auch. Und nun fangen sich die Dinge auch an zu bewegen: dort wo der Eimerkettenbagger im Tiefschnitt das Material abgräbt, wird es immer steiler. Irgendwann ist die Böschung so nahe am Bagger, dass es gefährlich wird. Was passiert wenn das Material der Böschung unten rechts ganz abgebaut ist?

Muss man die Schienen neu verlegen? Falls ja, wie macht man das? Einzeln ab- und wieder aufbauen? Den ganzen Schienenstrang irgendwie in die neue Position ziehen?

Wie bewegt man den Eimerkettenbagger rechtwinklig zu seiner Fahrtrichtung, also seitwärts? Kann das überhaupt gehen?

Wie nahe an die nächst höhere Böschung kann man die Schienen verlegen? Je näher, desto mehr neue Fläche zum Abbauen gewinnt man. Bei zu viel Nähe aber können die Schienen von herabfallendem Material mit Schüttkegeln unbefahrbar gemacht werden.

In den Tagebauen des Rheinlands des 20. und frühen 21. Jahrhunderts musste genau dieses Problem gelöst werden. Anstatt der Schienen von Zügen waren es die oft viele Kilometer langen Bandstraßen. Diese mussten mit dem fortschreitenden Abbau immer nachgezogen werden. Man löste das Problem mit Rohrverlegern (ein Gerätetyp), die zig mal an der Bandstraße hin und her fuhren und an einer Schiene der Bandstraße seitlich immer etwas zogen. Eine eine solchen sogenannt "Bandaktion" dauerte viele Stunden und musste sorgfältig geplant werden.

Sonstige Fragen

Die Eisenbahn muss letztendlich aus dem Loch aus wieder herausfahren. Was ist die größte Neigung, die sie bewältigen kann? Auch bei Glatteis, nach einem Eisregen?

Wie schließt man aus, dass ein Zug unbremsbar nach unten abrutschen würde?

Kann es in trockenen Sommern Ärger mit aufgewehtem Staub geben? Von Anwohnern? Müssen die Mitarbeiter vor Staub geschützt werden? Könnte man die Bildung von Flugstaub durch Besprühen mit Wasser eindämmen?

Hat die Witterung einen Einfluss darauf, wie gut sich das Material von den Eimerketten lösen lässt? Baggert er sich besser in trockenem oder nassen Material? Gilt das gleichermaßen für Tone und Sande?

Wie viele Personen muss man für einen wirtschaftlich guten Betrieb des Tagebaus einstellen. Wie viele Personen benötigt man für die im Bild sichtbare Beladung von Zügen?

Kann der Bagger nur Material gewinnen, wenn gerade auch ein Zug zu Beladen da ist? Wäre es nicht weniger umständlich, wenn der Bagger Material auf Vorrat abbauen könnte und dieses Material irgendwie in einem Bunker zwischen gelagert wird?