Das Konzept des Steinbruchs existiert bereits seit Beginn der Zivilisation, und es wurden diesbezüglich viele verschiedene Arbeitstechniken entwickelt.
Ein Steinbruch wird typischerweise definiert als Oberflächenaushub für die Produktion von Gestein als Hauptprodukt. Der Unterschied zu Tagebauen oder offenen Gruben besteht darin, dass das Gestein selbst das wertvolle Gut ist und nicht ein spezifisches Mineral innerhalb der Gesteinsmasse.
Steinbrüche werden hauptsächlich bei der Herstellung von Baustoffen und Baumaterialien wie Massivsteinen oder Schotter, für Zuschlagstoffe oder Rohstoffe für Prozesse wie die Zementherstellung eingesetzt. Die Steinbruchtechnik wird normalerweise nur dann eingesetzt, wenn Rohstoffe von angemessener Qualität und Größe nicht auf andere Weise wirtschaftlich gewonnen werden können. Da beispielsweise Natursand und Kies nicht immer ohne weiteres verfügbar sind, wird ein großer Teil der weltweiten Jahresproduktion in Steinbrüchen und durch die Verarbeitung von Gestein produziert.
Schon vor Beginn unserer Zeitrechnung wurde Gestein für den Bau von Gebäuden und Denkmälern abgebaut. Es gibt an zahlreichen Fundorten auf der ganzen Welt gesicherte Nachweise für die Steinproduktion in der Antike, auch wenn unklar ist, in welchem Zeitalter formelle Steinbrüche entstanden sind, anstatt nur natürlich vorkommende Felsbrocken zu nutzen.
Mit dem Beginn der Geschichtsschreibung haben wir die Möglichkeit, ein besseres Verständnis für einige der Techniken, die in Steinbrüchen eingesetzt wurden, zu erhalten. Zur Zeit der ägyptischen Dynastien basierte der Bau der früheren Pyramiden beispielsweise hauptsächlich auf Kalkstein, der mit Kupferhandwerkzeugen gebrochen wurde, während bei späteren Pyramiden, obwohl sie hauptsächlich mit Lehmziegeln erbaut wurden, Bruchstein für die Fassade verwendet wurde. Granit war ebenfalls ein wichtiges Baumaterial, insbesondere für Detailarbeiten. Er wurde direkt aus dem Felsgrund an Abbauorten gewonnen, die in der Nähe einiger der größten Denkmäler des Landes angelegt wurden. Altägyptische Steinmetzarbeiter schnitten Rinnen rund um die Granitblöcke, die sie extrahieren wollten, und isolierten sie vom Felsgrund, um das Gestein anschließend mit massiven Holzhebeln zu lösen.
Auch die Römer brachen für ihre Bauprojekte, sowohl für Gebäude als auch für Monumente, in großem Umfang Steinmaterial. Es wurde ein breiteres Spektrum an Gesteinsarten produziert, darunter edler Marmor, der für Kunstwerke wie Skulpturen und in der Architektur für öffentliche Bauten verwendet wurde. Die Römer nutzten Steinbruchhämmer, um die von ihnen präferierten Blöcke zu isolieren, und anschließend Metallkeile, um diese vom Felsgestein zu hebeln.
Da man nicht auf moderne Technologien wie Bohrer und Sprengstoffe zurückgreifen konnte, erforderte das Gesteinsspalten den Einsatz anderer Ansätze, z. B. Verkeilen oder Feuersetzen. Die Verwendung von nassen Holzkeilen, die in natürlich entstandene Risse oder in flache Löcher eingesetzt werden, wo das Holz weiter aufquillt und so dazu führt, dass sich das Gestein spaltet, geht ebenso auf alte Zeiten zurück wie das Feuersetzen. Man geht davon aus, dass die Gewinnung des für den Bau von Groß-Simbabwe erforderlichen Gesteins mithilfe von Feuersetzen erfolgte, um die Bausteine aus Naturgranit-Vorkommen herauszutrennen. Dabei machte man sich die Beobachtung zunutze, dass das örtliche Gestein an einigen Stellen auf natürliche Weise verwitterte und Sollbruchstellen bildete, die auf diese Weise ausgenutzt werden konnten.
Die PowerROC T50 wurde für die anspruchsvollen Anwendungen in Kalk- und Zuschlagstoffsteinbrüchen entwickelt und ausgelegt.
Zur Produktseite
Bei der Arbeit in den meisten modernen Steinbrüchen müssen zuerst Erde und verwittertes Gestein entfernt werden, um zum darunter liegenden harten Gestein zu gelangen. Dieses wird dann nach einem Strossensystem bearbeitet, bei dem das Gestein schichtweise entnommen wird. Diese Schichten können Jahr für Jahr weitergenutzt werden, während das Steinbruch-Projekt voranschreitet. Der Steinbruch wird mit jeder nachfolgenden Strosse tiefer, wobei die Schichten stufenweise bis zur ursprünglichen Oberfläche hinauf reichen.
Mit wenigen Ausnahmen wird in den modernen Steinbrüchen gebohrt und gesprengt, um das Gestein zu fragmentieren und es anschließend auf geländegängige LKW oder Förderbänder zu verladen, die es zu einer Verarbeitungsanlage transportieren. Das Verladen erfolgt in der Regel mit Radladern oder Baggern, die eine ausreichende Ladekapazität mit einer guten Manövrierfähigkeit kombinieren. So können sie innerhalb des Steinbruchs je nach Bedarf von einem Bereich zum anderen wechseln. Wenn beim Sprengen große Gesteinsbrocken entstehen, die zu groß für die Ladeausrüstung sind, ist ein Sekundärbruch erforderlich, entweder durch Bohren und Sprengen einzelner Gesteinsbrocken oder durch den Einsatz von an Baggern montierten Hydraulikhämmern. Von der Bohr- und Sprengtechnik ausgenommmen ist die Produktion von Naturstein, da in diesem Fall kein fragmentiertes Material, sondern große Gesteinsblöcke für die Weiterverarbeitung benötigt werden.
Bei der Herstellung von Naturstein, auf die auf einer separaten Seite eingegangen wird, werden mithilfe von Keilen oder Diamantseilsägen vorsichtig große Steinblöcke aus der Strosse entfernt. Ein weiterer Ausnahmefall ist, wenn das Gestein weich genug ist, um mithilfe eines großen Dozers oder eines Aufreißzahns zerklüftet zu werden. In diesem Fall wird der Dozer verwendet, um das zerbrochene Gestein auf einen Trichter oder einen mobilen Brecher zu schieben, der ein Förderbandsystem versorgt. Die Ausgestaltung des Steinbruchs hängt von einer Reihe von Faktoren ab, darunter die Topographie vor Ort, der geplante Output, die Infrastruktur und der ökologische Fußabdruck. Im Allgemeinen können Steinbrüche jedoch in fünf Haupttypen unterteilt werden – Strossenbau-, Hügel-, Talboden-, Küstensteinbrüche sowie kombinierte Steinbrüche – wie unten dargestellt.
Strossensprengen ist die am häufigsten verwendete Sprengmethode in Steinbrüchen und im Tagebau. Dies erfordert das Bohren geneigter, vertikaler oder horizontaler Sprenglöcher in ein- oder mehrreihigen Mustern. Die Tiefe der Sprenglöcher kann dabei von wenigen Metern bis zu 30 m oder mehr reichen, je nach gewünschter Strossenhöhe. Bei einer flachen Grube von weniger als 6 m kann eine Ebene ausreichen. Bei tiefen Gruben wird aus Gründen eines komfortableren Arbeitens eine Reihe von Strossen mit geringer Höhe empfohlen, die von einer Ebene zur nächsten versetzt angelegt sind. Die Strossenhöhe beträgt oft das Zwei- bis Fünffache der Vorgabe, während das Verhältnis von Vorgabe und Spacing typischerweise zwischen 1:1,25 und 1:2 liegt.
Das Material muss eine bestimmte Festigkeit und Härte aufweisen, und die zerkleinerten Partikel müssen eine definierte Form erhalten, häufig mit einer rauen Oberfläche. Folglich sind weiches Sedimentgestein und Materialien, die in flache, plättchenartige Stücke zerbrechen, oftmals als Ausgangsmaterial für Zuschlagstoffe nicht akzeptabel. Hingegen eignen sich magmatische Gesteinsarten wie Granit und Basalt sowie hoch metamorphe Gesteinsarten wie Gneis für die Zuschlagstoffherstellung.
Da das Bohren ein kritischer Teil des Produktionsprozesses im Steinbruch ist, sind die beste Planung, Vermessung, Berechnung und Sprengstoffnutzung wertlos, wenn im Sprengbereich nicht ordnungsgemäß und verantwortungsvoll gebohrt wird. Im Grunde genommen schlägt der gesamte Sprengvorgang fehl, wenn der Bohrvorgang schlecht ausgeführt wird und vom Bohrmuster abweicht. Das Bohren in einer Tagebau- oder Steinbruchumgebung folgt immer einem Muster, das entwickelt wurde, um die natürlichen Parameter des Gesteins, darunter Härte und Festigkeit, das Vorhandensein von Schwachstellen oder Brüchen, und den erforderlichen Fragmentierungsgrad des gesprengten Produkts zu berücksichtigen. Das Bohrmuster wird entsprechend dem Spacing/Lochabstand (entlang der Strosse) und der Vorgabe (Abstand zur vorderen Oberfläche) für einen bestimmten Bohrlochdurchmesser ausgelegt und legt somit die für jedes geladene Bohrloch erforderliche Sprengstoffmenge fest.
Im Allgemeinen muss ein weniger leistungsstarkes Bohrgerät, das Löcher mit kleinem Durchmesser erzeugt, einem engeren Bohrmuster folgen als eine Maschine mit einer Bohrkrone für größere Durchmesser. Das Bohren erfolgt normalerweise mit schweren Senkbohrhammer- (DTH) und Außenhammer-Bohrgeräten. Bei Epiroc können diese Bohrgeräte mit dem Bohrlochnavigationssystem (Hole Navigation System, HNS) ausgestattet werden, das es den Bedienern ermöglicht, mit Präzision und höchster Bohrplangenauigkeit parallele Löcher zu bohren.
Die Bohr- und Sprengsequenz ist in der Abbildung oben schematisch dargestellt. Wenn der Bediener des Bohrwagens angewiesen wird, ein bestimmtes Muster beizubehalten, muss er sich daran halten und darf nur davon abweichen, wenn dies genehmigt wurde. Der Bediener muss den verantwortlichen Sprengmeister auch während des Bohrens über Änderungen am Gestein oder Fehler informieren, damit der Sprengmeister die Ladung gegebenenfalls anpassen kann. Der Bediener des Bohrwagens sollte den Sprengmeister über Bruchstellen oder andere Auffälligkeiten im Gestein, Veränderungen in den Schichten und Sand- oder Schlammnähte im Gestein informieren, damit die Bohrlöcher unter Berücksichtigung dieser Faktoren mit Sprengstoff geladen werden.
Der Bediener muss den verantwortlichen Sprengmeister auch über „kurze“ Löcher informieren – Löcher, die nicht bis zur erwarteten oder geplanten Tiefe gebohrt wurden. Mit anderen Worten ausgedrückt: der Bediener des Bohrgeräts ist der verlängerte Arm des Sprengmeisters vor Ort und ist als solcher von kritischer Bedeutung für den Erfolg des Sprengprozesses. Diese Informationen können auch dem Qualitätsprotokoll entnommen werden, das auf den SmartROC-Bohrgerätenverfügbar ist. Die Steinbruchbetreiber legen beim Entwerfen des Sprengprozesses viel Wert auf Sicherheit, Wirtschaftlichkeit, Anwenderfreundlichkeit und Öffentlichkeitsarbeit, vergessen dabei jedoch häufig die Qualität der Sprengung.
Der Sprengplan muss ordnungsgemäß organisiert, dokumentiert und eingehalten werden, um maximale Konsistenz zu gewährleisten. Ein abweichendes Sprengmuster kann dabei zu starken Abweichungen des Fragmentierungsgrads führen. Bei kleinerem Sprenggestein, für das weniger Sekundär- und Tertiärbruch notwendig ist, lässt sich nur eine geringe Verbesserung durch das Brechen erzielen, ohne dass die Mineralqualität und/oder die physikalischen Eigenschaften des Produkts beeinträchtigt werden. Umgekehrt ist es wichtig, daran zu denken, dass die Größenreduzierung umso teurer wird, je kleiner das gebrochene Material wird. Daher kann es in mancher Hinsicht von Vorteil sein, den Bedarf an Sekundärzerkleinungen zu verringern, indem die anfängliche Fragmentierung direkt an der Steinbruchwand erhöht wird. Es stellt sich auch die Frage nach dem Transport, da Lader, Lkws und Förderbandsysteme eine Beschränkung hinsichtlich der maximalen Gesteinsgröße haben, die sie hantieren können. Gesteinsbrocken, die diese Größe überschreiten, müssen gegebenenfalls nachbearbeitet werden, was zusätzliche Kosten verursacht.
Es gibt verschiedene Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, wenn im Steinbruchbetrieb eine optimale Effizienz und Gesamtwirtschaftlichkeit erreicht werden soll. Die Differenz zwischen den Produkterlösen und den Produktionskosten muss maximiert werden. Es ist zu beachten, dass Brechen, Sieben und Lagern fast die Hälfte der Kosten ausmachen, während das Bohren für weniger als 15 % steht. In den meisten Fällen stellt der Brechvorgang einen Flaschenhals im gesamten Arbeitszyklus dar. Manchmal ist es so, dass zusätzliche Ausgaben für Bohren und Sprengen der einzige Weg sind, um die Effektivität des Brechers zu erhöhen und die volle Kapazität in der Anlage zu gewährleisten, was letztlich die Wirtschaftlichkeit des Betriebs verbessert. Eine gleichmäßige Fragmentierung und die Anlage von glatten Strossen wirken sich auch positiv auf die Lade- und Transportausrüstung aus.
In den 1980er-Jahren verlagerte sich der Trend dahingehend, dass sich die Gesteinsproduzenten von den Löchern mit großem Durchmesser, die mehr Haufwerk und mehr feines Material erzeugten, abwandten, und zu mittelgroßen (89–165 mm) Löchern übergingen. Darüber hinaus wird durch die Begrenzung der Sprenglochgröße die Mikrorissbildung und damit die Bildung von feinkörnigem Material reduziert.
Das Gegenteil ist im Tagebau der Fall, wo die Erzeugung von feinkörnigem Material vorteilhaft ist, da dieses mit minimalen Kosten die Aufbereitungsanlage passiert.
