Dr. Jürgen Brune, Colorado School of Mines, US, diskutiert die Notwendigkeit, den Schutz vor Kohlenstaubexplosionen in unterirdischen Minen zu verbessern.
Die Explosion im April 2010 in der Mine Upper Big Branch (UBB) in West Virginia ereignete sich vor fast vier Jahren. Insgesamt 29 Bergleute starben und zwei wurden bei einer Katastrophe schwer verletzt, die das Leben ihrer Familien und Angehörigen für immer gezeichnet hat. Bei UBB verwandelte sich eine relativ kleine Strebzündung in der Nähe des hinteren Endes der Strebwand in eine große Kohlenstaubexplosion, die sich über einen großen Bereich der Mine ausbreitete, wobei Flammen fast verkohlten 50 Meilen von Mineneintritten.1
Kann sich eine solch verheerende Kohlenstaubexplosion wiederholen? Bedauerlicherweise, ja, es kann.
Jeden Herbst gibt die US-amerikanische Minensicherheits- und Gesundheitsbehörde (MSHA) einen Winteralarm heraus, der vor den Gefahren von Kohlenstaubexplosionen warnt, die eher im Winter auftreten, wenn die Grubenluft trockener ist. Feiner Steinkohlenstaub ist hochexplosiv, wenn er an der Luft suspendiert wird. Bei einer typischen Kohlenstaubexplosion wird der Staub durch eine kleine Methangasexplosion gereinigt, die auch die auslösende Flamme liefert. Kohlenstaubexplosionen können auch durch Sprengen – insbesondere durch ausgeblasene Schüsse – ausgelöst werden, was zu Beginn des 20.Jahrhunderts häufig zu Explosionen führte.
Einmal initiiert, kann sich eine Kohlenstaubexplosion durch weite Gebiete der Mine ausbreiten, indem neuer Kohlenstaub vor der Explosionsflamme in die Luft gewirbelt wird. Dieses Muster setzt sich fort, bis kein Kohlenstaub mehr vorhanden ist oder die Explosion einen Bereich erreicht, in dem der Kohlenstaub durch Mischen mit Gesteinsstaub ausreichend inertisiert wurde. Cybulski schrieb sein Buch über Kohlenstaubexplosionen und führte Tausende von Explosionstests in der polnischen Versuchsmine „Barbara“ durch.2 Die folgenden wesentlichen Befunde wurden von Cybulski dokumentiert:
- Je feiner der Kohlenstaub und je größer die flüchtigen Bestandteile der Kohle sind, desto größer ist die Explosionsgefahr.
- Kohlenstaubexplosionen können durch Mischen des Kohlenstaubs mit inertem Staub (Gesteinsstaub) verhindert werden. Wenn ein großer Teil des Kohlenstaubs feiner als 200 mesh (74µm) ist, können mehr als 80% inerter Gesteinsstaub erforderlich sein, um Explosionen zu verhindern.
- Wenn die auslösende Explosion stark genug ist, kann sogar feuchter Kohlenstaub explodieren.
- Explosionsbarrieren können Kohlenstaubexplosionen stoppen.
In den USA verlassen sich die meisten Minenbetreiber auf die Inertisierung von Gesteinsstaub als bevorzugte Methode zum Schutz vor Kohlenstaubexplosionen. Im Jahr 2011 erhöhte die MSHA den erforderlichen Gesamtinertgehalt (TIC) für Minenstaub in den Ansaugluftwegen von 65% auf 80%, genau wie für die Rückluftwege. Diese Änderung beruhte auf der Erkenntnis aus Untersuchungen des National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), dass die zunehmende Mechanisierung in den heutigen Bergwerken auch die Feinheit und damit das Risiko von Kohlenstaubexplosionen erhöht hat. Der Übergang zu vollmechanisiertem Schneiden und Förderbandtransport produziert mehr Feinstaub im Vergleich zu altem Unterschneiden, Sprengen und Gleistransport.
Um Explosionen wirksam zu verhindern, muss der Gesteinsstaub gründlich mit dem Kohlenstaub vermischt werden. Wenn Kohlenstaub auf gesteinsstaubten Oberflächen Schichten bilden darf, erhöht sich die Explosionsgefahr, da nur die oberen 1/8 Zoll. bei einer Explosion wird Staub aufgewirbelt. US Bureau of Mines und NIOSH Tests haben gezeigt, dass eine Kohlenstaub Schicht nur 4/1000 in. dick (entspricht der Dicke eines Blattes Papier) kann ausreichen, um eine Staubexplosion auszubreiten. Daher ist das bevorzugte Verfahren zum Aufbringen von Gesteinsstaub mit Rieselstaubtüchern, die Gesteinsstaub direkt in die Rückluft abgeben, den Abschnitt verlassen und ihn gründlich mit den Kohlenstaubpartikeln in der Luft mischen. Förderbänder werden in der Regel chargenweise bestäubt: Hier wird häufiges Auftragen einer leichten Steinstaubung gegenüber einer starken Bestäubung in längeren Abständen bevorzugt, um eine Schichtung zu vermeiden. Ob die Menge an Gesteinsstaub ausreicht, um Kohlenstaubexplosionen zu verhindern, kann mit dem von NIOSH entwickelten Kohlenstaubexplosibilitätsmessgerät (CDEM) nahezu sofort bestimmt werden.
Europäische Minenbetreiber fangen explosiven Kohlenstaub mit hygroskopischen Salzen, einschließlich Calcium- und Magnesiumchloridlösungen, ein. Die Salze bleiben feucht, indem sie Wasser aus der Grubenluft anziehen. Die feuchte Oberfläche fängt jeglichen Kohlenstaub ein, der sich auf den behandelten Oberflächen absetzt. Salzanwendungen dauern je nach Luftfeuchtigkeit der Grubenluft mehrere Tage. Salze können jederzeit versprüht werden, da sie im Gegensatz zu Gesteinsstaub nicht gegen den Wind getragen werden, wo sie die Sicht für die Bergleute behindern.
Eine zweite bemerkenswerte Technologie zur Verhinderung von Kohlenstaubexplosionen ist die Verwendung von Explosionsbarrieren. Passive Barrieren bestehen aus großen, mit Wasser gefüllten Mulden, die an strategischen Stellen in den Mineneingängen an Regalen aufgehängt sind. Der Explosionsdruck kippt die Regale um und der Wasserregen löscht die Flamme und stoppt die Explosion. Der UBB-Bericht des West Virginia Office for Miners ‚Health, Safety and Training stellt fest, dass ein Pumpensumpf in der UBB-Mine offensichtlich als Explosionsbarriere fungierte und verhinderte, dass sich die Explosion weiter in die Headgate 21-Einträge ausbreitete.3
Teilschnittmaschinen, die zur Minenerschließung in europäischen Bergwerken eingesetzt werden, sind in der Regel mit aktiven, getriggerten Barrieren ausgestattet. Wenn sich Methan in der Nähe des Messerkopfes entzündet, löst ein Sensor sofort die Freisetzung von Feuerlöschmittel aus sechs bis acht Druckbehältern aus, die am Messerausleger montiert sind, um die Flamme zu ersticken. Da jede geringfügige Strebzündung eine heftige Kohlenstaubexplosion auslösen kann, ist diese aktive Barrieretechnologie eine wichtige technische Kontrolle zur Verhinderung solcher Explosionen.
Schlussfolgerungen
Kohlenstaub stellt nach wie vor eine erhebliche Explosionsgefahr dar. Minenbetreiber sollten ein rigoroses, umfassendes Programm zur Anwendung, Wartung und Prüfung von Gesteinsstaub befolgen, um sicherzustellen, dass ein ausreichendes Maß an Inertisierung vorhanden ist. Weitere Untersuchungen sollten durchgeführt werden, um festzustellen, welche Barrieretechnologien in US-Minen angewendet werden können, um ein zusätzliches Maß an Sicherheit gegen Reibungszündungen und in Bandeintritten zu bieten, in denen die Wartung von Gesteinsstaub schwierig ist.
1. SEITE, N. G et al., „Untersuchungsbericht, tödliche unterirdische Minenexplosion, 5. April 2010, Upper Big Branch Mine-South“, Minensicherheits- und Gesundheitsbehörde, Virginia, S. 965, 2011.
2. CYBULSKI, W., Kohleexplosionen und ihre Unterdrückung, Bericht Nr. TT 7354001+“, übersetzt aus dem Polnischen, US Bureau of Mines, Washington, pp. 586, 1975.
3. PHILLIPS, C.A., „Bericht über die Untersuchung der Minenexplosion in der Upper Big Branch Mine“, Boone / Raleigh Co., West Virginia, S. 319, 2012.
Dieser Artikel erschien zuerst in der Februar-Ausgabe von World Coal als: Brune, J., „A clear and present danger“, World Coal (Februar 2014), S. 14.
Geschrieben von Dr. Jürgen Brunner, Colorado School of Mines.
Herausgegeben von Jonathan Rowland