Bewetterung, Klimatisierung
Quelle:
http://www.steinkohle-portal.de
50 Jahre Kohleforschung der EGKS Europäische Gemeinschaft, 2002
Zusätzlich beeinflussen sonstige Wärmequellen und Wärmesenken, wie z.B. Rohrleitungen
den Klimazustand in den Grubenbauen. Für den deutschen Steinkohlenbergbau, haben sich mit der Mechanisierung
der Gewinnung wesentliche Einflussfaktoren verändert. Daher hatten beim Abschluss des Montanvertrages im Jahre
1952 klimatechnische Fragen in der Regel keine Bedeutung für die Betriebe des europäischen Steinkohlenbergbaus.
Erst mit der zunehmenden Betriebspunktkonzentration verbunden mit dem vermehrte Vordringen in größere Teufen
wurden immer größere Wärmemengen freigesetzt, die zu klimatischen Belastungen führten. Die Einführung von
Klimagrenzwerten in einigen europäischen Ländern spiegeln die Bemühungen wieder, die ergonomischen Belastungen
für die im Bergbau Beschäftigten auf ein erträgliches Höchstmaß zu begrenzen.
Parallel zu den Klimatisierungsvorhaben stand zu Anfang der Forschungstätigkeit der EGKS auch Projekte mit der Zielsetzung,
grundsätzliche Erkenntnisse über das Vorkommen und Freiwerden von Grubengas zu bekommen. Diese Grundlagenforschung
währte bis Anfang der 70er Jahre, wobei aber auch später an Details weitergearbeitet wurde.
Die Kohle und das Nebengestein – letzteres in geringerem Maße als ersteres - enthalten aus der Umwandlung der organischer
Substanz entstandenes Grubengas, das zu 90 bis 95% aus Methan (CH4) und zu 2-4% aus Kohlendioxid (CO2) besteht. Da Methan in der
Mischung mit Luft in den Grenzen von 4,4 Vol.-% (LIEG) und 16,5 Vol.-% (OEG) explosionsfähig ist, war die Ausgasung ein Mittelpunkt
der grubensicherheitlichen EU-Forschung und Entwicklung. Basierend auf den Erkenntnissen der Grundlagenforschung, insbesondere
über die Kohleeigenschaften wurden betriebsreife Methoden entwickelt, die der Einschätzung einer möglichen Gasgefährdung
im Grubengebäude dienen, wie z.B. Messungen des Gasinhalts und des Gasdrucks, Ermittlung von Desorptionskennwerten zur
Einschätzung der Gasausbruchsgefahr und Messungen der Gaspermeabilität von Kohle. Darüber hinaus erfolgten
Untersuchungen, die die Verbesserung der Planungssicherheit und die Beherrschung der Ausgasung zum Ziel hatten. Dazu gehörten in
besonderem Maße Untersuchungen zur Ermittlung von Ausgasungszonen um den Abbau herum und darauf basierend die Entwicklung von
Verfahren zur Ausgasungsvorausberechnung sowie zur Optimierung der Gasabsaugung.
Einflussgrößen auf den sorbierten und den freien Teil des Gasinhalts der Kohle sowie auf die Gasfreisetzung aus der Kohle sind:
die Art des Gases, die Temperatur, die Feuchtigkeit, der Inkohlungsgrad, der Aschegehalt, sowie das Porenvolumen und die Struktur der Kohle;
alle diese Größen wurden systematisch untersucht. Dabei ergab sich, dass die Ausgasung ein lagerstättenspezifisches
Phänomen ist. Deshalb wurde die EU Forschung teilweise überlappend und teilweise sogar parallel in den Lagerstätten
der Kohle produzierenden Länder durchgeführt.
Wichtige Teilziele dieser Forschungen waren, die Ermittlung der Gasführung der Lagerstätten und die Vorausbestimmung der
Gasabgabe als Grundlage zur Optimierung oder Neuentwicklung von Methoden zur Beherrschung der Ausgasung. Mit der Novellierung der
Energieeinspeisungsgesetzgebung in der Bundesrepublik ergibt sich heute die Option über den Eigenverbrauch eines Bergwerks hinaus
Grubengas zu nutzen. Daher sind die Aktivitäten zur Absaugung des Methans vor, während und nach der Gewinnung intensiviert worden
Gasinhalt
Die Kenntnis des Gasinhalts und der Gasabgabe bildet die Grundlage für die Vorausberechnung des Gasanfalls (m3 Methan pro t geförderter Kohle).
Aus diesem Grund war die Bestimmung des Gasinhalts (m3 Methan pro t oder cm3 Methan pro Gramm anstehender Kohle) ein Schwerpunkt der
Ausgasungsforschung. Verfahren zur Bestimmung des Gasinhalts und zur Berechnung des Gasanfalls sind in fast allen Ländern der Gemeinschaft
eigenständig entwickelt worden, um den lagerstättenspezifischen Gegebenheiten zu entsprechen. Die Ergebnisse unterscheiden sich aber nur wenig
voneinander.
Für den Gasinhalt ist z.B. in Deutschland die direkte Messung (Labormessung oder mit dem Desorbometer) als Standardverfahren
eingeführt worden. Die Bergwerke sind so in der Lage, die Gasinhaltsbestimmungen selbständig durchzuführen.
Die Messgrößen für das indirekte Verfahren (Sorptionsverfahren und Gasdruck in der Lagerstätte) wurden ebenfalls untersucht,
erwiesen sich aber als schwierig. Insbesondere der Gasdruck im Bauflöz ist nicht ausreichend zu erfassen, während die Bestimmung der
Sorptionsisotherme im Labor als ausgereift gelten kann. Immerhin ist das indirekte Verfahren für bankschräg durchbohrte Schichten brauchbar,
weil das dazu erforderliche Bohrloch im Nebengestein gut abgedichtet werden kann.
Ab Anfang der 80er Jahre wurden für mehrere Lagerstätten Untersuchungen durchgeführt, um die Abhängigkeit des Gasinhalts
von der Teufe bzw. vom Abstand zum Deckgebirge festzustellen. Dazu wurden in der Regel Daten aus Übertage-Explorationsbohrungen genutzt und in
Form von Gasführungskarten dargestellt. Durch Gasinhaltsbestimmungen nach dem direkten Verfahren an Proben aus übertägigen und
untertägigen Kernbohrungen wurde festgestellt, dass in der Tendenz der Gasinhalt in der Lagerstätte zur Teufe bis zu einem Maximum zunimmt;
ein für die Beurteilung neuer Lagerstättenteile überaus wichtiges Ergebnis.
Ausgasungsvorausschau
Die Grundlage für die Planung von Betrieben bildet die Ermittlung der zu erwartenden Gaszuströme. Dazu dienen Verfahren zur Vorausberechnung der
Ausgasung, z.B. in der Form des Gasanfalls. Die Ursachen für das Freiwerden von Gas aus der Kohle im Abbaubetrieb und/oder Streckenvortrieb sind
gebirgsmechanische Entlastungsvorgänge, die durch empirische Ausgasungsmodelle beschrieben werden. Maßgeblich für das Ergebnis der
Ausgasungsvorausberechnung sind dabei die Kenntnis über die Ausbildung des Ausgasungsraums um einen Abbau oder einen Vortrieb, den
Ausgasungsgrad in diesem Raum und den Gasinhalt des Bauflözes und der Nachbarflöze. Hierzu wurden in den Mitgliedsländern der EU entsprechende
Untersuchungen durchgeführt und die Verfahren der Vorausberechnung standardisiert. Die Ausgasungsvorausberechnung ist ebenso wie die
Wetternetzplanung und die Klimavorausberechnung für die Bearbeitung auf dem PC programmiert. Bei der Ausgasungsvorausberechnung wurden ab
1985 zwei neue Wege eingeschlagen. Zum einen wurden anhand kontinuierlich erfasster und verarbeiteter Daten kurzfristige Ausgasungsvorausberechnungen
durchgeführt. Zum anderen wurden in Bereichen, in denen Ausgasungsberechnungen bisher versagten, "Expertensysteme" eingesetzt, die die Einschätzung
der unregelmäßigen oder plötzlichen Ausgasung erleichtern sollten. Im gleichen Zeitraum liefen auch die ersten Forschungsvorhaben an, die eine präzise
Vorausberechnung und die Beherrschung der Ausgasung in sonderbewetterten Streckenauffahrungen zum Thema hatten. Erwähnenswert ist in diesem
Zusammenhang der probeweise Einsatz des französischen Vorausberechnungsverfahrens für Streckenvortriebe im deutschen Bergbau. Auf Grund
unterschiedlicher betrieblicher Verhältnisse kann jedoch dieses Vorausberechnungsverfahren nicht ohne Anpassung eingesetzt werden.
Beherrschung der Ausgasung
Die ersten Vorhaben auf dem Gebiet der Beherrschung der Ausgasung befassten sich hauptsächlich mit Abbaubetrieben. Wichtige Punkte waren dabei die betrieblichen
Einflussfaktoren auf die Ausgasung. An erster Stelle der Alternativen steht zunächst die Gasabsaugung. Die Untersuchung und Entwicklung bis zur Betriebsreife
von Stark- (CH4 < 22%) und Schwachgasabsaugung (CH4 > 3%), Liegendgasabsaugung, Vorentgasung des Bauflözes vor dem Abbau und Absaugung aus
Gassammelstrecken über oder unter dem Alten Mann bildeten den Schwerpunkt der Forschung auf dem Gebiet der Ausgasungsbeherrschung. Außer der
Schwachgasabsaugung finden alle anderen genannten Verfahren auch heute noch breite Anwendung.
Inzwischen sind diese Verfahren im Rahmen weiterer Forschungsvorhaben verfeinert, optimal den jeweiligen Gegebenheiten der Lagerstätte angepasst und
mit modernster Technik ausgestattet (z.B. prozessrechnergesteuerte übertägige Gasabsauganlagen mit Verwertung des anfallenden Grubengases). Das
bei Beginn der EGKS-Forschung bereits bekannte Verfahren der Starkgasabsaugung hat einen weltweiten Siegeszug angetreten. Es war aber nötig, eine
optimale Anpassung an die Abbauverhältnisse in den jeweiligen Ländern zu erreichen. Das bezieht sich sowohl auf die Gasabsaugsysteme als auch
auf die Auslegung des Absaugnetzes. Abgesichert werden Gasabsaugung und Wetterstrom durch den Einsatz modernster Messtechnik, die ebenfalls in EGKS -Projekten
entwickelt oder verbessert wurde.
In den 70er Jahren wurden auch die ersten erfolgreichen Versuche durchgeführt, Grubengas aus abgeworfenen Gruben abzusaugen, um betriebene Gruben vor
Gaszuströmen zu schützen. War der Schutz vor Explosionen in Grubenbauen und aktiven Bergwerken zu Anfang der EGKS -Forschung einziger Grund zum
Betrieb einer Gasabsaugung, so sind im Laufe der Jahre weitere wichtige Aspekte hinzugekommen. Dieses sind die energetische Verwertung von Grubengas zum
einen aus wirtschaftlichen Gründen und zum anderen aus Umweltschutzgründen.
Absaugeversuche aus dem Flözhangenden eines Betriebspunktes mit Hilfe von übertägigen Bohrungen brachten unter den Bedingungen der
westeuropäischen Lagerstätten keine spürbaren Entlastungen für den beobachteten Abbaubetrieb.
Positiv zumindest für eine Anzahl von Abbaubetrieben verliefen Versuche mit langen Bohrlöchern (Bohrlochlängen >100 m) zur Fassung des Gases aus dem
oberen Teil des hangenden Ausgasungsraums. Gegenwärtig wird die Idee der Gasabsaugung über lange flözparallele Bohrlöcher im hangenden oder liegenden
Ausgasungsraum weiter verfolgt. Keinen durchgreifenden Erfolg hatten die Versuche der hydraulischen Aufspaltung der Flöze (Hydrofracen) von über Tage aus zur
Steigerung der Vorabsaugbarkeit und großtechnischen Verwertbarkeit des im Flöz enthaltenen Gases gebracht.
Die Themen, die insbesondere die Beherrschung der Ausgasung in "Hochleistungsbetrieben" behandelten, wurden in den 80er Jahren verstärkt angegangen, z.B.
die Ausgasung im Streb/Streckenübergang bei Rückbaubetrieben, die Ausgasung bei stark geneigter bzw. steiler Lagerung, die Ausgasung anlaufender Abbaubetriebe
oder die Ungleichmäßigkeit der Ausgasung im Einflussbereich von Restpfeilern.
Im Gegensatz zur Gasabsaugung waren Versuche zur Beherrschung der Ausgasung am Übergang Streb/Strecke von Rückbaustreben kein Erfolg. Die in
Deutschland eingesetzte "Fenstertechnik" ob mit Fenstern oder Rohren sowie mit oder ohne Schwachgasabsaugung, konnte das Problem nicht lösen. Auch die
im Vereinigten Königreich bis zu einer gewissen Betriebsreife gebrachten back-return-Systeme bzw. Bleederstrecken sind auf andere Lagerstätten nicht ohne
weiteres übertragbar. Wegen der bergtechnischen Vorteile des bergmännischen Rückbaus gegenüber dem Vorbau zeigt sich hier die Notwendigkeit weiterer
Forschungen. Der Vollständigkeit halber sei ein Projekt mit dem Titel "Verhinderung und Beseitigung höherer CH4-Konzentrationen unter Strebförderern" genannt,
dass ebenfalls kein Erfolg war, weder mit geschlitzten Rinnen noch mit Einblasen oder mit Absaugen von Wettern in das oder aus dem Untertrum. Die
Notwendigkeit weiterer Forschungen ist allerdings nicht gegeben, da heute ausschließlich geschlossene Bodenrinnen zum Einsatz kommen. Vermehrt wurde in
der Forschung der 90er Jahre an Modellen bzw. mit Computersimulationen als kostengünstige Alternative zu großtechnischen Versuchen in der Lagerstätte
gearbeitet. Es werden Computersimulationen zur Untersuchung der Bildung lokaler Grubengasansammlungen, aber auch zur Gasführung durch den Gebirgskörper
bzw. im Bruchraum, durchgeführt. Parallel stand im Rahmen der Forschungstätigkeit auch die Ausgasung stillgelegter Bergwerke und die Verwertung von Grubengas
im Vordergrund.
Messtechnik
Zu Anfang der Forschungstätigkeit der EGKS auf dem Gebiet der Messtechnik war zum einen die Entwicklung von Messgeräten für die Messung des
Gehalts an Kohlenmonoxid und Sauerstoff bzw. die Entwicklung von Atemschutzgeräten ("Selbstrettern") und zum anderen die umfassende Erforschung des
Vorkommens und Freiwerdens des in der Steinkohle und deren Nebengestein eingeschlossenen Methans von größtem Interesse.
Besonderer Wert wurde hierbei zunächst auf das Anwenden computergestützter Überwachungssysteme gelegt. Es wurden sowohl Gehalte an
Grubengasen, Wettermengen, Drücke, Temperaturen usw. gemessen, zu einer zentralen Stelle übertragen und dort mit Hilfe von Computern
weiterverarbeitet (z.B. in Form von Tages-, Wochen- oder auch Monatsprotokollen).
Um der besonderen Situation des Bergbaus in einem der Mitgliedsländer Rechnung zu tragen, wurde in den Jahren 1988 bis 1990 mit
Forschungsmitteln eine besondere Kopflampe entwickelt, bei der an dem Verbindungskabel zwischen Batterien und Kopfstück eine
Gasüberwachungseinheit mit Alarmauslösung integriert war. Es wurden Methan, Kohlenmonoxid und Sauerstoff gemessen.
Die genaue Lokalisierung verdeckter Grubenbrände mit Hilfe thermographischer Mess- und Auswerteverfahren war Anfang der 90er Jahre Thema
eines Entwicklungsvorhabens. Aufgrund der für die Anwendung im Bergbau zu geringen Auflösung wurde dieses Messverfahren jedoch nicht weiterentwickelt.
Erfolgreicher wurden einige Jahre später Gasmesseinrichtungen zur Früherkennung von Grubenbränden entwickelt. Es handelte sich um den Prototypen
eines unter Tage zugelassenen Gaschromatographen. Aufgrund der geringen Anzahl der benötigten Messgeräte für den Steinkohlenbergbau konnte aber
kein Hersteller für die Produktion gefunden werden. Mit positivem Ergebnis wurden in den letzten Jahren Verfahren für die selbsttätige Kalibrierung von
wettertechnischen Messgeräten und Gasmesseinrichtungen entwickelt, die mit elektrochemischen Zellen ausgestattet sind.
Bewetterung
Die ersten Entwicklungsvorhaben in den Jahren 1973 - 1976, in deren Titel "Bewetterung" erwähnt wurde, befassten sich mehr mit der Messtechnik
(Erfassen und Verarbeiten von Daten) als mit dem, was unter Bewetterung im allgemeinen verstanden wird. Erst einige Jahre später wurden in der
Forschung reine Bewetterungsthemen aufgegriffen.
Eines der ersten Vorhaben beschäftigte sich mit der über Zusatzlüfter gesteuerten Kreislaufbewetterung und deren Auswirkung auf die
Stabilität der Bewetterung, der Schadstoffkonzentration und der Klimaveränderungen im Grubengebäude. Die Problematik der Kreislaufbewetterung wurde
Jahre später im Bereich von kombinierten Sonderbewetterungsanlagen nochmals aufgegriffen und neu bewertet.
Das Optimieren von kombinierten Sonderbewetterungsanlagen und deren Sicherheit und Verfügbarkeit waren von besonderem Interesse.
Die Auswirkungen des Stillsetzens und Wiederanlaufens von Sonderbewetterungsanlagen auf die Stabilität der Hauptbewetterung wurde in einem
weiteren Vorhaben untersucht. Die Stabilität der Wetterführung unter Tage bei Bränden wurde zuerst Anfang der 80er Jahre im Rahmen eines
Forschungsvorhabens bearbeitet. Ewa 10 Jahre später wurden mit Hilfe von Computern Simulationen gerechnet, und auf dieser Grundlage wurde die
Beurteilung der durch Grubenbrände verursachten Bewetterungsstörungen verbessert.
Ebenfalls zu Beginn der 80er Jahre wurden aerodynamische Verluste in Schächten und Wetterkanälen durch ungünstige Geometrie, durch
Einbauten und durch Fördermittel erfasst und mit Hilfe von Modellen nachvollzogen. Mit großem Erfolg wurden die an den maßstabsgerechten Modellen
erarbeiteten aerodynamischen Verbesserungen in die Praxis umgesetzt. Mitte der 80er Jahre wurde nachgewiesen, dass unter bestimmten Bedingungen
Kosteneinsparungen durch Regulieren bzw. Reduzieren der Bewetterung möglich sind, ohne dass die Sicherheit darunter leidet.
In mehreren Entwicklungsvorhaben wurde auf die Bewetterungsprobleme im Zusammenhang mit Ausgasungsbeherrschung im Abbau eingegangen.
Durch die Umstellung der Bewetterung von wettertechnischem Rück- auf Vorbau oder durch neue Bewetterungssysteme (z.B. Y-, H- und W-Bewetterung)
konnten Lösungen für die betriebliche Praxis gefunden werden.
Klimatisierung
Beim Abschluss des Montanvertrages im Jahre 1952 hatten klimatechnische Fragen in der Regel keine Bedeutung für die Betriebe des europäischen
Steinkohlenbergbaus. Erst mit der zunehmenden Betriebspunktkonzentration verbunden mit einer erhöhten Mechanisierung sowie durch das vermehrte
Vordringen in größere Teufen wurden immer größere Wärmemengen freigesetzt, die zu klimatischen Belastungen führten. Die Einführung von
Klimagrenzwerten in einigen europäischen Ländern spiegeln die Bemühungen wieder, die ergonomischen Belastungen für die im Bergbau Beschäftigten
auf ein erträgliches Höchstmaß zu begrenzen. Die erforderlichen Arbeitsbeschränkungen in klimatisch belasteten Bereichen bedeuteten eine zunehmende
wirtschaftliche Belastung der betroffenen Betriebe, da ohne geeignete Maßnahmen der Kohlenabbau stark eingeschränkt, oder in Extremfällen nicht
durchgeführt werden konnte. Diese Situation machte es erforderlich, geeignete Maßnahmen zu entwickeln, um auch in klimatisch belasteten Betrieben
ausreichend gute Arbeitsbedingungen und damit die angestrebten Fördermengen sicherzustellen. Im Rahmen der von der EGKS geförderten
Forschungsvorhaben sind zunächst wärmetechnische Untersuchungen durchgeführt worden, auf deren Basis Klimavorausberechnungsprogramme
entwickelt wurden. Ein weiterer Schwerpunkt der Forschungsarbeiten bestand in der Untersuchung und Beurteilung der Komponenten und Systeme
zur Klimatisierung der Grubenwetter.
Wärmetechnische Untersuchungen
Die wesentlichen Einflussfaktoren für die klimatische Belastung in den Grubenbauen sind neben der geographischen Lage eines Bergwerks die
Teufe, die Gebirgstemperatur, die Feuchtigkeit der Grubenbaue, die Fördermenge je Betriebspunkt, die maschinellen Einrichtungen, die Hangendbehandlung,
der Wettermassenstrom und die Art der Wetterführung. Zusätzlich beeinflussen sonstige Wärmequellen und Wärmesenken, wie z.B. Rohrleitungen den
Klimazustand in den Grubenbauen. Für den deutschen Steinkohlenbergbau, haben sich seit dem Jahre 1958 wesentliche Einflussfaktoren verändert.
Während Anfang der sechziger Jahre in mechanisierten Abbaubetrieben die installierte Antriebsleistung noch unter 300 kW gelegen haben, sind heute
Leistungen von 2000 kW keine Seltenheit mehr. Es sind sogar schon Abbaubetriebe mit 3800 kW installierter Leistung im Strebbereich betrieben worden.
In Streckenvortrieben konnte ebenfalls über die letzten Jahrzehnte eine deutliche Zunahme der elektrischen Leistung festgestellt werden.
Die ersten Untersuchungen waren darauf ausgerichtet, die Wärmetransportvorgänge im Gebirge und die Übertragung der Wärme von den
Grubenbauen an die Wetter zu untersuchen. Die zunehmende Betriebspunktkonzentration führten zu einer immer höheren Bedeutung der Wärmeabgabe
der Förderkohle und der elektrischen Betriebsmittel für den Klimazustand der Wetter, so dass diese Wärmequellen zunehmend stärker betrachtet wurden.
Ein besonderes Augenmerk wurde darauf gelegt, dass ein wesentlicher Teil der Wärmeübertragung nicht trocken erfolgt. Der größte Anteil der Wärme wird
für die Verdunstung von Oberflächenwasser und die damit verbundene Feuchtigkeitserhöhung in den Wettern genutzt. Die theoretischen Überlegungen, die
durch Labormessungen, z.B. hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit von Karbongesteinen und Kohlen, gestützt wurden, mussten zunehmend durch Messungen
in untertägigen Betrieben ergänzt werden. Es wurden Kennwerte entwickelt, die es ermöglichten, trotz der komplexen Abhängigkeiten bei der Wärmeübertragung
unter Tage, die realen Verhältnisse gut wiederzugeben. Um auch neben den physikalischen Eigenschaften der Gesteine zusätzliche wärmetechnische
Einflüsse zu berücksichtigen, wurde die äquivalente Wärmeleitfähigkeit eingeführt. Dieser Kennwert berücksichtigt neben anderen Faktoren die
Wärmeabgabe der Förderkohle, die Anzahl der Gewinnungsschichten und die Art der Hangendbehandlung (Bruchbau oder Versatz). Ursprünglich
wurde auch die Wärmeabgabe durch elektrische Betriebsmittel mit Hilfe der äquivalenten Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt. Die immer größere Bedeutung
der elektrischen Wärmeabgabe für den Klimazustand der Wetter führte dazu, dass dieser Einflussfaktor bald separat behandelt wurde. Um den Einfluss des
feuchten Wärmeübergangs ausreichend berücksichtigen zu können, ist eine Feuchtigkeitskenngröße entwickelt worden. Dieser Kennwert charakterisiert
den Anteil der feuchten Oberfläche zur Gesamtoberfläche. Der Wert ändert sich in Abbaubetrieben mit der Fördermenge und der Art der Hangendbehandlung.
Bei Strecken ist es nicht unerheblich, ob es sich um eine Strecke mit oder ohne Förderung handelt.
Es zeigte sich, dass wegen der Vielzahl von Einflussfaktoren, die die Wärmeübertragung in Grubenbauen an die Wetter beeinflussen, keine festen
Kennwerte eingeführt werden konnten. Es wurden umfangreiche Messungen durchgeführt und mit deren Hilfe Kennfelder entwickelt. Die Messungen
konzentrierten sich auf die Ermittlung von Klimawerten in Abhängigkeit von der Förderung und der Betriebssituation. Zunehmend wurde die tatsächliche
elektrische Leistungsaufnahme der Betriebsmittel, die teilweise erheblich von der installierten Leistung abweicht, gemessen. Es wurden Abbaubetriebe
in unterschiedlicher Ausführung untersucht. Hierbei variierten u.a. die Art des Ausbaus, die Hangendbehandlung, die Streblängen, die Fördermengen
und die Gewinnungsmittel. Für Streckenvortriebe sind ebenfalls zahlreiche Messungen durchgeführt worden. Hierbei sind sowohl Sprengvortriebe als
auch maschinelle Vortriebe in verschiedenen Varianten berücksichtigt worden. Da sich die Rahmenbedingungen für die Betriebspunkte mit den Jahren
änderten, mussten ständig neue Messungen durchgeführt werden, um den wechselnden aktuellen Gegebenheiten gerecht zu werden.
Mit den Entwicklungen in der Messtechnik wurden die Messungen zunehmend detaillierter. Während die ersten Messungen nur mit erheblichem
Personalaufwand von Hand durchgeführt wurden, sind mit der Zeit schreibende Messgeräte eingeführt worden. Mit modernen Computertechniken
und Übertragungstechniken wurde es möglich, klimarelevante Daten entweder im Gerät abzuspeichern und anschließend über Computer
auszuwerten oder mittels Fernleittechniken direkt auf Rechnereinheiten über Tage zu leiten. Diese Entwicklungen sind im Rahmen von
EGKS -Vorhaben begleitet worden.
Klimavorausberechnung
Die ersten Klimavorausberechnungen sind noch ohne Computer-Unterstützung durchgeführt worden. Zunächst konnten nur trockene Wärmeübergänge
berechnet werden, da die Zusammenhänge bei der feuchten Wärmeübertragung wegen des Fehlens entsprechender Kennwerte nicht ausreichend bekannt
waren. Mit zunehmendem Kenntnisstand der Zusammenhänge bei der Wärmeübertragung unter Tage, sowie durch die Steigerung der Rechnerkapazitäten
wurde es möglich, leistungsfähige Klimavorausberechnungsprogramme zu entwickeln. Anstrengungen zur Klimavorausberechnung sind in verschiedenen
Mitgliedsstaaten der EU unternommen worden. Es wurden Programme zur Bestimmung der Zustände in Abbaubetrieben und in Streckenvortrieben
entwickelt. Grundlage der Berechnungen bildeten neben theoretischen Modellvorstellungen die durch Messungen ermittelten Kennwerte. Die Berechnungen
sind im Laufe der Entwicklung mit realen Messwerten verglichen worden. Es zeigte sich, dass eine gute Übereinstimmung der Rechenwerte mit den realen
Klimazuständen erreichbar sind. Hierfür müssen allerdings die Veränderungen der entsprechenden Einflussfaktoren stetig mitberücksichtigt werden.
Nur mit ausgereiften Klimavorausberechnungsprogrammen lassen sich sichere Klimaplanungen für Abbaubereiche und Streckenvortriebe verwirklichen.
Mit derartigen Programmen können die Trocken-, Feucht- und Effektivtemperatur sowie die relative Feuchte, der Wasserdampfgehalt und der Wärmeinhalt
der Wetter für unterschiedliche Wegabschnitte berechnet werden. Es können unterschiedliche Parameter wie Strecken-, bzw. Streblängen,
Gebirgstemperaturen, Fördermengen, Wetterzuschnitte, Streckenquerschnitte oder Flözmächtigkeiten variiert werden.
Kälte- und Klimatechnik
Die Wärmezuströme durch größere Teufen, Gebirgstemperaturen und Betriebspunktkonzentrationen haben seit den 50er Jahren derart zugenommen,
dass viele Betriebspunkte im Steinkohlenbergbau nur noch mit ausreichenden Kühlmaßnahmen betrieben werden können. Während in den 60er Jahren
noch versucht wurde, die klimatischen Probleme mit entsprechenden wettertechnischen Maßnahmen in den Griff zu bekommen, musste vor allem im
deutschen Steinkohlenbergbau ab 1970 immer stärker auf eine maschinelle Kühlung der Betriebe zurückgegriffen werden. Zeitweilig waren mehr als
250 MW Kälteleistung (1994) im deutschen Steinkohlenbergbau installiert. Mit dem rasant steigenden Kältebedarf der Bergbaubetreiber musste auch
eine Verbesserung der Komponenten zur Klimatisierung sowie die Entwicklung sinnvoller Klimatisierungssysteme vorangetrieben werden. Im Rahmen
der von der EU geförderten Forschungsvorhaben sind eine Reihe von Innovationen zur Klimatisierung untertägiger Grubenbaue messtechnisch begleitet
worden. Viele Messungen auf dem Prüfstand und in den Bergwerken haben zur Optimierung von Klimatisierungskomponenten und Klimatisierungssystemen
geführt.
Eine wirtschaftliche Klimatisierung ist nur möglich, wenn die drei Hauptkomponenten eines Klimatisierungssystems, nämlich Kälteerzeugung,
Kältetransport und Kälteübertragung gut aufeinander abgestimmt sind. Die Entwicklungen während der Einführung der Wetterkühlung haben gezeigt,
dass die Art des Klimatisierungssystems auf die individuellen Gegebenheiten des Bergwerks und der Betriebspunkte abgestimmt werden muss. Wenn
nur ein geringer Kältebedarf zu erwarten ist, bzw. nur in einzelnen lokalen Betriebspunkten für einen überschaubaren Zeitraum eine Kühlung durchzuführen
ist, dann ist die Einführung einer dezentralen Klimatisierung sinnvoll. Hierbei werden lokale Bereiche durch Wetterkühlmaschinen gekühlt. Es sind
aber auch der Einbau dezentraler Kaltwassermaschinen zur Versorgung mehrerer Wetterkühler z.B. in einem Abbaubetrieb denkbar. Vorgenannte Systeme
ersparen die hohen Investitionskosten, die sich beim Aufbau einer zentralen Kälteanlage ergeben würden. Nachteilig ist, dass sich die Maschinen in der
Nähe rauer Betriebstätigkeit befinden, so dass ein erhöhter Reparatur- und Wartungsaufwand entstehen kann.
Bei größerem Kältebedarf in weiten Bereichen eines Bergwerks sind Wetterkühlsysteme mit zentralen Kälteerzeugungsanlagen dezentral
angeordneten Einrichtungen vorzuziehen. Die aufwendige Maschinentechnik befindet sich an einem festen geschützten Standort. Die Kälte wird
über Kaltwasserleitungen den einzelnen Kühlern zugeführt. Die höheren Investitionskosten werden in der Regel bereits mittelfristig durch relativ
geringe Betriebskosten aufgewogen, so dass diese Kälteanlagen bei entsprechend hohem Kältebedarf langfristig mit den geringsten Kosten zu
betreiben sind. Es sind Untersuchungen durchgeführt worden, die die wirtschaftlichen Vorteile bei großen zentralen Kälteanlagen belegen.
Von der EGKS sind Forschungsvorhaben unterstützt worden, die das Ziel hatten, bestehende Kälteanlagen wirtschaftlich zu optimieren. Hintergrund der
Überlegungen war, dass nicht über die gesamte Laufzeit der Kälteanlage die gesamte zur Verfügung stehende Kälteleistung in den Betriebspunkten
benötigt wird. Vor allem während planmäßiger Betriebsruhen können erhebliche Energiemengen eingespart werden, wenn nur der aktuelle Kältebedarf
abgedeckt wird. Berechnungen haben ergeben, dass sich die für eine Steuerung notwendigen Investitionen schon nach kürzer Zeit rechnen würden.
Klimatechnische Untersuchungen in verschiedenen Abbaubetrieben haben gezeigt, dass in zahlreichen Betriebspunkten die Kühlung während der
förderfreien Zeit erheblich reduziert werden kann, ohne negative klimatische Auswirkungen auf die Zeiten nach Wiederaufnahme der Förderung befürchten
zu müssen.
Wasserkühlmaschine
Ein weiterer Kernpunkt der von der EGKS unterstützten Vorhaben war es, Neuentwicklungen bei den Klimatisierungskomponenten zu untersuchen und
mit den Ergebnissen die weiteren Entwicklungen voranzutreiben. Ein besonderer Schwerpunkt bildete die Untersuchung von Kühlern, die in Bergwerken
eingesetzt wurden. Zunächst wurden Wärmeaustauscher mit bewährter Technik aus dem gewerblichen Bereich unter Tage eingesetzt. Die eingeführten
Rippenrohrkühler waren für die rauen untertägigen Betriebe mechanisch nicht stabil genug und hatten bei den anzutreffenden Betriebsbedingungen mit
großen Feuchtigkeiten und hohen Staubkonzentrationen eine sehr hohe Verschmutzungsneigung. Die Verschmutzungen konnten mit keiner
Bedüsungseinrichtung auf Dauer beseitigt werden, so dass neuartige Bauformen entwickelt werden mussten. Es wurden Streifenrohrkühler eingeführt,
die sich besser für den Einsatz unter Tage eigneten. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass mit Glattrohrkühlern auf Dauer die besten Ergebnisse
zu erzielen sind. Leistungsversuche, sowie Staubversuche im Labor haben diese Entwicklung vorangetrieben. Von den Herstellern werden zur
Zeit unterschiedliche Kühlerbauformen angeboten. Alle Kühler, sowie Verdampfer bei Wetterkühlmaschinen sind hierbei mit Glattrohren ausgestattet.
Eine besondere Entwicklung stellen Sprühkühler dar, die zeitweise auf einem Bergwerk einen erheblichen Anteil der Vorkühlung der Wetter übernommen
haben. Hierbei wird das Kaltwasser direkt in die Wetter versprüht. Der unmittelbare Kontakt des Wassers mit den Wettern ermöglicht es, höhere
Kälteleistungen als bei herkömmlichen Kühlern bei gegebenen Wetter- und Wasservolumenströmen zu übertragen. Allerdings sind die infrastrukturellen
Maßnahmen für Sprühkühlersysteme vergleichsweise sehr aufwendig, so dass man bis auf wenige Ausnahmen Abstand von dieser Technik genommen
hat. Bei der Weiterentwicklung von Strebkühlern lag das Hauptaugenmerk auf Minimierung der Staubanfälligkeit und auf Optimierung der Kühlerleistung
bei gleichzeitiger Reduzierung der Baugröße. Zur Zeit werden Strebkühler in runder Bauform und in drei Baugrößen angepasst an unterschiedliche
Flözmächtigkeiten angeboten.
Wärmetauscher im Einsatz
Eine weitere wichtige Komponente bei der Wetterkühlung sind die Kaltwasserrohrleitungen. Eine maximale wärmetechnische Ausnutzung des
Kaltwassers ist nur möglich, wenn das Wasser mit möglichst niedrigen Temperaturen in die Kühler gelangt. Deshalb sind erhebliche Bemühungen
unternommen worden, die Isolierung von Kaltwasserrohren zu verbessern. Hierbei sind der Einfluss des Isoliermaterials, der Isolierdicke, Flanschisolierung
sowie einer Wasserdampfsperre untersucht worden. Mittlerweile sind für die Kaltwasserversorgung praktisch alle Vorlaufleitungen isoliert. Es sind
umfangreiche Untersuchungen an Wetterkühlmaschinen und Wasserkühlmaschinen auf dem Prüfstand und unter Tage durchgeführt worden. Ähnlich
wie bei den Wetterkühlern stand hierbei zunächst das Leistungsverhalten bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen im Mittelpunkt. Mit dem
EU-weiten Verbot von FCKW-Kältemitteln und dem Verbot von H-FCKW22 in Neuanlagen (in Deutschland ab dem 01.01.2000) ergab sich ein erheblicher
Forschungsbedarf für das thermodynamische Verhalten von Ersatzkältemitteln. Es musste vor allem untersucht werden, welche Kältemittel für den Einsatz
in untertägigen Kälteanlagen geeignet waren. Die besonderen Sicherheitsanforderungen im Bergbau schlössen es aus, bewährte Kältemittel wie z.B. NH3
einzuführen. Wegen der Vielzahl bestehender Anlagen musste zudem versucht werden, Kältemittel zu untersuchen, die mit möglichst geringen Verlusten in
den alten Anlagen betrieben werden können. Ein Austausch der bestehenden Anlagen hätte zu erheblichen Kosten geführt, die wirtschaftlich nicht zu vertreten
gewesen wären. Vor diesem Hintergrund sind einige Kältemittel hinsichtlich ihrer Eignung als Austauschkältemittel untersucht worden. Zahlreiche Messungen
auf dem Prüfstand zeigten, dass für Anlagen, die bisher mit R22 betrieben wurden, R407C ein sehr geeigneter Austauschstoff ist, da hier mit vertretbarem
Aufwand Kälteanlagen umgerüstet werden können, ohne erhebliche Leistungsverluste in Kauf zu nehmen. Der Ersteinsatz einer mit R407C
betrieben Wetterkühlmaschine ist im Rahmen eines Forschungsvorhabens erfolgreich messtechnisch begleitet worden.