Brennende Flöze

[Fahrsteiger]

Schwelendes Kohlefeuer in China nach 50 Jahren gelöscht
In Deutschland brennen Flöze seit über 100 Jahren
Urumtschi - Ein unterirdischer Kohlebrand im Norden Chinas ist nach mehr als 50 Jahren gelöscht worden. Solche Feuer, die sich langsam durch Kohlelagerstätten unter der Erde fressen, lassen sich schwer löschen. Zudem stehen Unmengen an Brennstoff zur Verfügung, und der notwendige Sauerstoff gelangt durch Erdspalten oder Bohrungen vom Kohlebergbau in die Tiefe.Der Erfolg der chinesischen Feuerkämpfer lenkt die Aufmerksamkeit auf eine große Anzahl weiterer Kohleflözbrände rund um den Globus in Indien, Russland, Amerika, Australien und Afrika. Kleine Feuer glühen aber auch in Deutschland, Polen oder Tschechien. Die Brände vernichten nicht nur wertvolle Kohlevorräte, sondern bringen auch giftige Gase wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid an die Oberfläche. Nach einer Schätzung der TU Wien produzieren allein die chinesischen Kohleflözbrände so viel CO2 wie alle Autos der USA in zwei Jahren.Rund einen Quadratkilometer groß und 100 Meter unter der Oberfläche, brannte das Feuer im Terak-Flöz von Urumtschi, der Hauptstadt der Provinz Xinjiang. Die Brandbekämpfer bohrten vor allem zusätzliche Löcher in den Boden, in die sie Schlick und Wasser pumpten, um dem Feuer Hitze zu entziehen. Anschließend wurden alle bekannten Öffnungen versiegelt, um die Sauerstoffversorgung abzuschneiden.Wie das Chinese Coalfield Fire Fighting Project Office meldet, soll die Gegend bis 2009 überwacht werden, um ein Wiederaufflammen zu vermeiden oder zu bekämpfen.Flözbrände brauchen Brennstoff, der durch die Kohle gegeben ist, Sauerstoff und ausreichend Wärme zum Entzünden. Von bodennahen Lagerstätten sind Entzündungen durch natürliche Ursachen bekannt, etwa Blitzschläge oder Hitze, die zuerst die Vegetation und dann die Kohle entzündeten. Die meisten Brände sind allerdings von Menschen verursacht und durch sie erst möglich: Erst der Kohleabbau durchzieht die meisten Lagerstätten mit ausreichend Bohrlöchern und Schächten, sodass Sauerstoff zirkulieren kann.Als ältestes Flözfeuer gilt der "Burning Mountain" im Osten Australiens, der vermutlich seit rund 6000 Jahren Rauch ausstößt. Lange Zeit hielt man ihn für einen Vulkan. Ein rund 130 Jahre altes Feuer in China konnte 2004 gelöscht werden, in den USA gibt es Brände, die zur Umsiedlung der Menschen führten. Auch in Deutschland gab es im vergangenen Jahrtausend mehrere Kohleflözbrände, die teils erst nach Hunderten von Jahren gelöscht wurden. In Dudweiler im Saarland brennt ein Flöz seit 1668 noch heute, und auch am Hohen Meißner schwelt Braunkohle seit mehreren Hundert Jahren.
Glück Auf
Horst

[AdM_Michael]

Zu diesem Thema gibt auch es breits seit einigen Jahren ein deutsch/chinesisches Forschungsprojekt. Einige Ergebnisse gibt es auf dieser Seite:

http://www.coalfire.caf.dlr.de/intro_en.html

Hier noch ein paar weitere Grundlagen:

Selbstentzündungsbrände werden auch als endogene Brände bezeichnet. Sie entstehen durch die Neigung eines Minerals oder Stoffes zum Selbstentzünden in Kombination mit falscher Führung von Arbeiten oder Anwendung geeigneter Abbauverfahren und unsachgemäßer Bewetterung. Das Problem der Selbstent-
zündung begleitet den Bergbau schon sehr lange. Die selbsttätige Erwärmung eines Stoffes durch innere Ursachen bis zur Entzündung bezeichnet man als Selbstentzündung. Eine Wärmezufuhr von außen ist nicht erforderlich, wirkt aber unterstützend. Die Oxidationswärme der exotherm verlaufenden Sauerstoffaufnahme des Kohlenstoffs bei Kohlen und Holz sowie des Schwefels bei verschiedenen Sulfiden in einem Luftstrom von A nach B ist unter ungünstigen Bedingungen als Wärmequelle ausreichend. Folgende Auswahl von Stoffen neigt zur Selbstentzündung:
– Braunkohlen
– Steinkohlen
– sulfidische Erze
– reduzierte Eisenoxide
– Holzkohle
– Holz
– Heu
– Wollreste
– Leinsamenöl
– Mehl
– Kakaopulver
– andere fein aufgemahlene organische Stoffe

Sobald mehr Wärme freigesetzt wird als abgeführt werden kann, kommt es zur Entzündung. Das Risiko eines solchen Brandes besteht schon bei Temperaturen weit unterhalb der Zündtemperatur des Materials.
Selbstentzündungen entstehen nicht plötzlich. Sie haben in Abhängigkeit von der Stoffmenge, den Materialeigenschaften und anderen äußeren Einflüssen eine Inkubationszeit von einigen Stunden bis zu mehreren Monaten.

Eigenschaften der Kohle
Die Hauptursache für das Phänomen der Selbstentzündung von Kohle ist die Oxidation von kohlenstoffhaltigen Substanzen. Zusätzlich können äußere Einflüsse unterstützend wirken. Der genaue Ablauf des Prozesses ist noch immer nicht vollständig erforscht.
Zunächst wird Sauerstoff vom Kohlenstoff in der Kohle absorbiert. Durch die Sauerstoffaufnahme werden Kohlenstoffdioxid und Wärme produziert. Bei den nachfolgenden Reaktionen entstehen Kohlenstoffmonoxid und höhere Temperaturen.
Mit der beginnenden Erwärmung der Kohle entsteht CO2. Die Temperatur kann dann langsam von der Anfangstemperatur T0 auf bis zu 100 °C ansteigen oder wieder sinken. Fällt sie selbständig oder von außen beeinflußt ab, so stoppt die Reaktion zumindest zeitweilig. Ist die kritische Temperatur von ca. 100 °C einmal überschritten, kommt es zu einem beschleunigten Temperaturanstieg und zur CO-Produktion. Die Erwärmung kann immer noch beendet werden. Sind jedoch 150 °C überschritten, ist die weitere Entwicklung bis zur Entzündung der Kohle so schnell, daß sie kaum verhindert werden kann. Sobald eine Temperatur von ca. 300 – 500 °C erreicht wird, entzündet sich die Kohle. Zwischen ca. 500 – 800 °C kommt es zu Flammenerscheinungen.
1. Inkubationsperiode
2. Indikationsperiode
3. Brand
Die Inkubationsperiode ist die Zeit vom ersten Oxidationsvorgang bis zu dem Punkt, an dem der Brandbeginn erstmalig mit den Sinnesorganen festzustellen ist. Dieser Zeitraum kann mehrere Wochen dauern. Anschließend beginnt die Indikationsperiode. Zunächst bilden sich Schwitzstellen, ohne daß bereits
Brandgase auftreten müssen. Danach folgt ein Austreten von CO und CO2. Sobald das Schwitzen zurückgeht und der Brandgeruch beginnt, ist die Indikationsperiode beendet. Die Indikationszeit ist oft sehr kurz
und dauert manchmal nur wenige Stunden.
Auf die Indikationsperiode folgt der Brand. Kohle brennt selten mit offener Flamme, sondern glimmt unter Entwicklung von blau-weißem Rauch. Um den Brandherdw können drei Zonen unterschieden werden:
1. In der Oxidationszone unmittelbar um den Brandherd findet die Verbrennung statt. Es entsteht CO2.
2. In der darauf folgenden Reduktionszone bilden sich CO und H2.
3. In der äußeren Destillationszone entstehen die Destillationsgase CH4, C2H6, C2H4, C2H2, die aromatischen Kohlenwasserstoffe und alle Brandgase.
Die Selbstentzündungseigenschaften der Kohle werden durch verschiedene bergbauliche und geologische Faktoren gefördert.

Faktoren mit Einfluß auf die Selbstentzündung
Die Selbstentzündung ist ein komplexer physikalisch-chemischer Prozeß mit sich überlagernden Reaktionen, die schwierig zu differenzieren sind. In der folgenden Auflistung werden mögliche Einflüsse auf das Selbstentzündungsverhalten der Kohle aufgeführt:
1. Oberfläche
Die Oxidationsrate und damit die freigesetzte Wärme hängen von der Gesamtoberfläche inklusive der Porenoberfläche ab. Die Aufnahmerate für Sauerstoff ist bei frischen Kohlenoberflächen hoch. Sie nimmt mit fortschreitender Oxidation kontinuierlich ab.
2. Kohlenart
Jüngere Kohlen enthalten in der Regel mehr Feuchtigkeit, Sauerstoff und flüchtige Bestandteile als ältere Kohlen. Ein niedriger Inkohlungsgrad bedeutet daher eine größere Anfälligkeit für Selbstentzündung. Für die gleiche Kohlenart kann die Oxidationsrate jedoch über eine große Breite streuen.
3. Flüchtige Bestandteile
Je höher der Anteil flüchtiger Bestandteile ist, desto mehr neigt die Kohle zur Selbstentzündung.
4. Petrographische Zusammensetzung
Es wird angenommen, daß die Oxidationsrate von den Anteilen der Bestandteile Vitrit, Clarit, Durit und Fusit in abnehmender Reihenfolge abhängt.
5. Sauerstoffgehalt
Eine erhöhte Reaktionsfähigkeit bei geringem Inkohlungsgrad wird auf den höheren Sauerstoffgehalt dieser Kohlen zurückgeführt. Sinkt er, nimmt die Oxidationsrate der Kohle ab. Die Tendenz zur Erwärmung ist jedoch nicht immer proportional dazu. Die Oxidationsrate ist an jeder Stelle der Kohlenoberfläche abhängig vom Sauerstoffgehalt der Wetter. Enthält die Atmosphäre keinen Sauerstoff, kommt es nicht zur Oxidation.
6. Feuchtigkeitsgehalt
Feuchtigkeit kann zusätzliche Öffnungen in der Kohle erzeugen und damit die Erwärmung durch Oxidation unterstützen. Die gebundene Wärme des Wassers wird abgegeben. Da Kohle hygroskopisch ist, kommt es durch die Interaktion der Flüssigkeit mit der Kohlenoberfläche zu einer großen Wärmeproduktion. Zudem kann Feuchtigkeit als Katalysator bei der Reaktion einiger brennbarer Gase dienen. Daher entstehen häufig neue Brände durch das Sümpfen gefluteter Brandfelder.
7. Aschegehalt
Die Oxidation von Kohle findet vorwiegend in den organischen und nur zum geringen Teil in den mineralischen Bestandteilen statt. Asche hemmt daher im allgemeinen die Oxidationsrate. Zu einem gewissen Anteil kann jedoch die mineralische Zusammensetzung der Asche sowohl bremsend als auch
beschleunigend auf die Oxidation wirken.
8. Schwefelkiesanteil
Schwefelkies (FeS2) kommt oft feinverteilt in den verschiedensten Formen und Größen in der Kohle vor. Er oxidiert leicht bei Umgebungstemperatur beim Vorhandensein von Feuchtigkeit und Luft durch eine Kombination von Reaktionen unter Volumenzunahme und Wärmeentwicklung. Dabei werden
Eisensulfate und Schwefelsäure freigesetzt. Durch die Volumenzunahme können sich Risse in der Kohle und damit neue, frische Oberflächen bilden. Die Wärmeabgabe der Pyrit-Oxidation kann zu einem unterstützenden Temperaturanstieg führen. Sofern der Anteil an fein verteiltem Schwefelkies 5
bis 10 % übersteigt, kann die Pyrit-Oxidation Auswirkungen auf die Kohle zeigen. Ein Gesamtanteil unter 5 % hat nur eine untergeordnete Bedeutung. Handelt es sich jedoch beispielsweise um Konzentrationen in dünnen Schichten, besteht trotzdem die Möglichkeit einer Erwärmung.
9. Temperatur
Die Temperatur hat einen großen Einfluß auf die Oxidationsrate. Sie verdoppelt sich für jeweils 10 °C Temperaturanstieg. Bei konstanter Temperatur nimmt die Oxidation mit der Zeit ab, und die Oxidationsprodukte lagern sich an der Kohle an. Bei niedrigen Temperaturen wird die Sauerstoffaufnahme gefördert, während bei hohen Temperaturen die gasförmigen Folgeprodukte freigesetzt werden.
10. Methangehalt
Speziell in gashaltigen Kohlen kann freigesetztes Methan in den Makro- und Mikroporen eine inerte Atmosphäre erzeugen und so der Oxidation bei niedrigen Temperaturen entgegenwirken. Die Abgabe von CH4 nimmt mit der Zeit stark ab. Dadurch werden wiederum größere Oberflächenbereiche der
Oxidation durch Sauerstoff ausgesetzt. Der gebundene Anteil an Methan in der Kohle kann zur Beurteilung der Selbstentzündungsgefahr verwendet werden:
– <5 m³ CH4/t Kohle hohe Oxidationsraten
– >8 m³ CH4/t Kohle keine Oxidation

Die oben aufgeführten Punkte werden ergänzt oder beeinflußt durch:
– geologische Faktoren
– technische Faktoren
– Umgebungsfaktoren
Die technischen Parameter sind im Gegensatz zu den geologischen durch den Bergbautreibenden beeinflußbar.

Geologische Faktoren
Geologische Faktoren sind unveränderliche Vorgaben für den Grubenbetrieb. Folgende Auflistung gibt einen Überblick über einzelne Einflüsse:
1. Lagerungsverhältnisse
Die Selbstentzündungseigenschaften eines Flözes hängen unter anderem vom Einfallen und von der Mächtigkeit ab. Flöze mit mehr als 3 m Mächtigkeit
gelten als besonders gefährdet:
– Durch den Gebirgsdruck kann stehengelassene Kohle zerdrückt werden.
– Besonders bei Mehrscheibenabbau sind große Abbauverluste möglich.
– Es können verstärkt Bergemittel mit minderwertiger Kohle auftreten.
Bei einem steilen Einfallen der Lagerstätte kann es zu Konvektionsströmen und Auftriebseffekten im Wetterstrom kommen, in deren Folge Schleichwetterströme im Alten Mann entstehen. Außerdem kann
der Zulauf von Wasser begünstigt werden.
2. Überdeckung
Die Mächtigkeit des Deckgebirges beeinflußt die Selbstentzündungseigenschaften der Kohle. Bei Abbauen in geringer Teufe können durch Rißbildung Verbindungen zur Oberfläche entstehen. Sie ermöglichen das Eindringen von Schleichwettern und Feuchtigkeit in den Alten Mann. Die Wegsamkeiten können sich bei einem Mehrflözabbau zur Teufe fortsetzen. Ähnliches gilt bei einem hohen Durchbauungsgrad einer Lagerstätte für wetterwirksame Verbindungen zwischen den verschiedenen Abbauniveaus. Senkungen der Tagesoberfläche und Rißbildungen können auch durch Brände in geringen Teufen entstehen.
Mit zunehmender Teufe nimmt die Temperatur in der Lagerstätte zu. Die Selbstentzündungsgefahr wird jedoch zur Teufe durch den steigenden Inkohlungsgrad verringert. Da sich aber auch die Methanausgasungen erhöhen, sind größere Druckdifferenzen für die Bewetterung notwendig. Außerdem werden die Konvergenzen der Grubenbaue größer. Es ist
möglich, daß neue, frische Kohlenoberflächen freigelegt werden. Durch Sohlenhebung können Begleitflöze oder Schwefelkieslager im Liegenden Kontakt zum Wetterstrom erhalten.
3. Tektonik
Durch eine starke Kleintektonik kann die Selbstentzündung gefördert werden. Schleichwetter und Feuchtigkeit können mit zerriebenen Störungskohlen in Kontakt kommen.
An größeren Störungen kann zudem Topkohle angebaut werden, die im Bruchraum fein aufgebrochen wird und in Verbindung mit Schleichwettern die Entzündungsgefahr erhöht. Störungen verlangsamen außerdem den Abbaufortschritt, so daß die mögliche Einwirkzeit von Schleichwettern verlängert wird. Bei einem oberflächennahen Abbau stellen Störungen Wetter- und Wasserwegsamkeiten dar.
4. Begleitflöze
Durch den hinter dem Streb herwandernden, durchlässigen Teil des Bruchraums und die Rißbildung im Hangenden kann diese Kohle in Kontakt mit Schleichwettern kommen. Bei geringen Abständen kann zusätzlich zerbrochene Kohle in den Alten Mann gelangen.
Begleitflöze im Liegenden können durch Sohlenhebung oder große Druckunterschiede an Wetterbauwerken in den Bereich von Schleichwetterströmen gelangen. Zusätzlich ist durch Auflockerung der
Sohle ein Eindringen von Feuchtigkeit möglich. Es kann zur Entzündung des Begleitflözes selbst oder, durch die Wärmeentwicklung, des Hauptflözes kommen.
Schwefelkieslager im Hangenden und Liegenden sind ebenso wie die Begleitflöze betroffen.
5. Bergemittel, Auswaschungen und Intrusionen
Bergemittel, Auswaschungen und Intrusionen können die Abbaugeschwindigkeit verringern und zusätzliche Wetterwegsamkeiten für Schleichwetterströme und Feuchtigkeit bereitstellen. Durch die Wärmeeinwirkung während der Entstehung der Intrusionen ist in diesen Bereichen eine Veränderung der Kohleneigenschaften möglich.

Für eine Selbstentzündung im oberflächennahen Bereich reicht ein geringer Kontakt mit Sauerstoff aus. Dies kann z.B. am Ausbiß erfolgen. Hat der Flözbrand erst einmal angefangen kommt es durch den Volumenverlust im Flöz zu Senkungen und dadurch zu Rißbildungen. Diese Risse sorgen für die weitere Sauerstoffversorgung und der Brand schreitet weiter fort. Ein Ende kann nur durch Abkühlung, Brennstoffverlust und/oder Sauerstoffmangel herbeigeführt werden.

Mit der Ursachenforschung und dem Loeschen der Braende hat man sich auch schon sehr frueh beschaeftigt:

Die früheste Erwähnung von Selbstentzündungsbränden in Schottland stammt aus dem Jahr 1677. Nach dem Sümpfen des Standwassers in der Happie Mine bei Methil nördlich von Edinburgh in Schottland durch den Earl of Wemyss kam es ab 1666 zum ersten Brand von Kohlenklein im Alten Mann. Das Brandfeld wurde abgedämmt. Die Brandbekämpfung war erfolgreich.
Der zweite Brand ereignete sich 1674. Als erste Maßnahme wurde das brennende Kohlenklein abgefördert. Das Feuer soll dadurch gelöscht worden sein. Zusätzlich wurde auch dieses Brandfeld abgedämmt. Bis 1677 erfolgte keine Dammöffnung. Der Earl of Wemyss vermutete als Brandursache in beiden Fällen das Sümpfen der Standwasser und Trocknen des Kohlenkleins.

Die alten Vermutungen aus Schottland haben sich im wesentlichen später bestätigt. Durch das Löschen von Bränden ut durch Fluten und nachfolgendes Sümpfen vergrößern sich die Poren in der Kohle und es kann zusätzlich zum Aufbrechen von Kohlenstücken kommen. Beides sorgt für eine große Oxidationsfläche.

[Thomas_Witzke]

Die erste mir bekannte Erwähnung von Flözbränden stammt von G. Agricola (1530): Bermannus sive de re metallica. Er schreibt hier , dass die Kohlegruben bei Zwickau-Planitz in Brand gerieten als er noch ein kleiner Junge war und die Flammen aus den Gruben wie aus Ätna und Vesuv loderten. Der Brand erlosch um 1590. Durch Plünderungen im Dreißigjährigen Krieg kam es 1641 zu einem zweiten Brand in Planitz. Durch das Errichten von Brandmauern konnte der Brand zwar eingedämmt werden, aber erlosch nie völlig. 1838 hat man auf den von dem Brand erwärmten Flächen eine Gärtnerei eingerichtet, in der u.a. Ananas gezüchtet wurde.


Die Oxidation von Pyrit bzw. Markasit ist unter natürlichen Bedingungen kein rein chemischer Vorgang, sondern überwiegend bakteriell bedingt. Chemoautotrophe Bakterien wie Thiobacillus ferrooxidans und T. thiooxidans besiedeln gerne Eisensulfide. Sie schaffen die für sie optimalen Bedingungen von 15 - 30°C und einen pH-Wert von 2 - 3 selber und beschleunigen dadurch die Eisensulfidzersetzung stark. Bei ungenügender Wärmeabfuhr kann dann die Temperatur recht schnell ansteigen und die chemische Eisensulfidzersetzung gewinnt an Bedeutung. Lebensfähig sind die Bakterien bis mindestens 75°C.


Glück Auf,
Thomas

[AdM_Michael]

Die Oxidation von FeS2 funktioniert auch ohne Bakterien. Wichtig ist nur, dass bei ausreichender Sauerstoffzufuhr ein Waermestau ensteht. Der Temperaturanstieg kann jedoch durch verschiedene Faktoren (z.B. Bakterien) beschleunigt werden.
Fuer FeS2 gilt folgende Formel mit exothermen Ergebnis:

2FeS2+7O2+2H2O -> 2FeSO4+2H2SO4+10.86 MJ/kg

Jedoch ist die Neigung von Schwefelkies zu Selbstentzuendung deutlich geringer als bei Kohle. Die Entzuendungstemperatur liegt bei 260°C.

Der aelteste Bericht ueber eine Floezbrand bei Koeln im Jahr 58 stammt von Tacitus.
Aber auch die Griechen hatten schon Probleme mit Selbstentzuendung von Kohle.