Explosionsverläufe mit Kohlenstaub

Kohlenstaubexplosion: Die Bilder wurden auf der DMT-Versuchsgrube Tremonia in Dortmund auf der 4.Sohle in ca. 352m Teufe aufgenommen und mit freundlicher Genehmigung zur Verfügung gestellt.

Kohlenstaubexplosion

Bild 1: Explosionsverläufe mit Kohlenstaub. Demonstration einer Kohlenstaubexplosion mit dem sogenannten "Kohlenstaubschuß".

 Methan-Firstenschicht-Abflammung

Bild 2: Verlauf der Methan-Firstenschicht-Abflammung mit einer Verpuffung am Ende der Brennstoffzone.

Die Entwicklung von vorbeugenden und konstruktiven Schutzmaßnahmen gegen Explosionen (PDF) unter Tage setzt voraus, daß fundierte Kenntnisse über die Explosionsverläufe vorhanden sind. Daraus kann der Umfang und der Aufwand abgeleitet werden, der betrieblicherseits erbracht werden muß, um die Sicherheit gegen solche Ereignisse gewährleisten zu können. Die Grundlage für diese Erkenntnisse stellen sogenannte Leerversuche dar, bei denen der Explosionsverlauf ohne Bekämpfungsmaßnahme untersucht wird. Die entscheidende Frage dabei ist, unter welchen Kriterien sich eine Explosion zur selbständigen Laufexplosion entwickelt oder vorzeitig zum Abbruch kommt. Als Kriterien einer selbständigen Laufexplosion gelten:

  • Die Explosionsflamme muß das Ende einer definierten Brennstoffzone erreichen. d.h., der Flammenverlängerungsfaktor ist > 1 (Der Flammenverlängerungsfaktor ist das Verhältnis der Länge der Explosionsflamme zur Länge der definierten Brennstoffzone).
  • Der statische Explosionsdruck muß unabhängig vom Initialdruck > 20 kPa betragen.
  • Die Flammengeschwindigkeit muß > 50 m/s erreichen.

In dem untertägigen Explosionsstreckennetz der Versuchsgrube Tremonia war die Möglichkeit gegeben, in unterschiedlichen Streckenquerschnitten mit Kohlenstaub und Methanexplosionen realitätsnah eine breite Variante an Versuchen durchzuführen. Durch die Länge der Explosionsstrecke R3 (735m) war es auch möglich, Explosionen mit Brennstoffzonen von mehreren 100 m Länge durchzuführen. Eine Möglichkeit, die sonst nirgendwo gegeben war.

Um die großen Schwankungen der relativen Luftfeuchte aufzufangen, die sich von über Tage direkt nach unter Tage bemerkbar machten, war am Eingang zu den Explosionsstrecken eine Klimaanlage installiert. Mit dieser wurde die relative Luftfeuchte in dem Versuchsgebiet der 4. Sohle auf Werte von 55 bis 65% gehalten. Klimaanlage klingt in diesem Zusammenhang vielleicht ein wenig ungewohnt und eher nach Komfort, denn nach Notwendigkeit. Doch die ist hier absolut gegeben, denn falsche Werte sind lebensgefährlich. Schwankende Luftfeuchtigkeitswerte kann man auch mit Luftentfeuchtern auffangen, aber um nach der Versuchsexplosion den Ursprungszustand wieder herzustellen, sind Maschinen zur Luftreinigung mit Absaugfiltereinheiten nötig. Die Leistung dieser Großheizer reicht von 40 kW bis 120 kW, ihre Warmluft ist - nicht nur in diesem Einsatzgebiet wichtig - rauch-, flamm- und kondensatfrei. Für Versuche wie die genannten können sie auch tageweise gemietet werden.

Kohlenstaub in abgelagerter Form ist relativ ungefährlich. Um zu demonstrieren, wie schnell sich dies allerdings ändern kann, zeigte die Versuchsgrube Tremonia in ihrem untertägigen Demonstrationsprogramm den sogenannten Kohlenstaubschuß. Sinn dieser Vorführung war es, den fachkundigen Besuchern deutlich zu machen, mit wie wenig Kohlenstaub eine gefährliche Situation entstehen kann. Dazu wurde vor einem Gesteinsbohrloch eine 0,10 m breite und 0,60 m lange Stahlblechhorde angeordnet. Auf der Horde befand sich rd. 1 kg Kohlenstaub (Dortmunder Normalstaub). Gezündet wurde dieser mit zwei Kunkeln Schwarzpulver (80g). Durch den Zündvorgang wurde ein Teil des abgelagerten Kohlenstaubs aufgewirbelt, ein Teil fiel zur Streckensohle. Der aufgewirbelte Kohlenstaub (rd. 500 g) ergab einen Feuerball, der den gesamten Streckenquerschnitt ausfüllte (siehe Bild 1). Der Versuch demonstrierte jeweils sehr eindeutig die Gefahr, die von geringen Mengen an Kohlenstaub ausgehen kann.

Quelle: Explosionsschutz im Bergbau unter Tage, Dr. Jürgen Michelis