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Sicherheitstechnik bei der Förderung von Grubengas

Dr.-Ing. Rainer Sielker

0. Vorbemerkung

Als Folge des Bergbaus im Ruhrgebiet wurden das Erdreich und die nicht abgebauten Kohlenflöze aufgelockert, und es bildeten sich Hohlräume und Spalten. Durch den bergmännischen Abbau der Kohle ist nur der wirtschaftlich verwertbare Teil der Kohlenvorräte genutzt worden. In der weiterhin vorhandenen Kohle ist Grubengas (ca. 80 % CH4) adsorptiv gebunden, das mit der Zeit aufgrund des Rückgangs Gebirgsdruckes durch den Kohlenabbau freigesetzt wird. Da die Bewetterung der untertägigen Strecken in stillgelegten Bergwerken aufgegeben wird und untertägige Strecken abgedämmt werden, sammelt sich das Grubengas in den entstandenen Hohräumen. Insbesondere bei Abfall des atmosphärischen Luftdruckes dringt das Grubengas an die Tagesoberfläche, soweit ein nicht gasdichter Weg vorhanden ist. Dies geschiet diffus oder an Entgasungsrohrleitungen, die in verfüllte Schächte eingebracht worden sind. Der diffuse Austritt des Grugengases ist geographisch nicht gleichmäßig. An geologischen Sprüngen und in Bereichen eines gasdurchlässigen Deckgebirges können so hohe Methanmengen entweichen, dass besondere Sicherheitsvorkehrungen notwendig werden, um eine gefährliche Anreicherung - insbesondere in tiefliegenden Räumen - auszuschließen.

1. Eigenschaften von Grubengas

Abbildung 1: Grubengasabsaug- und Verwertungsanlage Mont Cenis in Herne

1.1 Grubengas aus laufenden Bergbaubetrieben

Wenn eine Methankonzentration bis 1 % im Abwetterstrom nicht mehr gesichert ist, wird das Grubengas in Bergwerken gezielt abgeführt. Das methanhaltige Grubengas wird als Starkgas mit einer Konzentration oberhalb der oberen Explosionsgrenze (OEG) abgesaugt. Die Absaugung wird z. B. an Bohrlöchern angeschlossen, die ein abzubauendes Flöz vorentgasen, oder es werden abgedämmte Grubenbereiche besaugt, um den Gasübertritt in das aktive Grubengebäude zu reduzieren. Bei der Absaugung wird neben Methan auch unweigerlich Luft aus dem Wetterstrom angesaugt, die aufgrund des angelegten Unterdrucks durch Klüfte und Spalten oder an Undichtheiten von Bohrlöchern in die Gassaugleitung einströmt. Je nach Ausführung der Absaugung schwankt der Methangehalt im Grubengas zwischen 25 und 80 %. Neben den vernachlässigbaren Spurengasen (CO, CO₂, H₂S) enthält das Grubengas aus laufenden Bergbaubetrieben Luft mit dem in der natürlichen Atmosphäre vorhandenen Verhältnis von Sauerstoff und Stickstoff.

Abbildung 2: Grubengasabsaugung an aktiven Bergwerken

1.2 Grubengas aus stillgelegten Bergbaubetrieben

In dem Grubengas aus stillgelegten Bergbaubetrieben ist der Gehalt an freiem Sauerstoff vernachlässigbar. Das Gas weist einen Methangehalt von 60 bis 90 % auf. Der restliche Anteil besteht im wesentlichen aus Stickstoff und Kohlendioxid. Offensichtlich reagiert der Sauerstoff eindringender Luft zu Kohlendioxid. Ein größerer Sauerstoffanteil kann allerdings auftreten, wenn der Abstand zwischen Entgasungsstelle und noch bewetterten Bereichen gering und die Abdämmung unzureichend ist.

Falls in der Fackelöffnungen von Schachtentgasungen keine Rückströmsicherung eingebaut ist, dringt bei Hochdrucklagen Luft in die Schachtleitung ein. Bei Abfall des Luftdruckes tritt dann eine Strömungsumkehr in der Entgasungsleitung auf. Neben dem Grubengas wird dann anfänglich auch die angesaugte Luft wieder abgeführt, die aufgrund kurzer Verweilzeit noch einen hohen Anteil nicht reagierten Luftsauerstoffs enthält.

Unter folgenden Bedingungen wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von freiem Sauerstoff erhöht:

• geringe Tiefe der Bohrung,
• kein direkter Anschluss an ein ehemaliges Abbaugebiet oder an eine untertägige Strecke,
• hohe Gasdurchlässigkeit des Deckgebirges.

Abbildung 3: Fackelanordnung

Abbildung 4: Grubengasabsaugung an stillgelegten Bergwerken

Die Abbildung 5 zeigt verschiedene Anordnungen der Gasfackel mit der Flammendurchschlagsicherung und des Gassaugers. Die erste Einrichtung wirkt ohne unterstützendes Gebläse, so dass die Entgasung nur entsprechend des Druckunterschiedes zwischen Atmosphäre und Grubenbau verläuft. Bei atmosphärischem Tiefdruck wird Grubengas abgegeben, während beim Hochdruckwetterlage auf Luft angesaugt werden kann. In der zweiten und dritten Anordnung wird Gas aktiv abgesaugt. Eine Mengenregelung erfolgt durch eine Klappensteuerung an der Ausblaseleitung, über die nicht verwertbares Gas abgegeben wird. Die zweite Anordnung hat den Vorteil, dass auch eine natürliche Entgasung bei Stillstand des Gebläses aufrecht erhalten wird. In der dritten Anordnung ist zwar der Eintritt von Luft über die nun auf der Druckseite angeordnete Fackel ausgeschlossen, aber für eine aus Sicherheitsgründen erforderliche Ausgasung muss das Geläse auch bei Stillstand des Verbrauchers in Betrieb bleiben.

Abbildung 5: Anordnungen von Fackel und Gassaugern

1.3 Eigenschaften von Methan

Methan ist nach der Gefahrstoffverordnung ein hochentzündliches Gas. Es ist farb- und geruchlos. Das Grubengas ist allerdings meistens wahrnehmbar, da der Schwefelwasserstoff einen fauligen Geruch bewirkt. Die wesentlichen Eigenschaften von Methan sind in der Tabelle 1 aufgeführt. Da Methan spezifisch leichter ist als Luft, ist bei Lüftungsmaßnahmen das Gas immer nach oben abzuführen.

Abbildung 6: Explosionsdreieck eines Gemisches aus Methan, Luft und Inertgas (hier: Stickstoff oder Kohlendioxid).(Die Einflüsse von CO2 und Stickstoff unterscheiden sich geringfügig)

Tabelle 1: Eigenschaften von Methan

Aus Abbildung 6 kann entnommen werden, dass mit steigendem Inertgasanteil in einem Methan-Luft-Gemisch der Explosionsbereich schmaler wird. Bei einem Restsauerstoffanteil von 11,6 % bei der Inertisierung mit Stickstoff bzw. 14,1 % bei der Inertisierung mit Kohlendioxid ist keine Zündung mehr möglich (partielle Inertisierung). Die vorgenannten Zahlen gelten für Umgebungsdrücke. Bei höheren Drücken ist zu beachten, dass die obere Explosionsgrenze ansteigt. Die Zündtemperatur gibt die Temperatur an, bei der ein Methan-Luft-Gemisch gezündet werden kann. Der Flammpunkt ist die Temperatur, bei der der Dampfdruck des Methans ausreichend hoch ist, um mit Luft ein explosionsfähiges Gemisch zu bilden.

2. Regelwerke und Richtlinien

Die Errichtung und der Betrieb von Grubengasabsauganlagen ist in den Gasabsauge-Richtlinien des LOBA NW festgele. Entsprechend des Geltungsbereiches ist die Richtlinie auch für abgeworfene Tagesschächte anzuwenden, soweit Druckerzeuger eingesetzt werden. Es ist nicht eindeutig zu entnehmen, ob von über Tage eingebrachte Bohrungen zur Absaugung von Grubengas in den Geltungsbereich fallen.

Ein wichtiges Schutzziel der v. g. Richtlinie ist das Ableiten von Methan aus aktiven Grubenbauen. Die hieraus abgeleitete Forderungen, wie das Bereithalten von Reserveverdichtern, sind für Grubengasabsauganlagen, die an stillgelegten Grubenbauen angeschlossen sind, nicht erforderlich, wenn sichergestellt wird, dass die Entgasungseinrichung auch bei Stillstand der Anlage eine passive Entgasung gewährleistet ist.

Als weitere Erkenntnisquelle kann die ZH 1/178 "Sicherheitsregel für Deponien" genutzt werden.

Ferner sind folgende Richtlinien für die Errichtung und den Betrieb relevant:

• Explosionsschutz-Richtlinie Ex-Rl

• Richtlinie 94/9/EG Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen (ATEX 100a)

3. Gefahren, die beim Fördern von Grubengas aus stillgelegten Schächten auftreten können

Bei der Auslegung von Grubengasförderanlagen müssen die Gefahren, die durch die Bildung eines explosiven Methan-Luft-Gemisches auftreten können, beherrscht werden. Beim Absaugen von Grubengas kann unter folgenden Bedingungen ein explosives Gemisch auftreten:

• an Bohrungen mit geringer Tiefe kann noch freier Luftsauerstoff aufgrund kurzer Diffusionszeiten durch das Deckgebirge angesaugt werden,

• Beim Besaugen von Bohrungen, in die bei Hochdrucklage Luft einströmen kann, muss beim Anfahren der Absaugung mit einem Durchfahren des explosiven Mischungsbereiches gerechnet werden,

• Fehler bei der Ansteuerung der Gasregelklappe an der Fackel auf der Saugseite der Anlage,

• undichte Rohrleitungen (z. B. Bergschäden an alten Rohrleitungen, die für die Gasabsaugung weiter genutzt werden),

• Fehler an den Entwässerungseinrichtungen der Wasserabscheider auf der Saugseite der Förderanlage.

Neben den Gefahren durch Explosionen innerhalb der Grubengas führenden Bauteile muss die Möglichkeit der Bildung eines explosiven Gemisches im Aufstellungsraum der Förderanlage in Betracht gezogen werden. An Aufstellungsräume von Gasdruckregelanlagen werden unter dem Gesichtspunkt des Explosionsschutzes keine besonderen Anforderungen gestellt, da die Verbindungselemente als technisch dicht gelten (siehe Explosionsschutzrichtlinie). In der Gasförderanlage sind jedoch Entwässerungseinrichtungen und Wellenabdichtungen vorhanden, die nicht als dauerhaft dicht eingestuft sind.

4. Schutzmaßnahmen

Die Explosionsschutzrichtlinie sieht folgende Schutzmaßnahmen vor, wenn eine explosive Atmosphäre auftreten kann:

Das Schutzkonzept der bislang errichteten Grubengasabsauganlagen an stillgelegten Schächten besteht aus einer Kombination der Schutzmaßnahmen.

Die CH₄-Konzentrationsmessung mit der abgeleiteten Abschaltung der Anlage vor Erreichen der oberen Explosionsgrenze ist eine primäre Maßnahme, die Förderung eines explosiven Gemisches zu verhindern. Soweit technisch möglich, werden mögliche Zündquellen vermieden. Die gasführenden Bauteile sind ausreichend leitfähig und mit dem Erdpotential verbunden, so dass eine Zündung durch statische Aufladung ausgeschlossen werden kann. Als potentielle Zündquellen ist der Verdichter oder eine Zündung an einer Gasaustrittsöffnung anzusehen. Im Falle eines Lagerschadens am Verdichter kann durch Reibung der Kolben am Gehäuse oder Zermahlen eines Fremdkörpers im Gehäuse eine Zündung hervorgerufen werden. Als Schutzmaßnahme werden alle Bauteile so ausgelegt, dass sie im Falle einer Explosion nicht aufreißen. So müssen die Rohrleitungen und Armaturen mindestens für die Nenndruckstufe PN 6 und die Druckbehälter für einen Betriebsdruck von 6 bar nach den AD-Merkblättern ausgelegt sein, und für das Verdichtergehäuse muss eine Druckprüfung mit 6 bar nachgewiesen werden.

Um die Auswirkung einer Explosion im Verdichter, an Austrittsöffnungen oder von der Verbraucherseite her örtlich zu begrenzen, werden die Bereiche um potentieller Zündquellen durch Flammendurchschlagsicherungen eingegrenzt. In dem Gehäuse der Flammendurchschlagsicherungen sind glatte und gesickte Edelstahlbänder eingelegt, so dass sich eine Vielzahl von Kanälen bilden, vergleichbar mit einer aufgerollten Wellpappe. Im Falle einer Explosion wird die Flammenfront durch die Aufteilung der Strömung auf viele Kanäle soweit gekühlt, dass ein Durchzünden durch die Bandlagen verhindert wird. Der Einbauort der Flammendurchschlagsicherungen ist so zu wählen, dass der zulässige Abstand von der Zündquelle nicht überschritten wird, da sich bei zu großem Abstand eine Druckwelle aufbauen kann. Falls die Flammendurchschlagsicherung nicht dauerbrandsicher ist, muss die Temperatur mit einem Temperaturbegrenzer überwacht werden. Beim Überschreiten der betriebsüblichen Temperaturen wird das Schnellschlussventil am Eintritt der Gasförderanlage geschlossen, so dass eine mögliche Flamme durch Unterbrechung des Gasstroms verlöscht.

Abbildung 7: Aufstellungsraum

Im Falle einer Undichtheit gasführender Bauteile im Aufstellungsraum der Anlage wird als Folge des Ansprechens der Gaswarnanlage die technische Lüftung eingeschaltet, die Verdichter abgeschaltet und das Schnellschlussventil in der Gasleitung geschlossen. Die elektrischen Betriebsmittel müssen für die Zone 2 (kurzzeitig und seltenes Auftreten einer explosiven Atmosphäre) geeignet sein und bei Gasalarm abgeschaltet werden. Geräte die beim Auftreten gefährlicher explosiver Atmosphäre weiterbetrieben werden sollen, müssen für die Zone 1 ausgelegt und bauteilgeprüft nach der europäischen Richtlinie Atex 100a sein.

In der Tabelle 2 sind die Ursachen zu unterstellender Ereignisse und die Schutzmaßnahmen aufgeführt.

Tabelle 2: Schutzmaßnahmen an einer Grubengasförderderanlage

4. Aufbau einer Förderanlage

Die Abbildung 8 zeigt eine Grubengasförderanlage, die an einen stillgelegten Schacht angeschlossen ist.

Das Grubengas wird über die Schachtleitung abgeleitet, die durch die Füllsäule geführt ist. Hierfür wird meistens eine vor der Verfüllung vorhandene ausreichend dimensionierte Rohrleitung verwendet. An diese Entgasungsleitung ist die Fackel angeschlossen, an deren Mündung eine dauerbrandsichere Flammendurchschlagsicherung (Protego-Haube) eingebaut ist. Am Fuß der Fackel ist die Gasleitung zur Förderanlage angeschlossen. Zur Atmosphäre hin ist eine Regelklappe eingebaut, die bei Unterdruck schließt und bei Überdruck in der Schachtleitung öffnet.

Abbildung 8: Grubengasförderanlage

Diese Klappe erfüllt folgende Anforderungen:

• Beim Stillstand der Förderanlage wird zur natürlichen Entgasung des Grubengebäudes die Klappe bei Überdruck geöffnet. Bei Hochdrucklagen wird die Klappe geschossen, um so das Eindringen von Luft zu vermeiden.

• Beim Betrieb der Förderanlage wird die Klappe so geregelt, dass bei einer Entgasungsrate, die höher ist als der Abnahmevolumenstrom durch die Förderanlage, der Gasüberschuss an die Atmosphäre abgeführt wird.

Hinter dem Anschluss der Gasanalyse ist das Schnellschlussventil eingebaut, über das beim Überschreiten einesicherheitsrelevanten Grenzwertes der Gasstrom unterbrochen wird. In diesem Fall werden auch die Druckerzeuger abgeschaltet. Die Steuerung des Ventils ist sicherheitsgerichtet. Das Öffnen erfolgt pneumatisch. Zum Schließen wird der Stromfluss zur Spule des Pilotmagnetventil unterbrochen und somit der Öffnungszylinder in dem Ventilantrieb entspannt. Das Ventil wird dann durch Federkraft geschlossen.

Aufgrund der Abkühlung des Grubengases muss mit Kondensatanfall gerechnet werden. Soweit die Rohranordnung es zulässt, kann durch ein stetiges Ansteigen der Rohrleitung von der Schachtleitung zur Förderanlage das Wasser in den Schacht zurückgeleitet werden. Ansonsten müssen Kondensatabscheider vorgesehen werden. Da diese Behälter im Unterdruckbereich betrieben werden, müssen entweder Schleusen oder Wasservorlagen an den Kondensataustritten vorgesehen werden.

In der abgebildeten Förderanlage sind Drehkolbengebläse eingebaut. Die Funktionsweise ist in Abbildung 9 dargestellt. Das Gehäuse und der Kolben sind aus Werkstoffen gefertigt, die bei einer möglichen Berührung eine weniger große Tendenz zum Ziehen von Funken haben (z. B. Stahl und Grauguss). Zur Schwingungsentkopplung des Verdichteraggregates zur Rohrleitung hin sind Kompensatoren eingebaut. Der Behälter auf der Druckseite des Verdichters dämpft den Schall und die Druckspitzen, da das Drehkolbengebläse taktweise verdichtet. In der dargestellten Anlage wird der Druck durch einen drehzahlgeregelten Motor und durch ein Ventil von der Druck- zur Saugseite geregelt. Als Überwachungseinrichtungen sind jeweils ein Mindestsaugdruckbegrenzer, ein Maximaldruckbegrenzer und ein Temperaturbegrenzer auf der Druckseite eingebaut. Die Begrenzer schalten dann die Anlage ab, wenn Störungen an Regeleinrichtungen aufgetreten oder Absperrarmaturen zu den Verdichtern vor Inbetriebnahme nicht geöffnet wurden. In der Gasabsauge-Richtlinie wird insbesondere ein Temperaturbegrenzer gefordert. Bei einer unzulässig hohen Verdichtungsendtemperatur kann als Folge der Wärmedehnung der Drehkolben das Gehäuse berühren und möglicherweise eine Zündung bewirken. Auf der Saug- und Druckseite der Verdichter sind Flammenrückschlagsicherungen eingebaut, die die weiteren räumlichen Auswirkungen von Explosionen verhindern.

Zwischen den Drehkolben und dem Gehäuse wird ein bestimmtes Volumen eingeschlossen und von der Saug- zur Druckseite gefördert. Durch diese zwangsweise Arbeitsweise passt sich das Gebläse den jeweiligen Betriebsdrücken der Anlage an. Der Volumenstrom ändert sich bei schwankenden Gegendrücken nur geringfügig. Die Steuerzahnräder sichern den berührungsfreien Lauf der Drehkolben.

Abbildung 9: Drehkolbengebläse

Abbildung 10: Wasserringpumpe

Als Alternative zum Drehkolbengebläse werden auch Wasserringpumpen in Grubengasförderanlagen verwendet. Bislang sind die Pumpen vorzugsweise in Grubengasabsauganlagen an aktiven Bergwerken mit hoher Förderrate (etwa größer 2000 m³/h je Verdichter) eingesetzt worden. Wasserringpumpen haben den Vorteil, dass höhere Enddrücke erreichbar sind und die Verdichtungswärme über das Wasser abgeführt werden kann. Außerdem sind die Pumpen weniger empfindlich gegenüber Verunreingungen im Gas. Der Nachteil der Wasserringpumpen ist der höhere apparative Aufwand zur Wasserabscheidung und –aufbereitung. In Abbildung 10 ist eine Wasserringpumpe dargestellt.

In Grubengasabsauganlagen nach der Gasabsauge-Richtlinie mit nachgeschalteten Verbrauchern bildet der Schnellschluss in der Rohrleitung zu den Verbrauchern den Abschluss der Absauganlage. Die Absaugung an aktiven Bergwerken wird auch nach dem Schließen der Armatur in der Verbraucherleitung noch bis zu einer Mindest-Methan-Konzentration von 22,5 % aufrecht gehalten. Da der Schnellschluss, der hier beschriebenen Anlage, am Eintritt der Förderanlage angeordnet ist, muss hier die gemeinsame Druckleitung mit den Flammendurchschlagsicherungen hinter den Verdichtern als Abschluss der Absauganlage angesehen werden.

Das Laufrad (1) sitzt exzentrisch im Gehäuse (2). Durch die Laufraddrehung bildet die Betriebsflüssigkeit im Gehäuse einen mitumlaufenden Flüssigkeitsring (3), der sich von der Laufradnabe abhebt. In das so entstehende Vakuum tritt das Fördergas durch den Saugschlitz (4) ein. Nach fast einer Umdrehung nähert sich der Flüssigkeitsring wieder der Nabe und schiebt das verdichtete Fördergas durch den Druckschlitz (5) aus.

Die sicherheitsrelevante Steuerung ist in Schütztechnik aufgebaut, so dass Programmfehler ausgeschlossen werden können. Im Falle einer Leitungsunterbrechnung wird so die Anlage in den sicheren Zustand – hier also Abschaltung der Anlage – überführt. Über Notaus-Taster muss die Anlage aus gesicherter Entfernung abzuschalten sein.

5. Gasverbrauchseinrichtung

Die Folgen der Zuführung eines explosiven Gemisches zu einer Verbraucheranlage (Gasmotor, Gasturbine oder Kesselanlage) müssen gesondert betrachtet werden. Die Zuführung eines explosiven Gemisches kann unter folgenden Bedingungen nicht vollständig ausgeschlossen werden:

• Die CH₄-Messung ist nicht redundant ausgeführt oder wird nicht durch eine O₂-Messung ergänzt,

• oder die Gasmesseinrichtungen sind nicht bauteilgprüft,

• oder aufgrund der Reaktionszeit der Gaskonzentrationsmessung unter Berücksichtigung der Länge des Strömungsweges vom Messort bis zum Sicherheitsabsperrventil kann nach einer Änderung der Gaszusammensetzung kurzzeitig noch explosives Gas zum Verbraucher gelangen.

Abbildung 11: Gasmotor in Containerbauweise

In dem Gasmotor werden Gas und Verbrennungsluft gemischt. Da unabhängig von der Brenngaszusammensetzung ein explosives Gemisch erzeugt wird, müssen Explosionsschutzmassnahmen am Gasmotor selbst ausgeführt werden. Soweit die Zuführung eines explosiven Gemisches von der Förderanlage her nicht auszuschließen ist, muss ggf. eine Rückzündung in die zuführende Gasleitung unterstellt werden (Flammendurchschlagsicherung in der Gasleitung vor dem Verdichter).

Die Versorgung von Kesselanlagen mit Grubengas aus aktiven Bergbaubetrieben wird entsprechend der Gasabsauge-Richtlinie mit dem Schließen des Schnellschlusses in der Verbraucherleitung unterbrochen, wenn die Methankonzentration den Grenzwert von 27,5 % unterschreitet. Die Abschaltung erfolgt durch redundante Messungen unter Berücksichtigung der Signallaufzeit.

Die Gaskonzentrationen an den Absauganlagen stillgelegter Schächte zeigten bislang keine sprunghaften Änderungen. Daher wäre hier bei der Versorgung von Kesselanlagen eine Kombination von CH₄ und O₂-Überwachung denkbar. Diese Kombination wird auch in den Sicherheitsregeln für Deponien als Alternative zur redundanten CH₄-Messung aufgeführt. Wenn die Magnetventile vor den Brennern mit in die Abschaltung der Konzentrationsmessungen einbezogen werden, dann steht als Reaktionszeit das Zeitintervall zur Verfügung, in dem eine Strömungsfront den Weg zwischen Messstutzen und Brennermagnetventile zurücklegt.

Weitere Anforderungen an Gasdruckregelanlagen und an die Aufstellungsräume von Gasverbrauchseinrichtungen sind in den Sicherheitsregeln für Deponien (ZH 1/178) und in den DVGW-Arbeitsblättern (u. a. G 490) zu finden. Gasverbrauchseinrichtungen müssen entsprechend der europäischen Richtlinie 90/636/EWG hergestellt und die Konformität mit dem CE-Zeichen bestätigt werden. Auf die Maschinenrichtlinie 89/392/EWG und 91/368/EWG und die hiernach erforderlichen Betriebsanweisungen wird verwiesen.

In den Aufstellungsräumen müssen die zutreffenden Sicherheitskennzeichnungen am Arbeitsplatz (VBG 125) angebracht werden.

Eine ausführliche Linksammlung zum Thema Grubengas finden Sie unter: http://www.umsicht.fhg.de/WWW/UMSICHT/Produkte/ET/sgn_links.html