Staubentstehung
Die Hauptprozesse Gewinnung und Förderung sind im Bergbau die Hauptquellen der Entstehung von Staub. In weiteren Hilfs- und Nebenprozessen wie Ausbau, Versatz, Bewetterung kann ebenfalls Staub entstehen oder aufgewirbelt werden, jedoch ist die Menge meist geringer oder durch geeignete Auswahl, z. B. Spülversatz oder Pumpversatz anstelle Sturzversatz, vermeidbar oder zumindest einfach beherrschbar.
In der Gewinnung entsteht Staub beim Lösen des Gesteins. Bei der maschinellen Gewinnung im Kalibergbau entsteht Staub durch die Einwirkung des Werkzeugs auf das Gestein, im Salzbergbau ist das vorwiegend die Gewinnung mit Teil- oder Vollschnittmaschinen mit schrämend arbeitenden Rundschaftmeißeln, allgemein als „schneidende“ Gewinnung bezeichnet. Beim
- Herunterfallen des „geschnittenen“ Haufwerks auf den Ladetisch und die Sohle,
- dem Laden mittels Hummerscheren, Frässcheiben und/oder Kettenkratzförderer,
- der (eventuellen) Übergabe auf ein Abwurfband,
- dem Abwurf auf ein Fördermittel und
- der anschließenden Förderung
wird ebenfalls Staub freigesetzt und produziert.
Aus der Aufzählung ist zu erkennen, dass es eine größere Anzahl von Emissionspunkten gibt. Eine Verhinderung der Staubentstehung ist bei den genannten Verfahren nicht möglich. Eine Reduzierung der Staubentstehung sowie eine Verschiebung des Kornbands sind durch geeignete Maßnahmen jedoch realisierbar.
Die erste Fragestellung ist immer, welche Auswirkungen der Staub auf den Menschen hat. Giftige Stäube sind in jedem Fall vom Menschen fern oder zumindest unterhalb festgesetzter Grenzwerte zu halten. Salzstaub ist in diesem Sinne nicht giftig, allerdings werden die Wirkungen von Salzstäuben auf den Menschen schon seit Jahren unterschiedlich diskutiert und sollen in diesem Zusammenhang nicht weiter bewertet werden.
Staubbeseitigung bei Einsatz verschiedener Gewinnungsmethoden
Entstandener Staub kann am Ort der Entstehung oder auch danach abgesaugt, in Absetzbereiche oder nach Übertage verbracht oder herausgefiltert werden. Eine Eindämmung durch Kapselung oder Kapselung mit Absaugung und/oder Filterung reduziert ebenfalls den Staubgehalt in den Grubenwettern. All diese Prozesse sind aber vergleichsweise aufwendig. Filteranlagen für größere Volumina können teuer und sperrig sein, Kapselungen führen zu Sichtbehinderungen oder größeren Aufwendungen bei Reparaturen, eine Abfuhr in Leitungen benötigt Platz, Energie zum Transport (Lüfter) und besondere Ausführungen, um z. B. das Absetzen von Staub in den Leitungen zu verhindern.
Ein weiteres probates Mittel der Staubbeseitigung ist die Bedüsung mit Wasser. Entstehender Staub kann damit direkt am Ort der Entstehung gebunden und ggf. abgeführt werden. Bleibt das Haufwerk während der weiteren Förderung ebenfalls ausreichend nass, wird so auch nach der Gewinnung eine weitere Staubfreisetzung verhindert oder zumindest stark reduziert. Da in vielen Bergwerken Wasser sowieso vorhanden ist, ist diese Variante meist nicht nur die einfachste, sondern auch die preiswerteste.
Bei der maschinellen Gewinnung entsteht durch den Werkzeugeingriff ständig Staub. Auch hier wurde dieser Staub im Salzbergbau – vorbehaltlich der genannten Diskussion um die Wirkung auf den Menschen – eher als unproblematisch angesehen. Einsätze der V3000/3001 in Sondershausen mit den Anfängen der maschinellen Gewinnung oder der Einsatz der URAL20KS in Bernburg bis vor die Jahrhundertwende in Deutschland und Verwendung dieser Maschinen bis in die Gegenwart in den Ländern der damaligen Sowjetunion oder der Einsatz anderer Vollschnittmaschinen bis zum heutigen Tag in Kanada und anderen Ländern bestätigen das. Allerdings führt die Staubentstehung hier zu anderen Problemen, vor allem einer Sichtbehinderung, aber auch potentiell der Anbackung oder dem Verklemmen von Lagern, z. B. der Rundschaftmeißel. Für die korrekte Richtungssteuerung und dem Verbleiben im Salzlager ist eine freie Sicht auf die Ortsbrust vor allem bei Teilschnittmaschinen sehr wichtig.
Aufgrund der vergleichsweise geringen Festigkeit von Salzgestein im Vergleich zu Erzlagerstätten in magmatischen und metamorphen Gesteinen, ist eine Gewinnung mit Teil- oder Vollschnittmaschinen wirtschaftlich vorteilhaft, wenn die Lagerstättenausbildung dies zulässt. Starke Welligkeiten, stark wechselnde Mächtigkeiten, Anhydritklippen, eine Gasführung (CO2) oder auch eine Unter- oder Überlagerung mit weniger festem Salzgestein, z. B. Carnallitit, können Gründe sein, dass maschinelle Gewinnung nicht oder nur mit starken Einschränkungen eingesetzt werden kann.
Praxisbeispiel: Entstaubung von Teilschnittmaschinen und deren scheinbare Folgen
Aufgrund der Vorteile der maschinellen Gewinnung werden in einem südeuropäischen Salzbergwerk Teilschnittmaschinen eingesetzt. Als Randbedingung ergab sich der Abbau in einer Teufe von ca. 800 m, was zu einer entsprechenden Gebirgstemperatur führt, die in Verbindung mit den betriebenen Teilschnittmaschinen und der dort installierten Leistung eine Kühlung der Motoren und Aggregate der Maschinen erforderlich machte. Aus diesem Grund sind diese Teilschnittmaschinen mit einer Wasserkühlung ausgestattet. Das erforderliche Wasser wird von Übertage nach Untertage gebracht und in offenen Behältern zwischengestapelt. Von dort wird es in Leitungen durch die frischwetterseitigen Aus- und Vorrichtungsstrecken zu den Maschinen gebracht und für die Kühlung der Maschine genutzt. Auf diese Weise heizt sich das Wasser auf bis zu ca. 60 °C auf. Um gleichzeitig das Problem des Staubs vor Ort zu beherrschen, wird dieses nun erhitzte Wasser zur Staubniederschlagung genutzt, indem es über Sprühdüsen in Schneidkopfnähe versprüht wird. Neben der Staubniederschlagung können so auch die Rundschaftmeißel etwas gekühlt werden. Die Staubniederschlagung ist effektiv und sehr wirksam. Eine freie Sicht auf die Ortsbrust kann ständig gewährleistet werden. Der Nebeneffekt dessen ist, dass das Haufwerk nun ebenfalls feucht ist. Bei der folgenden Übergabe auf ein Schiebekastenfahrzeug und dem Weitertransport kommt es so zu keiner weiteren Staubbelastung. Hinsichtlich Staubbekämpfung mit dem primären Ziel der freien Sicht ist diese Variante damit ein voller Erfolg und sehr effektiv, auch weil dafür direkt sowieso schon benötigtes und zugeführtes Kühlwasser der Maschine genutzt wird.
Allerdings führte diese Verfahrensweise zu Beschwerden der Belegschaft. Diese betrafen allerdings nicht die Staubniederschlagung, sondern eine angeblich zu hohe Temperatur. Die Unternehmensleitung reagierte und sah eine Möglichkeit in einer Erhöhung des Wettervolumenstroms, vielleicht auch gepaart mit einem neuen Schacht für zukünftige Abbaubereiche oder notfalls einer Kühlung der Wetter. Damit wurde die Firma ERCOSPLAN Ingenieurbüro für Geotechnik und Bergbau mbH, Erfurt, in Zusammenarbeit mit der TU Bergakademie Freiberg, Freiberg, beauftragt, zu ermitteln, mit welchem Wettervolumenstrom eine ausreichende Senkung der Temperatur vor Ort erreicht werden könnte. Dazu sollte ein Wetternetzprogramm benutzt werden, um zu ermitteln, ob und wie ausreichend Wetter vor Ort gebracht werden können.
Erfassung der wettertechnischen Probleme
Schon mit der ersten Grubenfahrt und den Erfahrungen der Bearbeiter war schnell klar, dass es sich hier eigentlich „nur“ um ein Problem handelte und das war nicht die Temperatur an sich, sondern die hohe Luftfeuchte. Diese wiederum war bedingt durch den Einsatz des heißen Kühlwassers zur Staubniederschlagung. Hier wiederum bestand die Auffassung des Betriebs, dass es ohne Kühlung der Maschine nicht geht, und zur Staubniederschlagung braucht man das Wasser, trocken würde man den Staub nicht wegbekommen. Daraus schlussfolgerte der Betrieb, dass durch eine Erhöhung des Wettervolumenstroms mit kühlerer Luft von Übertage das Problem gelöst werden könnte. Eine gängige und verbreitete aber physikalisch falsche Vorstellung, was dem Betrieb allerdings aufgezeigt und nachgewiesen werden musste.
Ausgangspunkt der Untersuchungen war damit zunächst eine Ist-Aufnahme der Ausgangswerte und die Erläuterung des Zusammenhangs zwischen Wärmeinhalt, der sozusagen einen Einfluss auf das Wohlbefinden hat, der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit. Auch wenn natürlich ein grundsätzliches Verständnis besteht, dass man sich in schwüler, d. h. feucht-warmer Luft unwohler fühlt, so ist doch der große Einfluss der Luftfeuchte, ausgedrückt im Wassergehalt x kg Wasserdampf pro 1 kg trockene Luft oder der relativen Feuchte, als Verhältnis des Dampfdrucks (Wasserdampf) zum Sättigungsdampfdruck, meist nicht richtig fassbar. So wurden zunächst die Temperaturen und relativen Feuchtigkeiten über Tage, am Füllort unter Tage, nach 2.200 m in der Frischwetterstrecke, kurz nach den aktiven Abbauorten etwa 5.600 m entfernt vom Einziehschacht sowie im Gesamtabwetterbereich gemessen. Die Messungen erfolgten mit LogTags Haxo-8 der Firma cik-solutions, die Langzeitaufnahmen von Temperatur und relativer Feuchte ermöglichen. Die Logtags haben in etwa die Größe einer dicken Scheckkarte und können – je nach Programmierung – Werte über Wochen oder Monate speichern. Insgesamt können 8.000 Werte gespeichert werden. Zwischendurch können sie einfach durch das Einstecken in ein Lesegerät vor Ort ausgelesen werden. Im vorliegenden Fall wurde ein Messintervall von 5 min eingestellt. Dabei konnte festgestellt werden, dass sich die Temperatur in der Frischwetterstrecke (blaue Kurven in Bild 1) bis zum Abbau erhöhte, im Abbau nochmals deutlich anstieg (hellrote Kurve in Bild 1), wenn die Maschine in Betrieb war und auf dem Weg zum Abwetterschacht kaum zurückging (rote Kurve in Bild 1).
Fig. 1. Temperature profile over the measurement period showing temperature levels above ground and at four test points below ground. // Bild 1. Temperaturverlauf über den Messzeitraum über Tage und an vier Stellen unter Tage.
Soweit war der Sachverhalt bekannt. Was jedoch nicht bekannt war, war die Erhöhung des Wasserdampfgehalts der Luft. Die relative Feuchte wird vor allem durch die Temperatur beeinflusst, da wärmere Luft potentiell mehr Wasserdampf aufnehmen kann. Bei gleichem Feuchtigkeitsgehalt und steigender Temperatur sinkt die relative Feuchte. Steigt die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit bleibt konstant oder steigt sogar, wird definitiv Wasser in Form von Wasserdampf durch die Luft aufgenommen. Sinkt jedoch bei steigender Temperatur die relative Luftfeuchtigkeit, ist es dennoch kaum einschätzbar, ob wirklich keine Feuchtigkeit aufgenommen wurde, da ohne Hilfsmittel nur schwer abzuschätzen ist, um welchen genauen Betrag die relative Luftfeuchtigkeit sinken müsste (Bild 2).
Fig. 2. Relative humidity over the measurement period showing measurements taken above ground and in the air intake and return zones below ground. // Bild 2. Relative Feuchtigkeit über den Messzeitraum an den Messstellen über Tage sowie im Frisch- und Abwetterbereich unter Tage.
Mit eingängigen Formeln (unter Messung des Luftdrucks) oder Einschätzung mittels h-x-Diagramm lässt sich allerdings der Wasserdampfgehalt, also der absolute Gehalt an Wasser in Form von Dampf in der Luft, ermitteln. Dieser ist auf dem Weg zu den aktiven Abbauorten angestiegen (Bild 3).
Fig. 3. Values for the absolute moisture content of the mine air measured at the different locations during the measurement period. // Bild 3. Werte für den absoluten Wassergehalt in den Wettern über den Messzeitraum an den Messstellen.
In einer Salzlagerstätte, die bekanntlich nur existiert, wenn es kein Wasser darin gibt, ist dies eigentlich unmöglich. Also musste irgendwie Wasser von den Wettern aufgenommen worden sein. Wie sich herausstellte, gab es dafür mehrere Quellen. Zum einen wurde Wasser in den Strecken in offenen Behältern zwischen-gestapelt. Aufgrund der ohnehin schon hohen Temperatur der Wetter vor den aktiven Abbauorten, ist das eine Quelle für Wasser-verdunstung. Im Abbau kommt dann die Verdüsung von Wasser hinzu, was zum größten Anstieg führt. Allerdings nahm der Wassergehalt auch unabhängig von den Stapelbehältern schon vor dem Erreichen der Abbaue zu. Ein Grund war recht einfach auszumachen: das in der Frischwetterstrecke geförderte, nasse Haufwerk. Zusätzlich gab es nasse Stellen in der Ausrichtungsstrecke. Die, entsprechend der Lagerstättenneigung, höher gelegenen Abbaue waren offensichtlich die Ursache. Das versprühte Wasser floss auch in die Sohle und dort entsprechend dem Einfallen in Richtung Frischwetterstrecke. Obwohl visuell meist nicht sichtbar, konnte eine Erhöhung der Feuchte messtechnisch nachgewiesen werden.
Ausgedrückt im Wärmeinhalt der Luft heißt das, bei einem Wasserdampfgehalt der einziehenden Wetter von etwa 7 g/kg, einer gemessenen Temperatur im Abbau von 46 °C und einer gemessenen relativen Feuchte von 25 bis 32 % ergibt sich ein Wasserdampfgehalt von 15 bis 18 g Wasserdampf/kg trockene Luft. Das ergibt eine Enthalpie – also einen Wärmeinhalt der Luft – von 85 bis 95 kJ/kg feuchte Luft (alles aufgrund der Schwankungen im realen Betrieb gerundete Werte). Eine Schweißverdunstung kann unter diesen Bedingungen nur noch sehr begrenzt stattfinden und der Körper wird dadurch nicht ausreichend gekühlt.
Lösungsansätze
Der zuletzt genannte Aspekt konnte während der Messkampagne vor Ort auch argumentativ gestützt werden. Hierfür wurden verschiedene Kühllösungen in Form von sogenannten Kühlpads als persönliche Ausrüstung im Helm und Nackenbereich getestet. Während der Messkampagne wurde festgestellt, dass nach 5 h Arbeit im warmen Klima die Kühlpads im Nackenbereich komplett trocken waren. Die Kühlpads in den Helmen blieben länger feucht, subjektiv war aber kein Kühleffekt mehr zu spüren.
Nach Auswertung der Messergebnisse (Körpertemperatur, Temperatur und Feuchtigkeit im Helm) zeigte sich, dass in diesem Fall nur Trends und keine klar erkennbaren Zusammenhänge zwischen der Nutzung von Kühlpads und der Empfindung von Bergleuten in heißen klimatischen Bedingungen erkennbar sind.
Zielführender ist der Lösungsansatz zur Vermeidung der Verdüsung von Wasser. Dabei bleibt der Wasserdampfgehalt der Luft gleich. Das würde bei einer angenommen gleichen Temperatur von 46 °C bei einem Wasserdampfgehalt der Einziehwetter von 7 g/kg ohne Aufnahme von zusätzlichem Wasserdampf zu einer relativen Luftfeuchtigkeit von ca. 13 % und einem Wärmeinhalt von etwa 65 kJ/kg feuchte Luft führen. Bei diesen Bedingungen kann Schweiß schnell verdampfen und dem menschlichen Körper Wärme entziehen, der Körper wird wesentlich besser gekühlt und das Wohlbefinden ist besser. Je geringer die relative Feuchtigkeit, umso mehr Wasser/Schweiß kann verdunsten und der Körper wird gekühlt.
Weniger Wasser in den Abbauen, eine Abdeckung der Stapelbehälter und eine Förderung im Abwetterstrom statt im Frischwetterstrom könnte zu einer Verbesserung der klimatischen Bedingungen in den Abbauen führen.
Natürlich ist es nicht so einfach, die Wassermenge der Verdüsung zu reduzieren und erst recht nicht so einfach abschätzbar, ob und wann diese Maßnahme ausreicht, dass kein Wasser oder Salzlösung in Richtung Frischwetterstrecke fließt. Auch der komplette Umbau der Förderung ist keine leichte Aufgabe.
Ein zweiter ganz entscheidender Punkt für das Projekt konnte ebenfalls mit den Langzeitmessungen nachgewiesen werden. Über Tage gab es im Beobachtungszeitraum Temperaturen zwischen 13,3 und 32,3 °C. Schon am Füllort, also ausschließlich auf dem Weg durch den Schacht, reduzierte sich die Schwankungsbreite der Temperaturen und nach 2.200 m waren die gemessenen Temperaturen im Prinzip konstant (Bild 1).
Das führte zu zwei Schlussfolgerungen:
- Eine ebenfalls angedachte Kühlung der Einziehwetter hätte keinen Effekt, da auch bei geringen Außentemperaturen schon nach 2.200 m eine konstante Temperatur erreicht wird, die in etwa der Gebirgstemperatur entspricht, egal wie warm oder kalt die zugeführten Wetter von Übertage sind.
- Wenn der Wettervolumenstrom erhöht wird, verschiebt sich der Punkt, an dem eine konstante Wettertemperatur erreicht wird etwas weiter in Richtung aktiver Abbauorte, da aber schon jetzt nach spätestens 2.200 m ein konstanter Wert erreicht ist und der Weg von hier zu den Abbauen nochmals 1,5 mal so weit ist, kann auch hiermit nie eine Senkung der Temperatur im Abbau erreicht werden.
Im Übrigen bestätigen diese Ergebnisse Messungen z. B. in Freiberger Gruben (1960, 1997) und im Rahmen des Projekts „Klimatisierung Krankenhaus Freiberg“ (1999) sowie Erfahrungen aus dem Kalibetrieb Zielitz.
Somit zeigen die zwei Schlussfolgerungen zum letztgenannten Aspekt, dass die eigentliche Aufgabenstellung – mit einem erhöhten Wettervolumenstrom eine Reduzierung der Temperatur vor Ort zu erreichen – kein praktikabler Lösungsansatz ist. Alternativen sind:
- a) eine Kühlung vor Ort, mit allen verbundenen technischen Herausforderungen oder
- b) eine Reduzierung der Luftfeuchtigkeit.
Ersteres ist für die einzelnen Abbaukammern denkbar, die Wärmeabgabe eines solchen lokalen Systems sollte aber gründlich geplant werden, um nicht noch mehr negative Effekte hervorzurufen.
Der Transport gekühlter Luft durch Lutten direkt nach vor Ort würde den Kontakt der Luft mit dem warmen Gestein oder anderen Hitze- und Feuchtigkeitsquellen vermeiden. Nach Erreichen des frischen Abbaustoßes verliert die kühle Luft sehr schnell das Kühlvermögen, wenn sie sich mit der dortigen warmen und feuchten Luft mischt.
Auch wenn die Kühlung direkt vor Ort die beste von mehreren Kühlmöglichkeiten ist, ist dieser Lösungsansatz aufgrund der vielen Schwierigkeiten bei der Installation und nur kleiner zu erwartenden Effekte auf die klimatischen Bedingungen für die Bergleute hier nicht vorangig zu wählen.
Wie zuvor beschrieben ist der Einsatz von Kühlpads eher ungeeignet, der Belegschaft bei derart grubenklimatischen Problemen zu helfen, aber eine Kühlung der Dauerarbeitsplätze, wie z.B. die Fahrerkabine der Teilschnittmaschine, wäre eine weitere effektive Lösung.
Hierzu bestehen 2 Möglichkeiten:
- Kabinen:
Dies ist für neue Maschinen eine Standardausrüstung als geschlossene Kabine auf der Teilschnittmaschine. Für im Bergwerk bestehende Maschinen wäre es grundsätzlich möglich, Kabinen nachzurüsten, wird aber hinsichtlich der hydraulischen Steuerung und der Wärmeemission nicht einfach.
- Kühldusche:
Diese Option würde die Installation eines kleinen Klimaanlagensystems erfordern. Der kühle Luftstrom wäre auf den Bediener der Maschine gerichtet, wobei der Temperaturunterschied zur umgebenden Luft nur wenige Grad betragen sollte.
Über diese Maßnahmen hinaus kann die zweite Alternative – Reduzierung der Luftfeuchtigkeit – erreicht werden, wenn das Kühlwasser der Maschinen nicht verdüst oder am besten gar nicht erst gebraucht wird. Bei Neuanschaffung oder dem Ersatz der Gewinnungsmaschinen könnte eine Ausführung gewählt werden, die ohne Wasserkühlung auskommt oder das Wasser einer Kühlung zumindest nicht freigesetzt und zurückgeführt oder zurückgekühlt wird. Eine Erhöhung der Wettertemperatur ist auch jetzt schon durch die Abwärme der Maschinen (Teilschnittmaschine, Schiebekastenlaster) gegeben, wird aber kein Wasser verdüst, wird der zusätzliche Wärmeinhalt dieses Wassers (nach dem Verdampfen als Wasserdampf) nicht von der Luft aufgenommen, der resultierende Gesamtwärmeinhalt der Luft ist im Vergleich zur Variante mit Verdüsung somit geringer, was zu einem verträglicheren Klima vor Ort führt.
Das wiederum zieht andere Maßnahmen zur Staubbekämpfung nach sich. Auch das Versprühen von kaltem statt heißem Wasser würde am Klima vor Ort nichts Merkliches ändern, zumal kalt hier immer noch eine Temperatur der Stapelbecken von annähernd Gebirgstemperatur von über 30 °C bedeuten würde. Somit kommt als Alternative nur eine Staubabfuhr, z. B. mit einem gerichteten Wetterstrom und Absaugung möglichst dicht am Schneidkopf bzw. Ladetisch in Frage. Diese staubbelasteten Wetter könnten dann einer Entstaubung zugeführt werden oder in abgeworfene Abbaue zur Absetzung eingebracht werden.
Fazit
Das Beispiel zeigt, dass das eigentliche Problem in diesem Fall nicht die Temperatur in den aktiven Abbauorten, sondern die Staubbekämpfung war. Ohne Bedüsung mit Wasser wären die klimatischen Bedingungen in einem akzeptablen Bereich. Das heißt auch, dass bei der Staubbekämpfung nicht allein diese im Vordergrund der Betrachtungen und der Kosten stehen kann. Weitere Auswirkungen der gewählten Staubbekämpfungsmaßnahme auf andere Bereiche, hier insbesondere auf das Grubenklima und die damit verbundenen Probleme und Kosten, müssen unbedingt in die Betrachtung einbezogen werden. Alternative Lösungsmöglichkeiten sind vielfältig, jedoch nicht immer technisch sinnvoll und unterschiedlich effektiv, um Versbesserungen der grubenklimatischen Situation bewirken zu können.
