Bewetterung

Bild 2: Schornstein eines Wetterofens zur Versorgung eines Bergwerks mit frischen Wettern (Wetterschornstein Buchholz)

Bewetterung oder Grubenbewetterung steht als Begriff aus dem Bergbau ganz allgemein für technische Maßnahmen zur Versorgung von Bergwerken mit frischer Luft. Eine ausreichende Bewetterung aller untertägigen Arbeitsstätten ist im europäischem Bergbau gesetzlich vorgeschrieben.

Geschichte

Die Grubenbewetterung ist etwa so alt wie der Untertagebau selber. Als die Bergleute Mineralien im Untertagebergbau abbauten und dabei immer weiter in das Gebirge eindrangen, reichte die durch natürliche Diffusion in die Grubenbau eindringende Luft bald nicht mehr aus. Schon sehr früh mussten die Bergleute Hilfsmitteln und technische Maßnahmen anwenden um nicht Untertage zu ersticken. Agricola beschreibt in seinen zwölf Büchern vom Berg- und Hüttenwesen wie die Bergleute mit hölzernen Konstruktionen wie dem Wetterhut den Wind in die Grubenbaue lenkten oder Blasebälgen einen künstlichen Wetterzug erzeugten. Im Harzer Bergrevier verwendete man im 16. Jahrhundert Wetterscheider um eine gezielte Wetterführung zu erreichen um dadurch Lichtlöcher einzusparen. Die ersten Wettermaschinen wurden im Harzer Bergbaurevier Anfang des 18. Jahrhunderts entwickelt.

Aufgaben

Näher betrachtet lassen sich drei wesentliche Aufgaben unterscheiden:

• Zuführung frischer Luft der Frischwetter
• Abführung verbrauchter Luft und schädlicher Gase
• Senkung der Temperatur in warmen Gruben

Die Zuführung von frischen Wettern ist erforderlich um allen Untertage befindlichen Menschen und Tieren die zum Atmen notwendige Luft zuzuführen. Außerdem muss genügend Luft für bestimmte Verbrennungsprozesse wie beim Betrieb des Geleuchts zugeführt werden. Diese frischen Wetter müssen im gesamten Grubengebäude verteilt werden.

Zur Abführung der verbrauchten Luft gehört das fortspülen oder zumindest verdünnen der Untertage auftretenden matten, giftigen oder schlagenden Wetter. Alle diesen Gasgemische treten dann als Abwetter wieder aus dem Bergwerk aus.

Aufgrund unterschiedlicher Prozesse erwärmt sich die Luft in den Grubenbauen. So spielt zum Einen die Geothermische Tiefenstufe eine wesentliche Rolle für die Erwärmung der Wetter. Aber auch durch die Verdichtung der Wetter bei großen Teufen kommt es zur Erwärmung der Wetter. Hier spielt die Bewetterung eine große Rolle bei der Klimatisierung der Grubenbaue.

Erzeugung der Wetterbewegung

Bild 1: Natürlicher Wetterzug und dessen jahreszeitlicher Richtungswechsel infolge des Temperaturunterschieds zwischen Grube und Umgebung

Besteht zwischen Bergwerk und Umgebung eine Temperaturdifferenz und/oder herrschen an den Tagesöffnungen unterschiedliche Luftdrücke, beginnt die Luft durch das Bergwerk zu strömen und zwar umso stärker, je größer die oben genannten Unterschiede ausfallen. Luftdruck- und Temperaturwirkung überlagern sich dabei, sodass sie sich ergänzen oder einander entgegenwirken können. Der Einfluss des Temperaturunterschieds überwiegt in der Regel (Bild 1). Man spricht in diesem Zusammenhang vom natürlichen Wetterzug. In kleinen, oberflächennahen Bergwerken kann die durch natürlichen Zug entstehende Luftströmung durchaus für einen ausreichenden Wetterwechsel genügen.

Die erforderliche Stärke eines Wetterstroms hängt von der Anzahl der unter Tage arbeitenden Personen, der Anzahl und Leistung dort eingesetzter Maschinen mit Verbrennungsmotoren sowie der aus dem Gebirge zuströmenden Menge schädlicher Gase ab. Bei den meisten Bergwerken reicht die natürliche Wetterführung im Allgemeinen nicht aus, sodass der Wetterstrom mit Hilfe technischer Maßnahmen erzeugt werden muss. Die diesem Zweck dienenden Einrichtungen werden als Wettermaschinen bezeichnet, die sowohl blasend als auch saugend wirken können:

• Bei der blasenden Bewetterung befindet sich die Wettermaschine am Einziehschacht, wo sie die Frischwetter aus der Umgebung ansaugt und in das Bergwerk einpresst. Die Abwetter gelangen durch den Ausziehschacht ins Freie.
• Bei der saugenden Bewetterung wird die Wettermaschine am Ausziehschacht errichtet, wo sie die Wetter aus dem Bergwerk ansaugt und ins Freie bläst. Am Einziehschacht fallen die Frischwetter, dem bestehenden Druckgefälle folgend, in das Bergwerk ein.

Beispiele überlieferter Formen von Wettermaschinen sind auf den Schacht aufgesetzte Windfänge, die Luftströmungen an der Erdoberfläche ins Bergwerk lenken sollten, mit Menschen- oder Tierkraft angetriebene Blasebälge oder Wetterräder, die als Vorstufe des Grubenlüfters angesehen werden können.

Die erste wirklich leistungsfähige Wettermaschine war der erstmals zu Beginn des 18. Jahrhunderts eingesetzte Wetterofen (Bild 2). Er wirkte nach dem Prinzip der saugenden Bewetterung. Die Konvektion des in ihm brennenden Feuers erzeugte einen Luftstrom, der die Abwetter beschleunigte.

Heute werden als Wettermaschinen ausschließlich Grubenlüfter (d. h. große Ventilatoren) eingesetzt. Diese Maschinen werden in der Regel als zweistufige Lüfter errichtet, um bei großen Teufen (Schachttiefen) die nötige Druckdifferenz bereitzustellen. Grubenlüfter können Nenndurchmesser bis zu 5 Meter bei einer elektrischen Antriebsleistung fast 5000 kW haben und gehören damit zu den größten gebauten Ventilatoren.

Wetterführung

Bild 3: Technische Maßnahmen zur Verteilung der Wetter auf verschiedene Bereiche eines Bergwerks: a) der unbeeinflusste Wetterstrom lässt Teile eines Bergwerks unbewettert; b) durch Lenkung des Wetterstromes werden auch entlegene Bereiche des Bergwerkes mit Luft versorgt.

Voraussetzung für die Zu- und Abführung von Luft ist grundsätzlich, dass das Bergwerk über (mindestens) zwei untertägig miteinander verbundene Öffnungen zur Erdoberfläche (Tagesöffnungen) verfügt: Durch die eine strömt die Luft hinein, durch die andere wieder heraus.

Lage der Wetterschächte

Eine besondere Bedeutung bei der Bewetterung, kommt der Lage des Abwetterschachtes zu. Je nach Lage des Wetterschachtes unterscheidet man unterschiedliche Arten der Bewetterung. Der Wetterschacht kann in der Nähe des einziehenden Schachtes oder an die Grenze des Grubenfeldes gesetzt werden. Setz man den Schacht in die Nähe des einziehenden Schachtes, so platziert man ihn dadurch etwa in der Mitte des Baufeldes. Durch diese Positionierung des Wetterschachtes strömen die Wetter zunächst vom einziehenden Wetterschacht in Richtung der Grubenfeldgrenze. Nachdem die Grubenbaue bewettert wurden, wird der Abwetterstrom nun bis zur Mitte des Grubenfeldes geführt um dort aus dem Wetterschacht abgeführt zu werden. Diese Art der Bewetterung nennt der Bergmann zentrale oder rückläufige Wetterführung. Werden der bzw. die Wetterschächte auf die Feldesgrenzen gesetzt spricht man von einer grenzläufigen Wetterführung. Hierbei ziehen die Wetter von der Mitte des Feldes zu den Feldesgrenzen und werden dort über die Wetterschächte in die Atmosphäre abgeführt. Eine weitere Möglichkeit ist es, die einziehenden Schächte an die Feldesgrenzen und den Wetterschacht in die Mitte des Feldes setzt. Dadurch werden den äußeren Arbeitspunkten kühle Wetter zugeführt.

Die rückläufige Wetterführung ist für die Entwicklung eines neuen Grubengebäudes am optimalsten. Sobald beide Schächte die geplante Teufe erreicht haben, wird ein Durchschlag zwischen beiden Schächten erstellt. Dies ist sehr wichtig für die weitere Ausrichtung des Bergwerks. Für die Ausrichtungs- und Vorrichtungsarbeiten steht so ein genügend starker Wetterstrom zur Verfügung und man ist nicht gezwungen auf den Durchschlag zu einem weiter entfernten, an der Feldesgrenze angesetzten, Schacht zu warten. Auch für den Abbau in Schachtnähe ist diese Art der Wetterführung von Vorteil. Sobald jedoch die Grubenbaue eine größere Entfernung vom Wetterschacht haben und sich den Feldesgrenzen nähern, wachsen die Wetterwiderstände bei gleichzeitigem sinken der Grubenweite. Ein weiterer Nachteil ist hohe Gefahr von Wetterkurzschlüssen. Bei der grenzläufigen Wetterführung müssen die Wetter nur den einfachen Weg zurücklegen. Auch hat man hierbei stets gleich lange Wetterwege von mittlerer Länge. Außerdem besteht bei dieser Form nur eine geringe Gefahr für einen Wetterkurzschluss. Für die einzelnen Betriebspunkte besitzt diese Art der Wetterführung eine gleichmäßigere Wirkung. Dabei werden gleichzeitig auf den jeweiligen Sohlen die einzelnen Querschläge und Grundstrecken wettertechnisch besser ausgenutzt. Die grenzläufige Wetterführung ist somit zuverlässiger als die rückläufige Wetterführung.

Verteilung der Wetter im Bergwerk

Ohne technische Maßnahmen zur Verteilung der Wetter im Bergwerk würde sich der Wetterstrom zwischen Ein- und Ausziehschacht immer entlang des Weges mit dem geringsten Strömungswiderstand bewegen. Damit die Wetterversorgung aber auch diejenigen Bereiche eines Bergwerkes erreicht, die abseits dieses Weges liegen, werden im Bergwerk sogenannte Wetterbauwerke errichtet. Im Prinzip soll ein solches Bauwerk den geringen Strömungswiderstand (Wetterwiderstand) in einem Grubenbau so weit erhöhen, dass sich der Wetterstrom aufteilt und ein bestimmter Teil der Wetter in einen abzweigenden Grubenbau strömt (Bild 3).

Je nachdem wie stark der Wetterwiderstand in dem einen Zweig erhöht werden muss, stellt diese Aufgabe unterschiedliche Anforderungen an die Konstruktion des Wetterbauwerks. Einfachere Konstruktionen sind sogenannte Wetterblenden. Das sind quer zur Strömungsrichtung eingebaute Bretterverschläge oder mit Tuch bespannte Holzrahmen, die durch mehr oder weniger große Öffnungen den Strömungsquerschnitt weniger oder stärker verengen und so den Wetterwiderstand weniger oder mehr erhöhen.

Wettertür im Bergbaumuseum Bochum

Ist die eher vollständige Trennung zweier Wetterwege gefordert, werden sogenannte Wetterschleusen errichtet. Hierbei handelt es sich um zwei weitgehend luftdichte Wände oder Mauern, die in geringem Abstand voneinander errichtet werden. Soll der Weg weiterhin für Fahrung und Materialtransport nutzbar bleiben, werden in die Wände Türen (Wettertüren) eingebaut. Die doppelte Ausführung wird gewählt, um zum einen die Dichtigkeit zu erhöhen und zum anderen dann, wenn zwischen beiden Schleusenseiten ein großer Luftdruckunterschied besteht, die Türen überhaupt öffnen zu können.

Der Vollständigkeit halber sollen im Zusammenhang mit den Wetterbauwerken die sogenannten Wetterbrücken nicht unerwähnt bleiben, deren Zweck es ist, einander kreuzende Wetterwege voneinander zu trennen.

Jede Beeinflussung des Wetterstroms an einer Stelle verändert allerdings die Verhältnisse in anderen Zweigen des Wetternetzes und erhöht den Widerstand des Gesamtsystems. Dies führt dann dazu, dass sich bei ansonsten gleichen Bedingungen der insgesamt durch das Bergwerk ziehende Wetterstrom (Volumenstrom) verringert. Technisch ausgleichen lässt sich dieser Umstand dadurch, dass man die (Unter-)Druckerzeugung des Grubenlüfters erhöht. Dies ist allerdings, wenn überhaupt, technisch nur in Grenzen möglich und kann aus mehreren Gründen problematisch sein:

• Mit Blick auf den Wirkungsgrad wird der Betrieb der Wettermaschine weniger wirtschaftlich.

• In größeren Bergwerken mit weitverzweigten Wetternetzen kann die Einrichtung zusätzlicher Wetterbauwerke irgendwann zur Überlastung der Wettermaschine führen, was sich dann im Extremfall in einem Strömungsabriss an den Ventilatorschaufeln äußert. Es ist daher wichtig, dass in einem Bergwerk die Größe des Wetternetzes der Auslegung der Wettermaschine entspricht. Um Überlastungen zu vermeiden, müssen deshalb regelmäßig nicht mehr benötigte Teile eines Wetternetzes abgeworfen, d.h. vom in Betrieb befindlichen Bergwerksteil luftdicht abgetrennt werden.

• Die Vergrößerung der Druckerzeugung führt zu einer Erhöhung der Druckdifferenz zwischen Frisch- und Abwetterstrom. Mitunter reicht dann der Wetterwiderstand zwischen bestimmten Punkten im Wetternetz nicht mehr aus und es stellen sich unerwünschte Wetterströme ein. Wenn ein solcher Wetterstrom Frischwetter in den Abwetterstrom führt, ohne dass die Frischwetter zur Luftversorgung des Bergwerks beigetragen haben, spricht man von einem Kurzschluss(wetter)strom. Strömt Luft unkontrolliert in nach Abbau des Minerals verbrochene oder verfüllte Bereiche (Alter Mann) spricht man von einem Schleichwetterstrom. Letztere können vor allem in Kohlenbergwerken sehr gefährlich sein, da sie zur Selbstentzündung der noch vorhandenen Restkohle führen und damit Ursache für einen Grubenbrand sein können.

Bewetterung der Abbaue

Beim streichenden Pfeilerbau erfolgte die Bewetterung früher in der Regel durch Wetterbohrlöcher, Aufhauen oder Durchhiebe. Der Wetterstrom streicht von der Grundstrecke ausgehend nacheinander durch sämtliche Aufhauen und wird letztendlich über Wetterstrecke abgeführt. Allerdings hat diese Methode den Nachteil, dass sich die Wetter, sowohl in engen als auch in weiten Gruben, mit Grubengasen anreichern. Auch wird bei engen Gruben, mit weit verzweigten Wetterwegen, die Leistungsfähigkeit des saugenden Ventilators aufgrund der vielfachen Krümmungen der Wetterwege stark beeinträchtigt. Bei weiten Gruben haben die Krümmungen keinen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Ventilators. Heute gibt, je nach Abbau, insgesamt sechs verschiedene Formen der Bewetterung, die je nach Zuschnitt der Lagerstätte zur Anwendung kommen. Dies sind die U-, die Z-, die Y-, die H-, die W und die Doppel Z- Bewetterung.

Sonderbewetterung

Bild 4: Sonderbewetterung nicht durchschlägiger Grubenbaue: a) blasend, b) saugend.

In der Auffahrung befindliche Grubenbaue müssen, weil sie noch nicht durchschlägig, d.h. erst nach einer Seite offen sind, in anderer Weise bewettert werden. Die bergmännische Fachsprache verwendet in diesem Zusammenhang den Begriff Sonderbewetterung. Eine Möglichkeit besteht darin die Strecke mittels eines Wetterscheiders in zwei Parallelstrecken aufzuteilen. Die Strecken stehen dabei nur Vor Ort in Verbindung. Bei einer anderen Methode wird, dem Baufortschritt folgend, eine Wetterlutte mitgeführt, die mit einem Lüfter in der Nähe des Zugangs verbunden ist. Außerdem lässt sich eine Sonderbewetterung durch Luftentnahme aus dem Druckluftnetz erzeugen, diese Methode bedarf aber der Erlaubnis durch das Oberbergamt. Bei der Errichtung von Einrichtungen zur Sonderbewetterung ist besonders darauf zu achten, dass die Abwetter nicht mit dem Frischwetterstrom vermischt und dem sonderbewetterten Bereich erneut zugeführt werden. In untertägigen Abbaubetrieben bei denen Grubengase auftreten, darf keine Sonderbewetterung angewendet werden. Zur Vermischung von Methangaskonzentration mit dem Wetterstrom werden, insbesondere in maschinellen Vortrieben, Wirbellutten eingesetzt.

Eine Sonderbewetterung kann blasend oder saugend betrieben werden:

• bei der blasenden Sonderbewetterung saugt der Lüfter frische Luft aus dem Frischwetterstrom und bläst sie in den Grubenbau hinein; die Abwetter strömen außerhalb der Lutte zum Eingang zurück.
• bei der saugenden Sonderbewetterung saugt der Lüfter die Abwetter aus dem Vortrieb und bläst sie am Eingang aus; Frischwetter strömen außerhalb der Lutte vom Eingang nach.

Literatur

• Heinz Kundel: Kohlengewinnung. 6. Auflage, Verlag Glückauf GmbH, Essen 1983, ISBN 3-7739-0389-8

Weblinks

Commons: Bewetterung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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