Kohlebrand

Kohlebrände sind Brände bei denen Kohle, die in Kontakt mit Sauerstoff aus der Luft steht, oxidiert und Wärme (exotherme Reaktion) erzeugt. Es kann sich dabei um einen bei Verbrennungstemperaturen unterhalb von 100 °C bis zu 250 °C ablaufenden Schwelbrand oder um eine Verbrennung bei bis zu 1500 °C handeln. Auch die Art der Kohle hat einen Einfluß auf den Brand, welche von Steinkohle über Braunkohle bis zu Torf reichen kann.

Spontane (unkontrollierte) Kohleflözbrände

Die Ursache spontaner Kohlebrände ist die leichten Entzündlichkeit der Kohle, wenn sie über längere Zeit mit Sauerstoff aus der Luft in Berührung ist. Es entsteht dann aufgrund von Oxidationsvorgängen Wärme, wodurch leicht flüchtige teerhaltige Gase entstehen, die sich spontan Selbstentzündungen können, wenn die Wärme unter ungünstigen Umständen nicht abgeführt werden kann. Wieweit diese Selbstentzündung von einem Schwelbrand zu einem voll ausgebildeten Brand fortschreitet, wo dann die zu Koks umgewandelte Kohle brennt, hängt von vielen Parametern ab. Die niedrigste Zündtemperatur hat Torf, dann Braunkohle und zuletzt Steinkohle. Braunkohle kann schon bei Temperaturen von 40 - 60 °C spontan zu brennen beginnen. Auf diese Weise kann es letztendlich zu Großbränden in unterirdischen Kohlebergwerken kommen und Menschenleben können in Gefahr geraten.

Eine besondere Gefahr besteht dort, wo Kohleflöze an die Eroberfläche kommen und die Luft einen unmittelbaren und andauernden Zutritt hat. Hier entstehen derartige Brände spontan und können jahrzehntelang brennen. Ein hoher Anteil an brennbaren Gasen, ein hoher Schwefelgehalt und eine bestimmte Struktur der Kohle erhöhen die Brandgefahr. Insgesamt werden auf der Welt mindestens 20-30 Millionen Tonnen Kohle jährlich durch diese Brände vernichtet. Für den Bergbau unbrauchbar gemacht wird mindestens die zehnfache Kohlemenge. Die Menge der ausgestoßenen Klimagase ergibt sich wesentlich aus der verbrannten Kohlemenge. In jedem Fall liegt der Gesamtausstoß an Treibhausgasrn wie Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Schwefeldioxid und Methan in der Größenordnung des Ausstoßes des deutschen Autoverkehrs, es handelt sich demnach bei den spontanen und unkontrollierten Kohlebränden um ein auch in dieser Hinsicht durchaus relevantes Problem. Kohlebrände können gelöscht werden. Dies dauert mehrere Jahre für jeden einzelnen Brand.

Kohlebrände in Indien

Neben den Revieren Ranigani und Singareni wüten Brände besonders in der Region Jharia im Nordwesten Indiens, westlich von Calcutta. Auf einer Fläche von 700 km² gab es 1997 etwa 160 einzelne Brände. Im Zusammenhang mit den Bränden wird über Hangrutschungen, Tagesbrüche und Bergsenkungen berichtet. Da diese Gebiete dicht besiedelt sind, sind die zugehörigen lokalen Umweltbelastungen besonders hoch.

Der Steinkohlebergbau fördert einerseits die Kohlebrände, da er dem Luftsauerstoff verbessert Zutritt zur Kohle verschafft, andererseits beeinträchtigen oder verhindern die Brände den Fortgang des Bergbaus. Es wird geschätzt, dass in Indien ca. 70 % der Brände bergbaubedingt sind.

Kohlebrände in der USA

Viele Kohlereviere der USA sind von spontanen Kohlebränden betroffen. Das Federal Office of Surface Mining (OSM) unterhält eine Datenbank (AMLIS), die für 1999 150 Brandzonen auflistet. Betroffen sind nicht nur Kentucky, Pennsylvania und West Virginia im Osten der Appalachen-Kohlefelder, sondern auch Colorado und die Rocky Mountains.

In Pennsylvania sind 45 Brandzonen bekannt. Die bekannteste ist der Brand der Centralia Mine, in der Anthrazit Kohleregion in Columbia County. Diese Feuer brennen seit 1962 und breiten sich unter der Stadt aus. Es wurde in Centralia zwar eine Löschung (in Ansätzen) versucht, letztendlich wurde die Stadt aber wegen der Brände aufgegeben und geräumt.

In Colorado sind Kohlebrände als Folge von Schwankungen des Grundwassers entstanden. Bei derartigen Schwankungen kann sich die Kohletemperatur durch Absorptionswärmeum bis zu 30 °C erhöhen, was zur Überschreitung der Zündtemperatur ausreichen kann.

Im Powder River Basin in Wyoming und Montana liegen ca. 800 Milliarden Tonnen Braunkohle. Bereits die Lewis-und-Clark-Expedition (1804 - 1806) berichtete von Bränden. Diese kommen sogar seit etwa drei Millionen Jahren dort natürlich vor und haben die Landschaft geformt indem Sedimente durch die Hitze zu "Zement" verbacken ist. Etwa 4000 km² "clinker" sind so entstanden.

Kohlebrände in Europa und Russland

Die Zahl der Kohlebrände in Europa ist parallel zum Rückgang des Bergbaus auch zurückgegangen.

Bei Zwickau brannte seit 1476 ein Kohleflöz, das erst 1860 gelöscht werden konnte. Im Jahr 1837 entstand dort eine Gärtnerei in der Tropenpflanzen gezüchtet wurden. Im saarländischen Dudweiler hat sich um 1668 ein Steinkohleflöz entzündet, das noch bis heute brennt. Dieser sog. Brennende Berg hat sich zu einer Touristenattraktion entwickelt, die auch schon Goethe besichtigt hat. Ebenfalls bekannt ist die sogenannte Stinksteinwand im Schwalbenthal am Osthang des Hohen Meißner, wo nach dem Einstellen des Braunkohleabbaus bereits vor Jahrhunderten einige Flöze sich entzündeten und heute deren Verbrennungsgase an die Oberfläche treten.

Großbritannien hatte erhebliche Probleme mit brennenden Halden. Diese sind jedoch inzwischen ausgegraben und begrünt. Die auch heute in Deutschland noch brennenden Halden werden (teilweise aus der Luft) mit Wärmebildgeräten überwacht. Diese vergleichweise kleinen Brände werden durch Injektionen von Zement oder Anhydrit unterdrückt.

Im Nordosten Frankreichs wird Kohle mit hohem Selbstentzündungspotential immer noch abgebaut. Es werden besondere bergbauliche Maßnahmen zur Brandverhütung eingesetzt. Einige Brände werden aus Osteuropa berichtet (Polen, Tschechien, Ukraine). Die Ukraine hat 2.000 Millionen Tonnen Kohle in 2.100 Halden gelagert. Davon brennen etwa 140 Halden. Aus Russland wurde 1998 von 74 Kohlebränden berichtet. Betroffen ist das Kohlebecken Kuzbass und die Kohlebecken bei den Städten Petschora und Donezk.

Kohlebrände in Afrika

Die großen Kohlereviere Afrikas liegen im Süden, in Südafrika, Simbabwe, Botsuana, Mosambik und Sambia, wo auch am häufigsten Feuer in den Kohlelagern anzutreffen sind. In Mali finden sich unteridische Torffeuer, die speziell in der Trockenzeit immer wieder in Brand geraten und dabei sämtliche organische Materie, auch Baumwurzeln zerstören.

Kohlebrände in Australien

Fünf Kilometer nördlich der Stadt Wingen in New South Wales brennt seit tausenden von Jahren der Burning Mountain. Zur Zeit ist das Feuer 30 m unterhalb der Oberfläche und bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 1 m pro Jahr vorwärts. Es brennt dort seit Jahrzehnten auf einer Länge von 6 km. Auch weitere Kohlefeuer sind bekannt.

Kohlebrände in China

In China, dem größten Kohleproduzenten der Welt mit einer jährlichen Fördermenge von zirka 1,7 Milliarden Tonnen, sind Kohlebrände ein besonders gravierendes Problem. Man geht davon aus, dass in jedem Jahr in Nordchina etwa 10-20 Millionen Tonnen Kohle den Flammen zum Opfer fallen und 100-200 Millionen Tonnen für den Bergbau unbrauchbar werden. Die Kohlebrände erstrecken sich über einen Gürtel im gesamten Norden Chinas. Neben den Verlusten durch die verbrannte und unbrauchbare Kohle tragen diese Brände zur Luftverschmutzung sowie zu beträchtlich erhöhten Treibhausgasemissionen bei und sind damit ein Problem von internationalem Interesse. In China werden aber gleichzeitig die weltweit intensivsten Aktivitäten zur Löschung unternommen. Neue Löschverfahren werden in dem Forschungprojekt Kohlebrände im Rahmen der Sino German Coal Fire Research Initiative entwickelt.

Kohlebrände in anderen Gebieten

In Indonesien gibt es große, an der Oberfläche liegenden Torfflöze, die leicht in Brand geraten wenn sie entwässert werden. Im Jahr 1997/98 brannten etwa 10 Millionen Hektar und hüllten Indonesien und Teile Südostasiens 10 Monate lang in dunklen Rauch ein. Die Brände ließen sich kaum löschen, da unterirdische Brandnester immer wieder das Feuer neu entfachten.

Das Indonesian Forest Fire Prevention and Control Project (FFPCP) berichtete über Kohlefeuer, die 4 Jahre gebrannt haben. Hinzu kamen 2 neue Brände in der Region Suban Jeriji. Über Kohlebrände wurde auch aus Venezuela berichtet, ohne jedoch genauere Informationen zu liefern.

Kohlebrände auf Dampfschiffen

In der Zeit der Dampfschifffahrt kam es gelegentlich zu Bränden im Kohlenlager. So gibt es die Vermutung, dass die Titanic deshalb mit überhöhter Geschwindigkeit gefahren ist, um möglichst schnell an die brennende Kohle heranzukommen.

Vermeidung und Bekämpfung von Kohelbränden, Löschmethoden

Um Kohlenbrände zu verhindern und zu bekämpfen muß sowohl der Kontakt der Kohle mit dem Luftsauerstoff verringert oder gar verhindert werden. In Bergwerken gibt es dazu Techniken der Bewetterung mit denen frische Luft in die Stollen geleitet wird, um so das Grubengas nach Übertage abzuleiten. Dies ist notwendig um Schlagwetterexplosionen zu vermeiden und somit nicht die Kohle im Flöz zu entzünden. Auch die Temperatursenkung im Schacht ist von Bedeutung, da bei höherer Temperatur die Kohle schneller die Zündtemperatur erreichen kann. Nach dem Abbau eines Flözes muß der Zugang abgedichtet werden. Bei oberflächennahen Flözen ist dies häufig nicht auf Dauer zu erreichen, da z. B. Hangabbrüche oder Schwarzgrabungen einen neuen Luftzugang schaffen können.

Kommt es doch zu einen Brand, muß das Feuer lokalisiert und von der Luft abgeschnitten werden. Die Temperatur der Kohle kann gesenkt werden, indem Wasser hineingepumpt wird. Reste trockengebliebener Kohle können allerdings durch die Aufnahme von Wasser Absorptionswärme erzeugen, so dass ein gelöschtes Feuer nach der Trockenlegung sich erneut selbst entzünden kann.

Routinemäßig werden Kohle Flöz Brände derzeit nur in China gelöscht. Hier hat sich eine Standardmethode entwickelt, die besonders in der Autonomen Region Xinjiang, aber auch in der Innere Mongolei und in der Provinz Ningxia angewendet wird. Sie besteht im wesentliche aus folgenden Phasen:

Einebnen der Fläche über der Brandzone mit schwerem Gerät um eine Befahrbarkeit zu erreichen
Abbohren der Brandzone in einem regelmäßigen Bohrraster in etwa 20m Bohrabständen bis zur Tiefe des Brandherdes
Injektion von von Wasser oder Schlamm in die Bohrlöcher über längere Zeit (1-2Jahre)
Abdecken des ganzen Gebiets mit eine1 etwa 1m mächtigen undurchlässigen Schicht, etwa aus Löß
Begrünung (soweit klimatisch möglich)

An Verfeinerungen dieser Methode, etwa durch Zusätze zum Löschwasser wird gearbeitet.

Überwachung von Brandzonen, Monitoring

Brandzonen und potentielle Brandzonen (Riskogebiete) müssen regelmäßig überwacht werden. Dies ermöglicht das frühzeitige Erkennen eines neuen Brandes und dessen Bekämfung im Anfangsstadium. Auch gelöschte Brandzonen sind zu überwachen, da sie jedezeit wieder neu beginnen können zu brennen. Dies geschiet haupsächlich deshalb weil Wärmeinseln beim Löschen stehen geblieben sind. Diese können sich wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der Gesteine jahrelang halten. Eine großflächige Überwachung ist nur mit satellitenbasierten Methoden denkbar. Die Überwachung einzelner Brandzonen kann auch durch wiederholte Befahrung mit Einsatz entsprechender Messtechnik (Themperaturen, Gasmessungen, geophysikalische Messungen) gewährleitet werden, da sich die Brände nur relativ langsam ändern.

Erkundung von Brandzonen (Messtechnik)

Zur Erkundung des unterirdischen Brandverlaufs muss dieser möglichst genau bekannt sein. Dazu kann die Oberfläche mit Wärmesensoren von Satelliten abgetastet werden. Auch ändert sich das magnetische Feld und die elektrische Leitfähigkeit von Gestein, welches auf über 600 °C erhitzt ist, was detektiert werden kann.

Die mehrere hundert bis über tausend Grad Celcius heißen Kohlebrände können sich mit einem Temperaturanstieg der Erdoberfläche von nur ca. 20 °C zeigen. Dies liegt in der Größenordnung des Temperaturunterschiedes zwischen der von der Sonne beschienenen und der im Schatten liegenden Hangseite einer Abraumhalde oder einer Sanddüne. Deshalb misst man am besten mit dem Wärmesensor vor Sonnenaufgang.

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