Die unterirdische Kohleproduktion begann zunächst mit Zugangstunneln oder Stollen, die von ihren Oberflächenaufschlüssen in Flöze abgebaut wurden. Probleme, die durch unzureichende Transportmittel verursacht wurden, um Kohle an die Oberfläche zu bringen, und durch das zunehmende Risiko, Methantaschen von Kerzen und anderen offenen Flammen zu entzünden, begrenzten jedoch die Tiefe, bis zu der frühe Untertageminen bearbeitet werden konnten.

Die steigende Nachfrage nach Kohle während der Industriellen Revolution gab den Anreiz für Schachtabteufungen, um Zugang zu tieferen Kohlereserven zu erhalten, und Mitte des 1970. Jahrhunderts stammte der weitaus größere Anteil der weltweiten Kohleförderung aus Untertagebetrieben. In den 1980er und 1990er Jahren gab es eine weit verbreitete Entwicklung neuer Kohleabbaukapazitäten an der Oberfläche, insbesondere in Ländern wie den Vereinigten Staaten, Südafrika, Australien und Indien. In den 1990er Jahren führte das erneute Interesse am Untertagebergbau jedoch dazu, dass neue Minen (z. B. in Queensland, Australien) an den tiefsten Stellen ehemaliger Tagebaue erschlossen wurden. Mitte der 45er-Jahre wurden etwa 30 % der weltweit geförderten Steinkohle unter Tage abgebaut. Der tatsächliche Anteil war sehr unterschiedlich und reichte von unter 95 % in Australien und Indien bis zu rund XNUMX % in China. Braun- und Braunkohle werden aus wirtschaftlichen Gründen nur selten unter Tage abgebaut.

Eine Untertagekohlemine besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: einem Produktionsbereich; Kohletransport zum Fuß eines Schachts oder Gefälles; und die Kohle entweder an die Oberfläche zu heben oder zu befördern. Die Produktion umfasst auch die Vorbereitungsarbeiten, die notwendig sind, um den Zugang zu zukünftigen Produktionsbereichen eines Bergwerks zu ermöglichen und stellt somit das höchste persönliche Risiko dar.

Minenentwicklung

Das einfachste Mittel, um auf ein Kohleflöz zuzugreifen, besteht darin, ihm von seinem Oberflächenaufschluss aus zu folgen, eine immer noch weit verbreitete Technik in Gebieten, in denen die darüberliegende Topographie steil ist und die Flöze relativ flach liegen. Ein Beispiel ist das Kohlerevier der Appalachen im Süden von West Virginia in den Vereinigten Staaten. Die tatsächlich im Flöz angewandte Abbaumethode ist an dieser Stelle unerheblich; wichtig ist, dass der zugang kostengünstig und mit minimalem bauaufwand zu erreichen ist. Stollen werden auch häufig in Gebieten des Low-Tech-Kohlebergbaus verwendet, wo die während des Abbaus des Stollens produzierte Kohle verwendet werden kann, um die Erschließungskosten auszugleichen.

Andere Zugangsmöglichkeiten sind Gefälle (oder Rampen) und vertikale Schächte. Die Wahl hängt normalerweise von der Tiefe des Kohleflözes ab, in dem gearbeitet wird: Je tiefer das Flöz, desto teurer ist es, eine abgestufte Rampe zu entwickeln, entlang der Fahrzeuge oder Bandförderer fahren können.

Schachtabteufen, bei dem ein Schacht von der Oberfläche senkrecht nach unten abgebaut wird, ist sowohl kostspielig als auch zeitaufwändig und erfordert eine längere Vorlaufzeit zwischen dem Baubeginn und dem Abbau der ersten Kohle. In Fällen, in denen die Flöze tief liegen, wie in den meisten europäischen Ländern und in China, müssen oft Schächte durch wasserführende Felsen über den Kohleflözen abgeteuft werden. Hier muss mit Spezialtechniken wie Bodenvereisung oder Verpressung verhindert werden, dass Wasser in den Schacht eindringt, der dann mit Stahlringen oder Gussbeton ausgekleidet wird, um eine dauerhafte Abdichtung zu gewährleisten.

Gefälle werden typischerweise verwendet, um auf Flöze zuzugreifen, die für den Tagebau zu tief sind, aber immer noch relativ oberflächennah sind. Im Kohlerevier Mpumalanga (östliches Transvaal) in Südafrika beispielsweise liegen die abbaubaren Flöze in einer Tiefe von nicht mehr als 150 m; In einigen Gebieten werden sie im Tagebau abgebaut, in anderen ist ein Untertageabbau erforderlich. In diesem Fall werden häufig Abstiege verwendet, um den Zugang für Bergbauausrüstung zu ermöglichen und die Bandförderer zu installieren, mit denen die geschnittene Kohle aus der Mine transportiert wird.

Gefälle unterscheiden sich von Stollen dadurch, dass sie normalerweise in Gestein und nicht in Kohle ausgehoben werden (es sei denn, das Flöz fällt mit konstanter Geschwindigkeit ab) und mit einem konstanten Gefälle abgebaut werden, um den Zugang für Fahrzeuge und Förderbänder zu optimieren. Eine Innovation seit den 1970er Jahren ist der Einsatz von Gurtförderern, die in Gefällen laufen, um die Produktion im Tiefbau zu befördern, ein System, das Vorteile gegenüber herkömmlichen Schachtförderern in Bezug auf Kapazität und Zuverlässigkeit bietet.

Bergbaumethoden

Der Untertage-Kohlebergbau umfasst zwei Hauptverfahren, von denen sich viele Variationen entwickelt haben, um die Bergbaubedingungen in einzelnen Betrieben anzugehen. Bei der Extraktion von Räumen und Säulen werden Tunnel (oder Straßen) in einem regelmäßigen Raster abgebaut, wobei häufig erhebliche Säulen für die langfristige Unterstützung des Daches zurückbleiben. Im Strebbau werden große Teile eines Kohleflözes vollständig abgebaut, wodurch das Dachgestein in das abgebaute Gebiet einstürzt.

Room-and-Pillar-Mining

Der Kammer- und Pfeilerbergbau ist das älteste untertägige Kohlebergbausystem und das erste, das das Konzept der regelmäßigen Dachunterstützung zum Schutz der Bergarbeiter anwendet. Der Name Room-and-Pillar-Mining leitet sich von den Kohlesäulen ab, die auf einem regulären Netz zurückgelassen werden, um sie bereitzustellen in situ Unterstützung für das Dach. Es wurde zu einem hochproduktiven, mechanisierten Verfahren entwickelt, das in einigen Ländern einen erheblichen Teil der gesamten Untertageproduktion ausmacht. Beispielsweise stammen 60 % der Untertage-Kohleförderung in den Vereinigten Staaten aus Raum-und-Pfeiler-Bergwerken. In Bezug auf den Umfang haben einige Minen in Südafrika Kapazitäten von mehr als 10 Millionen Tonnen pro Jahr aus Operationen mit mehreren Produktionsabschnitten in Flözen mit einer Mächtigkeit von bis zu 6 m installiert. Im Gegensatz dazu sind viele Room-and-Pillar-Minen in den Vereinigten Staaten klein und arbeiten in Flözdicken von nur 1 m, mit der Möglichkeit, die Produktion je nach Marktbedingungen schnell zu stoppen und wieder aufzunehmen.

Raum-und-Pfeiler-Bergbau wird typischerweise in flacheren Flözen verwendet, wo der Druck, der durch überlagernde Felsen auf die Stützpfeiler ausgeübt wird, nicht übermäßig ist. Das System hat zwei entscheidende Vorteile gegenüber dem Strebabbau: seine Flexibilität und inhärente Sicherheit. Sein Hauptnachteil besteht darin, dass die Gewinnung der Kohleressource nur teilweise erfolgt, wobei die genaue Menge von Faktoren wie der Tiefe des Flözes unter der Oberfläche und seiner Mächtigkeit abhängt. Rückgewinnungen von bis zu 60 % sind möglich. Eine Gewinnung von neunzig Prozent ist möglich, wenn in einer zweiten Phase des Extraktionsprozesses Pfeiler abgebaut werden.

Das System ist auch in der Lage, verschiedene technische Raffinessen zu erreichen, die von arbeitsintensiven Techniken (wie dem „Korbbergbau“, bei dem die meisten Abbauschritte, einschließlich des Kohletransports, manuell erfolgen) bis hin zu hochmechanisierten Techniken reichen. Kohle kann von der Tunnelbrust durch den Einsatz von Sprengstoffen oder kontinuierlichen Abbaumaschinen abgebaut werden. Fahrzeuge oder mobile Bandförderer sorgen für den mechanisierten Kohletransport. Dachanker und Metall- oder Holzumreifungen werden verwendet, um das Fahrbahndach und die Kreuzungen zwischen Fahrbahnen zu stützen, wo die offene Spannweite größer ist.

Ein Continuous Miner, der einen auf Raupenketten montierten Schneidkopf und ein Kohleladesystem umfasst, wiegt typischerweise zwischen 50 und 100 Tonnen, abhängig von der Arbeitshöhe, in der er arbeiten soll, der installierten Leistung und der erforderlichen Schnittbreite. Einige sind mit bordeigenen Felsanker-Installationsmaschinen ausgestattet, die gleichzeitig mit dem Kohleschneiden eine Dachabstützung bieten; in anderen Fällen werden separate Continuous Miner- und Roofbolter-Maschinen nacheinander verwendet.

Kohletransporter können über ein Versorgungskabel mit Strom versorgt werden oder batterie- oder dieselmotorbetrieben sein. Letzteres bietet eine größere Flexibilität. Kohle wird von der Rückseite des Continuous Miners in das Fahrzeug geladen, das dann eine Nutzlast, typischerweise zwischen 5 und 20 Tonnen, über eine kurze Strecke zu einem Aufgabetrichter für das Hauptbandfördersystem transportiert. Ein Brecher kann im Trichteraufgeber enthalten sein, um übergroße Kohle oder Gestein zu zerkleinern, die Rutschen blockieren oder Förderbänder im weiteren Verlauf des Transportsystems beschädigen könnten.

Eine Alternative zum Fahrzeugtransport ist das Continuous-Haulage-System, ein auf Raupen montierter, flexibler Sektionsförderer, der geschnittene Kohle direkt vom Continuous Miner zum Trichter transportiert. Diese bieten Vorteile in Bezug auf die Sicherheit des Personals und die Produktionskapazität, und ihre Verwendung wird aus den gleichen Gründen auf Ausbausysteme für Strebbaustellen ausgeweitet.

Strecken werden bis zu Breiten von 6.0 m abgebaut, normalerweise die volle Höhe des Flözes. Säulengrößen hängen von der Tiefe unter der Oberfläche ab; Quadratische 15.0-m-Pfeiler auf 21.0-m-Zentren wären repräsentativ für das Pfeilerdesign für eine flache Mine mit niedrigem Flöz.

Strebbau

Longwall Mining wird weithin als eine Entwicklung des 200. Jahrhunderts wahrgenommen; Es wird jedoch angenommen, dass das Konzept über 1950 Jahre früher entwickelt wurde. Der Hauptfortschritt besteht darin, dass frühere Operationen hauptsächlich manuell erfolgten, während der Grad der Mechanisierung seit den XNUMXer Jahren so weit gestiegen ist, dass ein Streb heute eine hochproduktive Einheit ist, die von einer sehr kleinen Mannschaft von Arbeitern bedient werden kann.

Longwalling hat gegenüber dem Room-and-Pillar-Mining einen entscheidenden Vorteil: Es kann eine vollständige Gewinnung des Paneels in einem Durchgang erreichen und einen höheren Gesamtanteil der gesamten Kohleressource gewinnen. Das Verfahren ist jedoch relativ unflexibel und erfordert sowohl eine große abbaubare Ressource als auch garantierte Verkäufe, um rentabel zu sein, da mit der Entwicklung und Ausstattung eines modernen Strebs hohe Kapitalkosten verbunden sind (in einigen Fällen über 20 Millionen US-Dollar).

Während in der Vergangenheit einzelne Bergwerke oft gleichzeitig mehrere Strebanlagen betrieben (in Ländern wie Polen teilweise über zehn pro Bergwerk), geht der aktuelle Trend hin zur Zusammenlegung der Abbaukapazitäten in weniger, hochleistungsfähige Einheiten. Die Vorteile davon sind verringerte Arbeitsanforderungen und die Notwendigkeit einer weniger umfangreichen unterirdischen Infrastrukturentwicklung und -wartung.

Beim Strebabbau wird das Dach beim Abbau des Flözes absichtlich eingestürzt; nur wichtige Zugangswege im Untergrund sind durch Stützpfeiler geschützt. Die Dachsteuerung wird auf einem Streb durch zwei- oder vierbeinige hydraulische Stützen bereitgestellt, die die unmittelbare Last des darüber liegenden Daches aufnehmen, ihre teilweise Verteilung auf den nicht abgebauten Streb und die Pfeiler auf beiden Seiten der Platte ermöglichen und die Strebausrüstung schützen und Personal vom eingestürzten Dach hinter der Stützlinie. Die Kohle wird von einem elektrisch betriebenen Walzenschneider geschnitten, der normalerweise mit zwei Kohleschneidtrommeln ausgestattet ist und bei jedem Durchgang einen bis zu 1.1 m dicken Kohlestreifen aus der Strebwand abbaut. Der Walzenlader fährt mit und lädt die geschnittene Kohle auf einen gepanzerten Förderer, der sich nach jedem Schnitt durch sequentielle Bewegung der Strebstützen vorwärts schlängelt.

Am Strebende wird die geschnittene Kohle an ein Förderband zum Transport an die Oberfläche übergeben. In einer vorrückenden Strebung muss der Gürtel mit zunehmender Entfernung vom Strebstartpunkt regelmäßig verlängert werden, während beim Rückzugsstreb das Gegenteil gilt.

In den letzten 40 Jahren wurden sowohl die Länge des abgebauten Strebs als auch die Länge der einzelnen Strebplatten (der Kohleblock, durch den der Streb verläuft) erheblich verlängert. Zur Veranschaulichung: In den Vereinigten Staaten stieg die durchschnittliche Streblänge von 150 m im Jahr 1980 auf 227 m im Jahr 1993. In Deutschland lag der Durchschnitt Mitte der 1990er Jahre bei 270 m, und Streblängen von über 300 m sind in Planung. Sowohl im Vereinigten Königreich als auch in Polen werden bis zu 300 m lange Strebflächen abgebaut. Die Plattenlängen werden größtenteils durch geologische Bedingungen wie Verwerfungen oder durch Minengrenzen bestimmt, betragen aber jetzt unter guten Bedingungen durchgehend über 2.5 km. In den USA wird die Möglichkeit von bis zu 6.7 km langen Panels diskutiert.

Rückzugsbergbau entwickelt sich zum Industriestandard, obwohl er höhere Anfangsinvestitionen in den Straßenausbau bis zum weitesten Ausmaß jeder Platte erfordert, bevor der Strebbau beginnen kann. Wo möglich, werden Straßen jetzt im Flöz abgebaut, wobei kontinuierliche Bergleute verwendet werden, wobei die Felsbolzenunterstützung die zuvor verwendeten Stahlbögen und Fachwerkträger ersetzt, um den darüber liegenden Felsen eine positive Unterstützung zu bieten, anstatt passiv auf Felsbewegungen zu reagieren. Es ist jedoch in seiner Anwendbarkeit auf kompetente Dachfelsen beschränkt.

Sicherheitshinweise

Statistiken der IAO (1994) weisen auf große geografische Unterschiede in der Zahl der Todesfälle im Kohlebergbau hin, obwohl diese Daten das Niveau der Bergbauentwicklung und die Zahl der Beschäftigten von Land zu Land berücksichtigen müssen. In vielen Industrieländern haben sich die Bedingungen verbessert.

Größere Zwischenfälle im Bergbau sind heute relativ selten, da sich die technischen Standards verbessert haben und Materialien wie Förderbänder und unter Tage verwendete Hydraulikflüssigkeiten feuerfest sind. Dennoch bleibt die Möglichkeit von Zwischenfällen, die Personen- oder Sachschäden verursachen können. Methangas- und Kohlenstaubexplosionen ereignen sich trotz stark verbesserter Belüftungspraktiken immer noch, und Dacheinstürze sind weltweit für die Mehrzahl der schweren Unfälle verantwortlich. Brände, entweder an Geräten oder durch Selbstentzündung, stellen eine besondere Gefahr dar.

Betrachtet man die beiden Extreme, den arbeitsintensiven und den hochmechanisierten Bergbau, so gibt es auch große Unterschiede sowohl in der Unfallhäufigkeit als auch in der Art der beteiligten Zwischenfälle. Arbeiter, die in einem kleinen manuellen Bergwerk beschäftigt sind, erleiden mit größerer Wahrscheinlichkeit Verletzungen durch Herunterfallen von Steinen oder Kohle von der Fahrbahndecke oder den Seitenwänden. Sie riskieren auch eine stärkere Exposition gegenüber Staub und brennbaren Gasen, wenn die Belüftungssysteme unzureichend sind.

Sowohl der Kammer-und-Pfeiler-Abbau als auch die Erschließung von Fahrbahnen für den Zugang zu den Strebplatten erfordern eine Unterstützung der Decken- und Seitenwandfelsen. Die Art und Dichte der Stützung variiert unter anderem je nach Flözdicke, Beschaffenheit der darüber liegenden Gesteine ​​und Tiefe des Flözes. Der gefährlichste Ort in jeder Mine ist unter einem nicht unterstützten Dach, und die meisten Länder legen strenge gesetzliche Beschränkungen für die Länge der Straße fest, die entwickelt werden darf, bevor die Unterstützung installiert wird. Die Bergung von Pfeilern bei Arbeiten mit Räumen und Pfeilern birgt besondere Gefahren durch die Möglichkeit eines plötzlichen Dacheinsturzes und muss sorgfältig geplant werden, um ein erhöhtes Risiko für Arbeiter zu vermeiden.

Moderne Hochleistungsstrebe erfordern ein Team von sechs bis acht Bedienern, sodass die Anzahl der Personen, die potenziellen Gefahren ausgesetzt sind, deutlich reduziert wird. Staub, der durch den Strebfräser erzeugt wird, ist ein großes Problem. Das Schneiden von Kohle ist daher manchmal auf eine Richtung entlang der Strebfläche beschränkt, um den Belüftungsstrom zu nutzen, um Staub von den Arbeitern der Walzenschere wegzubefördern. Die Hitze, die von immer leistungsstärkeren elektrischen Maschinen in den Grenzen des Strebs erzeugt wird, hat auch möglicherweise schädliche Auswirkungen auf die Strebarbeiter, insbesondere wenn die Minen tiefer werden.

Auch die Geschwindigkeit, mit der Schermaschinen im Streb arbeiten, nimmt zu. Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 45 m/min werden Ende der 1990er Jahre aktiv erwogen. Die physische Fähigkeit der Arbeiter, mit dem Kohleschneider Schritt zu halten, der sich wiederholt über eine 300 m lange Wand für eine volle Arbeitsschicht bewegt, ist zweifelhaft, und die Erhöhung der Walzengeschwindigkeit ist daher ein wichtiger Anreiz für die breitere Einführung von Automatisierungssystemen, für die Bergleute tätig werden würden als Monitore statt als praktische Operatoren.

Die Bergung von Strebausrüstung und ihre Verbringung an eine neue Baustelle birgt einzigartige Gefahren für Arbeiter. Zur Sicherung des Strebdachs und der Strebkohle wurden innovative Methoden entwickelt, um das Risiko von Steinschlägen während des Überführungsvorgangs zu minimieren. Allerdings sind die einzelnen Maschinenteile extrem schwer (über 20 Tonnen für eine große Strebstütze und deutlich mehr für einen Walzenlader), und trotz des Einsatzes speziell konstruierter Transporter bleibt die Gefahr von Personenquetschungen oder Hebeverletzungen während der Strebbergung .

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