Alle, die in untertägigen Bergwerken arbeiten, sollten über fundierte Kenntnisse über Grubengase verfügen und sich der Gefahren bewusst sein, die von ihnen ausgehen können. Außerdem sind allgemeine Kenntnisse über Gaswarngeräte und -systeme erforderlich. Für diejenigen, die mit der Verwendung dieser Instrumente beauftragt sind, ist eine detaillierte Kenntnis ihrer Grenzen und der Gase, die sie messen, unerlässlich.

Auch ohne Instrumente können die menschlichen Sinne möglicherweise das fortschreitende Auftreten der chemischen und physikalischen Phänomene erkennen, die mit der Selbstentzündung verbunden sind. Die Heizung erwärmt die Ventilationsluft und sättigt sie sowohl mit Oberflächen- als auch mit integraler Feuchtigkeit, die durch die Heizung ausgetrieben wird. Wenn diese Luft am Ventilationsspalt auf kältere Luft trifft, tritt Kondensation auf, was zu einer Trübung und dem Auftreten von Schwitzen auf den Oberflächen in den Rückläufen führt. Ein charakteristischer Öl- oder Benzingeruch ist das nächste Anzeichen, gefolgt von Rauch und schließlich sichtbaren Flammen.

Kohlenmonoxid (CO), das geruchlos ist, tritt in messbaren Konzentrationen bei etwa 50 bis 60 °C auf, bevor der charakteristische Geruch einer Selbstentzündung auftritt. Folglich verlassen sich die meisten Feuererkennungssysteme auf die Erkennung eines Anstiegs der Kohlenmonoxidkonzentration über den normalen Hintergrund für den bestimmten Teil der Mine.

Manchmal wird eine Erwärmung zuerst von einer Person festgestellt, die für einen flüchtigen Moment einen schwachen Geruch wahrnimmt. Eine gründliche Untersuchung des Bereichs muss möglicherweise mehrmals wiederholt werden, bevor ein messbarer anhaltender Anstieg der Kohlenmonoxidkonzentration festgestellt werden kann. Dementsprechend sollte die Wachsamkeit aller in der Mine befindlichen Personen niemals nachlassen und ein vorab vereinbarter Interventionsprozess durchgeführt werden, sobald das Vorhandensein eines Indikators vermutet oder entdeckt und gemeldet wurde. Glücklicherweise ist es dank beträchtlicher Fortschritte in der Technologie der Branderkennung und -überwachung seit den 1970er Jahren (z. B. Detektorröhren, elektronische Detektoren im Taschenformat und computergestützte feste Systeme) nicht mehr notwendig, sich allein auf die menschlichen Sinne zu verlassen.

Tragbare Instrumente für die Gasdetektion

Das Gaswarngerät wurde entwickelt, um das Vorhandensein einer Vielzahl von Gasarten und -konzentrationen zu erkennen und zu überwachen, die zu einem Brand, einer Explosion und einer toxischen oder sauerstoffarmen Atmosphäre führen können, sowie um frühzeitig vor einem spontanen Ausbruch zu warnen Verbrennung. Zu den Gasen, für die sie verwendet werden, gehören CO, Kohlendioxid (CO₂), Stickstoffdioxid (NO₂), Schwefelwasserstoff (H₂S) und Schwefeldioxid (SO₂). Es stehen verschiedene Arten von Instrumenten zur Verfügung, aber bevor Sie sich entscheiden, welches in einer bestimmten Situation verwendet werden soll, müssen die folgenden Fragen beantwortet werden:

• Warum ist die Detektion eines bestimmten Gases oder bestimmter Gase erforderlich?
• Welche Eigenschaften haben diese Gase?
• Wo und unter welchen Umständen treten sie auf?
• Welches Gasmessgerät oder -gerät ist für diese Umstände am besten geeignet?
• Wie funktioniert dieses Instrument?
• Was sind ihre Grenzen?
• Wie sind die gelieferten Ergebnisse zu interpretieren?

Arbeiter müssen in der korrekten Verwendung von tragbaren Gaswarngeräten geschult werden. Instrumente müssen gemäß den Herstellerangaben gewartet werden.

Universelle Detektor-Kits

Ein Detektor-Kit besteht aus einer federbelasteten Kolben- oder Faltenbalgpumpe und einer Reihe austauschbarer Anzeigeröhrchen aus Glas, die spezifische Chemikalien für ein bestimmtes Gas enthalten. Die Pumpe hat eine Kapazität von 100 cc und kann mit einer Hand bedient werden. Dadurch kann eine Probe dieser Größe durch das Indikatorrohr gezogen werden, bevor sie zum Balg geleitet wird. Der Warnindikator auf der Skala entspricht dem niedrigsten Grad der allgemeinen Verfärbung, nicht dem tiefsten Punkt der Farbdurchdringung.

Das Gerät ist einfach zu bedienen und erfordert keine Kalibrierung. Es gelten jedoch bestimmte Vorsichtsmaßnahmen:

• Indikatorröhrchen (die datiert werden sollten) haben im Allgemeinen eine Haltbarkeit von zwei Jahren.
• Ein Indikatorröhrchen kann zehnmal wiederverwendet werden, sofern keine Verfärbung aufgetreten ist.
• Die allgemeine Genauigkeit jeder Bestimmung liegt normalerweise innerhalb von ± 20 %.
• Wasserstoffröhren sind wegen der starken Hitzeentwicklung nicht für den Einsatz unter Tage zugelassen.
• Ein mit Aktivkohle gefülltes „Vorrohr“ ist erforderlich, wenn niedrige Kohlenmonoxidwerte in Gegenwart von Dieselabgasen oder höheren Kohlenwasserstoffen, die in Nachfeuchte vorhanden sein können, abgeschätzt werden können.
• Das Abgas sollte durch eine Kühlvorrichtung geleitet werden, um sicherzustellen, dass die Temperatur unter 40 °C liegt, bevor es durch das Indikatorrohr strömt.
• Sauerstoff- und Methanrohre sind wegen ihrer Ungenauigkeit nicht für den Einsatz unter Tage zugelassen.

Katalytische Methanometer

Das katalytische Methanometer wird in Untertageminen verwendet, um die Konzentration von Methan in der Luft zu messen. Es hat einen Sensor, der auf dem Prinzip eines Netzwerks aus vier widerstandsangepassten Spiraldrähten, normalerweise katalytischen Filamenten, basiert, die in einer symmetrischen Form angeordnet sind, die als Wheatstone-Brücke bekannt ist. Normalerweise sind zwei Filamente aktiv und die anderen beiden passiv. Die aktiven Filamente oder Kügelchen sind üblicherweise mit einem Palladiumoxid-Katalysator beschichtet, um eine Oxidation des brennbaren Gases bei einer niedrigeren Temperatur zu bewirken.

Methan in der Atmosphäre erreicht die Probenkammer entweder durch Diffusion durch eine gesinterte Scheibe oder durch Ansaugen durch einen Aspirator oder eine interne Pumpe. Durch Drücken des Betriebsknopfes des Methanometers wird der Stromkreis geschlossen und der durch die Wheatstone-Brücke fließende Strom oxidiert das Methan an den katalytischen (aktiven) Filamenten in der Probenkammer. Die Wärme dieser Reaktion erhöht die Temperatur der katalytischen Filamente, erhöht ihren elektrischen Widerstand und bringt die Brücke elektrisch aus dem Gleichgewicht. Der fließende elektrische Strom ist proportional zum Widerstand des Elements und damit zur vorhandenen Methanmenge. Dies wird auf einer in Prozent Methan abgestuften Leistungsanzeige angezeigt. Die Referenzelemente in der Wheatstone-Brückenschaltung dienen dazu, Schwankungen der Umgebungsbedingungen wie Umgebungstemperatur und Luftdruck zu kompensieren.

Dieses Instrument weist eine Reihe erheblicher Einschränkungen auf:

• Sowohl Methan als auch Sauerstoff müssen vorhanden sein, um eine Reaktion zu erhalten. Wenn der Sauerstoffgehalt in der Probenkammer unter 10 % liegt, wird nicht das gesamte Methan, das den Detektor erreicht, oxidiert und es wird ein falsch niedriger Messwert erhalten. Aus diesem Grund sollte dieses Gerät nicht zur Methangehaltsmessung in Nachfeuchten oder in abgesperrten Bereichen mit geringer Sauerstoffkonzentration verwendet werden. Wenn die Kammer reines Methan enthält, wird überhaupt nichts angezeigt. Dementsprechend muss der Bedienknopf gedrückt werden, bevor das Instrument in eine vermutete Methanschicht bewegt wird, um etwas sauerstoffhaltige Luft in die Kammer zu ziehen. Das Vorhandensein einer Schicht wird durch einen Messwert bestätigt, der größer als der Skalenendwert ist, gefolgt von einer Rückkehr zur Skala, wenn der Sauerstoff verbraucht ist.
• Methanometer des katalytischen Typs reagieren auf andere brennbare Gase als Methan, beispielsweise Wasserstoff und Kohlenmonoxid. In Gasen nach einem Brand oder einer Explosion (Nachfeuchte) können daher mehrdeutige Messwerte erhalten werden.
• Instrumente mit Diffusionsköpfen sollten vor hohen Luftgeschwindigkeiten geschützt werden, um falsche Messwerte zu vermeiden. Dies kann durch Abschirmen mit einer Hand oder einem anderen Gegenstand erreicht werden.
• Instrumente mit katalytischen Filamenten reagieren möglicherweise nicht auf Methan, wenn das Filament bei der Kalibrierung oder Verwendung mit den Dämpfen bekannter Gifte in Kontakt kommt (z. B. Silikone in Möbelpolituren, Bohnerwachs und Farben, Phosphatester in Hydraulikflüssigkeiten und verwendete Fluorkohlenwasserstoffe). als Treibmittel in Aerosolsprays).
• Methanometer, die auf dem Wheatstone-Brücken-Prinzip basieren, können bei variablen Neigungswinkeln fehlerhafte Messwerte liefern. Solche Ungenauigkeiten werden minimiert, wenn das Instrument bei der Kalibrierung oder Verwendung in einem Winkel von 45° gehalten wird.
• Methanometer können bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen ungenaue Messwerte liefern. Diese Ungenauigkeiten werden minimiert, indem das Instrument unter Temperaturbedingungen kalibriert wird, die denen im Untergrund ähneln.

Elektrochemische Zellen

Instrumente mit elektrochemischen Zellen werden in Untertagebergwerken zur Messung von Sauerstoff- und Kohlenmonoxidkonzentrationen eingesetzt. Es stehen zwei Typen zur Verfügung: die Zusammensetzungszelle, die nur auf Änderungen der Sauerstoffkonzentration reagiert, und die Partialdruckzelle, die auf Änderungen des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre und damit der Anzahl der Sauerstoffmoleküle pro Volumeneinheit reagiert .

Die zusammengesetzte Zelle verwendet eine Kapillardiffusionsbarriere, die die Diffusion von Sauerstoff durch die Brennstoffzelle verlangsamt, so dass die Geschwindigkeit, mit der der Sauerstoff die Elektrode erreichen kann, nur vom Sauerstoffgehalt der Probe abhängt. Diese Zelle wird durch Schwankungen in Höhe (dh barometrischer Druck), Temperatur und relativer Feuchtigkeit nicht beeinflusst. Das Vorhandensein von CO₂ in der Mischung stört jedoch die Geschwindigkeit der Sauerstoffdiffusion und führt zu falsch hohen Messwerten. Zum Beispiel das Vorhandensein von 1 % CO₂ erhöht den Sauerstoffwert um bis zu 0.1 %. Obwohl dieser Anstieg gering ist, kann er dennoch erheblich und nicht ausfallsicher sein. Es ist besonders wichtig, sich dieser Einschränkung bewusst zu sein, wenn dieses Instrument in Nachfeuchten oder anderen Atmosphären verwendet werden soll, die bekanntermaßen CO enthalten₂.

Die Partialdruckzelle basiert auf dem gleichen elektrochemischen Prinzip wie die Konzentrationszelle, jedoch ohne Diffusionsbarriere. Es reagiert nur auf die Anzahl der Sauerstoffmoleküle pro Volumeneinheit und ist somit druckabhängig. CO₂ Konzentrationen unter 10 % haben kurzfristig keinen Einfluss auf den Messwert, langfristig zerstört das Kohlendioxid jedoch den Elektrolyten und verkürzt die Lebensdauer der Zelle.

Die folgenden Bedingungen beeinträchtigen die Zuverlässigkeit der von Partialdruckzellen erzeugten Sauerstoffmesswerte:

• Höhe und Luftdruck: Die Fahrt von der Oberfläche zum Boden des Schachts würde den Sauerstoffmesswert um 0.1 % pro zurückgelegten 40 m erhöhen. Dies würde auch für Einbrüche gelten, die in den Untertagearbeiten angetroffen werden. Darüber hinaus könnten die normalen täglichen Schwankungen des barometrischen Drucks von 5 Millibar den Sauerstoffmesswert um bis zu 0.1 % verändern. Gewitteraktivität könnte von einem Druckabfall von 30 Millibar begleitet werden, der einen Abfall des Sauerstoffwerts um 0.4 % verursachen würde.
• Lüftung: Die maximale Belüftungsänderung am Lüfter wäre 6-8 Zoll Wassersäule oder 10 Millibar. Dies würde einen Abfall von 0.4 % beim Sauerstoffmesswert vom Einlass zum Rücklauf am Lüfter und einen Abfall von 0.2 % beim Weg von der am weitesten entfernten Wand vom Grubenboden verursachen.
• Temperatur: Die meisten Detektoren haben eine elektronische Schaltung, die die Zelltemperatur misst und den Temperatureffekt auf den Sensorausgang korrigiert.
• Relative Luftfeuchtigkeit: Ein Anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit von trocken auf gesättigt bei 20 °C würde eine Verringerung des Sauerstoffmesswerts um etwa 0.3 % verursachen.

Andere elektrochemische Zellen

Es wurden elektrochemische Zellen entwickelt, die CO-Konzentrationen von 1 ppm bis zu einer Obergrenze von 4,000 ppm messen können. Sie arbeiten, indem sie den elektrischen Strom zwischen Elektroden messen, die in einen sauren Elektrolyten eingetaucht sind. CO wird an der Anode zu CO oxidiert₂ und die Reaktion setzt Elektronen direkt proportional zur CO-Konzentration frei.

Elektrochemische Zellen für Wasserstoff, Schwefelwasserstoff, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid sind ebenfalls erhältlich, leiden jedoch unter Querempfindlichkeit.

Es gibt keine kommerziell erhältlichen elektrochemischen Zellen für CO₂. Der Mangel wurde durch die Entwicklung eines tragbaren Instruments überwunden, das eine miniaturisierte Infrarotzelle enthält, die auf Kohlendioxid in Konzentrationen von bis zu 5 % empfindlich ist.

Nichtdispersive Infrarotdetektoren

Nichtdispersive Infrarotdetektoren (NDIRs) können alle Gase messen, die solche chemischen Gruppen wie -CO, -CO enthalten₂ und -CH₃, die Infrarotfrequenzen absorbieren, die für ihre molekulare Konfiguration spezifisch sind. Diese Sensoren sind teuer, aber sie können genaue Messwerte für Gase wie CO, CO liefern₂ und Methan in einem wechselnden Hintergrund anderer Gase und niedrigem Sauerstoffgehalt und sind daher ideal für die Überwachung von Gasen hinter Dichtungen. Ö₂, N₂ und H₂ absorbieren keine Infrarotstrahlung und können mit dieser Methode nicht nachgewiesen werden.

Andere tragbare Systeme mit auf Wärmeleitung und Brechungsindex basierenden Detektoren haben in der Kohlebergbauindustrie eine begrenzte Verwendung gefunden.

Einschränkungen tragbarer Gasmessgeräte

Die Wirksamkeit tragbarer Gasmessgeräte wird durch eine Reihe von Faktoren begrenzt:

• Eine Kalibrierung ist erforderlich. Dies beinhaltet normalerweise eine tägliche Nullpunkt- und Spannungsprüfung, eine wöchentliche Bereichsprüfung und alle 6 Monate eine Kalibrierungsprüfung durch eine autorisierte externe Stelle.
• Sensoren haben eine begrenzte Lebensdauer. Wenn nicht vom Hersteller datiert, sollte das Erwerbsdatum angegeben werden.
• Sensoren können vergiftet werden.
• Sensoren können unter Querempfindlichkeit leiden.
• Überbelichtung kann den Sensor sättigen, was zu einer langsamen Erholung führt.
• Die Neigung kann den Messwert beeinflussen.
• Batterien müssen geladen und regelmäßig entladen werden.

Zentralisierte Überwachungssysteme

Durch Inspektionen, Lüftungen und Vermessungen mit Handmessgeräten gelingt es oft, eine kleine Heizung mit begrenztem CO-Gehalt zu erkennen und zu lokalisieren, bevor das Gas von der Lüftungsanlage abgegeben wird oder sein Pegel die gesetzlichen Grenzwerte überschreitet. Diese reichen jedoch nicht aus, wenn ein erhebliches Verbrennungsrisiko bekannt ist, der Methangehalt im Rücklauf 1 % übersteigt oder eine potenzielle Gefährdung vermutet wird. Unter diesen Umständen ist eine kontinuierliche Überwachung an strategischen Stellen erforderlich. Eine Anzahl unterschiedlicher Arten von zentralisierten kontinuierlichen Überwachungssystemen wird verwendet.

Rohrbündelsysteme

Das Rohrbündelsystem wurde in den 1960er Jahren in Deutschland entwickelt, um den Verlauf von Selbstentzündungen zu erfassen und zu überwachen. Es handelt sich um eine Reihe von bis zu 20 Kunststoffrohren aus Nylon oder Polyethylen mit einem Durchmesser von 1/4 oder 3/8 Zoll, die sich von einer Reihe von Analysegeräten an der Oberfläche zu ausgewählten Stellen im Untergrund erstrecken. Die Rohre sind mit Filtern, Abflüssen und Flammensperren ausgestattet; die Analysatoren sind normalerweise Infrarot für CO, CO₂ und Methan und paramagnetisch für Sauerstoff. Eine Scavenger-Pumpe zieht gleichzeitig eine Probe durch jedes Röhrchen, und ein sequentieller Timer leitet die Probe aus jedem Röhrchen der Reihe nach durch die Analysatoren. Der Datenlogger zeichnet die Konzentration jedes Gases an jedem Ort auf und löst automatisch einen Alarm aus, wenn vorgegebene Werte überschritten werden.

Dieses System hat eine Reihe von Vorteilen:

• Es sind keine explosionsgeschützten Instrumente erforderlich.
• Die Wartung ist relativ einfach.
• Erdstrom ist nicht erforderlich.
• Es deckt eine breite Palette von Gasen ab.
• Infrarotanalysatoren sind normalerweise ziemlich stabil und zuverlässig; sie behalten ihre Spezifität bei einem sich ändernden Hintergrund von Brandgasen und sauerstoffarmen Atmosphären (hohe Konzentrationen von Methan und/oder Kohlendioxid können querempfindlich zum Kohlenmonoxid-Messwert im niedrigen ppm-Bereich sein).
• Instrumente können an der Oberfläche kalibriert werden, obwohl Kalibrierungsproben von Gasen durch die Rohre geschickt werden sollten, um die Integrität des Sammelsystems und des Systems zur Identifizierung der Orte zu testen, von denen bestimmte Proben stammen.

Es gibt auch einige Nachteile:

• Die Ergebnisse sind nicht in Echtzeit.
• Lecks sind nicht sofort erkennbar.
• In den Rohren kann sich Kondenswasser ansammeln.
• Defekte im System sind nicht immer sofort ersichtlich und können schwer zu identifizieren sein.
• Die Röhren können durch Sprengung, Feuer oder Explosion beschädigt werden.

Telemetrisches (elektronisches) System

Das telemetrische automatische Gasüberwachungssystem verfügt über ein Steuermodul an der Oberfläche und eigensichere Sensorköpfe, die strategisch unterirdisch angeordnet sind und über Telefonleitungen oder Glasfaserkabel verbunden sind. Sensoren sind für Methan, CO und Luftgeschwindigkeit erhältlich. Der Sensor für CO ähnelt dem in tragbaren Instrumenten verwendeten elektrochemischen Sensor und unterliegt denselben Beschränkungen. Der Methansensor arbeitet durch die katalytische Verbrennung von Methan an den aktiven Elementen einer Wheatstone-Brückenschaltung, die durch Schwefelverbindungen, Phosphatester oder Siliziumverbindungen vergiftet werden kann und bei niedriger Sauerstoffkonzentration nicht funktioniert.

Zu den einzigartigen Vorteilen dieses Systems gehören:

• Die Ergebnisse sind in Echtzeit verfügbar (dh es gibt einen schnellen Hinweis auf einen Brand oder eine Methanbildung).
• Große Entfernungen zwischen den Sensorköpfen und der Steuereinheit sind möglich, ohne das System zu beeinträchtigen.
• Sensorausfall wird sofort erkannt.

Es gibt auch einige Nachteile:

• Es ist ein hoher Wartungsaufwand erforderlich.
• Der Sensorbereich für CO ist begrenzt (0.4 %).
• Die Sensorvielfalt ist begrenzt; es gibt keine für CO₂ oder Wasserstoff.
• Der Methansensor ist vergiftet.
• Vor Ort Kalibrierung erforderlich.
• Querempfindlichkeit kann ein Problem sein.
• Es kann zu einem Leistungsverlust kommen (z. B. > 1.25 % für Methan).
• Die Sensorlebensdauer ist auf 1 bis 2 Jahre begrenzt.
• Das System ist nicht geeignet für sauerstoffarme Atmosphären (z. B. hinter Dichtungen).

Gaschromatographen

Der Gaschromatograph ist ein ausgeklügeltes Gerät, das Proben mit hoher Genauigkeit analysiert und das bis vor kurzem nur von Chemikern oder speziell qualifiziertem und geschultem Personal vollständig genutzt werden konnte.

Gasproben aus einem Rohrbündelsystem werden automatisch in den Gaschromatographen injiziert oder sie können manuell aus Beutelproben eingeführt werden, die aus dem Bergwerk gebracht werden. Eine speziell gepackte Säule wird verwendet, um verschiedene Gase zu trennen, und ein geeigneter Detektor, normalerweise Wärmeleitfähigkeit oder Flammenionisation, wird verwendet, um jedes Gas zu messen, wenn es aus der Säule eluiert. Das Trennverfahren bietet ein hohes Maß an Spezifität.

Der Gaschromatograph hat besondere Vorteile:

• Es tritt keine Querempfindlichkeit gegenüber anderen Gasen auf.
• Es ist in der Lage, Wasserstoff zu messen.
• Es kann Ethylen und höhere Kohlenwasserstoffe messen.
• Es kann sehr niedrige bis sehr hohe Konzentrationen der meisten Gase, die im Untergrund durch eine Heizung oder ein Feuer entstehen oder entstehen, genau messen.
• Es ist allgemein anerkannt, dass moderne Methoden zur Bekämpfung von Bränden und Heizungen in Kohleminen am effektivsten auf der Grundlage der Interpretation von Gasanalysen von strategischen Stellen in der Mine implementiert werden können. Genaue, zuverlässige und vollständige Ergebnisse erfordern einen Gaschromatographen und die Interpretation durch qualifiziertes, erfahrenes und umfassend geschultes Personal.

Zu seinen Nachteilen gehören:

• Die Analysen sind relativ langsam.
• Es ist ein hoher Wartungsaufwand erforderlich.
• Die Hardware und die Steuerung sind komplex.
• Fachkundige Aufmerksamkeit ist regelmäßig erforderlich.
• Die Kalibrierung muss häufig geplant werden.
• Hohe Methankonzentrationen stören niedrige CO-Messungen.

Wahl des Systems

Rohrbündelsysteme werden für die Überwachung von Orten bevorzugt, an denen keine schnellen Änderungen der Gaskonzentrationen zu erwarten sind oder die, wie abgedichtete Bereiche, Umgebungen mit niedrigem Sauerstoffgehalt aufweisen können.

Telemetrische Systeme werden an Orten wie Umgehungsstraßen oder an der Strebfläche bevorzugt, wo schnelle Änderungen der Gaskonzentrationen von Bedeutung sein können.

Die Gaschromatographie ersetzt keine bestehenden Überwachungssysteme, aber sie verbessert die Reichweite, Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Analysen. Dies ist besonders wichtig, wenn es um die Ermittlung der Explosionsgefahr geht oder wenn eine Erwärmung ein fortgeschrittenes Stadium erreicht.

Überlegungen zur Probenahme

• Die Platzierung von Probenahmestellen an strategischen Orten ist von großer Bedeutung. Die Informationen von einem einzelnen Probenahmepunkt in einiger Entfernung von der Quelle sind nur Anhaltspunkte; ohne Bestätigung von anderen Stellen kann es dazu führen, dass der Ernst der Lage über- oder unterschätzt wird. Folglich müssen Probenahmestellen zur Erkennung eines Ausbruchs von Selbstentzündungen dort liegen, wo es am wahrscheinlichsten zu Erwärmungen kommt. Zwischen der Heizung und den Detektoren darf es zu einer geringen Strömungsverdünnung kommen. Es muss die Möglichkeit der Schichtung von Methan und warmen Verbrennungsgasen berücksichtigt werden, die in einem versiegelten Bereich die Senke hinaufsteigen können. Idealerweise befinden sich die Probenahmestellen in Plattenumläufen, hinter Verschlüssen und Dichtungen und im Hauptstrom des Lüftungskreislaufs. Dabei gelten folgende Überlegungen:
• Die Probenahmestelle sollte mindestens 5 m von einer Robbe entfernt sein, da Robben „einatmen“, wenn der atmosphärische Druck steigt.
• Proben sollten nur dann aus Bohrlöchern entnommen werden, wenn diese ausatmen und sichergestellt werden kann, dass das Bohrloch dicht ist.
• Proben sollten mehr als 50 m in Windrichtung von einem Feuer genommen werden, um eine Durchmischung sicherzustellen (Mitchell und Burns 1979).
• Bei einem Feuer in Dachnähe sollten die Proben am Gefälle entnommen werden, da heiße Gase aufsteigen.
• Die Proben sollten durch eine Belüftungstür entnommen werden, um ein Auslaufen zu vermeiden.
• Alle Probenahmestellen sollten auf Karten oder schematischen Darstellungen des Grubenbelüftungssystems deutlich dargestellt werden. Die Entnahme von Gasproben unter Tage oder aus Oberflächenbohrlöchern zur Analyse an einem anderen Ort ist schwierig und fehleranfällig. Die Probe im Beutel oder Behälter muss die Atmosphäre an der Probenahmestelle wirklich widerspiegeln.

Plastiktüten werden heute in der Industrie häufig zur Entnahme von Proben verwendet. Der Kunststoff minimiert Leckagen und kann eine Probe 5 Tage lang aufbewahren. Wasserstoff, falls im Beutel vorhanden, wird mit einem täglichen Verlust von etwa 1.5 % seiner ursprünglichen Konzentration abgebaut. Eine Probe in einer Fußballblase ändert die Konzentration in einer halben Stunde. Die Beutel sind einfach zu füllen und die Probe kann in ein Analysegerät gedrückt oder mit einer Pumpe entnommen werden.

Metallröhrchen, die von einer Pumpe unter Druck gefüllt werden, können Proben für lange Zeit lagern, aber die Größe der Probe ist begrenzt und Lecks sind üblich. Glas ist gegenüber Gasen inert, aber Glasbehälter sind zerbrechlich und es ist schwierig, die Probe ohne Verdünnung herauszuholen.

Beim Sammeln von Proben sollte der Behälter mindestens dreimal vorgespült werden, um sicherzustellen, dass die vorherige Probe vollständig ausgespült wird. Jeder Behälter sollte mit einem Etikett versehen sein, das Informationen wie Datum und Uhrzeit der Probenahme, den genauen Ort, den Namen der Person, die die Probe entnommen hat, und andere nützliche Informationen trägt.

Interpretation der Stichprobendaten

Die Interpretation der Ergebnisse der Gasprobenahme und -analyse ist eine anspruchsvolle Wissenschaft und sollte nur von Personen mit spezieller Ausbildung und Erfahrung durchgeführt werden. Diese Daten sind in vielen Notfällen von entscheidender Bedeutung, da sie Informationen darüber liefern, was unter Tage passiert, die für die Planung und Umsetzung von Korrektur- und Vorbeugungsmaßnahmen benötigt werden. Während oder unmittelbar nach einer Untergrundheizung, einem Brand oder einer Explosion sollten alle möglichen Umgebungsparameter in Echtzeit überwacht werden, damit die Verantwortlichen den Status der Situation genau bestimmen und den Fortschritt messen können, damit sie keine Zeit verlieren, um eine erforderliche Rettung einzuleiten Aktivitäten.

Gasanalyseergebnisse müssen die folgenden Kriterien erfüllen:

• Richtigkeit. Instrumente müssen korrekt kalibriert sein.
• Zuverlässigkeit. Querempfindlichkeiten müssen bekannt sein
• Vollständigkeit. Alle Gase, einschließlich Wasserstoff und Stickstoff, sollten gemessen werden.
• Pünktlichkeit. Wenn Echtzeit nicht möglich ist, sollte Trending durchgeführt werden.
• Gültigkeit. Probenahmestellen müssen sich in und um den Ort des Vorfalls befinden.

Die folgenden Regeln sollten bei der Interpretation der Gasanalyseergebnisse befolgt werden:

• Einige Probenahmestellen sollten sorgfältig ausgewählt und auf dem Plan markiert werden. Dies ist besser für Trendanalysen geeignet, als Stichproben von vielen Punkten zu nehmen.
• Wenn ein Ergebnis von einem Trend abweicht, sollte es durch erneute Probenahme bestätigt oder die Kalibrierung des Instruments überprüft werden, bevor Maßnahmen ergriffen werden. Schwankende äußere Einflüsse wie Belüftung, Luftdruck und Temperatur oder ein in der Umgebung laufender Dieselmotor sind häufig die Ursache für das sich ändernde Ergebnis.
• Die Gasart oder -mischung unter nicht-bergbaulichen Bedingungen sollte bekannt sein und in den Berechnungen berücksichtigt werden.
• Kein Analyseergebnis sollte vertrauensvoll akzeptiert werden; Ergebnisse müssen valide und überprüfbar sein.
• Dabei ist zu beachten, dass isolierte Zahlen den Fortschritt nicht wiedergeben – Trends geben ein genaueres Bild.

Luftfreie Ergebnisse berechnen

Luftfreie Ergebnisse erhält man durch Herausrechnen der atmosphärischen Luft in der Probe (Mackenzie-Wood und Strang 1990). Dadurch können Proben aus einem ähnlichen Bereich richtig verglichen werden, nachdem der Verdünnungseffekt durch Luftleckagen entfernt wurde.

Die Formel lautet:

Luftfreies Ergebnis = Analysiertes Ergebnis / (100 - 4.776 O₂)

Es wird wie folgt hergeleitet:

Atmosphärische Luft = O₂ + N₂ = O.₂ + 79.1 O₂ / 20.9 = 4.776 O₂

Luftfreie Ergebnisse sind nützlich, wenn eine Trenddarstellung der Ergebnisse erforderlich ist und die Gefahr einer Luftverdünnung zwischen dem Probenpunkt und der Quelle bestand, Luftlecks in Probenleitungen aufgetreten sind oder Beutelproben und Dichtungen möglicherweise eingeatmet haben. Zum Beispiel, Wenn die Kohlenmonoxidkonzentration aus einer Heizung ermittelt wird, könnte die Luftverdünnung durch eine Erhöhung der Belüftung als Abnahme des Kohlenmonoxids aus der Quelle fehlinterpretiert werden. Die Trenddarstellung der luftfreien Konzentrationen würde die korrekten Ergebnisse liefern.

Ähnliche Berechnungen sind erforderlich, wenn der Probenahmebereich Methan erzeugt: Die Erhöhung der Methankonzentration würde die Konzentration anderer vorhandener Gase verdünnen. Daher kann sich ein zunehmender Kohlenoxidgehalt tatsächlich als abnehmend zeigen.

Methanfreie Ergebnisse werden wie folgt berechnet:

Methanfreies Ergebnis = Analysiertes Ergebnis / (100 - CH4%)

Spontaneous Combustion

Selbstentzündung ist ein Vorgang, bei dem sich ein Stoff durch innere Wärme entzünden kann, die spontan durch Reaktionen entsteht, die Wärme schneller freisetzen, als sie an die Umgebung abgegeben werden kann. Die spontane Erwärmung von Kohle erfolgt normalerweise langsam, bis die Temperatur etwa 70 °C erreicht, was als „Übergangstemperatur“ bezeichnet wird. Oberhalb dieser Temperatur beschleunigt sich die Reaktion gewöhnlich. Bei über 300 °C werden die flüchtigen Bestandteile, auch „Kohlengas“ oder „Spaltgas“ genannt, abgegeben. Diese Gase (Wasserstoff, Methan und Kohlenmonoxid) entzünden sich spontan bei Temperaturen von etwa 650 °C (es wurde berichtet, dass das Vorhandensein freier Radikale bei etwa 400 °C zum Auftreten von Flammen in der Kohle führen kann). Die an einem klassischen Fall der Selbstentzündung beteiligten Prozesse sind in Tabelle 1 dargestellt (verschiedene Kohlen ergeben unterschiedliche Bilder).

Tabelle 1. Erhitzung von Kohle – Hierarchie der Temperaturen

Quelle: Chamberlain et al. 1970.

Kohlenmonoxid

CO wird tatsächlich etwa 50 °C freigesetzt, bevor der charakteristische Verbrennungsgeruch wahrgenommen wird. Die meisten Systeme, die zur Erkennung des Beginns einer Selbstentzündung ausgelegt sind, basieren auf der Erkennung von Kohlenmonoxid in Konzentrationen über dem normalen Hintergrund für einen bestimmten Bereich der Mine.

Sobald eine Erwärmung festgestellt wurde, muss sie überwacht werden, um den Zustand der Erwärmung (dh ihre Temperatur und ihr Ausmaß), die Beschleunigungsrate, toxische Emissionen und die Explosionsfähigkeit der Atmosphäre zu bestimmen.

Überwachung einer Heizung

Zur Bestimmung des Ausmaßes, der Temperatur und des Fortschreitens einer Erwärmung stehen dem Planer eine Reihe von Indizes und Parametern zur Verfügung. Diese basieren normalerweise auf Änderungen in der Zusammensetzung der Luft, die durch einen verdächtigen Bereich strömt. Viele Indikatoren wurden im Laufe der Jahre in der Literatur beschrieben, und die meisten bieten ein sehr begrenztes Nutzungsfenster und sind von minimalem Wert. Alle sind standortspezifisch und unterscheiden sich mit unterschiedlichen Kohlen und Bedingungen. Einige der beliebtesten sind: Kohlenmonoxid-Trends; Kohlenmonoxid machen (Funkemeyer und Kock 1989); Grahams Ratio (Graham 1921) Tracergase (Chamberlain 1970); Morris-Verhältnis (Morris 1988); und das Kohlenmonoxid/Kohlendioxid-Verhältnis. Nach dem Versiegeln können Indikatoren aufgrund des Fehlens eines definierten Luftstroms schwierig zu verwenden sein.

Kein Indikator bietet eine genaue und sichere Methode, um den Fortschritt einer Erwärmung zu messen. Entscheidungen müssen auf dem Sammeln, Tabellieren, Vergleichen und Analysieren aller Informationen und deren Interpretation im Lichte von Ausbildung und Erfahrung beruhen.

Explosionen

Explosionen sind die größte Einzelgefahr im Kohlebergbau. Es hat das Potenzial, die gesamte unterirdische Belegschaft zu töten, alle Ausrüstungen und Dienstleistungen zu zerstören und jeden weiteren Betrieb der Mine zu verhindern. Und all dies kann in 2 bis 3 Sekunden geschehen.

Die Explosionsfähigkeit der Atmosphäre im Bergwerk muss ständig überwacht werden. Es ist besonders dringend, wenn Arbeiter mit einer Rettungsaktion in einem vergasten Bergwerk beschäftigt sind.

Wie bei Indikatoren zur Bewertung einer Heizung gibt es eine Reihe von Techniken zur Berechnung der Explosionsfähigkeit der Atmosphäre in einem Untertagebergwerk. Dazu gehören: Coward's Triangle (Greuer 1974); Das Dreieck von Hughes und Raybold (Hughes und Raybold 1960); Elicotts Diagramm (Elicott 1981); und Tricketts Verhältnis (Jones und Trickett 1955). Aufgrund der Komplexität und Variabilität der Bedingungen und Umstände gibt es keine einzige Formel, auf die man sich als Garantie dafür verlassen kann, dass es zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem bestimmten Bergwerk nicht zu einer Explosion kommt. Man muss sich auf ein hohes und unablässiges Maß an Wachsamkeit, einen hohen Verdachtsindex und ein bedenkenloses Einleiten geeigneter Maßnahmen beim geringsten Hinweis darauf verlassen, dass eine Explosion unmittelbar bevorstehen könnte. Ein vorübergehender Produktionsstopp ist eine relativ geringe Prämie, um sicherzustellen, dass es nicht zu einer Explosion kommt.

Fazit

Dieser Artikel hat die Detektion von Gasen zusammengefasst, die an Bränden und Explosionen in Untertagebergwerken beteiligt sein könnten. Die anderen Auswirkungen der gasförmigen Umgebung in Bergwerken auf Gesundheit und Sicherheit (z. B. Staubkrankheiten, Erstickung, toxische Wirkungen usw.) werden in anderen Artikeln in diesem Kapitel und an anderer Stelle in diesem Kapitel erörtert Enzyklopädie.

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